JP3945043B2 - 金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法 - Google Patents
金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3945043B2 JP3945043B2 JP28927898A JP28927898A JP3945043B2 JP 3945043 B2 JP3945043 B2 JP 3945043B2 JP 28927898 A JP28927898 A JP 28927898A JP 28927898 A JP28927898 A JP 28927898A JP 3945043 B2 JP3945043 B2 JP 3945043B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- plasma
- nitride film
- metal nitride
- generation chamber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、不純物濃度が低く、組成制御性に優れた金属窒化物膜の形成方法およびこれを用いた高集積度半導体装置等の電子装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＬＳＩ(Ultra Large Scale Integrated Circuits) 等の半導体装置の高集積度化が進展するに伴い、配線幅および配線ピッチの微細化が必要となっている。また同時に、特に高速ロジック系の半導体装置をはじめとする半導体装置の低消費電力化、動作速度の高速化等の要求に応えるためには、低誘電率の層間絶縁膜材料とともに、低抵抗な電極配線材料の選択およびそのプロセス技術が要素技術として重要性を増している。これは、半導体装置以外の各種高周波微細電子装置においても同様に重要な問題である。
【０００３】
従来より半導体装置等の配線材料として比較的低抵抗なＡｌ−ＳｉやＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等のアルミニウム系金属が用いられてきた。しかしながら、次世代の電極配線材料としては、Ａｌより比抵抗が小さく、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性にも優れるＣｕが有力視されている。Ｃｕの比抵抗は１．７２μΩ−ｃｍであり、Ａｌの比抵抗２．７μΩ−ｃｍの約６０％である。Ｃｕの成膜方法は、スパッタリング法やＣＶＤ (Chemical Vapor Deposition)法等の他に、電界めっき法も適用できる。
【０００４】
Ｃｕによる微細電極配線は、層間絶縁膜としてのＳｉＯ2 や、Ｓｉ中に容易に拡散する問題点がある。このため、半導体装置等の電極配線として実用化するためには、層間絶縁膜や不純物拡散層との間にバリアメタルを形成してＣｕの拡散を防止する必要がある。
【０００５】
従来からの電極配線材料であるＡｌやＷにおいてもバリアメタルは必要であり、ＴｉＮが広く用いられている。しかしながら、ＴｉＮは成膜された状態で柱状の結晶構造を持つため、その結晶粒界をＣｕ原子はたやすく拡散する性質がある。このため、ＴｉＮはＣｕに対するバリアメタルとしては充分に機能しない。
【０００６】
そこでＣｕに対するバリアメタルとして、ＴａやＷ、およびこれらの化合物、すなわちＴａ2 Ｎ，Ｗ2 Ｎ，ＴａＳｉＮあるいはＷＳｉＮ等が注目されている。これは、ＴａやＷ自体がＣｕと合金を作りにくいこと、またＴａやＷの窒化物がアモルファス構造として成膜されるため、原理的に粒界拡散が生じにくいためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高集積度半導体装置の多層配線間の層間接続 (Interconnection)のバリアメタルとしてＴａやＷの窒化物を実用化するためには、主な問題点が２つある。
一つは高アスペクト比の微細な接続孔（コンタクトホールおよびビアホール）の底部および側壁に、ステップカバレッジ良く成膜する形成法である。
二つめは金属と窒素の組成比の制御である。金属と窒素の原子比を１：１すなわちＴａＮやＷＮとして成膜すると、比抵抗が１０００μΩ−ｃｍを超える高抵抗膜となる。このためバリア性を損なわない範囲で低抵抗な膜とするため、金属リッチなＴａ2 Ｎ，Ｗ2 Ｎの組成に制御する必要がある。
【０００８】
ステップカバレッジの向上については、スパッタリング法に替えてＣＶＤ法を採用することにより解決される。
しかしながら、ＴａやＷの窒化物を熱ＣＶＤ法で形成する場合にはその組成制御が困難である。例えばＴａ窒化物の熱ＣＶＤ法として、ＴａＢｒ5 ＋ＮＨ3 の反応系を用いると、Ｔａ／Ｎの組成比が１となり、比抵抗が５０００μΩ−ｃｍの高抵抗膜となる。またＴａの有機化合物の熱分解によるＭＯＣＶＤ法では、有機Ｔａ化合物中にすでにＮを含むものが多いため、この場合も組成制御が困難である。
【０００９】
一方、金属ハロゲン化物、窒素および水素を原料ガスとするプラズマＣＶＤ法による金属窒化物膜の成膜方法も検討されている。例えば、ＥＣＲ (Electron Cyclotron Resonance) プラズマＣＶＤ法を用い、高密度のＨ2 ／Ｎ2 ／Ａｒ混合ガスプラズマにより、ＷＦ6 ガスの還元および窒化反応を促進できることが第３７回応用物理学関係連合講演会（１９９０年春季年会）講演予稿集ｐ５９１、講演番号２９ａ−ＺＡ−７に報告されている。この方法によれば、プラズマ生成室に５〜２０ｓｃｃｍ程度の微量のＮ2 を導入してＮ活性種を生成することで、ＷＮx （ｘ＝０．５〜１）膜を形成することができる。しかしながら、プラズマ生成室に導入されたＮ2 は高効率に解離されて窒化反応が活発に進むので、所望の組成すなわちＷ2 Ｎを得ることができるＮ2 の添加範囲が狭く、ガス流量の制御が難しい。
【００１０】
この問題を図６のグラフに示す。図６はＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるＷ窒化物の形成におけるＮ2 流量が組成比および比抵抗に与える影響を示し、横軸にプラズマ生成室へのＮ2 の添加量を、縦軸に得られるＷ窒化物のＮ／Ｗ組成比および比抵抗を示している。Ｎ／Ｗ組成比の値は０．５のときにＷ2 Ｎ組成となり、１．０のときＷＮ組成となる。
このグラフから明らかなように、所望のＷ2 Ｎ組成はＮ2 流量が５ｓｃｃｍの時に得られるが、この流量付近ではわずかの流量変化でＮ／Ｗ組成比が大きく変動し、またこれに伴い比抵抗の変化率も大きい。すなわち、バリアメタルとしての重要な特性の一つである比抵抗が微量のＮ2 流量に大きく左右され、プロセスウィンドウを狭くしていることが判る。
【００１１】
したがって、本発明は低抵抗かつバリア性に優れた金属窒化物膜を制御性よく形成しうる方法、およびこの金属窒化物膜をバリアメタルとして有する、高集積度半導体装置をはじめとする電子装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本発明の金属膜の形成方法は、
プラズマ生成室と、このプラズマ生成室に連接されたプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用い、
金属ハロゲン化物ガス、窒化剤ガス、還元性ガスおよび希ガスを必須構成要素とする原料ガスにより、被処理基体上に金属窒化物膜を形成する金属窒化物膜の形成方法であって、
これら原料ガスのうち、還元性ガスおよび希ガスをプラズマ生成室に導入するとともに、
これら原料ガスのうち、金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスをプラズマ処理室に導入することを特徴とする。
【００１３】
また本発明の電子装置の製造方法は、
プラズマ生成室と、このプラズマ生成室に連接されたプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用い、
金属ハロゲン化物ガス、窒化剤ガス、還元性ガスおよび希ガスを必須構成要素とする原料ガスにより、被処理基体上に金属窒化物膜を形成する工程を有する電子装置の製造方法であって、
これら原料ガスのうち、還元性ガスおよび希ガスをプラズマ生成室に導入するとともに、
