JP2013122970A - 配線構造の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解めっきにより形成される配線層の埋め込み性を高めることができる配線構造の形成方法を提供する。
【解決手段】配線構造の形成方法は、貫通孔４２ａを有する絶縁膜４２が積層された半導体基板４１にＷＮ膜４３が形成される窒化金属膜形成工程と、ＷＮ膜４３にＷＳｉ膜が積層されるケイ化タングステン膜形成工程と、ＷＮ膜４３と、ＷＳｉ膜４４とが形成された貫通孔４２ａ内に、Ｃｕからなる配線層４６が電解めっきによって形成される配線形成工程とを備える
【選択図】図４

Description

本開示の技術は、窒化金属膜を介して絶縁層のホール内に埋め込まれた配線層を有する配線構造の形成方法に関する。

従来から、例えば特許文献１に記載のように、ビアホールやコンタクトホール内に埋め込まれる銅（Ｃｕ）配線のバリアメタル層には、窒化タングステン（ＷＮ）膜を始めとする窒化金属膜が広く用いられている。

バリアメタル層として用いられる窒化金属膜には、ＷＮ膜の他、窒化チタン（ＴｉＮ）膜や窒化タンタル（ＴａＮ）膜が挙げられる。これら窒化金属膜は、Ｃｕ配線と絶縁膜との密着性を高めたり、Ｃｕ配線と絶縁膜との間での相互拡散を抑えたりする。こうしたバリアメタル層の機能により、Ｃｕ配線を有する半導体装置における電気的な接続が安定に維持されている。

国際公開第２００４／０６１１５４号

ところで、上記Ｃｕ配線は、図７に示される工程を経て形成される。すなわち、Ｃｕ配線の形成時には、図７（ａ）に示されるように、半導体基板５１上に形成された絶縁膜５２に対して、バリアメタル層５３としてのＷＮ膜が、例えばＡＬＤ法によって形成される。

バリアメタル層５３が形成されると、図７（ｂ）に示されるように、Ｃｕからなるシード層５４が、例えばスパッタ法によってバリアメタル層５３上に形成される。このとき、貫通孔５２ａの底面、及び貫通孔５２ａの開口付近の側面には、Ｃｕのスパッタ粒子が到達しやすいことから、所定の膜厚を有したシード層５４が形成される。これに対し、貫通孔５２ａの底面付近の側面には、スパッタ粒子が到達しにくいことから、シード層５４が形成されない、あるいは、他の領域よりもシード層５４が薄い不連続部５４ａが生じることになる。

その後、図７（ｃ）に示されるように、電解めっきによって貫通孔５２ａ内に配線層５５が形成される。このとき、上記不連続部５４ａには電流が流れにくく、また、バリアメタル層５３を形成するＷＮの抵抗も高いため、該不連続部５４ａの近くではＣｕの析出が起こりにくくなる。これにより、配線層５５における上記不連続部５４ａの近くには、空隙５５ａが形成されてしまう。なお、ＷＮ膜上に直接Ｃｕ配線を形成した場合には、電流は、シード層５４よりも抵抗の高いＷＮ膜のみを介して流れることになるため、配線層５５中には、より空隙５５ａが生じやすくなる。

なお、こうした問題は、バリアメタル層５３の形成材料がＷＮである場合に限らず、ＴａＮやＴｉＮ等の他の窒化金属膜から形成される場合や、バリアメタル層５３の形成対象が、半導体基板、及び該半導体基板に形成された貫通孔やトレンチ等の凹部である場合にも、概ね共通するものである。また、同問題は、上記バリアメタル層５３やシード層５４の成膜方法によらず、概ね共通するものである。

本開示の技術は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電解めっきにより形成される配線層の埋め込み性を高めることができる配線構造の形成方法を提供することを目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
本開示の技術における一態様は、配線構造の形成方法であって、タンタル、チタン、及びタングステンのいずれかの窒化物からなる窒化金属膜が凹部を有する基板に形成される窒化金属膜形成工程と、ケイ化タングステン膜が前記窒化金属膜に積層されるケイ化タングステン膜形成工程と、前記窒化金属膜と、前記ケイ化タングステン膜とが形成された前記凹部内に、銅からなる配線層が電解めっきによって形成される配線形成工程とを備える。

上記態様では、窒化金属膜が基板に形成された後、窒化金属膜よりも抵抗の小さいケイ化タングステン膜が、該窒化金属膜に積層される。そのため、電解めっきによって銅配線が形成されるときには、窒化金属膜のみが形成されている場合と比較して、凹部の内壁に電流が流れやすくなる。これにより、凹部の内壁には、電流の流れない領域が生じにくくなることから、凹部内に形成された配線層中には空隙が生じにくくなる。つまり、上記一態様によれば、電解めっきにより形成される配線層の埋め込み性を高めることができる。

本開示における配線構造の形成方法の別の態様は、上述の態様において、前記ケイ化タングステン膜形成工程と、前記配線形成工程との間に、銅からなるシード層が前記ケイ化タングステン膜上に形成されるシード層形成工程を更に備える。

上記態様では、ケイ化タングステン膜上に銅からなるシード層が形成されるため、電解めっき時には、窒化金属膜、ケイ化タングステン膜、及び、シード層に電流が流れることになる。そのため、配線層中には、より空隙が形成されにくくなる。また、シード層の下層としてケイ化タングステン膜が形成されているため、シード層が凹部の内壁面の全体に形成されていない場合であっても、ケイ化タングステン膜を介して電流が流れることとなり、配線層には空隙が形成されにくくなる。そのため、窒化金属膜上に直接シード層が形成される場合よりも、シード層の膜厚を薄くすることが可能にもなる。

