(57)【要約】【課題】半導体装置の信頼性を向上させる。また、半導体装置の生産性を向上させる。【解決手段】Ｔｉ／ＴｉＮの成膜において、スパッタリング法によるＴｉＮ成膜時に使用するＡｒとＮ２の混合ガスのうち、Ｎ２ガスをＡｒガスよりも先にＯＦＦ（供給停止）する。【選択図】図５
2016219491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング法により第１の基板上に第１のＴｉ膜を形成する工程と、
スパッタリング法により前記第１のＴｉ膜上に第１のＴｉＮ膜を形成する工程と、を有し、
前記第１のＴｉＮ膜を形成する工程は、ＴｉターゲットおよびＡｒ／Ｎ２の混合ガスによるスパッタリング法を用い、Ｎ２ガスの供給をＡｒガスの供給よりも先に停止するＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法において、さらに、
スパッタリング法により前記第１のＴｉＮ膜上にＡｌ膜を形成する工程と、
スパッタリング法により前記Ａｌ膜上に前記第１のＴｉ膜と異なる第２のＴｉ膜を形成する工程と、
スパッタリング法により前記第２のＴｉ膜上に前記第１のＴｉＮ膜と異なる第２のＴｉＮ膜を形成する工程と、を有し、
前記第１のＴｉ膜、前記第１のＴｉＮ膜、前記Ａｌ膜、前記第２のＴｉ膜、前記第２のＴｉＮ膜からなる積層膜をフォトリソグラフィおよびドライエッチングによりパターニングすることでＡｌ配線を形成するＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法。
【請求項３】
請求項２に記載のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法において、
前記第２のＴｉＮ膜を形成する工程は、ＴｉターゲットおよびＡｒ／Ｎ２の混合ガスによるスパッタリング法を用い、Ｎ２ガスの供給をＡｒガスの供給よりも先に停止するＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法において、さらに、
前記第２のＴｉＮ膜上に高誘電体膜を形成する工程と、
前記高誘電体膜上に金属膜を形成する工程と、を有し、
前記高誘電体膜、前記金属膜からなる積層膜をフォトリソグラフィおよびドライエッチングによりパターニングすることで容量素子を形成するＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法。
【請求項５】
請求項２に記載のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法は、第１の処理室、第２の処理室及び第３の処理室を有するスパッタ装置内で行われ、
前記第１のＴｉ膜と前記第１のＴｉＮ膜を前記第１の処理室で形成し、
前記Ａｌ膜を前記第１の処理室と異なる前記第２の処理室で形成し、
前記第２のＴｉ膜と前記第２のＴｉＮ膜を前記第１の処理室および前記第２の処理室と異なる前記第３の処理室で形成し、
前記第１の処理室で前記第１のＴｉＮ膜を形成した後、前記第１の基板を前記第１の処理室から搬出し、
前記第１の基板と異なる第２の基板を前記第１の処理室に搬入し、
前記第２の基板上に第３のＴｉ膜を形成し、
前記第３のＴｉ膜上に第３のＴｉＮ膜を形成し、
前記第３のＴｉＮ膜の形成は、ＴｉターゲットおよびＡｒ／Ｎ２の混合ガスによるスパッタリング法を用い、Ｎ２ガスの供給をＡｒガスの供給よりも先に停止するＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法。
【請求項６】
請求項５に記載のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法において、
前記第１のＴｉＮ膜を形成する際、Ｎ２ガスの供給をＡｒガスの供給よりも先に停止したことにより、前記第２の基板上に前記第３のＴｉ膜を形成する際、前記第１の処理室のＴｉターゲットの表面の窒化物がＡｒプラズマにより除去されているＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法。
【請求項７】
請求項１に記載のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法は、第１の処理室を有するスパッタ装置で行われ、
前記第１のＴｉＮ膜を形成後、前記第１の基板を前記第１の処理室から搬出し、
