(57)【要約】【課題】半導体デバイスでＣｕ配線を用いる場合に、拡散バリア用下地膜とＣｕ配線膜との密着性を、簡易な構成と簡略な工程で向上させることができ、製作コストの低下と生産効率の向上を実現できるＣｕ配線膜形成方法を提供する。【解決手段】拡散バリア用ＴｉＮ膜を下地膜として成膜し、この下地膜の上にＣｕ配線膜を成膜する方法であって、前記下地膜の成膜工程とＣｕ配線膜の成膜工程の間に、下地膜の成膜工程後大気にさらすことなく真空一貫の状態で前記下地膜を２００℃以上の温度で加熱するアニール工程を設ける。このアニール工程ではアンモニア単体またはアンモニアガスを含むガスを用い、該アニール工程の後、前記Ｃｕ膜をＣＶＤ法により成膜することで、前記下地膜とその後の成膜で堆積する上層のＣｕ膜との密着性を高くすることができる。アニール工程は、下地膜の成膜を行うチャンバと同じチャンバで実施することもできる。【選択図】図１
2008166847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＣＶＤ法により原料としてテトラキスジアルキルアミノチタン（ＴＤＡＡＴ）を用いて拡散バリア用ＴｉＮ膜を下地膜として成膜し、この下地膜の上に配線用Ｃｕ膜を成膜するＣｕ配線膜形成方法において、前記下地膜の成膜工程と前記Ｃｕ膜の成膜工程の間に、前記下地膜の成膜工程後大気にさらすことなく真空一貫の状態で前記下地膜を２００℃以上の温度で加熱するアニール工程を設け、このアニール工程ではアンモニア単体またはアンモニアガスを含むガスを用い、前記アニール工程の後、前記Ｃｕ膜をＣＶＤ法により成膜することを特徴とするＣｕ配線膜形成方法。
【請求項２】
前記アニール工程を１Ｐａ〜１０ｋＰａの圧力範囲で行い、前記アンモニア単体またはアンモニアを含むガスによりラジカルを生成させ、このラジカルにより前記下地膜に残留する不純物を放出させることを特徴とする請求項１に記載のＣｕ配線膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスで配線材料としてＣｕを用いる場合に拡散バリア用下地膜と配線用Ｃｕ膜の間の密着性を高めたＣｕ配線膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高性能化で配線材料としてＣｕ（銅）が注目されている。その理由は、Ｃｕは、Ａｌ（アルミニウム）に比較して、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションという配線を構成する金属原子の拡散挙動が支配する現象に対して高い耐性を有しているからである。Ｃｕ膜の成膜方法としては、多層配線層間の接続孔（ビアホールまたはコンタクトホール）等の段差被覆性が優れたＣＶＤ法（化学気相成長法）が使用される。一方、Ｃｕ膜を半導体デバイスの配線材料として利用する場合、Ｃｕ膜中のＣｕ原子はシリコンやシリコン酸化膜の中に拡散し、トランジスタ素子等の電気特性に悪影響を及ぼすため、配線層のＣｕ原子の拡散を阻止する目的で拡散防止用薄膜（拡散バリア層）を下地膜として形成する必要がある。拡散バリア層としては熱的に安定な高融点金属の窒化物としてのＴｉＮが注目されている。シリコン大規模集積回路の極微細化によるビアホール等の増加するアスペクト比に対する良好なステップカバリレッジの形成方法としてＴｉＮ膜のＣＶＤ法が研究されている。
【０００３】
