JP2005012016A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。更に、具体的には、金属を含む材料からなる薄膜を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高速化の要求に伴い、トランジスタのスイッチング遅延を低減する必要性が高まっている。このため、配線材料としては、従来の配線材料であるAl等に比して、比抵抗の小さいCuを主成分とする材料が用いられている。
【0003】
しかし、Cuは、従来用いられてきたAlに比して、Siや、SiO2への拡散が大きく、従って、素子特性の劣化を招く場合がある。また、Cuは、絶縁膜との密着性が乏しいため、加工性の劣化に繋がる。また、Cu表面には、Alの場合と異なり、不動態酸化膜が形成されないことから、酸化が内部まで進行し、配線特性の劣化を招く場合がある。
【0004】
従って、これらの不都合を防止するため、配線材料としてCuを用いる場合には、一般に、Cuと、配線層間膜との界面に、バリアメタルを形成している。バリアメタルとしては、Ta、TaNが用いられる場合が多い。
【0005】
例えば、ビアプラグを形成する場合、絶縁膜に形成されたビアホール内壁に、バリアメタルとしてTaN等の薄膜を形成し、その後で、ビアホール内のTaN膜上にCuが埋め込まれる。ここで、TaN等の薄膜を形成する方法の1つとして、スパッタ法が用いられている。具体的に、スパッタ法でTaN膜を成膜する場合、N2雰囲気中、かつ、高真空中で、Arイオンを、Taからなる金属板のターゲットに照射し、Arイオンにより、金属板からスパッタされてたたき出された金属粒子を基板に堆積する。
【0006】
しかし、スパッタ法により形成された薄膜は、段差被覆性に乏しい。即ち、スパッタ法で、高アスペクト比のホール内に薄膜を形成する場合、ビアホール開口部付近での堆積量が多くなる一方、粒子が、深い領域に到達できないため、ビアホール底部では、堆積量が少なくなる。また、粒子の進行方向に対して水平なビアホール側壁部への堆積量は、更に、少なくなる。即ち、スパッタ法で、高アスペクト比のホール内に形成された薄膜は、開口部付近、底部付近、側壁部、の順に膜厚が薄く、薄膜の全体として均一性が低いものとなる。具体的に、スパッタ法では、被覆率は、70%を超えることが難しいものと考えられる。
【0007】
一般に、バリアメタルの比抵抗は、Cuよりも高い。従って、配線抵抗を抑えるという観点からは、Cu配線等の配線と接する部分においては、バリアメタルを薄くすることが望ましい。一方、Cuの拡散を抑えるという観点から、絶縁膜と接する部分におけるバリアメタルは、厚くすることが望ましい。従って、薄膜の膜厚は、薄膜が最も薄い部分でもCuの拡散を最低限必要な程度に抑えるために必要十分な膜厚とする必要がある。しかし、スパッタ法で、高アスペクト比のホールにおいて、膜厚が最も薄くなる側壁にも十分な膜厚を確保しようとする場合、下層の配線層に接するビアホール底部においては、バリアメタルの膜厚が必要以上に厚くなり、配線抵抗や、ビア抵抗が増加してしまう。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、スパッタ法よりも被覆性の良い成膜方法を用いて、均一な膜を形成することが必要とされ、被覆性に優れた、CVD(化学気相成長;Chemical Vapor Deposition)法でのバリアメタルの成膜が研究されている。しかし、CVD法を用いる場合、ハロゲン化物や、有機化合物を基板に照射するため、そのハロゲン元素や、炭素、窒素等が膜中に混入されることになり、成膜された膜の比抵抗が増加する場合がある。
【0009】
この対策として、CVD法の中でも、特に、ALCVD(Atomic Layer Chemical Vapor Deposition)法、あるいは、ALD(Atomic Layer Deposition)法と呼ばれる方法での成膜法の開発が行われている。この方法で、例えばTaN膜を形成する場合、まず、Taを含む材料を供給し、全面に吸着させた後、次に、Nを含む材料を供給する。これにより、TaとNとが反応し、TaN膜が形成される。このALD方法によれば、上述のハロゲン元素等の混入を抑えることができ、また、成膜される薄膜の膜厚や、膜質が、基板温度による影響を受けにくいため、均一な膜を形成しやすい。
【0010】
しかし、ホール側壁部等の絶縁膜と接する部分において、Cuの拡散を抑えるために必要な最低限の膜厚は確保する必要がある。従って、ALD法を用いる場合、この最低限必要な膜厚で、均一に、ホール側壁部等においても、また、ビアホール底部等の下層配線に接する部分においても、バリアメタル膜が形成されることになる。このため、ホール底部等の下層配線と接する部分において、バリアメタルを薄くし、比抵抗を小さくすることには限界がある。
【0011】
従って、この発明は、上記の問題を解決することを目的として、均一で、かつ、比抵抗率を小さくできる特性の良好な薄膜を有する半導体装置及びその形成方法を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
従って、この発明の半導体装置は、第1の金属を含む配線の形成された下層基板と、
前記下層基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通し、前記配線上に形成された開口と、
前記開口の内壁に沿って形成され、第2の金属を含むバリアメタルと、
前記開口内の前記バリアメタル上に埋め込まれた導電部材と、
を備え、
前記バリアメタルは、
前記開口の底部における膜厚が、前記開口の側壁における膜厚より薄いものである。
【0013】
あるいは、また、この発明の半導体装置は、絶縁膜と、第1の金属を含む導電膜とが表面に共存する基板と、
前記基板上に形成され、第2の金属を含むバリアメタルと、
を備え、
前記バリアメタルは、
前記絶縁膜上における膜厚が、前記導電膜上における膜厚よりも厚いものである。
【0014】
また、この発明の半導体装置の製造方法は、第1の金属を含む導電膜と、絶縁膜とが表面に共存する基板上に、第2の金属、あるいは、前記第2の金属を含む化合物を、前記第2の金属、あるいは、前記化合物の化学吸着が飽和しない条件で照射する金属照射工程と、
前記基板に、還元性を有する材料を照射する還元性材料照射工程と、
を備え、
前記金属照射工程と、前記還元性材料照射工程を、所定の回数繰り返し行うものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【0016】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における半導体装置を説明するための断面模式図である。
