(57)【要約】【課題】段差切れのない化合物バリア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化合物バリア膜を形成する【選択図】  図３
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【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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ア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ＲＦ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（特許文献１）されている。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。
【特許文献１】特開平６−４１７３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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ア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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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ア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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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、ＲＦ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。
【００１３】
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。
【００１４】
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１３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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【実施例】
【００１７】
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ＴｉＮ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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
詳細には、ターゲット６への直流電力を８０Ｗ、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３０Ｗで維持し、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。
【００２１】
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。
【００２２】
ここではＴｉＮの例を示したが、その他ＴａＮ、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、ＥＣＲ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。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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技術分野において、産業上大いに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】
【００２５】
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、
８  ＲＦ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
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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