JPH11354470A - バリヤメタル層及びその形成方法 - Google Patents
バリヤメタル層及びその形成方法Info
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- JPH11354470A JPH11354470A JP17672398A JP17672398A JPH11354470A JP H11354470 A JPH11354470 A JP H11354470A JP 17672398 A JP17672398 A JP 17672398A JP 17672398 A JP17672398 A JP 17672398A JP H11354470 A JPH11354470 A JP H11354470A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 銅の配線材料に対して有効なバリヤメタル層
を提供する。 【解決手段】 シリコン層或いはシリコンを含むシリコ
ン含有層６４と銅層６８，７０との間に介在されてシリ
コンの吸い上げを防止するためのバリヤメタル層におい
て、前記バリヤメタル層としてＴｉＳｉＮ膜６６を用い
る。これにより、銅の配線材料に対して有効なバリヤメ
タル層とする。
を提供する。 【解決手段】 シリコン層或いはシリコンを含むシリコ
ン含有層６４と銅層６８，７０との間に介在されてシリ
コンの吸い上げを防止するためのバリヤメタル層におい
て、前記バリヤメタル層としてＴｉＳｉＮ膜６６を用い
る。これにより、銅の配線材料に対して有効なバリヤメ
タル層とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路等
に用いられるバリヤメタル層及びその形成方法に関す
る。
に用いられるバリヤメタル層及びその形成方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に、半導体集積回路を製造するため
には、半導体ウエハ等の基板に対して、成膜とパターン
エッチング等を繰り返し行なって、多数の所望の素子を
形成するようになっている。ところで、各素子間を接続
する配線等は、下地の基板やＳｉ含有層中からシリコン
が吸い上げられて配線材料と相互拡散が発生することを
防止するためにバリヤメタルが下地との間で介在される
のが一般的であり、このバリヤメタルとしては電気抵抗
が低いことは勿論のこと、耐腐食性に優れた材料を用い
なければならない。現在、配線材料として多用されてい
るアルミニウム配線やタングステン配線に対しては、上
述したような要請に対応できるバリヤメタル材料とし
て、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリ
ブデン）などの高融点金属材料が使用される傾向にあ
り、中でも電気的及び耐腐食性などの特性等が良好であ
ることから、特に、Ｔｉ膜或いは、ＴｉＮ膜が多用され
る傾向にある。
には、半導体ウエハ等の基板に対して、成膜とパターン
エッチング等を繰り返し行なって、多数の所望の素子を
形成するようになっている。ところで、各素子間を接続
する配線等は、下地の基板やＳｉ含有層中からシリコン
が吸い上げられて配線材料と相互拡散が発生することを
防止するためにバリヤメタルが下地との間で介在される
のが一般的であり、このバリヤメタルとしては電気抵抗
が低いことは勿論のこと、耐腐食性に優れた材料を用い
なければならない。現在、配線材料として多用されてい
るアルミニウム配線やタングステン配線に対しては、上
述したような要請に対応できるバリヤメタル材料とし
て、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリ
ブデン）などの高融点金属材料が使用される傾向にあ
り、中でも電気的及び耐腐食性などの特性等が良好であ
ることから、特に、Ｔｉ膜或いは、ＴｉＮ膜が多用され
る傾向にある。
【０００３】バリヤメタルとしてのＴｉ膜やＴｉＮ膜
は、一般的には、５００〜７００℃程度の高温領域にて
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）により成膜し、アスペクトレシオの大きなコ
ンタクトホールやヴィアホールに対しても有効に埋め込
みができて、しかも配線材料であるアルミニウムやタン
グステンに対する特性も良好である。ところで、集積回
路の最近の高集積化及び高微細化の要請により、配線等
の線幅もより狭くなされており、例えば０．２μｍ或い
はそれ以下の線幅も求められているのが現状である。ま
た、この高集積化と同時に集積回路の高速動作性も強く
求められている。このような状況下において、アルミニ
ウムに代わる配線材料として比較的安価で、しかも、比
抵抗も小さい銅が注目されてきている。
は、一般的には、５００〜７００℃程度の高温領域にて
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）により成膜し、アスペクトレシオの大きなコ
ンタクトホールやヴィアホールに対しても有効に埋め込
みができて、しかも配線材料であるアルミニウムやタン
グステンに対する特性も良好である。ところで、集積回
路の最近の高集積化及び高微細化の要請により、配線等
の線幅もより狭くなされており、例えば０．２μｍ或い
はそれ以下の線幅も求められているのが現状である。ま
た、この高集積化と同時に集積回路の高速動作性も強く
求められている。このような状況下において、アルミニ
ウムに代わる配線材料として比較的安価で、しかも、比
抵抗も小さい銅が注目されてきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、周知の
ように、アルミニウムと同様に銅は、シリコンに対して
エレクトロマイグレーションを引き起こし易く、従来用