本開示における配線構造の形成方法の別の態様は、上記態様において、前記窒化金属膜形成工程、及び前記ケイ化タングステン膜形成工程では、前記窒化金属膜及び前記ケイ化タングステン膜がＣＶＤ法及びＡＬＤ法のいずれかによって形成される。

上記態様によれば、窒化金属膜及びケイ化タングステン膜がＣＶＤ法及びＡＬＤ法のいずれかによって形成される。そのため、窒化金属膜及びケイ化タングステン膜が例えばスパッタ法等で形成される場合と比較して、これらの膜が、凹部の内壁面全体により形成されやすくなる。それゆえに、電解めっきにより形成される配線層の埋め込み性が高められることになる。

本開示における配線構造の形成方法の別の態様は、上記態様において、前記窒化金属膜形成工程、及び前記ケイ化タングステン膜形成工程では、前記窒化金属膜及び前記ケイ化タングステン膜が前記ＡＬＤ法によって形成され、前記窒化金属膜形成工程では、タングステンを含む原料ガスが前記基板に供給される第１原料ガス供給工程と、前記原料ガスを還元する還元ガスが前記基板に供給される還元ガス供給工程と、前記原料ガスが前記基板に供給される第２原料ガス供給工程と、タングステンを窒化する窒化ガスが前記基板に供給される窒化ガス供給工程とが、この順に繰り返されることで窒化タングステン膜が形成され、前記ケイ化タングステン膜形成工程では、前記原料ガスを供給する原料ガス供給工程と、前記還元ガス供給工程とが、この順に繰り返される。

上記態様では、窒化金属膜としての窒化タングステン膜と、ケイ化タングステン膜とが、数原子層ずつ基板上に形成するＡＬＤ法によって形成される。この場合、ケイ化タングステン膜は、窒化タングステン膜の形成工程から、第２原料ガス供給工程及び窒化ガス供給工程を除いた工程が繰り返されることによって形成される。そのため、窒化タングステン膜上に積層されたケイ化タングステン膜によれば、配線層の埋め込み性を高めることができる上、より少ない工程にて数原子層からなる開ケイ化タングステン膜の形成を行うことができる。

配線構造の有するＷＮ膜、ＷＳｉ膜、及びシード層を形成するマルチチャンバ型形成装置の全体構成を示すブロック図。 ＷＮ膜及びＷＳｉ膜を形成するＡＬＤ装置の概略構成を示す概略図。 本開示の配線構造の形成方法を具体化した一実施形態における各種ガスの供給態様を示すタイミングチャート。 （ａ）（ｂ）（ｃ）同実施形態における半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図。 （ａ）（ｂ）シリコン基板に形成されたホールと、ホール内に形成された配線層との断面構造を示すＳＥＭ画像。 ＷＮ膜及びＷＳｉ膜の形成時におけるサイクル数と膜厚との関係を示すグラフ。 （ａ）（ｂ）（ｃ）従来の配線構造の形成方法を工程順に示す工程図。

以下、本開示における配線構造の形成方法を具体化した一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。まず、配線構造の有する窒化タングステン膜（ＷＮ膜）及びケイ化タングステン膜（ＷＳｉ膜）を形成するマルチチャンバ型成膜装置について図１を参照して説明する。なお、図１では、処理の対象である基板の搬送される方向が矢印で示されている。

［マルチチャンバ型成膜装置の構成］
図１に示されるように、マルチチャンバ型成膜装置１０が有する搬送チャンバ１１には、搬入チャンバ１２、搬出チャンバ１３、前処理チャンバ１４、成膜チャンバ１５、及びシード層形成チャンバ１６の各々が連結されている。また、搬送チャンバ１１には、基板を搬送する搬送ロボット１１ａが搭載されている。基板は、マルチチャンバ型成膜装置１０での処理の対象であり、貫通孔の形成された絶縁膜、例えばシリコン酸化膜が積層された半導体基板である。なお、基板は、貫通孔やトレンチ等の凹部を有するシリコン基板等の半導体基板であってもよく、この場合、シリコン基板の上面及び貫通孔内には、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されている。

搬送ロボット１１ａは、搬入チャンバ１２に搬入された処理前の基板を、前処理チャンバ１４、成膜チャンバ１５、及びシード層形成チャンバ１６に対してこの順に搬送し、これらチャンバ１４〜１６での処理が終了した処理後の基板を搬出チャンバ１３に搬送する。

搬入チャンバ１２は、内部を大気圧とした状態で、外部から処理前の基板を搬入し、また、図示されない排気部によって内部を大気圧から減圧した状態で、処理前の基板を搬送チャンバ１１に搬出する。

搬出チャンバ１３は、図示されない排気部によって内部を減圧した状態で、処理後の基板を搬送チャンバ１１から搬入し、また、内部を大気圧とした状態で、処理後の基板を外部に搬出する。なお、搬入チャンバ１２と搬出チャンバ１３は搬出入の両方の機能を有する１つのロードロックチャンバとして備えられてもよい。

前処理チャンバ１４は、水素（Ｈ_２）ガスからプラズマを生成するプラズマ処理チャンバである。前処理チャンバ１４は、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚである高周波電力をＨ_２ガスに供給することで、該Ｈ_２ガスからプラズマを生成する。

成膜チャンバ１５は、ＷＮ膜及びＷＳｉ膜の各々を基板に対して数原子膜ずつ形成するＡＬＤチャンバである。成膜チャンバ１５は、ＷＮ膜とＷＳｉ膜とがこの順に積層された積層膜を形成する。

シード層形成チャンバ１６は、基板に対して銅（Ｃｕ）膜を形成するスパッタチャンバである。基板に形成されたＣｕ膜、及び上記積層膜は、電解めっきによって銅配線を貫通孔に形成するときのシード層となる。

