JP3003607B2 - バリア膜の形成方法と半導体装置 - Google Patents
バリア膜の形成方法と半導体装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に用い
るバリア膜の形成方法に関するものである。
るバリア膜の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置においては、集積度の向上に
ともなって、サイズの縮小化が進められている。それに
伴って、コンタクトホールや配線幅が縮小されるが、相
対的に縦方向のサイズが縮小されないため、アスペクト
比（縦／横のサイズ比）が大きくなってきている。コン
タクトホールは、２５６ＭｂＤＲＡＭの場合、そのアス
ペクト比は４以上となる。また、配線形成法としても、
ダマシン法という溝埋め込みが盛んになってきている。
これは、配線の溝を絶縁膜に形成し、その溝に金属を埋
め込む方法であるが、微細なエッチングが難しい銅配線
の形成方法として注目されている。
ともなって、サイズの縮小化が進められている。それに
伴って、コンタクトホールや配線幅が縮小されるが、相
対的に縦方向のサイズが縮小されないため、アスペクト
比（縦／横のサイズ比）が大きくなってきている。コン
タクトホールは、２５６ＭｂＤＲＡＭの場合、そのアス
ペクト比は４以上となる。また、配線形成法としても、
ダマシン法という溝埋め込みが盛んになってきている。
これは、配線の溝を絶縁膜に形成し、その溝に金属を埋
め込む方法であるが、微細なエッチングが難しい銅配線
の形成方法として注目されている。
【０００３】従来、コンタクトホールや溝に対してバリ
ア膜として、ＴｉＮをスパッタ法で堆積するのが一般的
であるが、高アスペクト比になると、十分に側面や底面
に膜が堆積できないため、ＣＶＤ法が用いられている。
例えば、特開昭６３−３１７６７６号公報には、プラズ
マＣＶＤによるＷＮx膜，ＷＳｉx膜の堆積が示されてい
る。また、特開平１−２９８７１７号公報には、目的は
異なるが、タングステン膜の堆積の途中に窒素プラズマ
処理を加えて、ＷＮx層を形成する方法が開示されてい
る。これらの方法は、Ｗよりもバリア性に優れたＷＮx
を形成するものである。前者の例では、ＷＮx膜は、無
粒構造であることが述べられている。
ア膜として、ＴｉＮをスパッタ法で堆積するのが一般的
であるが、高アスペクト比になると、十分に側面や底面
に膜が堆積できないため、ＣＶＤ法が用いられている。
例えば、特開昭６３−３１７６７６号公報には、プラズ
マＣＶＤによるＷＮx膜，ＷＳｉx膜の堆積が示されてい
る。また、特開平１−２９８７１７号公報には、目的は
異なるが、タングステン膜の堆積の途中に窒素プラズマ
処理を加えて、ＷＮx層を形成する方法が開示されてい
る。これらの方法は、Ｗよりもバリア性に優れたＷＮx
を形成するものである。前者の例では、ＷＮx膜は、無
粒構造であることが述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来のＷＮx膜は確か
にＷ膜よりもバリア性が高くなるが、アモルファス構造
から７００℃程度で結晶化することが知られている。ま
た、８５０℃で窒素がＷから乖離することが相図からわ
かっている。このような膜の構造変化によって、バリア
性が劣化する。
にＷ膜よりもバリア性が高くなるが、アモルファス構造
から７００℃程度で結晶化することが知られている。ま
た、８５０℃で窒素がＷから乖離することが相図からわ
かっている。このような膜の構造変化によって、バリア
性が劣化する。
【０００５】また、図７に示すような従来の方法によれ
ば、マスフローコントローラ８で制御して窒素１とＷＦ
6をＣＶＤ室１内に供給し、電極２６と基板ホルダ２と
に高周波電源２７にて電圧を印加して基板３上にプラズ
マ２８を発生するプラズマＣＶＤを用いているため、気
相中での反応が頻繁に生じる。このようなプラズマＣＶ
Ｄでは、気相中に生じた生成物が基板の縁側に物理的に
降り積もるため、スパッタ法と同様に一般にカバレージ
が劣化し、非常に高アスペクト比のコンタクトホール
や、溝にバリア膜を均一に堆積するのに適していない。
ば、マスフローコントローラ８で制御して窒素１とＷＦ
6をＣＶＤ室１内に供給し、電極２６と基板ホルダ２と
に高周波電源２７にて電圧を印加して基板３上にプラズ
マ２８を発生するプラズマＣＶＤを用いているため、気
相中での反応が頻繁に生じる。このようなプラズマＣＶ
Ｄでは、気相中に生じた生成物が基板の縁側に物理的に
降り積もるため、スパッタ法と同様に一般にカバレージ
が劣化し、非常に高アスペクト比のコンタクトホール
や、溝にバリア膜を均一に堆積するのに適していない。
