(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された層間絶縁膜を選択的に除去して前記半導体基板の一領域を露出させるコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールを介して半導体基板に連結される金属配線を形成する前に、前記コンタクトホールを形成させた層間絶縁膜を有する半導体基板の全面に拡散防止膜を形成する工程において、
前記半導体基板に前駆体を吸着させた後、反応ガスを供給して原子堆積法を用いてＴｉ膜を形成する段階と、
前記Ｔｉ膜を形成させた半導体基板に前記前駆体と同じ前駆体を吸着させた後、前記反応ガスとは異なる反応ガスを供給して原子堆積法を用いてＴｉＮ膜を形成する段階と、
前記ＴｉＮ膜にシラン処理する段階と、
前記Ｔｉ膜形成段階と、ＴｉＮ膜形成段階と、シラン処理する段階とを繰り返して前記Ｔｉ膜とＴｉＮ膜を所望の厚さに形成する段階と、
最後に前記シラン処理されたＴｉＮ膜上に原子堆積法でＴｉ薄膜を形成する段階と
とを有することを特徴とする半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【請求項２】
半導体基板上に形成された層間絶縁膜を選択的に除去して前記半導体基板の一領域を露出させるコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールを介して半導体基板に連結される金属配線を形成する前に、前記コンタクトホールを形成させた層間絶縁膜を有する半導体基板の全面に拡散防止膜を形成する工程において、
前記半導体基板に前駆体を吸着させた後、反応ガスを供給して原子堆積法を用いてＴｉ膜を形成する段階と、
前記Ｔｉ膜を形成させた半導体基板に前記前駆体と同じ前駆体を吸着させた後、前記反応ガスとは異なる反応ガスを供給して原子堆積法を用いてＴｉＮ膜を形成する段階と、
前記Ｔｉ膜形成段階とＴｉＮ膜形成段階とを繰り返してＴｉ膜とＴｉＮ膜を所望の厚さに形成する段階と、
前記ＴｉＮ膜にシラン処理する段階と、
最後に前記シラン処理されたＴｉＮ膜上に原子堆積法でＴｉ薄膜を形成する段階と
とを有することを特徴とする半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【請求項３】
前記Ｔｉ膜を形成するための反応ガスとして水素ガスＨ2 を用いて、それを０．１秒ないし１分間１０〜１０００ｓｃｃｍで供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【請求項４】
前記ＴｉＮ膜を形成するための反応ガスとしてアンモニアガスＮＨ3 又は水素と窒素混合ガスＨ2＋Ｎ2を用いて、それを０．１秒ないし１分間１０〜１０００ｓｃｃｍで供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【請求項５】
前記前駆体としてＴｉＣｌ4 、ＴＤＭＡＴ、ＴＤＥＡＴ、ＴＥＭＡＴのうちいずれかを用いて、それを０．１秒ないし１分間１０〜１０００ｓｃｃｍで供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【請求項６】
前記前駆体又は反応ガスを供給して前記半導体基板に吸着させたあと、アルゴンガスＡｒを１０〜１０００ｓｃｃｍの流量で０．１秒ないし２分間フローさせて吸着されない前駆体又は反応ガスを除去する工程を更に含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【請求項７】
Ｔｉ膜形成時の反応ガスの供給のためのガス供給管とＴｉＮ膜形成時の反応ガスの供給のためのガス供給管とを異なるガス供給管を用い、Ｔｉ膜に対する反応ガスをＴｉＮ膜形成時に同時に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【請求項８】
前記繰り返しは、前記Ｔｉ膜の厚さの合計が１０〜５００Åとなり、前記ＴｉＮ膜の厚さの合計が１０〜６００Åとなるように５ないし２０００回繰り返すことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子に関するもので、特に、バリア特性を向上させるのに適合した半導体素子の拡散防止膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子の配線は素子の高集積化によって拡散防止膜のＴｉ／ＴｉＮ膜を堆積させた後、銅配線工程が汎用されている。
従来にはかかる拡散防止膜を物理気相蒸着法(ＰＶＤ)または化学気相蒸着法(ＣＶＤ)を用いて形成した。
【０００３】
しかしながら、前記のような従来の半導体素子の拡散防止膜形成方法は次のような問題があった。
第一、従来のＣＶＤ法やＰＶＤ法で形成された拡散防止膜は銅原子の拡散を防止する能力と銅配線との接着力が弱かったので、拡散防止膜が銅配線のバリア膜としての役割を十分果たしていないため素子の信頼性及び素子特性の安定性が低下している。
【０００４】
