(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ室内に被処理体とスパッタリングターゲットとを配置すると共に、前記スパッタ室内に処理ガスを導入しつつ排気手段により前記スパッタ室内を所定の圧力に維持した状態において、前記処理ガスのイオンの照射により前記スパッタリングターゲットからスパッタ粒子を放出させることにより前記被処理体の表面に該スパッタ粒子からなるスパッタ膜を形成するスパッタ法であって、
前記処理ガスとして窒素ガス又は不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いると共に前記スパッタリングターゲットとして酸素含有量が１５〜３５［ｗｔ％］の範囲内にあるチタンターゲットを用いることにより前記スパッタ膜として酸化窒化チタン膜を形成することを特徴とするスパッタ法。
【請求項２】
基板上に被接続部を覆って絶縁膜を形成した後、該絶縁膜に前記被接続部に達する接続孔を形成する工程と、
請求項１記載のスパッタ法により前記接続孔の内面及び前記絶縁膜を覆ってバリア膜としての酸化窒化チタン膜を形成する工程と、
前記接続孔を埋めるように前記酸化窒化チタン膜を覆って配線材層を形成する工程と、
前記酸化窒化チタン膜と前記配線材層とを含む積層をパターニングして該積層の残存部からなる配線層を形成する工程とを含む配線形成法。
【請求項３】
基板上に被接続部を覆って絶縁膜を形成した後、該絶縁膜に前記被接続部に達する接続孔を形成する工程と、
請求項１記載のスパッタ法により前記接続孔の内面及び前記絶縁膜を覆って密着膜としての酸化窒化チタン膜を形成する工程と、
前記接続孔を埋めるように前記酸化窒化チタン膜の上に導電材層を形成する工程と、
前記導電材層を平坦状に除去して少なくとも前記接続孔の内部に前記酸化窒化チタン膜の一部及び前記導電材層の一部を接続プラグとして残存させる工程と、
前記絶縁膜の上に前記接続プラグにつながるように配線層を形成する工程とを含む配線形成法。
【請求項４】
基板を覆う絶縁膜の上に配線材層を形成する工程と、
請求項１記載のスパッタ法により前記配線材層を覆って反射防止膜としての酸化窒化チタン膜を形成する工程と、
ホトリソグラフィ及び選択エッチング処理により前記配線材層と前記酸化窒化チタン膜とを含む積層をパターニングして該積層の残存部からなる配線層を形成する工程とを含む配線形成法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スパッタ法及び配線形成法に関し、特にスパッタリングターゲットとして酸素含有量１５〜３５［ｗｔ％］のチタン（Ｔｉ）ターゲットを用いることにより膜特性ばらつきを低減すると共に安全性の向上を図ったものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩ等の配線形成の分野にあっては、ＴｉＮ（窒化チタン）膜を反射防止膜、Ｗ（タングステン）密着膜又はバリア膜として用いることが知られている。
【０００３】
図２０は、ＴｉＮ膜を反射防止膜及びＷ密着膜として用いた多層配線構造の一例を示すものである。半導体基板１の表面には、不純物ドープ領域１ａを覆って絶縁膜２が形成され、絶縁膜２には、不純物ドープ領域１ａに達する接続孔２ａが形成される。接続孔２ａの内面及び絶縁膜２を覆ってＴｉＮ膜３が形成され、ＴｉＮ膜３の上には、接続孔２ａを埋めるようにＷ層がブランケットＣＶＤ（ケミカル・ベーパー・デポジション）法により形成される。ＴｉＮ膜３は、Ｗ層との密着性を改善するための密着膜として形成されるものである。ＴｉＮ膜３が露呈するまでＷ層をエッチバックすることによりＷ層の残存部からなる接続プラグ４が接続孔２ａ内に形成される。
【０００４】
接続プラグ４及びＴｉＮ膜３の露呈部を覆ってＡｌ（アルミニウム）合金層５及びＴｉＮ膜６を順次に形成した後、層５及び膜６を含む積層をホトリソグラフィ及び選択エッチング処理によりパターニングすることにより残存するＡｌ合金層５及びＴｉＮ膜６からなる配線層Ｗ1 が接続プラグ４につながるように形成される。ホトリソグラフィ処理においては、エッチングマスクとしてのレジスト層を形成する際にＴｉＮ層６が反射防止膜として作用するので、寸法精度よくレジスタ層をパターニングすることができる。
【０００５】