図1に示すように、下層基板102には、Cu配線104が形成されている。Cu配線104と、下層基板102の表面上には、低誘電率膜106が形成されている。低誘電率膜106は、例えば、SiO2膜等により構成されている。低誘電率膜106には、その表面から、Cu配線104にまで至るビアホール108が形成されている。
【0017】
ビアホール108には、その底部においてCu配線104と接続するビアプラグ110が形成されている。ビアプラグ110は、ビアホール108内壁に沿って、バリアメタルとして形成されたTaN膜112と、TaN膜112上のビアホール108内に埋め込まれたCu114により構成されている。
【0018】
このように構成されたビアプラグ110において、ビアホール108底部に形成されたTaN膜112の膜厚は、ビアホール108側壁部に形成されたTaN膜112の膜厚の70%以下になっている。また、TaN膜112の被覆率は、例えば、70%以上になっている。
【0019】
この実施の形態において、TaN膜112は、従来のALD法に類似する方法を用いて形成される。一般的なALD法は、まず、ビアホールの形成された基板上に、元素A(例えば、TaN膜を成膜する場合は、Ta)を含む材料1を基板上に供給して一面に吸着させ、次に供給された原料2と反応させて、元素Aを含む化合物を形成するという工程で行われる。
【0020】
図2は、このような方法を用いてバリアメタルを形成する場合の、基板の温度と形成される膜厚との関係を説明するグラフ図である。図2において、縦軸は、膜厚を示し、横軸は、基板温度を示す。また、点線は、導電性の物質上にバリアメタルを形成する場合を示し、実線は、絶縁性の物質上にバリアメタルを形成する場合を示す。
【0021】
図2に示すように、導電性の物質上にバリアメタルを形成する場合でも、絶縁性の物質上にバリアメタルを形成する場合でも、基板温度が、A以下の状態において形成される膜厚は、基板温度に対して、単調に増加する。これは、温度A以下の状態においては、表面への元素Aの化学吸着量が高温化に伴い徐々に増加し、そして化学吸着量の増加に伴い、膜厚も増加するためであると考えられる。
【0022】
また、温度B以上の状態では、絶縁膜上でも、導電膜上でも、形成されるバリアメタルの膜厚は、単調に増加する。これは、基板上あるいは気相中での熱分解反応量が高温化に伴い増加しているため、形成される膜厚も増加するためであると考えられる。
【0023】
そして、温度A〜温度Bの間では、絶縁膜上でも、導電膜上でも、形成されるバリアメタルの膜厚はほぼ一定である。これは、化学吸着量は飽和状態に達し、また熱分解反応はほとんど生じない温度であるためであると考えられる。通常のALD法は、この温度領域で行われる。
【0024】
ところで、図2に示される通り、温度A以下の状態においては、導電膜上での成膜量と、絶縁膜上での成膜量が異なり、絶縁膜上での成膜量の方が大きい。即ち、温度A以下のある温度で成膜する場合、絶縁膜上には、導電膜上よりも厚いバリアメタルを形成することができる。
【0025】
これは、絶縁膜上の場合、原料分子が双極子を形成し、基板上に誘起される電荷と、電気的な相互作用を生じて化学吸着が容易に生じるが、導電膜上では、このような相互作用が生じず、絶縁性基板上に比して化学吸着が起こりにくいためではないかと考えることができる。
【0026】
実施の形態1では、この温度A以下における成膜量の違いを利用し、導電膜上に薄い膜を形成し、絶縁膜上には厚い膜を形成する。これについて、以下に具体的に説明する。
【0027】
図3は、この発明の実施の形態において説明する半導体装置の製造方法を説明するためのフロー図である。図4から6は、半導体装置の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
【0028】
まず、図4に示すように、Cu配線104の形成された下層基板102上に、低誘電率膜106を形成し(ステップS102)、更に、低誘電率膜106に、Cu配線104上に開口するビアホール108を形成する(ステップS104)。ここでは、レジストマスクを形成した後、これをマスクとして、エッチングを行えばよい。
【0029】
このように、ビアホール108を有する低誘電率膜106の形成された状態の下層基板102(以下、「基板」と称する)を、加熱し、100〜250℃に基板温度を保つ(ステップS106)。
【0030】
次に、図5に示すように、ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)120と、Arとを、基板に照射する(ステップS108)。これにより、Taと、N(CH2)3とを含む化合物が、下層基板102の低誘電率膜106表面と、ビアホール108内壁とに化学吸着する。なお、ここでは、ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)120を60℃〜100℃程度に加熱しておく。また、上述のように、基板温度は100℃〜250℃程度に保たれているが、この温度は、化学吸着量が飽和しない程度の範囲の温度であり、図2に示す温度A以下の範囲に該当する。
【0031】
次に、Arのみを照射する(ステップS110)。これによって、基板に残ったペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)120を除去する。
【0032】
次に、図6に示すように、アンモニア(NH3)122を供給する(ステップS112)。これにより、基板の表面に沿って、TaN膜112が形成される。
【0033】
次に、Arのみを照射する(ステップS114)。これにより、基板上に反応せずに残ったアンモニア(NH3)122を除去する。
【0034】
以上のように、ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)120とArの照射、Arの照射、アンモニア(NH3)122の照射、Arの照射(ステップS108〜S114)を繰り返すことで、ビアホール108内壁及び低誘電率膜106表面上にTaN膜112が形成される。また、ここでは、基板の温度を100〜250℃に保っている。この温度は、上述したように、A以下の領域、即ち、化学吸着が飽和せず、かつ、熱分解も起きていない状態の領域である。従って、ビアホール108底部に露出するCu配線104上に形成されたTaN膜112の膜厚は、ビアホール108の側壁や低誘電率膜106表面上に接する部分に形成されたTaN膜112の膜厚に比して、薄くなっている。ここで、ビアホール108側壁部の膜厚に対して、Cu配線104上の膜厚は、70%以下となっている。