第二、素子の高性能化の傾向に沿って０．１μｍ以下の高性能素子では拡散防止膜の厚さを最小にしなければならないがその実現が難しいため素子の性能が低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためのもので、薄膜で、かつ高品質バリア膜を形成して素子の信頼性及び特性の安定性を向上させることができる半導体素子の拡散防止膜形成方法を提供することが目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明による半導体素子の拡散防止膜形成方法は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜を選択的に除去して半導体基板の一領域を露出させるコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを介して半導体基板に連結される金属配線を形成する前に、コンタクトホールを形成させた層間絶縁膜を有する半導体基板の全面に拡散防止膜を形成する工程において、原子堆積法を用いて、前駆体は同じものを使用し、反応ガスは取り換えるようにして前駆体と反応ガスを交互に供給して空気中に露出されることなくＴｉ膜の上にＴｉＮ膜を形成する段階と；前記ＴｉＮ膜にシラン処理する段階と；最後には原子堆積法でＴｉ薄膜を形成する段階とを有することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
図１は一般的な半導体素子の配線構造を示す断面図であり、図２は本発明の第１実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
図３は本発明の第２実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートであり、図４は本発明の第３実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートであり、図５は反応器内のガス注入手順及び製造工程の過程を示す図である。
【０００８】
一般的に、デュアルダマシン構造の半導体素子は、図１に示すように、基板１１上に第１、第２エッチング停止膜１２、１４と、第１、第２層間絶縁膜１３、１５を図示のように形成させた後、これらを貫通するようにコンタクトホールを形成させ、その内面と第２層間絶縁膜１６上に薄くＴｉ／ＴｉＮ膜からなる拡散防止膜１６を形成させ、その拡散防止膜１６を形成させたコンタクトホール内に銅配線を埋め込むようになっている。シングルダマシン構造においてもコンタクトホール内面に拡散防止膜を形成させて銅配線を埋め込んでいる。銅の代わりにアルミニウムを用いる場合もある。
【０００９】
第１，第２層間絶縁膜１３、１５は酸化膜又は低誘電率の物質を用いて形成し、第１、第２エッチング停止膜１２、１４は第１、第２層間絶縁膜１３、１５と異なるエッチング選択比を有する物質例えば、窒化膜を使用する。
【００１０】
本発明の第１実施形態による半導体素子の拡散防止膜は図２に示すように、Ｔｉモノ層の堆積、ＴｉＮモノ層の堆積、シラン処理工程を一つのサイクルとしてＴｉ膜とＴｉＮ膜とを希望の厚さになるように工程サイクルを繰り返して形成する。Ｔｉモノ層の堆積、ＴｉＮモノ層の堆積はいずれも原子堆積法（atomic layer deposition：ＡＬＤ）を用いて実施する。
【００１１】
以下、具体的な方法に対して説明する。
まず、図５に示すように、反応器３１の中に半導体基板１１を配置して、２００〜７００℃に温度を上げ、温度を上げた状態で半導体基板１１上に前駆体物質であるＴｉＣｌ４（Ａ）を０．１秒ないし１分間１０〜１０００ｓｃｃｍの流量でフローさせて半導体基板１１に吸着させる。
【００１２】
前駆体物質としてはＴｉＣｌ４の代わりにＴＤＭＡＴ（Tetrakis DiMethyl Amido Titanium：Ｔｉ(Ｎ(Ｍｅ２)４）)、ＴＤＥＡＴ(Tetrakis DiEthyl Amido Titanium：Ｔｉ(Ｎ(Ｅｔ２)４）)、ＴＥＭＡＴ(Tetrakis(Ethyl Methyl  Amido  Titanium：Ｔｉ(Ｎ(ＥｔＭｅ)４）)のうちいずれかの一つを用いてもよい。
【００１３】
工程が行われている反応器３１の内部圧力は０．１〜５Ｔｏｒｒに維持する。
【００１４】
前駆体物質の供給終了後、アルゴンＡｒガスを１０〜１０００ｓｃｃｍで０．１秒ないし２分間流して反応器３１に吸着されなかったＴｉＣｌ４を除去する。
さらに、反応ガスである水素ガスＨ２(Ｂ)を０．１〜１分間１０〜１０００ｓｃｃｍ程度でフローさせてＴｉＣｌ４が吸着された半導体基板１１に水素ガスＨ２を吸着させて次の式１の反応でＴｉモノ層を形成する（図２の２ａ)。
【００１５】
［式１］
ＴｉＣｌ４（ｇ）＋２Ｈ２（ｇ）＝Ｔｉ(ｓ)＋４ＨＣｌ（ｇ）
アルゴンガスをフローさせて残留水素ガスと副産物である塩素ガスＨＣｌを除去する。上記式でｇはガスであることを、ｓは固体であることを示している。
【００１６】
その後、水素ガスＨ２の代わりにアンモニアガスＮＨ３を用いるか窒素Ｎ２と水素ガスＨ２の混合ガスを用いてＴｉモノ層と同一の方法でＴｉＮモノ層を形成する。その際、前駆体物質としてはＴｉ膜形成の時と同じものを用いる。
