(57)【要約】【課題】下地との密着性が高くて膜剥がれの発生を抑制でき、しかも、微細化が進んでもステップカバレジを十分に高くすることができ、更には合金種の元素を十分に拡散させることができる薄膜の積層構造の形成方法を提供する。【解決手段】真空引き可能になされた処理容器４内で被処理体の表面に複数の薄膜を堆積して薄膜の積層構造を形成する方法において、合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第１の金属よりなる合金種膜１０４を形成する合金種膜形成工程と、前記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第２の金属よりなる母材膜１０６を前記合金種膜よりも厚く形成する母材膜形成工程とを、それぞれ１回以上交互に行うようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空引き可能になされた処理容器内で被処理体の表面に複数の薄膜を堆積して薄膜の積層構造を形成する方法において、
合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第１の金属よりなる合金種膜を形成する合金種膜形成工程と、前記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第２の金属よりなる母材膜を前記合金種膜よりも厚く形成する母材膜形成工程とを、それぞれ１回以上交互に行うようにしたことを特徴とする薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項２】
前記合金種膜形成工程では、前記第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを交互に異なるタイミングで間欠的に前記処理容器内へ供給して成膜を行う間欠成膜法と、第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを同時に前記処理容器内へ供給して連続して成膜を行う連続成膜法との内のいずれか一方の成膜法を行うことを特徴とする請求項１記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項３】
前記母材膜形成工程では、前記第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを交互に異なるタイミングで間欠的に前記処理容器内へ供給して成膜を行う間欠成膜法と、第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを同時に前記処理容器内へ供給して連続して成膜を行う連続成膜法との内のいずれか一方の成膜法を行うことを特徴とする請求項１記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項４】
前記合金種膜形成工程と前記母材膜形成工程とをそれぞれ１回以上交互に行った後に、前記被処理体を所定の温度に加熱するアニール工程を行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項５】
前記合金種膜形成工程と前記母材膜形成工程とを同一の処理容器内で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項６】
前記合金種膜形成工程と前記母材膜形成工程とを交互に異なる処理容器内で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項７】
前記合金種膜の１層の厚さは、１〜２００Åの範囲内であり、前記母材膜の１層の厚さは５〜５００Åの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項８】
前記第１の金属は、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｖ、Ｍｎよりなる群から選択される１つの金属であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項９】
前記第２の金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗよりなる群から選択される１つの金属であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項１０】
前記還元ガスは、Ｈ２ 、ＮＨ３ 、Ｎ２ 、Ｎ２ Ｈ４ ［ヒドラジン］、ＮＨ（ＣＨ３ ）２ ［エチルアミン］、Ｎ２ Ｈ３ ＣＨ［メチルジアゼン］、Ｎ２ Ｈ３ ＣＨ３ ［メチルヒドラジン］よりなる群より選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の薄膜の積層構造の形成方法。
【請求項１１】
被処理体の表面に形成された薄膜の積層構造において、
合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて形成された第１の金属より成る合金種膜と、前記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて前記合金種膜よりも厚く形成された第２の金属よりなる母材膜とを、それぞれ１層以上交互に積層するように構成したことを特徴とする薄膜の積層構造。
