(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層間に介在されるバリア層の形成方法であって、
処理対象物を一方の導電層を有するものとし、この処理対象物と、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ及びＭｏのうち少なくとも一種の金属元素からなるターゲットとを真空処理室内に配置し、当該真空処理室内に希ガスを導入してプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングして一方の導電層表面に第１金属層を形成する第１工程と、
前記真空処理室内に酸素ガス及び窒素ガスを含むガスを導入してプラズマ雰囲気を形成し、第１金属層の表面を酸窒化して第１酸窒化金属層を形成すると共に、前記ターゲットをもプラズマ雰囲気に曝して当該ターゲット表面を酸窒化する第２工程と、
前記真空処理室内への酸素ガス及び窒素ガスの導入を停止して希ガスを導入してプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットの酸窒化した表面をスパッタリングして前記第１酸窒化金属層表面に第２酸窒化金属層を形成すると共に、前記ターゲットをスパッタリングして前記第２酸窒化金属層表面に第２金属層を形成する第３工程と、を含み、
前記第３工程にて、スパッタリング開始当初のターゲットへの投入電力を所定時間小さくし、その後、投入電力を増加させることを特徴とするバリア層の形成方法。
【請求項２】
前記第２工程にて、前記ターゲットに１００〜１０００Ｗの電力を投入することを特徴とする請求項１記載のバリア層の形成方法。
【請求項３】
前記第２工程にて、第１金属層が形成された処理対象物に所定のバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１または請求項２記載のバリア層の形成方法。
【請求項４】
前記一方の導電層が銅であり、バリア層を形成した後に形成される他方の導電層がアルミニウムであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のバリア層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バリア層の形成方法に関し、より詳しくは、銅やアルミニウム等の配線層たる導電層間に介在されるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
超ＬＳＩ等、素子が高集積化される半導体デバイスの製作工程において、例えば、配線層を構成する導電層の相互拡散を防止するためにバリア（メタル）層を形成することが一般に知られている。例えば、アルミニウムからなるビアプラグ用のバリア層として、下層のチタン層、窒化チタン層及び上層のチタン層からなる３層構造のものを用いることが特許文献１で知られている。このようなバリア層は、抵抗値が低く、しかも、エレクトロマイグレーション耐性に優れた銅を配線層として用いる場合にも、広く利用されている。
【０００３】
ところで、近年の多層配線構造においては、例えばアルミニウムや銅からなる配線層を混在させたものがある。即ち、例えば、銅からなる第１の導電層表面にシリコン酸化物層等の絶縁膜層を形成し、当該絶縁膜層に、第１の導電層が露出するように貫通孔を形成する。そして、露出した第１の導電層を含む貫通孔の内面全体にバリア層を形成した後、アルミニウムからなる第２の導電層を埋め込む。