【０００６】一方、デバイス面では、コンタクトホール
断面積，配線断面積の減少により、配線金属のＷ，Ｃｕ
などに比較して高抵抗なバリア膜が厚い場合、配線抵抗
が上昇する問題がある。０．２５ミクロンサイズ以下の
デバイスでは、バリア膜厚は、２０ｎｍ程度以下にする
必要がある。従って、従来よりも薄くて、カバレージの
良いバリア膜が必要となる。
断面積，配線断面積の減少により、配線金属のＷ，Ｃｕ
などに比較して高抵抗なバリア膜が厚い場合、配線抵抗
が上昇する問題がある。０．２５ミクロンサイズ以下の
デバイスでは、バリア膜厚は、２０ｎｍ程度以下にする
必要がある。従って、従来よりも薄くて、カバレージの
良いバリア膜が必要となる。
【０００７】本発明の目的は、従来のバリア膜の形成方
法の問題を解決し、微細なコンタクトホール，配線溝に
バリア膜を形成しても、実効的な抵抗値の上昇の問題が
なく、かつ高温まで安定なバリア膜の形成方法と半導体
装置を提供することにある。
法の問題を解決し、微細なコンタクトホール，配線溝に
バリア膜を形成しても、実効的な抵抗値の上昇の問題が
なく、かつ高温まで安定なバリア膜の形成方法と半導体
装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係るバリア膜の形成方法は、Ｗを含む原料
ガスを、メタン、エタン、プロパンの炭化水素のいずれ
かのガスと、窒化プラズマ、ＮＨ3プラズマ、窒素ガ
ス、ＮＨ3ガス、ヒドラジン、ジメチルヒドラジンの窒
素供給源の少なくとも１つとを反応させて、ＷＣxＮyの
薄膜を堆積するものである。
め、本発明に係るバリア膜の形成方法は、Ｗを含む原料
ガスを、メタン、エタン、プロパンの炭化水素のいずれ
かのガスと、窒化プラズマ、ＮＨ3プラズマ、窒素ガ
ス、ＮＨ3ガス、ヒドラジン、ジメチルヒドラジンの窒
素供給源の少なくとも１つとを反応させて、ＷＣxＮyの
薄膜を堆積するものである。
【０００９】また本発明に係るバリア膜の形成方法は、
Ｗを含むガスとしてＷ（Ｎ（ＣＨ 3 ） 2 ） 6 もしくはＷ
（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用い、ＳｉＨ4もしくはＣＨ4のい
ずれかのガスとの反応によってＷＳｉxＮyあるいはＷＣ
xＮyの薄膜を堆積する、或いはＷを含む原料ガスを、シ
ラン、ジクロロシランのいずれかのガス、もしくはメタ
ン、エタン、プロパンの炭化水素のいずれかのガスと、
窒化プラズマ、アンモニアプラズマの窒素供給源の少な
くとも１つとを反応させて、ＷＳｉ x Ｎ y あるいはＷＣ x
Ｎ y の薄膜を堆積するバリア膜の形成方法であって、 前
記窒素供給源となる窒素プラズマまたはアンモニアプラ
ズマを基板への堆積が行われる箇所から離れた領域で発
生させ、これを基板の表面に供給するものである。
Ｗを含むガスとしてＷ（Ｎ（ＣＨ 3 ） 2 ） 6 もしくはＷ
（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用い、ＳｉＨ4もしくはＣＨ4のい
ずれかのガスとの反応によってＷＳｉxＮyあるいはＷＣ
xＮyの薄膜を堆積する、或いはＷを含む原料ガスを、シ
ラン、ジクロロシランのいずれかのガス、もしくはメタ
ン、エタン、プロパンの炭化水素のいずれかのガスと、
窒化プラズマ、アンモニアプラズマの窒素供給源の少な
くとも１つとを反応させて、ＷＳｉ x Ｎ y あるいはＷＣ x
Ｎ y の薄膜を堆積するバリア膜の形成方法であって、 前
記窒素供給源となる窒素プラズマまたはアンモニアプラ
ズマを基板への堆積が行われる箇所から離れた領域で発
生させ、これを基板の表面に供給するものである。
【００１０】また本発明に係る半導体装置は、基板に形
成されたコンタクトホールまたは配線溝にバリアメタル
を介して電極または配線を形成した半導体装置におい
て、 バリアメタルがＷＣ x Ｎ y 膜である。
成されたコンタクトホールまたは配線溝にバリアメタル
を介して電極または配線を形成した半導体装置におい
て、 バリアメタルがＷＣ x Ｎ y 膜である。
【００１１】
【作用】本発明に係るバリア膜の形成方法によれば、Ｗ
ＳｉxＮy膜，あるいはＷＣxＮy膜を堆積する。これらの
膜は、従来のＷＮxに比較して、Ｓｉ，Ｃの存在によっ
て結晶化が阻害されるため、より高温までアモルファス
状態が安定で、拡散パスがなくバリア性が向上する。
ＳｉxＮy膜，あるいはＷＣxＮy膜を堆積する。これらの
膜は、従来のＷＮxに比較して、Ｓｉ，Ｃの存在によっ
て結晶化が阻害されるため、より高温までアモルファス
状態が安定で、拡散パスがなくバリア性が向上する。
【００１２】また従来のプラズマＣＶＤでは、気相反応
によって形成したＷＮxが堆積するため、カバレージが