【請求項１２】
前記合金種膜の１層の厚さは、１〜２００Åの範囲内であり、前記母材膜の１層の厚さは５〜５００Åの範囲内であることを特徴とする請求項１１記載の薄膜の積層構造。
【請求項１３】
被処理体の表面に薄膜を堆積させる成膜装置において、
真空引き可能になされた処理容器と、
前記被処理体を載置する載置台と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内にガスを導入するガス導入手段と、
前記ガス導入手段へ合金種としての第１の金属を含む原料ガスを供給する第１の原料ガス供給手段と、
前記ガス導入手段へ母材としての第２の金属を含む原料ガスを供給する第２の原料ガス供給手段と、
前記ガス導入手段へ還元ガスを供給する還元ガス供給手段と、
装置全体を動作させて、前記第１の金属より成る合金種膜と前記第２の金属よりなる母材膜とをそれぞれ１層以上交互に形成するように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項１４】
前記処理容器内へプラズマを立てるためのプラズマ形成手段が設けられることを特徴とする請求項１３記載の成膜装置。
【請求項１５】
真空引き可能になされた処理容器内で被処理体の表面に複数の薄膜を堆積して薄膜の積層構造を形成するに際して、
合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第１の金属よりなる合金種膜を形成する合金種膜形成工程と、前記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第２の金属よりなる母材膜を前記合金種膜よりも厚く形成する母材膜形成工程とを、それぞれ１回以上交互に行うように成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面に形成される薄膜の積層構造、その形成方法、この方法を実施する成膜装置及びこの成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＣやＬＳＩ等の半導体集積回路を製造するには、半導体ウエハ等の被処理体に対して成膜処理、エッチング処理、酸化拡散処理、アニール処理、改質処理等を繰り返し行うようになっている。そして、最近にあっては、高集積化、高微細化及び動作速度の更なる高速化等が求められていることから、配線層等に関してもより薄膜化及び線幅の微細化が推進されている。このような状況下で、従来のアルミニウムによる配線に代えて、より電気抵抗が少ない銅による配線が提案されている（例えば特許文献１）。この銅膜により配線等を形成するには、一般的には、スパッタ装置を用いてウエハ表面等に銅膜を形成し、そして、この銅膜の不要な部分を削り取るなどして所望の配線パターンを形成するようになっている。
ところで、銅配線は従来のアルミニウム配線とは異なって、他の材料、例えばシリコン等との境界部分において非常に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を引き起こし易く、このために下地との密着性が低下して膜剥がれが発生し易くなっている。特に微細化が進むに従って、この密着性の低下が無視し得ない状況になっている。
【０００３】
そこで、上記マイグレーションを低減させるために、銅膜中に合金種として他の金属、例えばＴｉやＡｌ等を僅かに、例えば１％程度添加することにより形成される銅合金で配線パターンを作ることも提案されている。この場合には、Ｔｉ等の合金種が所望する濃度、例えば数％程度で予め添加された銅合金製のターゲットを作り、このターゲットを用いて例えばプラズマスパッタ処理により、銅合金よりなる薄膜をウエハ表面に形成するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−７７３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のように銅合金膜はスパッタ処理により形成されるが、このスパッタ処理による成膜では、特に線幅等がより微細化した今日の設計ルールに対しては、ステップカバレジが要求を満たすことが困難になり、ウエハ表面の凹部等を十分に埋め込むことができない、といった問題があった。
また堆積される銅合金膜においては、所望の部位例えば下地層との境界部分に、他の部分よりも合金種の濃度を上げた状態で成膜を行いたい場合があっても、銅合金膜中の合金種の濃度は予め製造されている金属ターゲット中の合金種の濃度により規定され、しかも、スパッタ成膜中において合金種の濃度を変更することができないので、銅合金膜中における合金種の濃度を、特定の部位だけ例えば高くする、というような濃度制御を行うことができなかった。このため、マイグレーションを十分に抑制することができないことから、密着性が十分に得られず、膜剥がれの発生を阻止できない場合もあった。
【０００６】
そこで、スパッタ処理ではなく、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって上記銅合金膜を形成することも考えられるが、この場合には、一度に一種の金属膜しか成膜することができず、単にＣＶＤ法を採用しただけでは合金種の金属原子を膜中全体に均一に混入、或いは分散させることができない、といった問題があった。
