專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法。更詳細(xì)地說，涉及在布線和
其下的絕緣物之間具備阻擋膜的半導(dǎo)體器件、以及通過濺射形成阻擋膜 的半導(dǎo)體制造方法。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前的半導(dǎo)體集成電路器件中，多使用多層布線構(gòu)造，該多層布 線構(gòu)造是為了連接在基板上形成的多個元件，而層疊了在層間絕緣膜中 嵌入了布線圖案的布線層而得到的。集成電路的性能，隨著器件的細(xì)微 化所帶來的高集成化、動作頻率的高速化而得到提高。由于伴隨著器件 的細(xì)微化而來的布線的高密度化，使集成電路的動作延遲時間相對地增 加了，不僅是作為關(guān)鍵部分的晶體管的柵極延遲時間，而且由布線的電
阻R和線間電容C所決定的RC延遲時間的比率也相對地被增加了。 因此，為了減小布線電阻，而使用低電阻的銅，另外，為了減小線間電 容，使用低介電常數(shù)層間絕緣膜(所謂的Low-K層間絕緣膜)。而且， 為了防止布線的銅擴(kuò)散到層間絕緣膜中，在布線和層間絕緣膜之間形成 有阻擋層。
作為阻擋層，使用鉬(Mo)、鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)(例如，參 照專利文獻(xiàn)l)等。為了通過濺射沉積這些金屬，而要使用Ar氣體(參 照專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)3)。但是，對于Ta/TaN而言，"在使用賊射等 物理氣相沉積(PVD)法的情況下，利用PVD注入的凈立子由于能量大， 而可能注入到各個層間絕緣膜中并擴(kuò)散到其內(nèi)部"(專利文獻(xiàn)4 [0054
段)。
另一方面，碳氟化合物(CF)作為低介電常數(shù)層間絕緣膜的材料備受 關(guān)注。但是，碳氟化合物存在緊密掩^性小等工藝匹配性上的難點(非專 利文獻(xiàn)1 )。
專利文獻(xiàn)1:日本特開2005-347472號>^凈艮專利文獻(xiàn)2:日本特開2001-85331號公報 專利文獻(xiàn)3:日本特開2003-309084號7>報 專利文獻(xiàn)4:日本特開2005-22卯93號7〉才艮
非專利文獻(xiàn)1: 7/P才口力一求:/:/，乂7 CVD全用V、t低誘電
率薄膜o作製(<小特集>材料:/口七7用:7少才口力一求乂:/，乂7
一現(xiàn)狀^展望-):(:/，X'7 核融合學(xué)會誌Vol.83.N0.4 (20070425) pp.350-355 )
一般來講，用于濺射的氬(Ar)等離子體，其等離子體電位高，另 外，向碳氟化合物(CF)的能量轉(zhuǎn)移效率高，因而容易損傷CF基板。 另一方面，Ar等離子體向氮化鉭(TaN)的能量轉(zhuǎn)移效率低，難以提供 用于改善結(jié)晶的能量(不能提供用于改善結(jié)晶的足夠能量)。其結(jié)果， 在CF基板上無法形成結(jié)晶性良好的TaN膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的狀況而做出的，其目的在于提供一種可抑制層 間絕緣膜的損傷，而且通過濺射形成以鉭(Ta)為主要成分的阻擋膜的 半導(dǎo)體器件的制造方法。
本發(fā)明技術(shù)方案一的半導(dǎo)體器件，其特征在于，具備阻擋膜，該阻擋 膜形成在半導(dǎo)體器件的一個層和與該層相鄰的層之間，抑制所述一個層的 原子從所述一個層擴(kuò)散到所述相鄰的層，其主要成分之一為鉭，且還包含 氣。