良くないが、本発明によれば、カバレージ劣化の要因と
なる気相中での反応を抑制し、表面でＳｉＨ4，ＣＨ4な
どを反応させる表面反応律速領域の条件を使うことによ
って、カバレージ良くアモルファス状のＷＳｉxＮy膜，
ＷＣxＮy膜を堆積することが可能となる。
によって形成したＷＮxが堆積するため、カバレージが
良くないが、本発明によれば、カバレージ劣化の要因と
なる気相中での反応を抑制し、表面でＳｉＨ4，ＣＨ4な
どを反応させる表面反応律速領域の条件を使うことによ
って、カバレージ良くアモルファス状のＷＳｉxＮy膜，
ＷＣxＮy膜を堆積することが可能となる。
【００１３】さらに、本発明によれば、プラズマを反応
チャンバーから離れたところで発生させ、表面近傍に直
接供給することで、カバレージを劣化させる気相中での
反応を抑制することにより、従来のプラズマＣＶＤより
もカバレージを向上することができる。
チャンバーから離れたところで発生させ、表面近傍に直
接供給することで、カバレージを劣化させる気相中での
反応を抑制することにより、従来のプラズマＣＶＤより
もカバレージを向上することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。
より説明する。
【００１５】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係るバリア膜の形成方法を実施するために用いた成
膜装置を示す構成図である。
１に係るバリア膜の形成方法を実施するために用いた成
膜装置を示す構成図である。
【００１６】図１において、本発明の実施形態１に係る
バリア膜の形成方法は、Ｗを含む原料ガスをシラン，ジ
クロロシラン、もしくはメタン，エタン，プロパン等の
炭化水素のいずれかのガスと、窒化プラズマ，ＮＨ3プ
ラズマ，窒素ガス，ＮＨ3ガス，ヒドラジン，ジメチル
ヒドラジン等の窒素供給源の少なくとも一つとを反応さ
せて、ＷＳｉxＮyあるいはＷＣxＮyの薄膜を基板に堆積
することを特徴とするものである。
バリア膜の形成方法は、Ｗを含む原料ガスをシラン，ジ
クロロシラン、もしくはメタン，エタン，プロパン等の
炭化水素のいずれかのガスと、窒化プラズマ，ＮＨ3プ
ラズマ，窒素ガス，ＮＨ3ガス，ヒドラジン，ジメチル
ヒドラジン等の窒素供給源の少なくとも一つとを反応さ
せて、ＷＳｉxＮyあるいはＷＣxＮyの薄膜を基板に堆積
することを特徴とするものである。
【００１７】図１において、本発明の実施形態１に係る
バリア膜の形成方法を実施するため、ＣＶＤ室１に設置
した基板ホルダ２上に基板３を固定し、基板３を基板ホ
ルダ２により６５０℃に加熱する。そして、ＣＶＤ室１
内をポンプ４により一旦真空排気した後、マスフローコ
ントローラ８により流量を制御して、ＷＦ6ガス５，ジ
クロロシラン６，アンモニア７をそれぞれ流量１．５ｓ
ｃｃｍ，１００ｓｃｃｍ，１００ｓｃｃｍでＣＶＤ室１
内に導入する。プロセス中におけるＣＶＤ室１内の圧力
は、５０Ｐａに設定したとき、基板３への膜堆積の堆積
速度は、１００ｎｍ／分であった。
バリア膜の形成方法を実施するため、ＣＶＤ室１に設置
した基板ホルダ２上に基板３を固定し、基板３を基板ホ
ルダ２により６５０℃に加熱する。そして、ＣＶＤ室１
内をポンプ４により一旦真空排気した後、マスフローコ
ントローラ８により流量を制御して、ＷＦ6ガス５，ジ
クロロシラン６，アンモニア７をそれぞれ流量１．５ｓ
ｃｃｍ，１００ｓｃｃｍ，１００ｓｃｃｍでＣＶＤ室１
内に導入する。プロセス中におけるＣＶＤ室１内の圧力
は、５０Ｐａに設定したとき、基板３への膜堆積の堆積
速度は、１００ｎｍ／分であった。
【００１８】実施形態１において、基板３上に堆積した
膜を組成分析した結果、その組成は、ＷＳｉxＮy（ｘ＝
１．７，ｙ＝０．３）であり、その膜はアモルファス状
であった。
膜を組成分析した結果、その組成は、ＷＳｉxＮy（ｘ＝
１．７，ｙ＝０．３）であり、その膜はアモルファス状
であった。
【００１９】このＷＳｉxＮy膜を図２に示すような、直
径０．３ミクロンのｎ型Ｓｉ拡散層９のコンタクトとし
て堆積する場合について説明する。
径０．３ミクロンのｎ型Ｓｉ拡散層９のコンタクトとし
て堆積する場合について説明する。
【００２０】図２（ａ）に示すように、ｎ型Ｓｉ拡散層
９に達するスルーホールの内側壁及び底部に、コンタク
トメタルとしてＴｉ１０を付着させる。ここで、スルー
ホールの底部には、Ｔｉ１０を１０ｎｍの膜厚に堆積さ
せる。
９に達するスルーホールの内側壁及び底部に、コンタク
トメタルとしてＴｉ１０を付着させる。ここで、スルー
ホールの底部には、Ｔｉ１０を１０ｎｍの膜厚に堆積さ
せる。
【００２１】次に図２（ｂ）に示すように、前述のＷＳ