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、下地との密着性が高くて膜剥がれの発生を抑制でき、しかも、微細化が進んでもステップカバレジを十分に高くすることができ、更には合金種の元素を十分に拡散させることができる薄膜の積層構造、その形成方法、成膜装置及び記憶媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内で被処理体の表面に複数の薄膜を堆積して薄膜の積層構造を形成する方法において、合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第１の金属よりなる合金種膜を形成する合金種膜形成工程と、前記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第２の金属よりなる母材膜を前記合金種膜よりも厚く形成する母材膜形成工程とを、それぞれ１回以上交互に行うようにしたことを特徴とする薄膜の積層構造の形成方法である。
【０００８】
このように、合金種である第１の金属よりなる合金種膜を形成する合金種膜形成工程と、第２の金属よりなる母材膜を形成する母材膜形成工程とをそれぞれ１回以上交互に行うようにして合金層を形成するようにしたので、下地との密着性が高くて膜剥がれの発生を抑制でき、しかも、微細化が進んでもステップカバレジを十分に高くすることができ、更には合金種の元素を十分に拡散させることができる。
【０００９】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記合金種膜形成工程では、前記第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを交互に異なるタイミングで間欠的に前記処理容器内へ供給して成膜を行う間欠成膜法と、第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを同時に前記処理容器内へ供給して連続して成膜を行う連続成膜法との内のいずれか一方の成膜法を行う。
また例えば請求項３に規定するように、前記母材膜形成工程では、前記第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを交互に異なるタイミングで間欠的に前記処理容器内へ供給して成膜を行う間欠成膜法と、第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを同時に前記処理容器内へ供給して連続して成膜を行う連続成膜法との内のいずれか一方の成膜法を行う。
また例えば請求項４に規定するように、前記合金種膜形成工程と前記母材膜形成工程とをそれぞれ１回以上交互に行った後に、前記被処理体を所定の温度に加熱するアニール工程を行う。
【００１０】
また例えば請求項５に規定するように、前記合金種膜形成工程と前記母材膜形成工程とを同一の処理容器内で行う。
また例えば請求項６に規定するように、前記合金種膜形成工程と前記母材膜形成工程とを交互に異なる処理容器内で行う。
また例えば請求項７に規定するように、前記合金種膜の１層の厚さは、１〜２００Åの範囲内であり、前記母材膜の１層の厚さは５〜５００Åの範囲内である。
また例えば請求項８に規定するように、前記第１の金属は、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｖ、Ｍｎよりなる群から選択される１つの金属である。
【００１１】
また例えば請求項９に規定するように、前記第２の金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗよりなる群から選択される１つの金属である。
また例えば請求項１０に規定するように、前記還元ガスは、Ｈ２ 、ＮＨ３ 、Ｎ２ 、Ｎ２ Ｈ４ ［ヒドラジン］、ＮＨ（ＣＨ３ ）２ ［エチルアミン］、Ｎ２ Ｈ３ ＣＨ［メチルジアゼン］、Ｎ２ Ｈ３ ＣＨ３ ［メチルヒドラジン］よりなる群より選択される１以上のガスである。
【００１２】
請求項１１に係る発明は、被処理体の表面に形成された薄膜の積層構造において、合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて形成された第１の金属より成る合金種膜と、前記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて前記合金種膜よりも厚く形成された第２の金属よりなる母材膜とを、それぞれ１層以上交互に積層するように構成したことを特徴とする薄膜の積層構造である。
この場合、例えば請求項１２に規定するように、前記合金種膜の１層の厚さは、１〜２００Åの範囲内であり、前記母材膜の１層の厚さは５〜５００Åの範囲内である。
【００１３】