所述阻擋層是通過4吏用了氙氣的濺射形成的，該'減射^1對具備所勤目 鄰的層的^L拖加RT偏壓而進(jìn)行的。
優(yōu)選，與所述阻擋膜的下面接觸的層，由以碳和氟為主要成分的非晶 體絕緣物構(gòu)成。
或者，與所述阻擋膜的下面接觸的層，也可以由以硅或碳為主要成分 的絕緣物構(gòu)成。
優(yōu)選，以所述硅或碳為主要成分的絕緣物構(gòu)成的層，具有多孔質(zhì)構(gòu)造。 優(yōu)選，與所述阻擋膜的下面接觸的層由絕緣物構(gòu)成，該絕緣物在由氟代烴(7y化炭化水素)構(gòu)成的層上形成有包含碳氮化硅(SiCN)的層。 優(yōu)選，所述阻擋膜，具備
通it^具備所述相鄰的層的M施加RT偏壓而進(jìn)行的使用氙氣的濺 射，在所勤目鄰的層上形成的以氮化鉭為主要成分的下層阻擋膜；
通過對所述^不施加RF偏壓或施加比所述下層阻擋膜小的RF偏 壓而進(jìn)行的使用氣氣的濺射，按照與所述一個層接觸的方式形成的、以氮 化鉭為主要成分的上層阻擋膜。
或者，所述阻擋膜，具備
通過對具備所勤目鄰的層的M施加RF偏壓而進(jìn)行的使用氙氣的濺 射，在所勤目鄰的層上形成的以氮化鉭為主要成分的下層阻擋膜；
通過對所述基敗不施加RF偏壓或施加比所述下層阻擋膜小的RF偏 壓而進(jìn)行的使用氣氣的賊射，以與所述一個層接觸的方式形成的、以鉭為 主要成分的上層阻擋膜。
本發(fā)明技術(shù)方案二的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，具備濺射 成膜工序，該濺射成膜工序用于形成阻擋膜，該阻擋膜形成在半導(dǎo)體器件 的一個層和與該層相鄰的層之間，抑制所述一個層的原子從所述一個層擴(kuò) 散到所勤目鄰的層，在該濺射成膜工序中，在所勤目鄰的層上通過使用氙 氣的濺射，形成主要成分之一為鉭的所述阻擋膜。
優(yōu)選，所述濺射成膜工序包括邊對具備所述相鄰的層的141施加RF 偏壓邊進(jìn)行^使用了所述氙氣的濺射的工序。
優(yōu)選，在所述濺射成膜工序中施加的RF偏壓，其J^值電壓大于0V 小于等于20V。
優(yōu)選，在所述賊射成膜工序中，在由以碳和氟為主要成分的非晶體絕 緣物構(gòu)成的層上形成所述阻擋膜。
或者，在所述濺射成膜工序中，在由以硅或碳為主要成分的絕緣物構(gòu) 成的層上形成所述阻擋膜。
另外，由以所述珪或碳為主要成分的絕緣物構(gòu)成的層，也可以具有多
優(yōu)選，在所述濺射成膜工序中，在由絕緣物構(gòu)成的層上形成所述阻擋 膜，該絕緣物在由氟代烴構(gòu)成的層上形成有包含碳氮化硅(SiCN)的層。
7優(yōu)選，所述'減射成膜工序包括形成下層阻擋膜的工序和形成上層阻擋 膜的工序，
在該形成下層阻擋膜的工序中，通過對具備所勤目鄰的層的^41施加
RF偏壓而進(jìn)行的利用氛等離子體的賊射，在所勤目鄰的層上形成以氮化 鉭為主要成分的下層阻擋膜；
在該形成上層阻擋膜的工序中，通過對所述141不施加RF偏壓或施 加比形成所述下層阻擋膜的工序小的RF偏壓而進(jìn)行的利用氙等離子體的 '減射，按照與所述一個層接觸的方式，形成以氮化鉭為主要成分的上層阻 擋膜。
或者，所述'減射成膜工序包括形成下層阻擋膜的工序和形成上層阻擋 膜的工序，
在該形成下層阻擋膜的工序中，通過對具備所述相鄰的層的a施加 RF偏壓而進(jìn)行的利用氮等離子體的'減射，在所勤目鄰的層上形成以氮化 鉭為主要成分的下層阻擋膜；