しかし、このように異種金属からなる導電層間に介在されるバリア層として、上記特許文献１記載ものを適用した場合、十分なバリア性能を発揮しないことが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０ー９３１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑み、異種金属からなる導電層間に介在されるような場合でも十分なバリア性能を発揮し得るバリア層を生産性よく形成することができるバリア層の形成方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、導電層間に介在されるバリア層の形成方法であって、処理対象物を一方の導電層を有するものとし、この処理対象物と、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ及びＭｏのうち少なくとも一種の金属元素からなるターゲットとを真空処理室内に配置し、当該真空処理室内に希ガスを導入してプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングして一方の導電層表面に第１金属層を形成する第１工程と、前記真空処理室内に酸素ガス及び窒素ガスを含むガスを導入してプラズマ雰囲気を形成し、第１金属層の表面を酸窒化処理すると共に、前記ターゲットをもプラズマ雰囲気に曝して当該ターゲット表面を酸窒化する第２工程と、前記真空処理室内に希ガスを更に導入してプラズマ雰囲気を形成し、ターゲットをスパッタリングして、酸窒化処理された表面に第２金属層を形成する第３工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、バリア層は、第１〜第３の各工程を経て、チタン等の金属元素からなる第１金属層（下層）と、当該金属元素を含む酸窒化物層（中間層）と、当該金属元素からなる第２金属層（上層）とで構成される。ここで、中間層は、第２工程にて、酸素ガス及び窒素ガスを含むガスを導入したプラズマ雰囲気に曝すことで第１金属膜表面が改質されて形成される。このとき、ターゲットをも上記プラズマ雰囲気に曝すことでターゲット表面を酸窒化させておく。このような状態で、第３工程にて、第２金属層を形成するためにターゲットをスパッタリングすると、その当初、ターゲットから飛散するものに、上記金属元素の他、酸素や窒素が含まれていることで、第１金属膜表面が改質されてなる金属化合物層表面には、反応性スパッタリングの如く、上記金属元素と酸素及び窒素との金属化合物が付着、堆積するようになる。つまり、中間層が、酸窒化処理による金属化合物層と、酸窒化されたターゲットのスパッタリングによる金属化合物層との界面のある積層構造として形成される。そして、ターゲット表面の酸窒化物がスパッタリングにより除去されると、ターゲットから上記金属元素のみが付着、堆積して第２金属層が形成される。
【０００８】
上記の如く、中間層を、酸窒化処理による金属化合物層と、酸窒化されたターゲットのスパッタリングによる金属化合物層との積層構造として構成することで、当該バリア層を、アルミニウムや銅等の異種金属からなる導電層間に介在されるような場合でも十分なバリア性能を発揮することが確認された。その上、同一の真空処理室内において一貫して処理できるため、生産性もよい。しかも、膜のストレスが比較的強く、真空処理室内に配置される金属製防着板との密着性に欠ける金属化合物層が、ストレスが比較的弱く、真空処理室内に配置される金属製防着板との密着性の良い上記金属元素で挟み込まれるようになる。このため、金属化合物の防着板からの隔離に伴うパーティクル発生を防止すべく行われる防着板交換のサイクルを長くできる等、生産性も向上させることができる。
【０００９】
本発明においては、前記第２工程にて、真空処理室内でプラズマ雰囲気の形成する方法に応じて、処理対象物の加熱と別にまたは同時に、基板に所定のバイアス電圧を印加してもよい。
【００１０】
なお、本発明は、例えば、前記一方の導電層が銅であり、バリア層を形成した後に形成される他方の導電層がアルミニウムである場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態のバリア層の形成方法を実施する真空処理装置を模式的に示す図。
