JPH1121669A

JPH1121669A - シリコン半導体に於ける化合物バリア膜形成方法

Info

Publication number: JPH1121669A
Application number: JP17724397A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Matsuura; 正道松浦; Tadashi Morita; 正森田; Naoshi Yamamoto; 直志山本
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 1999-01-26
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: JP4557315B2

Abstract

(57)【要約】【課題】段差切れのない化合物バリヤ膜を単一の装置に
より１プロセスで形成する方法を提供すること【解決手段】真空室内１に、直流電源５に接続されたメ
タルターゲット６とその背後の磁石７及び該ターゲット
の前方のイオン化率を高めるＲＦコイル８を備えたマグ
ネトロンカソード９を設け、プラズマ発生のための該タ
ーゲット及びＲＦコイルへの投入電力と、該真空室内へ
導入するスパッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量と
を制御し、該ターゲットに対向して設けたシリコン半導
体基板１３の表面にメタル膜の成膜と該メタル膜の化合
物化を交互に繰り返して厚い化合物バリア膜を形成する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン半導体デ
バイスのメタル配線プロセスなどに適用される化合物バ
リア膜を形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン半導体デバイスのメタル
配線プロセスでは、主要配線メタルの形成に先立ちこれ
の下地として拡散防止用にＴｉＮなどの化合物バリア膜
をシリコン半導体基板の表面に形成することが行われて
いる。この化合物バリア膜の形成方法として、プレーナ
マグネトロンカソードを用いたスパッタ法による形成方
法と、ＣＶＤ法による形成方法とが知られている。スパ
ッタ法による場合、反応性スパッタにより下地上に直接
化合物バリヤ膜を形成する方法や、下地上にスパッタ室
で単純スパッタにより先ずメタル層を堆積させ、次いで
反応室で窒素ガスなどの反応性ガス雰囲気中で加熱のみ
により該メタル層を該雰囲気ガスにより反応させて化合
物バリア膜を形成する方法、或いは、下地上にスパッタ
室で単純スパッタにより先ずメタル層を形成し、次いで
反応室のプラズマで励起した反応性ガス雰囲気中で該メ
タル層を該雰囲気ガスで反応させて化合物バリア膜を形
成する方法が使用されている。ＣＶＤ法による場合、下
地上に直接化合物バリア膜を形成している。

【０００３】また、スパッタカソードとして、ターゲッ
トの背後に磁石を設けると共に該ターゲットの前方にＲ
Ｆコイルを設けた誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロ
ンカソードが出願人により提案されている（特開平６−
４１７３９号公報）。このカソードは高真空中でプラズ
マの発生を持続でき、不純物や２次生成物の発生が少な
い利点を持っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記反応性スパッタに
よる方法では、化合物バリア膜を形成出来るが、基板の
表面にコンタクトホールやビアホールの穴等の段差部が
形成されていると、穴の入り口付近でしばしば図１に示
したようなＴｉＮの化合物バリア膜ａがきれいに絶縁物
（ＳｉＯ₂）の下地層ｂを覆っていないいわゆる“段差
切れ”が発生し、ここからバリア性が破れるという欠点
があった。これは、下地に用いられるシリカやその化合
物とＴｉＮなどの化合物バリア膜は、界面張力が大きく
いわゆる“濡れ”が悪いため、異なる２方向より引っ張
られる段差部で化合物バリア膜が切れてしまうためと考
えられる。

【０００５】一方、上記メタル層を熱反応させる方法で
は、スパッタにより下地上に堆積したメタル層は、下地
のシリカやその化合物と“濡れ”が良いため、きれいに
下地を覆え、次いで該メタル層を熱反応により化合物化
するため、形成された化合物バリア膜はきれいに下地を
覆い段差切れは発生しない。しかし、この方法では、バ
リア膜形成のため、スパッタと熱反応という２つのプロ
セスとその処理をする別々の装置が必要で、作成コスト
が高くなる不都合がある。