【0035】
その後、ダマシン法により、ビアホール108にCu114を埋め込み(ステップS116)、更に、低誘電率膜106の表面が露出するまで、CMPにより平坦化をおこなう(ステップS118)。これにより、図1に示すように、低誘電率膜106のビアホール108内に、ビアプラグ110が形成される。
【0036】
その後、必要に応じ、上層に、層間絶縁膜や配線等を形成し、半導体装置を形成することができる。
【0037】
以上のようにすれば、バリアメタルであるTaN膜112のビアホール108底部における膜厚を、側壁部より薄く形成することができる。従って、低誘電率膜106に接するビアホール108側壁部においては、バリアメタルの膜厚を厚く形成し、一方、Cu配線104に接するビアホール108底部においては、バリアメタルの膜厚を薄くすることができる。従って、低誘電率膜106と接する部分においては、膜厚の厚いバリアメタルで、十分にCu114の拡散を抑えることができ、一方、Cu配線104と接するビアホール108底部においては、ビア抵抗を低減することができる。従って、デバイス特性の良好な半導体装置を得ることができる。
【0038】
また、この方法によれば、ビアホール108底部と、ビアホール108側壁部とのそれぞれの部分においては、スパッタ法を用いる場合よりも、均一な膜厚を形成することができる。従って、膜厚のマージンを広く取ることができる。また、この方法では、従来のALD法における成膜温度を変更するのみで、膜厚の異なるバリアメタルを形成することができる。従って、従来からある装置を有効に利用し、容易に、かつ、経済的にバリアメタルの成膜を行うことができる。
【0039】
なお、実施の形態1においては、低誘電率膜106として、SiO2を用いる場合について説明した。しかし、この発明は、これに限るものではなく、低誘電率膜106は、他の膜であってもよい。低誘電率膜としては、好適には、SiO2膜より誘電率の低い材料を用いるのが好ましい。
【0040】
また、実施の形態1では、基板温度を100℃〜250℃程度に保って行った。ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)120を用いる場合、図2において説明した温度Aが、250℃程度である。従って、実施の形態1において説明した成膜時の基板温度範囲は、この温度A(約250℃)と、温度に比例して形成されるTaN膜112の膜厚とを考慮して決定したものであり、より好適な範囲である。しかし、この発明において、成膜時の基板温度は、必ずしも100℃〜250℃に限られるものではなく、温度A(約250℃)以下の温度であれば、この範囲外の温度であってもよい。
【0041】
また、実施の形態1では、TaN膜112を形成するため、元素Taを含む材料1としてペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)120を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、テルブチルイミドトリスヂメチルアミドタンタリウム([(C2H5)2N]3TaN(C4H9))、ペンタジエチルアミノタンタリウム(Ta[N(C2H5)2]5)、タンタリウムペンタフロライド(TaF5)、タンタリウムペンタクロライド(TaCl5)、タンタリウムペンタブロマイド(TaBr5)、等を用いるものであってもよい。この場合にも、上記同様に、成膜時の基板温度は、100℃〜250程度が好適である。
【0042】
また、実施の形態1では、TaN膜112を形成する場合について説明した。しかし、この発明において、バリアメタルは、TaN膜に限るものではなく、例えば、TiN膜を形成するものであっても良い。この場合には、実施の形態1のペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)に代えて、例えば、テトラキスジエチルアミノチタニウム(Ti[N(C2H5)2]4)や、チタニウムペンタクロライド(TiCl5)、チタニウムペンタブロマイド(TiBr5)等、元素Aとして、Tiを含む原料を用いればよい。この場合にも、バリアメタル成膜時の基板温度は、100℃〜250℃程度とすれば良い。
【0043】
また、この発明は、ZrN膜を形成する場合に適用することもできる。この場合には、ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)に代えて、例えば、テトラキスジエチルアミノジルコニウム(Zr[N(C2H5)2]4)や、テトラキスジメチルアミノジルコニウム(Zr[N(CH3)2]4)を用いればよい。この場合にも、バリアメタル成膜時の基板温度は、100℃〜250℃程度とすれば良い。
【0044】
また、更に、WN膜を形成する場合にも適用することができる。この場合には、ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)に代えて、タングステンヘキサフロライド(WF6)あるいは、タングステンへキサクロライド(WCl6)等、元素Aとして、Wを含む材料を用いればよい。この場合にも、バリアメタル成膜時の基板温度は、100℃〜250℃程度とすれば良い。
【0045】
また、還元性のある材料として、アンモニア(NH3)を照射する場合について説明した。しかし、この発明は、アンモニア(NH3)を用いる場合に限るものではなく、例えば、ヒドラジン(N2H4)等、他の還元性のある材料を用いるものであってもよい。
【0046】
また、この実施の形態においては、ビアホール108底部のCu膜104上と、ビアホール108側壁の低誘電率膜(SiO2)106とに、それぞれ膜厚の異なるTaN膜112を形成する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、他の絶縁性の物質と、他の導電性の物質との組み合わせの場合に適用しても、同様に、ビアホール底部に露出する導電性物質上の膜厚を薄くすることができるため、同様の効果を得ることができる。
【0047】
なお、実施の形態1において、Cu配線104は、この発明の第1の金属に該当し、低誘電率膜206は、この発明の層間絶縁膜に該当する。また、ビアホール108は、この発明の開口に該当し、TaN膜112は、この発明のバリアメタルに該当する。また、Cu114は、導電部材に該当する。
【0048】