在該形成上層阻擋膜的工序中，通過對所述基敗不施加RF偏壓或施 加比形成所述下層阻擋膜的工序小的RF偏壓而進(jìn)行的利用氛等離子體的 濺射，按照與所述一個層接觸的方式，形成以鉭為主要成分的上層阻擋膜。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法，可以避免對層間絕緣膜的破 壞，而且可以形成以鉭為主要成分之一的阻擋膜。可以確保阻擋布線材料 的Cu擴(kuò)散到層間絕緣膜的阻擋性。


圖1A是表示在本發(fā)明的實施方式的半導(dǎo)體器件中形成布線層的工 序的、在基板上形成布線圖案的剖視圖。
圖1B是表示在布線圖案上形成了層間絕緣膜的基板的剖視圖。
圖1C是表示層在間絕緣膜上形成了阻擋膜的基板的剖視圖。
圖1D是用導(dǎo)體填充凹部后的基板的剖視圖。
圖2是表示在本實施方式中所使用的等離子體處理裝置的構(gòu)成的框圖。圖3是示意地表示兩段構(gòu)成的阻擋層的剖視圖。
圖4是示意地表示使RF偏壓連續(xù)變化地進(jìn)行濺射的情況的剖視圖。
圖5是表示施加RF偏壓的情況下和不施加RF偏壓的情況下TaN 的結(jié)晶方位的圖。
圖6是表示施加RF偏壓的情況下和不施加RF偏壓的情況下TaN 中的N的結(jié)合能的圖。
圖7是表示施加RF偏壓的情況下和不施加RF偏壓的情況下TaN 中的Ta的結(jié)合能的圖。
圖8是針對離子和基板的組合表示能量轉(zhuǎn)移效率的圖。
圖9是表示轉(zhuǎn)移能量Eion與結(jié)合能的例子的圖。
圖10是表示施加RF偏壓在珪熱氧化膜上形成的TaN上形成Cu 的情況下的、退火前的SIMS分析結(jié)果的圖。
圖11是表示施加RF偏壓在珪熱氧化膜上形成的TaN上形成Cu 的情況下的、退火后的SIMS分析結(jié)果的圖。
圖12是表示不施加RF偏壓在珪熱氧化膜上形成的TaN上形成Cu 的情況下的、退火前的SIMS分析結(jié)果的圖。
圖13是表示不施加RF偏壓在珪熱氧化膜上形成的TaN上形成Cu 的情況下的、退火后的SIMS分析結(jié)果的圖。
圖14是表示施加RF偏壓在碳氟化合物膜上形成的TaN上形成Cu 的情況下的、退火前的SIMS分析結(jié)果的圖。
圖15是表示施加RF偏壓在碳氟化合物膜上形成的TaN上形成Cu 的情況下的、退火后的SIMS分析結(jié)果的圖。
圖16是表示不施加RF偏壓在碳氟化合物膜上形成的TaN上形成 Cu的情況下的、退火前的SIMS分析結(jié)果的圖。圖17是表示不施加RF偏壓在碳氟化合物膜上形成的TaN上形成 Cu的情況下的、退火后的SIMS分析結(jié)果的圖。
圖18是表示施加RF偏壓在碳氮化硅/碳氟化合物層疊膜上形成的 TaN上形成Cu的情況下的、退火前的SISM分析結(jié)果的圖。
圖19是表示施加RF偏壓在碳氮化硅/碳氟化合物層疊膜上形成的 TaN上形成Cu的情況下的、退火后的SISM分析結(jié)果的圖。
圖20是表示碳氟化合物基板的緊密接合性的試驗結(jié)果的圖。
圖中符號說明10-等離子體處理裝置，11-處理容器，11A-靶子安 裝臺，11B-基座，11C-側(cè)壁，12-基板保持臺，13-氣體導(dǎo)入口， 14-排氣 管，15-泵，16-DC電源供給部(靶子安裝臺)，17-DC電源供給部(側(cè) 壁)，18-RF偏壓供給部，19-磁鐵，20-靶子，21-待處理基板，22-氙等 離子體，110-硅基板，lll-硅氧化膜，111A-Cu布線圖案，112、 114-蝕 刻阻止膜，113、 115-層間絕緣膜，113A-布線槽，113B-過孔，116、 116A、 116B-阻擋膜，117-布線層
具體實施例方式
(實施方式)