請求項１３に係る発明は、被処理体の表面に薄膜を堆積させる成膜装置において、真空引き可能になされた処理容器と、前記被処理体を載置する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内にガスを導入するガス導入手段と、前記ガス導入手段へ合金種としての第１の金属を含む原料ガスを供給する第１の原料ガス供給手段と、前記ガス導入手段へ母材としての第２の金属を含む原料ガスを供給する第２の原料ガス供給手段と、前記ガス導入手段へ還元ガスを供給する還元ガス供給手段と、装置全体を動作させて、前記第１の金属より成る合金種膜と前記第２の金属よりなる母材膜とをそれぞれ１層以上交互に形成するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
この場合、例えば請求項１４に規定するように、前記処理容器内へプラズマを立てるためのプラズマ形成手段が設けられる。
【００１４】
請求項１５に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内で被処理体の表面に複数の薄膜を堆積して薄膜の積層構造を形成するに際して、合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第１の金属よりなる合金種膜を形成する合金種膜形成工程と、前記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第２の金属よりなる母材膜を前記合金種膜よりも厚く形成する母材膜形成工程とを、それぞれ１回以上交互に行うように成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る薄膜の積層構造、その形成方法、成膜装置及び記憶媒体によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
合金種である第１の金属よりなる合金種膜を形成する合金種膜形成工程と、第２の金属よりなる母材膜を形成する母材膜形成工程とをそれぞれ１回以上交互に行うようにして合金層を形成するようにしたので、下地との密着性が高くて膜剥がれの発生を抑制でき、しかも、微細化が進んでもステップカバレジを十分に高くすることができ、更には合金種の元素を十分に拡散させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る薄膜の積層構造、その形成方法、成膜装置及び記憶媒体の一実施例について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る成膜装置の一例を示す概略構成図である。
まず本発明の成膜装置について説明すると、この成膜装置２は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器４は、接地されると共に、その底部に排気口６が形成されている。この排気口６には、途中に圧力制御弁８及び真空ポンプ１０が介設された真空排気系１２が接続されており、上記処理容器４内を真空引きして任意の圧力に設定できるようになっている。
【００１７】
また上記処理容器４の側壁には、この内部へ被処理体である半導体ウエハ１４を搬出入する時に開閉されるゲートバルブ１６が設けられている。またこの処理容器４内には、その底部より起立させて下部電極と兼用される載置台１８が設けられており、この載置台１８の上面には、例えば薄い静電チャック２０が設けられる。そして、静電チャック２０上にウエハ１４を静電力により吸着保持すると共に、この静電チャック２０に高周波に対する導電性を持たせてこれを下部電極としている。また、この載置台１８の内部には、上記ウエハＷを所定の温度に加熱するための例えば加熱ヒータよりなる加熱手段２２が設けられている。尚、加熱手段２２として加熱ヒータに代えて加熱ランプを用いるようにしてもよい。
【００１８】
また、この処理容器４の天井部には、この容器内へ所定の必要とするガスを導入するためのガス導入手段として、例えばシャワーヘッド２４が絶縁部材２６を介して設けられている。そして、このシャワーヘッド２４の下面には、多数のガス噴射口２４Ａが設けられると共に、上部にはガス導入口２４Ｂが設けられており、上記ガス噴射口２４Ａから必要なガスを容器内へ噴射できるようになっている。尚、上記ガス導入口２４Ｂは、便宜上、代表して１つしか記載していないが、実際には、供給するガス種に対応して複数別個に設けられ、供給される各種ガスがシャワーヘッド２４内で互いに混合してもよい場合には、シャワーヘッド２４内で混合され、混合してはいけない場合には、シャワーヘッド２４内は分離された状態で流れて、ガス噴射２４Ａから噴射された後に混合されることになる。
【００１９】
そして、このシャワーヘッド２４にはプラズマ形成手段３０が接続されており、この下方に対向配置される載置台１８の下部電極に対する上部電極として兼用される。具体的には、このプラズマ形成手段３０は、給電線３６にマッチング回路３２及び高周波電源３４を順次介設してなり、この給電線３６を上記シャワーヘッド２４に接続して、高周波により処理容器４内にプラズマを立て得るようになっている。ここで高周波電源３４としては、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を用いることができるが、この周波数は特に限定されない。
【００２０】