基板上面には、配線層Ｗ1 及び絶縁膜２を覆って絶縁膜７が形成され、絶縁膜７には、配線層Ｗ1 の一部に達する接続孔７ａが形成される。接続孔７ａ内には、上記したと同様にしてＴｉＮ膜８を介してＷからなる接続プラグ９が形成される。絶縁膜７の上には、上記したと同様にＡｌ合金層１０及びＴｉＮ膜１１からなる配線層Ｗ2 が接続プラグ９につながるように形成される。
【０００６】
ＴｉＮ膜８は、ＴｉＮ膜３と同様にＷ密着膜として役立つものであり、ＴｉＮ膜１１は、ＴｉＮ膜６と同様に反射防止膜として役立つものである。ＴｉＮ膜３，６，８，１１は、通常、反応性スパッタ法により形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術によると、反応性スパッタ法で形成したＴｉＮ膜３，８の耐熱性が十分でないため、Ｗの堆積時にＷのしみ出し４ａ，９ａが生じ、Ｗのしみ出し４ａにより不純物ドープ領域１ａと基板１との間のＰＮ接合が破壊されたり、Ｗのしみ出し９ａにより層間接続部の抵抗（ビア抵抗）が増大したりする不都合があった。
【０００８】
ＴｉＮ膜のバリア性を向上させる方法としては、反応性スパッタ処理の際にスパッタリングターゲットとして１００［ｐｐｍ］〜５［％］の窒素及び／又は１０００［ｐｐｍ］〜１４［％］の酸素を含有するチタンターゲットを用いる方法が知られている（例えば、特開平５−１７９４３５号公報参照）。しかしながら、このような方法を使用しても、しみ出し４ａ，９ａを防ぐには十分でなかった。
【０００９】
そこで、発明者は、ＴｉＮ膜３，６，８，１１の代りにＴｉＯＮ（酸化窒化チタン）膜を用いる配線形成プロセスについて研究した。このような配線形成プロセスにおいて、ＴｉＯＮ膜は、反応性スパッタ法により形成した。すなわち、スパッタ室にＡｒ＋Ｎ2 ＋Ｏ2 の混合ガスを導入し、チタンターゲットをスパッタしてＴｉＯＮ膜を形成した。しかしながら、酸素に対するチタンの反応性が極めて高いため、酸素の流通経路に沿って膜特性分布が観測された。例えば、ＴｉＯＮ膜のシート抵抗は、酸素導入口に近い位置で高く、酸素導入口から離れるに従って低くなる。これは、ＴｉＯＮ膜の酸素含有量が酸素の流通経路に沿って変化することを示すもので、このような酸素含有量の変化に従ってＴｉＯＮ膜の反射率等の特性も変化する。従って、シート抵抗、反射率、耐熱性等の膜特性のばらつきが大きいという問題点がある。
【００１０】
また、可燃性を与える酸素ガスを使用するため、安全性に十分配慮する必要があり、特にクライオポンプを使用する排気系においてはオゾン生成による爆発の危険性がある。
【００１１】
この発明の目的は、膜特性ばらつきが小さく且つ安全性が高い新規なスパッタ法を提供することにある。
【００１２】
この発明の他の目的は、バリア膜、密着膜及び／又は反射防止膜を有する配線を歩留りよく形成することができる新規な配線形成法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るスパッタ法は、スパッタ室内に被処理体とスパッタリングターゲットとを配置すると共に、前記スパッタ室内に処理ガスを導入しつつ排気手段により前記スパッタ室内を所定の圧力に維持した状態において、前記処理ガスのイオンの照射により前記スパッタリングターゲットからスパッタ粒子を放出させることにより前記被処理体の表面に該スパッタ粒子からなるスパッタ膜を形成するスパッタ法であって、前記処理ガスとして窒素ガス又は不活性ガス（例えばアルゴンガス）と窒素ガスとの混合ガスを用いると共に前記スパッタリングターゲットとして酸素含有量が１５〜３５［ｗｔ％］の範囲内にあるチタンターゲットを用いることにより前記スパッタ膜として酸化窒化チタン膜を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
この発明に係るスパッタ法によれば、スパッタリングターゲットとして酸素含有量が１５〜３５［ｗｔ％］のチタンターゲットが用いられる。酸素含有量が３５［ｗｔ％］より大きくなると、スパッタ膜のシート抵抗が上昇すると共にシート抵抗のばらつきも大きくなる。酸素含有量が１５［ｗｔ％］より小さくなると、スパッタ膜の耐熱性が不十分となる。この発明では、酸素含有量を１５〜３５［ｗｔ％］としたので、シート抵抗とそのばらつきを実用上十分にすることができると共に実用上十分な耐熱性が得られる。
【００１６】
