(57)【要約】【課題】ガス透過性を有する低誘電率膜に形成された凹部の壁面及び底面に原子層堆積法により高融点金属からなるバリア膜を形成する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を防止する。【解決手段】半導体基板１０上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜１１に接続孔１２及び配線溝１３を形成した後、第１の高融点金属を主成分とするターゲットを用いると共に、半導体基板１０の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で半導体基板１０を回転させながらスパッタリングを行なうことにより、接続孔１２及び配線溝１３の壁面及び底面に第１の金属膜１４を堆積する。次に、原子層堆積法により、第１の金属膜１４の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜１５を堆積する。【選択図】      図３
2004311545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、前記凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、
前記バリア膜を形成する工程は、
第１の高融点金属を主成分とするターゲットを用いると共に、前記基板の表面を前記ターゲットの表面に対して傾斜させた状態で前記基板を回転させながら行なうスパッタリング法により、前記凹部の壁面及び底面に前記第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積する工程と、
原子層堆積法により、前記第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の金属膜の膜厚は、前記低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の２分の１以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記スパッタリング法は、前記ターゲットと前記基板との間に配置され、前記ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを用いて行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、前記凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、
前記バリア膜を形成する工程は、
第１の高融点金属を主成分とするターゲットを用いるスパッタリング法により、前記凹部に前記第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積する工程と、
前記第１の金属膜を不活性ガスのイオンによりスパッタリングして、前記第１の金属膜の被覆性を向上させる工程と、
原子層堆積法により、被覆性が向上した前記第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
被覆性が向上した前記第１の金属膜の膜厚は、前記低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の２分の１以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記低誘電率膜は、多孔質膜であることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の高融点金属と前記第２の高融点金属とは異なる金属であることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の高融点金属と前記第２の高融点金属とは同じ金属であることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第２の金属膜を堆積する工程は、堆積された前記第１の金属膜を大気中に暴露することなく行なわれることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の金属膜を堆積する工程は、堆積された前記第１の金属膜を大気中に一旦暴露してから行なわれることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第２の金属膜を堆積する工程よりも前に、前記第１の金属膜の表面に、窒素原子を含むガスよりなるプラズマを照射する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
第１の高融点金属を主成分とするターゲットと、基板を保持する基板ホルダーとを有し、前記基板の上に前記第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積するスパッタリング処理室と、