そして、上記シャワーヘッド２４には、合金種としての第１の金属を含む原料ガスを供給する第１の原料ガス供給手段４０と、母材としての第２の金属を含む原料ガスを供給する第２の原料ガス供給手段４２と、還元ガスを供給する還元ガス供給手段４４とが、それぞれ接続されている。ここでは上記両原料ガスは常温常圧で液体、或いは固体である原料を気化させることによってそれぞれの原料ガスを形成しているが、原料ガスの発生方法は特に限定されず、ガスボンベより直接、原料ガスを流すようにしてもよい。
【００２１】
まず、第１の原料ガス供給手段４０は、合金種となる第１の金属を含む液体原料４６を貯留する原料タンク４８を有している。ここでは第１の金属としてＴｉ（チタン）を用い、この液体原料４６としてＴｉＣｌ４ （四塩化チタン）を用いている。そして、この原料タンク４８と上記シャワーヘッド２４のガス導入口２４Ｂとの間に原料流路４９を設け、この原料流路４９にその上流側から下流に向けて液体流量制御器５０及び気化器５２を順次介設しており、流量制御しつつ上記液体原料４６を供給するようになっている。この場合、上記原料タンク４８には、必要に応じて加圧された不活性ガス、例えばＡｒガスを供給する圧送ガス路５６が接続されており、この加圧されたＡｒガスにより原料タンク４８内の液体原料４６を圧送するようになっている。また上記原料流路４９の途中には、必要に応じて原料の流れを停止するための複数の開閉弁５４が介設されている。
【００２２】
そして、上記気化器５２には、途中にマスフローコントローラのような流量制御器５８及び開閉弁６０を介設したキャリアガス路６２が接続されており、キャリアガスとして不活性ガス、例えばＡｒガスを気化器５２へ必要に応じて供給するようになっている。従って、気化器５２で気化された原料ガスはキャリアガスと共に原料流路４９を流れてシャワーヘッド２４へ供給されることになる。尚、上記気化器５２よりも下流側の原料流路４９には、原料ガスの再液化防止のためのテープヒータを巻回するのが好ましい。
【００２３】
また、第２の原料ガス供給手段４２は、母材となる第２の金属を含む固体原料６４を貯留する原料タンク６６を有している。ここでは第２の金属としてＣｕ（銅）を用い、この固体原料６４としてＣｕ（ｈｆａｃ）２ を用いている。また固体原料６４を昇華するために原料タンク６６はヒータ等により加熱されている。そして、この原料タンク６６と上記シャワーヘッド２４のガス導入口２４Ｂとの間に原料流路６８を設け、この原料流路６８に流量制御器７０を介設しており、流量制御しつつ上記固体原料６４を供給するようになっている。この場合、上記原料流路６８には、キャリアガスとして不活性ガス、例えばＡｒガスを供給するガス路７４が接続されており、このＡｒガスにより原料タンク６６内の固体原料６４を昇華しつつシャワーヘッド２４へ供給するようになっている。また上記原料流路６８の途中には、必要に応じて原料の流れを停止するための複数の開閉弁７６が介設されている。尚、上記原料タンク６６よりも下流側の原料流路６８には、原料ガスの液化防止のためのテープヒータを巻回するのが好ましい。
【００２４】
また上記還元ガス供給手段４４は、上記シャワーヘッド２４のガス導入口２４Ｂに接続された還元ガス路８４を有しており、この還元ガス路８４にマスフローコントローラのような流量制御器８６及び開閉弁８８を介設して還元ガスとして、例えばＨ２ ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。そして、この還元ガス路８４は途中で分岐されており、この分岐路に流量制御器９０及び開閉弁９２を介設して不活性ガス、例えばＡｒガスを必要に応じて供給できるようになっている。尚、必要ならば、他に不活性ガス、例えばＮ２ ガスを供給する手段も設けられるが、ここではその記載を省略する。
【００２５】
そして、この成膜装置全体の動作、すなわち処理容器４内の圧力制御、温度制御、各種ガスの流量及び供給・供給停止の制御等を行うために、例えばコンピュータ等よりなる制御手段９４が設けられており、この制御手段９４は上記制御を行うためのプログラムを記憶する、例えばフロッピディスクやフラッシュメモリのような記憶媒体９６を有している。
【００２６】
次に、以上のように構成された成膜装置２を用いて行われる成膜方法について図２〜図５も参照して説明する。
図２は本発明方法の流れを示す工程図、図３は薄膜の積層構造の一例を示す断面図であり、図４は各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャート、図５はウエハ表面のＴｉとＣｕの濃度プロファイルを示す図である。
まず、本発明方法では、合金種としての第１の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第１の金属よりなる合金種膜を形成する合金種膜形成工程と、上記第１の金属とは異なる母材としての第２の金属を含む原料ガスと還元ガスとを用いて第２の金属よりなる母材膜を上記合金種膜よりも厚く形成する母材膜形成工程とを、それぞれ前記順序で１回以上交互に行うようにしている。
【００２７】
具体的には、図２に示すように上記合金種膜形成工程を行うことにより第１の金属、ここではＴｉよりなる合金種膜を形成し（Ｓ１）、次に、上記母材膜形成工程を行うことにより、上記合金種膜上に母材膜を形成するようにしている（Ｓ２）。そして、上記各工程を、上記した順序で必要な回数、例えばｎ回（ｎ：１以上の任意の正数を設定）繰り返して行う（Ｓ３）。ここでは上記２つの工程が同一の処理容器（成膜装置）４内で行われる。