これら原料ガスのうち、金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスをプラズマ処理室に導入することを特徴とする。
【００１４】
いずれの発明においても、プラズマ生成室におけるプラズマの電子密度は、１×１０10ｃｍ-3以上の高電子密度であることが望ましい。
【００１５】
〔作用〕
水素をはじめとする還元性ガスおよび希ガスをプラズマ生成室に導入することにより、ここで所望の密度の電子および水素活性種が生成される。特に高密度プラズマ発生源を有するプラズマＣＶＤ装置の場合には、高密度の水素活性種および電子が生成する。この際、水素ガス単独を放電解離すると、プラズマ中に生成した電子は直ちに水素活性種と再結合するので、高密度の電子供給源として適さない。一方水素と希ガスを同時に放電解離すると、Ａｒ等の希ガスの励起種の寿命が長いので、多くの電子を供給するに適したプラズマとすることがでる。
つぎにプラズマ処理室にこの高密度水素活性種を導入するとともに、金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスを導入する。すると、金属ハロゲン化物は高密度の水素活性種により高効率に還元され、ハロゲンが充分に低減された金属種が生成する。一例として金属ハロゲン化物としてＷＦ6 の場合の反応式はつぎの通りの発熱反応である。
ＷＦ6 ＋６Ｈ→Ｗ＋６ＨＦ
標準生成熱 −２８３．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ
【００１６】
一方、プラズマ生成室で生成したプラズマ中の高密度の電子は、磁場勾配や拡散プラズマ流によりプラズマ処理室に引き出され、ここに導入されたＮ2 等の窒化剤ガスを励起して窒素活性種すなわちＮ2 ラジカルやＮ2 イオンを生成する。この窒素活性種と先に生成した金属種Ｗとが反応しＷＮx が形成される。
２Ｗ＋１／２Ｎ2 * →Ｗ2 Ｎ
【００１７】
このとき、プラズマ処理室に引き出される過程で、寿命の短い電子は部分的に消滅するので、プラズマ処理室における電子密度は低下する。したがって、プラズマ生成室に直接Ｎ2 を導入して窒素活性種を生成した従来例に比較して、Ｎ2 の励起状態は弱く、それだけＮ2 ラジカルによるＷの窒化反応は緩和される。すなわち、Ｎ2 流量に対する窒化曲線の立ち上がりが緩くなり、それだけプロセスウィンドウを広げることができる。
【００１８】
すなわち、同一のプラズマＣＶＤ装置において、ＷＦ6 ガスを還元するためのＨ2 ／Ａｒプラズマの励起状態は充分に高く、窒化を進めるためのＮ2 プラズマの励起状態は低く制御することが可能である。これにより、低ハロゲン含有量かつ過剰な窒化が制御された低抵抗の金属窒化物膜を安定に形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下電子装置の一例として半導体装置を採りあげ、層間絶縁膜に開口された接続孔を、本発明の金属窒化物膜の形成方法によるバリアメタルおよびＣｕにより埋め込むコンタクトプラグ形成方法を例にとり、図１を参照して説明する。なお電子装置としては、半導体装置の他に、薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果型ヘッド、薄膜インダクタ、薄膜コイル、マイクロマシン等の各種電子装置、特に低抵抗のＣｕ配線を採用したものに適用することができる。
【００２０】
図１は電子装置の一例として、本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した半導体装置の要部を示す概略断面図である。
すなわち、Ｓｉ等の半導体基板１上の層間絶縁膜３には、不純物拡散層２に臨んで接続孔４が開口されている。この不純物拡散層２と上層配線８との電気的接続が、コンタクトプラグ７によりなされている。このコンタクトプラグ７は、導電材料６およびバリアメタルとしての金属窒化物膜５により構成されている。この金属窒化物膜５は、本発明の金属窒化物膜の形成方法により成膜されたものである。なおコンタクトプラグ７は、ＷやＣｕあるいは高融点金属ポリサイド等の下層配線に臨んで開口された接続孔（ビアホール）に埋め込まれた、ビアコンタクトプラグであってもよい。
【００２１】
金属窒化物膜５の材料としては、高融点金属の低次窒化物であり、その中でも柱状あるいは粒状の結晶組織を形成せず、アモルファスあるいはアモルファス状態に近い微結晶として成膜されるものが望ましい。具体的には、Ｗ2 Ｎ，Ｔａ2 ＮあるいはＭｏ2 Ｎ等が例示される。
【００２２】
したがって、本発明で採用される金属ハロゲン化物ガスとしては、ＷＦ6 ，ＷＣｌ6 ，ＴａＢｒ5 ，ＭｏＦ6 ，ＭｏＣｌ5 等の比較的蒸気圧が高く気化しやすいフッ化物、塩化物あるいは臭化物等が選ばれる。
【００２３】
本発明で採用する窒化剤ガスとしては、Ｎ2 ，ＮＨ3 あるいはＮ2 Ｈ2 等が例示される。
また本発明で用いる還元性ガスは、Ｈ2 あるいはＳｉＨ4 等が例示される。
さらに本発明で用いる希ガスはＨｅ，Ａｒ，Ｘｅ，ＫｒあるいはＮｅ等が用いられる。
【００２４】
本発明で採用するプラズマ処理装置は、プラズマ生成室とプラズマ処理室が連接され、個々に処理ガスを導入できる装置構造を有する。かかるプラズマ処理装置としては、マイクロ波プラズマ処理装置、ＥＣＲ (Electron Cyclotron Resonance) プラズマ処理装置、ＩＣＰ (Inductively Coupled Plasma) 処理装置、ヘリコン波プラズマ処理装置等が例示される。これらのプラズマ処理装置はいずれも１×１０10ｃｍ-3以上の電子密度のプラズマを発生し得るプラズマ生成室を有する。この他にも、アーク放電型プラズマ、平行平板型プラズマ発生源あるいはマグネトロン放電プラズマ発生源を、プラズマ処理室と別個に有するプラズマ処理装置を使用することもできる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法につき、実施例により図２〜図５を参照しつつさらに詳しく説明を加える。ただしこれら実施例は単なる例示であり、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２６】
〔実施例１〕
本実施例は、ＥＣＲプラズマ処理装置により、金属窒化物膜としてのＷ2 Ｎをコンタクトプラグのバリアメタルとして形成した例である。
【００２７】
図２（ａ）： ここに示す被処理基体は、本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した半導体装置の要部を示す概略断面図である。
すなわち、Ｓｉ等の半導体基板１上に層間絶縁膜３をＳｉＯ2 等で形成し、この層間絶縁膜３に、半導体基板１に作り込まれたＭＯＳトランジスタ等所定の素子の不純物拡散層２に臨む接続孔４を形成した状態を示す。なお接続孔４は下層配線（不図示）に臨んで開口したビアホールであってもよい。
接続孔４の形状は、例えばその開口径が０．２μｍ、深さが１．０μｍ、アスペクト比は５である。接続孔４の形成工程は、まず層間絶縁膜３上にフォトレジストをコーティングし、接続孔の開口形状にパタ−ニングしてレジストマスク（不図示）を形成する。この被エッチング基板を例えばマグネトロンＲＩＥ装置に搬入し、つぎのエッチング条件で開口する。
接続孔開口のエッチング条件
Ｃ4 Ｆ8 １４ ｓｃｃｍ
ＣＯ ２５０ ｓｃｃｍ
Ａｒ １００ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ２ ｓｃｃｍ
圧力 ５．３ Ｐａ
ＲＦパワー １．６ ｋＷ
温度 ２０ ℃
【００２８】
図２（ｂ）： 図２（ａ）に示す被処理基体をＥＣＲプラズ処理装置に搬入し、金属窒化物膜５を形成する。
図３はＥＣＲプラズマ処理装置により金属窒化物膜５を形成している状態を示す概略断面図である。このＥＣＲプラズマ処理装置は、プラズマ生成室１０およびプラズマ処理室２０とから大略構成されている。プラズマ生成室１０には、不図示のマグネトロンで生成した２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管１１を伝播してマイクロ波導入窓１２から導入される。プラズマ生成室１０の外周をソレノイドコイル１４が囲繞しており、プラズマ生成室１０内に０．０８７５Ｔの磁界を発生することができる。第１のガスノズル１５からプラズマ生成室１０内に導入されたＨ2 とＡｒの混合ガスは、２．４５ＧＨｚのマイクロ波と０．０８７５Ｔの磁界との相互作用によりＥＣＲ条件が満たされ、高密度のＥＣＲプラズマを生成する。