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖1A至圖 1D是表示本發(fā)明的實施方式的半導(dǎo)體器件中布線層的形成工序的圖。
圖1A是在基板上形成布線圖案后的剖視圖。在硅基板110上所形 成的硅氧化膜(Si02膜)111上，嵌入有由銅(Cu)等低電阻金屬形成 的布線圖案111A。圖1B是在布線圖案上形成層間絕緣膜后的基板的剖 視圖。在圖1B的工序中，在Si02膜111上隔著氮化珪膜(SiN膜)等 蝕刻阻止膜112，形成了低介電常數(shù)層間絕緣膜113、 SiN膜等蝕刻阻止 膜114和低介電常數(shù)層間絕緣膜115。
層間絕緣膜113、 115,可以使用例如Si02、碳氟化合物(CF)、摻 碳氧化硅(SiOC)、或碳氮化硅(SiCN)等?；蛘?，也可以使用在碳氟 化合物(CF)上形成了 SiCN薄膜的膜等。碳氟化合物以氟(F)和碳 (C)為主要成分。碳氟化合物也可以使用具有非晶體(非結(jié)晶性)構(gòu)造的物質(zhì)。層間絕緣膜還可以使用例如摻碳氧化硅(SiOC)等多孔質(zhì)構(gòu)造。
圖1C是在層間絕緣膜上形成阻擋層后的基板的剖視圖。在圖1C 的工序中，在層間絕緣膜113和115中形成了布線槽和過孔等凹部113A、 113B。按照在過孔113B底部露出Cu布線圖案111A的方式形成SiN膜 114作為蝕刻阻止(etching stoper)膜。進(jìn)而，在圖1C的工序中，在 圖1B的構(gòu)造上按照覆蓋凹部113A、 113B的底面和側(cè)壁面的方式形成 了阻擋膜116。
阻擋膜116是以鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)為主要成分構(gòu)成的。在 氣(Xe)氣的等離子體中，通過濺射來沉積Ta而形成阻擋膜116。為 了沉積鉭/氮化鉭等阻擋膜，處理氣體包含Xe和氮。Xe作為對靶子施 加撞擊的等離子體離子的主要氣體源發(fā)揮作用，氮主要與自靶子濺射出 的原子(鉭)進(jìn)行反應(yīng)，形成在基板上沉積的鉭/氮化鉭膜。使用Xe氣 進(jìn)行'濺射的結(jié)果，沉積的阻擋膜包含微量的Xe。
圖1D是用導(dǎo)體填充了凹部113A、 113B后的基板的剖-見圖。在阻 擋膜116上，在圖1D的工序中，例如用Cu膜填充凹部113A、 113B之 后(未圖示)，將層間絕緣膜115上的多余的Cu膜和層間絕緣膜上表面 的阻擋層116通過CMP法(Chemical Mechanical Polishing:化學(xué)機(jī)械 研磨)研磨除去。如圖1D所示，用Cu材料填充凹部113A、 113B,得 到Cu布線圖案或銅插塞(plug)等布線槽117的構(gòu)造。
圖2表示在本實施方式中使用的等離子體處理裝置10的構(gòu)成。等 離子體處理裝置10收納用于保持待處理基板21的基板保持臺12,具備 與基板保持臺12 —起劃分處理空間的處理容器11。處理容器11由靶子 安裝臺IIA、基座IIB、側(cè)壁11C構(gòu)成。靶子安裝臺11A安裝有靶子 20,在靶子20的相反側(cè)配置有磁鐵19。在處理容器ll上，設(shè)置有氣體 導(dǎo)入口 13和排氣管14。排氣管14與泵15結(jié)合。
耙子安裝臺11A與DC電源供給部16連接。DC電源供給部16通 常將靶子安裝臺IIA相對于基板保持臺12保持在正電位。側(cè)壁11C具 有導(dǎo)電性，與DC電源供給部17連接。DC電源供給部17將側(cè)壁11C 相對于基板保持臺12保持在負(fù)電位。基板保持臺12與RF偏壓供給部 18連接。RF偏壓供給部18相對于靶子20對基板保持臺12施加高頻