【０００６】また、上記メタル層をプラズマ反応させる
方法では、前記メタル層の熱反応方法と同様の段差切れ
のない化合物バリア膜を形成できるが、この方法では次
の２つの問題がある。その１つは、スパッタとプラズマ
反応の２つのプロセスとその処理をする別々の装置が必
要で作成コストが高くなるという問題であり、もう１つ
は、プラズマ反応で形成できる化合物バリア膜の厚さに
限界があるため、図２に見られるように、そのバリア性
がしばしば不十分になるという問題である。すなわち、
メタル層の表層部分が化合物バリア膜となるにとどま
り、メタル層全体が化合物バリア膜にならないという問
題である。このバリア膜の厚さに限界がでる理由は、プ
ラズマ反応ではプラズマ励起された雰囲気ガス成分が、
メタル層の表面から拡散により層内へ進入して反応が進
行するが、反応温度が前記熱反応より温度の低いプラズ
マ反応ではメタル層内への拡散が不十分となるため厚い
反応層が形成出来ないためと考えられる。

【０００７】更に、上記ＣＶＤ法では、段差切れのない
化合物バリア膜を形成できるが、ＣＶＤ法はスパッタ法
と全く異なる装置構成となり、バリア膜形成後にスパッ
タ法で行う主要メタル配線プロセスとの装置の整合性が
とれず、マルチチャンバー装置化できないため、全く別
の独立した装置が必要となって作成コストが高くなる不
都合がある。

【０００８】本発明は、段差切れのない化合物バリヤ膜
を単一の装置により１プロセスで形成する方法を提供す
ることを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、真空室内
に、直流電源に接続されたメタルターゲットとその背後
の磁石及び該ターゲットの前方のイオン化率を高めるＲ
Ｆコイルを備えたマグネトロンカソードを設け、プラズ
マ発生のための該ターゲット及びＲＦコイルへの投入電
力と、該真空室内へ導入するスパッタ用不活性ガス及び
反応性ガスの流量とを制御し、該ターゲットに対向して
設けたシリコン半導体基板の表面にメタル膜の成膜と該
メタル膜の化合物化を交互に繰り返して厚い化合物バリ
ア膜を形成することにより、上記の目的を達成するよう
にした。該ＲＦコイルを上記メタルターゲットと同じ材
質の金属で製作することが好都合であり、また、該メタ
ルターゲットを異常放電防止回路を介して直流電源へ接
続することが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
き説明すると、図３は本発明の実施に使用したスパッタ
リング装置で、同図の符号１は真空ポンプに連なる排気
口２と、アルゴンガス等のスパッタ用ガスの導入口３及
びＮ₂等の反応性ガスを導入する反応性ガス導入口４を
設けた真空室を示す。該真空室１内には、直流電源５に
異常放電防止回路１０を介して接続されたＴｉ製等のメ
タルターゲット６とその背後の磁石７及び該ターゲット
６の前方のイオン化率を高めるＲＦコイル８を備えたマ
グネトロンカソード９が設けられる。このカソード９
は、上記した誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカ
ソードとして公知のもので、ＲＦコイル８はメタルター
ゲット６の前方周囲を囲繞して設けられ、これにマッチ
ングボックス１１を介してＲＦ電源１２から電力が供給
される。１３は、拡散防止用の化合物バリア膜を形成す
べく該ターゲット６と対向して設けられた例えば直径２
インチのシリコン半導体デバイス用の基板で、その表面
にはコンタクトホールやビアホール或いは溝などの段差
部が予め形成されており、化合物バリア膜の形成後にメ
タル配線膜が形成される。該ＲＦコイル８は該メタルタ
ーゲット６と同材質の例えばＴｉにて形成され、必要な
場合は、その内部に冷却水を循環させる。１４は基板加
熱用のヒータである。

【００１１】図３の装置を使用して反応性スパッタによ
り基板１３に化合物バリア膜を形成するには、まず真空
室１内を排気し、スパッタ用アルゴンガスをカソード９
の近傍の導入口３から適量導入して圧力を調整したの
ち、基板１３をヒータ１４で加熱し、基板温度を所要の
成膜温度にする。メタルターゲット６に直流電力と、Ｒ
Ｆコイル８に高周波電力を夫々投入する。これによりタ
ーゲット６の前方にプラズマが発生し、イオンによりタ
ーゲット６がスパッタされ、スパッタされたメタル粒子
が基板１３に堆積する。メタルが例えば数十Å程度の極
薄く膜状に堆積したところで、ターゲット６への投入電
力を零にし、ＲＦコイル８への高周波電力のみを投入し
た状態で反応ガス導入口４から反応ガスを導入する。こ
れによりターゲット６は殆どスパッタされず、導入され
た反応性ガスはＲＦコイル８のプラズマで励起・イオン
化されるので堆積したメタル膜と速やかに反応し、化合
物バリア膜となる。堆積した該メタル膜は極めて薄いの
で、薄膜内部までほぼ完全に化合した化合物膜になる。