また、ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)120は、この発明の第2の金属を含む化合物に該当し、アンモニア(NH3)は、還元性を有する材料に該当する。
【0049】
また、この実施の形態において、ステップS108を実行することにより、この発明の金属照射工程が実行され、ステップS112を実行することにより、この発明の還元性材料照射工程が実行される。
【0050】
実施の形態2.
図9は、この発明の実施の形態2において、Cu膜204と、SiO2膜206が混在する基板202上にTaN膜208、210を形成した状態を説明するための断面模式図である。
実施の形態2においては、実施の形態1のように、ビアホール108底部と、ビアホール108側壁とで、それぞれ、Cu配線104と、低誘電率膜(SiO2)106が露出するのではなく、同一の基板202表面上に、Cu膜204と、SiO2膜206とが混在している。そして、Cu膜204上のTaN膜208は、SiO2膜206上のTaN膜210よりも膜厚が薄くなっている。即ち、Cu膜204上では、配線間の抵抗を小さくするため、TaN膜208の膜厚は薄く、一方、TaN膜210は、一般に、上層に形成される金属配線からの、拡散を防ぐため、膜厚が厚くなっている。また、TaN膜208の膜厚は、TaN膜210の膜厚の約70%以下となっている。
【0051】
実施の形態2においても、TaN膜208、210の形成方法は、実施の形態1において説明した、従来のALD法に類似する方法を用いる。また、成膜時の基板温度は、実施の形態1同様に、温度A以下に保ち、この温度下において形成されるTaN膜の膜厚が、導電性物質上と、絶縁性物質上との間で異なることを利用して形成する。
【0052】
図10は、この発明の実施の形態2におけるTaN膜208、210の形成方法を説明するためのフロー図である。図11〜図13は、TaN膜208、210の成膜の各工程における状態を説明するための断面模式図である。
【0053】
まず、図11に示すように、基板202上に、必要に応じて、Cu膜204と、SiO2膜206とを形成する。その後、この基板を100〜250℃程度に加熱する(ステップS202)。
【0054】
次に、図12に示すように、テトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH3)2]4)220とN2とを照射する(ステップS204)。これにより、TiとNH3とが、基板202上に吸着する。この時の吸着量は、Cu膜204上と、SiO2膜206上とで異なり、Cu膜204上における吸着量の方が、SiO2膜206上よりも少なくなっている。
【0055】
次に、N2を照射する(ステップS206)。これにより、基板202上に残ったテトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH3)2]4)220が除去される。
【0056】
次に、図13に示すように、アンモニア(NH3)と、N2とを照射する(ステップS208)。これにより、先に基板202上に吸着したTiと反応して、TiN膜が形成される。ここで、Tiの吸着量は、Cu膜204上の方が少ないため、TiN膜も、Cu膜204上のTiN膜方が、SiO2膜上のTiN膜よりも薄くなる。
【0057】
その後、N2を照射する(ステップS210)。これにより、基板202上に残ったアンモニア(NH3)が除去される。
【0058】
上述のように、テトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH3)2]4)220とN2との照射(ステップS204)、N2の照射(ステップS206)、アンモニア(NH3)とN2の照射(ステップS208)、N2の照射(ステップS210)を繰り返すことにより、基板202上に、TiN膜208、210が形成される。
【0059】
以上のようにすれば、導電性物質であるCu膜204と、絶縁膜であるSiO2膜206とが混在する基板202上に、それぞれ、膜厚の異なるTiN膜208、210を形成することができる。一般に、導電性物質と接する部分のTiN膜208は、抵抗を小さくするため、薄く形成する必要があり、絶縁膜と接する部分では、バリアメタルとして拡散防止するため、膜厚を厚くする必要がある。実施の形態2のようにすれば、下層膜に応じて、必要な異なる膜厚のTiN膜を、容易に形成することができる。
【0060】
なお、実施の形態2においては、テトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH3)2]4)220を照射する場合について説明した。しかし、この発明においては、これに限るものではなく、例えばテトラキスジエチルアミノチタニウム(Ti[N(C2H5)2]4)や、チタニウムペンタクロライド(TiCl5)、チタニウムペンタブロマイド(TiBr5)等を用いるものであってもよい。
【0061】
また、実施の形態2においては、TiN膜を形成する場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、例えば、TaN膜、ZrN膜、WN膜等を形成する場合にも適用することができる。この場合には、実施の形態1に説明したように、テトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH3)2]4)に代えて、元素Aとして、それぞれ、Ta、Zr、Wを含むような材料を照射すればよい。
その他の部分は、実施の形態1と同様であるから説明を省略する。
【0062】
なお、実施の形態2において、Cu膜204は、この発明の第1の金属に該当し、SiO2膜206は、この発明の絶縁膜に該当する。また、TaN膜208、210は、この発明のバリアメタルに該当する。
【0063】
また、テトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH3)2]4)220は、この発明の第2の金属を含む化合物に該当し、アンモニア(NH3)は、還元性を有する材料に該当する。
【0064】
また、この実施の形態において、ステップS204を実行することにより、この発明の金属照射工程が実行され、ステップS208を実行することにより、この発明の還元性材料照射工程が実行される。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、成膜時の基板温度がある温度以下の場合に、絶縁性物質上と、導電性物質上とで、成膜量が異なることを利用して、絶縁性物質上には、比較的厚いバリアメタル膜を形成し、導電性膜上には、比較的薄いバリアメタル膜を形成することができる。従って、拡散防止の必要な絶縁性物質上では、十分な膜厚を確保しつつ、導電性物質上では、膜厚を薄くして、抵抗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1における半導体装置を説明する他の断面模式図である。