なお、上記搬送チャンバ１１、前処理チャンバ１４、成膜チャンバ１５、及びシード層形成チャンバ１６は、上記搬入チャンバ１２及び搬出チャンバ１３と同様、図示されない排気部を有し、該排気部によって大気圧から減圧された状態に維持されている。

［成膜チャンバの構成］
上記成膜チャンバ１５の構成について、図２を参照してより詳しく説明する。図２に示されるように、成膜チャンバ１５が有する真空槽２１内には、上記基板Ｓを保持する基板ステージ２２が設置されている。基板ステージ２２の内部には、該基板ステージ２２を加熱するヒータ２３が搭載されている。ヒータ２３には、直流電流を出力するヒータ電源２４が接続されている。ヒータ２３は、ヒータ電源２４からの電流の供給によって発熱することで、基板ステージ２２を介して基板Ｓを所定の温度に加熱する。

真空槽２１の底壁２１ａには、該底壁２１ａを貫通する２つの排気ポートＰ１が形成されている。２つの排気ポートＰ１には、真空槽２１内を排気する排気部２５が接続されている。排気部２５は、例えば、各種真空ポンプと、真空ポンプの排気流量を調節するバルブとから構成されている。

真空槽２１の上壁２１ｂには、シャワープレート２６が、上記基板ステージ２２と対向する位置に取り付けられている。シャワープレート２６には、基板ステージ２２側に開口する複数の開口部２６ａが形成されている。真空槽２１の上壁２１ｂと、シャワープレート２６における上壁２１ｂへの取り付け面とには、これらを貫通するガス供給ポートＰ２が形成されている。

ガス供給ポートＰ２には、水素を含むガスを上記真空槽２１に供給する水素系ガス配管ＧＬ１と、フッ素を含むガスを同真空槽２１に供給するフッ素系ガス配管ＧＬ２とが接続されている。

水素系ガス配管ＧＬ１は、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス等のシランガスを真空槽２１に供給するシランガス供給部３１が接続されたシランガス配管と、アンモニア（ＮＨ_３）ガス等の窒化ガスを真空槽２１に供給する窒化ガス供給部３２が接続された窒化ガス配管とに分岐している。シランガス配管には、該配管を介して真空槽２１に窒素（Ｎ_２）ガス等の不活性ガスを供給する不活性ガス供給部３３が接続され、他方、窒化ガス配管には、該配管を介して真空槽２１にＮ_２ガスを供給する不活性ガス供給部３４が接続されている。

フッ素系ガス配管ＧＬ２には、六フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガス等のタングステンを含む原料ガスを真空槽２１に供給する原料ガス供給部３５が接続されている。フッ素系ガス配管ＧＬ２からは、Ｎ_２ガスを同真空槽２１に供給する不活性ガス供給部３６の接続された不活性ガス配管が分岐している。

［配線構造の形成方法］
以下、本実施形態における配線構造の形成方法について、図３及び図４を参照して説明する。なお、該配線構造の形成方法は、ＷＮ膜、ＷＳｉ膜、及びシード層が、上記マルチチャンバ型成膜装置１０にて形成される工程と、配線層が、電解めっきを行う他の装置において形成される工程とからなる。以下では、ＷＮ膜及びＷＳｉ膜の形成工程について図３を参照して説明し、他方、シード層及び配線層の形成工程について図４を参照して説明する。

マルチチャンバ型成膜装置１０にてＷＮ膜とＷＳｉ膜とが形成される際には、まず、処理前の基板Ｓが、外部の搬送ロボットによって上記搬入チャンバ１２に搬入される。基板Ｓが搬入チャンバ１２に搬入されると、同基板Ｓは、搬送ロボット１１ａによって前処理チャンバ１４に搬入される。

次いで、前処理チャンバ１４では、図３に示されるように、タイミングＴ１にて、Ｈ_２ガスの供給と、該Ｈ_２ガスに対する高周波電力の供給とが開始される。これにより、基板Ｓに対してＨ_２ガスから生成されたプラズマが供給され、基板Ｓに形成された絶縁膜の表面が水素によって終端される。あるいは、半導体基板の表面に水素を含む励起種が吸着する。こうした水素プラズマ供給工程が所定の時間継続されると、タイミングＴ２にて、Ｈ_２ガス及び高周波電力の供給が停止される。Ｈ_２プラズマが供給されると、基板Ｓは、搬送ロボット１１ａによって、前処理チャンバ１４から成膜チャンバ１５に搬送される。

基板Ｓが成膜チャンバ１５に搬入されると、タイミングＴ３にて、シランガス供給部３１から真空槽２１に対するＳｉＨ_４ガスの供給が開始される。ＳｉＨ_４ガスの供給が所定の時間継続されると、タイミングＴ４にて、ＳｉＨ_４ガスの供給が停止される。これにより、基板Ｓの表面における略全体には、上記水素を介してＳｉＨ_４が吸着する。

また、同じくタイミングＴ４では、ＷＮ膜を形成する際の原料ガスであるＷＦ_６ガスの供給が開始される。このように、ＳｉＨ_４ガスの供給が停止されるタイミングと、ＷＦ_６ガスの供給が開始されるタイミングとを同時としていることから、ＷＦ_６ガスが供給されるときには、それ以降のタイミングよりも多くのＳｉＨ_４が基板Ｓに吸着している可能性が高くなる。そのため、基板Ｓの全体にＷＦ_６が吸着しやすくなる。なお、タイミングＴ４でＷＦ_６ガスを導入する前に、成膜面内均一性やパーティクル対策のための排気時間、若しくは真空槽にＮ_２ガスを導入するＮ_２ガス導入時間が設けられていてもよく、その場合、例えば排気時間及びＮ_２ガス導入時間は１〜２秒である。