即ち、前駆体物質のＴｉＣｌ４（Ａ）を０．１秒ないし１分間１０〜１０００ｓｃｃｍの流量で限定的に供給してＴｉモノ層に吸着させる。
アルゴンＡｒガスを１０〜１０００ｓｃｃｍの流速で０．１秒〜２分間流して吸着しなかったＴｉＣｌ４を除去する。
【００１７】
その後、反応ガスのアンモニアガスＮＨ３（Ｃ）を０．１秒ないし１分間１０〜１０００ｓｃｃｍの程度でフローさせてＴｉＣｌ４が吸着されたＴｉモノ層にアンモニアガスＮＨ３を吸着させて、次の式２の反応でＴｉＮモノ層を形成する（図２の２ｂ）。
【００１８】
［式２］
６ＴｉＣｌ４(ｇ）＋８ＮＨ３(ｇ)＝６ＴｉＮ(ｓ)＋２４ＨＣｌ(ｇ)＋Ｎ３(ｇ)
【００１９】
さらに、アルゴンガスをフローさせて残留のアンモニアガスと副産物である塩素ガスＨＣｌ及び窒素ガスＮ２を除去する。
【００２０】
アンモニアガスＮＨ３を流すためのガス管は水素ガス管を用いたり、装備内に別のアンモニアガス管を取り付けて用いたりできる。
その場合、すなわち別のアンモニアガス管を設置して用いる場合には、水素ガス管を通してチタニウムＴｉ膜堆積時に用いた水素ガスをＴｉＮ膜の堆積時にも流し続けることができる。それによってアンモニアガス管を介してアンモニアガスＮＨ３を流すとそれぞれ別々の管を使用して流量をそれぞれ個々に調整することができるので、反応ガスを容易に調節できる。その場合の反応メカニズムは次の式３の通りである。
【００２１】
［式３］
２ＴｉＣｌ４(ｇ）＋２ＮＨ３(ｇ)＋Ｈ２(ｇ）＝２ＴｉＮ(ｓ)＋８ＨＣｌ(ｇ)
【００２２】
本実施形態では、反応器内にガスを注入する方法は半導体基板の向きに平行に流しているが、基板を１０〜５００ｒｐｍ程度の速度で回転させて半導体基板の全ての方向で同時間に同量のガスが基板に吸着するようにしてもよい。
【００２３】
さらに、銅配線との接着性の改善及びバリア特性改善のためにＴｉＮモノ層の表面にシラン(ＳｉＨ４)処理する(２ｃ)ことが望ましい。
上記したＴｉモノ層堆積（２ａ）、ＴｉＮモノ層堆積（２ｂ）、シラン処理（２ｃ）の工程サイクルを５〜２０００回行ってＴｉモノ層とＴｉＮモノ層の厚さの総計が各々１０〜５００Å、１０〜６００Åとなるように形成する（２ｄ）。
最後に、シラン処理したＴｉＮ膜上にＴｉモノ層堆積工程でＴｉ膜を形成して本発明の第１実施形態による拡散防止膜を完成する（２ｅ）。
【００２４】
本発明の第２実施形態による半導体素子の拡散防止膜形成方法を図３に示す。第１実施形態と同様にＴｉモノ層を堆積し（３ａ）、ＴｉＮモノ層を堆積する（３ｂ）。その堆積方法は特に変える必要はない。
次にＴｉモノ層堆積（３ａ）とＴｉＮモノ層堆積（３ｂ）の工程を一つのサイクルとしてＴｉモノ層とＴｉＮモノ層厚さの総合が各々１０〜５００Å、１０〜６００Åとなるようにそれらの工程サイクルを５〜２０００回行う（３ｃ）。
所定の厚さになった後にＴｉＮ膜上にシラン処理（３ｄ）を施し、その上にＴｉモノ層をさらに堆積（３ｅ）して本発明第２実施形態による拡散防止膜を完成する。
【００２５】
本発明の第３実施形態による半導体素子の拡散防止膜形成方法を図４に示す。まず、半導体基板１１上に１０〜５００Åの厚さとなるようにＴｉモノ層の堆積工程を５〜２０００回行う（４ａ)(４ｄ）。
【００２６】
次に所定の厚さに堆積されたＴｉ膜上に１０〜６００Åの厚さとなるようにＴｉＮモノ層の堆積工程を５〜２０００回行う(４ｃ)(４ｄ)。
これらのＴｉモノ層及びＴｉＮモノ層の堆積方法それ自体は前記第１実施形態におけるＴｉモノ層／ＴｉＮ膜堆積方法と同一である。
その後ＴｉＮ膜をシラン処理した後（４ｅ）、Ｔｉモノ層を堆積して（４ｆ）本発明の第３実施形態による拡散防止膜を完成する。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体素子の拡散防止膜形成方法によれば次のような効果がある。
本発明においてはシラン工程を介して拡散防止膜を形成させているので、その膜のバリア特性及び銅配線との接着性が向上できる。
また、本発明は原子堆積法を用いてＴｉ膜、ＴｉＮ膜を形成させているので、拡散防止膜の厚さ及び組成を精密に制御できるので０．１μｍ以下の高性能素子の信頼性及び特性安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な半導体素子の配線構造を示す断面図。
【図２】本発明の第１実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
【図４】本発明の第３実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態による拡散防止膜形成工程で反応器内のガス注入手順及び製造工程過程を示す図である。
【符号の説明】
１１  半導体基板
１２  第１エッチング停止膜
１３  第１層間絶縁膜
１４  第２エッチング停止膜
１５  第２層間絶縁膜
１６  拡散防止膜
１７  銅配線
５１  反応器
【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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