【００１２】このあと、前記したターゲット６のスパッ
タ工程と反応ガスの導入による化合物化工程を繰り返
し、基板１３上に例えば１００Å程度の極薄の化合物バ
リア膜を形成する。これにより得られた化合物バリア膜
は、極薄でありながら良好なバリア性をもつ。ターゲッ
ト６には化合物バリア膜を形成する各種のメタルの使用
が可能であり、例えばＴａやＷを使用すれば、ＴａＮ、
ＷＮのバリア膜を形成でき、ターゲットの材料と反応性
ガスを適当に選択することで種々の化合物バリア膜を形
成できる。

【００１３】該基板１３へのメタルの堆積速度は主にタ
ーゲット６へ投入する直流電力に依存し、スパッタされ
たメタル粒子や反応ガスのイオン化や励起の程度は主に
ＲＦコイル８に投入する高周波電力に依存する。後者の
理由はスパッタされた中性メタル粒子がＲＦコイル８の
つくるプラズマゾーンを通過するときにイオン化される
というイオンプレーティングと同様なポストイオン化機
構によるためと考えられる。このイオン化や励起の程度
は、主に電子とガス粒子の衝突頻度に依存するので、一
般にガスの圧力の高い方が大きい。しかし、基板とター
ゲット間の距離が従来のプレーナーマグネトロンスパッ
タ装置での距離より３〜８倍程度離しているいわゆるロ
ングスロースパッタでは、ＲＦコイルでのプラズマで励
起しても、ガス圧力が高いとターゲットと基板間での中
性ガスとの衝突でクエンチされる（冷やされる）ため、
結果として基板に到達するイオン量は少なくなる。従っ
て、このような配置では、基板に到達するイオン量とし
ては２×１０^-3Torr以下の低い圧力下でより顕著にな
る。該メタル膜を堆積させる際には、該ターゲット６へ
の直流電力のみならずＲＦコイル８に高周波電力を同時
に投入することにより、イオン化効率が高まり、基板１
３の下地の上に被覆性良く緻密で結晶性の良い数十Å程
度の極薄いメタル膜を堆積させ得る。そして、ターゲッ
ト６への直流電力を零とし、ＲＦコイル８への高周波電
力のみとした状態で反応性ガスを導入すると、スパッタ
されるメタルはほとんどなく、ＲＦコイル８によるプラ
ズマで励起・イオン化され、堆積した極薄いメタル膜と
迅速に反応して該膜をほぼ完全に化合物バリア膜にす
る。

【００１４】尚、ＲＦコイル８による化合物化工程にお
いては、ターゲット６からのスパッタ粒子によりＲＦコ
イル８の表面へメタル膜のコーティングが行われないた
め、むき出しになったＲＦコイル８の表面が誘導結合プ
ラズマ放電によりスパッタされ、そのコイル材のスパッ
タ粒子が基板１３の表面に付着するという汚染が考えら
れるが、このような汚染はＲＦコイル８をターゲット６
と同材質で作製しておくことで防げる。

【００１５】また、この反応性ガスのプラズマ励起・イ
オン化の際、ターゲット６の表面も反応してそこに化合
物層が形成され、次のスパッタ工程に於ける直流放電が
不安定になる場合がある。これは電気伝導度の小さい化
合物や絶縁物がターゲット表面に形成されると、直流放
電ではその表面に正電荷が帯電し、カソード（ターゲッ
ト）とアノード（基板）との間の電位差を消失する方向
に働くことが原因で、放電が不安定になったり、放電が
停止する結果になる。この状態を解消するには、ターゲ
ット表面にたまった正電荷をプラズマからの電子で中和
すればよく、そのため該ターゲット６の直流電源５に異
常放電防止回路１０を介在させ、図４に示したように、
一定の割合で正電位を発生させるようにし、この正電位
となったときにターゲット表面にプラズマからの電子を
引き込んでターゲット表面にたまった正電荷を中和する
ようにした。