原料ガス供給部３５から真空槽２１に対するＷＦ_６ガスの供給が所定の時間継続されると、タイミングＴ５にて、ＷＦ_６ガスの供給が停止される。こうした第１原料ガス供給工程により、基板Ｓに対して供給されたＷＦ_６は、上記ＳｉＨ_４を介して基板Ｓ上に吸着する。

基板Ｓに対するＷＦ_６ガスの供給が行われると、同じくタイミングＴ５にて、上記不活性ガス供給部３６から真空槽２１へのＮ_２ガスの供給が開始され、そして、所定時間後のタイミングＴ６にて、Ｎ_２ガスの供給が停止される。これにより、真空槽２１内のＷＦ_６が、Ｎ_２ガスとともに排気される。

Ｎ_２ガスによる排気が行われると、タイミングＴ６にて、シランガス供給部３１から真空槽２１への還元ガスとしてのＳｉＨ_４ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ７にて、ＳｉＨ_４ガスの供給が停止される。こうした還元ガス供給工程により、ＷＦ_６とＳｉＨ_４とが基板Ｓ上にて反応し、その結果、Ｓｉを含む数原子層のＷ膜が基板Ｓ上に形成される。

Ｗ膜が形成されると、タイミングＴ７にて、上記不活性ガス供給部３３から真空槽２１へのＮ_２ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ８にて、Ｎ_２ガスの供給が停止される。これにより、真空槽２１内のＳｉＨ_４ガスが、Ｎ_２ガスとともに排気される。

Ｎ_２ガスによる排気が行われると、タイミングＴ８にて、原料ガス供給部３５から真空槽２１へのＷＦ_６ガスの供給が再び開始され、所定時間後のタイミングＴ９にて、ＷＦ_６ガスの供給が停止される。こうした第２原料ガス供給工程により、数原子層のＷ膜が形成された基板Ｓ上にＷＦ_６が吸着する。

ＷＦ_６ガスの供給が行われると、タイミングＴ９にて、不活性ガス供給部３６から真空槽２１へのＮ_２ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ１０にて、Ｎ_２ガスの供給が停止される。これにより、真空槽２１内のＷＦ_６が、Ｎ_２ガスとともに排気される。

Ｎ_２ガスによる排気が行われると、タイミングＴ１０にて、窒化ガス供給部３２から真空槽２１への窒化ガスとしてのＮＨ_３ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ１１にて、ＮＨ_３ガスの供給が停止される。こうした窒化ガス供給工程により、基板Ｓ上に吸着したＷＦ_６と、ＮＨ_３との反応によって、ＮＨ_３よりもＷとの反応性が高いＷ（ＮＨ_２）Ｆ_５が生成される。このＷ（ＮＨ_２）Ｆ_５が基板Ｓ上に形成されたＷと反応することで、数原子層のＷＮ膜が形成される。

ＷＮ膜が形成されると、タイミングＴ１１にて、上記不活性ガス供給部３４から真空槽２１へのＮ_２ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ１２にて、Ｎ_２ガスの供給が停止される。これにより、真空槽２１内のＮＨ_３が、Ｎ_２ガスとともに排気される。

こうしたタイミングＴ４からタイミングＴ１２までを１サイクルとし、該成膜サイクルが所定の回数繰り返されることによって、所定の膜厚を有したＷＮ膜が形成される。なお、先行するサイクルの終了と同時に、後続するサイクルが開始される。つまり、先行するサイクルのタイミングＴ１２と、後続するサイクルのタイミングＴ４とが同時となる。こうした窒化金属膜形成工程により、基板Ｓ上にはＷＮ膜が形成される。

ＷＮ膜が形成されると、タイミングＴ１３にて、原料ガス供給部３５から真空槽２１へのＷＦ_６ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ１４にて、ＷＦ_６ガスの供給が停止される。こうした原料ガス供給工程により、ＷＦ_６が、基板Ｓ上に形成されたＷＮ膜の略全体に吸着する。なお、ＷＮ膜形成における最終サイクルの終了と同時に、ＷＳｉ膜形成における初回のサイクルが開始される。つまり、ＷＮ膜形成の最終サイクルにおけるタイミングＴ１２と、ＷＳｉ膜形成の初回のサイクルにおけるタイミングＴ１３とが同時となる。

ＷＦ_６ガスが供給されると、タイミングＴ１４にて、不活性ガス供給部３６から真空槽２１へのＮ_２ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ１５にて、Ｎ_２ガスの供給が停止される。これにより、真空槽２１内のＷＦ_６が、Ｎ_２ガスとともに排気される。

Ｎ_２ガスによる排気が行われると、タイミングＴ１５にて、シランガス供給部３１から真空槽２１へのＳｉＨ_４ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ１６にて、ＳｉＨ_４ガスの供給が停止される。こうした還元ガス供給工程により、基板Ｓ上に吸着したＷＦ_６とＳｉＨ_４とが反応することで、基板Ｓ上に数原子層のＷＳｉ膜が形成される。

ＷＳｉ膜が形成されると、タイミングＴ１６にて、不活性ガス供給部３３から真空槽２１へのＮ_２ガスの供給が開始され、所定時間後のタイミングＴ１７にて、Ｎ_２ガスの供給が停止される。これにより、真空槽２１内のＳｉＨ_４が、Ｎ_２ガスとともに排気される。

こうしたタイミングＴ１３からタイミングＴ１７までを１サイクルとし、該成膜サイクルが所定の回数繰り返されることによって、所定の膜厚を有したＷＳｉ膜が形成される。なお、先行するサイクルの終了と同時に、後続するサイクルが開始される。つまり、先行するサイクルのタイミングＴ１３と、後続するサイクルのタイミングＴ１７とが同時となる。こうしたケイ化タングステン膜形成工程により、ＷＳｉ膜がＷＮ膜上に形成される。