ｉxＮy膜１１をＴｉ１０上に堆積する。ＷＳｉxＮy膜１
１の膜厚は、スルーホールの底部で２０ｎｍになるよう
にする。
ｉxＮy膜１１をＴｉ１０上に堆積する。ＷＳｉxＮy膜１
１の膜厚は、スルーホールの底部で２０ｎｍになるよう
にする。
【００２２】次に図２（ｃ）に示すように、Ｃｕ膜１２
をスルーホールの部分にＣＶＤにより堆積し、配線加工
する。Ｃｕ膜１２は、ＷＳｉxＮy膜１１及びＴｉ１０を
介してｎ型Ｓｉ拡散層９に接続する構造になっている。
図２（ｃ）に示す構造のものをサンプルとして用いて、
接合リーク電流特性を、熱処理温度を変化させて測定し
た。また、コンタクト抵抗の熱処理による変化を測定し
た。
をスルーホールの部分にＣＶＤにより堆積し、配線加工
する。Ｃｕ膜１２は、ＷＳｉxＮy膜１１及びＴｉ１０を
介してｎ型Ｓｉ拡散層９に接続する構造になっている。
図２（ｃ）に示す構造のものをサンプルとして用いて、
接合リーク電流特性を、熱処理温度を変化させて測定し
た。また、コンタクト抵抗の熱処理による変化を測定し
た。
【００２３】このＷＳｉxＮy膜１１のカバレージ（底の
膜厚／上面の膜厚）は７０パーセントであった。一方、
比較対象としての従来のプラズマＣＶＤによるＷＮx膜
では、４０パーセントのカバレージであった。
膜厚／上面の膜厚）は７０パーセントであった。一方、
比較対象としての従来のプラズマＣＶＤによるＷＮx膜
では、４０パーセントのカバレージであった。
【００２４】図３は、本発明の実施形態１に係るバリア
膜を用いた抵抗１３の熱処理温度依存性を表している。
比較のため、ＷＦ6ガスと窒素ガスのプラズマＣＶＤに
よって堆積した従来のＷＮx膜を用いた抵抗１４を示し
ている。従来のＷＮx膜では、８００℃から（コンタク
ト）抵抗１４が上昇した。８５０℃では、急激に抵抗１
４が増加した。同時にリーク電流特性も劣化した。
膜を用いた抵抗１３の熱処理温度依存性を表している。
比較のため、ＷＦ6ガスと窒素ガスのプラズマＣＶＤに
よって堆積した従来のＷＮx膜を用いた抵抗１４を示し
ている。従来のＷＮx膜では、８００℃から（コンタク
ト）抵抗１４が上昇した。８５０℃では、急激に抵抗１
４が増加した。同時にリーク電流特性も劣化した。
【００２５】一方、本発明の実施形態１に係る方法で作
成したＷＳｉxＮy膜の場合、８５０℃でも（コンタク
ト）抵抗１３の上昇は、見られなかった。また、リーク
電流特性も変化しなかった。
成したＷＳｉxＮy膜の場合、８５０℃でも（コンタク
ト）抵抗１３の上昇は、見られなかった。また、リーク
電流特性も変化しなかった。
【００２６】８５０℃で熱処理した本発明の実施形態１
に係るＷＳｉＮ膜をＸ線回折で調べたところ、アモルフ
ァス構造が保たれていた。一方、従来のＷＮx膜は、７
００℃で結晶化しており、８５０℃では、Ｗのピークが
観察され、膜の分解が生じていた。
に係るＷＳｉＮ膜をＸ線回折で調べたところ、アモルフ
ァス構造が保たれていた。一方、従来のＷＮx膜は、７
００℃で結晶化しており、８５０℃では、Ｗのピークが
観察され、膜の分解が生じていた。
【００２７】本実施形態１では、ＷＦ6を用いている
が、これに代えて、Ｗ（Ｎ（ＣＨ3）2）6，Ｗ（Ｎ（Ｃ2
Ｈ5）2）6を用いても良い。また、ジクロロシランを用
いているが、これに代えてシランを用いても良く、さら
には、これらに代えて、メタン，エタン，プロパン等の
炭化水素のいずれかのガスを用いてもよい。また、アン
モニア（ＮＨ3ガス）を用いているが、これに代えて、
窒化プラズマ，ＮＨ3プラズマ，窒素ガス，ヒドラジ
ン，ジメチルヒドラジン等の窒素供給源の少なくとも一
つとを用いてもよい。また、Ｗを含むガスとして、Ｗ
（Ｎ（ＣＨ 3 ） 2 ）もしくはＷ（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用
い、ＳｉＨ4もしくはＣＨ4のいずれかのガスとの反応に
よって、ＷＳｉxＮy またはＷＣ x Ｎ y の薄膜を基板に堆積
するようにしてもよい。
が、これに代えて、Ｗ（Ｎ（ＣＨ3）2）6，Ｗ（Ｎ（Ｃ2
Ｈ5）2）6を用いても良い。また、ジクロロシランを用
いているが、これに代えてシランを用いても良く、さら
には、これらに代えて、メタン，エタン，プロパン等の
炭化水素のいずれかのガスを用いてもよい。また、アン
モニア（ＮＨ3ガス）を用いているが、これに代えて、
窒化プラズマ，ＮＨ3プラズマ，窒素ガス，ヒドラジ
ン，ジメチルヒドラジン等の窒素供給源の少なくとも一
つとを用いてもよい。また、Ｗを含むガスとして、Ｗ
（Ｎ（ＣＨ 3 ） 2 ）もしくはＷ（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用