この発明に係るスパッタ法では、スパッタリングターゲットとして適量の酸素を含むチタンターゲットを用いるので、スパッタ室に供給する酸素ガスの量は実質的にゼロでよく、供給するとしても微量でよい。このため、シート抵抗、反射率、耐熱性等の膜特性のばらつきが低減される。また、安全性が向上し、排気手段としてクライオポンプを用いても、オゾン生成による爆発の危険性がない。
【００１７】
この発明に係る配線形成法にあっては、この発明のスパッタ法によりバリア膜、密着膜又は反射防止膜としてのＴｉＯＮ膜を形成する。このため、耐熱性良好なＴｉＯＮ膜が得られると共にＴｉＯＮ膜のシート抵抗、反射率、耐熱性等の特性のばらつきが低減される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施に用いられるスパッタ装置の概略構成を示すものである。
【００１９】
スパッタ室２０内には、半導体ウエハ等の被処理ウエハ２４を保持するアノード電極２２が配置される。スパッタ室２０において、アノード電極２２の上方には、下面にスパッタリングターゲット２８が装着されたカソード電極２６が配置される。
【００２０】
アノード電極２２に接続された導線Ｑａは、絶縁部材Ｐａを介してスパッタ室２０から導出され、電圧可変の直流電源３０のプラス極に接続される。カソード電極２６に接続された導線Ｑｋは、絶縁部材Ｐｋを介してスパッタ室２０から導出され、直流電源３０のマイナス極に接続される。
【００２１】
スパッタ処理に際しては、スパッタ室２０の上部に設けたガス導入口２０ａからスパッタ室２０内に処理ガスＧが導入される。処理ガスＧとしては、例えばＡｒ（アルゴン）ガス、Ｎ2 （窒素）ガス又はＡｒガスとＮ2 ガスとの混合ガスが供給される。スパッタ室２０の下部に設けた排気口２０ｂには、排気手段としてのクライオポンプ３２が接続され、スパッタ室２０内は、クライオポンプ３２による排気により所定の圧力に維持される。このような状態において、直流電源３０の直流電圧を放電可能な所定値に設定すると、直流放電により処理ガスＧがイオン化し、処理ガスＧのイオンの照射によりターゲット２８からスパッタ粒子が放出される。放出されたスパッタ粒子は、ウエハ２４の表面に付着し、スパッタ膜を形成する。
【００２２】
図１のスパッタ装置においては、直流電源３０の代りに高周波電源３４及びマッチング回路３６を接続し、高周波放電によりスパッタリングを行なうこともできる。
【００２３】
スパッタリングターゲット２８としては、酸素含有量が１５〜３５［ｗｔ％］のチタンターゲットを用いる。このようなチタンターゲットは、市販の高純度チタン粉末（純度９９．９９［％］）及び高純度酸化チタン粉末（純度９９．９９［％］）を原料として図２に示すような粉末冶金法により形成することができる。
【００２４】
図２に示す粉末冶金法において、ステップ４０では、チタン粉末と酸化チタン粉末とを酸素含有量が１５〜３５［ｗｔ％］となるように計量する。ステップ４２では、計量したチタン粉末及び酸化チタン粉末を均一に混合する。ステップ４４では、チタン及び酸化チタンの混合粉末を圧縮成形すると共に焼結し、焼結体からなるチタンターゲット材を得る。
【００２５】
ステップ４４の処理では、圧縮成形手段として、真空中で成形可能なホットプレス又は熱間等方圧プレスを使用する。このときの処理温度は、酸化チタンの結晶構造を得るため、１２００〜１５００［℃］とするのが好ましく、プレス圧力は、相対密度８０［％］以上の高密度化を達成するため、２００〜４００［ｋｇ／ｃｍ2 ］とするのが好ましい。
【００２６】
このようにして形成されたチタンターゲット材は、機械加工により所定の形状・寸法（例えば直径１００［ｍｍ］×厚さ６［ｍｍ］の円板状）に仕上げられる。このように加工されたチタンターゲットは、カソード電極２６としてのＣｕ（銅）製冷却板にメタルボンディングによりスパッタリングターゲット２８として装着される。
【００２７】
上記のようにして得られたチタンターゲットを用いて図１のスパッタ装置でスパッタ処理を行ない、酸化チタン膜を形成した。このときのスパッタ条件は、
スパッタ電源：直流電源３０
パワー：０．５［ｋＷ］
スパッタ圧力：５×１０-3［Ｔｏｒｒ］
スパッタガス：アルゴン
とした。
【００２８】
図３〜５は、上記スパッタ処理で得られた酸化チタン膜についてスパッタ時間と比抵抗、膜厚との関係を示すもので、図３は、チタンターゲットの酸素含有量が１０［ｗｔ％］の場合を、図４は、チタンターゲットの酸素含有量が２０［ｗｔ％］の場合を、図５は、チタンターゲットの酸素含有量が３０［ｗｔ％］の場合をそれぞれ示す。