いていたＴｉ膜やＴｉＮ膜のバリヤメタルではバリヤ性
が不足している。この材料でバリヤ性を十分に確保する
ためには膜厚をある程度厚くしなければならず、する
と、多層構造の集積回路のように断面高さ方向の長さも
制限されるような素子にあっては、予め定められた大き
さの断面積内で配線まで形成しなければならないことか
ら、バリヤメタル層の部分の断面積が大きくなり、その
分、配線材料が占める断面積を減少させなければならな
いことから配線抵抗が高くなってしまう、という不都合
がある。このように、配線材料として銅を用いた時の有
効なバリヤメタル層の開発が強く求められているのが現
状である。本発明は、以上のような問題点に着目し、こ
れを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の
目的は、銅の配線材料に対して有効なバリヤメタル層を
提供することにある。
ように、アルミニウムと同様に銅は、シリコンに対して
エレクトロマイグレーションを引き起こし易く、従来用
いていたＴｉ膜やＴｉＮ膜のバリヤメタルではバリヤ性
が不足している。この材料でバリヤ性を十分に確保する
ためには膜厚をある程度厚くしなければならず、する
と、多層構造の集積回路のように断面高さ方向の長さも
制限されるような素子にあっては、予め定められた大き
さの断面積内で配線まで形成しなければならないことか
ら、バリヤメタル層の部分の断面積が大きくなり、その
分、配線材料が占める断面積を減少させなければならな
いことから配線抵抗が高くなってしまう、という不都合
がある。このように、配線材料として銅を用いた時の有
効なバリヤメタル層の開発が強く求められているのが現
状である。本発明は、以上のような問題点に着目し、こ
れを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の
目的は、銅の配線材料に対して有効なバリヤメタル層を
提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、シリコン層或いはシリコンを含むシリ
コン含有層と銅層との間に介在されたバリヤメタル層に
おいて、前記バリヤメタル層としてＴｉＳｉＮ膜を用い
るようにしたものである。
解決するために、シリコン層或いはシリコンを含むシリ
コン含有層と銅層との間に介在されたバリヤメタル層に
おいて、前記バリヤメタル層としてＴｉＳｉＮ膜を用い
るようにしたものである。
【０００６】このように、バリヤメタル層としてＴｉＳ
ｉＮ膜を用いたので、配線材料として銅を用いても高い
バリヤ性を確保することが可能となった。このようなＴ
ｉＳｉＮ膜よりなるバリヤメタル層は、シラン系ガスと
チタンを含むチタン含有ガスと窒素ガスとを少なくとも
原料ガスとして使用し、プラズマＣＶＤによりＴｉＳｉ
Ｎ膜を形成する。特に、シラン系ガスとしてはＳｉＨ4
を用い、チタン含有ガスとしてはＴｉＣｌ4を用いるこ
とができる。また、ＴｉＳｉＮ膜のプラズマＣＶＤによ
る成膜は、通常のＣＶＤによる成膜温度よりも低い３５
０〜４５０℃の範囲内で行なうことができる。
ｉＮ膜を用いたので、配線材料として銅を用いても高い
バリヤ性を確保することが可能となった。このようなＴ
ｉＳｉＮ膜よりなるバリヤメタル層は、シラン系ガスと
チタンを含むチタン含有ガスと窒素ガスとを少なくとも
原料ガスとして使用し、プラズマＣＶＤによりＴｉＳｉ
Ｎ膜を形成する。特に、シラン系ガスとしてはＳｉＨ4
を用い、チタン含有ガスとしてはＴｉＣｌ4を用いるこ
とができる。また、ＴｉＳｉＮ膜のプラズマＣＶＤによ
る成膜は、通常のＣＶＤによる成膜温度よりも低い３５
０〜４５０℃の範囲内で行なうことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るバリヤメタ
ル層及びその形成方法の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。図１は本発明方法を実施するプラズマ成膜装
置を示す構成図である。図示するように、このプラズマ
成膜装置２は、例えばステンレススチール等により円筒
体状に成形された処理容器４を有しており、この処理容
器４は接地されている。
ル層及びその形成方法の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。図１は本発明方法を実施するプラズマ成膜装
置を示す構成図である。図示するように、このプラズマ
成膜装置２は、例えばステンレススチール等により円筒
体状に成形された処理容器４を有しており、この処理容
器４は接地されている。
【０００８】この処理容器４の底部６には、容器内の雰
囲気を排出するための排気口８が設けられており、この
排気口８には真空引きポンプ１０を介設した排気系１２
が接続されて、処理容器４内を底部周辺部から均一に真
空引きできるようになっている。この処理容器４内に
は、導電性材料よりなる支柱１４を介して円板状の載置
台１６が設けられており、この上に被処理体として例え
ば半導体ウエハＷを載置し得るようになっている。具体
的には、この載置台１６は、下部電極を兼用するもので
あり、支柱１４に直接支持される下台１６Ａと、この上
面に接合される上台１６Ｂとよりなり、これらの接合面
に抵抗加熱ヒータ１８が挟み込まれている。この下台１
６Ａと上台１６Ｂは、その接合面にて例えば溶着により
接合される。
囲気を排出するための排気口８が設けられており、この
排気口８には真空引きポンプ１０を介設した排気系１２
が接続されて、処理容器４内を底部周辺部から均一に真
空引きできるようになっている。この処理容器４内に
は、導電性材料よりなる支柱１４を介して円板状の載置
台１６が設けられており、この上に被処理体として例え
ば半導体ウエハＷを載置し得るようになっている。具体
的には、この載置台１６は、下部電極を兼用するもので