【図２】本発明の実施により得られた構造の一部を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、処理対象物Ｗを、シリコンウエハ表面に銅からなる一方の導電層ＣＬ１が形成され、この導電層ＣＬ１表面に絶縁層Ｉを所定の厚さで形成した後、この絶縁層Ｉ中に、導電層ＣＬ１に通じる微細な貫通孔Ｈが形成されたものとし、また、バリア層の形成に用いる金属元素をＴｉとし、貫通孔Ｈを含む絶縁膜Ｉの表面にアルミニウムからなる他方の導電層ＣＬ２を形成するのに先立って、当該貫通孔表面にバリア（メタル）層ＢＭを形成する場合を例に、本発明の実施形態のバリア層の形成方法を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態のバリア層の形成方法を実施し得る、スパッタリングによる成膜処理及び酸窒化処理兼用の真空処理装置Ｍを示す。真空処理装置Ｍは、真空処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部近傍の側壁には、図示省略の排気管を介して真空ポンプが接続され、所定圧力（例えば１０−５Ｐａ）まで真空引きできるようになっている。真空チャンバ１の上部には、カソードユニットが設けられている。カソードユニットは、スパッタ室１ａを臨むように配置され、基板Ｗの輪郭より一回り大きい輪郭（例えば、平面視で円形）のターゲット２を有する。
【００１４】
ターゲット２はＴｉ製のものであり、スパッタリングによる成膜中、当該ターゲット２を冷却するバッキングプレート３にインジウムやスズなどのボンディング材（図示せず）を介して接合されている。そして、バッキングプレート３にターゲット２を接合した状態で絶縁板４を介して真空チャンバ１の上部に、そのスパッタ面２１を、後述するステージで吸着された処理対象物Ｗに対向させて装着される。ターゲット２の周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たす図示省略のシールドが取付けられている。また、ターゲット２には、真空チャンバ１外に配置されるＤＣ電源や高周波電源等のスパッタ電源５からの出力が接続され、スパッタリングによる成膜時、負の電位を持った所定電力（例えば、１〜３０ｋＷ）が投入されるようになっている。
【００１５】
ターゲット２の後方（図１中、スパッタ面２１と背向する上側）には磁石ユニット６が設けられている。磁石ユニット６については特に限定はなく、ターゲット２の前方（図１中、スパッタ面２１の下側）に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束を形成してターゲット２の前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット２前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできるものであれば、その形態は問わない。
【００１６】
真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向した位置で処理対象物Ｗを保持するステージ７が絶縁材料７ａを介して設けられている。ステージ７の上面には、図示省略の静電チャックが設けられ、この静電チャックにより位置決めされた処理対象物Ｗが吸着されるようになっている。ステージ７には、例えば抵抗加熱式ヒータ等の加熱手段７１が内蔵されると共に、ヘリウムや冷却水等の冷媒を循環するための通路７２が形成され、ステージ７に吸着された基板を所定温度（例えば、２００℃）に保持できるようになっている。
【００１７】
ステージ７には高周波電源８からの出力が接続されている。そして、真空処理室１ａ内に所定のガスを導入した状態で、ターゲット２とステージ７とを対向配置される２枚の電極と見立て当該ステージ７に高周波電源からの所定電力を投入することで、容量結合方式で真空処理室１ａにプラズマ雰囲気を形成でき、処理対象物Ｗに対する酸窒化処理（第２工程）に利用される。高周波電源８としては、周波数が１３．５６ＭＨｚで、その出力が５０〜１ｋＷである既存のものが用いられる。なお、酸窒化処理のため真空処理室１ａにプラズマ雰囲気を形成する手段は上記に限定されるものではなく、例えば、真空チャンバ１の周囲に高周波アンテナを配置し、この高周波アンテナに交番電流を供給することにより、誘導結合式でプラズマ雰囲気を形成するものであってもよい。他方、高周波電源８は、スパッタリングによる成膜中や酸窒化処理の際に誘導結合式でプラズマ雰囲気を形成した場合に、基板Ｗに高周波バイアス電圧を印加する役割を果たすようにしてもよい。