ii交流電壓。因此，對待處理基板21施加RF偏壓。
由泵15將處理容器11內(nèi)保持為適當(dāng)?shù)恼婵?。從氣體導(dǎo)入口 13導(dǎo) 入Xe氣，通過輝光放電等(未圖示)生成等離子體22。等離子體22 通過磁鐵19封閉在靼子20附近。這里，存在通過RF偏壓供給部18 對待處理基板21施加RF偏壓的情況和不施加RF偏壓的情況。在等離 子體22的下層和周圍產(chǎn)生的電子從導(dǎo)電性的側(cè)壁11C流入DC電源供 給部17。其結(jié)果，等離子體22中的離子的濃度升高。靶子20保持在負(fù) 電位。而且等離子體22的離子撞擊靶子20，將靶子20的原子濺射出來。 濺射出來的原子附著在基板21上形成膜。
在本發(fā)明中，作為靶子20，使用鉭(Ta)或以Ta為主要成分Ta 合金或Ta化合物。另外，從氣體導(dǎo)入口 13按照需要，導(dǎo)入氮N等。 氮N主要與從靶子20濺射出的原子(鉭)進(jìn)行反應(yīng)，形成沉積在基板 上的鉭/氮化鉭膜。
在用等離子體處理裝置10形成Ta/TaN的阻擋膜時，存在施加RF 偏壓進(jìn)行濺射的方法和不施加RF偏壓進(jìn)行濺射的方法。4壬何一種均比 使用Ar的情況對層間絕緣膜的損傷小。尤其是，為碳氟化合物的情況 下，比Ar對層間絕緣膜的損傷小。
詳細(xì)的在后面說明，在施加RF偏壓的情況下，Ta/TaN表現(xiàn)出結(jié)晶 性相對較高的傾向，在不施加RF偏壓的情況下，Ta/TaN表現(xiàn)出結(jié)晶性 相對較低的傾向。而且，結(jié)晶性高的Ta/TaN其Cu阻擋性高，結(jié)晶性 低的Ta/TaN其與Cu之間的緊密接合性高。按照層間絕緣膜和布線層 的組合，可以將邊施加RF偏壓邊利用Xe等離子體進(jìn)行濺射的Ta/TaN 或在不施加RF偏壓的情況下利用Xe等離子體濺射的Ta/TaN作為阻擋 膜使用。
與層間絕緣膜接觸的一側(cè)的阻擋膜，通過施加RF偏壓來形成，與 布線接觸的一側(cè)的阻擋膜不施加RF偏壓來形成時，可以進(jìn)一步得到對 Cu的阻擋性高且與Cu之間的緊密接合性高的阻擋膜。圖3是示意地 表示兩段形成的阻擋膜的剖視圖。使與層間絕緣膜113、 115接觸的一 側(cè)為施加RF偏壓而形成的Ta/TaN的阻擋膜116A。然后，不施加RF 偏壓在其上形成Ta/TaN的阻擋膜116B。由于均通過Xe氣的濺射形成， 因此包含微量的Xe。這樣，可以進(jìn)一步提高防止布線層117的Cu擴(kuò)散到層間絕緣膜113、 115的阻擋性，且進(jìn)一步提高Cu與阻擋膜116B之 間的緊密接合性。
不使阻擋膜如圖3所示那樣形成為明確的兩層構(gòu)造，而使RF偏壓 連續(xù)地變化來進(jìn)行濺射，也可以得到同樣的效果。圖4是示意地表示使 RF偏壓連續(xù)地變化來進(jìn)行濺射的情況的剖視圖。也可以在層間絕緣膜 113、 115—側(cè)施加RF偏壓進(jìn)行濺射，在布線117—側(cè)不施加RF偏壓 或施加比層間絕緣膜113、 115—側(cè)小的RF偏壓進(jìn)行濺射。即〗吏這樣， 也可以進(jìn)一步提高阻擋性，且形成緊密接合性更高的阻擋膜。