【図2】バリアメタルを形成する際の、基板温度と膜厚との関係を説明するグラフ図である。
【図3】この発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を説明するためのフロー図である。
【図4】この発明の実施の形態1における半導体装置の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
【図5】この発明の実施の形態1における半導体装置の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
【図6】この発明の実施の形態1における半導体装置の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
【図7】この発明の実施の形態1における半導体装置の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
【図8】この発明の実施の形態1における半導体装置の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
【図9】この発明の実施の形態2において、導電性物質と、絶縁性物質が混在する基板に、バリアメタルを形成した状態を説明するための断面模式図である。
【図10】この発明の実施の形態2におけるバリアメタルの形成方法を説明するためのフロー図である。
【図11】この発明の実施の形態2におけるバリアメタル成膜の各過程の状態を説明するための断面模式図である。
【図12】この発明の実施の形態2におけるバリアメタル成膜の各過程の状態を説明するための断面模式図である。
【図13】この発明の実施の形態2におけるバリアメタル成膜の各過程の状態を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
102 下層基板
104 Cu配線
106 低誘電率膜
108 ビアホール
110 ビアプラグ
112 TaN膜
114 Cu
120 ペンタジメチルアミノタンタリウム(Ta[N(CH3)2]5)
122 アンモニア(NH3)
202 基板
204 Cu膜
206 SiO2膜
208 TaN膜
210 TaN膜
220 テトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH3)2]4)
222 アンモニア(NH3)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device having a thin film made of a material containing a metal and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the demand for increasing the speed of semiconductor devices, there is an increasing need to reduce the switching delay of transistors. For this reason, as a wiring material, the material which has Cu as a main component with a small specific resistance compared with Al etc. which are the conventional wiring materials is used.
[0003]
However, Cu is more resistant to Si and SiO than conventional Al. 2 Therefore, the device characteristics may be deteriorated. Moreover, since Cu has poor adhesion to the insulating film, it leads to deterioration of workability. In addition, unlike the case of Al, a passive oxide film is not formed on the Cu surface, so that the oxidation proceeds to the inside and may deteriorate the wiring characteristics.
[0004]
Therefore, in order to prevent these disadvantages, when Cu is used as a wiring material, a barrier metal is generally formed at the interface between Cu and the wiring interlayer film. Ta and TaN are often used as the barrier metal.
[0005]
For example, when forming a via plug, a thin film such as TaN is formed as a barrier metal on the inner wall of the via hole formed in the insulating film, and then Cu is embedded on the TaN film in the via hole. Here, as one of methods for forming a thin film such as TaN, a sputtering method is used. Specifically, when a TaN film is formed by sputtering, N 2 In an atmosphere and in a high vacuum, Ar ions are irradiated onto a target of a metal plate made of Ta, and metal particles sputtered from the metal plate by Ar ions are deposited on the substrate.
