JP3780204B2 - バリアメタル膜又は密着層形成方法及び配線形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バリアメタル膜又は密着層を形成する方法、及び配線を形成する方法に関し、特に、半導体デバイス用金属配線の分野において、ＤＣＶ(Direct Contact Via)構造形成のために、配線のコンタクトホールや溝等のボトム抜きを行い、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法、及びＤＣＶ構造の配線を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜等に形成されるコンタクトホールや溝も、また、これらのコンタクトホール等を導通させる配線も微細化されている。
一般に、半導体素子（ＬＳＩ、ＩＣ等）の配線においては、下層配線と上層配線とを結ぶコンタクトホールや溝部にバリア層又は密着層が設けられている。バリア層は、配線材料と絶縁材料とが共に相互拡散することによる半導体素子の特性劣化の防止を目的として、また、密着層は、配線材料と絶縁材料との界面における剥がれの防止を目的として、配線材料と絶縁材料との間に特定の材料を挿入することにより形成される場合が多い。
この場合、配線が微細化するにつれて、コンタクトホールや溝における配線金属材料に対するバリア層材料、密着層材料の占める割合が増し、配線の電気抵抗が増加してしまうため、この電気抵抗を減少させる技術が種々検討されている。
【０００３】
上記バリア層（以下、バリアメタル膜ともいう。）、密着層は、コンタクトホール等の側壁部（垂直部）のみならず、コンタクトホール等の底部（水平部）の下層配線上にも形成される。このバリア層、密着層は、その後の上層配線の形成によって、下層配線と上層配線（コンタクトホール内）に挟まれる。この挟み込まれた層は、上層配線と下層配線との間の電気抵抗を上昇させるばかりか、この部分に電流が流れると、ボイドを発生しやすくする。ボイドが発生した場合、配線が断線したり、電気抵抗が高くなって、配線の信頼性を損ねるという問題がある。例えば、図１(Ａ)及び(Ｂ)に示すように、公知のプロセスにより、下層配線１、絶縁層２、バリア層（又は密着層）３、及び上層配線４を形成したものに対して電流を流すと、電子流方向によって、下層配線のバリア層（又は密着層）界面近傍（図１(Ａ)）や、上層配線のバリア層界面近傍(図１(Ｂ))にボイド５が生じ、配線の信頼性が低下する。
【０００４】
この問題を解決するためには、コンタクトホールや溝の側壁（垂直部）のバリア層又は密着層を残して、底部（水平部）のバリア層又は密着層のみを除去し、上層配線と下層配線とを直接接合することが必要となる。
従来は、バリア層又は密着層の形成後、直ちに金属配線を形成していたが、最近では、バリアメタル膜又は密着層形成後に底部のバリアメタル膜や密着膜を除去する、いわゆるボトム抜きを行う報告が増えてきている。ボトム抜きは通常次のようにして行っている。
【０００５】
半導体デバイス用金属配線の分野におけるＤＣＶ構造形成のために、配線のコンタクトホールや溝等のボトム抜きを行う際には、基板上に絶縁膜(例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＳｉＣ等）、金属膜(例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、ＴａＮ、Ｔｉ等)、層間絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＦＳＧ等)を形成した後、その膜の所定の領域にコンタクトホール等を形成し、そのコンタクトホール等を含む全面に、ステップカバレッジ値が良い、すなわち、１に近くなるような厚さでイニシャルバリアメタル膜を形成し、次いで、エッチングにより、コンタクトホール等の底部（以下、ボトム部ともいう。）のバリアメタル膜のみならず、周囲部（以下、フィールド部ともいう。）及び側壁部のバリアメタル膜もエッチング除去し、次いで、再度、コンタクトホール等内にバリアメタル膜の形成を行っている。図２(Ａ)及び(Ｂ)は、下層配線１、絶縁層２、ステップカバレッジ値(ＴＢ／ＴＳ)が１に近い厚さのバリアメタル膜３を形成し(図２(Ａ))、その後、コンタクトホールを上層配線４で埋めた状態(図２(Ｂ))の従来方法により得られた構造を模式的に示す断面図である。図中、Ａはコンタクトホールの周囲部（フィールド部）、Ｂはその側壁部、Ｃはその底部を示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の方法では、コンタクトホール又は溝の側壁部及び底部の両方が、一部又は全部除去されてしまい、底部に形成されたバリア層（以下、バリアメタル膜ともいう。）又は密着層（以下、密着膜ともいう。）のみを除去できないという問題があった。これでは、バリアメタル膜や密着膜を形成することが無駄になってしまう。
上記従来の方法では、形成されるイニシャルバリアメタル膜又は密着膜のステップカバレッジ値が良い（１に近い）ほど、コンタクトホール又は溝の底部に形成されるイニシャルバリアメタル膜又は密着膜の膜厚は厚くなり、底部の膜を除去することが困難となる。
【０００７】
また、上記従来技術の方法では、工程数が増えるだけではなく、コンタクトホール等の底部に薄いバリアメタル膜又は密着膜が残り、底部での電気抵抗の増加及びボイドの発生が抑えられないという問題もある。例えば、Ｃｕ配線の場合には、コンタクトホールや溝の底部に残留バリアメタル膜又は密着膜があると、Ｃｕ配線間にこの残留バリアメタル膜又は密着膜が挟み込まれ、電流を流した際に、その部分からボイドが発生し、最悪の場合には、配線の断線につながるという問題があり、完全なボトム抜きが望まれている。
【０００８】
さらに、多くの場合、コンタクトホールに形成されるバリア層や密着層は、ステップカバレッジが１に近く、フィールド部（ホール開口部）の膜厚と、底部（ホール底部）の膜厚はほぼ等しい。一般的に、コンタクトホール等のフィールド部と底部とのエッチングレート、すなわち、フィールドのエッチングレートとボトムのエッチングレートとを比較すると、通常、フィールドエッチングレート＞ボトムエッチングレートの関係が成り立つ。そのため、エッチングにより、底部のバリアメタル膜や密着膜が残り易いので、フィールド部及び側壁部のバリアメタル膜又は密着膜を残して、底部のバリアメタル膜又は密着膜のみを除去すること、すなわち、ボトム抜きは難しいという問題がある。
【０００９】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、半導体デバイス用金属配線の技術分野におけるＤＣＶ構造形成のために、配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面に形成されたイニシャルバリアメタル膜又は密着層をエッチングして、コンタクトホール等の底部のバリアメタル膜又は密着層のみを選択的に除去し、ボトム抜きを容易に行うことができるバリアメタル膜又は密着層形成方法、及びＤＣＶ構造の配線形成方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、コンタクトホールや溝に形成するバリアメタル膜又は密着膜のステップカバレッジをフィールド／ボトムのエッチングレート比程度に調整できれば、すなわち、膜厚をフィールド部膜厚＞ボトム部膜厚の関係に調整できれば、コンタクトホール等の周囲部（フィールド部）及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を残した状態で、底部のみのバリアメタル膜又は密着層を選択的に除去することができるので、下層配線と上層配線とが直接接合できることを見出し、本発明の課題を解決するに至った。