前記第１の基板と異なる第２の基板を前記第１の処理室に搬入し、
前記第２の基板上に第２のＴｉ膜を形成し、
前記第２のＴｉ膜上に第２のＴｉＮ膜を形成し、
前記第２のＴｉＮ膜を形成する際、Ｎ２ガスの供給をＡｒガスの供給よりも先に停止するＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法。
【請求項８】
第１の処理室及び前記第１の処理室内に第１のステージを有するスパッタ装置を用いて行われる半導体装置の製造方法であって、
（ａ）第１の基板を前記第１の処理室に搬入し、前記第１のステージ上に載置する工程、
（ｂ）前記（ａ）工程の後、前記第１の処理室を真空排気する工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記第１の処理室にＡｒガスを供給する工程、
（ｄ）前記（ｂ）工程の後、前記第１のステージに対向して配置された第１の金属ターゲットに電圧を印加する工程、
（ｅ）前記（ｂ）工程の後、前記第１の処理室にＮ２ガスを供給する工程、
（ｆ）前記（ｃ）〜（ｅ）工程の後、前記Ｎ２ガスの供給を停止する工程、
（ｇ）前記（ｆ）工程の後、前記Ａｒガスの供給および前記電圧の印加を停止する工程、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｅ）工程の前に、前記電圧の印加を一旦停止し、
前記（ｅ）工程において窒素ガスの供給を開始した後、前記金属ターゲットに再び電圧を印加する半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の金属ターゲットは、Ｔｉを主成分とするＴｉターゲットである半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記スパッタ装置は更に第２の処理室及び前記第２の処理室内の第２のステージを有しており、
前記（ｇ）工程の後、さらに
（ｈ）前記第１の基板を前記第１の処理室から搬出する工程、
（ｉ）前記（ｈ）工程の後、前記第１の基板を前記第２の処理室に搬入し、前記第２のステージ上に載置する工程、
（ｊ）前記（ｉ）工程の後、前記第２の処理室を真空排気する工程、
（ｋ）前記（ｊ）工程の後、前記第２の処理室にＡｒガスを供給する工程、
（ｌ）前記（ｊ）工程の後、前記第２のステージに対向して配置されたＡｌターゲットに電圧を印加する工程、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記スパッタ装置は更に第３の処理室及び前記第３の処理室内の第３のステージを有しており、
前記（ｌ）工程の後、さらに
（ｍ）前記第１の基板を前記第２の処理室から搬出する工程、
（ｎ）前記（ｍ）工程の後、前記第１の基板を前記第３の処理室に搬入し、前記第３のステージ上に載置する工程、
（ｏ）前記（ｎ）工程の後、前記第３の処理室を真空排気する工程、
（ｐ）前記（ｏ）工程の後、前記第３の処理室にＡｒガスを供給する工程、
（ｑ）前記（ｏ）工程の後、前記第３のステージに対向して配置された第２の金属ターゲットに電圧を印加する工程、
（ｒ）前記（ｏ）工程の後、前記第３の処理室にＮ２ガスを供給する工程、
（ｓ）前記（ｐ）〜（ｒ）工程の後、前記Ｎ２ガスの供給を停止する工程、
（ｔ）前記（ｓ）工程の後、前記Ａｒガスの供給および前記電圧の印加を停止する工程、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の金属ターゲットは、Ｔｉを主成分とするＴｉターゲットである半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｇ）工程の後、さらに
（ｕ）前記第１の基板を前記第１の処理室から搬出する工程、
（ｖ）前記（ｕ）工程の後、第２の基板を前記第１の処理室に搬入し、前記第１のステージ上に載置する工程、
（ｗ）前記（ｖ）工程の後、前記第１の処理室を真空排気する工程、
（ｘ）前記（ｗ）工程の後、前記第１の処理室にＡｒガスを供給する工程、
（ｙ）前記（ｗ）工程の後、前記第１のステージに対向して配置された前記第１の金属ターゲット間に電圧を印加する工程、
（ｚ）前記（ｗ）工程の後、前記第１の処理室にＮ２ガスを供給する工程、
（ａ’）前記（ｘ）〜（ｚ）工程の後、前記Ｎ２ガスの供給を停止する工程、