[0006]
However, a thin film formed by sputtering is poor in step coverage. That is, when a thin film is formed in a high aspect ratio hole by sputtering, the amount of deposition near the opening of the via hole increases, but the particle cannot reach a deep region, so the amount of deposition is small at the bottom of the via hole. Become. Further, the amount of deposition on the side wall portion of the via hole that is horizontal to the traveling direction of the particles is further reduced. That is, a thin film formed in a high-aspect-ratio hole by sputtering is thin in the order of the vicinity of the opening, the vicinity of the bottom, and the side wall, and the overall uniformity of the thin film is low. Specifically, in the sputtering method, it is considered that the coverage is difficult to exceed 70%.
[0007]
In general, the specific resistance of the barrier metal is higher than that of Cu. Therefore, from the viewpoint of suppressing the wiring resistance, it is desirable to make the barrier metal thin at the portion in contact with the wiring such as the Cu wiring. On the other hand, from the viewpoint of suppressing the diffusion of Cu, it is desirable that the barrier metal in the portion in contact with the insulating film is thick. Therefore, the film thickness of the thin film needs to be a necessary and sufficient film thickness in order to suppress the diffusion of Cu to the minimum necessary level even at the thinnest part of the thin film. However, when sputtering is used to secure a sufficient film thickness on the sidewall where the film thickness is the thinnest in a high aspect ratio hole, the thickness of the barrier metal is small at the bottom of the via hole in contact with the lower wiring layer. It becomes thicker than necessary, resulting in increased wiring resistance and via resistance.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, it is necessary to form a uniform film by using a film forming method having a better covering property than the sputtering method, and a barrier by the CVD (Chemical Vapor Deposition) method, which has an excellent covering property. Metal deposition has been studied. However, when using the CVD method, the halide or organic compound is irradiated onto the substrate, so that the halogen element, carbon, nitrogen, etc. are mixed in the film, and the specific resistance of the formed film is reduced. May increase.
[0009]
As a countermeasure for this, a film forming method is being developed, in particular, by a method called an ALCVD (Atomic Layer Chemical Deposition) method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method. When a TaN film is formed by this method, for example, first, a material containing Ta is supplied, adsorbed on the entire surface, and then a material containing N is supplied. As a result, Ta and N react to form a TaN film. According to this ALD method, mixing of the above-described halogen elements can be suppressed, and the film thickness and film quality of the thin film to be formed are hardly affected by the substrate temperature, so that a uniform film is formed. Cheap.
[0010]
However, it is necessary to secure a minimum film thickness necessary for suppressing Cu diffusion in a portion in contact with the insulating film such as a hole side wall. Therefore, when the ALD method is used, a barrier metal film is formed with this minimum required film thickness uniformly even in the side wall of the hole or in the portion in contact with the lower layer wiring such as the bottom of the via hole. Become. For this reason, there is a limit in making the barrier metal thin and reducing the specific resistance in the portion in contact with the lower layer wiring such as the bottom of the hole.
[0011]
Accordingly, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a semiconductor device having a thin film that is uniform and has a good characteristic capable of reducing the specific resistivity, and a method for forming the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, the semiconductor device of the present invention includes a lower layer substrate on which a wiring containing the first metal is formed,
An interlayer insulating film formed on the lower substrate;
An opening formed through the insulating film and on the wiring;
A barrier metal formed along the inner wall of the opening and including a second metal;
A conductive member embedded on the barrier metal in the opening;
With
The barrier metal is
The film thickness at the bottom of the opening is thinner than the film thickness at the side wall of the opening.
[0013]
Alternatively, the semiconductor device of the present invention includes a substrate on which an insulating film and a conductive film containing a first metal coexist,
A barrier metal formed on the substrate and including a second metal;
With
The barrier metal is
The film thickness on the insulating film is larger than the film thickness on the conductive film.
[0014]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the second metal or the compound containing the second metal is formed on the substrate on which the conductive film containing the first metal and the insulating film coexist on the surface. A metal irradiation step of irradiating the second metal or the compound under a condition where the chemical adsorption of the compound is not saturated;
A reducing material irradiation step of irradiating the substrate with a reducing material; and
With
The metal irradiation step and the reducing material irradiation step are repeated a predetermined number of times.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
[0016]
1 is a schematic sectional view for illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, Cu wiring 104 is formed on the
[0017]
A via
[0018]
In the via
[0019]
In this embodiment, the
[0020]
FIG. 2 is a graph for explaining the relationship between the temperature of the substrate and the film thickness to be formed when a barrier metal is formed using such a method. In FIG. 2, the vertical axis represents the film thickness, and the horizontal axis represents the substrate temperature. A dotted line indicates a case where a barrier metal is formed on a conductive material, and a solid line indicates a case where a barrier metal is formed on an insulating material.
[0021]
As shown in FIG. 2, whether the barrier metal is formed on a conductive material or the barrier metal is formed on an insulating material, the film thickness formed when the substrate temperature is A or less is It increases monotonously with the substrate temperature. This is considered to be because in the state of temperature A or lower, the amount of chemical adsorption of element A on the surface gradually increases as the temperature increases, and the film thickness increases as the amount of chemical adsorption increases. .
[0022]
In the state of temperature B or higher, the thickness of the barrier metal formed monotonously increases both on the insulating film and on the conductive film. This is presumably because the amount of thermal decomposition reaction on the substrate or in the gas phase increases as the temperature rises, so that the formed film thickness also increases.