あり、支柱１４に直接支持される下台１６Ａと、この上
面に接合される上台１６Ｂとよりなり、これらの接合面
に抵抗加熱ヒータ１８が挟み込まれている。この下台１
６Ａと上台１６Ｂは、その接合面にて例えば溶着により
接合される。
【０００９】処理容器４の天井部には、上部電極と兼用
されるシャワーヘッド２０が一体的に設けられた天井板
２２が容器側壁に対して絶縁材２４を介して気密に取り
付けられている。このシャワーヘッド２０は、上記載置
台１６の上面の略全面を覆うように対向させて設けられ
ており、載置台１６との間に処理空間Ｓを形成してい
る。このシャワーヘッド２０は、処理空間Ｓに各種のガ
スをシャワー状に導入するものであり、シャワーヘッド
２０の下面の噴射面２６にはガスを噴射するための多数
の噴射孔２８が形成される。また、このシャワーヘッド
２０の内部には、多数の拡散孔３０を有する拡散板３２
が設けられてガスを拡散できるようになっている。
されるシャワーヘッド２０が一体的に設けられた天井板
２２が容器側壁に対して絶縁材２４を介して気密に取り
付けられている。このシャワーヘッド２０は、上記載置
台１６の上面の略全面を覆うように対向させて設けられ
ており、載置台１６との間に処理空間Ｓを形成してい
る。このシャワーヘッド２０は、処理空間Ｓに各種のガ
スをシャワー状に導入するものであり、シャワーヘッド
２０の下面の噴射面２６にはガスを噴射するための多数
の噴射孔２８が形成される。また、このシャワーヘッド
２０の内部には、多数の拡散孔３０を有する拡散板３２
が設けられてガスを拡散できるようになっている。
【００１０】そして、このシャワーヘッド２０の上部に
は、ヘッド内にガスを導入するガス導入ポート３４が設
けられており、このガス導入ポート３４にはガスを流す
供給通路３６が接続されている。この供給通路３６から
分岐させた分岐管３８には、チタン含有ガスとして、例
えばＴｉＣｌ4 を貯留するＴｉＣｌ4 ガス源４０、シラ
ン系ガスとしてシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを貯留するシラ
ン源４２、Ｎ2 ガスを貯留するＮ2 ガス源４４、プラズ
マガスとして例えばＡｒガスを貯留するＡｒガス源４
６、添加ガスとしてＨ2 ガスを貯留するＨ2 ガス源４７
がそれぞれ接続されている。そして、各ガスの流量は、
それぞれの分岐管に介設した流量制御器、例えばマスフ
ローコントローラ４８により制御される。
は、ヘッド内にガスを導入するガス導入ポート３４が設
けられており、このガス導入ポート３４にはガスを流す
供給通路３６が接続されている。この供給通路３６から
分岐させた分岐管３８には、チタン含有ガスとして、例
えばＴｉＣｌ4 を貯留するＴｉＣｌ4 ガス源４０、シラ
ン系ガスとしてシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを貯留するシラ
ン源４２、Ｎ2 ガスを貯留するＮ2 ガス源４４、プラズ
マガスとして例えばＡｒガスを貯留するＡｒガス源４
６、添加ガスとしてＨ2 ガスを貯留するＨ2 ガス源４７
がそれぞれ接続されている。そして、各ガスの流量は、
それぞれの分岐管に介設した流量制御器、例えばマスフ
ローコントローラ４８により制御される。
【００１１】また、天井板２２には、ＴｉＳｉＮ成膜時
のプラズマを形成するために、リード線５０を介してマ
ッチング回路５２及び例えば１３．５６ＭＨｚのプラズ
マ用の高周波電源５４が接続されている。また、容器側
壁には、ウエハの搬入・搬出時に気密に開閉可能になさ
れたゲートバルブ５８が設けられる。また、図示されて
いないが、ウエハ搬入・搬出時にこれを持ち上げたり、
持ち下げたりするウエハリフタピンが載置台に設けられ
るのは勿論である。
のプラズマを形成するために、リード線５０を介してマ
ッチング回路５２及び例えば１３．５６ＭＨｚのプラズ
マ用の高周波電源５４が接続されている。また、容器側
壁には、ウエハの搬入・搬出時に気密に開閉可能になさ
れたゲートバルブ５８が設けられる。また、図示されて
いないが、ウエハ搬入・搬出時にこれを持ち上げたり、
持ち下げたりするウエハリフタピンが載置台に設けられ
るのは勿論である。
【００１２】次に、以上のように構成された装置を用い
て行なわれる本発明のバリヤメタル層の形成方法及びバ
リヤメタル層について図２も参照して説明する。図２は
本発明方法を示す工程図である。処理容器４内へ、開放
されたゲートバルブ５６を介して半導体ウエハＷを導入
し、これを載置台１６上に載置して処理容器４内を密閉
する。この半導体ウエハＷの表面には、例えば前工程に
おいて、ウエハ上のトランジスタとのコンタクトをとる
ためのコンタクトホール等がすでに形成されている。処
理容器４内を密閉したならば、プロセスガスとしてＡｒ
ガス、Ｎ2 ガス、ＴｉＣｌ4 ガスを、プラズマ用ガスと
してＡｒガスを、添加ガスとしてＨ2 ガスを、それぞれ
シャワーヘッド２０から所定の流量で処理容器４内に導
入し、且つ真空引きポンプ１０により処理容器４内を真
空引きし、所定の圧力に維持する。上記ＴｉＣｌ4 ガス
は常温で液体なので、これを加熱することにより気化さ
せて供給する。
て行なわれる本発明のバリヤメタル層の形成方法及びバ
リヤメタル層について図２も参照して説明する。図２は
本発明方法を示す工程図である。処理容器４内へ、開放
されたゲートバルブ５６を介して半導体ウエハＷを導入
し、これを載置台１６上に載置して処理容器４内を密閉
する。この半導体ウエハＷの表面には、例えば前工程に
おいて、ウエハ上のトランジスタとのコンタクトをとる
ためのコンタクトホール等がすでに形成されている。処
理容器４内を密閉したならば、プロセスガスとしてＡｒ
ガス、Ｎ2 ガス、ＴｉＣｌ4 ガスを、プラズマ用ガスと
してＡｒガスを、添加ガスとしてＨ2 ガスを、それぞれ