第２の高融点金属を含むガスを導入する手段を有し、前記第１の金属膜の上に前記第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する原子層堆積処理室と、
前記スパッタリング処理室及び前記原子層堆積処理室のそれぞれとゲートを介して接続されており、前記基板ホルダーに保持されている前記基板を前記原子層堆積処理室に移送する手段を有するトランスファー室とを備えていることを特徴とする高融点金属膜の堆積装置。
【請求項１３】
前記基板ホルダーは、前記基板を、該基板の表面が前記ターゲットの表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持することを特徴とする請求項１２に記載の高融点金属膜の堆積装置。
【請求項１４】
前記スパッタリング処理室は、前記ターゲットと前記基板ホルダーに保持されている前記基板との間に配置され、前記ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを有していることを特徴とする請求項１３に記載の高融点金属膜の堆積装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法及び高融点金属膜の堆積装置に関し、特に半導体集積回路装置における多層配線に用いられる低誘電率膜の上に高融点金属膜を堆積する方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高集積化の進展に伴い、金属配線同士の間の寄生容量である配線間容量の増加に起因する配線遅延時間の増大が半導体集積回路の高性能化の妨げとなっている。配線遅延時間とは金属配線の抵抗と配線間容量との積に比例して発生するいわゆるＲＣ遅延と言われるものである。従って、配線遅延時間を低減するためには、金属配線の抵抗を小さくするか又は配線間容量を小さくすることが必要である。
【０００３】
そこで、配線抵抗を小さくために、配線材料としてアルミ系合金に代えて銅を用いる半導体集積回路装置がＩＢＭ社又はモトローラ社から報告されている。銅材料の比抵抗はアルミ系合金材料の比抵抗の３分の２程度である、配線材料として銅材料を用いると、アルミ系合金材料を用いる場合に比べて、単純に計算すると、配線遅延時間が３分の２に減少するので、動作速度を１．５倍に高速化することができる。
【０００４】
しかしながら、半導体集積回路の高集積化がさらに進展すると、銅からなる金属配線を用いる場合でも、配線遅延時間の増大によって、高速化が限界に達すると懸念されている。また、配線材料としての銅は、金又は銀についで比抵抗が小さいので、銅からなる金属配線に代えて金又は銀からなる金属配線を用いても、配線抵抗の低減は僅かなものである。
【０００５】
このため、半導体集積回路の高集積化のためには、配線抵抗の低減と共に配線間容量の低減が重要になっており、配線間容量の低減のためには、層間絶縁膜の比誘電率を小さくすることが必要である。従来、層間絶縁膜としては、シリコン酸化膜が用いられているが、シリコン酸化膜の比誘電率は４〜４．５程度であって、より高集積化された半導体集積回路における層間絶縁膜には採用し難いという問題がある。
【０００６】
そこで、比誘電率がシリコン酸化膜よりも小さい低誘電率膜として、多孔質膜、又はダイアモンド構造を有する超低密度膜などが提案されており、これらの多孔質膜は、空孔を含有することによって比誘電率の低下を図っている。
【０００７】
従来、バリア膜の形成方法としてはスパッタリング法が主流であった。しかしながら、半導体素子の微細化の進展により、接続孔又は配線溝のアスペクト比が高くなってきているため、被覆性（カバレッジ）が良くないスパッタリング法により、アスペクト比が高い接続孔又は配線溝の壁面及び底面にバリア膜を形成することが困難になってきた。
【０００８】
そこで、この問題を解決するため、例えば非特許文献１に示されるように、金属を原子層ずつ堆積して金属膜を形成することにより、金属膜の被覆性を向上させる原子層堆積法（ＡＬＤ法）という方法が開発されてきている。原子層堆積法は、減圧雰囲気において、高融点金属を単分子層づつ堆積する方法であって、被覆性が極めて高いと共に、アスペクト比が高い接続孔又は配線溝の表面に均一にバリア膜を形成することが可能である。
【０００９】
【非特許文献１】Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂａｒｒｉｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ（Ｔｈｅ  ２００２  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｐ．２８８）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のように、多孔質膜又はダイアモンド構造を有する超低密度膜よりなり、比誘電率が２．０以下である低誘電率膜は空孔を含有することによって比誘電率の低下を図っているため、低誘電率膜中に連続孔が形成されているので、低誘電率膜は本質的にガス透過性を有している。
【００１１】