[0023]
And between the temperature A and the temperature B, the film thickness of the barrier metal formed on the insulating film and the conductive film is substantially constant. This is presumably because the amount of chemical adsorption reaches a saturated state and the temperature at which the thermal decomposition reaction hardly occurs. A normal ALD method is performed in this temperature region.
[0024]
By the way, as shown in FIG. 2, when the temperature is A or lower, the amount of film formation on the conductive film is different from the amount of film formation on the insulating film, and the amount of film formation on the insulating film is larger. . That is, when the film is formed at a certain temperature lower than the temperature A, a barrier metal thicker than the conductive film can be formed on the insulating film.
[0025]
This is because, on the insulating film, the raw material molecules form a dipole, and an electric interaction is generated with the charge induced on the substrate, so that chemisorption easily occurs. It can be considered that no such interaction occurs and chemical adsorption is less likely to occur than on an insulating substrate.
[0026]
In
[0027]
FIG. 3 is a flowchart for illustrating a method of manufacturing a semiconductor device described in the embodiment of the present invention. 4 to 6 are schematic cross-sectional views for explaining states in each manufacturing process of the semiconductor device.
[0028]
First, as shown in FIG. 4, a low dielectric
[0029]
In this way, the lower substrate 102 (hereinafter referred to as “substrate”) in which the low dielectric
[0030]
Next, as shown in FIG. 5, pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 ) 120 and Ar are irradiated onto the substrate (step S108). As a result, Ta and N (CH 2 ) 3 Is chemically adsorbed on the surface of the low dielectric
[0031]
Next, only Ar is irradiated (step S110). As a result, the pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 ) 120 is removed.
[0032]
Next, as shown in FIG. 3 ) 122 is supplied (step S112). Thereby, a
[0033]
Next, only Ar is irradiated (step S114). As a result, ammonia (NH) remained without reacting on the substrate. 3 ) 122 is removed.
[0034]
As described above, pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 ) 120 and Ar irradiation, Ar irradiation, ammonia (NH 3 ) 122 irradiation and Ar irradiation (steps S108 to S114) are repeated, whereby the
[0035]
Thereafter,
[0036]
After that, if necessary, an interlayer insulating film, wiring, or the like can be formed on the upper layer to form a semiconductor device.
[0037]
In this way, the film thickness at the bottom of the via
[0038]
In addition, according to this method, a uniform film thickness can be formed in each of the bottom portion of the via
[0039]
In the first embodiment, the low dielectric
[0040]
In the first embodiment, the substrate temperature is kept at about 100 ° C. to 250 ° C. Pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 ) 120 is used, the temperature A described with reference to FIG. Therefore, the substrate temperature range during film formation described in the first embodiment is determined in consideration of this temperature A (about 250 ° C.) and the film thickness of the
[0041]
In the first embodiment, in order to form the
[0042]
In the first embodiment, the case where the
[0043]
The present invention can also be applied when forming a ZrN film. In this case, pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 ), For example, tetrakisdiethylaminozirconium (Zr [N (C 2 H 5 ) 2 ] 4 ) And tetrakisdimethylaminozirconium (Zr [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) May be used. Also in this case, the substrate temperature at the time of barrier metal film formation may be about 100 ° C. to 250 ° C.
[0044]
Furthermore, the present invention can also be applied when forming a WN film. In this case, pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 ), Tungsten hexafluoride (WF) 6 Or tungsten hexachloride (WCl) 6 Or the like, a material containing W as the element A may be used. Also in this case, the substrate temperature at the time of barrier metal film formation may be about 100 ° C. to 250 ° C.
[0045]
In addition, as a reducing material, ammonia (NH 3 ) Has been described. However, this invention is not limited to ammonia (NH 3 ) Is not limited to the case of using, for example, hydrazine (N 2 H 4 ), Etc., and other reducing materials may be used.
[0046]
In this embodiment, the low dielectric constant film (SiO 2) on the
[0047]
In the first embodiment, the
[0048]
In addition, pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 ) 120 corresponds to the compound containing the second metal of the present invention, and ammonia (NH 3 ) Corresponds to a reducing material.
[0049]
Moreover, in this embodiment, the metal irradiation process of this invention is performed by performing step S108, and the reducing material irradiation process of this invention is performed by performing step S112.
[0050]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 shows a
In the second embodiment, as in the first embodiment, the
[0051]
Also in the second embodiment, the
[0052]
FIG. 10 is a flowchart for explaining a method of forming
[0053]
First, as shown in FIG. 11, a
[0054]
Next, as shown in FIG. 12, tetrakisdimethylaminotitanium (Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 220 and N 2 Are irradiated (step S204). As a result, Ti and NH 3 Is adsorbed on the
[0055]
Next, N 2 Is irradiated (step S206). Thereby, tetrakisdimethylaminotitanium (Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) 220 is removed.