シャワーヘッド２０から所定の流量で処理容器４内に導
入し、且つ真空引きポンプ１０により処理容器４内を真
空引きし、所定の圧力に維持する。上記ＴｉＣｌ4 ガス
は常温で液体なので、これを加熱することにより気化さ
せて供給する。
【００１３】これと同時に、高周波電源５４より、１
３．５６ＭＨｚの高周波を上部電極であるシャワーヘッ
ド２０に印加して、シャワーヘッド２０と下部電極とし
ての載置台１６との間に高周波電界を加える。これによ
り、Ａｒガスがプラズマ化されて、ＴｉＣｌ4 ガスとＨ
2 ガスとＳｉＨ4 ガスとＮ2 ガスが反応し、ウエハ表面
にＴｉＳｉＮ膜がプラズマＣＶＤにより成膜されること
になる。ウエハＷの温度は、載置台１６に埋め込んだ抵
抗加熱ヒータ１８により所定の温度により加熱維持され
る。
３．５６ＭＨｚの高周波を上部電極であるシャワーヘッ
ド２０に印加して、シャワーヘッド２０と下部電極とし
ての載置台１６との間に高周波電界を加える。これによ
り、Ａｒガスがプラズマ化されて、ＴｉＣｌ4 ガスとＨ
2 ガスとＳｉＨ4 ガスとＮ2 ガスが反応し、ウエハ表面
にＴｉＳｉＮ膜がプラズマＣＶＤにより成膜されること
になる。ウエハＷの温度は、載置台１６に埋め込んだ抵
抗加熱ヒータ１８により所定の温度により加熱維持され
る。
【００１４】この時のプロセス条件は、ウエハ温度（載
置台温度）が、例えば３５０〜４００℃程度、プロセス
圧力は１〜３Ｔｏｒｒ程度、高周波電力が２００〜７０
０Ｗ程度である。また、ＴｉＣｌ4 ガスは３〜１０ｓｃ
ｃｍ、ＳｉＨ4 ガスは１〜１０ｓｃｃｍ、Ｈ2 ガスは１
０００〜２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガスは１００ｓｃｃｍ
程度、Ｎ2 ガスは５００〜１０００ｓｃｃｍ程度であ
る。プロセス温度が４００℃を越えて大きい場合には下
地がＣｕの場合には４００℃以下でないと成膜できなく
なり、逆に、３５０℃よりも小さい場合にはＣｌ濃度が
高くなり、Ｃｕへの腐食が問題となる。図２（Ａ）は成
膜前の半導体ウエハＷの表面の１つのコンタクトホール
６０を示す拡大図であり、このホール６０は、ＳｉＯ2
の層間絶縁膜６２に開口されており、その底部には、拡
散層６４のシリコン面が露出している。ウエハＷは、シ
リコン単結晶基板よりなり、拡散層６４がシリコン層或
いはシリコン含有層となる。
置台温度）が、例えば３５０〜４００℃程度、プロセス
圧力は１〜３Ｔｏｒｒ程度、高周波電力が２００〜７０
０Ｗ程度である。また、ＴｉＣｌ4 ガスは３〜１０ｓｃ
ｃｍ、ＳｉＨ4 ガスは１〜１０ｓｃｃｍ、Ｈ2 ガスは１
０００〜２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガスは１００ｓｃｃｍ
程度、Ｎ2 ガスは５００〜１０００ｓｃｃｍ程度であ
る。プロセス温度が４００℃を越えて大きい場合には下
地がＣｕの場合には４００℃以下でないと成膜できなく
なり、逆に、３５０℃よりも小さい場合にはＣｌ濃度が
高くなり、Ｃｕへの腐食が問題となる。図２（Ａ）は成
膜前の半導体ウエハＷの表面の１つのコンタクトホール
６０を示す拡大図であり、このホール６０は、ＳｉＯ2
の層間絶縁膜６２に開口されており、その底部には、拡
散層６４のシリコン面が露出している。ウエハＷは、シ
リコン単結晶基板よりなり、拡散層６４がシリコン層或
いはシリコン含有層となる。
【００１５】さて、このようなウエハ表面に、上述した
ようなプラズマＣＶＤによるプロセス条件下にて成膜が
施されると、図２（Ｂ）に示すように、ウエハＷの上面
は勿論のこと、コンタクトホール６０の側壁、及び底部
にバリヤメタル層としてチタンシリコンナイトライド
（ＴｉＳｉＮ）膜６６が形成される。
ようなプラズマＣＶＤによるプロセス条件下にて成膜が
施されると、図２（Ｂ）に示すように、ウエハＷの上面
は勿論のこと、コンタクトホール６０の側壁、及び底部
にバリヤメタル層としてチタンシリコンナイトライド
（ＴｉＳｉＮ）膜６６が形成される。
【００１６】このように、所定の厚みのＴｉＳｉＮ膜６
６をプラズマＣＶＤにより形成したならば、ウエハＷを
別の成膜装置へ移し替え、例えば通常のＣＶＤ操作によ
り銅を堆積させることによって第１の銅層６８をｓｅｅ
ｄ ｌａｙｅｒとして薄く形成してコンタクトホールの
アスペクト比を緩くしておき、次に、この上にスパッタ
リングやメッキによって銅を堆積させることによってコ
ンタクトホール６０の埋め込みを行なうと同時に、層間
絶縁層６２の表面に第２の銅層７０を堆積させることに
よって配線層７２を形成する。
６をプラズマＣＶＤにより形成したならば、ウエハＷを
別の成膜装置へ移し替え、例えば通常のＣＶＤ操作によ
り銅を堆積させることによって第１の銅層６８をｓｅｅ
ｄ ｌａｙｅｒとして薄く形成してコンタクトホールの
アスペクト比を緩くしておき、次に、この上にスパッタ
リングやメッキによって銅を堆積させることによってコ
ンタクトホール６０の埋め込みを行なうと同時に、層間
絶縁層６２の表面に第２の銅層７０を堆積させることに
よって配線層７２を形成する。
【００１７】このようにシリコン層或いはシリコン含有
層である拡散層６４と銅層６８、７０との間にバリヤメ
タル層としてＴｉＳｉＮ膜６６を介在させることによっ
て、このＴｉＳｉＮ膜６６が薄くてもバリヤとして効果
的に作用し、シリコンが吸い上げられたり、銅がシリコ
ン層側に拡散することを防止することができる。また、
ＴｉＳｉＮ膜の組成を適当に選択することにより、バリ
ヤ性が高くて、且つ現在或いは今後の設計ルールで必要
とされる高い比抵抗、例えば１０００〜２０００μΩｃ
ｍのＴｉＳｉＮ膜を得ることができる。上記範囲内の比
抵抗を得るためには、ＴｉＳｉＮ膜中の各成分の組成
は、Ｔｉが１６〜３７ａｔ％の範囲内、Ｓｉが１０〜４
０ａｔ％の範囲内、Ｎが２６〜３８ａｔ％の範囲内が好