Ｈ2 ／Ａｒ混合ガスプラズマ生成条件
Ｈ2 １００〜３００ ｓｃｃｍ
Ａｒ １００〜２００ ｓｃｃｍ
圧力 １〜１０ ｍＴｏｒｒ
μ波パワー １〜３ ｋＷ
【００２９】
一方プラズマ生成室１０に連接されたプラズマ処理室２０内には、ステージ２１上に被処理基体２２がプラズマ生成室１０に対向する位置にセッティングされている。ステージの裏面にはステージ側コイル２３が配設されており、ソレノイドコイル１４の発散磁界を被処理基体２２に向けて誘導する磁界を発生している。プラズマ処理室２０のプラズマ生成室１０側には、第２のガスノズル２４が配設されており、ここからＷＦ6 とＮ2 の混合ガスが導入される。
この混合ガス導入により、プラズマ生成室１０内に生成したプラズマ中では、Ｈ2 と電子との衝突により、Ｈ2 はＨ原子に解離し、さらにＨ活性種となる。プラズマ中のこれらＨ活性種および電子は、プラズマ流あるいは発散磁界により、プラズマ処理室２０に引き出される。
【００３０】
つぎにプラズマ処理室２０にＷＦ6 とＮ2 の混合ガスを導入する。
ＷＦ6 ２〜１０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ５〜２０ ｓｃｃｍ
温度 ２００〜４００ ℃
温度は被処理基体２２の温度である。
これによりプラズマ生成室１０から引き出された水素活性種によりＷＦ6 が還元され、まずＷが生成される。この還元反応は、前述の通り
ＷＦ6 ＋６Ｈ→Ｗ＋６ＨＦ
標準生成熱 −２８３．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ
の反応式で表される発熱反応であり、容易に進行し、低フッ素含有量のＷが生成する。
【００３１】
一方プラズマ生成室１０から引き出された電子は、プラズマ処理室２０内でＮ2 と衝突してこれを励起し、Ｎ2 ラジカル、Ｎ2 イオン等のＮ活性種を生成する。これらＮ活性種は先に生成したＷと反応し、これを窒化してＷ2 Ｎからなる金属窒化物膜５を形成する。
２Ｗ＋１／２Ｎ2 * →Ｗ2 Ｎ
【００３２】
ところで、電子はその寿命が短く、プラズマ処理室２０に拡散する途中で部分的に消滅し、プラズマ処理室２０内での電子密度はプラズマ生成室１０内での電子密度より低下する。このため、プラズマ生成室１０内に直接Ｎ2 を導入して励起する場合に比較して、プラズマ処理室２０内にＮ2 を導入して拡散電子により励起する本実施例の方が、Ｎ2 の励起状態が弱い。したがって、Ｗの過剰な窒化は抑制され、金属リッチで低フッ素含有量の低抵抗なＷ2 Ｎからなる金属窒化物膜５が形成される。金属窒化物膜５の厚さは、層間絶縁膜３上の平坦部分で７０ｎｍとする。金属窒化物膜５は、ステージ側コイル２３により入射粒子の垂直入射成分が高められることにより、接続孔４底部のボトムカバレッジにも優れたものであった。
【００３３】
図２（ｃ）： この後、導電材料６としてＣｕを電解めっき法等により形成する。
【００３４】
図２（ｄ）： 層間絶縁膜３上の導電材料６および金属窒化物膜５をＣＭＰ (Chemical Mechanical Polishing)法あるいは全面エッチバック法により除去して平坦化し、接続孔４内にコンタクトプラグ７として埋め込む。
この後、上層配線を常法に準じて形成する。さらに上層の配線構造を形成するには図２（ａ）に戻って図２（ａ）〜図２（ｄ）の工程を反復すればよい。最終的にファイナルパシベーション膜の形成およびパッド電極の形成等を経て半導体装置を完成する。
【００３５】
〔実施例２〕
本実施例は、金属窒化物膜としてＴａ2 Ｎをコンタクトプラグのバリアメタル用に形成した例である。
プラズマ処理装置および被処理基体の構成は前実施例１と同様であるので、重複する説明は省略し、本実施例の特徴部分を説明するに留める。
【００３６】
図２（ａ）に示す被処理基体の構成は前実施例１と同様である。この被処理基体を、図４に示すＥＣＲプラズマ処理装置に搬入し、プラズマ生成室１０にはＨ2 とＡｒの混合ガスを導入し、実施例１と同様に高密度プラズマを生成する。
【００３７】
つぎにプラズマ処理室２０にはＴａＢｒ5 およびＮ2 の混合ガスを導入する。ＴａＢｒ5 はｍｐ＝２６５℃、ｂｐ＝３４８．８℃の常温では固体であるので、加熱気化してプラズマ生成室１０に導入する。第１のノズル１５はヒータで等で加熱しておく。
ＴａＢｒ5 ２〜１０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ５〜２０ ｓｃｃｍ
温度 ２００〜４００ ℃
プラズマ生成室１０から引き出された水素活性種によりＴａＢｒ5 が還元され、まずＴａが生成される。この還元反応は、
ＴａＢｒ5 ＋５Ｈ→Ｗ＋５ＨＢｒ
標準生成熱 −１６０．９ｋｃａｌ／ｍｏｌ
の反応式で表される発熱反応であり、容易に進行し、低臭素含有量のＴａが生成する。
【００３８】
同時に、プラズマ生成室１０から引き出された電子は、プラズマ処理室２０内でＮ2 と衝突してこれを励起し、Ｎ2 ラジカル、Ｎ2 イオン等のＮ活性種を生成する。これらＮ活性種は先に生成したＴａと反応し、これを窒化してＴａ2 Ｎからなる金属窒化物膜５を形成する。
２Ｔａ＋１／２Ｎ2 * →Ｔａ2 Ｎ
【００３９】
本実施例においても、プラズマ処理室２０内での電子密度はプラズマ生成室１０内での電子密度より低く、プラズマ処理室内でのＮ2 の励起状態が弱い。したがって、Ｔａの過剰な窒化は抑制され、金属リッチで低臭素含有量の低抵抗Ｔａ2 Ｎからなる金属窒化物膜５が形成される。金属窒化物膜５の厚さは、層間絶縁膜３上の平坦部分で７０ｎｍとする。金属窒化物膜５は、ステージ側コイル２３により入射粒子の垂直入射成分が高められることにより、接続孔４底部のボトムカバレッジにも優れたものであった。
この後の工程は前実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００４０】
〔実施例３〕
本実施例は、マイクロ波励起プラズマＣＶＤ装置により、金属窒化物膜としてのＷ2 Ｎをコンタクトプラグのバリアメタルとして形成した例である。
被処理基体の構成は前実施例１と同様であるので、重複する説明は省略し、本実施例の特徴部分を説明するに留める。
【００４１】
図５は本実施例で採用したマイクロ波励起プラズマＣＶＤ装置の概略断面図である。このプラズマＣＶＤ装置は、磁場との相互作用によるＥＣＲモードを使用しない以外は前実施例１で採用したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置と類似した構造を有する。すなわち、プラズマ生成室１０は、石英やアルミナ等の誘電体材料から構成されたベルジャと、マグネトロン１６で生成したマイクロ波を導波管１１を経由して導入するマイクロ波導入部と、Ｈ2 ／Ａｒ混合ガスを導入する第１のノズル１５から構成されている。このＨ2 ／Ａｒ混合ガスは、２．４５ＧＨｚのマイクロ波により励起されて、比較的高電子密度のプラズマを生成する。
一方のプラズマ処理室２０の構成は図２に示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置に準じたものであり、説明を省略する。
【００４２】
図２（ａ）に示す被処理基体をステージ２１上にセッティングし、金属窒化物膜５を形成する。
【００４３】
Ｈ2 ／Ａｒ混合ガスプラズマ生成条件
Ｈ2 １００〜３００ ｓｃｃｍ
Ａｒ １００〜２００ ｓｃｃｍ
圧力 １〜１０ ｍＴｏｒｒ
μ波パワー １〜３ ｋＷ
この混合ガス導入により、プラズマ生成室１０内に生成したプラズマ中では、Ｈ2 と電子との衝突により、Ｈ2 はＨ原子に解離し、さらにＨ活性種となる。プラズマ中のこれらＨ活性種および電子は、プラズマ流に沿ってプラズマ処理室２０に引き出される。
【００４４】
つぎにプラズマ処理室２０にＷＦ6 とＮ2 の混合ガスを導入する。
ＷＦ6 ２〜１０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ５〜２０ ｓｃｃｍ
温度 ２００〜４００ ℃
温度は被処理基体の温度である。プラズマ生成室１０から引き出された水素活性種によりＷＦ6 が還元され、まずＷが生成される。この還元反応、および生成されたＷの窒化反応は前実施例１に準じるものである。したがって、本実施例によってもＷの過剰な窒化は抑制され、金属リッチで低フッ素含有量の低抵抗Ｗ2 Ｎからなる金属窒化物膜５が形成される。金属窒化物膜５の厚さは、層間絶縁膜３上の平坦部分で７０ｎｍとする。金属窒化物膜５は、ステージ側コイル２３により入射粒子の垂直入射成分が高められることにより、接続孔４底部のボトムカバレッジにも優れたものであった。