従って、ガス透過性を有する低誘電率膜に、配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成した後であって、該凹部に銅膜を埋め込んで銅配線を形成する前に、原子層堆積法により凹部の壁面及び底面に高融点金属（例えば窒化チタン）からなるバリア膜を形成しようとすると、図８に示すように、原子層堆積法に用いられる反応性ガス１（例えば、ＴｉＣｌ４とＮＨ３との混合ガス）が、低誘電率膜２の連続孔３の内部に浸潤するので、反応性ガス１よりなる生成物（例えばＴｉＣｌｘ又はＴｉＮｙ）が連続孔３の内部においてバリア膜４の表面に付着してしまう。
【００１２】
このため、低誘電率膜２の凹部に銅膜を埋め込んだ後に行なわれる熱処理工程において、連続孔３の内部においてバリア膜４の表面に付着した生成物と雰囲気中の水素とが反応してＨＣｌ２  等のガスが発生し、発生したガスが連続孔３の外部に放出されるので、銅膜が腐食するという問題、つまり脱ガス特性が劣化するという問題が発生する。
【００１３】
また、反応性ガス１よりなる導電性の生成物が連続孔３の内部に付着すると、銅配線に電圧が印加されたときにリークが起きるので、低誘電率膜２の耐圧特性が劣化するという問題も発生する。
【００１４】
前記に鑑み、本発明は、ガス透過性を有する低誘電率膜に形成された凹部の壁面及び底面に原子層堆積法により高融点金属からなるバリア膜を形成する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を防止することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、バリア膜を形成する工程は、第１の高融点金属を主成分とするターゲットを用いると共に、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながら行なうスパッタリング法により、凹部の壁面及び底面に第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積する工程と、原子層堆積法により、第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する工程とを有する。
【００１６】
第１の半導体装置の製造方法によると、第１の高融点金属を主成分とするターゲットを用いて、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうため、ターゲットから弾き飛ばされた第１の高融点金属は低誘電率膜の凹部の壁面及び底面に均一に付着するので、第１の金属膜の被覆性が向上する。従って、低誘電率膜の連続孔の開口部は第１の金属膜によって塞がれるため、原子層堆積法により、第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【００１７】
第１の半導体装置の製造方法において、第１の金属膜の膜厚は、低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の２分の１以上であることが好ましい。
【００１８】
このようにすると、低誘電率膜の連続孔の開口部が第１の金属膜によって確実に塞がれるため、原子層堆積法により第２の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【００１９】
第１の半導体装置の製造方法において、スパッタリング法は、ターゲットと基板との間に配置され、ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを用いて行なわれることが好ましい。
【００２０】
このようにすると、ターゲットから弾き飛ばされた第１の高融点金属のうちターゲットの表面に対して垂直方向に弾き飛ばされた第１の高融点金属のみがコリメーターの貫通孔を通過して低誘電率膜の表面に到達するので、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうことと相俟って、低誘電率膜の連続孔の開口部が第１の金属膜によって確実に塞がれる。このため、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【００２１】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、バリア膜を形成する工程は、第１の高融点金属を主成分とするターゲットを用いるスパッタリング法により、凹部に第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積する工程と、第１の金属膜を不活性ガスのイオンによりスパッタリングして、第１の金属膜の被覆性を向上させる工程と、原子層堆積法により、被覆性が向上した第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する工程とを有する。
【００２２】