（ｂ’）前記（ａ’）工程の後、前記Ａｒガスの供給および前記電圧の印加を停止する工程、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の金属ターゲットは、Ｔｉを主成分とするＴｉターゲットであ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、半導体装置の製造方法に関し、特に、Ｔｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム（以下、Ａｌ）配線を用いる半導体装置では、Ａｌ膜のモフォロジ（表面平滑性）の悪化により、ドライエッチング時に下地膜（バリアメタル膜）であるチタン（以下、Ｔｉ）／窒化チタン（以下、ＴｉＮ）積層膜の残渣が発生し、配線間ショートなどの原因となる場合がある。
【０００３】
Ａｌ配線は下層から順にバリアメタル膜（Ｔｉ／ＴｉＮ積層膜）、Ａｌ膜、キャップメタル膜（Ｔｉ／ＴｉＮ積層膜）の積層構造が一般的に用いられており、バリアメタル膜の結晶方位が上層に形成されるＡｌ膜のモフォロジに影響を及ぼすことが知られている。
【０００４】
本技術分野の背景技術として、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、Ａｌ配線の下地膜として使用するバリアメタルであるＴｉ膜、ＴｉＮ膜の結晶方位をそれぞれ（００２）、（１１１）に配向させることで、Ａｌ膜の（１１１）配向が強まり、Ａｌ膜のモフォロジが改善する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、バリアメタルの結晶方位を揃えるために、Ｔｉ成膜前にいわゆるシャッターデポを実施することの有効性が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、バリアメタルの結晶方位を制御するために、Ｔｉと層間膜の界面に均一なＴｉＯ２を形成することの有効性が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−９３１６０号公報
【特許文献２】特開２００７−３１１４６１号公報
【特許文献３】特開２００８−３１１３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スパッタリング法により、バリアメタル膜であるＴｉ膜とＴｉＮ膜の積層膜を成膜する場合、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜を同じ処理室内で成膜するため、ＴｉＮ膜を成膜した後のＴｉターゲットの表面は窒化している。したがって、次のウエハを処理する際に、Ｔｉ成膜初期においては窒化したターゲット表面をスパッタすることになり、ウエハ上に形成されるバリアメタルＴｉ膜中には窒素が含有される。
【０００９】
特許文献１に記載があるように、バリアメタル膜の結晶方位は、Ｔｉが（００２）、ＴｉＮが（１１１）に揃っている場合、その上に成膜されるＡｌ膜の結晶方位が（１１１）となりモフォロジが良くなる。また、Ａｌ膜の結晶方位が（１１１）となった場合、配線の信頼性も向上することが知られている。
【００１０】
ところが、最下層膜であるＴｉ膜中に窒素が含有されると、均一に（００２）方位に揃わなくなり、Ａｌ配線のモフォロジの悪化や配線の信頼性の低下が引き起こされる。
【００１１】
バリアメタルのＴｉ膜中に窒素が含有しないようにする方法としては、例えば、特許文献２にあるように、ＴｉＮ膜を成膜した後にターゲット最表面の窒化膜を除去してやれば良い。具体的には、シャッターディスクと呼ばれる、ウエハを模した板をステージ上に搬送してステージをカバーしたうえで、アルゴン（以下、Ａｒ）ガスによるスパッタを行う。しかしながら、この方法では、ウエハを１枚処理する毎に、シャッターをステージに搬送する必要があり、生産性が著しく低下する。
【００１２】
本願の課題は半導体装置の信頼性を向上させることにある。また、半導体装置の生産性を向上させることにある。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施の形態によれば、Ｔｉ／ＴｉＮ成膜において、スパッタリング法によるＴｉＮ成膜時に使用するＡｒと窒素（以下、Ｎ２）の混合ガスのうち、Ｎ２ガスをＡｒガスよりも先にＯＦＦ（供給停止）する。
【発明の効果】
【００１４】