【００１１】
本発明のバリアメタル膜又は密着層形成方法は、配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面にイニシャルバリアメタル膜又は密着層を形成した後、エッチングにより、該コンタクトホールや溝のバリアメタル膜又は密着層を除去し、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法において、該イニシャルバリアメタル膜又は密着層をステップカバレッジが小さな値を持つような厚さで基板全面に形成した後、該エッチングを、ハロゲン化窒素ガスと、窒素ガス、アルゴンガス、及び水素ガスから選ばれた少なくとも１種のガスとの混合ガスにより、
次式：
(該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート)／ (該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート) ＞ (ステップカバレッジ値)
の関係を満足するエッチングレートで行って、該底部のバリアメタル膜又は密着層のみをエッチングして除去し、該周囲部及び側壁部には該膜を残すことからなる。上式で、ステップカバレッジ値とは、バリアメタル成膜又は密着層成膜時のステップカバレッジ値であって、イニシャルバリアメタル膜又は密着層の(底部厚さ)／(周囲部厚さ)の比（ＴＢ／ＴＳ）を意味する。エッチングレートとステップカバレッジ値との関係が上記の式を満足しないと、底部のみのオーバーエッチができないので、ボトム抜きが不可能である。
【００１２】
上記ステップカバレッジ値は、０．５（５０％）未満であり、好ましくは０．１〜０．４（１０〜４０％）程度である。ステップカバレッジ値が０．５以上であると、ボトム抜きが著しく困難である。
上記ハロゲンは、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素である。ハロゲン化窒素ガスとしては、三フッ化窒素ガスが特に好ましい。そして、このハロゲン化窒素ガスが、総流量基準で、２０〜４０％であることが好ましい。
本発明の別のバリアメタル膜又は密着層形成方法は、配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面にイニシャルバリアメタル膜又は密着層を形成した後、エッチングにより、該コンタクトホールや溝のバリアメタル膜又は密着層を除去し、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法において、該イニシャルバリアメタル膜又は密着層をステップカバレッジが小さな値を持つような厚さで基板全面に形成した後、該エッチングを、Ｆ２／Ｈｅ、Ｆ２／Ａｒ及びＦ２から選ばれたフッ素を含むガス、ＮＦ３、ＢＣｌ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８及びＣＯＦ２から選ばれたハロゲン化物ガス、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２Ｏ、並びにＮＯｘの２つ以上を組み合わせた混合ガスにより、次式：
( 該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート ) ／ ( 該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート ) ＞ ( ステップカバレッジ値 )
の関係を満足するエッチングレートで行って、該底部のバリアメタル膜又は密着層のみをエッチングして除去し、該周囲部及び側壁部には該膜を残すことからなる。この場合であっても、ステップカバレッジの値は、０．５未満であることが好ましい。
本発明の配線形成方法は、上記した方法でエッチングしてバリアメタル膜又は密着層を形成した後、コンタクトホールや溝内に、メッキ法により上層配線を形成して、該上層配線と下層配線とが直接接合されたＤＣＶ構造の配線を形成することからなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明のバリアメタル膜形成方法の一実施の形態によれば、本発明において用いる配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板は、周知の絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＳｉＣ等）金属膜（例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、ＴａＮ、Ｔｉ等）、層間絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＦＳＧ等）を形成した後に、その膜の所定の領域にコンタクトホールや溝が形成されている半導体基板である。
【００１４】
本発明によれば、まず、上記のようにコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法により、周知の成膜条件（例えば、ＣＶＤの場合、圧力：１．０〜４００Ｐａ、温度：１５０〜４５０℃）で、例えば、Ｔｉ膜、Ｔａ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、ＷＮ膜、Ｗ膜等からなる１０〜５００Å程度の膜厚を有するバリアメタル膜をステップカバレッジ値が適切な値を持つような条件で形成する。その後、例えば、図３に示すように構成されたＮＬＤエッチング装置を用いて、次式：
(該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート)／(該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート)＞ (ステップカバレッジ値)
の関係を満足するエッチングレートでエッチングすれば、該底部のバリアメタル膜のみが選択的にエッチングされて除去され、コンタクトホールや溝の周囲部及び側壁部にはバリアメタル膜が残る。かくして形成されたバリアメタル膜は、上層配線と下層配線との密着性を高める密着膜として働き、かつ、配線金属の層間絶縁膜への拡散防止の役割も果たしている。
【００１５】
ここで行うエッチングは、基板上に形成されたバリアメタル膜を真空中でプラズマを用いて行われるものであって、このエッチングによれば、１ｘ１０１０〜１．５ｘ１０１１／ｃｍ３の電子密度のプラズマを基板近傍に生成し、プラズマの活性種をバリアメタル膜の所定の部位に導くことによって生成された反応イオン種が基板電界によって直接所定の部位に運動エネルギーを持って入射され、その結果、プラズマ活性種とバリアメタル膜との反応が促進され、プラズマが導かれる方向のエッチングレートを選択的に大きくすることができる。
また、上記したようなボトム抜きを行うためのエッチングは、好ましくは、プラズマ発生用高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）の電力を３５０〜１０００Ｗ（ラングミュラプローブ法による電子密度：１ｘ１０１０〜１．５ｘ１０１１／ｃｍ３）、基板バイアス高周波電源（１〜１３．５６ＭＨｚ）の電力を１０〜５００Ｗに設定し、６０℃以下のステージ温度で、０．４〜１．５Ｐａの圧力下、所定の時間行われる。
【００１６】
本発明においては、エッチングガスとして、上記した混合ガスをも含めて、一般に、フッ素を含むガス(例えば、Ｆ２／Ｈｅ、Ｆ２／Ａｒ、Ｆ２等)、ハロゲン化物ガス(例えば、ＮＦ３、ＢＣｌ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＣＯＦ２等)、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２Ｏ、及びＮＯｘの２つ以上を組み合わせた混合ガスを使用できる。好ましい混合ガスは、２０〜４０容量％のＮＦ３と、８０〜６０容量％の、Ｎ２、Ｈ２、Ａｒから選ばれた少なくとも１種のガスとからなる混合ガスである。この混合ガスの各成分の割合が上記範囲を外れると、完全なボトム抜きは困難である。また、ＮＦ３ガス単独では、周囲部の膜のみがエッチング除去され易く、底部の膜のみを除去するボトム抜きは困難である。