【００２８】
この結果、図３に示すように、半導体ウエハ１４上に積層構造の薄膜、すなわち合金層１００、１０２がそれぞれ形成されることになる。すなわち、図３において、ウエハ１４上に、Ｔｉ膜よりなる合金種膜１０４及びＣｕ膜よりなる母材膜１０６が、この順序で１回、或いはそれ以上の回数だけ繰り返し成膜される。図３（Ａ）の場合は、”ｎ＝１”の場合であり、各膜１０４、１０６はそれぞれ１層ずつ形成されている。図３（Ｂ）の場合は”ｎ＝３”の場合であり、各膜１０４、１０６はそれぞれ交互に３層ずつ形成されている。そして、母材膜１０６の一層の厚さｔ２は、合金種膜の一層の厚さｔ１よりも厚くなるように設定されており、Ｃｕ膜が合金の母材となるようにしている。ここで上記各膜が堆積される前の半導体ウエハ１４の表面（下地）は、種々の状態が考えられ、シリコンの場合もあるし、何らかのバリヤ層等が形成されている場合もあり、いずれにしても下地の状態は問わない。
【００２９】
ここで、各膜１０４、１０６は積層構造になっているが、実際の成膜時には、このウエハ１４はある程度の温度、例えば１００〜４００℃程度に加熱されており、このような温度下において、合金種膜１０４と母材膜１０６を形成する各金属の原子が相互に熱拡散することになる。従って、この２種類の金属膜の積層構造が、上記したように各金属の原子の熱拡散によって膜相互間に亘って移動して融合し、上述したように全体としてＣｕを母材とする合金層１００、１０２となる。この結果、このＣｕを母材とする合金中のＴｉ濃度は、当然のこととして合金種膜１０４の部分が一番高くて母材膜１０６の厚さ中心方向へ行くに従って、次第に低くなるプロファイル（分布）を描くことになる。
【００３０】
このようなＴｉ濃度の分布は、成膜時の温度にも依存するが、合金種膜１０４と母材膜１０６の各膜の厚さｔ１、ｔ２に大きく依存する。そして、この合金層１００、１０２の下地に対する密着性を十分に高めることができるような合金種濃度（Ｔｉ濃度）まで十分に熱拡散ができるように合金種膜１０４と母材膜１０６の各膜厚ｔ１、ｔ２はできるだけ薄い方がよく、例えば合金種膜１０４の厚さを１〜２００Åの範囲内、より好ましくは５〜５０Åの範囲内、母材膜１０６の膜厚ｔ２を５〜５００Åの範囲内にそれぞれ設定するのが好ましい。このように合金種膜１０４と母材膜１０６が薄い場合には、図２に示す場合とは異なり、まず母材膜１０６を形成し、次に上記母材膜１０６上に合金種膜１０４を形成するように積層の順序を逆にするようにしてもよい。
【００３１】
ここで上記各膜の成膜方法について説明する。
図１において、第１の金属であるＴｉの原料ガスを供給する時は、第１の原料ガス供給手段４０の原料タンク４８内から液体原料であるＴｉＣｌ４ を流量制御しつつ圧送し、これを気化器５２にて気化させることによりＴｉＣｌ４ の原料ガスを形成し、この原料ガスをキャリアガスと共に原料流路４９を介してシャワーヘッド２４へ供給し、そして、この原料ガスをキャリアガスと共にシャワーヘッド２４から処理容器４内へ導入する。
また、第２の金属であるＣｕの原料ガスを供給する時は、第２の原料ガス供給手段４２の原料タンク６６内から固体原料であるＣｕ（ｈｆａｃ）２ を気化して原料ガスを発生させてこの原料ガスをキャリアガスと共に流量制御しつつ原料流路６８内を圧送してシャワーヘッド２４へ供給し、そして、この原料ガスをキャリアガスと共にシャワーヘッド２４から処理容器４内へ導入する。
【００３２】
また還元ガスであるＨ２ ガスは還元ガス供給手段４４において、Ｈ２ ガスを流量制御しつつ還元ガス路８４に流して、これをシャワーヘッド２４から処理容器４内へ供給する。そして、成膜処理中においては真空排気系１２が連続的に駆動して処理容器４内が真空引きされて所定の圧力に維持され、また、載置台１８上のウエハ１４は、加熱手段２２により所定の温度に加熱維持される。更に、プラズマ形成手段３０により、上部電極であるシャワーヘッド２４と下部電極である載置台１８との間には、高周波電力が印加されて、必要に応じて処理容器４内にプラズマを発生して導入されたガスを活性化するようになっている。
【００３３】
図４（Ａ）は合金種膜形成工程において、合金種膜としてＴｉ膜を形成する際の各ガスの供給タイミングを示しており、ここでは原子レベルの厚さで１層毎にＴｉ膜を成膜する、いわゆるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を行っている。すなわち原料ガスであるＴｉＣｌ４ ガスと還元ガスであるＨ２ ガスとを交互に異なるタイミングで間欠的に供給して成膜を行う間欠成膜法を行っている。この場合、原料ガスの供給時期と還元ガスの供給時期との間に、処理容器４内の残留ガスを排除するためにパージを行っている。このパージの時には、全てのガスの供給を停止して真空引きだけを継続して行うようにしてもよいし、真空引きを継続して行いつつ原料ガスと還元ガスとの供給を停止して、不活性ガスの供給は行うようにしてもよい。
【００３４】