前記一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性が向上する。また、半導体装置の生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】スパッタ装置のターゲットおよび基板上に形成される積層膜を示す図であり、第１の比較検討例である。
【図１Ｂ】スパッタ装置のターゲットおよび基板上に形成される積層膜を示す図であり、第２の比較検討例である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るスパッタ装置の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るスパッタ装置のガス供給系統および排気系統を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部工程のタイミングチャートである。
【図６】本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【図７】Ｔｉ膜と欠陥密度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
半導体装置のＡｌ配線は、一般的に次のような工程を経て形成される。
先ず、スパッタ装置により、下から順に、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ａｌ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜の積層膜を形成する。ここで、Ａｌ膜の下層膜（下地膜）すなわち下層のＴｉ膜およびＴｉＮ膜をバリアメタル膜、Ａｌ膜の上層膜すなわち上層のＴｉ膜およびＴｉＮ膜をキャップメタル膜と呼ぶ。Ａｌ膜は純Ａｌ膜の場合もあるが、通常はエレクトロマイグレーション防止を目的として銅（以下、Ｃｕ）やシリコン（以下、Ｓｉ）等の他の金属材料が微量添加されており、最もよく使用されているのはＣｕ添加されたＡｌ−Ｃｕである。
【００１８】
これらの金属膜はスパッタリング法により形成されるが、上記の積層膜構造を大気暴露することなく積層するために、通常、スパッタ装置はウエハを真空中で搬送可能なマルチチャンバー方式の成膜装置が使用される。
【００１９】
このマルチチャンバー方式のスパッタ装置は、図３に示すように、真空搬送チャンバー２７に連結される３つのチャンバー（処理室）を有している。
【００２０】
これらの３つのチャンバーは、バリアメタル膜であるＴｉ／ＴｉＮ積層膜を成膜するバリアメタル膜形成用スパッタチャンバー（スパッタチャンバーＡ２４）、Ａｌ膜を成膜するＡｌ膜形成用スパッタチャンバー（スパッタチャンバーＢ２５）、キャップメタル膜であるＴｉ／ＴｉＮ積層膜を成膜するキャップメタル膜形成用スパッタチャンバー（スパッタチャンバーＣ２６）で構成されている。
【００２１】
ここで、バリアメタル形成用チャンバーおよびキャップメタル形成用チャンバーは、原料（ターゲット材）としてＴｉターゲットを用いる。
【００２２】
Ｔｉ膜を成膜する工程（ステップ）においては、スパッタチャンバーにＡｒガスを供給し、Ｔｉターゲットに高周波（ＲＦ）バイアス或いは直流（ＤＣ）バイアスを印加することによりＡｒガスをプラズマ化し、ＡｒプラズマによりＴｉターゲットをスパッタしてウエハ上にＴｉ膜を成膜する。
【００２３】
また、ＴｉＮ膜を成膜する工程（ステップ）においては、スパッタチャンバーにＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスを供給し、Ｔｉターゲットに高周波（ＲＦ）バイアス或いは直流（ＤＣ）バイアスを印加することによりＡｒ／Ｎ２の混合ガスをプラズマ化し、Ａｒ／Ｎ２プラズマによりＴｉターゲットをスパッタしてウエハ上にＴｉＮ膜を成膜する。
【００２４】
次に、上記により形成したＡｌ配線用金属膜（積層膜）上に、反射防止膜（ＢＡＲＬ：Ｂｏｔｔｏｍ−Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ−Ｌａｙｅｒ）を形成する。
【００２５】
続いて、反射防止膜上にフォトレジストを塗布し、リソグラフィにより所定のパターンを露光する。
【００２６】
最後に、ドライエッチングによりＡｌ配線用金属膜（積層膜）の不要な部分を除去し、Ａｌ配線を形成する。
【００２７】