このように、ＷＮ膜とＷＳｉ膜とは、該膜を数原子層ずつ形成するＡＬＤ法によって形成される。そのため、基板Ｓの上面、及び貫通孔の内壁面の全体に対して、ＷＮ膜及びＷＳｉ膜が略均一に形成されることになる。

こうして、図４（ａ）に示されるように、半導体基板４１上の絶縁膜４２には、該絶縁膜４２の上面、及び貫通孔４２ａの内壁面にＷＮ膜４３とＷＳｉ膜４４とが形成される。ＷＮ膜とＷＳｉ膜とが形成されると、基板Ｓは、上記搬送ロボット１１ａによって、成膜チャンバ１５からシード層形成チャンバ１６に搬送される。

基板Ｓがシード層形成チャンバ１６に搬送されると、Ｃｕターゲットが、例えばアルゴンガス等の不活性ガスから生成されたプラズマによってスパッタされることで、図４（ｂ）に示されるように、Ｃｕからなるシード層４５がＷＳｉ膜４４上に形成される。このシード層形成工程では、絶縁膜４２の上面と、貫通孔４２ａの開口部付近及び底面とには、スパッタ粒子が到達しやすいことから、シード層４５が相対的に厚く形成される。これに対し、貫通孔４２ａの内壁面における底面側にはスパッタ粒子が到達しにくいことから、シード層４５が形成されない、あるいはシード層４５が相対的に薄く形成される不連続部４５ａが生じる。

基板Ｓに対してシード層４５が形成されると、基板Ｓは、搬送ロボット１１ａによって搬出チャンバ１３に搬送され、そして、基板Ｓは、搬出チャンバ１３によってマルチチャンバ型成膜装置１０の外に搬出される。

マルチチャンバ型成膜装置１０から基板Ｓが搬出されると、同基板Ｓは、電解めっき用の装置に搬入され、そして、基板Ｓに対して電解めっきを用いた配線層の形成が該装置において行われる。つまり、基板Ｓと銅源とが電解液中に浸された後、基板Ｓの有するＷＮ膜４３、ＷＳｉ膜４４、及びシード層４５が陰極となり、且つ、銅源が陽極となるように、外部電源から直流電流が供給される。こうした配線形成工程により、銅源から溶出した銅イオンが、シード層４５上にて還元されることによって、図４（ｃ）に示されるように、配線層４６が絶縁膜４２の表面、及び貫通孔４２ａ内に形成される。これにより、ＷＮ膜４３と、ＷＳｉ膜４４と、Ｃｕからなる配線層４６とを有する配線構造が形成される。

このとき、貫通孔４２ａの内壁面における上記不連続部４５ａでは、シード層４５を介しては電流が流れないものの、シード層４５の下層であるＷＳｉ膜４４を介して電流が流れることになる。そのため、シード層４５に不連続部４５ａが生じていたとしても、Ｃｕの析出は、貫通孔４２ａの内壁面における略全体で生じることになる。それゆえに、貫通孔４２ａ内に形成された配線層４６中には、空隙が生じにくくなる。言い換えれば、配線層４６の埋め込み性が高められることになる。

［試験例］
［Ｃｕ配線の埋め込み性］
直径が８インチであるシリコン基板に、開口部の直径が５．７μｍであり、深さが５１μｍであるホールを複数形成した。そして、シリコン基板を１８０℃に加熱した状態で、Ｈ_２プラズマの供給と、ＳｉＨ_４ガスの供給とを該シリコン基板に対して行った後、ＡＬＤ法を用いてＷＮ膜とＷＳｉ膜とを順に形成した。なお、シリコン基板の上面及びホールの内壁面には絶縁膜が形成されている。

なお、Ｈ_２プラズマの供給時には、Ｈ_２ガスの流量を２００ｓｃｃｍ、前処理チャンバ内の圧力を３７Ｐａ、高周波電力を２００Ｗ、処理時間を６０秒とした。また、ＳｉＨ_４ガスの供給時には、ＳｉＨ_４ガスの流量を７０ｓｃｃｍ、上記真空槽の圧力を２１Ｐａ、処理時間を６０秒とした。

そして、ＷＮ膜は、ＷＦ_６ガスの供給、Ｎ_２ガスの供給、ＳｉＨ_４ガスの供給、Ｎ_２ガスの供給、ＷＦ_６ガスの供給、Ｎ_２ガスの供給、ＮＨ_３ガスの供給、及びＮ_２ガスの供給からなるサイクルを複数回繰り返して形成した。ＷＦ_６ガスの供給時には、ＷＦ_６ガスの流量を２０ｓｃｃｍ、真空槽の圧力を６０Ｐａ、処理時間を２秒とした。ＳｉＨ_４ガスの供給時には、ＳｉＨ_４ガスの流量を７０ｓｃｃｍ、真空槽の圧力を７０Ｐａ、処理時間を４秒とした。ＮＨ_３ガスの供給時には、ＮＨ_３ガスの流量を５ｓｃｃｍ、真空槽の圧力を１０Ｐａ、処理時間を２秒とした。Ｎ_２ガスの供給時には、Ｎ_２ガスの流量を４００ｓｃｃｍ、真空槽の圧力を１．７Ｐａ、処理時間を２秒とした。これにより、５ｎｍの厚さを有したＷＮ膜をシリコン基板の上面、及びホールの内壁面に形成した。

上記ＷＳｉ膜は、ＷＦ_６ガスの供給、Ｎ_２ガスの供給、ＳｉＨ_４ガスの供給、及びＮ_２ガスの供給からなるサイクルを複数回繰り返して形成した。ＷＦ_６ガスの供給、ＳｉＨ_４ガスの供給、及びＮ_２ガスの供給の各々は、ＷＮ膜を形成したときと同じ条件で行った。これにより、２５ｎｍの厚さを有したＷＳｉ膜をＷＮ膜上に形成した。
次いで、５００ｎｍのＣｕ膜をＷＳｉ膜上にスパッタ法によって形成し、そして、Ｃｕ配線を電解めっきによって形成した。