かかる配線用Ｃｕ膜を形成するＣＶＤ法では、従来より拡散バリア用下地膜であるＴｉＮ膜とＣｕ膜の間の密着性が弱いという問題があり、そのため配線形成後の研磨工程等でＣｕ膜が剥がれるという不具合があった。密着性が弱い理由は、ＭＯＣＶＤ法で成膜されたＴｉＮの膜中からガスが放出されるからである。従来では、下地膜とＣｕ膜の間の密着性を高めるために、密着層としてのＴｉ膜を設ける方法があった。また当該密着性を良好にする従来の技術として特許文献１に開示される半導体装置の製造方法があった。この方法によれば、例えばその実施例１に記載されるごとく、拡散防止層としての下地のＴｉＮ膜をスパッタリング法で成膜し、さらにＴｉＮ膜の上に熱ＣＶＤ法により成膜されたＣｕ膜を、その後で加熱処理するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２８８２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体デバイスで配線材料としてＣｕ膜を用いるとき、拡散バリア用下地膜としてのＴｉＮ膜と配線用Ｃｕ膜との間の密着性を高めるためＴｉ膜を成膜する方法は、Ｔｉ膜を成膜するための装置構成（電力供給系を備えたプラズマ生成機構等）を別途に追加しなければならず、装置の複雑化を招くという問題が起きる。上記密着性を高くするための手段は、低コストな簡易な構成で実現されることが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、半導体デバイスでＣｕ配線を用いる場合において、拡散バリア用下地膜とＣｕ配線膜との密着性を高め、簡易な構成および簡略な工程で密着性を向上でき、製作コストの上昇と生産効率の低下を抑制したＣｕ配線膜形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るＣｕ配線膜形成方法は、ＭＯＣＶＤ法により原料としてテトラキスジアルキルアミノチタン（ＴＤＡＡＴ）を用いて拡散バリア用ＴｉＮ膜を下地膜として成膜し、この下地膜の上に配線用Ｃｕ膜を成膜するＣｕ配線膜形成方法において、前記下地膜の成膜工程と前記Ｃｕ膜の成膜工程の間に、前記下地膜の成膜工程後大気にさらすことなく真空一貫の状態で前記下地膜を２００℃以上の温度で加熱するアニール工程を設け、このアニール工程ではアンモニア単体またはアンモニアガスを含むガスを用い、前記アニール工程の後、前記Ｃｕ膜をＣＶＤ法により成膜することを特徴とする。さらに好ましくは、前記アニール工程を１Ｐａ〜１０ｋＰａの圧力範囲で行い、前記アンモニア単体またはアンモニアを含むガスによりラジカルを生成させ、このラジカルにより前記下地膜に残留する不純物を放出させることを特徴とする。ＭＯＣＶＤ法によるＴＤＡＡＴを用いたＴｉＮ膜は、非常に活性で、大気にさらされると、大気中の酸素等と反応を起こし、また、酸素をＴｉＮの膜中に取り込む。真空下にあり、酸素を取り込んでいないＴｉＮ膜は、前記アニール工程により、成膜時残留したガスを放出させることは容易であるが、一旦、大気にさらすことにより取り込んだ酸素を放出することは困難である。ここにＭＯＶＣＤ法によるＴｉＮ膜の成膜とアニール工程が真空一貫の条件下で行われる必要性がある。これによって、ＴｉＮ膜中の密着性に悪影響を及ぼす残留ガスは低減され、その後の成膜で堆積する上層のＣｕ膜との密着性が向上する。２００〜５００℃の温度範囲は、例えばＭＯＣＶＤ−ＴｉＮ膜の場合、膜形成後のＣｕ−ＣＶＤの成膜条件は通常２００℃以下であり、従って最低限２００℃以上に加熱しないと、密着性改善の効果が不十分となる。また上限の５００℃は、高温アニールによる基板へのダメージが生じない温度範囲であり、半導体製造工程で広く実施されている多層配線形成時の上限温度である。ただし、アニール工程で使用されるガスは、窒素、アルゴン、水素、アンモニアのうちのいずれか１種類のガスあるいは２種類以上の混合ガスであり、その圧力範囲は１Ｐａ〜１０ｋＰａとする。特に、アニール工程で使用するガスとして、アンモニア単体やこれを含む混合ガスを用いた場合、アンモニアは、２００℃以上で乖離を起こし、化学的に活性なラジカル（ＮＨ，ＮＨ２  等）を生成するため、これらのラジカルにより、ＴｉＮ膜中の不純物の除去をさらに促進させ、堆積するＣｕ膜との密着性をいっそう高める効果がある。