またここでは還元ガスであるＨ２ ガスを供給する時のみにプラズマを立てて（ＯＮにする）、Ｈ２ ガスを活性化しており、ウエハ温度が低くても反応を促進できるようになっている。この結果、原料ガスが供給された時にウエハ表面に付着していた原料ガスが、Ｈ２ ガスの導入により還元されて前述したような原子レベルの厚さのＴｉ膜が堆積することになる。図示例では２サイクルの成膜処理を行っており、必要な膜厚を得るまでこのサイクルを繰り返し行うことになり、一般的には１〜１０サイクル程度行う。この場合、１サイクルで形成される膜厚は１〜１０Å程度である。また例えばＴｉＣｌ４ ガスの１回の供給期間Ｔ１、Ｈ２ ガスの１回の供給期間Ｔ２及び１回のパージ期間Ｔ３は、それぞれ０．５〜５ｓｅｃ程度、０．５〜１０ｓｅｃ程度及び０．５〜１０ｓｅｃ程度である。またこの時のプロセス条件に関しては、プロセス温度が１００〜４００℃程度、プロセス圧力が１３．３〜１３３０Ｐａ（０．１〜１０Ｔｏｒｒ）程度である。
【００３５】
図４（Ｂ）は母材膜形成工程において、母材膜としてＣｕ膜を形成する際の各ガスの供給タイミングを示しており、ここでは原子レベルの厚さで１層毎にＣｕ膜を成膜する、いわゆるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を行っている。すなわち原料ガスであるＣｕ（ｈｆａｃ）２ ガスと還元ガスであるＨ２ ガスとを交互に異なるタイミングで間欠的に供給して成膜を行う間欠成膜法を行っている。この場合、原料ガスの供給時期と還元ガスの供給時期との間に、処理容器４内の残留ガスを排除するためにパージを行っている。このパージの時には、全てのガスの供給を停止して真空引きだけを継続して行うようにしてもよいし、真空引きを継続して行いつつ原料ガスと還元ガスとの供給を停止して、不活性ガスの供給は行うようにしてもよい。
【００３６】
またここでは還元ガスであるＨ２ ガスを供給する時のみにプラズマを立てて（ＯＮにする）、Ｈ２ ガスを活性化しており、ウエハ温度が低くても反応を促進できるようになっている。この結果、原料ガスが供給された時にウエハ表面に付着していた原料ガスが、Ｈ２ ガスの導入により還元されて前述したような原子レベルの厚さのＣｕ膜が堆積することになる。図示例では多数サイクルの成膜処理を行っており、必要な膜厚を得るまでこのサイクルを繰り返し行うことになり、一般的には数１０〜数１００サイクル程度行う。この場合、１サイクルで形成される膜厚は１〜２Å程度である。また例えばＣｕ（ｈｆａｃ）２ ガスの１回の供給期間Ｘ１、Ｈ２ ガスの１回の供給期間Ｘ２及び１回のパージ期間Ｘ３は、それぞれ０．５〜５ｓｅｃ程度、０．５〜１０ｓｅｃ程度及び０．５〜１０ｓｅｃ程度である。またこの時のプロセス条件に関しては、プロセス温度が１００〜４００℃程度、プロセス圧力が１３．３〜１３３０Ｐａ（０．１〜１０Ｔｏｒｒ）程度である。
【００３７】
そして、上述のような合金種膜形成工程と母材膜形成工程が、それぞれ１回、或いはそれぞれ３回交互に繰り返されると図３に示したような積層構造がそれぞれできあがる。そして、この成膜を行っている時に、ウエハ自体も１００〜４００℃程度に加熱されているので、前述したように金属原子の熱拡散が生じ、全体で合金化されて最終的に合金層１００、１０２（図３参照）が製造されることになる。ここで上記合金種膜１０４と母材膜１０６の各積層数は、１或いは３層に限定されず、必要な数だけ積層すればよいのは前述した通りである。
また合金種膜１０４及び母材膜１０６をそれぞれ図３（Ｂ）に示すように複数層形成する場合、同じ膜種でもその厚さを変えるようにしてもよい。例えば図３（Ｂ）中において、第１層目の母材膜１０６を３０Åの厚さで成膜し、第２層目の母材膜１０６をその３倍の９０Åの厚さで成膜するようにしてもよい。
【００３８】
ここで実際に前述したように成膜を行って、その評価を行ったので、その評価結果について説明する。
ここでは、シリコンウエハの表面に直接的に前述したような成膜を行った時のウエハと合金層との元素濃度をＸＰＳを用いて測定した。図５はその時のシリコンウエハの厚さ方向における各元素の濃度分布を示すグラフである。図５では横軸はスパッタ時間を示しており、スパッタによりウエハ表面が厚さ方向に少しずつ削られるのでその時の各元素の濃度が示されている。すなわちスパッタ時間が膜厚方向の寸法に対応している。ここではＳｉとＣｕとＴｉの各濃度を示しており、図から明らかなように、シリコンウエハとの境界部分はＴｉ濃度がかなり高くなっており、そして、膜厚が浅くなる方向へ十分にＴｉが熱拡散してある程度のＴｉ濃度になっているのが確認することができた。
【００３９】
この場合、上記したような薄膜の積層構造を製造した後、このウエハ全体を所定の温度に加熱するアニール工程を行うようにしてもよい。これによれば、Ｔｉ元素の拡散をより確実に行うことができる。
このように、合金層とウエハ表面との境界部分においてＴｉ濃度を局部的に高くすることができるので、下地であるウエハ表面との密着性を高めることができる。また、積層構造全体、すなわち合金層１００、１０２の全体に亘ってＴｉ元素を十分に熱拡散させて分布させることができる。
【００４０】
また、本発明方法は、従来方法のようなスパッタ成膜を用いないで、いわゆるＡＬＤ成膜で行うようにしたので、ステップカバレジを十分に高くすることができる。