ましい。
層である拡散層６４と銅層６８、７０との間にバリヤメ
タル層としてＴｉＳｉＮ膜６６を介在させることによっ
て、このＴｉＳｉＮ膜６６が薄くてもバリヤとして効果
的に作用し、シリコンが吸い上げられたり、銅がシリコ
ン層側に拡散することを防止することができる。また、
ＴｉＳｉＮ膜の組成を適当に選択することにより、バリ
ヤ性が高くて、且つ現在或いは今後の設計ルールで必要
とされる高い比抵抗、例えば１０００〜２０００μΩｃ
ｍのＴｉＳｉＮ膜を得ることができる。上記範囲内の比
抵抗を得るためには、ＴｉＳｉＮ膜中の各成分の組成
は、Ｔｉが１６〜３７ａｔ％の範囲内、Ｓｉが１０〜４
０ａｔ％の範囲内、Ｎが２６〜３８ａｔ％の範囲内が好
ましい。
【００１８】上記ＴｉＳｉＮ膜中の成分の組成を変える
ためには、前記各供給ガスの内、ＳｉＨ4ガス、Ｎ2ガ
ス、Ｈ2ガスの内、いずれか１つの供給量を変化させれ
ばよい。この点を詳しく説明する。図３はＳｉＨ4ガス
の供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示すグラフ、図４はＮ
2ガスの供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示すグラフ、図
５はＨ2ガスの供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示すグラ
フである。グラフから明らかなように、シラン（ＳｉＨ
4）ガス或いはＮ2ガスの供給量を増加すると、或いはＨ
2ガスの供給量を減少すると、比抵抗Ｒｓを増加するこ
とができ、比抵抗が１０００〜２０００μΩｃｍの範囲
内のＴｉＳｉＮ膜を容易に実現することができる。尚、
図３〜図５に示す各グラフを得た時の他の各ガスの流量
は、前述したガス流量範囲内の一定値に設定されてい
る。比抵抗を調整するためにＨ2ガスやＮ2ガスの流量を
変化させると、それに追従して他のガス流量も調整しな
ければならないが、これに対して、シランガスの流量を
変化させる場合には、他のガスの流量の調整を行なう必
要がないので、操作性や制御性が良好となる。
ためには、前記各供給ガスの内、ＳｉＨ4ガス、Ｎ2ガ
ス、Ｈ2ガスの内、いずれか１つの供給量を変化させれ
ばよい。この点を詳しく説明する。図３はＳｉＨ4ガス
の供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示すグラフ、図４はＮ
2ガスの供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示すグラフ、図
５はＨ2ガスの供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示すグラ
フである。グラフから明らかなように、シラン（ＳｉＨ
4）ガス或いはＮ2ガスの供給量を増加すると、或いはＨ
2ガスの供給量を減少すると、比抵抗Ｒｓを増加するこ
とができ、比抵抗が１０００〜２０００μΩｃｍの範囲
内のＴｉＳｉＮ膜を容易に実現することができる。尚、
図３〜図５に示す各グラフを得た時の他の各ガスの流量
は、前述したガス流量範囲内の一定値に設定されてい
る。比抵抗を調整するためにＨ2ガスやＮ2ガスの流量を
変化させると、それに追従して他のガス流量も調整しな
ければならないが、これに対して、シランガスの流量を
変化させる場合には、他のガスの流量の調整を行なう必
要がないので、操作性や制御性が良好となる。
【００１９】図６は図３に示すシラン流量とＴｉＳｉＮ
膜の比抵抗の関係を詳しくプロットしたグラフであり、
図７はその時のＴｉＳｉＮ膜の組成比を示すグラフであ
る。尚、図６に示すグラフの縦軸は、対数目盛りではな
くて通常の目盛りになっている点に注意されたい。図６
及び図７に示すグラフのプロセス条件は、圧力が３Ｔｏ
ｒｒ程度、温度が４００℃程度、ＴｉＣｌ4ガスが１０
ｓｃｃｍ程度、Ｈ2ガスが２０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒ
ガスが１００ｓｃｃｍ程度、Ｎ2ガスが５００ｓｃｃｍ
程度である。図６から明らかなように、シランのガス流
量を１〜１０ｓｃｃｍまで変化させることにより、Ｔｉ
ＳｉＮ膜の比抵抗を１０００〜１００００μΩｃｍの範
囲内で制御することができる。
膜の比抵抗の関係を詳しくプロットしたグラフであり、
図７はその時のＴｉＳｉＮ膜の組成比を示すグラフであ
る。尚、図６に示すグラフの縦軸は、対数目盛りではな
くて通常の目盛りになっている点に注意されたい。図６
及び図７に示すグラフのプロセス条件は、圧力が３Ｔｏ
ｒｒ程度、温度が４００℃程度、ＴｉＣｌ4ガスが１０
ｓｃｃｍ程度、Ｈ2ガスが２０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒ
ガスが１００ｓｃｃｍ程度、Ｎ2ガスが５００ｓｃｃｍ
程度である。図６から明らかなように、シランのガス流
量を１〜１０ｓｃｃｍまで変化させることにより、Ｔｉ
ＳｉＮ膜の比抵抗を１０００〜１００００μΩｃｍの範
囲内で制御することができる。
【００２０】また、この時、図７に示すようにシリコン
の組成比は、シランの流量を増大するに伴って増加して
おり、逆に、ＴｉやＮの組成比は低下している。このよ
うに、シランの流量の増加と共に比抵抗が上昇する理由
は、ＴｉＳｉＮ膜中のＳ−Ｎ結合が増加するからである
と考えられる。尚、図７中においては、参考のためにＯ
やＣｌの組成比も示されており、これらは低い値で安定
している。ちなみに、上記プロセス条件においてシラン
の流量を０、１、２、５ｓｃｃｍと変化させてＴｉＳｉ
Ｎ膜を成膜した時の膜中のＳ−Ｎ結合状態を調べたの
で、その結果について説明する。図８は膜中のＳ−Ｎ結
合状態を示すグラフであり、測定にはＥＳＣＡ（光電子