圖5是表示施加了 RF偏壓的情況下和不施加RF偏壓的情況下 TaN的結(jié)晶方位的散亂強(qiáng)度(Intensity )。黑圓粗線表示施加RF偏壓并 利用Xe進(jìn)行濺射的情況下的結(jié)晶方位的散亂強(qiáng)度。白圓細(xì)線表示不施 加RF偏壓并利用Xe進(jìn)行濺射的情況下的結(jié)晶方位的散亂強(qiáng)度?？芍?在施加RF偏壓的情況下，(5-Ta和Ta2N表現(xiàn)出顯著的峰值，形成其結(jié) 晶構(gòu)造。在不施加RF偏壓的情況下幾乎不出現(xiàn)這樣的峰值，表現(xiàn)出是 結(jié)晶性低的構(gòu)造?？芍词筙e等離子體的等離子體電位低，在RF 偏壓下所引發(fā)的離子撞擊也可以提高TaN的結(jié)晶度。
圖6和圖7表示在施加RF偏壓的情況下和不施加RF偏壓的情況 下，TaN中的N和Ta各自的結(jié)合能。圖6是氮N的曲線，圖7是鉭 Ta的曲線。結(jié)合能通過X線光電子光i普(X-ray Photoelectron Spectroscopy:以下，稱為XPS)進(jìn)行測量。圖6和圖7中，黑圓粗線 i示施加RF偏壓并利用Xe進(jìn)行濺射的情況，白圓細(xì)線表示不施加RF 偏壓并利用Xe進(jìn)行濺射的情況。
如圖6所示，不施加RF偏壓的情況下的TaN，與施加了RF偏壓 的情況相比，其N21S的峰值強(qiáng)度在各個曲線中相對較強(qiáng)。因此，意味 著氮原子在不施加RF偏壓的情況下比施加RF偏壓的情況下更多地注 入到TaN中。
這也被圖7所證實。即，更多的氮原子的注入，使得作為Ta的峰 值的Ta4f7,2在不施加RF偏壓的情況下移向高能量。其結(jié)果，通過施加 RF偏壓而進(jìn)行的Xe濺射，形成氮原子少、結(jié)晶性高的TaN薄膜，通 過不施加RF偏壓而進(jìn)行的Xe濺射形成氮原子多、結(jié)晶性低的TaN薄 膜。假設(shè)是理想粒子的簡單質(zhì)點系彈性撞擊時，撞擊基板原子的離子的
能量轉(zhuǎn)移效率n由下面的式(i)確定。 (公式i)
<formula>formula see original document page 14</formula>
這里，Mion為離子的原子質(zhì)量，Msub為基板的原子質(zhì)量。針對多種離 子和基板的組合，根據(jù)式(1)和原子質(zhì)量求得能量轉(zhuǎn)移效率的結(jié)果如 圖8所示。如圖8的表所示，自Xe離子向Ta、 C以及F的能量轉(zhuǎn)移效 率分別為97%、 31%、 44%。與自Ar離子向Ta的轉(zhuǎn)移效率59%相比， 自Xe離子向Ta，轉(zhuǎn)移了幾乎全部的能量。另一方面，從Xe離子向C 和F原子，只轉(zhuǎn)移很少的能量。而Ar離子正相反，對C(71。/。)以及 對F(87。/c)，轉(zhuǎn)移比Ta (59% )更多的能量。
為了使沉積在基板上的薄膜結(jié)晶化，需要離子的撞擊能量，撞擊能 量另外還對基板帶來損傷。因此，對Ta轉(zhuǎn)移很多的能量、對C和F原 子只轉(zhuǎn)移很少的能量的Xe離子，適合在基板上形成Ta阻擋膜。
離子的轉(zhuǎn)移能量用下面的式(2)確定。
(公式2 )
<formula>formula see original document page 14</formula> (2)
這里，Vion是等離子體中的基板上的離子的能量，被稱為浮動電 位(floating potential )。浮動電位為所施加的電壓的交流成分。對于幾 個基板，圖9表示了結(jié)合能和轉(zhuǎn)移能Eion (W. shindo and T. Ohmi: J. A卯l. Phys, 79(5)， ( 1996)， 2347)。在圖9中，離子為Xe。基板為 碳的單鍵、碳和氟的單鍵、碳的雙鍵、碳的三鍵、Ta、 Ta2N的情況。