【０００８】
上記方法において、下地膜はＴｉＮ膜であってＭＯＣＶＤ法で成膜され、Ｃｕ膜はＣＶＤ法で成膜される。本発明ではＭＯＣＶＤ法で作製されるＴｉＮ膜が最も好ましい。ＭＯＣＶＤ法でＴｉＮ膜をバリア層として成膜する場合、原料としてはテトラキスジアルキルアミノチタン（ＴＤＡＡＴ）が好ましい。また上記のアニール工程は、ＴｉＮ膜の成膜が行われるチャンバ内で、成膜工程が終了した後に行うことも可能である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＭＯＣＶＤ法により所定の原料を用いて拡散バリア用のＴｉＮ膜を成膜し、このＴｉＮ膜の上にＣｕ配線膜を成膜する方法において、ＴｉＮ膜の成膜とＣｕ配線膜の成膜の間に下地膜の成膜工程後大気にさらすことなく真空一貫の状態で２００〜５００℃の温度で加熱するアニール工程を設けため、ＴｉＮ膜とＣｕ配線膜との密着性を高めることができ、特にアンモニアガスを用いた場合、良好な密着性が得られた。その結果、簡易な構成および簡略な工程で密着性を向上でき、製作コストの上昇と生産効率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係るＣｕ配線膜形成方法の実施する装置の概略構成の一例を示す。この装置は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバ１１、ＣＶＤチャンバ１２、アニールチャンバ１３を備えたマルチチャンバ式装置である。この装置の構成によれば、中央に位置する搬送モジュール１４の周囲にＭＯＣＶＤチャンバ１１、ＣＶＤチャンバ１２、アニールチャンバ１３が設けられ、さらに２つのロード／アンロード・ロック・モジュール１５，１６が付設されている。ここで「モジュール」とは、装置・機械・システムを構成する部分で、機能的にまとまった部分を意味する。なおＭＯＣＶＤ、ＣＶＤ、アニールが実施されるチャンバもモジュールとして構成されるのは当然であるが、これらの処理方法が実施される場所を指す用語としてチャンバが使用される。チャンバ等の各々にはゲートバルブ１７が設けられている。搬送モジュール１４のチャンバ中には搬送ロボット（基板搬送機構）１８が設けられ、搬送ロボット１８はそのハンドでシリコン基板１９を各チャンバ等に搬入しまたは各チャンバ等から搬出する。
【００１２】
上記装置において、カセット（図示せず）にセットされた１枚のシリコン基板１９は１つのロード／アンロード・ロック・モジュール１５から搬送ロボット１８によって搬送モジュール１４内に搬入される。ＭＯＣＶＤチャンバ１１、ＣＶＤチャンバ１２、アニールチャンバ１３のそれぞれで所定処理を行った後に、シリコン基板１９は搬送ロボット１８によってロード／アンロード・ロック・モジュール１６に戻され、搬出される。上記のマルチチャンバ式装置構成では、搬送モジュール１４によって、真空雰囲気に維持されたまま、すなわち大気に晒されることなく真空一貫の接続構造で、予め定められた手順に従って行われる。
【００１３】