分光装置：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いた。ここでは、Ｓｉ−Ｎ
結合の参照サンプルとしてシリコンの熱窒化膜（Ｓｉ3
Ｎ4）のデータとＳｉ−Ｏ結合の参照サンプルとしてシ
リコンの熱酸化膜（ＳｉＯ2）のデータを併せて記載し
た。グラフ中、横軸は結合エネルギー（ｅＶ）、縦軸は
個々のグラフにおいて光電子の強度をとっている。
の組成比は、シランの流量を増大するに伴って増加して
おり、逆に、ＴｉやＮの組成比は低下している。このよ
うに、シランの流量の増加と共に比抵抗が上昇する理由
は、ＴｉＳｉＮ膜中のＳ−Ｎ結合が増加するからである
と考えられる。尚、図７中においては、参考のためにＯ
やＣｌの組成比も示されており、これらは低い値で安定
している。ちなみに、上記プロセス条件においてシラン
の流量を０、１、２、５ｓｃｃｍと変化させてＴｉＳｉ
Ｎ膜を成膜した時の膜中のＳ−Ｎ結合状態を調べたの
で、その結果について説明する。図８は膜中のＳ−Ｎ結
合状態を示すグラフであり、測定にはＥＳＣＡ（光電子
分光装置：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いた。ここでは、Ｓｉ−Ｎ
結合の参照サンプルとしてシリコンの熱窒化膜（Ｓｉ3
Ｎ4）のデータとＳｉ−Ｏ結合の参照サンプルとしてシ
リコンの熱酸化膜（ＳｉＯ2）のデータを併せて記載し
た。グラフ中、横軸は結合エネルギー（ｅＶ）、縦軸は
個々のグラフにおいて光電子の強度をとっている。
【００２１】このグラフから明らかなようにシランを用
いたＴｉＳｉＮ膜の場合には、Ｓｉ−Ｎ参照サンプル
（Ｓｉ3Ｎ4）のピーク値と略同じ位置にピーク値Ｐ５、
Ｐ２、Ｐ１を有しており、Ｓｉ−Ｎ結合の存在を確認す
ることができた。また、シランの流量を多くする程、ピ
ーク値も大きくなり、Ｓｉ−Ｎ結合の存在比率が高くな
っている点も確認することができた。特に、シランの流
量が５ｓｃｃｍの場合には鋭いピーク値を示しているの
を確認することができた。更に、上述したようなプロセ
ス条件で成膜したＴｉＳｉＮ膜の非晶質性をＸ線回折に
より調べた。
いたＴｉＳｉＮ膜の場合には、Ｓｉ−Ｎ参照サンプル
（Ｓｉ3Ｎ4）のピーク値と略同じ位置にピーク値Ｐ５、
Ｐ２、Ｐ１を有しており、Ｓｉ−Ｎ結合の存在を確認す
ることができた。また、シランの流量を多くする程、ピ
ーク値も大きくなり、Ｓｉ−Ｎ結合の存在比率が高くな
っている点も確認することができた。特に、シランの流
量が５ｓｃｃｍの場合には鋭いピーク値を示しているの
を確認することができた。更に、上述したようなプロセ
ス条件で成膜したＴｉＳｉＮ膜の非晶質性をＸ線回折に
より調べた。
【００２２】この時の結果は、図９に示されており、横
軸には回折角度をとっている。この場合、ＴｉＳｉＮ膜
が結晶質であるならば、３０〜６０°の範囲内に鋭いピ
ークが現われるはずであるが、各膜中にはピークが何ら
みられず、全て非晶質であることが確認できた。このよ
うに、結晶質ではなく、非晶質であるが故に比抵抗も前
述のように高くすることができる。ここで、本発明のＴ
ｉＳｉＮ膜よりなるバリヤメタル層のバリヤ性の評価を
行なったので、その時の結果を示す。バリヤ性評価は、
シリコン基板上に４００Å或いは１００ÅのＴｉＳｉＮ
膜を前述したような成膜条件（ＳｉＨ4は５ｓｃｃｍ）
で成膜し、更にその上に２０００ÅのＣｕ膜を形成し、
その後、５００℃程度の温度で３０分間アニールした時
の銅、チタン、シリコンの拡散状況を調べた。
軸には回折角度をとっている。この場合、ＴｉＳｉＮ膜
が結晶質であるならば、３０〜６０°の範囲内に鋭いピ
ークが現われるはずであるが、各膜中にはピークが何ら
みられず、全て非晶質であることが確認できた。このよ
うに、結晶質ではなく、非晶質であるが故に比抵抗も前
述のように高くすることができる。ここで、本発明のＴ
ｉＳｉＮ膜よりなるバリヤメタル層のバリヤ性の評価を
行なったので、その時の結果を示す。バリヤ性評価は、
シリコン基板上に４００Å或いは１００ÅのＴｉＳｉＮ
膜を前述したような成膜条件（ＳｉＨ4は５ｓｃｃｍ）
で成膜し、更にその上に２０００ÅのＣｕ膜を形成し、
その後、５００℃程度の温度で３０分間アニールした時
の銅、チタン、シリコンの拡散状況を調べた。
【００２３】図１０はＴｉＳｉＮ膜が４００Åの場合の
拡散状況を示している。グラフの横軸は、シリコン基板
の深さ方向をとっている。グラフから明らかなように、
シリコン基板の深さ方向におけるＣｕ濃度の分布によれ
ば、ＴｉＳｉＮ膜の膜厚が４００Åの場合、シリコン側
へはＣｕがほとんど拡散しておらず、また、Ｃｕ層側に
もシリコンがほとんど拡散していないことが判明する。
従って、ＴｉＳｉＮ膜のバリヤ性が高いことを確認する
ことができた。また、１００Å程度の膜厚のＴｉＳｉＮ
膜でも同様な測定を行った結果、上記と同様に十分なバ
リヤ性を有することが確認できた。尚、グラフ中におい
てＣｕ層にチタンが拡散しているように見えるが、これ
は測定値の特性上の誤差であって実際には拡散していな
い。この部分は［ｎｏｔ ｔｒｕｅ］として表されてい
る。
拡散状況を示している。グラフの横軸は、シリコン基板
の深さ方向をとっている。グラフから明らかなように、
シリコン基板の深さ方向におけるＣｕ濃度の分布によれ
ば、ＴｉＳｉＮ膜の膜厚が４００Åの場合、シリコン側
へはＣｕがほとんど拡散しておらず、また、Ｃｕ層側に
もシリコンがほとんど拡散していないことが判明する。
従って、ＴｉＳｉＮ膜のバリヤ性が高いことを確認する
ことができた。また、１００Å程度の膜厚のＴｉＳｉＮ
膜でも同様な測定を行った結果、上記と同様に十分なバ
リヤ性を有することが確認できた。尚、グラフ中におい
てＣｕ層にチタンが拡散しているように見えるが、これ
は測定値の特性上の誤差であって実際には拡散していな
い。この部分は［ｎｏｔ ｔｒｕｅ］として表されてい
る。