【００１６】

【実施例】図３に示した誘導結合ＲＦプラズマ支援マグ
ネトロンカソードを備えた装置を使用して、シリコン半
導体デバイスの基板１３上に約１００Åの極めて薄いＴ
ｉＮの化合物バリア膜を形成した。ＲＦコイル８は水冷
したＴｉ製で、Ｔｉ製のターゲット６に異常放電防止回
路１０を介して直流電源５を接続した。また、スパッタ
ガスとしてアルゴンガスを導入口３から導入できるよう
にし、反応性ガスとしてＮ₂ガスを反応性ガス導入口４
から導入できるようにした。カソード６の直径は２イン
チである。基板とターゲット間の距離は２００ｍｍとし
た。

【００１７】該化合物バリア膜の形成に先立ち、真空室
１内のアルゴンスパッタガス圧力を６×１０^-4Torr、タ
ーゲット投入電力をＤＣ５０Ｗ一定にし、ＲＦコイル８
への投入電力を変化させて、基板１３上へのＴｉ膜堆積
速度と基板へ流入するイオン電流の変化を測定した。な
お、基板１３には基板へ流入するイオン電流（Ｔｉ⁺、
Ａｒ⁺）を測定できるようにするため、直流を−５０Ｖ
印加した。その結果は図５の如くであり、Ｔｉ膜堆積速
度は、ＲＦコイル８への投入電力にあまり依存していな
いことが分かる。図６に、ＲＦコイル８への投入電力を
パラメータとしてターゲット直流電力を変化させたとき
のＴｉ膜堆積速度の変化を示した。これによりこの条件
下では、Ｔｉ膜堆積速度はターゲット６へ投入する電力
に比例しており、ＲＦコイル８への投入電力には殆ど影
響されないことが分かり、図５の結果と一致している。
一方、基板１３に流入するイオン電流は、ＲＦコイル８
への投入電力とともに急激に増加しており、この誘導結
合ＲＦプラズマ支援マグネトロンスパッタ法がスパッタ
粒子のイオン化促進に極めて有効であること示してい
る。この基板へ流入するイオンは、ＴｉイオンとＡｒイ
オンであり、どちらのイオンがどの位かを調べた結果が
図７である。この測定は、基板１３の位置にエネルギー
アナライザー付四重極質量分析計を取り付け、Ｔｉター
ゲットをスパッタした際基板に流入するイオンの種類と
その量のエネルギー分布を計測したものである。ここで
はＲＦコイル８への投入電力を４０Ｗ一定とし、ターゲ
ット投入直流電力を変化させた例を示す。図７より、直
流電力を抑えＲＦコイルへの投入電力を相対的に増やす
（ＤＣパワーを減らす）と、主にガスがイオン化される
こと、またイオンのエネルギーが高エネルギー側にシフ
トすることが分かる。雰囲気ガスとして窒素などの反応
性ガスを添加した際にも同様に反応性ガスの励起が優先
的に起こると考えられるので、これは堆積しているメタ
ル膜を反応性ガスと反応させ化合物膜を作成するのに極
めて好都合な条件である。他方、直流電力を相対的に大
きくすると、スパッタされたメタル粒子のイオン化が進
み、この条件下（反応性ガスは添加せず）では、緻密で
良質なメタル膜を堆積できることが分かる。

【００１８】この結果を基に、図３の装置により、Ｔｉ
メタル膜を堆積するスパッタ工程と、その膜をプラズマ
窒化により化合物化する化合物化工程とを図８に示した
手順に従って繰り返し、所要厚さ約１００Åのバリア性
の優れたＴｉＮの化合物バリア膜を形成した。スパッタ
アルゴンガス圧力は８×１０^-4Torr、Ｓｉ基板の温度は
３００℃一定とした。

【００１９】詳細には、ターゲット６への直流電力を８
０Ｗ、ＲＦコイル８への高周波電力を３０Ｗ、Ａｒガス
を２０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ガスを０ｓｃｃｍとし、この条件
で３０秒スパッタし、まず厚さ約２０Å程度のＴｉメタ
ル膜を基板に堆積させた。続いてターゲットへの直流電
力を０Ｖ、ＲＦコイル８への高周波電力をそのまま３０
Ｗを維持し、スパッタアルゴンガスの流量を５ｓｃｃｍ
に減少させ、Ｎ₂ガスを２０ｓｃｃｍ真空室内へ導入し
て、ＲＦコイル８による誘導結合プラズマのみを６０秒
間発生させて堆積した該Ｔｉメタル膜をプラズマ窒化さ
せＴｉＮ膜とした。更にこのＴｉＮ膜の上に次のメタル
膜を約２０Åの厚さで前記Ｔｉメタル膜のスパッタ条件
で堆積させ、この次のメタル膜を前記化合物化条件と同
条件で窒化させた。このようにしてスパッタ工程と化合
物化工程を４回繰り返し約１００ÅのＴｉＮ膜を基板に
形成した。