この後の工程は前実施例１に準拠したものであり、重複する説明は省略する。
【００４５】
以上本発明を３例の実施例により説明したが、金属ハロゲン化物としてＷＦ6 やＴａＢｒ5 の他にＷＣｌ6 ，ＭｏＦ6 ，ＭｏＣｌ5 等の比較的蒸気圧が高く気化しやすい化合物を採用できる。また還元性ガスとしてＨ2 の他にＳｉＨ4 であってもよい。この場合には、金属の珪窒化物ＷＳｉＮ，ＴａＳｉＮあるいはＭｏＳｉＮ等を形成することができる。
【００４６】
本発明はまた比較的低温度で金属窒化物膜を形成することができる。したがって、特に金属窒化物膜の形成温度を２５０℃程度以下に制御すれば、低誘電率の有機高分子材料を層間絶縁膜とし、ここに開口した接続孔に金属窒化物膜を形成する場合にも好適に実施することができる。かかる有機高分子材料としては、ポリアリールエーテル、ポリイミド、有機ＳＯＧ、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン、ポリパラキシリレン、テフロン（商標名）、サイトップ（商標名）等が例示される。これらはいずれも高集積度の電子装置の絶縁膜として望ましい低誘電率材料である。
【００４７】
本発明の金属窒化物膜の形成方法は、高集積度の半導体装置のコンタクトプラグ等に好適に用いられるが、前述したように低抵抗、かつ拡散による経時変化の少ない電極配線が望まれる、薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果型ヘッド、薄膜インダクタ、薄膜コイル、マイクロマシン等の各種電子装置の製造方法に適用して効果を奏する。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の金属窒化物膜の形成方法によれば、過剰な窒化が抑制された低抵抗、かつバリア性に優れた金属窒化物膜を制御性よく形成することができる。
【００４９】
また本発明の電子装置の製造方法によれば、Ｃｕ等拡散しやすい導電材料の拡散を効果的に防止し、しかも低抵抗の電極配線を有する高集積度半導体装置等の電子装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した電子装置の一例である、半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図２】本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した電子装置の一例である、半導体装置の要部の製造工程を示す概略断面図である。
【図３】本発明の金属窒化物膜の形成方法の反応過程および装置構成を示す概略説明図である。
【図４】本発明の他の金属窒化物膜の形成方法の反応過程および装置構成を示す概略説明図である。
【図５】本発明のさらに他の金属窒化物膜の形成方法の反応過程および装置構成を示す概略説明図である。
【図６】従来の金属窒化物膜の形成方法における、Ｎ2 流量と組成比、比抵抗の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…不純物拡散層、３…層間絶縁膜、４…接続孔、５…金属窒化物膜、６…導電材料、７…コンタクトプラグ、８…上層配線
１０…プラズマ生成室、１１…導波管、１２…マイクロ波導入窓、１３…ＲＦ電源、１４…ソレノイドコイル、１６…マグネトロン
２０…プラズマ処理室、２１…ステージ、２２…被処理基体、２３…ステージ側コイル
【発明の属する技術分野】
本発明は金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、不純物濃度が低く、組成制御性に優れた金属窒化物膜の形成方法およびこれを用いた高集積度半導体装置等の電子装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＬＳＩ(Ultra Large Scale Integrated Circuits) 等の半導体装置の高集積度化が進展するに伴い、配線幅および配線ピッチの微細化が必要となっている。また同時に、特に高速ロジック系の半導体装置をはじめとする半導体装置の低消費電力化、動作速度の高速化等の要求に応えるためには、低誘電率の層間絶縁膜材料とともに、低抵抗な電極配線材料の選択およびそのプロセス技術が要素技術として重要性を増している。これは、半導体装置以外の各種高周波微細電子装置においても同様に重要な問題である。
【０００３】
従来より半導体装置等の配線材料として比較的低抵抗なＡｌ−ＳｉやＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等のアルミニウム系金属が用いられてきた。しかしながら、次世代の電極配線材料としては、Ａｌより比抵抗が小さく、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性にも優れるＣｕが有力視されている。Ｃｕの比抵抗は１．７２μΩ−ｃｍであり、Ａｌの比抵抗２．７μΩ−ｃｍの約６０％である。Ｃｕの成膜方法は、スパッタリング法やＣＶＤ (Chemical Vapor Deposition)法等の他に、電界めっき法も適用できる。
【０００４】
Ｃｕによる微細電極配線は、層間絶縁膜としてのＳｉＯ2 や、Ｓｉ中に容易に拡散する問題点がある。このため、半導体装置等の電極配線として実用化するためには、層間絶縁膜や不純物拡散層との間にバリアメタルを形成してＣｕの拡散を防止する必要がある。
【０００５】
従来からの電極配線材料であるＡｌやＷにおいてもバリアメタルは必要であり、ＴｉＮが広く用いられている。しかしながら、ＴｉＮは成膜された状態で柱状の結晶構造を持つため、その結晶粒界をＣｕ原子はたやすく拡散する性質がある。このため、ＴｉＮはＣｕに対するバリアメタルとしては充分に機能しない。
【０００６】
そこでＣｕに対するバリアメタルとして、ＴａやＷ、およびこれらの化合物、すなわちＴａ2 Ｎ，Ｗ2 Ｎ，ＴａＳｉＮあるいはＷＳｉＮ等が注目されている。これは、ＴａやＷ自体がＣｕと合金を作りにくいこと、またＴａやＷの窒化物がアモルファス構造として成膜されるため、原理的に粒界拡散が生じにくいためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高集積度半導体装置の多層配線間の層間接続 (Interconnection)のバリアメタルとしてＴａやＷの窒化物を実用化するためには、主な問題点が２つある。
一つは高アスペクト比の微細な接続孔（コンタクトホールおよびビアホール）の底部および側壁に、ステップカバレッジ良く成膜する形成法である。
二つめは金属と窒素の組成比の制御である。金属と窒素の原子比を１：１すなわちＴａＮやＷＮとして成膜すると、比抵抗が１０００μΩ−ｃｍを超える高抵抗膜となる。このためバリア性を損なわない範囲で低抵抗な膜とするため、金属リッチなＴａ2 Ｎ，Ｗ2 Ｎの組成に制御する必要がある。
【０００８】
ステップカバレッジの向上については、スパッタリング法に替えてＣＶＤ法を採用することにより解決される。
しかしながら、ＴａやＷの窒化物を熱ＣＶＤ法で形成する場合にはその組成制御が困難である。例えばＴａ窒化物の熱ＣＶＤ法として、ＴａＢｒ5 ＋ＮＨ3 の反応系を用いると、Ｔａ／Ｎの組成比が１となり、比抵抗が５０００μΩ−ｃｍの高抵抗膜となる。またＴａの有機化合物の熱分解によるＭＯＣＶＤ法では、有機Ｔａ化合物中にすでにＮを含むものが多いため、この場合も組成制御が困難である。
【０００９】
一方、金属ハロゲン化物、窒素および水素を原料ガスとするプラズマＣＶＤ法による金属窒化物膜の成膜方法も検討されている。例えば、ＥＣＲ (Electron Cyclotron Resonance) プラズマＣＶＤ法を用い、高密度のＨ2 ／Ｎ2 ／Ａｒ混合ガスプラズマにより、ＷＦ6 ガスの還元および窒化反応を促進できることが第３７回応用物理学関係連合講演会（１９９０年春季年会）講演予稿集ｐ５９１、講演番号２９ａ−ＺＡ−７に報告されている。この方法によれば、プラズマ生成室に５〜２０ｓｃｃｍ程度の微量のＮ2 を導入してＮ活性種を生成することで、ＷＮx （ｘ＝０．５〜１）膜を形成することができる。しかしながら、プラズマ生成室に導入されたＮ2 は高効率に解離されて窒化反応が活発に進むので、所望の組成すなわちＷ2 Ｎを得ることができるＮ2 の添加範囲が狭く、ガス流量の制御が難しい。