また上記実施例では、いわゆる原料ガスと還元ガスとを交互に間欠的に供給して成膜を行う、いわゆるＡＬＤ成膜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、ＣＶＤ成膜によって成膜を行ってもよい。この場合、プラズマを用いたプラズマＣＶＤ成膜でもよく、またプラズマを用いない熱ＣＶＤ成膜で行ってもよい。このＣＶＤ成膜では、原料ガスと還元ガスとを同時に処理容器内へ供給して連続して成膜を行う連続成膜法となる。
【００４１】
図６はプラズマＣＶＤ成膜によって薄膜の積層構造を製造する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。図６（Ａ）は合金種膜形成工程のタイミングチャートを示し、図６（Ｂ）は母材膜形成工程のタイミングチャートを示す。図６から明らかなように、原料ガスと還元ガスとを同時に供給し、更にこれに同期させてプラズマを立てており、プラズマＣＶＤによりＴｉ膜とＣｕ膜とをそれぞれ形成するようになっている。尚、Ｃｕ膜の方が厚くなるので、図６（Ｂ）の成膜時間は図６（Ａ）のＴｉ膜の場合と比較して長くなっており、例えば合金種膜形成工程は１０〜２０ｓｅｃ程度行い、母材膜形成工程は２００〜２０００ｓｅｃ程度行う。この場合には、ＣＶＤ成膜を用いているので、成膜レートが高くなって、その分、スループットを向上できるのみならず、埋め込み特性も向上してステップカバレジを一層向上させることができる。
【００４２】
また上記したＡＬＤ成膜とＣＶＤ成膜とを組み合わせて薄膜の積層構造を形成するようにしてもよい。例えば合金種膜形成工程はＡＬＤ成膜を行い、母材膜形成工程はＣＶＤ成膜で行ったりするようにしてもよい。
また上記合金種膜形成工程と母材膜形成工程とを同一の処理容器、すなわち同一の成膜装置内で行うようにしたが、これに限定されず、いわゆる複数の成膜装置を例えばクラスタツールのように結合して、複数の成膜装置間でウエハを大気に晒すことなく搬送できるようにし、そして、合金種膜形成工程と母材膜形成工程とをそれぞれ互いに異なる専用の成膜装置で行うようにしてもよい。
【００４３】
上記実施例では、Ｔｉ金属を含む原料としてＴｉＣｌ４ を用いたが、これに限定されず、ＴｉＦ４ （四フッ化チタン）、ＴｉＢｒ４ （四臭化チタン）、ＴｉＩ４ （四ヨウ化チタン）、Ｔｉ［Ｎ（Ｃ２ Ｈ５ ＣＨ３ ］４ （ＴＥＭＡＴ）（テトラキスエチルメチルアミノチタニウム）、Ｔｉ［Ｎ（ＣＨ３ ）２ ］４ （ＴＤＭＡＴ）（テトラキスジメチルアミノチタニウム）、Ｔｉ［Ｎ（Ｃ２ Ｈ５ ）２ ］４ （ＴＤＥＡＴ）（テトラキスジエチルアミノチタニウム）等を用いることができる。
【００４４】
また本実施例では、合金種である第１の金属としてＴｉ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、例えばＴｉ、Ｓｎ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｖ、Ｍｎよりなる群から選択される１つの金属を用いることができる。
また本実施例では、母材である第２の金属としてＣｕ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、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗよりなる群から選択される１つの金属を用いることができる。
更に本実施例では還元ガスとしてＨ２ ガス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、使用する原料ガスに応じて例えばＨ２ 、ＮＨ３ 、Ｎ２ 、Ｎ２ Ｈ４ ［ヒドラジン］、ＮＨ（ＣＨ３ ）２ ［エチルアミン］、Ｎ２ Ｈ３ ＣＨ［メチルジアゼン］、Ｎ２ Ｈ３ ＣＨ３ ［メチルヒドラジン］よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。
また更に、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る成膜装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明方法の流れを示す工程図である。
【図３】薄膜の積層構造の一例を示す断面図である。
【図４】各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図５】ウエハ表面のＴｉとＣｕの濃度プロファイルを示す図である。
【図６】プラズマＣＶＤ成膜によって薄膜の積層構造を製造する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
２  成膜装置
４  処理容器
１２  真空排気系
１４  半導体ウエハ（被処理体）
１８  載置台
２２  加熱手段
２４  シャワーヘッド（ガス導入手段）
３０  プラズマ形成手段
３４  高周波電源
４０  第１の原料ガス供給手段
４２  第２の原料ガス供給手段
４４  還元ガス供給手段
４６  液体原料（第１の金属）
６４  液体原料（第２の金属）
９４  制御手段
９６  記憶媒体
１０４  合金種膜
１０６  母材膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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