ここで、第１の比較検討例として、シャッターデポを行わない場合のＴｉターゲットおよびウエハ上に形成されるＴｉ／ＴｉＮ積層膜の様子を図１Ａに示す。図１ＡはスパッタチャンバーおよびＴｉターゲット、ウエハを概念的に示す断面図である。
【００２８】
上述したように、ＴｉＮ膜成膜時にＡｒガスと共にＮ２ガスもチャンバー内に供給されるため、Ｔｉターゲット３の最表面にはＴｉＮ層４が形成される。また、Ｔｉターゲット３の最表面にＴｉＮ層４が形成されることにより、次のウエハを処理する際に、Ｔｉ成膜初期においては窒化したターゲット表面をスパッタするため、ウエハ５上には窒素を含有するＴｉ膜６が形成される。その結果、Ｔｉ膜７の結晶方位が均一に（００２）方位に揃わなくなり、続いて形成されるＴｉＮ膜８およびＡｌ膜（図示せず）の結晶方位も不均一となる。
【００２９】
図１Ｂに、第２の比較検討例として、シャッターデポを行った場合のＴｉターゲットおよびウエハ上に形成されるＴｉ／ＴｉＮ積層膜の様子を示す。シャッターデポを行った場合、シャッターディスクをステージ上に搬送した後、ＡｒプラズマによりＴｉターゲット３の最表面がスパッタされるため、Ｔｉターゲット３の最表面のＴｉＮ層は除去され、Ｔｉターゲット３の最表面には純Ｔｉが露出する。
【００３０】
このため、次のウエハを処理する際、Ｔｉ成膜初期から純Ｔｉがスパッタされ、ウエハ５上には窒素を含有するＴｉ膜が形成されることはない。その結果、結晶方位が（００２）に均一に揃ったＴｉ膜７をウエハ５上に形成することができ、上層に形成されるＴｉＮ膜８の結晶方位も（１１１）に均一に揃えることができ、さらにその上層に形成されるＡｌ膜（図示せず）の結晶方位も（１１１）に均一に揃えることができる。しかしながら、上述したように、この方法ではシャッターデポを行うための工程（ステップ）が必要となり、スパッタ装置の生産性が低下してしまう。
【００３１】
図２乃至図５を用いて、本実施例におけるＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法について説明する。図２は、本実施例によるＡｌ配線および当該Ａｌ配線を下層配線や素子と電気的に接続するプラグを概念的に示す断面図である。また、図３は、本実施例において使用するマルチチャンバー方式のスパッタ装置であり、図４は、スパッタ装置のスパッタチャンバーおよびガス供給系統を概念的に示す図である。図５は、従来プロセスおよび本実施例のプロセスでのＴｉ／ＴｉＮ積層膜の成膜処理を示すタイミングチャートである。
【００３２】
図２に示すように、本実施例における半導体装置は、半導体基板（ウエハ）を含み、半導体基板にはＭＯＳＦＥＴ等からなる複数の半導体素子が形成されている。各半導体素子上には複数の配線層が形成されている。図２では半導体素子を省略して図示しており、半導体素子上に形成された絶縁膜９を形成した後の状態を図示している。絶縁層９には、コンタクトホールが形成されており、コンタクトホール内にプラグが埋め込まれている。プラグはバリアメタル膜１０及び導電性膜１１から構成されている。配線用金属膜の主体となるＡｌ膜１５は、このプラグを介して、半導体基板上の半導体素子と電気的に接続する。なお、バリアメタル膜１０は例えば、窒化チタンまたはチタンと窒化チタンの積層膜からなる。導電性膜１１は例えば、タングステンからなる。
【００３３】
バリアメタル膜１０および導電性膜１１上には、バリアメタル膜１４が形成されている。このバリアメタル膜１４は、チタン膜（Ｔｉ膜）１２および窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）１３の積層膜で構成され、膜厚はそれぞれ、Ｔｉ膜１２が１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度、ＴｉＮ膜１３が１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。
【００３４】
バリアメタル膜１４上には、アルミニウム膜（Ａｌ膜）１５が形成されており、その膜厚は１５０ｎｍ〜３９０ｎｍ程度である。Ａｌ膜１５はＡｌ配線用金属膜の主体となる膜であり、Ｃｕ等の添加物を含む膜で構成する場合もある。すなわち、Ａｌを主成分としたＡｌ−Ｃｕ膜で構成する場合もある。
【００３５】