【００１０】
この問題を図６のグラフに示す。図６はＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるＷ窒化物の形成におけるＮ2 流量が組成比および比抵抗に与える影響を示し、横軸にプラズマ生成室へのＮ2 の添加量を、縦軸に得られるＷ窒化物のＮ／Ｗ組成比および比抵抗を示している。Ｎ／Ｗ組成比の値は０．５のときにＷ2 Ｎ組成となり、１．０のときＷＮ組成となる。
このグラフから明らかなように、所望のＷ2 Ｎ組成はＮ2 流量が５ｓｃｃｍの時に得られるが、この流量付近ではわずかの流量変化でＮ／Ｗ組成比が大きく変動し、またこれに伴い比抵抗の変化率も大きい。すなわち、バリアメタルとしての重要な特性の一つである比抵抗が微量のＮ2 流量に大きく左右され、プロセスウィンドウを狭くしていることが判る。
【００１１】
したがって、本発明は低抵抗かつバリア性に優れた金属窒化物膜を制御性よく形成しうる方法、およびこの金属窒化物膜をバリアメタルとして有する、高集積度半導体装置をはじめとする電子装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本発明の金属膜の形成方法は、
プラズマ生成室と、このプラズマ生成室に連接されたプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用い、
金属ハロゲン化物ガス、窒化剤ガス、還元性ガスおよび希ガスを必須構成要素とする原料ガスにより、被処理基体上に金属窒化物膜を形成する金属窒化物膜の形成方法であって、
これら原料ガスのうち、還元性ガスおよび希ガスをプラズマ生成室に導入するとともに、
これら原料ガスのうち、金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスをプラズマ処理室に導入することを特徴とする。
【００１３】
また本発明の電子装置の製造方法は、
プラズマ生成室と、このプラズマ生成室に連接されたプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用い、
金属ハロゲン化物ガス、窒化剤ガス、還元性ガスおよび希ガスを必須構成要素とする原料ガスにより、被処理基体上に金属窒化物膜を形成する工程を有する電子装置の製造方法であって、
これら原料ガスのうち、還元性ガスおよび希ガスをプラズマ生成室に導入するとともに、
これら原料ガスのうち、金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスをプラズマ処理室に導入することを特徴とする。
【００１４】
いずれの発明においても、プラズマ生成室におけるプラズマの電子密度は、１×１０10ｃｍ-3以上の高電子密度であることが望ましい。
【００１５】
〔作用〕
水素をはじめとする還元性ガスおよび希ガスをプラズマ生成室に導入することにより、ここで所望の密度の電子および水素活性種が生成される。特に高密度プラズマ発生源を有するプラズマＣＶＤ装置の場合には、高密度の水素活性種および電子が生成する。この際、水素ガス単独を放電解離すると、プラズマ中に生成した電子は直ちに水素活性種と再結合するので、高密度の電子供給源として適さない。一方水素と希ガスを同時に放電解離すると、Ａｒ等の希ガスの励起種の寿命が長いので、多くの電子を供給するに適したプラズマとすることがでる。
つぎにプラズマ処理室にこの高密度水素活性種を導入するとともに、金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスを導入する。すると、金属ハロゲン化物は高密度の水素活性種により高効率に還元され、ハロゲンが充分に低減された金属種が生成する。一例として金属ハロゲン化物としてＷＦ6 の場合の反応式はつぎの通りの発熱反応である。
ＷＦ6 ＋６Ｈ→Ｗ＋６ＨＦ
標準生成熱 −２８３．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ
【００１６】
一方、プラズマ生成室で生成したプラズマ中の高密度の電子は、磁場勾配や拡散プラズマ流によりプラズマ処理室に引き出され、ここに導入されたＮ2 等の窒化剤ガスを励起して窒素活性種すなわちＮ2 ラジカルやＮ2 イオンを生成する。この窒素活性種と先に生成した金属種Ｗとが反応しＷＮx が形成される。
２Ｗ＋１／２Ｎ2 * →Ｗ2 Ｎ
【００１７】
このとき、プラズマ処理室に引き出される過程で、寿命の短い電子は部分的に消滅するので、プラズマ処理室における電子密度は低下する。したがって、プラズマ生成室に直接Ｎ2 を導入して窒素活性種を生成した従来例に比較して、Ｎ2 の励起状態は弱く、それだけＮ2 ラジカルによるＷの窒化反応は緩和される。すなわち、Ｎ2 流量に対する窒化曲線の立ち上がりが緩くなり、それだけプロセスウィンドウを広げることができる。
【００１８】
すなわち、同一のプラズマＣＶＤ装置において、ＷＦ6 ガスを還元するためのＨ2 ／Ａｒプラズマの励起状態は充分に高く、窒化を進めるためのＮ2 プラズマの励起状態は低く制御することが可能である。これにより、低ハロゲン含有量かつ過剰な窒化が制御された低抵抗の金属窒化物膜を安定に形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下電子装置の一例として半導体装置を採りあげ、層間絶縁膜に開口された接続孔を、本発明の金属窒化物膜の形成方法によるバリアメタルおよびＣｕにより埋め込むコンタクトプラグ形成方法を例にとり、図１を参照して説明する。なお電子装置としては、半導体装置の他に、薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果型ヘッド、薄膜インダクタ、薄膜コイル、マイクロマシン等の各種電子装置、特に低抵抗のＣｕ配線を採用したものに適用することができる。
【００２０】
図１は電子装置の一例として、本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した半導体装置の要部を示す概略断面図である。
すなわち、Ｓｉ等の半導体基板１上の層間絶縁膜３には、不純物拡散層２に臨んで接続孔４が開口されている。この不純物拡散層２と上層配線８との電気的接続が、コンタクトプラグ７によりなされている。このコンタクトプラグ７は、導電材料６およびバリアメタルとしての金属窒化物膜５により構成されている。この金属窒化物膜５は、本発明の金属窒化物膜の形成方法により成膜されたものである。なおコンタクトプラグ７は、ＷやＣｕあるいは高融点金属ポリサイド等の下層配線に臨んで開口された接続孔（ビアホール）に埋め込まれた、ビアコンタクトプラグであってもよい。
【００２１】
金属窒化物膜５の材料としては、高融点金属の低次窒化物であり、その中でも柱状あるいは粒状の結晶組織を形成せず、アモルファスあるいはアモルファス状態に近い微結晶として成膜されるものが望ましい。具体的には、Ｗ2 Ｎ，Ｔａ2 ＮあるいはＭｏ2 Ｎ等が例示される。
【００２２】
したがって、本発明で採用される金属ハロゲン化物ガスとしては、ＷＦ6 ，ＷＣｌ6 ，ＴａＢｒ5 ，ＭｏＦ6 ，ＭｏＣｌ5 等の比較的蒸気圧が高く気化しやすいフッ化物、塩化物あるいは臭化物等が選ばれる。
【００２３】
本発明で採用する窒化剤ガスとしては、Ｎ2 ，ＮＨ3 あるいはＮ2 Ｈ2 等が例示される。
また本発明で用いる還元性ガスは、Ｈ2 あるいはＳｉＨ4 等が例示される。
さらに本発明で用いる希ガスはＨｅ，Ａｒ，Ｘｅ，ＫｒあるいはＮｅ等が用いられる。
【００２４】
本発明で採用するプラズマ処理装置は、プラズマ生成室とプラズマ処理室が連接され、個々に処理ガスを導入できる装置構造を有する。かかるプラズマ処理装置としては、マイクロ波プラズマ処理装置、ＥＣＲ (Electron Cyclotron Resonance) プラズマ処理装置、ＩＣＰ (Inductively Coupled Plasma) 処理装置、ヘリコン波プラズマ処理装置等が例示される。これらのプラズマ処理装置はいずれも１×１０10ｃｍ-3以上の電子密度のプラズマを発生し得るプラズマ生成室を有する。この他にも、アーク放電型プラズマ、平行平板型プラズマ発生源あるいはマグネトロン放電プラズマ発生源を、プラズマ処理室と別個に有するプラズマ処理装置を使用することもできる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法につき、実施例により図２〜図５を参照しつつさらに詳しく説明を加える。ただしこれら実施例は単なる例示であり、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２６】