図１に示された構成において、ＭＯＣＶＤチャンバ１１は配線用Ｃｕ膜（Ｃｕ配線膜）の中の金属原子がシリコン等に拡散するのを防止するバリア層としての下地膜（拡散バリア用下地膜）を成膜するためのチャンバであり、ＣＶＤチャンバ１２はＣｕ配線膜を成膜するためのチャンバであり、アニールチャンバ１３は各層における下地膜の成膜とＣｕ配線膜の成膜に関し下地膜とＣｕ配線膜の密着性を高めるアニール処理を実施するためのチャンバである。ＭＯＣＶＤチャンバ１１では、原料ガスが導入され、ＭＯＣＶＤ法によって拡散バリア用下地膜が成膜される。下地膜は好ましくはＴｉＮ膜である。ＴｉＮ膜の成膜では、原料としてテトラキスジアルキルアミノチタン（ＴＤＡＡＴ）を用いられることが好ましい。またＣＶＤチャンバ１２では、有機金属錯体等の原料を用いてＣＶＤ法によって、バリア膜であるＴｉＮ膜の上にＣｕ配線膜が成膜される。多層配線構造の半導体デバイスの場合、下層の電気回路部と上層の電気回路部との間に層間絶縁膜が形成されており、下層と上層のそれぞれで下地膜の成膜とＣｕ配線膜の成膜が行われる。上層における下地膜とＣｕ配線膜の成膜工程では、下層のＣｕ配線膜との電気的接続を行うため、層間絶縁膜にビアホールを形成し、その後に、バリア層としての下地膜を成膜し、さらにその後に上層のＣｕ配線膜の成膜が行われることになる。上層のＣｕ配線膜の成膜ではＣｕがビアホールの中に埋め込まれ、ビアプラグが形成され、下層のＣｕ配線膜と上層のＣｕ配線膜とが接続される。
【００１４】
本発明によるＣｕ配線膜形成方法では、アニールチャンバ１３でのアニール処理によって、各層における下地膜の成膜とＣｕ配線膜の成膜に関し下地膜とＣｕ配線膜の密着性が高められる。ＭＯＣＶＤチャンバ１１で基板１９に対してＭＯＣＶＤによって下地膜の成膜が行われた後に、当該基板はアニールチャンバ１３に搬入され、ここにおいて当該下地膜は２００〜５００℃の範囲に含まれる温度でアニールされる。これにより下地膜とＣｕ配線膜の密着性が高められる。本実施形態の場合には、アニール専用のチャンバを設けた構成としたが、特別にアニール工程用のチャンバを設けず、例えばＭＯＣＶＤチャンバ１１にてアニール工程が実施されるように構成することもできる。ＭＯＣＶＤチャンバ１１は、本来、前述のごとく拡散バリア用の下地膜を成膜するためのチャンバではあるが、５００℃までの加熱が可能な熱ＣＶＤチャンバとして構成されているものであるので、これによってＭＯＣＶＤチャンバ１１内で密着性改善のためのアニール工程を行うことが可能となる。従って、ＭＯＣＶＤチャンバ１１で、ＭＯＣＶＤによって下地膜の成膜が行われた後に、当該下地膜は２００〜５００℃の範囲に含まれる温度でアニールすることもできる。
【００１５】
上記のごとくアニールチャンバ１３でアニール処理が行われた後に、基板１９はＣＶＤチャンバ１２に搬入され、ここでＣｕ配線膜が成膜される。
【００１６】
上記の構成において、各チャンバ１１，１２，１３には、それぞれ真空排気機構１１ａ，１２ａ，１３ａを備える。各チャンバは、その真空排気機構によって内部を適宜な減圧状態すなわち所望の真空状態に保持される。真空排気機構１１ａ，１２ａ，１３ａの動作はコントローラ２０によって制御される。またアニール工程で使用されるガス（窒素、アルゴン、水素、アンモニア）は、主にＭＦＣと配管より構成されるガス供給系（図示せず）によりアニールチャンバ１３へ導入されるが、その他のチャンバで使用されるプロセスガスと同様、それらの流量制御も上記コントローラ２０によって行われる。
【００１７】
またチャンバ１１，１２，１３の間の基板の移動は、基板に対する処理の手順に応じて決まる。当該基板１９の移動は、搬送ロボット１８の動作によって行われる。基板１９の移動の仕方についてはコントローラ２０によって制御される。また各チャンバ１１，１２，１３における下地膜あるいはＣｕ配線膜の成膜、下地膜のアニール等の各動作もコントローラ２０によって制御される。