Ａｌ膜１５上にはキャップメタル膜１８が形成されている。このキャップメタル膜１８は、チタン膜（Ｔｉ膜）１６および窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）１７の積層膜で構成され、膜厚はそれぞれ、Ｔｉ膜１６が５ｎｍ〜１５ｎｍ程度、ＴｉＮ膜１７が２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。
【００３６】
キャップメタル膜１８上には、例えば酸窒化シリコン膜からなる反射防止膜１９が形成されており、その膜厚は２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。また、反射防止膜１９上には、Ａｌ配線同士を絶縁する配線間絶縁膜２０が形成されている。なお、本実施の形態では反射防止膜１９がある場合を例示するが、これは必ずしも必要ではない。
【００３７】
ここで、バリアメタル膜１４を構成するＴｉ膜１２には窒素を含有する層が形成されておらず、Ｔｉ膜１２の結晶方位は（００２）方位に均一に揃って形成されている。また、Ｔｉ膜１２上のＴｉＮ膜１３の結晶方位は（１１１）方位に均一に揃っており、さらにその上に形成されているＡｌ膜１５の結晶方位も（１１１）方位に均一に揃って形成されている。
【００３８】
本実施例においては、図３に示すような、真空中で半導体ウエハの搬送が可能なマルチチャンバー方式のスパッタ装置を用いて配線用金属膜（積層膜）を成膜する。また、表１に示すスパッタ条件により処理を行う。
【００３９】
【表１】
2016219491.tif 000003
はじめに、スパッタ装置２１のローダ２２によりウエハを真空搬送チャンバー２７内に搬入する。次に、真空搬送チャンバー２７内のウエハ搬送機構（図示せず）によりウエハをスパッタチャンバーＡ２４に搬入し、スパッタチャンバーＡ２４内のステージ（図４の２８）上にウエハ（図４の５）を載置する。
【００４０】
続いて、スパッタチャンバーＡ２４を真空排気し、表１に示すスパッタ処理を開始する。
【００４１】
表１に示すスパッタ処理では、先ず、ＡｒガスをスパッタチャンバーＡ２４に導入する。（表１のステップ１）
次に、Ｔｉターゲットに直流（ＤＣ）バイアスの印加を開始する。なお、急激な高電力印加による局部的なアーク放電やブレークダウン(絶縁破壊)を防ぐため、比較的低電力（ここでは１０００Ｗ程度）を３．０ｓｅｃ程度印加する（表１のステップ２）
続いて、Ｔｉ膜の成膜ステップ（表１のステップ３）に移行し、Ｔｉ膜を成膜する。
【００４２】
その後、一旦直流（ＤＣ）バイアスの印加を停止し、Ａｒガスの供給に加えて、Ｎ２ガスの供給を開始し、スパッタチャンバーＡ２４へのＡｒ／Ｎ２混合ガスの供給流量を安定させる。（表１のステップ４）
続いて、ステップ２と同様に、急激な高電力印加を避けるため、比較的低電力（ここでは１０００Ｗ程度）を３．０ｓｅｃ程度印加する。（表１のステップ５）
その後、ＴｉＮ膜の成膜ステップに移行し、ＴｉＮ膜を成膜する。（表１のステップ６）
さらに、表１のステップ７に移行し、Ａｒガスの供給および直流（ＤＣ）バイアスの印加を継続したまま、Ｎ２ガスの供給を停止する。（表１のステップ７）
最後に、Ａｒガスの供給および直流（ＤＣ）バイアスの印加を停止し、スパッタチャンバーＡ２４を真空排気して処理を終了する。（表１のステップ８）
なお、スパッタチャンバーへのＡｒガスおよびＮ２ガスの供給は、図４に示すようなガス供給系統により行う。Ａｒガス供給系統は、下流側から順に、ガス供給バルブ３３、ＭＦＣ（Ｍａｓｓ−Ｆｌｏｗ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３７、ガス供給バルブ３４から構成されている。また、Ｎ２ガス供給系統は、下流側から順に、ガス供給バルブ３５、ＭＦＣ３８、ガス供給バルブ３６から構成されている。
また、ガス排気系統として、ゲートバルブ２９、排気バルブ３０、クライオポンプ３１およびドライポンプ３２が備え付けられている。
【００４３】
上記で説明した本実施例のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成フローについて、図５を用いて、従来プロセスフローと対比して説明する。
【００４４】
図５に示すように、従来プロセスでは、先ず、スパッタチャンバーにＡｒガスの供給を開始し流量が安定した時点で、直流（ＤＣ）バイアスを印加し、Ｔｉ成膜を開始する。所望のＴｉ膜厚の成膜に必要な時間の経過後、直流（ＤＣ）バイアスの印加を停止し、Ｔｉ成膜を終了する。
【００４５】