【００２４】図１１はＴｉＳｉＮ膜の膜厚が１００Å時
の成膜の断面のＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）写真の図を示
す。これによれば、ＴｉＳｉＮ膜に原子の配列が見られ
ずに非結晶の状態となっており、しかも、ＣｕがＴｉＳ
ｉＮ膜を貫通してＳｉ側へ拡散していることもなく、良
好な状態であることが判明する。尚、上記実施例におけ
る各ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等は単に
一例を示したに過ぎず、上述したものに限定されない。
また、シラン系ガスとしては、シランに限らず、ジシラ
ン、ジクロルシラン等も用いることができる。また、本
発明に係るＴｉＳｉＮ膜は、ＣｌＦ3 ガスを用いたクリ
ーニングガス（例えば特開平７−８６１８９号公報に示
される）によって容易にクリーニング可能である。適当
な枚数のウエハに成膜処理する毎にＣｌＦ3 ガスを用い
たクリーニングを行えば、パーティクルの発生が抑えら
れ、高品質の成膜が可能となる。更に、ここでは被処理
体として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明し
たが、これに限定されず。シリコン層或いはシリコン含
有層を下地とするならば本発明をガラス基板やＬＣＤ基
板等にも適用できるのは勿論である。
の成膜の断面のＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）写真の図を示
す。これによれば、ＴｉＳｉＮ膜に原子の配列が見られ
ずに非結晶の状態となっており、しかも、ＣｕがＴｉＳ
ｉＮ膜を貫通してＳｉ側へ拡散していることもなく、良
好な状態であることが判明する。尚、上記実施例におけ
る各ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等は単に
一例を示したに過ぎず、上述したものに限定されない。
また、シラン系ガスとしては、シランに限らず、ジシラ
ン、ジクロルシラン等も用いることができる。また、本
発明に係るＴｉＳｉＮ膜は、ＣｌＦ3 ガスを用いたクリ
ーニングガス（例えば特開平７−８６１８９号公報に示
される）によって容易にクリーニング可能である。適当
な枚数のウエハに成膜処理する毎にＣｌＦ3 ガスを用い
たクリーニングを行えば、パーティクルの発生が抑えら
れ、高品質の成膜が可能となる。更に、ここでは被処理
体として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明し
たが、これに限定されず。シリコン層或いはシリコン含
有層を下地とするならば本発明をガラス基板やＬＣＤ基
板等にも適用できるのは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のバリヤメ
タル層及びその形成方法によれば、次のように優れた作
用効果を発揮することができる。シリコン層或いはシリ
コンを含むシリコン含有層と銅層との間にバリヤメタル
層としてＴｉＳｉＮ膜を用いることにより、比抵抗が高
く、しかもシリコンの吸い上げ、或いは銅の拡散もほと
んど発生させることなく、高いバリヤ性を発揮させるこ
とができる。また、このＴｉＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ
により成膜すれば、プロセス温度は通常のＣＶＤ成膜温
度よりも低い３５０〜４５０℃程度の温度で良く、従っ
て、銅線配線時に用いる低誘電率膜よりなる絶縁層に対
して熱的ダメージを与えることが少なくて済む。
タル層及びその形成方法によれば、次のように優れた作
用効果を発揮することができる。シリコン層或いはシリ
コンを含むシリコン含有層と銅層との間にバリヤメタル
層としてＴｉＳｉＮ膜を用いることにより、比抵抗が高
く、しかもシリコンの吸い上げ、或いは銅の拡散もほと
んど発生させることなく、高いバリヤ性を発揮させるこ
とができる。また、このＴｉＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ
により成膜すれば、プロセス温度は通常のＣＶＤ成膜温
度よりも低い３５０〜４５０℃程度の温度で良く、従っ
て、銅線配線時に用いる低誘電率膜よりなる絶縁層に対
して熱的ダメージを与えることが少なくて済む。
【図１】本発明方法を実施するプラズマ成膜装置を示す
構成図である。
構成図である。
【図２】本発明方法を示す工程図である。
【図３】ＳｉＨ4ガスの供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図４】Ｎ2ガスの供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図５】Ｈ2ガスの供給量と比抵抗Ｒｓとの関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図６】図３に示すシラン流量とＴｉＳｉＮ膜の比抵抗
の関係を詳しくプロットしたグラフである。
の関係を詳しくプロットしたグラフである。
【図７】ＴｉＳｉＮ膜の組成比を示すグラフである。
【図８】ＴｉＳｉＮ膜中のＳ−Ｎ結合状態を示すグラフ
であり、
であり、
【図９】ＴｉＳｉＮ膜の非晶質性をＸ線回折により調べ
た時の結果を示すグラフである。
た時の結果を示すグラフである。
【図１０】ＴｉＳｉＮ膜が４００Åの場合の拡散状況を
示しグラフである。
示しグラフである。
【図１１】ＴｉＳｉＮ膜の膜厚が１００Å時の成膜の断
面のＴＥＭ写真の図である。
面のＴＥＭ写真の図である。