【００１８】
ターゲット２のスパッタ面２１とステージ７に配置される基板Ｗとの間の距離（以下、「Ｔ−Ｓ間距離」という）は、基板Ｗに対して酸窒化する際に、ターゲット２表面も酸窒化されるように、例えば、４０〜７０ｍｍの範囲に設定される。
【００１９】
真空チャンバ１の側壁には、ステンレス等の金属製である上下一対の防着板９ｕ、９ｄが設けられ、スパッタリングによる成膜中、真空チャンバ１の内壁面等へのスパッタ粒子の付着を防止する。また、真空チャンバ１の側壁には、ガス導入管１０が接続されている。ガス導入管１０は、切換弁１０ａを介して、二本のガス管に分岐され、この分岐されたガス分岐管１１ａ、１１ｂには、マスフローコントローラ１２ａ、１２ｂが介在され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスのガス源１３ａと、酸窒化ガスのガス源１３ｂとに夫々連通している。そして、スパッタガスや酸窒化ガスが、上下一対の防着板９ｕ、９ｄの隙間を通してスパッタ室１ａ内に一定の流量で導入できる。酸窒化ガスとしては、酸素ガス及び窒素ガスを予め所定の混合比で混合したものが用いられるが、酸素ガス及び窒素ガスを夫々真空処理室１ａ内に導入するように構成してもよい。
【００２０】
上記真空処理装置Ｍは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた図示省略の制御手段を有し、制御手段により各電源の作動、マスフローコントローラの作動や真空ポンプの作動等を統括管理される。次に、図１及び図２を参照して、上記真空処理装置Ｍを用いたバリア層の形成方法を説明する。
【００２１】
先ず、上記のようにターゲット２が装着された状態で、図外の搬送ロボットにより、表面に一方の導電層ＣＬ１を有する基板Ｗを搬送してステージ７に吸着させる。そして、真空チャンバ１を密閉して真空ポンプにより所定の真空度まで真空引きする。真空チャンバ１内の圧力が所定値に達すると、第１工程を実施する。
【００２２】
即ち、切換弁１０ａを操作して、ガス分岐管１１ａからガス導入管１０を通して、Ａｒガス（スパッタガス）を所定の流量（２〜２００ｓｃｃｍ）で導入する。そして、スパッタ電源５により、ターゲット２に負の電位を持った所定電力（例えば、１４ｋＷ）を投入する。これにより、真空処理室１ａ内にプラズマ雰囲気が形成されてターゲット２がスパッタリングされ、当該ターゲット２から放出されたスパッタ粒子（Ｔｉ原子）が、微細ホールＨ内を含む絶縁膜Ｉ表面に付着、堆積してＴｉ膜（第１金属膜ＢＭ１：下層）が所定の膜厚（例えば、２５ｎｍ）で形成される。このとき、ステージ７、ひいては処理対象物Ｗに高周波電源８により所定のバイアス電力（例えば、３００Ｗ）を投入し、プラズマにてイオン化されたスパッタ粒子を基板に引き込むようにしてもよい。これにより、高アスペクト比の微細ホールに対しても高いボトムカバレッジ率でＴｉ膜を成膜することが可能になる。
【００２３】
第１工程が終了すると、スパッタガスの導入を停止して真空処理室１ａを再度真空引きし、所定の真空度に達すると、第２工程を実施する。即ち、切換弁１０ａを操作して、ガス分岐管１１ｂからガス導入管１０を通して、酸窒化ガスを所定の流量（例えば、窒素ガス１０００ｓｃｃｍ、酸素ガス１００ｓｃｃｍ）で導入する。この場合、Ａｒガス（スパッタガス）も所定の流量で導入するようにしてもよい。そして、ステージ７に、高周波電源８により所定電力（例えば、４００Ｗ）を投入する。これにより、真空処理室１ａ内に容量結合方式で酸素及び窒素を含むプラズマ雰囲気が形成され、処理対象物Ｗに形成されたＴｉ膜ＢＭ１がプラズマ雰囲気に曝されることで、当該Ｔｉ膜表面が改質されて、その表面に酸窒化チタン層（金属化合物膜ＢＭ２１：中間層）が形成される。このとき、Ｔｉ製のターゲット２もまた上記プラズマ雰囲気に曝されることで、当該ターゲット２の表面が酸窒化させる。