【００１７】
本実施の形態で用いるＮＬＤエッチング装置は、図３に示すように、真空チャンバー１１を有し、その上部は誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部１２であり、下部は基板電極部１３である。プラズマ発生部１２の壁（誘電体側壁）１４の外側に設けられた三つの磁場コイル１５、１６及び１７によって、プラズマ発生部１２内に環状磁気中性線１８が形成される。中間の磁場コイル１６と誘電体側壁１４の外側との間にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル１９が配置され、この高周波アンテナコイル１９は、高周波電源２０に接続され、三つの磁場コイル１５、１６、１７によって形成された磁気中性線１８に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。
【００１８】
磁気中性線１８の作る面と平行して下部の基板電極部１３内には基板電極２１が絶縁体部材２２を介して設けられている。この基板電極２１は、ブロッキングコンデンサー２３を介して高周波バイアス電力を印加する高周波電源２４に接続され、コンデンサー２３によって電位的に浮遊電極になっており、負のバイアス電位となる。また、プラズマ発生部１２の天板２５は誘電体側壁１４の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態とした対向電極を形成している。プラズマ発生部１２には、真空チャンバー１１内ヘエツチングガスを導入するガス導入ノズル２６が設けられ、このガス導入ノズル２６は、図示していないが、ガス供給路及びエッチングガスの流量を制御するガス流量制御装置を介してエッチングガス供給源に接続されている。基板電極部１３には、排気口２７、バルブ２８及び真空ポンプ２９を有する排気系が設けられている。
本発明におけるエッチングは、上記ＮＬＤエッチング装置のような誘導結合放電プラズマエッチング装置の他に、例えば、ＩＣＰ、ＣＣＰ、ＥＣＲ等のエッチング装置、特に基板バイアス機構及び基板冷却機構を備えたエッチング装置を用いて実施しても良く、その際、低圧・高密度プラズマによりエッチングすることが好ましい。
【００１９】
本発明の配線形成方法によれば、上記したようにボトム抜きした後、コンタクトホール内に、上層配線として、例えば、Ｃｕ配線を形成する。このＣｕ配線は、例えば、電解メッキ法の場合、まずシードＣｕを形成し、次いでメッキ法により形成される。このメッキ法としては、無電解メッキ法を用いることもできる。電解メッキ法としては、既知のメッキ液を使用した方法があり、例えば、処理温度２５℃、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ２及び処理時間１〜２分の処理条件により、所定の厚さのＣｕ配線を得ることができる。
上層配線としては、Ｃｕ配線に限られず、例えば、Ａｌ等の配線であっても良い。
かくして、下層配線と上層配線とが直接接合されたＤＣＶ構造を簡単に形成することができる。
なお、上記バリアメタル膜形成工程、ボトム抜き工程、及び金属配線形成工程の各工程間で、被処理物を空気に曝すと、下地金属の表面が酸化されてコンタクト抵抗が増大し、バリアメタル膜表面が変質（酸化やガス吸着による）して次に形成する金属膜との密着性が悪くなる。よって、これらの工程は全て真空雰囲気中で行われることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
（実施例１）
本実施例では、基板上に形成されたＳｉＯ２膜やＬｏｗ−ｋ膜内にコンタクトホールや溝が形成されているホールパターン付きウェハを用い、このコンタクトホールや溝を含む全面にバリアメタル膜を形成した際のホールの開口部の形状と、その後のエッチングによるボトム抜きとの関係を調べた。
【００２１】
まず、上記ホールパターン付きウェハ上に、スパッタリング法によって、Ａｒ：Ｎ２＝６：１５の流量比、１５ｋＷ、３×１０−２Ｐａ、１６０℃の成膜条件でＴａＮ膜を、また、ＣＶＤ法によって、ＳｉＨ４：ＮＨ３：ＷＦ６：Ｏ２：Ａｒ＝７０：７：４：１：６３の流量比、４０Ｐａ、３７０℃の成膜条件でＷＮ膜を形成した。得られたバリアメタル膜のイニシャル形状を図４(Ａ)（ＰＶＤ法）及び図４(Ｂ)（ＣＶＤ法）に示す。図４(Ａ)及び(Ｂ)から明らかなように、成膜方法に依るＴａＮ膜とＷＮ膜とのイニシャル形状の違いは、主としてホール開口部の形状にあった。すなわち、ＰＶＤ法の場合、ＴａＮからなるバリアメタル膜の周囲部と側壁部との膜は連続しているものの、ホール開口部にファセットが付いていた。一方、ＣＶＤ法の場合、ＷＮからなるバリアメタル膜の周囲部と側壁部との膜が連続していると共にホール開口部にはファセットも見られなかった。
【００２２】
次いで、上記のようにして得られた２種の試料に対して、図３に示すＮＬＤエッチング装置を用いて、以下の条件でエッチングし、ボトム抜きを行った。
ＴａＮ膜は、プラズマ発生用高周波電源２０（１３．５６ＭＨｚ）の電力を５００Ｗ（ラングミュラプローブ法による電子密度：４ｘ１０１０／ｃｍ３）、基板バイアス高周波電源２４（１〜１３．５６ＭＨｚ）の電力を１００Ｗに設定し、ガス導入ノズル２６からＮ２８０容量％及びＮＦ３２０容量％を導入し、６０℃以下のステージ温度で、５ｍＴｏｒｒの圧力下、４０ｓｅｃの間エッチングした。
【００２３】
また、ＷＮ膜は、プラズマ発生用高周波電源２０（１３．５６ＭＨｚ）の電力を５００Ｗ（ラングミュラプローブ法による電子密度：４ｘ１０１０／ｃｍ３）、基板バイアス高周波電源２４（１〜１３．５６ＭＨｚ）の電力を１００Ｗに設定し、ガス導入ノズル２６からＡｒ７０容量％及びＮＦ３３０容量％を導入し、６０℃以下のステージ温度で、５ｍＴｏｒｒの圧力下、４０ｓｅｃの間エッチングした。
【００２４】
エッチングされた試料の開口部形状には、図５(Ａ)及び(Ｂ)に示すような違いが生じた。図５(Ａ)に示すスパッタ膜の場合には、ボトム抜きは可能であったが、ホールの開口部自体がエッチングされて肩落ちし（ファセットが付いている）、周囲部と側壁部とのバリアメタル膜は切断されていた。これに対して、図５(Ｂ)に示すＣＶＤ膜の場合には、バリアメタル膜が開口部にて多少エッチングされているものの、肩落ちはなく（ファセットが付いていない）、周囲部と側壁部とのバリアメタル膜は切断されておらず、ホール自体の開口部は、エッチングされていないことがわかった。
【００２５】
従って、ホール開口部のバリアメタル膜のイニシャル形状がファセットの付いている試料の場合（図４(Ａ)）、エッチング後に、ボトム抜きはできるものの、周囲部と側壁部との膜が切断されてしまうので（図５(Ａ)）、好ましくない。図４(Ｂ)中に点線で示すように、コンタクトホール開口部が塞がらない程度に、覆い被さるようなオーバーハング状態のイニシャル形状を有するものは、エッチング後に、簡単にボトム抜きができると共に、ホール開口部にファセットも見られず、望ましい。
【００２６】
バリアメタル膜として、ＣＶＤ法によりＴａＮを形成した場合についても、上記したようにＷＮ膜を形成した場合と同様な結果が得られる。
なお、エッチャントとして、ＮＦ３ガスのみを用いて上記と同様な条件でエッチングしたところ、周囲部のバリアメタル膜が主としてエッチング除去され、側壁部及び底部にバリアメタル膜が残った。
【００２７】
（実施例２）