【００２９】
スパッタ時間を３［ｍｉｎ］としたとき、図３，４，５の酸化チタン膜の比抵抗は、それぞれ３３５，４７０，５４０［μΩｃｍ］であった。図３〜５によれば、チタンターゲットの酸素含有量の増大に伴って酸化チタン膜の比抵抗が増大すること、スパッタ時間の増大に対して酸化チタン膜の厚さがリニアに増大すること、スパッタ時間の変化に対して酸化チタン膜の比抵抗がほぼ一定であることなどがわかる。
【００３０】
図６は、この発明に係るスパッタ法の一応用例として配線形成法を示すものである。この例では、バリア膜及び反射防止膜をこの発明に係るスパッタ法により形成する。
【００３１】
例えばシリコンからなる半導体基板５０の表面に不純物ドープ領域５０ａを覆ってシリコンオキサイド等の絶縁膜５２をＣＶＤ法等により形成する。そして、絶縁膜５２には、周知のホトリソグラフィ及び選択的ドライエッチング処理により不純物ドープ領域５０ａに達する接続孔５２ａを形成する。
【００３２】
次に、この発明に係る反応性スパッタ法により接続孔５２ａ及び絶縁膜５２を覆ってバリア膜としてのＴｉＯＮ膜５６を形成する。ＴｉＯＮ膜５６は、一例として図１の直流スパッタ装置を用いて、
スパッタリングターゲット２８：酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲット
処理ガスＧ：ＡｒガスとＮ2 ガスとを４：６で混合したガス
の条件で５０［ｎｍ］の厚さに形成することができる。この場合、酸素を補填するため、処理ガスＧに微量のＯ2 ガスを添加してもよい。また、コンタクト性能を向上させるため、ＴｉＯＮ膜５６を形成する前に接続孔５２ａ及び絶縁膜５２を覆って抵抗低減膜を形成してもよい。抵抗低減膜としては、高融点金属膜が好適であり、例えば２０［ｎｍ］の厚さのＴｉ膜５４をスパッタ法等により形成することができる。
【００３３】
次に、接続孔５２ａを埋めるようにＴｉＯＮ膜５６の上にＡｌ系金属層５８を形成する。Ａｌ系金属層５８としては、例えば５００［ｎｍ］の厚さのＡｌ−Ｃｕ合金層を形成することができる。接続孔５２ａを埋めるようにＡｌ系金属層５８を形成するには、スパッタ中に基板を加熱するリフロースパッタ法又はスパッタ後に基板を加熱するリフロー法等を用いることができる。
【００３４】
次に、この発明に係る反応性スパッタ法によりＡｌ系合金層５８に重ねて反射防止膜としてのＴｉＯＮ膜６０を形成する。ＴｉＯＮ膜６０は、一例として図１の直流スパッタ装置を用いて前述のＴｉＯＮ膜５６の形成時と同様の条件で３０［ｎｍ］の厚さに形成することができる。この場合、ＴｉＯＮ膜６０を形成する前にＡｌ系金属層５８に重ねて酸化防止膜としてのＴｉ膜を例えばスパッタ法により１０［ｎｍ］の厚さに形成してもよい。
【００３５】
次に、Ｔｉ膜５４、ＴｉＯＮ膜５６、Ａｌ系金属層５８及びＴｉＯＮ膜６０を含む積層をホトリソグラフィ及び選択的にドライエッチング処理によりパターニングして配線層６２を形成する。配線層６２は、配線パターニングの結果として残存するＴｉ膜５４、ＴｉＯＮ膜５６、Ａｌ系合金層５８及びＴｉＯＮ膜６０を含むもので、接続孔５２ａを介して不純物ドープ領域５０ａに接続される。
【００３６】
図７は、図６に関して前述した配線形成法においてバリア膜としてのＴｉＯＮ膜５６を純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合と、酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合とについてコンタクト抵抗Ｒｃとそのばらつきがコンタクトサイズに依存する様子を示すものである。
【００３７】
コンタクト抵抗Ｒｃは、図６において配線層６２と不純物ドープ領域５０ａとの間の抵抗に相当し、コンタクトサイズは、図６において接続孔５２ａの直径に相当する。図７において、Ｌ0 は、純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法でＴｉＯＮ膜５６を形成した場合のコンタクト抵抗の変化を示し、Ｌ1 は、酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法でＴｉＯＮ膜５６を形成した場合のコンタクト抵抗の変化を示す。
【００３８】