い、ＳｉＨ4もしくはＣＨ4のいずれかのガスとの反応に
よって、ＷＳｉxＮy またはＷＣ x Ｎ y の薄膜を基板に堆積
するようにしてもよい。
【００２８】（実施形態２）次に本発明の実施形態２に
ついて説明する。実施形態２における成膜には、実施形
態１と同様、図１のＣＶＤ装置を用いた。ＣＶＤ室１内
に設置した基板ホルダ２上に基板３を固定し、基板３を
基板ホルダ２により６００℃に加熱する。ＣＶＤ室１を
一旦真空排気した後、ＷＦ6ガス，メタン，アンモニア
をそれぞれ流量１．２ｓｃｃｍ，８０ｓｃｃｍ，１００
ｓｃｃｍでＣＶＤ室１内に導入する。プロセス中のＣＶ
Ｄ室１内の圧力は、４０Ｐａに設定したとき、基板３へ
の膜の堆積速度は、７０ｎｍ／分であった。
ついて説明する。実施形態２における成膜には、実施形
態１と同様、図１のＣＶＤ装置を用いた。ＣＶＤ室１内
に設置した基板ホルダ２上に基板３を固定し、基板３を
基板ホルダ２により６００℃に加熱する。ＣＶＤ室１を
一旦真空排気した後、ＷＦ6ガス，メタン，アンモニア
をそれぞれ流量１．２ｓｃｃｍ，８０ｓｃｃｍ，１００
ｓｃｃｍでＣＶＤ室１内に導入する。プロセス中のＣＶ
Ｄ室１内の圧力は、４０Ｐａに設定したとき、基板３へ
の膜の堆積速度は、７０ｎｍ／分であった。
【００２９】実施形態２において基板３に堆積した膜を
分析した結果、組成はＷＣxＮy（ｘ＝１．８，ｙ＝０．
２）であり、また、この膜はアモルファス状であった。
次に、実施形態２に係るＷＣxＮy膜１５を図４に示す酸
化膜の溝に堆積する場合について説明する。
分析した結果、組成はＷＣxＮy（ｘ＝１．８，ｙ＝０．
２）であり、また、この膜はアモルファス状であった。
次に、実施形態２に係るＷＣxＮy膜１５を図４に示す酸
化膜の溝に堆積する場合について説明する。
【００３０】まず、図４（ａ）に示すように、酸化膜１
６に形成した幅０．３ミクロン深さ０．５ミクロンの溝
１７にＷＣxＮy膜１５を堆積する。ＷＣxＮy膜１５の膜
厚は、溝１７の底で２０ｎｍである。
６に形成した幅０．３ミクロン深さ０．５ミクロンの溝
１７にＷＣxＮy膜１５を堆積する。ＷＣxＮy膜１５の膜
厚は、溝１７の底で２０ｎｍである。
【００３１】次に図４（ｂ）に示すように、Ｃｕ膜１８
をＣＶＤにより酸化膜１６の全面に堆積する。
をＣＶＤにより酸化膜１６の全面に堆積する。
【００３２】次に図４（ｃ）に示すように、溝１７から
食み出したＣｕ膜１８を化学機械研磨し、溝１７内にＣ
ｕ溝配線１９を形成する。図４（ｃ）に示す構造のもの
サンプルとして用いて、配線抵抗と配線間のリーク電流
を測定した。
食み出したＣｕ膜１８を化学機械研磨し、溝１７内にＣ
ｕ溝配線１９を形成する。図４（ｃ）に示す構造のもの
サンプルとして用いて、配線抵抗と配線間のリーク電流
を測定した。
【００３３】実施形態２に示すＷＣxＮy膜１５のカバレ
ージ（底の膜厚／上面の膜厚）は、８０パーセントであ
った。一方、比較対象として従来のプラズマＣＶＤによ
るＷＮx膜では、６０パーセントのカバレージであっ
た。
ージ（底の膜厚／上面の膜厚）は、８０パーセントであ
った。一方、比較対象として従来のプラズマＣＶＤによ
るＷＮx膜では、６０パーセントのカバレージであっ
た。
【００３４】図５は、本発明の実施形態２に係るＷＣx
Ｎy膜をバリア膜として用いた抵抗１３の熱処理温度依
存性を表している。比較のため、ＷＦ6ガスと窒素ガス
のプラズマＣＶＤによって堆積したＷＮx膜を用いた抵
抗１４も示している。従来のＷＮx膜では、８００℃か
ら（配線）抵抗１４が上昇した。８５０℃では、急激に
抵抗１４が増加した。同時に配線間リーク電流特性も劣
化した。
Ｎy膜をバリア膜として用いた抵抗１３の熱処理温度依
存性を表している。比較のため、ＷＦ6ガスと窒素ガス
のプラズマＣＶＤによって堆積したＷＮx膜を用いた抵
抗１４も示している。従来のＷＮx膜では、８００℃か
ら（配線）抵抗１４が上昇した。８５０℃では、急激に
抵抗１４が増加した。同時に配線間リーク電流特性も劣
化した。
【００３５】一方、本発明の実施形態２に係る方法で作
成したＷＣxＮy膜１５の場合、８５０℃でも（配線）抵
抗１３の上昇は、見られなかった。また、リーク電流特
性も変化しなかった。８５０℃で熱処理した実施形態２
に係るＷＣＮ膜をＸ線回折で調べたところ、アモルファ
ス構造が保たれていた。
成したＷＣxＮy膜１５の場合、８５０℃でも（配線）抵
抗１３の上昇は、見られなかった。また、リーク電流特
性も変化しなかった。８５０℃で熱処理した実施形態２
に係るＷＣＮ膜をＸ線回折で調べたところ、アモルファ
ス構造が保たれていた。
【００３６】本実施形態２では、ＷＦ6を用いている
が、これに代えて、Ｗ（Ｎ（ＣＨ3）2）6，Ｗ（Ｎ（Ｃ2
Ｈ5）2）6を用いても良い。また、メタンを用いている