第２の半導体装置の製造方法によると、第１の金属膜を不活性ガスのイオンによりスパッタリングして、第１の金属膜の被覆性を向上させて低誘電率膜の連続孔の開口部を第１の金属膜により塞いでおいてから、原子層堆積法により第１の金属膜の上に第２の金属膜を堆積するため、第２の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【００２３】
第２の半導体装置の製造方法において、被覆性が向上した第１の金属膜の膜厚は、低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の２分の１以上であることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、低誘電率膜の連続孔の開口部が第１の金属膜によって確実に塞がれるため、原子層堆積法により第２の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【００２５】
第１又は第２の半導体装置の製造方法において、低誘電率膜としては多孔質膜を用いることができる。
【００２６】
第１又は第２の半導体装置の製造方法において、第１の高融点金属と第２の高融点金属とは、異なる金属であってもよいし、同じ金属であってもよい。
【００２７】
第１又は第２の半導体装置の製造方法において、第２の金属膜を堆積する工程は、堆積された第１の金属膜を大気中に暴露することなく行なわれてもよいし、第１の金属膜を大気中に一旦暴露してから行なわれてもよい。
【００２８】
第１又は第２の半導体装置の製造方法は、第２の金属膜を堆積する工程よりも前に、第１の金属膜の表面に、窒素原子を含むガスよりなるプラズマを照射する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２９】
このようにすると、第２の金属膜の第１の金属膜に対する密着性が向上する。
【００３０】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置は、第１の高融点金属を主成分とするターゲットと、基板を保持する基板ホルダーとを有し、基板の上に第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積するスパッタリング処理室と、第２の高融点金属を含むガスを導入する手段を有し、第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する原子層堆積処理室と、スパッタリング処理室及び原子層堆積処理室のそれぞれとゲートを介して接続されており、基板ホルダーに保持されている基板を原子層堆積処理室に移送する手段を有するトランスファー室とを備えている。
【００３１】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置によると、基板の上に第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積するスパッタリング処理室と、第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する原子層堆積処理室と、スパッタリング処理室及び原子層堆積処理室のそれぞれとゲートを介して接続されたトランスファー室とを備えているため、スパッタリング法により、基板上に第１の金属膜を堆積した後、原子層堆積法により、第１の金属膜の上に第２の金属膜を堆積することができる。つまり、スパッタリング法により堆積された第１の金属膜を大気中に暴露することなく、原子層堆積法により第１の金属膜の上に第２の金属膜を堆積することができる。
【００３２】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置において、基板ホルダーは、基板を、該基板の表面がターゲットの表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持することが好ましい。
【００３３】
このようにすると、第１の高融点金属を主成分とするターゲットを用いて、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうことができるため、ターゲットから弾き飛ばされた第１の高融点金属を低誘電率膜の凹部の壁面及び底面に被覆性良く堆積されるので、低誘電率膜の連続孔の開口部は第１の金属膜によって塞がれる。このため、原子層堆積法により、第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【００３４】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置において、基板ホルダーが基板を基板表面がターゲットの表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持する場合には、スパッタリング処理室は、ターゲットと基板ホルダーに保持されている基板との間に配置され、ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを有していることが好ましい。
【００３５】
このようにすると、ターゲットから弾き飛ばされた第１の高融点金属のうちターゲットの表面に対して垂直方向に弾き飛ばされた第１の高融点金属のみがコリメーターの貫通孔を通過して低誘電率膜の表面に到達するので、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうことと相俟って、低誘電率膜の連続孔の開口部を第１の金属膜によって確実に塞ぐことができる。このため、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法に用いられる高融点金属膜の堆積装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００３７】
図１は第１の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置の平面構造を示しており、図１に示すように、高融点金属膜の堆積装置は、半導体基板（半導体ウェハ）の取り込み及び取り出しを行なうためのロードロック室１００と、半導体基板の上に第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜を堆積するためのスパッタリング処理室１１０と、第２の高融点金属を含むガスを導入する手段（図示は省略している）を有し、第１の金属膜の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を堆積するための原子層堆積処理室１２０と、ロードロック室１００、スパッタリング処理室１１０及び原子層堆積処理室１２０のそれぞれとゲートバルブを介して接続されているトランスファー室１３０とを備えている。
【００３８】
トランスファー室１３０には、ロードロック室１００に取り込まれた半導体基板をスパッタリング処理室１１０に移送し、スパッタリング処理室１１０において第１の金属膜が堆積された半導体基板を原子層堆積処理室１２０に移送し、原子層堆積処理室１２０において第２の金属膜が堆積された半導体基板をロードロック室１００に移送する搬送アーム１３１が設けられている。また、トランスファ室１３０は、真空状態又は不活性ガス雰囲気に制御される。
【００３９】
原子層堆積処理室１２０については、周知の構造を有しているため、説明を省略する。
【００４０】
図２はスパッタリング処理室１１０の断面構造を示しており、図２に示すように、スパッタリング処理室１１０の上部には、第１の高融点金属を主成分とするターゲット１１１を保持するターゲットホルダー１１２が設けられており、該ターゲットホルダー１１２にはターゲット電源１１３から７００Ｖ程度の電圧が印加される。スパッタリング処理室１１０の下部には、半導体基板１１５を保持すると共に回転可能且つ揺動可能に設けられた基板ホルダー１１６が配置されており、これによって、基板ホルダー１１６は半導体基板１１５をターゲット１１１の表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持することができる。ターゲット１１１と基板ホルダー１１６との間には、ターゲット１１１の表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔１１７ａを持つコリメーター１１７が設けられている。
【００４１】
以下、第１の実施形態に係る高融点金属の堆積装置を用いて高融点金属膜を形成する方法について説明する。
【００４２】
まず、半導体基板１１５の上に低誘電率膜を形成した後、該低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成しておく。
【００４３】
次に、凹部を有する低誘電率膜が形成されている半導体基板１１５をロードロック室１００に取り込んだ後、ロードロック室１００を真空状態にする。その後、ロードロック室１００とトランスファー室１３０との間の第１のゲートバルブを開けて、搬送アーム１３１により半導体基板１１５をロードロック室１００からトランスファー室１３０に移送した後、第１のゲートバルブを閉じる。この場合、ロードロック室１００とトランスファー室１３０とは圧力が等しくなるように制御しておく。
【００４４】
次に、トランスファー室１３０とスパッタリング処理室１１０との間の第２のゲートバルブを開けて、搬送アーム１３１により半導体基板をトランスファー室１３０から、真空状態に保たれているスパッタリング処理室１１０に移送した後、第２のゲートバルブを閉じる。その後、ターゲット電源１１３からターゲットホルダー１１２に電圧を印加すると共に、ガス導入口１１４からアルゴンガス等の放電用ガスを導入すると、スパッタリング処理室１１０においてグロー放電が発生するので、放電用ガスよりなるプラズマが生成される。そして、プラズマ中のイオンがターゲット１１１をスパッタリングするので、ターゲット１１１から第１の高融点金属が弾き飛ばされる。この場合、ターゲット１１１から弾き飛ばされた第１の高融点金属のうちターゲット１１１の表面に対して垂直方向に弾き飛ばされた第１の高融点金属のみがコリメーター１１７の貫通孔１１７ａを通過して半導体基板１１５の表面に到達する。一方、半導体基板１１５は基板ホルダー１１６にターゲット１１１の表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持されているため、第１の高融点金属は半導体基板１１５の表面に対して傾斜した状態で堆積されるので、低誘電率膜の凹部に第１の高融点金属を主成分とする第１の金属膜が被覆性良く堆積される。
【００４５】
次に、スパッタリング処理室１１０とトランスファー室１３０との間の第２のゲートバルブを開けて、第１の金属膜が形成されている半導体基板１１５を搬送アーム１３１によりスパッタリング処理室１１０からトランスファー室１３０に移送した後、第２のゲートバルブを閉じる。その後、トランスファー室１３０と原子層堆積処理室１２０との間の第３のゲートバルブを開けて、搬送アーム１３１により半導体基板をトランスファー室１３０から、真空状態に保たれている原子層堆積処理室１２０に移送した後、第３のゲートバルブを閉じる。その後、周知の原子層堆積法、例えば前述の非特許文献１に記載された方法により、第１の金属膜の上に、第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜を形成する。
【００４６】
次に、原子層堆積処理室１２０とトランスファー室１３０との間の第３のゲートバルブを開けて、第２の金属膜が形成されている半導体基板１１５を搬送アーム１３１により原子層堆積処理室１２０からトランスファー室１３０に移送した後、第３のゲートバルブを閉じる。次に、トランスファー室１３０とロードロック室１００との間の第１のゲートバルブを開けて、半導体基板１１５を搬送アーム１３１によりトランスファー室１３０からロードロック室１００に移送した後、第１のゲートバルブを閉じ、その後、半導体基板１１５をロードロック室１００から外部に取り出す。
【００４７】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図３（ａ）  〜（ｃ）  及び図４（ａ）  、（ｂ）  を参照しながら説明する。尚、第２の実施形態は、第１の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置を用いる。
【００４８】
まず、図３（ａ）  に示すように、トランジスタ、ローカル配線及びＰＭＤ（メタル前層間絶縁膜が形成されている半導体基板１０の上に、例えば［化１］に示すシリカ系多孔質膜よりなりガス透過性を有し、７００ｎｍの厚さを持つ低誘電率膜１１を形成した後、周知のリソグラフィ工程及びドライエッチング工程により、低誘電率膜１１に接続孔１２及び配線溝１３を形成する。
【００４９】
【化１】
2004311545.tif 000003
【００５０】
次に、低誘電率膜１１が形成された半導体基板１０を図２に示すスパッタリング処理室１１０に移送する。この場合、スパッタリング処理室１１０においては、ターゲットホルダー１１２は第１の高融点金属としてのタンタルよりなるターゲット１１１を保持している。
【００５１】
次に、ターゲット電源１１３からターゲットホルダー１１２に電圧を印加すると共に、ガス導入口１１４からアルゴンガスと窒素を含むガスとの混合ガスよりなる放電用ガスを導入すると、放電用ガスよりなるプラズマが生成されるため、プラズマ中のアルゴンイオンがターゲット１１１をスパッタリングするので、ターゲット１１１からタンタルが弾き飛ばされる。この場合、ターゲット１１１から弾き飛ばされたタンタルのうちターゲット１１１の表面に対して垂直方向に弾き飛ばされたタンタルのみがコリメーター１１７の貫通孔１１７ａを通過して低誘電率膜１１の表面に到達する。一方、半導体基板１１５は基板ホルダー１１６にターゲット１１１の表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持されているため、図３（ｂ）  に示すように、反応性スパッタリング法により、低誘電率膜１１の接続孔１２及び配線溝１３の壁面及び底面には窒化タンタルよりなる第１の金属膜１４が被覆性良く堆積される。
【００５２】
図４（ａ）  は図３（ｂ）  におけるＡの部分の詳細を示しており、低誘電率膜１１の連続孔１１ａの開口部が窒化タンタルよりなる第１の金属膜１４によって塞がれている。尚、第２の実施形態においては、低誘電率膜１１の連続孔１１ａの開口部の平均径が４ｎｍであるから、第１の金属膜１４の膜厚としては、２ｎｍ以上に設定することが好ましいが、第２の実施形態においては、プロセスマージンを見込んで２．５ｎｍ程度にする。もっとも、接続孔１２及び配線溝１３のアスペクト比が高い場合には、スパッタリング法では均一な膜厚を有する第１の金属膜１４を形成することが困難である。
【００５３】
そこで、第１の金属膜１４が堆積された半導体基板１０をスパッタリング処理室１１０から原子層堆積処理室１２０に移送する。
【００５４】
原子層堆積処理室１２０においては、圧力が１０ｍｂａｒに保たれていると共に基板温度は４００℃に設定される。そして、原子層堆積処理室１２０に、ＮＨ３  ガスを標準状態で１分間当たり１６ｍＬ導入すると共に、ＴａＣｌ５  ガスをニードルバルブからパルス間隔：０．５ｓｅｃ  の条件で導入する。このようにして、図３（ｃ）  に示すように、第１の金属膜１４の上にタンタルよりなり２ｎｍの膜厚を有する第２の金属膜１５を堆積する。
【００５５】
図４（ｂ）  は図３（ｃ）  におけるＢの部分の詳細を示しており、第２の金属膜１４は原子層堆積法により形成されるため、タンタルが単分子層ずつ堆積されるので、第１の金属膜１４の上に、タンタルよりなり被覆性が極めて高い第２の金属膜１５を形成することができる。
【００５６】
第２の実施形態によると、半導体基板１０（１１５）の表面をターゲット１１１の表面に対して傾斜させた状態で半導体基板１０を回転させながらスパッタリングを行なうため、ターゲット１１１から弾き飛ばされた第１の高融点金属は低誘電率膜１１の接続孔１２及び配線溝１３の壁面及び底面に確実に到達するため、第１の金属膜１４の被覆性が向上するので、低誘電率膜１１の連続孔１１ａの開口部は第１の金属膜１４によって塞がれる。このため、原子層堆積法により、第１の金属膜１４の上に第２の高融点金属を主成分とする第２の金属膜１５を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜１１の連続孔１１ａに浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【００５７】
尚、第２の実施形態においては、第１の金属膜１４は窒化タンタル膜であり、第２の金属膜１５はタンタル膜であったが、第１の金属膜１４の組成と第２の金属膜１５の組成とは異なっていてもよいし同じであってもよい。また、第１の金属膜１４の主成分である第１の高融点金属と第２の金属膜１５の主成分である第２の高融点金属とは異なっていてもよいし同じであってもよい。
【００５８】
また、第２の実施形態においては、第１の金属膜１４を大気中に暴露することなく第１の金属膜１４の上に第２の金属膜１５を堆積したが、これに代えて、第１の金属膜１４を大気中に一旦暴露して第１の金属膜１４の表面を部分的に酸化しておいてから、第１の金属膜１４の上に第２の金属膜１５を堆積してもよい。
【００５９】
また、第２の金属膜１５を堆積する前に、第１の金属膜１４の表面に対して、窒素プラズマ処理等のプラズマ処理を施すことが好ましい。例えばタンタルよりなる第１の金属膜１４の表面を窒化しておいてから、窒化タンタルよりなる第２の金属膜１５を堆積すると、第２の金属膜１５の第１の金属膜１４に対する密着性が向上する。
【００６０】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図５（ａ）  〜（ｃ）  、図６（ａ）  、（ｂ）  及び図７（ａ）  、（ｂ）  を参照しながら説明する。
【００６１】
まず、図５（ａ）  に示すように、トランジスタ、ローカル配線及びＰＭＤ（メタル前層間絶縁膜が形成されている半導体基板２０の上に、例えば［化１］に示すシリカ系多孔質膜よりなりガス透過性を有し、７００ｎｍの厚さを持つ低誘電率膜２１を形成した後、周知のリソグラフィ工程及びドライエッチング工程により、低誘電率膜２１に接続孔２２及び配線溝２３を形成する。
【００６２】
次に、周知の反応性スパッタリング法により、図５（ｂ）  に示すように、接続孔２２及び配線溝２３の壁面及び底面に例えば３ｎｍの厚さを有する窒化タンタル膜よりなる第１の金属膜２４を形成する。この場合、周知の反応性スパッタリング法により堆積された第１の金属膜２４の被覆性は良くない。
【００６３】
そこで、図５（ｃ）  に示すように、第１の金属膜２４に対して、例えばアルゴン等の希ガスよりなるプラズマを照射するスパッタリングを行なうことにより、図６（ａ）  に示すように、第１の金属膜２４の被覆性を向上させる。このスパッタリングの条件としては、例えばチャンバーの圧力を約５．３×１０−１１  Ｐａに設定すると共に、加速電圧を３００Ｖに設定する。このようにすると、第１の金属膜２４がアルゴンイオンにより再スパッタされ、再スパッタされた窒化タンタルが接続孔２２及び配線溝２３の壁面及び底面に再び付着するので、アスペクト比が高い接続孔２２の内部においても被覆性に優れた第１の金属膜２４を形成することができる。
【００６４】
図７（ａ）  は図６（ａ）  におけるＣの部分の詳細を示しており、再スパッタにより被覆性が向上した第１の金属膜２４は、低誘電率膜２４の接続孔２１ａの開口部を塞ぐことができる。この場合、図７（ｂ）  に示すように、再スパッタにより被覆性が向上した第１の金属膜２４の膜厚を低誘電率膜２４の接続孔２１ａの開口部の平均径の１／２以上にすることが好ましい。具体的には、第３の実施形態においては、低誘電率膜２１の連続孔２１ａの開口部の平均径が４ｎｍであるから、被覆性が向上した第１の金属膜２４の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましい。このようにすると、低誘電率膜２１の連続孔２１ａの開口部を第１の金属膜２４によって確実に塞ぐことができる。
【００６５】
次に、第２の実施形態と同様、原子層堆積法により、図６（ｂ）  に示すように、第１の金属膜２４の上にタンタルよりなり２ｎｍの膜厚を有する第２の金属膜２５を堆積する。このようにすると、原子層堆積法により堆積されるタンタルは単分子層ずつ堆積されるため、第１の金属膜２４の上に、タンタルよりなり極めて被覆性が高く且つ均一な膜厚を有する第２の金属膜２５を形成することができる。
【００６６】
第３の実施形態によると、第１の金属膜２４をアルゴンイオンにより再スパッタして第１の金属膜２４の被覆性を向上させて、低誘電率膜２１の連続孔２１ａの開口部を第１の金属膜２４によって塞いでおいてから、原子層堆積法により第１の金属膜２４の上に第２の金属膜２５を堆積するため、第２の金属膜２５を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜２１の連続孔２１ａに浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【００６７】
尚、第３の実施形態においては、第１の金属膜２４は窒化タンタル膜であり、第２の金属膜２５はタンタル膜であったが、第１の金属膜２４の組成と第２の金属膜２５の組成とは異なっていてもよいし同じであってもよい。また、第１の金属膜２４の主成分である第１の高融点金属と第２の金属膜２５の主成分である第２の高融点金属とは異なっていてもよいし同じであってもよい。
【００６８】
また、第３の実施形態においては、第１の金属膜２４を大気中に暴露することなく第１の金属膜２４の上に第２の金属膜２５を堆積してもよいし、第１の金属膜２４を大気中に一旦暴露して第１の金属膜２４の表面を部分的に酸化しておいてから、第１の金属膜２４の上に第２の金属膜２５を堆積してもよい。
【００６９】
また、第２の金属膜２５を堆積する前に、第１の金属膜２４の表面に対して、窒素プラズマ処理等のプラズマ処理を施すことが好ましい。例えばタンタルよりなる第１の金属膜２４の表面を窒化しておいてから、窒化タンタルよりなる第２の金属膜２５を堆積すると、第２の金属膜２５の第１の金属膜２４に対する密着性が向上する。
【００７０】
また、第２及び第３の実施形態においては、低誘電率膜に形成された接続孔及び配線溝の壁面及び底面に第１の金属膜及び第２の金属膜よりなるバリア膜を形成したが、バリア膜は低誘電率膜の接続孔又は配線溝の壁面及び底面に形成される場合でもよい。
【００７１】
【発明の効果】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置の製造方法によると、第１の金属膜の被覆性を向上させて、低誘電率膜の連続孔の開口部を第１の金属膜によって塞いておいてから、原子層堆積法により、第１の金属膜の上に第２の金属膜を形成するため、第２の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【００７２】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置によると、スパッタリング法により、基板上に第１の金属膜を堆積した後、該第１の金属膜を大気中に暴露することなく、原子層堆積法により、第１の金属膜の上に第２の金属膜を堆積することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置の平面図である。
【図２】第１の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置を構成するスパッタリング処理室の断面図である。
【図３】（ａ）  〜（ｃ）  は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）  は図３（ｂ）  におけるＡ部の拡大詳細図であり、（ｂ）  は図３（ｃ）  におけるＢ部の拡大詳細図である。
【図５】（ａ）  〜（ｃ）  は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）  及び（ｂ）  は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）  は図６（ａ）  におけるＣ部の拡大詳細図であり、（ｂ）  は再スパッタにより被覆性が向上した第１の金属膜の膜厚と低誘電率膜の接続孔の開口部の平均径との関係を説明する図である。
【図８】従来の半導体装置の製造方法の問題点を説明する断面図である。
【符号の説明】
１０  半導体基板
１１  低誘電率膜
１１ａ  連続孔
１２  接続孔
１３  配線溝
１４  第１の金属膜
１５  第２の金属膜
２０  半導体基板
２１  低誘電率膜
２１ａ  連続孔
２２  接続孔
２３  配線溝
２４  第１の金属膜
２５  第２の金属膜
【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】
2004311545.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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