図７によれば、ＴｉＯＮ膜５６を純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成する場合（Ｌ0 ）に比べて酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成する場合（Ｌ1 ）の方がコンタクト抵抗及びコンタクト抵抗ばらつきのいずれも小さいことがわかる。
【００３９】
ＴｉＯＮ膜５６を酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成する場合にコンタクト抵抗のばらつきが小さいことは、ＴｉＯＮ膜中の酸素含有量のばらつきが小さいことを示している。従って、反射防止膜としてのＴｉＯＮ膜６０を酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成すると、反射率のばらつきが低減される。
【００４０】
図８は、図６に関して前述した配線形成法においてバリア膜としてのＴｉＯＮ膜５６を純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合と、酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合とについて４５０［℃］アニール処理後のリーク電流の度数分布を示すものである。
【００４１】
リーク電流を測定するために、図１１，１２に示すようなテスト素子７０を半導体ウエハの一方の主表面において６４個のチップ領域にそれぞれ形成した。そして、各テスト素子７０毎（各チップ領域毎）に図１２に示す測定回路でリーク電流を測定した。
【００４２】
テスト素子７０は、シリコンからなる半導体基板７２の表面に形成された細長いＰ型ウェル領域７４を有すると共に領域７４の表面に一列状に形成されたＮ+ 型不純物ドープ領域７６（１），７６（２）…７６（ｍ）を有する。基板表面には、シリコンオキサイド等の絶縁膜７５が形成されており、絶縁膜７５の上には、配線層７８（１），７８（２）…７８（ｎ）が一列状に形成されている。７８（１）〜７８（ｎ）の各配線層は、図６に関して前述した配線層６２と同様にして形成される。
【００４３】
配線層７８（１）は、Ｐ型ウェル領域７４に接続され、配線層７８（２）の一端は、Ｎ+ 型領域７６（１）に接続される。配線層７８（１）及び７８（２）の間には領域７４及び７６（１）の間に形成されたＰＮ接合が介在する。
【００４４】
配線層７８（２）の他端は、Ｎ+ 型領域７６（２）の一部に接続され、領域７６（２）の他の部分には、図示しない配線層７８（３）の一端が接続される。これと同様にしてＮ+ 型領域７６（ｍ）までの多数のＮ+ 型領域が配線層７８（ｎ）までの多数の配線層により直列接続される。配線層７８（１）〜７８（ｎ）の数ｎは、Ｎ+ 型領域７６（１）〜７６（ｍ）の数をｍとすると、ｍ＋１となる。
【００４５】
テスト素子７０において、接続孔に対応するコンタクト部ＣＮの数は、５０００個とし、各接続孔の直径は、０．２５［μｍ］とした。配線層７８（１）〜７８（ｎ）を形成した後、テスト素子７０には、４５０［℃］のアニール処理を施した。そして、図１２の測定回路において、配線層７８（１）−７８（ｎ）の間に電圧Ｖ＝５［Ｖ］を領域７４−７６（１）間のＰＮ接合が逆方向にバイアスされるように印加して電流計Ａにより逆方向リーク電流を測定した。
【００４６】
このようなリーク電流測定をウエハ上の６４個のテスト素子それぞれについて行ない、測定値を求めた。そして、各測定値が予め定めた１０-10 ［Ａ］台、１０-9［Ａ］台、１０-8［Ａ］台、１０-7［Ａ］以上の４つの電流階級のいずれに属するか判定し、属すると判定された電流階級でカウントした。各電流階級毎にカウント数をＮとして、次の数１の式によりパーセンテージを求めた。
【００４７】
【数１】
0004046407.tif 000002
このようなパーセンテージを各電流階級毎に度数としてグラフで示したのが図８である。図８において、Ｓ0 のような各棒状部は、純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法でＴｉＯＮ膜５６を形成した場合の度数を示し、Ｓ1 のような各棒状部は、酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法でＴｉＯＮ膜５６を形成した場合の度数を示す。