【００２４】
この第２工程においては、酸素ガスと窒素ガスとの流量比は適宜設定される。また、酸窒化処理を促進するために、基板Ｗを、１００〜４００℃の範囲内の所定温度に加熱保持するようにしてもよい。この場合、１００℃より低い温度では、酸窒化処理を効果的に促進できず、また、４００℃より高い温度では、下地配線層が劣化するという不具合がある。また、ステージ７への所定電力の投入時、ターゲット２の酸窒化をコントロールするために、所定電力（１００〜１０００Ｗ）でターゲット２に電力投入してもよい。これにより、投入電力に応じてターゲットの酸窒化を少なくできる。
【００２５】
なお、上記の如く、例えば、高周波アンテナに交番電流を供給することにより誘導結合式でプラズマ雰囲気を形成するような場合には、ステージ７、ひいては基板Ｗに高周波電源８により所定のバイアス電圧（例えば、５０〜１０００Ｖ）を印加し、プラズマにてイオン化された酸素や窒素を積極的に基板Ｗに引き込むようにしてもよい。これにより、一層、酸窒化処理を促進できる。
【００２６】
第２工程が終了すると、酸窒化ガスの導入を停止して真空処理室１ａを再度真空引きし、所定の真空度に達すると、第３工程を実施する。即ち、切換弁１０ａを操作して、ガス分岐管１１ａからガス導入管１０を通して、Ａｒガス（スパッタガス）を所定の流量（２〜２００ｓｃｃｍ）で導入する。そして、直流電源５により、ターゲット２に負の電位を持った所定電力（例えば、１〜３０ｋＷ）を投入する。これにより、真空処理室１ａ内にプラズマ雰囲気が形成されてターゲット２がスパッタリングされ、当該ターゲット２から放出されたスパッタ粒子（Ｔｉ原子）が、酸窒化チタン層表面に付着、堆積してＴｉ膜（第２金属膜ＢＭ３：上層）が所定の膜厚（例えば、１５ｎｍ）で形成される。
【００２７】
ここで、第２金属膜ＢＭ３の成膜当初、ターゲット２から飛散するものに、Ｔｉ元素の他、酸素や窒素が含まれていることで、第１金属膜たるＴｉ層ＢＭ１表面が改質されて形成された中間層たる酸窒化チタン層ＢＭ２１表面には、反応性スパッタリングの如く、上記Ｔｉと酸素及び窒素との金属化合物たる他の酸窒化チタン層ＢＭ２２が形成される。即ち、本実施形態においては、中間層が、酸窒化処理による酸窒化チタン層ＢＭ２１と、酸窒化されたターゲットのスパッタリングによる酸窒化チタン層ＢＭ２２との界面のある積層構造として形成される。そして、ターゲット２表面の酸窒化物がスパッタリングにより除去されると、ターゲット２から上記金属元素のみが飛散して第２金属層たるＴｉ膜ＢＭ３が形成される。なお、第３工程の初期においては、ターゲット表面が酸窒化層で覆われているが、所定の直流電圧を印加してターゲットをスパッタリングする際、スパッタリング開始当初の投入電力を所定時間（数秒）小さくし、その後、投入電力を増加させる等により、異常放電が生じる等の不具合は発生しないことが確認された。
【００２８】
上記の如く、バリア層が形成されると、基板が真空処理室から取り出され、次工程へと搬送される。そして、バリア層が形成された基板の第２金属層表面には、例えば、リフロースパッタリング装置によりアルミニウム層（他の導電層）が形成される。
【００２９】
このように、上記実施形態では、中間層を、酸窒化処理による酸窒化チタン層ＢＭ２１と、酸窒化されたターゲットのスパッタリングによる酸窒化チタン層ＢＭ２２との積層構造から構成されることで、当該バリア層ＢＭを、異種金属たる、銅からなる第１導電層ＣＬ１とアルミニウムからなる第２導電銅ＣＬ２との間に介在されても十分なバリア性能を発揮する。その上、同一の真空処理室１ａ内において、一貫して処理できるため、生産性もよい。しかも、膜のストレスが比較的強く、真空処理室内に配置される防着板９ｕ、９ｄとの密着性に欠ける酸窒化チタン層が、ストレスが比較的弱く、防着板９ｕ、９ｄとの密着性の良い上記Ｔｉ元素で挟み込まれるようになる。このため、酸窒化チタン層の防着板９ｕ、９ｄからの隔離に伴うパーティクル発生を防止すべく行われる防着板９ｕ、９ｄ交換のサイクルを長くできる等、生産性も向上することができる。