本実施例では、基板のコンタクトホールや溝を含む全面にバリアメタル膜を形成した後にエッチングする場合の、ステップカバレッジとエッチングレートとボトム抜きとの関係を調べた。
実施例１で用いたものと同じホールパターン付きウェハ上に、ＣＶＤ法によって、実施例１と同じ通常の成膜条件で、ＴａＮからなるバリアメタル膜を形成し、次いで、実施例１に示すエッチング条件及び以下の表１に示す条件でエッチングした。得られた結果を、フィールド(周囲部)エッチングレート、サイド(側壁部)エッチングレート、ボトム(底部)エッチングレートと共に表１に示す。
【００２８】
（表１）
（注）表１中、○はボトム抜きが完全に行われたことを示し、×はボトム抜きができなかったことを示す。
【００２９】
表１から明らかなように、(底部／周囲部のエッチングレート比)＞(ステップカバレッジ値)の関係を満足する場合に、エッチング後に、ホール側壁部及び周囲部のバリアメタル膜（密着膜）を残し、底部のバリアメタル膜のみを選択的にエッチングして除去することができたことがわかる。表１に示す結果から、ステップカバレッジが、０．５（５０％）未満、好ましくは０．１〜０．４（１０〜４０％）程度であることが好ましい。
バリアメタル膜として、ＣＶＤ法によりＷＮ膜を形成した場合についても、同様な結果が得られる。
【００３０】
（実施例３）
実施例１におけるボトム抜きのためのエッチングガスＮＦ３：Ａｒ＝３０：７０（容量％）の代わりにＮＦ３：Ｈ２：Ｎ２＝４０：１５：４５（容量％）、また、ＮＦ３：Ｈ２＝４０：６０（容量％）を用いて、３０ｓｅｃの間、実施例１記載の方法を繰り返して、エッチングし、ボトム抜きを行った。その結果、実施例１と同じ結果が得られた。
【００３１】
（実施例４）
実施例１記載の方法によりＣＶＤ法によりＷＮ膜を形成し、次いでエッチングしてボトム抜きを行った後、コンタクトホール内に、公知の方法でＣｕ配線を形成した。このＣｕ配線は、まず、ＰＶＤ法(ＬＴＳスパッタ法)により、パワー：８ｋＷ、Ａｒ：９ｓｃｃｍ、時間：２０〜５０ｓｅｃ、基板ステージ温度：３０℃以下の条件でシードＣｕを形成し、次いで、メッキ液混合物(Shipley Far East Ltd.製の商品名：Ultrafill EC-2001(メッキ液)とS-2001(添加剤)とA-2001(添加剤)とを混合したもの)を使用して、処理温度２５℃、電流密度１．０Ａ／ｄｍ２及び処理時間１〜２分の処理条件により、電解メッキ法で所定の厚さの上層Ｃｕ配線を得た。かくして、図６に示すように、下層配線１と上層配線４とが直接接合されたＤＣＶ構造を有する配線を簡単に形成することができ、密着性は良好であった。図中、２は絶縁層、３はＷＮ膜を示す。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、コンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面に、低ステップカバレッジ値を持ったイニシャルバリアメタル膜（密着膜）を形成した後、次式：
(該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート)／(該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート)＞ (ステップカバレッジ値)
の関係を満足するエッチングレートでエッチングすることにより、該コンタクトホール等の周囲部及び側壁部にはバリアメタル膜等を残し、底部のバリアメタル膜のみを選択的にエッチングして、除去することができ、ボトム抜きが可能となる。これにより、下層配線と上層配線とを直接接合でき、ＤＣＶ構造が容易に形成される。
また、ステップカバレッジ値を好ましくは０．５（５０％）未満とすることにより、底部のバリアメタル膜（密着膜）のみを選択的にエッチングして、除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (Ａ)従来のコンタクトホール埋め込み構造におけるボイドの発生を模式的に示す断面図（電子流方向が上層配線から下層配線の方向である場合）。
(Ｂ)従来のコンタクトホール埋め込み構造におけるボイドの発生を模式的に示す断面図（電子流方向が下層配線から上層配線の方向である場合）。
【図２】 (Ａ)従来のコンタクトホール埋め込み構造におけるバリア膜形成後の状態を模式的に示す断面図。
(Ｂ)従来のコンタクトホール埋め込み構造を模式的に示す断面図。
【図３】 従来のエッチング装置の概略の構成を模式的に示す構成図。
【図４】 (Ａ)実施例１記載の方法（ＰＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜の形状を模式的に示す断面図。
(Ｂ)実施例１記載の方法（ＣＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜の形状を模式的に示す断面図。
【図５】 (Ａ)実施例１記載の方法（ＰＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜のエッチング後の形状を模式的に示す断面図。
(Ｂ)実施例１記載の方法（ＣＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜のエッチング後の形状を模式的に示す断面図。
【図６】 本発明の配線形成方法により得られたＤＣＶ構造を示す断面図。
【符号の説明】
Ａ 周囲部(フィールド部) Ｂ 側壁部(サイド部)
Ｃ 底部(ボトム部) １ 下層配線
２ 絶縁層 ３ バリア層(バリアメタル膜)又は密着層
４ 上層配線 ５ ボイド
１１ 真空チャンバー １２ プラズマ発生部
１３ 基板電極部 １４ プラズマ発生部の壁(誘電体側壁)
１５、１６、１７ 磁場コイル １８ 環状磁気中性線
１９ 高周波アンテナコイル ２１ 基板電極
２２ 絶縁体部材 ２５ 天板(対向電極、浮遊電極)
２６ ガス導入ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、バリアメタル膜又は密着層を形成する方法、及び配線を形成する方法に関し、特に、半導体デバイス用金属配線の分野において、ＤＣＶ(Direct Contact Via)構造形成のために、配線のコンタクトホールや溝等のボトム抜きを行い、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法、及びＤＣＶ構造の配線を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜等に形成されるコンタクトホールや溝も、また、これらのコンタクトホール等を導通させる配線も微細化されている。
一般に、半導体素子（ＬＳＩ、ＩＣ等）の配線においては、下層配線と上層配線とを結ぶコンタクトホールや溝部にバリア層又は密着層が設けられている。バリア層は、配線材料と絶縁材料とが共に相互拡散することによる半導体素子の特性劣化の防止を目的として、また、密着層は、配線材料と絶縁材料との界面における剥がれの防止を目的として、配線材料と絶縁材料との間に特定の材料を挿入することにより形成される場合が多い。
この場合、配線が微細化するにつれて、コンタクトホールや溝における配線金属材料に対するバリア層材料、密着層材料の占める割合が増し、配線の電気抵抗が増加してしまうため、この電気抵抗を減少させる技術が種々検討されている。
【０００３】