【００４８】
図８によれば、ＴｉＯＮ膜５６を純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成する場合（Ｓ0 ）に比べて酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成する場合（Ｓ1 ）の方がリーク電流及びリーク電流ばらつきのいずれも小さく、耐熱性が高いことがわかる。
【００４９】
図９は、図６に関して前述した配線形成法においてバリア膜としてのＴｉＯＮ膜５６を酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合Ｌ3 と、酸素含有量３５［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合Ｌ4 についてコンタクト抵抗Ｒｃとそのばらつきがコンタクトサイズに依存する様子を図７と同様にして示すものである。
【００５０】
図１０は、図６に関して前述した配線形成法においてバリア膜としてのＴｉＯＮ膜５６を酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合Ｓ3 と、酸素含有量１５［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合Ｓ4 とについて４５０［℃］アニール処理後のリーク電流の度数分布を図８と同様にして示すものである。
【００５１】
図９によれば、Ｔｉターゲットの酸素含有量が３５［ｗｔ％］より大きくなると、コンタクト抵抗及びコンタクト抵抗ばらつきのいずれも大きくなることがわかる。また、図１０によれば、Ｔｉターゲットの酸素含有量が１５［ｗｔ％］より小さくなると、リーク電流及びリーク電流ばらつきがいずれも大きくなり、耐熱性が低下することがわかる。従って、Ｔｉターゲットの酸素含有量は、１５〜３５［ｗｔ％］とするのが好ましい。
【００５２】
図１３〜１９は、この発明に係るスパッタ法の他の応用例として多層配線形成法を示すものである。この例では、Ｗ密着膜及び反射防止膜をこの発明に係るスパッタ法により形成する。
【００５３】
図１３の工程では、例えばシリコンからなる半導体基板５０の表面に不純物ドープ領域５０ａを覆ってシリコンオキサイド等の絶縁膜５２をＣＶＤ法等により形成する。そして、絶縁膜５２には、周知のホトリソグラフィ及び選択的ドライエッチング処理により不純物ドープ領域５０ａに達する接続孔５２ａを形成する。
【００５４】
図１４の工程では、接続孔５２ａの内面及び絶縁膜５２を覆ってこの発明に係る反応性スパッタ法によりＷ密着膜としてのＴｉＯＮ膜８０を形成する。ＴｉＯＮ膜８０は、一例として図１の直流スパッタ装置を用いて前述のＴｉＯＮ膜５６と同様の条件で１００［ｎｍ］の厚さに形成することができる。この場合、ＴｉＯＮ膜８０を形成する前に接続孔５２ａの内面及び絶縁膜５２を覆って例えば１０〜２０［ｎｍ］の厚さのＴｉ膜（抵抗低減膜）をスパッタ法等により形成してもよい。
【００５５】
次に、接続孔５２ａを埋めるようにＴｉＯＮ膜８０の上にＷ層８２をブランケットＣＶＤ法により形成する。Ｗ層８２は、一例として５００［ｎｍ］の厚さに形成することができる。成膜条件は、
ＷＦ6 流量：５０［ｓｃｃｍ］
圧力：４０［Ｔｏｒｒ］
基板温度：４００［℃］
とすることができる。
【００５６】
図１５の工程では、絶縁膜５２の上面側でＴｉＯＮ膜８０が露呈するまでＷ層８２をエッチバックすることにより接続孔５２ａ内にＷ層８２の残存部からなる接続プラグ８２ａを形成する。Ｗ層８２を平坦状に除去する方法としては、エッチバック処理の代りにＣＭＰ（化学機械研磨）処理を用いてもよい。また、ＴｉＯＮ膜８０は、絶縁膜５２の上面側で除去し、接続孔５２ａ内にのみ残存させるようにしてもよく、この場合には接続プラグ８２ａ及びＴｉＯＮ膜８０の残存部を覆ってＴｉ等の配線下地膜を形成してもよい。
【００５７】
図１６の工程では、接続プラグ８２ａ及びＴｉＯＮ膜８０の露呈部を覆ってＡｌ系金属（Ａｌ又はＡｌ合金）層８４をスパッタ法等により形成する。Ａｌ系金属層８４としては、例えば３５０〜４００［ｎｍ］の厚さのＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層をスパッタ法で形成することができる。
【００５８】