【００１８】
次に、本発明に係るＣｕ配線膜形成方法の実施例について述べる。
【００１９】
実施例１：
ＭＯＣＶＤチャンバ１１において拡散バリア用下地膜としてＴｉＮ膜を成膜する条件は次の通りである。まず原料としてＴＤＡＡＴが例えば０．００４〜０．２ｇ／分の範囲で供給され、このときキャリアガス（アルゴン：Ａｒ）は例えば１００〜１０００ｓｃｃｍの流量範囲で、添加ガス（ＮＨ３  ）は例えば１〜５００ｓｃｃｍの流量範囲で供給される。ＭＯＣＶＤチャンバ１１の内部圧力は例えば０．１〜１５Ｐａの範囲である。さらに温度条件は例えば約３００〜４００℃となるように加熱される。上記の条件によってバリア層であるＴｉＮ膜は例えば１０〜３０ｎｍの膜厚で成膜される。
【００２０】
実施例２：
アニールチャンバ１３において、成膜されたＴｉＮ膜をアニールする条件は、次の通りである。基板はその温度が例えば約４００℃になるように加熱される。その結果、ＴｉＮ膜は４００℃で加熱される。このとき、チャンバ内はＡｒが導入され、Ａｒ雰囲気で例えば約８．０Ｐａに保持されている。加熱時間は例えば約１０分である。
【００２１】
実施例３：
アニールに使用するガスとしてアンモニアを用いた場合のアニール条件は次の通りである。アンモニア流量を５０ｓｃｃｍ、窒素流量を５０ｓｃｃｍの混合ガスを使用し、圧力１ｋＰａ、加熱温度３００℃で３０分加熱した。
【００２２】
実施例４：
ＣＶＤチャンバ１２において拡散バリア用下地膜としての上記ＴｉＮ膜の上にＣｕ配線膜を成膜する条件は次の通りである。材料としてＣｕ（ｈｆａｃ）（ｔｍｖｓ）が例えば約０．１７ｇ／分の流量で供給され、このときキャリアガス（Ｈ２  ）が例えば約３００ｓｃｃｍで供給される。また成膜の際の温度は例えば約１７０℃に保持され、内部圧力は例えば約２．６ｋＰａに保持される。この条件で、Ｃｕ配線膜は約２００ｎｍの膜厚で成膜される。
【００２３】
前述の本実施例（実施例１〜４）と同じ手順で成膜したＣＶＤＣｕ／ＭＯ−ＣＶＤＴｉＮ／Ｓｉウェハーの積層構造を有する試料について、Ｃｕ膜とＴｉＮ膜の密着性の評価としてテープ（メンディングテープ）を用いた引き剥がし試験を行った。下記の表１は、実施例および比較例のテープ引き剥がし試験の評価結果を示す。
【００２４】
【表１】
2008166847.tif 000003
【００２５】
上記の表中では、ＣＶＤＣｕ／ＭＯ−ＣＶＤＴｉＮの積層条件の違い、つまり、ＭＯ−ＣＶＤＴｉＮ成膜後のアニールの有無、および積層過程での雰囲気の違いにより、比較用として比較例Ａ〜Ｃを作成した。ただし、上記アニールの有無、および積層過程での雰囲気以外のＣＶＤＣｕ／ＭＯ−ＣＶＤＴｉＮの積層条件本実施例と同等である。また表中の密着性評価結果において、○はＣｕ膜の剥離がなかったもの、△は一部剥離が確認されたもの、×は完全にＣｕ膜が箔状に剥がれたものを示している。以上のことから、本発明によるＣｕ配線膜の形成方法を用いることにより、Ｃｕ膜と下地であるＴｉＮ膜との密着性を向上させることができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るＣｕ配線膜形成方法を実施するための装置の概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１  ＭＯＣＶＤチャンバ
１２  ＣＶＤチャンバ
１３  アニールチャンバ
１４  搬送モジュール
１８  搬送ロボット
【図１】
2008166847.tif 000004