上記バリア層（以下、バリアメタル膜ともいう。）、密着層は、コンタクトホール等の側壁部（垂直部）のみならず、コンタクトホール等の底部（水平部）の下層配線上にも形成される。このバリア層、密着層は、その後の上層配線の形成によって、下層配線と上層配線（コンタクトホール内）に挟まれる。この挟み込まれた層は、上層配線と下層配線との間の電気抵抗を上昇させるばかりか、この部分に電流が流れると、ボイドを発生しやすくする。ボイドが発生した場合、配線が断線したり、電気抵抗が高くなって、配線の信頼性を損ねるという問題がある。例えば、図１(Ａ)及び(Ｂ)に示すように、公知のプロセスにより、下層配線１、絶縁層２、バリア層（又は密着層）３、及び上層配線４を形成したものに対して電流を流すと、電子流方向によって、下層配線のバリア層（又は密着層）界面近傍（図１(Ａ)）や、上層配線のバリア層界面近傍(図１(Ｂ))にボイド５が生じ、配線の信頼性が低下する。
【０００４】
この問題を解決するためには、コンタクトホールや溝の側壁（垂直部）のバリア層又は密着層を残して、底部（水平部）のバリア層又は密着層のみを除去し、上層配線と下層配線とを直接接合することが必要となる。
従来は、バリア層又は密着層の形成後、直ちに金属配線を形成していたが、最近では、バリアメタル膜又は密着層形成後に底部のバリアメタル膜や密着膜を除去する、いわゆるボトム抜きを行う報告が増えてきている。ボトム抜きは通常次のようにして行っている。
【０００５】
半導体デバイス用金属配線の分野におけるＤＣＶ構造形成のために、配線のコンタクトホールや溝等のボトム抜きを行う際には、基板上に絶縁膜(例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＳｉＣ等）、金属膜(例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、ＴａＮ、Ｔｉ等)、層間絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＦＳＧ等)を形成した後、その膜の所定の領域にコンタクトホール等を形成し、そのコンタクトホール等を含む全面に、ステップカバレッジ値が良い、すなわち、１に近くなるような厚さでイニシャルバリアメタル膜を形成し、次いで、エッチングにより、コンタクトホール等の底部（以下、ボトム部ともいう。）のバリアメタル膜のみならず、周囲部（以下、フィールド部ともいう。）及び側壁部のバリアメタル膜もエッチング除去し、次いで、再度、コンタクトホール等内にバリアメタル膜の形成を行っている。図２(Ａ)及び(Ｂ)は、下層配線１、絶縁層２、ステップカバレッジ値(ＴＢ／ＴＳ)が１に近い厚さのバリアメタル膜３を形成し(図２(Ａ))、その後、コンタクトホールを上層配線４で埋めた状態(図２(Ｂ))の従来方法により得られた構造を模式的に示す断面図である。図中、Ａはコンタクトホールの周囲部（フィールド部）、Ｂはその側壁部、Ｃはその底部を示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の方法では、コンタクトホール又は溝の側壁部及び底部の両方が、一部又は全部除去されてしまい、底部に形成されたバリア層（以下、バリアメタル膜ともいう。）又は密着層（以下、密着膜ともいう。）のみを除去できないという問題があった。これでは、バリアメタル膜や密着膜を形成することが無駄になってしまう。
上記従来の方法では、形成されるイニシャルバリアメタル膜又は密着膜のステップカバレッジ値が良い（１に近い）ほど、コンタクトホール又は溝の底部に形成されるイニシャルバリアメタル膜又は密着膜の膜厚は厚くなり、底部の膜を除去することが困難となる。
【０００７】
また、上記従来技術の方法では、工程数が増えるだけではなく、コンタクトホール等の底部に薄いバリアメタル膜又は密着膜が残り、底部での電気抵抗の増加及びボイドの発生が抑えられないという問題もある。例えば、Ｃｕ配線の場合には、コンタクトホールや溝の底部に残留バリアメタル膜又は密着膜があると、Ｃｕ配線間にこの残留バリアメタル膜又は密着膜が挟み込まれ、電流を流した際に、その部分からボイドが発生し、最悪の場合には、配線の断線につながるという問題があり、完全なボトム抜きが望まれている。
【０００８】
さらに、多くの場合、コンタクトホールに形成されるバリア層や密着層は、ステップカバレッジが１に近く、フィールド部（ホール開口部）の膜厚と、底部（ホール底部）の膜厚はほぼ等しい。一般的に、コンタクトホール等のフィールド部と底部とのエッチングレート、すなわち、フィールドのエッチングレートとボトムのエッチングレートとを比較すると、通常、フィールドエッチングレート＞ボトムエッチングレートの関係が成り立つ。そのため、エッチングにより、底部のバリアメタル膜や密着膜が残り易いので、フィールド部及び側壁部のバリアメタル膜又は密着膜を残して、底部のバリアメタル膜又は密着膜のみを除去すること、すなわち、ボトム抜きは難しいという問題がある。
【０００９】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、半導体デバイス用金属配線の技術分野におけるＤＣＶ構造形成のために、配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面に形成されたイニシャルバリアメタル膜又は密着層をエッチングして、コンタクトホール等の底部のバリアメタル膜又は密着層のみを選択的に除去し、ボトム抜きを容易に行うことができるバリアメタル膜又は密着層形成方法、及びＤＣＶ構造の配線形成方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、コンタクトホールや溝に形成するバリアメタル膜又は密着膜のステップカバレッジをフィールド／ボトムのエッチングレート比程度に調整できれば、すなわち、膜厚をフィールド部膜厚＞ボトム部膜厚の関係に調整できれば、コンタクトホール等の周囲部（フィールド部）及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を残した状態で、底部のみのバリアメタル膜又は密着層を選択的に除去することができるので、下層配線と上層配線とが直接接合できることを見出し、本発明の課題を解決するに至った。
【００１１】
本発明のバリアメタル膜又は密着層形成方法は、配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面にイニシャルバリアメタル膜又は密着層を形成した後、エッチングにより、該コンタクトホールや溝のバリアメタル膜又は密着層を除去し、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法において、該イニシャルバリアメタル膜又は密着層をステップカバレッジが小さな値を持つような厚さで基板全面に形成した後、該エッチングを、ハロゲン化窒素ガスと、窒素ガス、アルゴンガス、及び水素ガスから選ばれた少なくとも１種のガスとの混合ガスにより、
次式：
(該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート)／ (該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート) ＞ (ステップカバレッジ値)
の関係を満足するエッチングレートで行って、該底部のバリアメタル膜又は密着層のみをエッチングして除去し、該周囲部及び側壁部には該膜を残すことからなる。上式で、ステップカバレッジ値とは、バリアメタル成膜又は密着層成膜時のステップカバレッジ値であって、イニシャルバリアメタル膜又は密着層の(底部厚さ)／(周囲部厚さ)の比（ＴＢ／ＴＳ）を意味する。エッチングレートとステップカバレッジ値との関係が上記の式を満足しないと、底部のみのオーバーエッチができないので、ボトム抜きが不可能である。
【００１２】
上記ステップカバレッジ値は、０．５（５０％）未満であり、好ましくは０．１〜０．４（１０〜４０％）程度である。ステップカバレッジ値が０．５以上であると、ボトム抜きが著しく困難である。