〔実施例１〕
本実施例は、ＥＣＲプラズマ処理装置により、金属窒化物膜としてのＷ2 Ｎをコンタクトプラグのバリアメタルとして形成した例である。
【００２７】
図２（ａ）： ここに示す被処理基体は、本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した半導体装置の要部を示す概略断面図である。
すなわち、Ｓｉ等の半導体基板１上に層間絶縁膜３をＳｉＯ2 等で形成し、この層間絶縁膜３に、半導体基板１に作り込まれたＭＯＳトランジスタ等所定の素子の不純物拡散層２に臨む接続孔４を形成した状態を示す。なお接続孔４は下層配線（不図示）に臨んで開口したビアホールであってもよい。
接続孔４の形状は、例えばその開口径が０．２μｍ、深さが１．０μｍ、アスペクト比は５である。接続孔４の形成工程は、まず層間絶縁膜３上にフォトレジストをコーティングし、接続孔の開口形状にパタ−ニングしてレジストマスク（不図示）を形成する。この被エッチング基板を例えばマグネトロンＲＩＥ装置に搬入し、つぎのエッチング条件で開口する。
接続孔開口のエッチング条件
Ｃ4 Ｆ8 １４ ｓｃｃｍ
ＣＯ ２５０ ｓｃｃｍ
Ａｒ １００ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ２ ｓｃｃｍ
圧力 ５．３ Ｐａ
ＲＦパワー １．６ ｋＷ
温度 ２０ ℃
【００２８】
図２（ｂ）： 図２（ａ）に示す被処理基体をＥＣＲプラズ処理装置に搬入し、金属窒化物膜５を形成する。
図３はＥＣＲプラズマ処理装置により金属窒化物膜５を形成している状態を示す概略断面図である。このＥＣＲプラズマ処理装置は、プラズマ生成室１０およびプラズマ処理室２０とから大略構成されている。プラズマ生成室１０には、不図示のマグネトロンで生成した２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管１１を伝播してマイクロ波導入窓１２から導入される。プラズマ生成室１０の外周をソレノイドコイル１４が囲繞しており、プラズマ生成室１０内に０．０８７５Ｔの磁界を発生することができる。第１のガスノズル１５からプラズマ生成室１０内に導入されたＨ2 とＡｒの混合ガスは、２．４５ＧＨｚのマイクロ波と０．０８７５Ｔの磁界との相互作用によりＥＣＲ条件が満たされ、高密度のＥＣＲプラズマを生成する。
Ｈ2 ／Ａｒ混合ガスプラズマ生成条件
Ｈ2 １００〜３００ ｓｃｃｍ
Ａｒ １００〜２００ ｓｃｃｍ
圧力 １〜１０ ｍＴｏｒｒ
μ波パワー １〜３ ｋＷ
【００２９】
一方プラズマ生成室１０に連接されたプラズマ処理室２０内には、ステージ２１上に被処理基体２２がプラズマ生成室１０に対向する位置にセッティングされている。ステージの裏面にはステージ側コイル２３が配設されており、ソレノイドコイル１４の発散磁界を被処理基体２２に向けて誘導する磁界を発生している。プラズマ処理室２０のプラズマ生成室１０側には、第２のガスノズル２４が配設されており、ここからＷＦ6 とＮ2 の混合ガスが導入される。
この混合ガス導入により、プラズマ生成室１０内に生成したプラズマ中では、Ｈ2 と電子との衝突により、Ｈ2 はＨ原子に解離し、さらにＨ活性種となる。プラズマ中のこれらＨ活性種および電子は、プラズマ流あるいは発散磁界により、プラズマ処理室２０に引き出される。
【００３０】
つぎにプラズマ処理室２０にＷＦ6 とＮ2 の混合ガスを導入する。
ＷＦ6 ２〜１０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ５〜２０ ｓｃｃｍ
温度 ２００〜４００ ℃
温度は被処理基体２２の温度である。
これによりプラズマ生成室１０から引き出された水素活性種によりＷＦ6 が還元され、まずＷが生成される。この還元反応は、前述の通り
ＷＦ6 ＋６Ｈ→Ｗ＋６ＨＦ
標準生成熱 −２８３．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ
の反応式で表される発熱反応であり、容易に進行し、低フッ素含有量のＷが生成する。
【００３１】
一方プラズマ生成室１０から引き出された電子は、プラズマ処理室２０内でＮ2 と衝突してこれを励起し、Ｎ2 ラジカル、Ｎ2 イオン等のＮ活性種を生成する。これらＮ活性種は先に生成したＷと反応し、これを窒化してＷ2 Ｎからなる金属窒化物膜５を形成する。
２Ｗ＋１／２Ｎ2 * →Ｗ2 Ｎ
【００３２】
ところで、電子はその寿命が短く、プラズマ処理室２０に拡散する途中で部分的に消滅し、プラズマ処理室２０内での電子密度はプラズマ生成室１０内での電子密度より低下する。このため、プラズマ生成室１０内に直接Ｎ2 を導入して励起する場合に比較して、プラズマ処理室２０内にＮ2 を導入して拡散電子により励起する本実施例の方が、Ｎ2 の励起状態が弱い。したがって、Ｗの過剰な窒化は抑制され、金属リッチで低フッ素含有量の低抵抗なＷ2 Ｎからなる金属窒化物膜５が形成される。金属窒化物膜５の厚さは、層間絶縁膜３上の平坦部分で７０ｎｍとする。金属窒化物膜５は、ステージ側コイル２３により入射粒子の垂直入射成分が高められることにより、接続孔４底部のボトムカバレッジにも優れたものであった。
【００３３】
図２（ｃ）： この後、導電材料６としてＣｕを電解めっき法等により形成する。
【００３４】
図２（ｄ）： 層間絶縁膜３上の導電材料６および金属窒化物膜５をＣＭＰ (Chemical Mechanical Polishing)法あるいは全面エッチバック法により除去して平坦化し、接続孔４内にコンタクトプラグ７として埋め込む。
この後、上層配線を常法に準じて形成する。さらに上層の配線構造を形成するには図２（ａ）に戻って図２（ａ）〜図２（ｄ）の工程を反復すればよい。最終的にファイナルパシベーション膜の形成およびパッド電極の形成等を経て半導体装置を完成する。
【００３５】
〔実施例２〕
本実施例は、金属窒化物膜としてＴａ2 Ｎをコンタクトプラグのバリアメタル用に形成した例である。
プラズマ処理装置および被処理基体の構成は前実施例１と同様であるので、重複する説明は省略し、本実施例の特徴部分を説明するに留める。
【００３６】
図２（ａ）に示す被処理基体の構成は前実施例１と同様である。この被処理基体を、図４に示すＥＣＲプラズマ処理装置に搬入し、プラズマ生成室１０にはＨ2 とＡｒの混合ガスを導入し、実施例１と同様に高密度プラズマを生成する。
【００３７】
つぎにプラズマ処理室２０にはＴａＢｒ5 およびＮ2 の混合ガスを導入する。ＴａＢｒ5 はｍｐ＝２６５℃、ｂｐ＝３４８．８℃の常温では固体であるので、加熱気化してプラズマ生成室１０に導入する。第１のノズル１５はヒータで等で加熱しておく。
ＴａＢｒ5 ２〜１０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ５〜２０ ｓｃｃｍ
温度 ２００〜４００ ℃
プラズマ生成室１０から引き出された水素活性種によりＴａＢｒ5 が還元され、まずＴａが生成される。この還元反応は、
ＴａＢｒ5 ＋５Ｈ→Ｗ＋５ＨＢｒ
標準生成熱 −１６０．９ｋｃａｌ／ｍｏｌ
の反応式で表される発熱反応であり、容易に進行し、低臭素含有量のＴａが生成する。
【００３８】
同時に、プラズマ生成室１０から引き出された電子は、プラズマ処理室２０内でＮ2 と衝突してこれを励起し、Ｎ2 ラジカル、Ｎ2 イオン等のＮ活性種を生成する。これらＮ活性種は先に生成したＴａと反応し、これを窒化してＴａ2 Ｎからなる金属窒化物膜５を形成する。
２Ｔａ＋１／２Ｎ2 * →Ｔａ2 Ｎ
【００３９】
本実施例においても、プラズマ処理室２０内での電子密度はプラズマ生成室１０内での電子密度より低く、プラズマ処理室内でのＮ2 の励起状態が弱い。したがって、Ｔａの過剰な窒化は抑制され、金属リッチで低臭素含有量の低抵抗Ｔａ2 Ｎからなる金属窒化物膜５が形成される。金属窒化物膜５の厚さは、層間絶縁膜３上の平坦部分で７０ｎｍとする。金属窒化物膜５は、ステージ側コイル２３により入射粒子の垂直入射成分が高められることにより、接続孔４底部のボトムカバレッジにも優れたものであった。