次に、Ａｌ系金属層８４の上に反射防止膜としてのＴｉＯＮ膜８６をこの発明に係る反応性スパッタ法により形成する。ＴｉＯＮ膜８６は、一例として図１のスパッタ装置を用いて前述のＴｉＯＮ膜５６と同様の条件で５０［ｎｍ］の厚さに形成することができる。この場合、ＴｉＯＮ膜８６を形成する前にＡｌ系金属層８４を覆って例えば１０［ｎｍ］の厚さのＴｉ膜（Ａｌ系金属表面の酸化を防止する膜）をスパッタ法等により形成してもよい。
【００５９】
図１７の工程では、ホトリソグラフィ処理により所望の配線パターニングに従ってエッチングマスクとしてのレジスト層（図示せず）をＴｉＯＮ膜８６の上に形成する。このとき、Ａｌ系金属層８４の表面からの光反射がＴｉＯＮ膜８６により抑制されるので、寸法精度よくレジスト層をパターニングすることができる。
【００６０】
次に、形成したレジスト層をマスクとする選択的ドライエッチング処理によりＴｉＯＮ膜８０、Ａｌ系金属層８４及びＴｉＯＮ膜８６を含む積層をパターニングして接続プラグ８２ａにつながる配線層８８を形成する。配線層８８は、ＴｉＯＮ膜８０の残存部からなるＴｉＯＮ膜８０ａと、Ａｌ系金属層８４の残存部からなるＡｌ系金属層８４ａと、ＴｉＯＮ膜８６の残存部からなるＴｉＯＮ膜８６ａとを含むもので、接続プラグ８２ａ及び接続孔底部のＴｉＯＮ膜８０ｂを介して不純物ドープ領域５０ａに接続される。
【００６１】
図１８の工程では、絶縁膜５２の上に配線層８８を覆って層間絶縁膜９０を形成する。絶縁膜９０は、配線段差を緩和するように平坦状に形成するのが好ましい。このためには、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコンオキサイド膜を形成した後、水素シルセスキオキサン樹脂膜を回転塗布し、塗布膜に熱処理を施してセラミック状のシリコンオキサイド膜とし、更にその上にプラズマＣＶＤ法によりシリコンオキサイド膜を形成することができる。
【００６２】
次に、絶縁膜９０には、ホトリソグラフィ及び選択的ドライエッチング処理により配線層８８の一部に達する接続孔９０ａを形成する。
【００６３】
図１９の工程では、図１４〜１７に関して前述したのと同様の処理により接続孔９０ａを介して配線層８８につながる上層配線を形成する。上層配線は、Ｗ密着膜としてのＴｉＯＮ膜９２ａと、Ｗからなる接続プラグ９４ａと、Ａｌ系金属層９６ａと、反射防止膜としてのＴｉＯＮ膜９８ａとにより構成される。接続プラグ９４ａにつながる配線層１００は、配線パターニングの結果として残存するＴｉＯＮ膜９２ａ、Ａｌ系金属層９６ａ及びＴｉＯＮ膜９８ａを含んでいる。
【００６４】
上記した実施形態によれば、スパッタリングターゲット２８として酸素含有量が１５〜３５［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いると共にＡｒガス、Ｎ2 ガス又はＡｒ＋Ｎ2 の混合ガスを用いて酸化チタン又は酸化窒化チタンからなるスパッタ膜を形成するようにしたので、酸素ガスの供給量はゼロ又は微量でよく、シート抵抗、反射率、耐熱性等の膜特性のばらつきを低減することができる。また、酸素ガスを殆ど使用しないことから安全性が向上するため、クライオポンプ３２の使用が可能になり、短時間で高真空に到達することができる。この結果、良質な（結晶粒径が大きく、大きさのばらつきが小さいためマイグレーションに強い）アルミニウム成膜が可能となる。
【００６５】
その上、この発明に係る反応性スパッタ法によりバリア膜としてのＴｉＯＮ膜５６、Ｗ密着膜としてのＴｉＯＮ膜８０ａ，９２ａ、反射防止膜としてのＴｉＯＮ膜６０，８６ａ，９８ａ等を形成するようにしたので、ＴｉＯＮ膜のシート抵抗、反射率、耐熱性等の特性ばらつきを低減することができ、しかも耐熱性の向上により図２０の９ａ，９ｂのようなＷのしみ出しを抑制することができる。従って、信頼性の高い微細配線を歩留りよく形成することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、スパッタリングターゲットとして酸素含有量が１５〜３５［ｗｔ％］のチタンターゲットを用いて酸化窒化チタンからなるスパッタ膜を形成するようにしたので、スパッタ膜の特性ばらつきが低減されると共に安全性が向上する効果が得られる。
【００６７】