が、これに代えて、エタン，プロパン等の炭化水素のい
ずれかのガスを用いてもよく、また、シラン，ジクロロ
シランを用いてもよい。また、アンモニア（ＮＨ3ガ
ス）を用いているが、これに代えて、窒化プラズマ，Ｎ
Ｈ3プラズマ，窒素ガス，ヒドラジン，ジメチルヒドラ
ジン等の窒素供給源の少なくとも一つとを用いてもよ
い。また、Ｗを含むガスとして、Ｗ（Ｎ（ＣＨ 3 ） 2 ） 6
もしくはＷ（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用い、ＳｉＨ4もしく
はＣＨ4のいずれかのガスとの反応によって、ＷＣxＮy
またはＷＣ x Ｎ y の薄膜を基板に堆積するようにしてもよ
い。
が、これに代えて、Ｗ（Ｎ（ＣＨ3）2）6，Ｗ（Ｎ（Ｃ2
Ｈ5）2）6を用いても良い。また、メタンを用いている
が、これに代えて、エタン，プロパン等の炭化水素のい
ずれかのガスを用いてもよく、また、シラン，ジクロロ
シランを用いてもよい。また、アンモニア（ＮＨ3ガ
ス）を用いているが、これに代えて、窒化プラズマ，Ｎ
Ｈ3プラズマ，窒素ガス，ヒドラジン，ジメチルヒドラ
ジン等の窒素供給源の少なくとも一つとを用いてもよ
い。また、Ｗを含むガスとして、Ｗ（Ｎ（ＣＨ 3 ） 2 ） 6
もしくはＷ（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用い、ＳｉＨ4もしく
はＣＨ4のいずれかのガスとの反応によって、ＷＣxＮy
またはＷＣ x Ｎ y の薄膜を基板に堆積するようにしてもよ
い。
【００３７】（実施形態３）図６は、本発明の実施形態
３に係る成膜装置を示す構成図である。
３に係る成膜装置を示す構成図である。
【００３８】図６に示す本発明の実施形態３は、Ｗを含
む原料ガスをシラン，ジクロロシラン、もしくはメタ
ン，エタン，プロパン等の炭化水素のいずれかのガス
と、窒化プラズマ，ＮＨ3プラズマ，窒素ガス，ＮＨ3ガ
ス，ヒドラジン，ジメチルヒドラジン等の窒素供給源の
少なくとも一つとを反応させて、ＷＳｉxＮyあるいはＷ
ＣxＮyの薄膜を堆積するものであって、前記窒素供給源
となる窒素プラズマ，アンモニアプラズマ等を、基板へ
の堆積が行われる箇所から離れた領域で発生させ、これ
を基板の表面に供給することを特徴とするものである。
む原料ガスをシラン，ジクロロシラン、もしくはメタ
ン，エタン，プロパン等の炭化水素のいずれかのガス
と、窒化プラズマ，ＮＨ3プラズマ，窒素ガス，ＮＨ3ガ
ス，ヒドラジン，ジメチルヒドラジン等の窒素供給源の
少なくとも一つとを反応させて、ＷＳｉxＮyあるいはＷ
ＣxＮyの薄膜を堆積するものであって、前記窒素供給源
となる窒素プラズマ，アンモニアプラズマ等を、基板へ
の堆積が行われる箇所から離れた領域で発生させ、これ
を基板の表面に供給することを特徴とするものである。
【００３９】本発明の実施形態３に係るバリア膜の形成
方法を実施する図６の成膜装置は、ＣＶＤ室１に基板ホ
ルダ２が設置されており、基板ホルダ２上に基板３が保
持されている。原料ガスであるＷＦ6ガス５とジクロロ
シラン６とを基板３の上方からガス吹き出し口２０を介
して基板３の表面に供給する。ガス吹き出し口２０の形
は、さまざまな形が可能である。
方法を実施する図６の成膜装置は、ＣＶＤ室１に基板ホ
ルダ２が設置されており、基板ホルダ２上に基板３が保
持されている。原料ガスであるＷＦ6ガス５とジクロロ
シラン６とを基板３の上方からガス吹き出し口２０を介
して基板３の表面に供給する。ガス吹き出し口２０の形
は、さまざまな形が可能である。
【００４０】実施形態３においては、窒素供給源となる
窒素プラズマ，アンモニアプラズマ等を、基板３への堆
積が行われる箇所から離れた領域で発生させ、これを基
板３の表面に供給するものである。そこで、コーン形状
をしたプラズマ吹き出し口２２から離れた上流部（図
中、上方の位置）にヘリカル共振器２３を設置し、ヘリ
カル共振器２３に発信機２４から周波数可変の交流電圧
を加えることによって、供給された窒素２１を励起して
窒素プラズマ２５を生成する。プラズマ吹き出し口２２
内の圧力は、ＣＶＤ室１内の圧力よりも高くなってお
り、圧力差によって、生成された窒素プラズマは、基板
３に吹き付けられる。これによって、反応活性な種が基
板３の表面に達する。
窒素プラズマ，アンモニアプラズマ等を、基板３への堆
積が行われる箇所から離れた領域で発生させ、これを基
板３の表面に供給するものである。そこで、コーン形状
をしたプラズマ吹き出し口２２から離れた上流部（図
中、上方の位置）にヘリカル共振器２３を設置し、ヘリ
カル共振器２３に発信機２４から周波数可変の交流電圧
を加えることによって、供給された窒素２１を励起して