この後の工程は前実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００４０】
〔実施例３〕
本実施例は、マイクロ波励起プラズマＣＶＤ装置により、金属窒化物膜としてのＷ2 Ｎをコンタクトプラグのバリアメタルとして形成した例である。
被処理基体の構成は前実施例１と同様であるので、重複する説明は省略し、本実施例の特徴部分を説明するに留める。
【００４１】
図５は本実施例で採用したマイクロ波励起プラズマＣＶＤ装置の概略断面図である。このプラズマＣＶＤ装置は、磁場との相互作用によるＥＣＲモードを使用しない以外は前実施例１で採用したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置と類似した構造を有する。すなわち、プラズマ生成室１０は、石英やアルミナ等の誘電体材料から構成されたベルジャと、マグネトロン１６で生成したマイクロ波を導波管１１を経由して導入するマイクロ波導入部と、Ｈ2 ／Ａｒ混合ガスを導入する第１のノズル１５から構成されている。このＨ2 ／Ａｒ混合ガスは、２．４５ＧＨｚのマイクロ波により励起されて、比較的高電子密度のプラズマを生成する。
一方のプラズマ処理室２０の構成は図２に示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置に準じたものであり、説明を省略する。
【００４２】
図２（ａ）に示す被処理基体をステージ２１上にセッティングし、金属窒化物膜５を形成する。
【００４３】
Ｈ2 ／Ａｒ混合ガスプラズマ生成条件
Ｈ2 １００〜３００ ｓｃｃｍ
Ａｒ １００〜２００ ｓｃｃｍ
圧力 １〜１０ ｍＴｏｒｒ
μ波パワー １〜３ ｋＷ
この混合ガス導入により、プラズマ生成室１０内に生成したプラズマ中では、Ｈ2 と電子との衝突により、Ｈ2 はＨ原子に解離し、さらにＨ活性種となる。プラズマ中のこれらＨ活性種および電子は、プラズマ流に沿ってプラズマ処理室２０に引き出される。
【００４４】
つぎにプラズマ処理室２０にＷＦ6 とＮ2 の混合ガスを導入する。
ＷＦ6 ２〜１０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ５〜２０ ｓｃｃｍ
温度 ２００〜４００ ℃
温度は被処理基体の温度である。プラズマ生成室１０から引き出された水素活性種によりＷＦ6 が還元され、まずＷが生成される。この還元反応、および生成されたＷの窒化反応は前実施例１に準じるものである。したがって、本実施例によってもＷの過剰な窒化は抑制され、金属リッチで低フッ素含有量の低抵抗Ｗ2 Ｎからなる金属窒化物膜５が形成される。金属窒化物膜５の厚さは、層間絶縁膜３上の平坦部分で７０ｎｍとする。金属窒化物膜５は、ステージ側コイル２３により入射粒子の垂直入射成分が高められることにより、接続孔４底部のボトムカバレッジにも優れたものであった。
この後の工程は前実施例１に準拠したものであり、重複する説明は省略する。
【００４５】
以上本発明を３例の実施例により説明したが、金属ハロゲン化物としてＷＦ6 やＴａＢｒ5 の他にＷＣｌ6 ，ＭｏＦ6 ，ＭｏＣｌ5 等の比較的蒸気圧が高く気化しやすい化合物を採用できる。また還元性ガスとしてＨ2 の他にＳｉＨ4 であってもよい。この場合には、金属の珪窒化物ＷＳｉＮ，ＴａＳｉＮあるいはＭｏＳｉＮ等を形成することができる。
【００４６】
本発明はまた比較的低温度で金属窒化物膜を形成することができる。したがって、特に金属窒化物膜の形成温度を２５０℃程度以下に制御すれば、低誘電率の有機高分子材料を層間絶縁膜とし、ここに開口した接続孔に金属窒化物膜を形成する場合にも好適に実施することができる。かかる有機高分子材料としては、ポリアリールエーテル、ポリイミド、有機ＳＯＧ、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン、ポリパラキシリレン、テフロン（商標名）、サイトップ（商標名）等が例示される。これらはいずれも高集積度の電子装置の絶縁膜として望ましい低誘電率材料である。
【００４７】
本発明の金属窒化物膜の形成方法は、高集積度の半導体装置のコンタクトプラグ等に好適に用いられるが、前述したように低抵抗、かつ拡散による経時変化の少ない電極配線が望まれる、薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果型ヘッド、薄膜インダクタ、薄膜コイル、マイクロマシン等の各種電子装置の製造方法に適用して効果を奏する。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の金属窒化物膜の形成方法によれば、過剰な窒化が抑制された低抵抗、かつバリア性に優れた金属窒化物膜を制御性よく形成することができる。
【００４９】
また本発明の電子装置の製造方法によれば、Ｃｕ等拡散しやすい導電材料の拡散を効果的に防止し、しかも低抵抗の電極配線を有する高集積度半導体装置等の電子装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した電子装置の一例である、半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図２】本発明の金属窒化物膜の形成方法を適用した電子装置の一例である、半導体装置の要部の製造工程を示す概略断面図である。
【図３】本発明の金属窒化物膜の形成方法の反応過程および装置構成を示す概略説明図である。
【図４】本発明の他の金属窒化物膜の形成方法の反応過程および装置構成を示す概略説明図である。
【図５】本発明のさらに他の金属窒化物膜の形成方法の反応過程および装置構成を示す概略説明図である。
【図６】従来の金属窒化物膜の形成方法における、Ｎ2 流量と組成比、比抵抗の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…不純物拡散層、３…層間絶縁膜、４…接続孔、５…金属窒化物膜、６…導電材料、７…コンタクトプラグ、８…上層配線
１０…プラズマ生成室、１１…導波管、１２…マイクロ波導入窓、１３…ＲＦ電源、１４…ソレノイドコイル、１６…マグネトロン
２０…プラズマ処理室、２１…ステージ、２２…被処理基体、２３…ステージ側コイル
Claims (4)
- 還元性ガスおよび希ガスを導入する第１のガスノズルと、マイクロ波を導入する導波管とを有するプラズマ生成室と、
該プラズマ生成室に連接され、第２のガスノズルおよび被処理基体がプラズマ生成室に対向する位置にセッティングされるステージを有し、該ステージの裏面にステージ側コイルが配設されたプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用い、
金属ハロゲン化物ガス、窒化剤ガス、還元性ガスおよび希ガスを必須構成要素とする原料ガスにより、被処理基体上に金属窒化物膜を形成する金属窒化物膜の形成方法であって、
前記原料ガスのうち、前記還元性ガスおよび希ガスを前記第１のガスノズルによりプラズマ生成室に導入し、前記マイクロ波によって前記還元性ガスがプラズマ化されるとともに、
前記原料ガスのうち、前記金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスを前記第２のガスノズルによりプラズマ処理室に導入し、ステージ側コイルにより入射粒子の垂直方向成分を高めて被処理基体上に金属窒化物膜を生成することを特徴とする金属窒化物膜の形成方法。 - 前記プラズマ生成室におけるプラズマの電子密度は、１×１０10ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１記載の金属窒化物膜の形成方法。
- 還元性ガスおよび希ガスを導入する第１のガスノズルと、マイクロ波を導入する導波管とを有するプラズマ生成室と、
該プラズマ生成室に連接され、第２のガスノズルおよび被処理基体がプラズマ生成室に対向する位置にセッティングされるステージを有し、該ステージの裏面にステージ側コイルが配設されたプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用い、
金属ハロゲン化物ガス、窒化剤ガス、還元性ガスおよび希ガスを必須構成要素とする原料ガスにより、被処理基体上に金属窒化物膜を形成する工程を有する電子装置の製造方法であって、