その後、Ｎ２ガスの供給を開始し、直流（ＤＣ）バイアスを印加し、ＴｉＮ成膜を開始する。所望のＴｉＮ膜厚の成膜に必要な時間の経過後、直流（ＤＣ）バイアスの印加、Ａｒガスの供給およびＮ２ガスの供給を同時に停止し、ＴｉＮ成膜を終了する。
【００４６】
一方、本実施例のプロセスフローでは、Ｔｉ成膜ステップは従来と同様であるが、ＴｉＮ成膜ステップにおいて、Ｎ２ガスの供給停止をＡｒガスの供給停止および直流（ＤＣ）バイアスの印加の停止よりも先に停止する。このＮ２ガスの供給停止とＡｒガスの供給停止および直流（ＤＣ）バイアスの印加の停止の時間差（Ｎ２オフ時間）は、例えば、表１のステップ７に示すように０．５ｓｅｃ〜３．０ｓｅｃ程度に設定する。
【００４７】
但し、Ｔｉターゲットの最表面に形成されるＴｉＮ層を除去する条件は、直流（ＤＣ）バイアス（ＤＣパワー）とＮ２オフ時間の兼ね合いにより決まるため、０．５ｓｅｃ〜３．０ｓｅｃに限定されるものではなく、サンプルウエハの処理を行い、ウエハ表面に成膜されるＴｉ膜の状態（窒素の含有度合）をＴｉ膜の抵抗値測定などの手法によりモニタしながら、好適な時間を設定してもよい。
【００４８】
上記のような方法で、バリアメタル膜１４を成膜した後、図３のスパッタチャンバーＢ２５にウエハを搬送し、ＡｌターゲットおよびＡｒガスプラズマによるスパッタリングにより、Ａｌ膜１５を形成する。
【００４９】
続いて、図3のスパッタチャンバーＣ２６にウエハを搬送し、Ｔｉ膜１６、ＴｉＮ膜１７の積層膜であるキャップメタル膜１８を形成する。このキャップメタル膜１８の成膜プロセスは、図５に示す従来プロセスを用いてもよく、本実施例のプロセスを用いてもよい。しかしながら、スパッタチャンバーＣ２６内のターゲット表面を清浄な状態に維持し、より信頼性の高いＴｉ膜１６を形成するためには、上述の図５の本願のプロセスを用いることが好ましい。
【００５０】
その後、キャップメタル膜１８上に、例えば、ＣＶＤ法により反射防止膜１９を形成する。上述のように、反射防止膜１９として例えば、酸窒化シリコン膜を用いることができる。なお、本実施の形態では反射防止膜１９を用いる場合を例示するが、これは必ずしも必要ではなく、適切な露光処理が行われるならば省略することも可能である。
【００５１】
続いて、反射防止膜１９上にレジスト膜を塗布し、所定のパターンに露光する。その後、ドライエッチング処理を行い、ＴｉＮ膜１７、Ｔｉ膜１６、Ａｌ膜１５、ＴｉＮ膜１３およびＴｉ膜１２をそれぞれ加工することで配線を形成する。
【００５２】
以上説明したように、ＴｉＮ膜を成膜するステップにおいて、Ａｒガスよりも先にＮ２ガスをＯＦＦ（供給停止）することにより、スパッタチャンバー内のＮ２分圧が低下する。これにより、スパッタチャンバー内のＮ２イオン、Ｎ２ラジカルの量が低下するためターゲット表面の窒化が抑制される。また、Ａｒのスパッタリングによりターゲット最表面の窒化層が除去される。
【００５３】
したがって、次にスパッタチャンバー内に搬入されるウエハの表面（主面）上にＴｉ膜を形成する際には、ターゲット表面が清浄な状態が実現されており、Ｔｉ膜の中に窒素が混入しない。
【００５４】
以上説明したように、本実施例のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法によれば、Ａｌ配線のバリアメタル膜を構成するＴｉ膜の結晶方位を（００２）に均一に揃えることができる。その結果、その上に形成されるＴｉＮ膜の結晶方位を（１１１）に均一に揃えることができ、さらにその上に形成されるＡｌ膜の結晶方位も（１１１）に均一に揃えることができる。これにより、Ａｌ膜のモフォロジ（表面平滑性）が改善される。すなわち、本実施例の半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、上述の図１Ｂで説明したような第２の比較検討例に対して、逐一シャッターデポ工程を行う必要がなく、ガス供給の調整のみでターゲットの清浄度を高めることが可能である。すなわち、本実施例の半導体装置の生産性を向上させることができる。
【００５５】
図７は、上述の第１の比較検討例において、Ｔｉ膜の欠陥密度と配線間スペースを示すグラフである。図７における従来のプロセスは、上述の第１の比較検討例に相当する。Ａｌ配線間のスペース幅が広い場合、いずれも大きな差は見られないが、スペース幅が狭くなるとＴｉ膜の欠陥密度が上昇する。これは、バリアメタルのＴｉ膜に窒素成分を含むことにより、上述したように、ドライエッチング時にバリアメタルの残渣が発生し易くなり、配線間ショートの原因となるためであると考えられる。