２ プラズマ成膜装置 ４ 処理容器 １６ 載置台 ２０ シャワーヘッド ４０ ＴｉＣｌ4ガス源 ４２ シラン源 ４４ Ｎ2ガス源 ４６ Ａｒガス源 ４７ Ｈ2ガス源 ５４ 高周波電源 ６０ コンタクトホール ６２ 層間絶縁膜 ６４ 拡散層（シリコン層或いはシリコン含有層） ６６ ＴｉＳｉＮ膜（バリヤメタル層） ６８ 第１の銅層 ７０ 第２の銅層 ７２ 配線層 Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
Claims (6)
- 【請求項１】 シリコン層或いはシリコンを含むシリコ
ン含有層と銅層との間に介在されたバリヤメタル層にお
いて、前記バリヤメタル層としてＴｉＳｉＮ膜を用いた
こを特徴とするバリヤメタル層。 - 【請求項２】 前記ＴｉＳｉＮ膜はプラズマＣＶＤによ
り形成されることを特徴とするバリヤメタル層。 - 【請求項３】 シリコン層或いはシリコンを含むシリコ
ン含有層と銅層との間に介在されたバリヤメタル層を形
成するに際して、シラン系ガスとチタンを含むチタン含
有ガスと窒素ガスとを少なくとも原料ガスとして使用
し、プラズマＣＶＤによりＴｉＳｉＮ膜を形成するよう
にしたことを特徴とするバリヤメタル層の形成方法。 - 【請求項４】 前記シラン系ガスはＳｉＨ4であり、前
記チタン含有ガスはＴｉＣｌ4であることを特徴とする
請求項３記載のバリヤメタル層の形成方法。 - 【請求項５】 前記ＴｉＳｉＮ膜の成膜温度は、３５０
〜４５０℃の範囲内であるこを特徴とする請求項３また
は４記載のバリヤメタル層の形成方法。 - 【請求項６】 前記ＴｉＳｉＮ膜を形成後、ＣｌＦ3 ガ
スを含むガスによって、クリーニングを行うことを特徴
とする請求項３乃至５のいずれかに記載のバリヤメタル
層の形成方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17672398A JP3988256B2 (ja) | 1998-06-09 | 1998-06-09 | 成膜方法 |
| TW88121590A TW554382B (en) | 1998-06-09 | 1999-12-09 | Method of forming TiSiN film, diffusion preventing film and semiconductor device constituted by TiSiN film and method of producing the same, and TiSiN film forming device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17672398A JP3988256B2 (ja) | 1998-06-09 | 1998-06-09 | 成膜方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006195788A Division JP4640281B2 (ja) | 2006-07-18 | 2006-07-18 | バリヤメタル層及びその形成方法 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11354470A true JPH11354470A (ja) | 1999-12-24 |
| JPH11354470A5 JPH11354470A5 (ja) | 2005-06-30 |
| JP3988256B2 JP3988256B2 (ja) | 2007-10-10 |
Family
ID=16018662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17672398A Expired - Fee Related JP3988256B2 (ja) | 1998-06-09 | 1998-06-09 | 成膜方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3988256B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002057125A (ja) * | 2000-06-30 | 2002-02-22 | Hynix Semiconductor Inc | 金属配線形成方法 |
| JP2002363759A (ja) * | 2001-06-12 | 2002-12-18 | Tokyo Electron Ltd | プラズマ処理装置、プラズマ処理方法及び微量ガスの導入時期検出方法 |
| JP2006121024A (ja) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Hynix Semiconductor Inc | 半導体素子およびその製造方法 |
-
1998
- 1998-06-09 JP JP17672398A patent/JP3988256B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002057125A (ja) * | 2000-06-30 | 2002-02-22 | Hynix Semiconductor Inc | 金属配線形成方法 |
| JP2002363759A (ja) * | 2001-06-12 | 2002-12-18 | Tokyo Electron Ltd | プラズマ処理装置、プラズマ処理方法及び微量ガスの導入時期検出方法 |
| JP2006121024A (ja) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Hynix Semiconductor Inc | 半導体素子およびその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3988256B2 (ja) | 2007-10-10 |
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