前記原料ガスのうち、前記還元性ガスおよび希ガスを前記第１のガスノズルによりプラズマ生成室に導入し、前記マイクロ波によって前記還元性ガスがプラズマ化されるとともに、前記原料ガスのうち、前記金属ハロゲン化物ガスおよび窒化剤ガスを前記第２のガスノズルによりプラズマ処理室に導入され、ステージ側コイルにより入射粒子の垂直方向成分を高めて被処理基体上に金属窒化物膜を生成することを特徴とする電子装置の製造方法。 - 前記プラズマ生成室におけるプラズマの電子密度は、１×１０10ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項３記載の電子装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28927898A JP3945043B2 (ja) | 1998-10-12 | 1998-10-12 | 金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28927898A JP3945043B2 (ja) | 1998-10-12 | 1998-10-12 | 金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000124154A JP2000124154A (ja) | 2000-04-28 |
| JP3945043B2 true JP3945043B2 (ja) | 2007-07-18 |
Family
ID=17741109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28927898A Expired - Fee Related JP3945043B2 (ja) | 1998-10-12 | 1998-10-12 | 金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3945043B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6720096B1 (en) | 1999-11-17 | 2004-04-13 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Dielectric element |
| JP2002151657A (ja) | 2000-11-08 | 2002-05-24 | Sanyo Electric Co Ltd | 誘電体素子およびその製造方法 |
| KR20020056260A (ko) | 2000-12-29 | 2002-07-10 | 박종섭 | 반도체 소자의 금속 게이트 형성방법 |
| US6743700B2 (en) * | 2001-06-01 | 2004-06-01 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor film, semiconductor device and method of their production |
| KR101411423B1 (ko) * | 2012-06-15 | 2014-06-25 | 주식회사 티지오테크 | 금속 할로겐 가스 및 질화 가스가 단일유입관으로 공급되는 배치식 박막 형성 장치 |
| JP7348672B2 (ja) * | 2021-12-03 | 2023-09-21 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理方法及びプラズマ処理システム |
-
1998
- 1998-10-12 JP JP28927898A patent/JP3945043B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000124154A (ja) | 2000-04-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI333234B (en) | Integration of ald/cvd barriers with porous low k materials | |
| JP5702154B2 (ja) | 滑らかで凝集しないＣｕシード層を用いた気泡の存在しない凹部のＣｕ充填体 | |
| TW589405B (en) | Plasma treatment for copper oxide reduction | |
| TW436965B (en) | Plasma treatment for ex-situ contact fill | |
| KR102036245B1 (ko) | 구리 배리어 적용들을 위한 도핑된 탄탈룸 질화물 | |
| KR102189781B1 (ko) | 망간 및 망간 니트라이드들의 증착 방법들 | |
| US5569961A (en) | Semiconductor device having a multi-layer metallization structure | |
| JPH03202471A (ja) | 堆積膜形成法 | |
| US20090050902A1 (en) | Semiconductor device having silicon carbide and conductive pathway interface | |
| JP2004247725A (ja) | シリコンカーバイド膜を形成する方法 | |
| US20050009320A1 (en) | Method of forming silicon carbide films | |
| JPH11217672A (ja) | 金属窒化物膜の化学的気相成長方法およびこれを用いた電子装置の製造方法 | |
| JP2005528776A (ja) | バリア層とシード層の一体化 | |
| JP2023182638A (ja) | 銅配線のためのシード層 | |
| TW498456B (en) | A method of improving the adhesion of copper | |
| JP3945043B2 (ja) | 金属窒化物膜の形成方法および電子装置の製造方法 | |
| KR20010114052A (ko) | 반도체 소자의 금속 배선 형성방법 | |
| US6670266B2 (en) | Multilayered diffusion barrier structure for improving adhesion property | |
| TWI609095B (zh) | 用於氮化錳整合之方法 | |
| JPH09246212A (ja) | バリア層の形成方法、およびこれにより形成されたバリア層を有する半導体装置 | |
| JP4032487B2 (ja) | 金属窒化物膜の化学的気相成長方法およびこれを用いた電子装置の製造方法 | |
| JPH11217671A (ja) | 金属膜の化学的気相成長方法およびこれを用いた電子装置の製造方法 | |
| JP2945886B2 (ja) | 半導体集積回路装置用配線構造の製造法 | |
| JPH10321606A (ja) | 配線形成方法 | |
| JPH07130735A (ja) | 積層配線構造体及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20050404 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050617 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061201 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061226 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070222 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070320 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070402 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |