(57)【要約】【課題】  スパッタリング法を用いらずにバリア層を形成することによって、バリア層を安価にかつ低エネルギで形成する。【解決手段】  導電層３上に配置される層間絶縁層５に形成されたコンタクトホール７１の内壁面７１ａにバリア層を形成するバリア層形成方法であって、少なくともバリア層形成領域を親液化する工程と、上記層間絶縁層５上にバリア層形成材料を含む液状体Ｘを塗布する工程と、上記液状体Ｘを焼成することによってバリア層とする工程とを有する。【選択図】              図３
2005158878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層上に配置される層間絶縁層に形成されたコンタクトホールの内壁面にバリア層を形成するバリア層形成方法であって、
少なくともバリア層形成領域を親液化する工程と、
前記層間絶縁層上にバリア層形成材料を含む液状体を塗布する工程と、
前記液状体を焼成することによってバリア層とする工程と
を有することを特徴とするバリア層形成方法
【請求項２】
前記バリア層形成領域のみ親液化することを特徴とする請求項１記載のバリア層形成方法。
【請求項３】
前記バリア層形成領域外の領域を撥液化する工程を有することを特徴とする請求項２記載のバリア層形成方法。
【請求項４】
先に形成されたバリア層上に前記液状体を塗布し焼成することによってバリア層の膜厚を変化させることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のバリア層形成方法。
【請求項５】
前記液状体は、前記バリア層形成材料であるチタンあるいはタンタルを含むアルコキシドであることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のバリア層形成方法。
【請求項６】
前記液状体を液滴吐出法によって吐出・塗布することを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のバリア層形成方法。
【請求項７】
層間絶縁層を挟んで積層される導電層と第２導電層とを接続するコンタクト部を備える半導体装置の製造方法であって、
前記導電層上に配置された層間絶縁層にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールの内壁面に対して、請求項１〜６いずれかに記載のバリア層形成方法によってバリア層を形成する工程と、
前記コンタクトホールに導電部材を充填することによって前記コンタクト部を形成する工程と、
前記層間絶縁層上に前記第２導電層を配置する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バリア層形成方法及び半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、複数の配線層（導電層）が積層されてなる半導体装置は配線層と異なる配線層の間に層間絶縁層を備えており、各配線層はコンタクト部を介して電気的に導通されている。このようなコンタクト部は、層間絶縁層に形成されたコンタクトホールに導電部材を充填することによって形成されており、配線層と異なる配線層との良好な電気的接続を実現するべく、電気抵抗が低いことが望ましい。このため、一般的に、導電部材としては銅（Ｃｕ）が用いられている。
ところが、コンタクトホールに直接銅（Ｃｕ）等を充填した場合には、銅（Ｃｕ）が層間絶縁層に拡散し、コンタクト部における電気抵抗が増加する。また、さらに銅（Ｃｕ）の層間絶縁層への拡散が広がると、層間絶縁層における絶縁性が保てなくなり、短絡の原因となる。このため、従来の半導体装置は、コンタクトホールの内壁面に導電部材の層間絶縁層への拡散を防止するバリア層を形成し、このバリア層を介して導電部材をコンタクトホール内に充填している。
【０００３】
このようなバリア層は、まずスパッタリング法によって、層間絶縁層上にバリア層形成材料からなる膜を形成し、その後エッチングによって不要な部分を取り去り、さらに窒素で還元することによって形成されている。このバリア層形成材料としては、一般的にチタンやタンタル等が用いられている。
【特許文献１】特開平１０−６４８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のスパッタリング法は、所定ガスと電極金属（バリア層形成材料）とが内部に配置された減圧容器内に高電圧をかけ、その際のエネルギで飛び出した金属原子を薄膜として被覆する方法であるため、このスパッタリング法を用いて製膜する装置のコストが高くなる。また、スパッタリング法は、減圧容器内に高電圧をかけるため、非常に多くのエネルギを必要とする。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、スパッタリング法を用いらずにバリア層を形成することによって、バリア層を安価にかつ低エネルギで形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係るバリア層形成方法は、導電層上に配置される層間絶縁層に形成されたコンタクトホールの内壁面にバリア層を形成するバリア層形成方法であって、少なくともバリア層形成領域を親液化する工程と、上記層間絶縁層上にバリア層形成材料を含む液状体を塗布する工程と、上記液状体を焼成することによってバリア層とする工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
このような特徴を有する本発明に係るバリア層形成方法によれば、親液化されたバリア層形成領域に塗布されたバリア層形成材料を含む液状体を焼成することによってバリア層が形成される。すなわち、塗布された液体状が焼成工程によって体積が減少し、バリア層形成材料が膜として形成される。したがって、本発明に係るバリア層形成方法によれば、スパッタリング法を用いらずにバリア層を形成することによって、バリア層を安価にかつ低エネルギで形成することが可能となる。
【０００８】
また、本発明に係るバリア層形成方法においては、上記バリア層形成領域（すなわちコンタクトホール内壁面及びコンタクトホールによる露出面）のみを親液化させても良い。このように、バリア層形成領域のみを親液化することによって、バリア層形成材料を含む液状体がバリア層形成領域に集まるため、例えば、エッチング処理をすることなく、焼成されたバリア層形成材料のパターニングを行うことができる。しがって、容易にバリア層を形成することができる。
【０００９】
また、本発明に係るバリア層形成方法においては、上記バリア層形成領域外を撥液化する工程を有することが好ましい。このように、バリア層形成領域外を撥液化することによって、層間絶縁層上に塗布された液体状が、撥液化領域からはじかれ親液化領域であるバリア層形成領域に集まるため、より確実にバリア層形成材料のパターニングを行うことができる。
【００１０】
また、本発明に係るバリア層形成方法においては、先に形成されたバリア層上に上記バリア層形成材料を含む液状体を塗布し焼成することによってバリア層の膜厚を変化させることができる。一般的に、バリア層は金属材料によって形成されるため、一度形成されたバリア層の表面は、親液化されている。このため、先に形成されたバリア層上に液状体を塗布した場合には、液状体は、先に形成されたバリア層上に集まる。したがって、先に形成されたバリア層上に集まったバリア層形成材料を含む液状体を焼成することによって、容易にバリア層の膜厚を厚くすることができる。
なお、１回の焼成工程によって製膜されるバリア層の厚みは、液状体に含まれるバリア層形成材料の濃度を変化させることによって、容易に変化させることができる。
【００１１】
また、本発明に係るバリア層形成方法においては、上記液状体が上記バリア層形成材料であるチタンあるいはタンタルを含むアルコキシドであることが好ましい。
液状体としては、バリア層形成材料であるチタンあるいはタンタルの微粒子を含む微粒子分散媒を用いることもできるが、このような微粒子分散媒を焼成した場合には、溶媒が蒸発し、微粒子が残ることによって製膜される。したがって、バリア層は、微粒子の集合体として形成される。これに対して、液状体がバリア層形成材料であるチタンあるいはタンタルを含むアルコキシドである場合には、液状体を焼成した場合に、金属原子同士が結合されて製膜される。このため、液状体が上記バリア層形成材料であるチタンあるいはタンタルを含むアルコキシドである場合には、より均一な膜厚のバリア層を形成することができる。
【００１２】
また、本発明に係るバリア層形成方法においては、上記液状体を液滴吐出法によって吐出・塗布することができる。このように、液滴吐出法を用いて液状体を吐出・塗布することによって、バリア層形成領域に選択的に液状体を吐出・塗布することができるため、液状体の使用量を減少させることが可能となる。
【００１３】
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、層間絶縁層を挟んで積層される導電層と第２導電層とを接続するコンタクト部を備える半導体装置の製造方法であって、上記導電層上に配置された層間絶縁層にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールの内壁面に対して、本発明に係るバリア層形成方法によってバリア層を形成する工程と、上記コンタクトホールに導電部材を充填することによって上記コンタクト部を形成する工程と、上記層間絶縁層上に上記第２導電層を配置する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
このような特徴を有する本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、バリア層がバリア層形成方法によって形成されるため、より安価な半導体装置を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明に係るバリア層形成方法及び半導体装置の製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる各図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体装置１の断面を示した図である。この図に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、基板２と、第１配線層３（導電層）と、層間絶縁層５と、第２配線層６（第２導電層）とが積層された構造を有している。そして、第１配線層３と第２配線層６とがコンタクト部７によって電気的に接続されている。
【００１７】
このコンタクト部７は、層間絶縁層５に形成されるコンタクトホール７１と、コンタクトホール７１の内壁面７１ａ上及びコンタクトホール７１によって露出される第１配線層３上（バリア層形成領域）を覆うバリア層７２と、このバリア層７２を介してコンタクトホール７１の内部に充填される導電部材７３とによって構成されている。
なお、本実施形態に係る半導体装置１においては、基板２がシリコンウエハからなり、第１配線層３及び第２配線層６がアルミニウム（Ａｌ）によって形成され、導電部材７３が銅（Ｃｕ）によって形成され、バリア層７２が窒化チタン（ＴｉＮ）によって形成されている。
【００１８】
このような本実施形態に係る半導体装置１によれば、バリア層７２によって、導電部材７３の層間絶縁層５への拡散が防止される。
【００１９】
次に、このように構成された本実施形態に係る半導体装置１の製造方法について図２及び図３を参照して説明する。
【００２０】
まず、図２（ａ）に示すように、基板２上に、例えばスパッタリング法によってアルミニウム（Ａｌ）を付着させ第１配線層３を形成し、その後、図２（ｂ）に示すように、第１配線層３上に、例えばスピンコート法によってレジスト樹脂を塗布し層間絶縁層５を形成する。その後、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法によって層間絶縁層５にコンタクトホール７１を形成する。
【００２１】
次に、図２（ｄ）に示すように、コンタクトホール７１において露出された第１配線層３のレジスト（層間絶縁層）残渣を除去するために、基板２に対して残渣処理を施す。
残渣処理としては、酸素を処理ガスとするＯ２プラズマ処理を施す。
【００２２】
具体的には、基板２に対しプラズマ放電電極からプラズマ状態の酸素を照射することで行う。Ｏ２プラズマ処理の条件としては、例えばプラズマパワーが５０〜１０００Ｗ、酸素ガス流量が５０〜１００ｍｌ／ｍｉｎ、プラズマ放電電極に対する基板２の板搬送速度が０．５〜１０ｍｍ／ｓｅｃ、基板温度が７０〜９０℃とされる。
なお、第１配線層３は金属材料によって形成されているため、その表面は親液性を有しているが、本実施の形態のように残渣処理のためにＯ２プラズマ処理を施すことで、コンタクトホール７１の底面に露出した第１配線層３の親液性を高めることができる。
【００２３】
続いて、図３（ｅ）に示すように、層間絶縁層５の上面５ａに対して撥液化処理を行い、撥液性を付与する。撥液化処理としては、例えば大気雰囲気中でテトラフルオロメタンを処理ガスとするプラズマ処理法（ＣＦ４プラズマ処理法）を採用することができる。ＣＦ４プラズマ処理の条件は、例えばプラズマパワーが５０Ｗ〜１０００ｋＷ、４フッ化メタンガス流量が５〜１００ｍｌ／ｍｉｎ、プラズマ放電電極に対する基板２の搬送速度が０．５〜１０２０ｍｍ／ｓｅｃ、基板温度が２０〜９０℃とされる。
なお、処理ガスとしては、テトラフルオロメタン（四フッ化炭素）に限らず、他のフルオロカーボン系のガスを用いることもできる。また、コンタクトホール７１の内壁面７１ａに処理ガスがかからないよう、例えば、所定形状のマスクＭを介して処理ガスを吹付けることが好ましい。
【００２４】
このような撥液化処理を行うことにより、層間絶縁層５の上面５ａにはこれを構成する樹脂中にフッ素基が導入され、層間絶縁層５の上面５ａに対して高い撥液性が付与される。なお、上述した親液化処理としてのＯ２プラズマ処理は、層間絶縁層５の形成前に行っても良いが、アクリル樹脂やポリイミド樹脂等は、Ｏ２プラズマによる前処理がなされた方がよりフッ素化（撥液化）されやすいという性質があるため、層間絶縁層５を形成した後にＯ２プラズマ処理することが好ましい。
【００２５】
次に、図３（ｆ）に示すように、チタン（バリア層形成材料）を含有したアルコキシドである液状体Ｘを、例えばスピンコート法を用いて層間絶縁層５上に配置する。この際、液状体Ｘは、基板２に対して大量に塗布されるため、この時点では、撥液化領域と親液化領域とに分離されることなく、層間絶縁層５上に一様に塗布される。
【００２６】
その後、基板２を焼成することによって、バリア層７２を形成する。この焼成過程において、液状体Ｘの体積は減少していき、図３（ｇ）に示すように、撥液化領域と親液化領域とに分かれる。具体的には、液状体Ｘの体積が減少するにつれて、液状体Ｘが撥液化領域である層間絶縁層５の上面５ａからはじかれ親液化領域であるコンタクトホール７１の内壁面７１ａ及びコンタクトホール７１によって露出された第１配線層３上に集まる。そして、さらに液状体Ｘの体積が減少されて、最終的には、図３（ｈ）に示すように、チタンの膜からなるバリア層７２がコンタクトホール７１の内壁面７１ａ及びコンタクトホール７１によって露出された第１配線層３上に形成される。なお、バリア層の厚みを増したい場合には、バリア層７２上にさらに液状体Ｘを塗布し焼成することによって、実現することができる。なお、この場合には、バリア層７２が金属であるために、再び親液化処理をしなくともバリア層７２の表面上は親液性を有している。このため、再び親液化処理をしなくともバリア層７２上に塗布された液状体Ｘの焼成過程において、液状体Ｘがバリア層７２上に集まり、膜厚のバリア層を形成することができる。
【００２７】
次に、基板２全体を加熱雰囲気中に載置し、窒素ガスをコンタクトホール７１内に吹付けることによってバリア層７２が窒素によって還元され、耐腐食性に優れるバリア層７２とされる。
なお、本実施形態に係る半導体装置の製造工程のうち、ここまでに説明した工程が本発明に係るバリア層形成方法に対応する。
【００２８】
続いて、バリア層７２が形成されたコンタクトホール７１内に銅（Ｃｕ）からなる導電部材７３を充填することでコンタクト部７を形成し、さらに層間絶縁層５上に、例えばスパッタリング法によってアルミニウム（Ａｌ）からなる第２配線層６を形成することによって、図１に示す半導体装置１が製造される。
【００２９】
このような本第１実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、液状体Ｘを焼成することによって、バリア層７２が形成されるため、スパッタリング法を用いらず、安価でかつ低エネルギでバリア層７２を形成することができる。
【００３０】
また、本第１実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁層５の上面５ａが撥液化され、コンタクトホール７１の内壁面７１ａ及びコンタクトホール７１によって露出された第１配線層３上が親液化されているため、焼成によって製膜されたチタン膜をパターニングすることなく、バリア層７２を形成することができる。
【００３１】
（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明に係るバリア層形成方法及び半導体装置の製造方法について説明する。なお、本第２実施形態においては、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３２】
図４は、本第２実施形態の半導体装置の製造工程における工程を示した図であり、この工程においては、液滴吐出法を用いて液状体Ｘを吐出・塗布する。なお、この図に示す工程は、上記第１実施形態に係る液状体Ｘを層間絶縁層５上に塗布する工程（図３（ｆ）に示す工程）の代わりに行われるものである。
【００３３】
本第２実施形態においては、液状体Ｘを付着させる際に、例えば、インクジェット装置等の液体を液滴吐出法によって吐出する装置が用いられる。具体的には、図４に示すように、インクジェット装置のノズル５０がコンタクトホール７１の上方に配置され、このノズル５０から液状体Ｘが吐出される。そして、ノズル５０から吐出された液状体Ｘがバリア層形成領域であるコンタクトホールの内壁部７１ａ及びコンタクトホール７１によって露出された第１配線層３上に接触して配置（塗布）される。このように、液滴吐出法によって液状体Ｘを吐出することによって、必要最小限の液状体Ｘを選択的にコンタクトホール７１の内部に吐出・配置することができるため、液状体Ｘの使用量を上記第１実施形態と比べて減少させることができる。
【００３４】
そして、液滴吐出法によって吐出された液状体Ｘを焼成することによって、図３（ｈ）に示すバリア層７２と同様のバリア層が形成される。
【００３５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係るバリア層形成方法及び半導体装置の製造方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３６】
例えば、上記実施形態において、バリア層７２をコンタクトホール７１の内壁面７１ａ及びコンタクトホール７１において露出された第１配線層３上に形成した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、バリア層７２をコンタクトホール７１の内壁面７１ａ、コンタクトホール７１において露出された第１配線層３上及び層間絶縁層５の上面５ａの一部に亘って形成しても良い。このように、バリア層７２を層間絶縁層５の上面５ａに亘って形成することによって、導電部材７３が第２配線層６とバリア層７２との界面を通じて層間絶縁層５に拡散することを抑止することができる。なお、この場合には、層間絶縁層５の上面５ａの一部も親液化される。
【００３７】
また、上記実施形態において、液状体Ｘとしてチタン（バリア層形成材料）を含むアルコキシドを用いた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、液状体Ｘとして、タンタルを含むアルコキシドを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置１の断面図である。
【図２】同、半導体装置１の製造方法を説明するための図である。
【図３】同、半導体装置１の製造方法を説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３９】
１……半導体装置、２……基板、３……第１配線層（導電層）、５……層間絶縁層、６……第２配線層（第２導電層）、７……コンタクト部、７１……コンタクトホール、７２……バリア層、７３……導電部材、Ｘ……液状体
【図１】
2005158878.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005158878.tif 000006