上記ハロゲンは、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素である。ハロゲン化窒素ガスとしては、三フッ化窒素ガスが特に好ましい。そして、このハロゲン化窒素ガスが、総流量基準で、２０〜４０％であることが好ましい。
本発明の別のバリアメタル膜又は密着層形成方法は、配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面にイニシャルバリアメタル膜又は密着層を形成した後、エッチングにより、該コンタクトホールや溝のバリアメタル膜又は密着層を除去し、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法において、該イニシャルバリアメタル膜又は密着層をステップカバレッジが小さな値を持つような厚さで基板全面に形成した後、該エッチングを、Ｆ２／Ｈｅ、Ｆ２／Ａｒ及びＦ２から選ばれたフッ素を含むガス、ＮＦ３、ＢＣｌ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８及びＣＯＦ２から選ばれたハロゲン化物ガス、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２Ｏ、並びにＮＯｘの２つ以上を組み合わせた混合ガスにより、次式：
( 該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート ) ／ ( 該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート ) ＞ ( ステップカバレッジ値 )
の関係を満足するエッチングレートで行って、該底部のバリアメタル膜又は密着層のみをエッチングして除去し、該周囲部及び側壁部には該膜を残すことからなる。この場合であっても、ステップカバレッジの値は、０．５未満であることが好ましい。
本発明の配線形成方法は、上記した方法でエッチングしてバリアメタル膜又は密着層を形成した後、コンタクトホールや溝内に、メッキ法により上層配線を形成して、該上層配線と下層配線とが直接接合されたＤＣＶ構造の配線を形成することからなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明のバリアメタル膜形成方法の一実施の形態によれば、本発明において用いる配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板は、周知の絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＳｉＣ等）金属膜（例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、ＴａＮ、Ｔｉ等）、層間絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＦＳＧ等）を形成した後に、その膜の所定の領域にコンタクトホールや溝が形成されている半導体基板である。
【００１４】
本発明によれば、まず、上記のようにコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法により、周知の成膜条件（例えば、ＣＶＤの場合、圧力：１．０〜４００Ｐａ、温度：１５０〜４５０℃）で、例えば、Ｔｉ膜、Ｔａ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、ＷＮ膜、Ｗ膜等からなる１０〜５００Å程度の膜厚を有するバリアメタル膜をステップカバレッジ値が適切な値を持つような条件で形成する。その後、例えば、図３に示すように構成されたＮＬＤエッチング装置を用いて、次式：
(該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート)／(該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート)＞ (ステップカバレッジ値)
の関係を満足するエッチングレートでエッチングすれば、該底部のバリアメタル膜のみが選択的にエッチングされて除去され、コンタクトホールや溝の周囲部及び側壁部にはバリアメタル膜が残る。かくして形成されたバリアメタル膜は、上層配線と下層配線との密着性を高める密着膜として働き、かつ、配線金属の層間絶縁膜への拡散防止の役割も果たしている。
【００１５】
ここで行うエッチングは、基板上に形成されたバリアメタル膜を真空中でプラズマを用いて行われるものであって、このエッチングによれば、１ｘ１０１０〜１．５ｘ１０１１／ｃｍ３の電子密度のプラズマを基板近傍に生成し、プラズマの活性種をバリアメタル膜の所定の部位に導くことによって生成された反応イオン種が基板電界によって直接所定の部位に運動エネルギーを持って入射され、その結果、プラズマ活性種とバリアメタル膜との反応が促進され、プラズマが導かれる方向のエッチングレートを選択的に大きくすることができる。
また、上記したようなボトム抜きを行うためのエッチングは、好ましくは、プラズマ発生用高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）の電力を３５０〜１０００Ｗ（ラングミュラプローブ法による電子密度：１ｘ１０１０〜１．５ｘ１０１１／ｃｍ３）、基板バイアス高周波電源（１〜１３．５６ＭＨｚ）の電力を１０〜５００Ｗに設定し、６０℃以下のステージ温度で、０．４〜１．５Ｐａの圧力下、所定の時間行われる。
【００１６】
本発明においては、エッチングガスとして、上記した混合ガスをも含めて、一般に、フッ素を含むガス(例えば、Ｆ２／Ｈｅ、Ｆ２／Ａｒ、Ｆ２等)、ハロゲン化物ガス(例えば、ＮＦ３、ＢＣｌ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＣＯＦ２等)、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２Ｏ、及びＮＯｘの２つ以上を組み合わせた混合ガスを使用できる。好ましい混合ガスは、２０〜４０容量％のＮＦ３と、８０〜６０容量％の、Ｎ２、Ｈ２、Ａｒから選ばれた少なくとも１種のガスとからなる混合ガスである。この混合ガスの各成分の割合が上記範囲を外れると、完全なボトム抜きは困難である。また、ＮＦ３ガス単独では、周囲部の膜のみがエッチング除去され易く、底部の膜のみを除去するボトム抜きは困難である。
【００１７】
本実施の形態で用いるＮＬＤエッチング装置は、図３に示すように、真空チャンバー１１を有し、その上部は誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部１２であり、下部は基板電極部１３である。プラズマ発生部１２の壁（誘電体側壁）１４の外側に設けられた三つの磁場コイル１５、１６及び１７によって、プラズマ発生部１２内に環状磁気中性線１８が形成される。中間の磁場コイル１６と誘電体側壁１４の外側との間にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル１９が配置され、この高周波アンテナコイル１９は、高周波電源２０に接続され、三つの磁場コイル１５、１６、１７によって形成された磁気中性線１８に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。
【００１８】
磁気中性線１８の作る面と平行して下部の基板電極部１３内には基板電極２１が絶縁体部材２２を介して設けられている。この基板電極２１は、ブロッキングコンデンサー２３を介して高周波バイアス電力を印加する高周波電源２４に接続され、コンデンサー２３によって電位的に浮遊電極になっており、負のバイアス電位となる。また、プラズマ発生部１２の天板２５は誘電体側壁１４の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態とした対向電極を形成している。プラズマ発生部１２には、真空チャンバー１１内ヘエツチングガスを導入するガス導入ノズル２６が設けられ、このガス導入ノズル２６は、図示していないが、ガス供給路及びエッチングガスの流量を制御するガス流量制御装置を介してエッチングガス供給源に接続されている。基板電極部１３には、排気口２７、バルブ２８及び真空ポンプ２９を有する排気系が設けられている。