窒素プラズマ２５を生成する。プラズマ吹き出し口２２
内の圧力は、ＣＶＤ室１内の圧力よりも高くなってお
り、圧力差によって、生成された窒素プラズマは、基板
３に吹き付けられる。これによって、反応活性な種が基
板３の表面に達する。
【００４１】通常のプラズマＣＶＤにおいては、気相中
で活性種が反応して堆積するが、本発明では、活性種が
反応する前に、基板３に到達し基板表面及びその近傍で
初めて反応するため、カバレージが向上する。ＣＶＤ室
１内の圧力は１０Ｐａ，プラズマ吹き出し口２２内の圧
力は１００Ｐａとした。また、ＷＦ6の流量は１ｓｃｃ
ｍ，シランの流量は５０ｓｃｃｍ，窒素の流量は１００
ｓｃｃｍとした。このとき、基板温度４００℃でデポレ
ート２０ｎｍ／分であった。カバレージは、幅０．３ミ
クロン深さ０．５ミクロンの配線溝に対して、７０パー
セントであり、従来のプラズマＣＶＤに比較すると、１
０パーセントのカバレージ改善が見られた。また実施形
態３において基板３に堆積した膜を分析した結果、膜の
組成はＷＳｉxＮy（ｘ＝１．７，ｙ＝０．３）であり、
アモルファス構造であった。
で活性種が反応して堆積するが、本発明では、活性種が
反応する前に、基板３に到達し基板表面及びその近傍で
初めて反応するため、カバレージが向上する。ＣＶＤ室
１内の圧力は１０Ｐａ，プラズマ吹き出し口２２内の圧
力は１００Ｐａとした。また、ＷＦ6の流量は１ｓｃｃ
ｍ，シランの流量は５０ｓｃｃｍ，窒素の流量は１００
ｓｃｃｍとした。このとき、基板温度４００℃でデポレ
ート２０ｎｍ／分であった。カバレージは、幅０．３ミ
クロン深さ０．５ミクロンの配線溝に対して、７０パー
セントであり、従来のプラズマＣＶＤに比較すると、１
０パーセントのカバレージ改善が見られた。また実施形
態３において基板３に堆積した膜を分析した結果、膜の
組成はＷＳｉxＮy（ｘ＝１．７，ｙ＝０．３）であり、
アモルファス構造であった。
【００４２】実施形態３では、ジクロロシランを反応ガ
スとして用いたが、シランでも良い。また、窒素の代わ
りに、より活性なアンモニアプラズマでも良い。アンモ
ニア，ヒドセジン，ジメチルヒドラジンの場合には、反
応性が高いため、プラズマを励起しなくても効果があ
る。
スとして用いたが、シランでも良い。また、窒素の代わ
りに、より活性なアンモニアプラズマでも良い。アンモ
ニア，ヒドセジン，ジメチルヒドラジンの場合には、反
応性が高いため、プラズマを励起しなくても効果があ
る。
【００４３】またシラン，ジクロロシランに代えて、メ
タン，エタンなどの炭化水素を用いることにより、ＷＣ
xＮy膜を堆積することもできる。プラズマを用いる場合
には、基板温度を低温化できるメリットもある。
タン，エタンなどの炭化水素を用いることにより、ＷＣ
xＮy膜を堆積することもできる。プラズマを用いる場合
には、基板温度を低温化できるメリットもある。
【００４４】また、Ｗを含むガスとして、Ｗ（Ｎ（ＣＨ
3 ） 2 ） 6 もしくはＷ（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用い、ＳｉＨ4
もしくはＣＨ4のいずれかのガスとの反応によって、Ｗ
ＳｉxＮy またはＷＣ x Ｎ y の薄膜を基板に堆積するように
してもよい。
3 ） 2 ） 6 もしくはＷ（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用い、ＳｉＨ4
もしくはＣＨ4のいずれかのガスとの反応によって、Ｗ
ＳｉxＮy またはＷＣ x Ｎ y の薄膜を基板に堆積するように
してもよい。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来のＷＮxに比較して、より高温まで安定なアモルファ
ス構造のＷＳｉxＮy，ＷＣxＮy膜をカバレージ良く堆積
することができる。
来のＷＮxに比較して、より高温まで安定なアモルファ
ス構造のＷＳｉxＮy，ＷＣxＮy膜をカバレージ良く堆積
することができる。
【００４６】さらに本発明では、従来のプラズマＣＶ
Ｄ，スパッタに比べて表面反応を使っているため、カバ
レージを向上するることができる。これらのメリット
は、さらに微細化されるコンタクト，配線溝などへのバ
リア膜の形成法として必須の、超薄膜でカバレージの良
い膜（膜厚２０ｎｍ以下）の形成を実現するものであ
り、銅配線の採用とともに配線伝送の高速化等、ＬＳＩ
の性能向上を図ることができる。
Ｄ，スパッタに比べて表面反応を使っているため、カバ
レージを向上するることができる。これらのメリット
は、さらに微細化されるコンタクト，配線溝などへのバ
リア膜の形成法として必須の、超薄膜でカバレージの良
い膜（膜厚２０ｎｍ以下）の形成を実現するものであ