【００３０】
以上の効果を確認するために次の実験を行った。本実験では、評価用の処理対象物Ｗとして、シリコンウエハ表面にシリコン酸化物膜（１００ｎｍ）と、タンタル膜（１５ｎｍ）と、銅膜（４５ｎｍ：一方の導電層に相当）を順次積層したものを用意した。なお、銅膜を形成した後、水素ガス雰囲気で還元処理を行っている。また、真空処理装置Ｍに配置されるターゲット２としてＴｉ製（組成比９９．９９９％）を用いた。そして、上記真空処理装置Ｍを用いてバリア層を所定膜厚で形成した。最後に、他のスパッタリング装置を用いてアルミニウム膜（２５０ｎｍ：他方の導電層に相当）を形成し、このようにして得られたものを真空熱処理炉にて、４１５℃、１０ｍｉｎの条件でアニール処理を施し、アニール処理前後のアルミニウム膜のシート抵抗値（Ω／□）の平均値（処理前のものをＲｓ-ｉ、処理後のものをＲｓ-ａとする）を夫々測定し、バリア層ＢＭのバリア特性を評価した。
【００３１】
第１及び第３の各工程でのスパッタリング条件として、スパッタ電源５から負の直流電位を持った投入電力を１４ｋＷに設定し、成膜中、真空処理室１ａ内の圧力が２０Ｐａに保持されるようにアルゴンガスを導入しながら、１８ｓｅｃ間成膜した（目標膜厚    ３５ｎｍ）。また、第２工程の酸窒化処理の条件としては、基板の加熱温度を２５０℃、高周波電源８から印加電力を４００Ｗに設定し、酸素及び窒素ガスの流量比を１：１０に設定し、真空処理室１ａ内の圧力が１４Ｐａに保持されるように上記各ガスを導入し、所定の時間酸窒化処理を行った。
【００３２】
比較実験として、上記と同一の処理対象物Ｗを用意し、バリア層として、上記と同一の条件でＴｉ層のみを形成した（比較実験１）。また、他の比較実験として、第２工程にて、基板を２５０℃に加熱したが、高周波電源から電圧を印加せずに酸素ガス及び窒素ガスを１：１０の流量比で導入して酸窒化処理を施した（比較実験２）。
【００３３】
以上の実験によれば、比較実験１では、Ｒｓ-ａ／Ｒｓ-ｉの値が２．７７であり、比較実験２では、Ｒｓ-ａ／Ｒｓ-ｉの値が２．４０であり、両者とも十分なバリア特性を発揮しないことが確認された。それに対して、本発明に係る実験では、Ｒｓ-ａ／Ｒｓ-ｉの値が１．２６であり、十分なバリア特性を発揮することが確認された。
【００３４】
また、上記実験において、第２工程における酸窒化処理の処理時間を、１、５及び１０ｓｅｃに夫々設定して実験を行ったところ、処理時間が１秒のとき、Ｒｓ-ａ／Ｒｓ-ｉの値が２．１９であったのに対して、処理時間を５ｓｅｃ以上にすることで、Ｒｓ-ａ／Ｒｓ-ｉの値が１．２６となり、バリア特性が向上することが確認された。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、導電層として、銅とアルミニウムとを用いたものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ，Ｆｅ、Ｐｄ、Ａｇ及びＡｕの中から選択されたものを用いることができ、本発明のバリア膜は、同種または異種金属たる金属層間の相互拡散を防止するために広く適用できる。また、上記実施形態においては、バリア層を、Ｔｉ製ターゲットを用いて形成するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ及びＭｏのうち少なくとも一種の金属元素からなるターゲットを用いた場合にも有効であることが確認できた。
【符号の説明】
【００３６】
ＢＭ…バリア層、ＢＭ１…第１金属層（下層）、ＢＭ２１、ＢＭ２２…金属化合物層、ＢＭ３…第２金属層（上層）、ＣＬ１、ＣＬ２…導電層、Ｍ…真空処理装置、２…ターゲット、５…スパッタ電源、７１…加熱手段、８…高周波電源、１０…ガス導入管、１３ａ…スパッタガス源、１３ｂ…酸素及び窒素ガス源。
【図１】
0005780509.tif 000002
【図２】
0005780509.tif 000003