本発明におけるエッチングは、上記ＮＬＤエッチング装置のような誘導結合放電プラズマエッチング装置の他に、例えば、ＩＣＰ、ＣＣＰ、ＥＣＲ等のエッチング装置、特に基板バイアス機構及び基板冷却機構を備えたエッチング装置を用いて実施しても良く、その際、低圧・高密度プラズマによりエッチングすることが好ましい。
【００１９】
本発明の配線形成方法によれば、上記したようにボトム抜きした後、コンタクトホール内に、上層配線として、例えば、Ｃｕ配線を形成する。このＣｕ配線は、例えば、電解メッキ法の場合、まずシードＣｕを形成し、次いでメッキ法により形成される。このメッキ法としては、無電解メッキ法を用いることもできる。電解メッキ法としては、既知のメッキ液を使用した方法があり、例えば、処理温度２５℃、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ２及び処理時間１〜２分の処理条件により、所定の厚さのＣｕ配線を得ることができる。
上層配線としては、Ｃｕ配線に限られず、例えば、Ａｌ等の配線であっても良い。
かくして、下層配線と上層配線とが直接接合されたＤＣＶ構造を簡単に形成することができる。
なお、上記バリアメタル膜形成工程、ボトム抜き工程、及び金属配線形成工程の各工程間で、被処理物を空気に曝すと、下地金属の表面が酸化されてコンタクト抵抗が増大し、バリアメタル膜表面が変質（酸化やガス吸着による）して次に形成する金属膜との密着性が悪くなる。よって、これらの工程は全て真空雰囲気中で行われることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
（実施例１）
本実施例では、基板上に形成されたＳｉＯ２膜やＬｏｗ−ｋ膜内にコンタクトホールや溝が形成されているホールパターン付きウェハを用い、このコンタクトホールや溝を含む全面にバリアメタル膜を形成した際のホールの開口部の形状と、その後のエッチングによるボトム抜きとの関係を調べた。
【００２１】
まず、上記ホールパターン付きウェハ上に、スパッタリング法によって、Ａｒ：Ｎ２＝６：１５の流量比、１５ｋＷ、３×１０−２Ｐａ、１６０℃の成膜条件でＴａＮ膜を、また、ＣＶＤ法によって、ＳｉＨ４：ＮＨ３：ＷＦ６：Ｏ２：Ａｒ＝７０：７：４：１：６３の流量比、４０Ｐａ、３７０℃の成膜条件でＷＮ膜を形成した。得られたバリアメタル膜のイニシャル形状を図４(Ａ)（ＰＶＤ法）及び図４(Ｂ)（ＣＶＤ法）に示す。図４(Ａ)及び(Ｂ)から明らかなように、成膜方法に依るＴａＮ膜とＷＮ膜とのイニシャル形状の違いは、主としてホール開口部の形状にあった。すなわち、ＰＶＤ法の場合、ＴａＮからなるバリアメタル膜の周囲部と側壁部との膜は連続しているものの、ホール開口部にファセットが付いていた。一方、ＣＶＤ法の場合、ＷＮからなるバリアメタル膜の周囲部と側壁部との膜が連続していると共にホール開口部にはファセットも見られなかった。
【００２２】
次いで、上記のようにして得られた２種の試料に対して、図３に示すＮＬＤエッチング装置を用いて、以下の条件でエッチングし、ボトム抜きを行った。
ＴａＮ膜は、プラズマ発生用高周波電源２０（１３．５６ＭＨｚ）の電力を５００Ｗ（ラングミュラプローブ法による電子密度：４ｘ１０１０／ｃｍ３）、基板バイアス高周波電源２４（１〜１３．５６ＭＨｚ）の電力を１００Ｗに設定し、ガス導入ノズル２６からＮ２８０容量％及びＮＦ３２０容量％を導入し、６０℃以下のステージ温度で、５ｍＴｏｒｒの圧力下、４０ｓｅｃの間エッチングした。
【００２３】
また、ＷＮ膜は、プラズマ発生用高周波電源２０（１３．５６ＭＨｚ）の電力を５００Ｗ（ラングミュラプローブ法による電子密度：４ｘ１０１０／ｃｍ３）、基板バイアス高周波電源２４（１〜１３．５６ＭＨｚ）の電力を１００Ｗに設定し、ガス導入ノズル２６からＡｒ７０容量％及びＮＦ３３０容量％を導入し、６０℃以下のステージ温度で、５ｍＴｏｒｒの圧力下、４０ｓｅｃの間エッチングした。
【００２４】
エッチングされた試料の開口部形状には、図５(Ａ)及び(Ｂ)に示すような違いが生じた。図５(Ａ)に示すスパッタ膜の場合には、ボトム抜きは可能であったが、ホールの開口部自体がエッチングされて肩落ちし（ファセットが付いている）、周囲部と側壁部とのバリアメタル膜は切断されていた。これに対して、図５(Ｂ)に示すＣＶＤ膜の場合には、バリアメタル膜が開口部にて多少エッチングされているものの、肩落ちはなく（ファセットが付いていない）、周囲部と側壁部とのバリアメタル膜は切断されておらず、ホール自体の開口部は、エッチングされていないことがわかった。
【００２５】
従って、ホール開口部のバリアメタル膜のイニシャル形状がファセットの付いている試料の場合（図４(Ａ)）、エッチング後に、ボトム抜きはできるものの、周囲部と側壁部との膜が切断されてしまうので（図５(Ａ)）、好ましくない。図４(Ｂ)中に点線で示すように、コンタクトホール開口部が塞がらない程度に、覆い被さるようなオーバーハング状態のイニシャル形状を有するものは、エッチング後に、簡単にボトム抜きができると共に、ホール開口部にファセットも見られず、望ましい。
【００２６】
バリアメタル膜として、ＣＶＤ法によりＴａＮを形成した場合についても、上記したようにＷＮ膜を形成した場合と同様な結果が得られる。
なお、エッチャントとして、ＮＦ３ガスのみを用いて上記と同様な条件でエッチングしたところ、周囲部のバリアメタル膜が主としてエッチング除去され、側壁部及び底部にバリアメタル膜が残った。
【００２７】
（実施例２）
本実施例では、基板のコンタクトホールや溝を含む全面にバリアメタル膜を形成した後にエッチングする場合の、ステップカバレッジとエッチングレートとボトム抜きとの関係を調べた。
実施例１で用いたものと同じホールパターン付きウェハ上に、ＣＶＤ法によって、実施例１と同じ通常の成膜条件で、ＴａＮからなるバリアメタル膜を形成し、次いで、実施例１に示すエッチング条件及び以下の表１に示す条件でエッチングした。得られた結果を、フィールド(周囲部)エッチングレート、サイド(側壁部)エッチングレート、ボトム(底部)エッチングレートと共に表１に示す。
【００２８】
（表１）
【００２９】
表１から明らかなように、(底部／周囲部のエッチングレート比)＞(ステップカバレッジ値)の関係を満足する場合に、エッチング後に、ホール側壁部及び周囲部のバリアメタル膜（密着膜）を残し、底部のバリアメタル膜のみを選択的にエッチングして除去することができたことがわかる。表１に示す結果から、ステップカバレッジが、０．５（５０％）未満、好ましくは０．１〜０．４（１０〜４０％）程度であることが好ましい。
バリアメタル膜として、ＣＶＤ法によりＷＮ膜を形成した場合についても、同様な結果が得られる。
【００３０】
（実施例３）
実施例１におけるボトム抜きのためのエッチングガスＮＦ３：Ａｒ＝３０：７０（容量％）の代わりにＮＦ３：Ｈ２：Ｎ２＝４０：１５：４５（容量％）、また、ＮＦ３：Ｈ２＝４０：６０（容量％）を用いて、３０ｓｅｃの間、実施例１記載の方法を繰り返して、エッチングし、ボトム抜きを行った。その結果、実施例１と同じ結果が得られた。
【００３１】
（実施例４）