り、銅配線の採用とともに配線伝送の高速化等、ＬＳＩ
の性能向上を図ることができる。
【図１】本発明の実施形態１，２に係るバリア膜の形成
方法を実施するための成膜装置を示す構成図である。
方法を実施するための成膜装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るバリア膜の形成方法
をコンタクト電極の製造方法に適用した場合を工程順に
示す断面図である。
をコンタクト電極の製造方法に適用した場合を工程順に
示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態１の効果を示すコンタクト抵
抗の熱処理温度による変化を示す図である。
抗の熱処理温度による変化を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るバリア膜の形成方法
を溝配線の製造方法に適用した場合を工程順に示す断面
図である。
を溝配線の製造方法に適用した場合を工程順に示す断面
図である。
【図５】本発明の実施形態２の効果を示す配線抵抗の熱
処理温度による変化を示す図である。
処理温度による変化を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３に係るに係るバリア膜の形
成方法を実施するための成膜装置を示す構成図である。
成方法を実施するための成膜装置を示す構成図である。
【図７】従来の成膜方法を説明するための成膜装置を示
す構成図である。
す構成図である。
１ ＣＶＤ室 ２ 基板ホルダ ３ 基板 ４ ポンプ ５ ＷＦ6ガス ６ ジクロロシランガス ７ アンモニアガス ８ マスフローコントローラ ９ ｎ型Ｓｉ拡散層 １０ Ｔｉ １１ ＷＳｉxＮy １２ Ｃｕ膜 １３ ＷＳｉxＮyバリア膜（本発明）の抵抗 １４ ＷＮxバリア膜（従来）の抵抗 １５ ＷＣxＮy膜 １６ 酸化膜 １７ 溝 １８ Ｃｕ膜 １９ Ｃｕ溝配線 ２０ ガス吹き出し口 ２１ 窒素 ２２ プラズマ吹き出し口 ２３ ヘリカル共振器 ２４ 発信機 ２５ 窒素プラズマ ２６ 電極 ２７ 高周波電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−144627（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−74709（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−260306（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−64044（ＪＰ，Ａ) Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ 35（1998）ｐｐ．351−356 東芝技術公開集，97−3245，Ｖｏｌ. 15，Ｎｏ．10（1997−２−13）ｐｐ．47 −50 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/28 301 H01L 21/3205
Claims (4)
- 【請求項１】 Ｗを含む原料ガスを、メタン、エタン、
プロパンの炭化水素のいずれかのガスと、窒化プラズ
マ、ＮＨ3プラズマ、窒素ガス、ＮＨ3ガス、ヒドラジ
ン、ジメチルヒドラジンの窒素供給源の少なくとも１つ
とを反応させて、ＷＣxＮyの薄膜を堆積することを特徴
とするバリア膜の形成方法。 - 【請求項２】 Ｗを含むガスとしてＷ（Ｎ（ＣＨ 3 ） 2 ）
6 もしくはＷ（Ｎ（Ｃ 2 Ｈ 5 ） 2 ） 6 を用い、ＳｉＨ4もしく
はＣＨ4のいずれかのガスとの反応によってＷＳｉxＮy
あるいはＷＣxＮyの薄膜を堆積することを特徴とするバ
リア膜の形成方法。 - 【請求項３】 Ｗを含む原料ガスを、シラン、ジクロロ
シランのいずれかのガス、もしくはメタン、エタン、プ
ロパンの炭化水素のいずれかのガスと、窒化プラズマ、
アンモニアプラズマの窒素供給源の少なくとも１つとを
反応させて、ＷＳｉ x Ｎ y あるいはＷＣ x Ｎ y の薄膜を堆積
するバリア膜の形成方法であって、 前記窒素供給源とな
る窒素プラズマまたはアンモニアプラズマを基板への堆
積が行われる箇所から離れた領域で発生させ、これを基
板の表面に供給することを特徴とするバリア膜の形成方
法。 - 【請求項４】 基板に形成されたコンタクトホールまた
は配線溝にバリアメタルを介して電極または配線を形成
した半導体装置において、 バリアメタルがＷＣ x Ｎ y 膜で
あることを特徴とする半導体装置。
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