図５（ａ）は、こうして形成されたＣｕ配線の断面構造を撮像したＳＥＭ画像である。図５（ａ）に示されるように、ＷＮ膜とＷＳｉ膜とを形成した上でＣｕ配線を形成した場合、該Ｃｕ配線中には空隙が形成されないことが認められた。

また、同じく８インチのシリコン基板に上記と同様のホールを形成した後、該シリコン基板を１８０℃に加熱した状態で、Ｈ_２プラズマの供給と、ＳｉＨ_４ガスの供給とを該シリコン基板に対して行った後、ＡＬＤ法を用いてＷＮ膜のみを形成した。なお、シリコン基板の上面及びホールの内壁面には絶縁膜が形成されている。Ｈ_２プラズマの供給、ＳｉＨ_４ガスの供給、及びＷＮ膜の形成は、いずれも、上述と同様の条件にて行った。その後、５００ｎｍのＣｕ膜をＷＮ膜上にスパッタ法によって形成し、そして、Ｃｕ配線を電解めっきによって形成した。

図５（ｂ）は、こうして形成されたＣｕ配線の断面構造を撮像したＳＥＭ画像である。図５（ｂ）に示されるように、ＷＮ膜のみを形成してＣｕ配線を形成した場合、該Ｃｕ配線中には空隙が形成されることが認められた。

なお、シリコン基板に形成されたホールのアスペクト比が、上述より大きい場合や、シリコン基板上に形成されるＷＳｉ膜の厚さが、上述より小さい場合には、ＷＮ膜上にＷＳｉ膜を形成したとしても、Ｃｕ配線中に空隙が生じることもある。しかしながら、こうした場合であっても、ＷＳｉ膜を形成せずにＣｕ配線を形成したものと比較して、空隙が形成されにくく、Ｃｕ配線の埋め込み性が高められていることが認められた。また、Ｃｕ配線の形成対象が絶縁膜に形成されたホールや、半導体基板に形成されたホールであっても、上述と同様の結果が認められた。

［ＷＮ膜及びＷＳｉ膜の成膜速度］
ＷＮ膜及びＷＳｉ膜の各々を上述の条件にて形成したときの膜厚を測定した。なお、ＷＮ膜については、上記サイクルを４回繰り返したときの膜厚、８回繰り返したときの膜厚、及び、１２回繰り返したときの膜厚を測定した。また、ＷＳｉ膜については、上記サイクルを３回繰り返したときの膜厚、及び、１２回繰り返したときの膜厚を測定した。

この測定結果を図６に示す。図６に示されるように、ＷＮ膜が、１サイクル当たり略０．４ｎｍの膜厚で形成される一方、ＷＳｉ膜は、１サイクル当たり略１ｎｍの膜厚で形成されることが認められた。しかも、ＷＮ膜の形成時には、１サイクル当たりに要する時間が１８秒である一方、ＷＳｉ膜の形成時には、１サイクル当たりに要する時間が１０秒であることから、１分当たりに形成される膜厚は、ＷＮ膜は１．２ｎｍであり、ＷＳｉ膜は５ｎｍであることが認められた。

このように、ＷＮ膜上にＷＳｉ膜を形成する場合、ＷＮ膜のみを形成する場合と比較して、シリコン基板上に形成する膜が２種類に増えるとはいえ、１サイクルを構成する工程数、１サイクルに要する時間、及び膜の形成に必要なガスの数を減らし、且つ、単位時間当たりの成膜速度を高くすることができる。したがって、シリコン基板上に形成する膜の種類を増加させても、形成方法が煩雑化すること、形成に要する時間が長くなること、及び形成にかかる費用が高くなることを抑えることが可能であると言える。

以上説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）ＷＮ膜４３が基板Ｓに形成された後、ＷＮ膜４３よりも抵抗の小さいＷＳｉ膜４４が、該ＷＮ膜４３に積層される。そのため、電解めっきによって配線層４６を形成するときには、ＷＮ膜４３のみが形成されている場合と比較して、貫通孔４２ａの内壁面に電流が流れやすくなる。これにより、貫通孔４２ａの内壁面には、電流の流れない領域が生じにくくなることから、貫通孔４２ａ内に形成された配線層４６中に、空隙が生じにくくなる。つまり、電解めっきにより形成される配線層４６の埋め込み性を高めることができる。

（２）ＷＳｉ膜４４上にＣｕからなるシード層４５を形成するため、電解めっき時には、ＷＮ膜４３、ＷＳｉ膜４４、及びシード層４５に電流が流れることになる。そのため、配線層４６中には、より空隙が形成されにくくなる。また、シード層４５の下層としてＷＳｉ膜４４が形成されているため、シード層４５が貫通孔４２ａの内壁面の全体に形成されていない場合であっても、ＷＳｉ４４膜を介して電流が流れることとなり、配線層４６には空隙が形成されにくくなる。そのため、ＷＮ膜４３上に直接シード層４５を形成する場合よりも、シード層４５の膜厚を薄くすることも可能になる。

（３）ＷＮ膜４３及びＷＳｉ膜４４をＡＬＤ法によって形成する。そのため、ＷＮ膜４３及びＷＳｉ膜４４を例えばスパッタ法等で形成する場合と比較して、これらの膜が、貫通孔４２ａの内壁面全体により形成されやすくなる。それゆえに、電解めっきにより形成される配線層４６の埋め込み性を高めることができる。