[0056]
Next, as shown in FIG. 3 ) And N 2 Are irradiated (step S208). Thereby, a TiN film is formed by reacting with Ti previously adsorbed on the
[0057]
Then N 2 Is irradiated (step S210). As a result, ammonia (NH) remaining on the
[0058]
As described above, tetrakisdimethylaminotitanium (Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 220 and N 2 Irradiation (step S204), N 2 Irradiation (step S206), ammonia (NH 3 ) And N 2 Irradiation (step S208), N 2 By repeating this irradiation (step S210),
[0059]
If it carries out as mentioned above,
[0060]
Note that in Embodiment Mode 2, tetrakisdimethylaminotitanium (Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) 220 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, tetrakisdiethylaminotitanium (Ti [N (C 2 H 5 ) 2 ] 4 ) And titanium pentachloride (TiCl 5 ), Titanium pentabromide (TiBr) 5 ) Etc. may be used.
[0061]
In the second embodiment, the case where the TiN film is formed has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, forming a TaN film, a ZrN film, a WN film, or the like. In this case, as described in
Since other parts are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0062]
In the second embodiment, the
[0063]
In addition, tetrakisdimethylaminotitanium (Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) 220 corresponds to the compound containing the second metal of the present invention, and ammonia (NH 3 ) Corresponds to a reducing material.
[0064]
Moreover, in this embodiment, the metal irradiation process of this invention is performed by performing step S204, and the reducing material irradiation process of this invention is performed by performing step S208.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the substrate temperature during film formation is equal to or lower than a certain temperature, the amount of film formation is different between the insulating material and the conductive material, A relatively thick barrier metal film can be formed on the insulating material, and a relatively thin barrier metal film can be formed on the conductive film. Accordingly, a sufficient film thickness can be secured on an insulating material that needs to be prevented from being diffused, and a resistance can be reduced by reducing the film thickness on a conductive material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is another schematic cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating a relationship between a substrate temperature and a film thickness when forming a barrier metal.
FIG. 3 is a flowchart for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device in the first embodiment of the present invention.
4 is a schematic cross-sectional view for illustrating a state in each manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a schematic cross sectional view for illustrating a state in each manufacturing step of the semiconductor device in the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for illustrating the state in each manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross sectional view for illustrating the state in each manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross sectional view for illustrating a state in each manufacturing step of the semiconductor device in the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining a state in which a barrier metal is formed on a substrate in which a conductive material and an insulating material are mixed in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart for explaining a barrier metal forming method according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining the state of each process of barrier metal film formation in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining the state of each process of barrier metal film formation in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining the state of each process of barrier metal film formation in Embodiment 2 of the present invention.
[Explanation of symbols]
102 Lower layer substrate
104 Cu wiring
106 Low dielectric constant film
108 Beer Hall
110 Via plug
112 TaN film
114 Cu
120 pentadimethylamino tantalum (Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 )
122 Ammonia (NH 3 )
202 substrate
204 Cu film
206 SiO 2 film
208 TaN film
210 TaN film
220 Tetrakisdimethylaminotitanium (Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 )
222 Ammonia (NH 3 )
Claims (11)
前記下層基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通し、前記配線上に形成された開口と、
前記開口の内壁に沿って形成され、第2の金属を含むバリアメタルと、
前記開口内の前記バリアメタル上に埋め込まれた導電部材と、
を備え、
前記バリアメタルは、
前記開口の底部における膜厚が、前記開口の側壁における膜厚より薄いことを特徴とする半導体装置。A lower layer substrate on which wiring including the first metal is formed;
An interlayer insulating film formed on the lower substrate;
An opening formed through the insulating film and on the wiring;
A barrier metal formed along the inner wall of the opening and including a second metal;
A conductive member embedded on the barrier metal in the opening;
With
The barrier metal is
A semiconductor device characterized in that a film thickness at a bottom portion of the opening is thinner than a film thickness at a side wall of the opening.
前記基板上に形成され、第2の金属を含むバリアメタルと、
を備え、
前記バリアメタルは、
前記絶縁膜上における膜厚が、前記導電膜上における膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体装置。A substrate in which an insulating film and a conductive film containing a first metal coexist on the surface;
A barrier metal formed on the substrate and including a second metal;
With
The barrier metal is
A semiconductor device characterized in that a film thickness on the insulating film is larger than a film thickness on the conductive film.
前記基板に、還元性を有する材料を照射する還元性材料照射工程と、
を備え、
前記金属照射工程と、前記還元性材料照射工程を、所定の回数繰り返し行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。On the substrate on which the conductive film containing the first metal and the insulating film coexist on the surface, the second metal or the compound containing the second metal is added to the second metal or the compound. A metal irradiation process for irradiating under conditions where chemisorption is not saturated;
A reducing material irradiation step of irradiating the substrate with a reducing material; and
With
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the metal irradiation step and the reducing material irradiation step are repeated a predetermined number of times.
前記絶縁膜は、前記層間絶縁膜の、前記開口側壁部に露出する部分であり、
前記導電膜は、前記配線の、前記開口底部に露出する部分であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。The substrate includes a lower layer substrate on which wiring including a first metal is formed, an interlayer insulating film formed on the lower layer substrate, an opening penetrating the interlayer insulating film and opening on the wiring,
The insulating film is a portion of the interlayer insulating film exposed to the opening side wall portion,
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the conductive film is a portion of the wiring exposed at the bottom of the opening.
前記金属照射工程は、前記基板の温度を150℃〜250℃で行うことを特徴とする請求項5から10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。The compound is pentadimethylamino tantalum,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the metal irradiation step is performed at a temperature of the substrate of 150 ° C. to 250 ° C.
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