また、配線形成プロセスにおいて、この発明に係るスパッタ法によりバリア膜、密着膜又は反射防止膜としてのＴｉＯＮ膜を形成するようにしたので、耐熱性良好な配線を歩留りよく形成できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明を実施する際に使用されるスパッタ装置を示す概略構成図である。
【図２】  スパッタリングターゲットの製法を示すフローチャートである。
【図３】  酸素含有量１０［ｗｔ％］のチタンターゲットを用いたスパッタ処理におけるスパッタ時間と膜厚、比抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】  酸素含有量２０［ｗｔ％］のチタンターゲットを用いたスパッタ処理におけるスパッタ時間と膜厚、比抵抗との関係を示すグラフである。
【図５】  酸素含有量３０［ｗｔ％］のチタンターゲットを用いたスパッタ処理におけるスパッタ時間と膜厚、比抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】  この発明のスパッタ法の一応用例として配線形成法を説明するための基板断面図である。
【図７】  バリア膜としてのＴｉＯＮ膜を純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合と、酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合とについてコンタクトサイズとコンタクト抵抗、コンタクト抵抗ばらつきとの関係を示すグラフである。
【図８】  バリア膜としてのＴｉＯＮ膜を純Ｔｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合と、酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合とについて４５０［℃］アニール処理後のリーク電流の度数分布を示すグラフである。
【図９】  バリア膜としてのＴｉＯＮ膜を酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合と、酸素含有量３５［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合とについてコンタクトサイズとコンタクト抵抗、コンタクト抵抗ばらつきとの関係を示すグラフである。
【図１０】  バリア膜としてのＴｉＯＮ膜を酸素含有量２０［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合と、酸素含有量３５［ｗｔ％］のＴｉターゲットを用いる反応性スパッタ法で形成した場合とについて４５０［℃］アニール処理後のリーク電流の度数分布を示すグラフである。
【図１１】  リーク電流測定に用いられるテスト素子を示す平面図である。
【図１２】  図１１の素子のＸ−Ｘ’線に沿う断面図である。
【図１３】  この発明のスパッタ法の他の応用例としての多層配線形成法における接続孔形成工程を示す基板断面図である。
【図１４】  図１３の工程に続くＴｉＯＮ膜形成及びＷ層形成工程を示す基板断面図である。
【図１５】  図１４の工程に続くエッチバック工程を示す基板断面図である。
【図１６】  図１５の工程に続くＡｌ系金属層形成及びＴｉＯＮ膜形成工程を示す基板断面図である。
【図１７】  図１６の工程に続く配線パターニング工程を示す基板断面図である。
【図１８】  図１７の工程に続く層間絶縁膜形成及び接続孔形成工程を示す基板断面図である。
【図１９】  図１８の工程に続く上層配線形成工程を示す基板断面図である。
【図２０】  従来の多層配線形成法を説明するための基板断面図である。
【符号の説明】
２０：スパッタ室、２２：アノード電極、２４：被処理ウエハ、２６：カソード電極、２８：スパッタリングターゲット、３０：直流電源、３２：クライオポンプ、３４：高周波電源、３６：マッチング回路、５０：半導体基板、５０ａ：不純物ドープ領域、５２，９０：絶縁膜、５２ａ，９０ａ：接続孔、５６，６０，８０，８０ａ，８６，８６ａ，９２ａ，９８ａ：ＴｉＯＮ膜、８２：Ｗ層、８２ａ，９４ａ：接続プラグ、５８，８４，８４ａ，９６ａ：Ａｌ系金属層、６２，８８，１００：配線層。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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