（４）ＷＮ膜４３と、ＷＳｉ膜４４とを、基板Ｓ上にて数原子層ずつ形成するＡＬＤ法を用いて形成するようにしている。この場合、ＷＳｉ膜４４は、ＷＮ膜４３の形成工程から、第２原料ガス供給工程及び窒化ガス供給工程を除いた工程の繰り返しによって形成される。そのため、ＷＮ膜４３上に積層されたＷＳｉ膜４４によれば、配線層４６の埋め込み性を高めることができる上、より少ない工程にて数原子層の形成を行うことができる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ＷＳｉ膜４４の下層には、ＷＮ膜４３に限らず、窒化金属膜であるＴｉＮ膜及びＴａＮ膜のいずれかを形成するようにしてもよい。こうした構成であっても、上記（１）〜（４）に準じた効果を得ることができる。

・ＷＳｉ膜４４上にシード層４５を形成しなくともよい。こうした構成であっても、上記（１）、（３）、（４）に準ずる効果を得ることができる。このようにシード層４５を形成せずに配線層４６を形成した場合であっても、ＷＳｉ膜４４が形成されている以上、ＷＮ膜４３上に配線層４６を形成する場合よりも、配線層４６の埋め込み性が高められる。

・ＷＮ膜４３及びＷＳｉ膜４４は、ＣＶＤ法によって形成するようにしてもよい。こうした構成であっても、上記（１）、（２）に準じた効果を得ることができる。
・ＷＮ膜４３及びＷＳｉ膜４４は、ＣＶＤ法及びＡＬＤ法以外の成膜方法、例えばスパッタ法によって形成されるようにしてもよい。こうした構成であっても、同一の形成方法によってＷＮ膜４３のみが形成される場合と比較すれば、ＷＳｉ膜４４が形成されている分、配線層４６の埋め込み性は高められる。

・ＷＮ膜４３の形成は、ＷＦ_６ガスの供給、Ｎ_２ガスの供給、ＮＨ_３ガスの供給、及びＮ_２ガスの供給がこの順に繰り返されることによって行われるようにしてもよい。ただし、ＷＦ_６とＮＨ_３との反応には、ＷＦ_６とＳｉＨ_４との反応、及びＷＦ_６とＮＨ_３との反応よりも、より高い熱エネルギーが必要とされる。そのため、上記実施形態に記載の方法にてＷＮ膜が形成される方が、基板Ｓの温度をより低温とすることが可能ではある。

・ＷＮ膜４３の形成は、ＷＦ_６ガスの供給、Ｎ_２ガスの供給、ＳｉＨ_４ガスの供給、Ｎ_２ガスの供給、ＮＨ_３ガスの供給、及びＮ_２ガスの供給がこの順に繰り返されることによって行われるようにしてもよい。ただし、ＷＦ_６とＳｉＨ_４との反応によって形成されたＷをＮＨ_３によって窒化するためには、上記実施形態に記載のＷ（ＮＨ_２）Ｆ_５によってＷを窒化する場合よりも高い熱エネルギーが必要とされる。そのため、上記実施形態に記載の方法にてＷＮ膜が形成された方が、基板Ｓの温度をより低温とすることが可能ではある。

・ＳｉＨ_４ガスの供給に先立ってＨ_２ガスから生成されたプラズマが基板Ｓの表面に供給されるようにしたが、Ｈ_２プラズマの供給を割愛してもよい。また、Ｈ_２プラズマの供給とＳｉＨ_４ガスの供給との両方を割愛してもよい。

・シランガス供給工程でのＳｉＨ_４ガスの供給停止と、ＷＦ_６ガスの供給開始とが同時に行われるようにしたが、ＳｉＨ_４ガスの供給が停止されてから所定の時間の後にＷＦ_６ガスの供給が開始されるようにしてもよい。

・マルチチャンバ型成膜装置１０は、上記以外の処理チャンバを有していてもよいし、また、シード層形成チャンバを有していなくともよい。
・成膜チャンバ１５とは別に前処理チャンバ１４を有するようにしたが、成膜チャンバ１５に高周波電源、Ｈ_２ガス供給部、あるいはＡｒガス供給部を設けることによって、成膜チャンバにて上記前処理を行うようにしてもよい。この場合、前処理チャンバ１４を割愛することができる。

・前処理チャンバ１４では、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力を用いてＨ_２プラズマやＡｒプラズマが形成されるようにしたが、これらガスからプラズマを生成することが可能であれば、高周波電力の周波数や、前処理チャンバ１４の構成は、任意に変更可能である。

・シード層形成チャンバ１６は、スパッタ法に限らず、ＣＶＤ法やスパッタ以外のＰＶＤ法等の成膜方法にてＣｕ膜を形成するものであってもよい。ＣＶＤ法にてＣｕ膜を形成した場合、スパッタ法にてＣｕ膜を形成する場合よりも、貫通孔４２ａの内壁面には均一にＣｕ膜が形成されるようにはなる。しかしながら、ＣＶＤ法を用いた場合であっても、貫通孔４２ａの底面と比較して、内壁面の底面付近にはＣｕ膜が形成されにくいことから、上記ＷＳｉ膜を形成することで、配線層４６の埋め込み性が高められることになる。

・成膜チャンバ１５のシランガス供給部３１と窒化ガス供給部３２とは、各別の配管に接続される構成であってもよい。
・シランガス供給工程及び還元ガス供給工程で用いられるガスは、ＳｉＨ_４ガスに限らず、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガス等、Ｓｉ_ｎＨ_２ｎ＋２で表されるシランガスであればよい。

・第１原料ガス供給工程、還元ガス供給工程、第２原料ガス供給工程、窒化ガス供給工程の後に行われる各種ガスの排気には、Ｎ_２ガスに限らず、他の不活性ガス、例えばＡｒガスやヘリウムガスを用いるようにしてもよい。