本実施例を用いることで、このような配線間ショートを防止することができた。すなわち本実施例は、微細化により配線間スペースが０．１６μｍ未満のような狭いスペースになった場合に特に有効であり、配線間ショートを防止することができる。
【００５６】
従って、本実施例のＴｉ／ＴｉＮ積層膜の形成方法を用いることにより、Ａｌ膜のモフォロジが向上し、Ａｌ配線の信頼性向上や製造歩留りの向上が可能となる。
【実施例２】
【００５７】
図６を用いて、本実施例の半導体装置について説明する。本実施例の半導体装置は、キャップメタル１８を構成するＴｉＮ膜１７の上に、高誘電体膜３９および金属膜４０が形成されている点において、図２の半導体装置とは異なる。この金属膜４０は、容量素子の上部電極として機能する。つまり、ＴｉＮ膜１７、高誘電体膜３９、金属膜４０により容量素子（ＭＩＭ容量）を構成している。
【００５８】
図６に示す半導体装置は、例えば、次のような製造方法により形成する。実施例１において説明した方法によりキャップメタル膜１８までの配線用金属膜を形成した後、ＴｉＮ膜１７上に、ＣＶＤ法により高誘電体膜３９を形成する。続いて、高誘電体膜３９の上に、スパッタリング法により金属膜４０を形成する。続いて、フォトレジスト膜を塗布し、所定のパターンに露光した後、金属膜４０および高誘電体膜３９をドライエッチングして、ＴｉＮ膜１７を下部電極、金属膜４０を上部電極とする容量素子を形成する。続いて、配線用金属膜上に所定のパターン形状のフォトレジスト膜を形成する。その後、フォトレジスト膜をマスクとしてドライエッチング処理を行い、ＴｉＮ膜１７、Ｔｉ膜１６、Ａｌ膜１５、ＴｉＮ膜１３およびＴｉ膜１２をそれぞれ加工する。
【００５９】
本実施例の半導体装置は、実施例１と同様に、ＴｉＮ膜１３を形成する工程（ステップ）において、表１および図５に示すように、Ａｒガスよりも先にＮ２ガスをＯＦＦ（供給停止）する。これにより、実施例１と同様にＡｌ膜１５のモフォロジ（表面平滑性）が改善され、Ａｌ膜１５上に形成されるＴｉ膜１６、ＴｉＮ膜１７のモフォロジ（表面平滑性）もよくなる。その結果、さらにその上に形成される高誘電体膜３９や金属膜４０のモフォロジも改善され、より信頼性の高い容量素子（ＭＩＭ）を形成することができる。
【００６０】
なお、キャップメタル１８を構成するＴｉＮ膜１７の成膜時においても、表１や図５に示す方法によりＴｉＮ膜１７を形成してもよい。つまり、ＴｉＮ膜成膜ステップにおいて、Ａｒガスよりも先にＮ２ガスをＯＦＦ（供給停止）してもよい。
【００６１】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、複数の配線層のうち少なくとも１層がＡｌ配線であった場合、そのＡｌ配線に実施例１の手法を用いることが出来る。また、複数の配線層がダマシン法によって形成されるＣｕ配線であった場合でも、最上層のパッド電極となるＡｌ配線に、実施例１の手法を用いることが出来る。また、このような複数の配線層を含む半導体装置としては、SOC、マイコンやフラッシュメモリ等に限られず、ＣＭＯＳイメージセンサやフォトダイオードのような光学素子であってもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１…スパッタチャンバー、２…バッキングプレート、３…Ｔｉターゲット、４…ＴｉＮ層、５…半導体基板（ウエハ）、６…窒素を含有するＴｉ膜、７，１２，１６…Ｔｉ膜、８，１３，１７…ＴｉＮ膜、９…絶縁層、１０…バリアメタル、１１…導電性膜、１４…バリアメタル膜、１５…Ａｌ膜、１８…キャップメタル膜、１９…反射防止膜、２０…配線間絶縁膜、２１…スパッタ装置、２２…ローダ、２３…アンローダ、２４…スパッタチャンバーＡ、２５…スパッタチャンバーＢ、２６…スパッタチャンバーＣ、２７…真空搬送チャンバー、２８…ステージ、２９…ゲートバルブ、３０…排気バルブ、３１…クライオポンプ、３２…ドライポンプ、３３、３４，３５，３６…ガス供給バルブ、３７、３８…ＭＦＣ，３９…高誘電体膜、４０…金属膜。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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