【００２０】そして、これと同じ条件でＳｉウエハ基板
上に作成したＴｉＮ膜の構成元素の深さ方向の分布をオ
ージェ電子分光法（ＡＥＳ）で測定した結果の１例を図
９に示す。堆積した膜全部がＴｉＮとなっており、表面
しか窒化していない従来の膜（図２）と大きく異なって
いることが分かる。

【００２１】ここではＴｉＮの例を示したが、その他Ｔ
ａＮ、ＷＮなどの種々の化合物バリア膜の成膜に適用が
可能である。なお、本発明は、同一チャンバー内にメタ
ルをスパッタする機構と雰囲気ガスをプラズマ励起する
機構の両方を備えており、かつそれらがほぼ独立に制御
できるようになっていれば、原理的に適用可能である。
従って図３に示す装置以外でも、例えばＲＦコイルがタ
ーゲットと基板の中間に設置してあるスパッタ装置、Ｅ
ＣＲスパッタ装置などにも適用可能なことは云うまでも
ない。また、ここではシリコン基板メタル配線プロセス
について述べたが、その他フラットディスプレー、薄膜
磁気ヘッド等の種々の電子機器デバイス薄膜作製プロセ
スへの適用が可能である。更に、ここでは化合物バリア
膜をメタル堆積のスパッタ工程とプラズマ反応による化
合物化工程とを交互に繰り返したが、その代わりに下地
と“濡れ”の悪い第１層或いは次の第２層までをこの方
法で作成し、それ以降は反応性スパッタにより一挙に化
合物層を形成してもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によるときは、イオ
ン化率を高めるＲＦコイルを備えたマグネトロンカソー
ドを設け、ターゲット及びＲＦコイルへの投入電力と、
該真空室内へ導入するスパッタ用不活性ガス及び反応性
ガスの流量とを制御し、基板ににメタル膜の成膜と該メ
タル膜の化合物化を交互に繰り返すようにしたので、段
差切れのない化合物バリヤ膜を単一の装置により１プロ
セスで形成することができ、成膜コストが安価になる等
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の化合物バリア膜の成膜状態を示す断面図

【図２】従来の化合物バリア膜の深さ方向の構成元素の
分布図

【図３】本発明の方法の実施に使用した装置の切断側面
図

【図４】図３のカソードに印加される電圧の特性図

【図５】ＲＦコイル電力と膜堆積速度の関係図

【図６】ＲＦコイル電力をパラメータとしてターゲット
電力を変化させたときの膜堆積速度の変化図

【図７】ターゲット電力とＲＦコイル電力とイオンエネ
ルギーの相関図

【図８】本発明方法の実施の手順の線図

【図９】本発明方法で得られた膜の深さ方向の構成元素
の分布図

【符号の説明】

１真空室、２排気口、３スパッタガス導入口、４
反応性ガス導入口、５直流電源、６メタルターゲッ
ト、７磁石、８ＲＦコイル、９マグネトロンカソ
ード、１０異常放電防止回路、１１マッチングボッ
クス、１２高周波電源、１３基板、１４ランプヒ
ーター、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空室内に、直流電源に接続されたメタル
ターゲットとその背後の磁石及び該ターゲットの前方の
イオン化率を高めるＲＦコイルを備えたマグネトロンカ
ソードを設け、プラズマ発生のための該ターゲット及び
ＲＦコイルへの投入電力と、該真空室内へ導入するスパ
ッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量とを制御し、該
ターゲットに対向して設けたシリコン半導体基板の表面
にメタル膜の成膜と該メタル膜の化合物化を交互に繰り
返して厚い化合物バリア膜を形成することを特徴とする
シリコン半導体に於ける化合物バリア膜形成方法。
【請求項２】上記ＲＦコイルを上記メタルターゲットと
同じ材質の金属で製作したことを特徴とする請求項１に
記載のシリコン半導体に於ける化合物バリア膜形成方
法。
【請求項３】上記メタルターゲットを異常放電防止回路
を介して直流電源へ接続したことを特徴とする請求項１
に記載のシリコン半導体に於ける化合物バリア膜形成方
法。