実施例１記載の方法によりＣＶＤ法によりＷＮ膜を形成し、次いでエッチングしてボトム抜きを行った後、コンタクトホール内に、公知の方法でＣｕ配線を形成した。このＣｕ配線は、まず、ＰＶＤ法(ＬＴＳスパッタ法)により、パワー：８ｋＷ、Ａｒ：９ｓｃｃｍ、時間：２０〜５０ｓｅｃ、基板ステージ温度：３０℃以下の条件でシードＣｕを形成し、次いで、メッキ液混合物(Shipley Far East Ltd.製の商品名：Ultrafill EC-2001(メッキ液)とS-2001(添加剤)とA-2001(添加剤)とを混合したもの)を使用して、処理温度２５℃、電流密度１．０Ａ／ｄｍ２及び処理時間１〜２分の処理条件により、電解メッキ法で所定の厚さの上層Ｃｕ配線を得た。かくして、図６に示すように、下層配線１と上層配線４とが直接接合されたＤＣＶ構造を有する配線を簡単に形成することができ、密着性は良好であった。図中、２は絶縁層、３はＷＮ膜を示す。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、コンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面に、低ステップカバレッジ値を持ったイニシャルバリアメタル膜（密着膜）を形成した後、次式：
(該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート)／(該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート)＞ (ステップカバレッジ値)
の関係を満足するエッチングレートでエッチングすることにより、該コンタクトホール等の周囲部及び側壁部にはバリアメタル膜等を残し、底部のバリアメタル膜のみを選択的にエッチングして、除去することができ、ボトム抜きが可能となる。これにより、下層配線と上層配線とを直接接合でき、ＤＣＶ構造が容易に形成される。
また、ステップカバレッジ値を好ましくは０．５（５０％）未満とすることにより、底部のバリアメタル膜（密着膜）のみを選択的にエッチングして、除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (Ａ)従来のコンタクトホール埋め込み構造におけるボイドの発生を模式的に示す断面図（電子流方向が上層配線から下層配線の方向である場合）。
(Ｂ)従来のコンタクトホール埋め込み構造におけるボイドの発生を模式的に示す断面図（電子流方向が下層配線から上層配線の方向である場合）。
【図２】 (Ａ)従来のコンタクトホール埋め込み構造におけるバリア膜形成後の状態を模式的に示す断面図。
(Ｂ)従来のコンタクトホール埋め込み構造を模式的に示す断面図。
【図３】 従来のエッチング装置の概略の構成を模式的に示す構成図。
【図４】 (Ａ)実施例１記載の方法（ＰＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜の形状を模式的に示す断面図。
(Ｂ)実施例１記載の方法（ＣＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜の形状を模式的に示す断面図。
【図５】 (Ａ)実施例１記載の方法（ＰＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜のエッチング後の形状を模式的に示す断面図。
(Ｂ)実施例１記載の方法（ＣＶＤ法）により形成されたイニシャルバリアメタル膜のエッチング後の形状を模式的に示す断面図。
【図６】 本発明の配線形成方法により得られたＤＣＶ構造を示す断面図。
【符号の説明】
Ａ 周囲部(フィールド部) Ｂ 側壁部(サイド部)
Ｃ 底部(ボトム部) １ 下層配線
２ 絶縁層 ３ バリア層(バリアメタル膜)又は密着層
４ 上層配線 ５ ボイド
１１ 真空チャンバー １２ プラズマ発生部
１３ 基板電極部 １４ プラズマ発生部の壁(誘電体側壁)
１５、１６、１７ 磁場コイル １８ 環状磁気中性線
１９ 高周波アンテナコイル ２１ 基板電極
２２ 絶縁体部材 ２５ 天板(対向電極、浮遊電極)
２６ ガス導入ノズル
Claims (8)
- 配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面にイニシャルバリアメタル膜又は密着層を形成した後、エッチングにより、該コンタクトホールや溝の底部のバリアメタル膜又は密着層を除去し、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法において、該イニシャルバリアメタル膜又は密着層をステップカバレッジが小さな値を持つような厚さで基板全面に形成した後、該エッチングを、ハロゲン化窒素ガスと、窒素ガス、アルゴンガス、及び水素ガスから選ばれた少なくとも１種のガスとの混合ガスにより、
次式：
(該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート)／ (該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート) ＞ (ステップカバレッジ値)
の関係を満足するエッチングレートで行って、該底部のバリアメタル膜又は密着層のみをエッチングして除去し、該周囲部及び側壁部には該膜を残すことを特徴とするバリアメタル膜又は密着層形成方法。 - 前記ステップカバレッジ値が、０．５未満であることを特徴とする請求項１記載のバリアメタル膜又は密着層形成方法。
- 前記ハロゲンが、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素であることを特徴とする請求項１又は２記載のバリアメタル膜又は密着層形成方法。
- 前記ハロゲン化窒素ガスが、三フッ化窒素ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバリアメタル膜又は密着層形成方法。
- 前記ハロゲン化窒素ガスが、総流量基準で、２０〜４０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバリアメタル膜又は密着層形成方法。
- 配線のコンタクトホールや溝が形成されている基板のコンタクトホールや溝内を含む全面にイニシャルバリアメタル膜又は密着層を形成した後、エッチングにより、該コンタクトホールや溝の底部のバリアメタル膜又は密着層を除去し、その周囲部及び側壁部にバリアメタル膜又は密着層を形成する方法において、該イニシャルバリアメタル膜又は密着層をステップカバレッジが小さな値を持つような厚さで基板全面に形成した後、該エッチングを、Ｆ ２ ／Ｈｅ、Ｆ ２ ／Ａｒ及びＦ ２ から選ばれたフッ素を含むガス、ＮＦ ３ 、ＢＣｌ ３ 、ＣＦ ４ 、Ｃ ２ Ｆ ６ 、Ｃ ３ Ｆ ８ 及びＣＯＦ ２ から選ばれたハロゲン化物ガス、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ ２ 、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｈ ２ Ｏ、ＣＯ ２ 、Ｎ ２ Ｏ、並びにＮＯｘの２つ以上を組み合わせた混合ガスにより、
次式：
( 該コンタクトホールや溝の底部のエッチングレート ) ／ ( 該コンタクトホールや溝の周囲部のエッチングレート ) ＞ ( ステップカバレッジ値 )
の関係を満足するエッチングレートで行って、該底部のバリアメタル膜又は密着層のみをエッチングして除去し、該周囲部及び側壁部には該膜を残すことを特徴とするバリアメタル膜又は密着層形成方法。 - 前記ステップカバレッジ値が、０．５未満であることを特徴とする請求項６記載のバリアメタル膜又は密着層形成方法。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の方法でエッチングしてバリアメタル膜又は密着層を形成した後、コンタクトホールや溝内に、メッキ法により上層配線を形成して、該上層配線と下層配線とが直接接合されたＤＣＶ構造の配線を形成することを特徴とする配線形成方法。
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