・原料ガス供給工程で用いられるガスは、ＷＦ_６ガス以外のＷを含むガス、例えば、六塩化タングステンや、ＷＯＦ_２、ＷＯＦ_４、ＷＯＣｌ_２、及びＷＯＣｌ_４等のオキシハロゲン化タングステンであってもよい。

・窒化ガス供給工程で用いられるガスは、ＮＨ_３ガス以外のＮを含むガス、例えば、ヒドラジンガス（Ｎ_２Ｈ_４）、ヒドラジン中の水素が炭化水素基に置換されたヒドラジン誘導体のガスを用いるようにしてもよい。要は、Ｗを窒化することのできるガスであればよい。

・ＷＮ膜、ＷＳｉ膜、及びＷＳｉＮ膜を形成するときに、ＷＦ_６ガス、ＳｉＨ_４ガス、あるいはＮＨ_３ガスが基板に供給された後に、Ｎ_２ガスによる排気がわれるようにしたが、不活性ガスが供給されることなく、排気部２５のみによる真空槽２１内の排気が行われるようにしてもよい。

・上記各工程におけるガスの供給流量、処理室内の圧力、処理時間等の条件は、ＷＮ膜の形成が可能な範囲で、任意に変更することができる。
・不活性ガス供給部３３は、窒化ガス供給部３２からＮＨ_３ガスが供給されているとき、及び原料ガス供給部３５からＷＦ_６ガスが供給されているときに、真空槽２１に対してＮ_２ガスが供給されるようにしてもよい。これにより、ＮＨ_３ガスやＷＦ_６ガスが、シランガス配管側に逆流することを抑えられる。

・不活性ガス供給部３４は、シランガス供給部３１からＳｉＨ_４ガスが供給されているとき、及び原料ガス供給部３５からＷＦ_６ガスが供給されているときに、真空槽２１に対してＮ_２ガスが供給されるようにしてもよい。これにより、ＳｉＨ_４ガスやＷＦ_６ガスが、窒化ガス配管側に逆流することを抑えられる。

・不活性ガス供給部３６は、シランガス供給部３１からＳｉＨ_４ガスが供給されているとき、及び窒化ガス供給部３２からＮＨ_３ガスが供給されているときに、真空槽２１に対してＮ_２ガスが供給されるようにしてもよい。これにより、ＳｉＨ_４ガス及びＮＨ_３ガスが、フッ素系ガス配管ＧＬ２側に逆流することを抑えられる。

・基板Ｓの有する絶縁膜はシリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜、及び金属ホウ素酸化物であってもよい。なお、金属ホウ素酸化物としては、ＺｒＢＯ、ＴａＢＯ、ＴｉＢＯ、及びＨｆＢＯ等が挙げられる。

・基板Ｓを構成する半導体基板は、上記シリコン基板以外の半導体基板であってもよい。

１０…マルチチャンバ型成膜装置、１１…搬送チャンバ、１１ａ…搬送ロボット、１２ａ…搬入チャンバ、１３…搬出チャンバ、１４…前処理チャンバ、１５…成膜チャンバ、１６…シード層チャンバ、２１…真空槽、２１ａ…底壁、２１ｂ…上壁、２２…基板ステージ、２３…ヒータ、２４…ヒータ電源、２５…排気部、２６…シャワープレート、２６ａ…開口部、３１…シランガス供給部、３２…窒化ガス供給部、３３，３４，３６…不活性ガス供給部、３５…原料ガス供給部、４１，５１…半導体基板、４２，５２…絶縁膜、４２ａ，５２ａ…貫通孔、４３，５３…ＷＮ膜、４４…ＷＳｉ膜、４５，５４…シード層、４６，５５…配線層、ＧＬ１…水素系ガス配管、ＧＬ２…フッ素系ガス配管、Ｐ１…排気ポート、Ｐ２…ガス供給ポート、Ｓ…基板。

Claims (4)

1. タンタル、チタン、及びタングステンのいずれかの窒化物からなる窒化金属膜が凹部を有する基板に形成される窒化金属膜形成工程と、
   ケイ化タングステン膜が前記窒化金属膜に積層されるケイ化タングステン膜形成工程と、
   前記窒化金属膜と、前記ケイ化タングステン膜とが形成された前記凹部内に、銅からなる配線層が電解めっきによって形成される配線形成工程とを備える
   配線構造の形成方法。
2. 前記ケイ化タングステン膜形成工程と、前記配線形成工程との間に、
   銅からなるシード層が前記ケイ化タングステン膜上に形成されるシード層形成工程を更に備える
   請求項１に記載の配線構造の形成方法。
3. 前記窒化金属膜形成工程、及び前記ケイ化タングステン膜形成工程では、
   前記窒化金属膜及び前記ケイ化タングステン膜がＣＶＤ法及びＡＬＤ法のいずれかによって形成される
   請求項１又は２に記載の配線構造の形成方法。
4. 前記窒化金属膜形成工程、及び前記ケイ化タングステン膜形成工程では、前記窒化金属膜及び前記ケイ化タングステン膜が前記ＡＬＤ法によって形成され、
   前記窒化金属膜形成工程では、
   タングステンを含む原料ガスが前記基板に供給される第１原料ガス供給工程と、
   前記原料ガスを還元する還元ガスが前記基板に供給される還元ガス供給工程と、
   前記原料ガスが前記基板に供給される第２原料ガス供給工程と、
   タングステンを窒化する窒化ガスが前記基板に供給される窒化ガス供給工程とが、この順に繰り返されることで窒化タングステン膜が形成され、
   前記ケイ化タングステン膜形成工程では、
   前記原料ガスが前記基板に供給される原料ガス供給工程と、
   前記還元ガス供給工程とが、この順に繰り返される
   請求項３に記載の配線構造の形成方法。