如圖9所示，關(guān)于C和F的結(jié)合能，均為與Eion相等或其以上。因 此，在Xe等離子體中，認(rèn)為這些a沒有受到損傷。另一方面，關(guān)于Ta、 Ta2N，與結(jié)合能相比，Eion大，結(jié)晶化所需要的能量由Xe等離子體提供。
對于Ta,施加RF偏壓的情況與不施加RF偏壓的情況，Eion的差值為1.0eV，該差值被認(rèn)為對TaN的結(jié)晶化產(chǎn)生效果。Ar等離子體為高密度 等離子體，與Xe比較，表現(xiàn)出高10eV左右的能量，如圖8所示，由于對 基板的能量轉(zhuǎn)移效率高，所以對碳氟化合物基敗帶來損傷。
在式(2)中，Vion-20V時，對于碳C, Eion -轉(zhuǎn)移效率.Vion = 0.3lx20eV-6.2eV。對于碳的雙鍵，結(jié)合能為6eV (參照圖9 )。因此， 對于具有碳的雙鍵的材料，RF偏壓20V有效。因此，對等離子體處理 裝置10施加的RF偏壓，0 20V比較合適。
以下的具體例，使用圖2所示的等離子體處理裝置10,在各種層間 絕緣膜上利用Xe等離子體來濺射Ta/TaN阻擋膜。在具體例中，在阻 擋膜上形成了 Cu布線層。布線層不局限于Cu，還可以使用鋁、錫、 銦等或包含它們的合金。
(具體例1)
圖10和圖ll表示施加RF偏壓在硅熱氧化膜上形成的TaN上形成 Cu的情況下的、利用SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry: 二次 離子質(zhì)量分析法)得出的深度方向分析結(jié)果。橫軸表示距表面的深度， 縱軸表示離子強(qiáng)度(Ion Intensity) ( cps )。圖IO是退火前的分析結(jié)果， 圖11是將該基板在500X:下退火1個小時后的深度方向分析結(jié)果。在圖 10和圖11中，Cu為原子濃度(Cu Concentration ) ( atm/cm3 )，其尺 度用右邊的縱軸表示。其他原子的離子濃度(Ion Intensity)的尺度用 左邊的縱軸給出。
圖中，粗實線是Oi的濃度、白三角是Ta的濃度、白方塊是N的 濃度、白圓是Si的濃度。如圖10和圖ll所示，表示了圖的左邊是表 層，向右在距表層越來越深的方向為Cu、 Ta/TaN、硅熱氧化膜的結(jié)構(gòu)。 Cu原子的濃度，Si中與表面相比為小5個數(shù)量級的值，為分析的噪聲 水平，可以認(rèn)為不存在。
Cu原子在退火后也幾乎不擴(kuò)散到TaN中，未到達(dá)Si。這樣，施加 RF偏壓并用Xe等離子體形成的TaN，可高度防止Cu擴(kuò)散到層間絕緣 膜中。
圖12和圖13表示不施加RF偏壓在硅熱氧化膜上形成的TaN上形 成Cu的情況下的SIMS分析結(jié)果。圖12是退火前的、圖13是在500。C下退火l個小時后的分析結(jié)果。各個標(biāo)號、離子強(qiáng)度、原子濃度的尺度
與圖IO相同。
如圖12所示，與圖10比較，Cu在退火前即擴(kuò)散到TaN中。如圖 13所示，退火后，Cu通過不施加RF偏壓而形成的TaN層擴(kuò)散到硅氧 化膜中。
根據(jù)以上的結(jié)果，施加RF偏壓并利用Xe等離子體形成的TaN與 不施加RF偏壓形成的TaN相比，表現(xiàn)出具有良好的Cu阻擋特性。施 加RF偏壓來濺射成膜的TaN,與不施加RF偏壓來濺射成膜的TaN相 比，氮含有量少，結(jié)晶性高，表現(xiàn)出更強(qiáng)的Cu阻擋特性。
也可以使具體例1的硅氧化膜為多孔構(gòu)造的氧化硅膜。進(jìn)而，可以 在多孔質(zhì)(多孔構(gòu)造)的SiCO上形成SiCN覆膜層，作為擴(kuò)散防止層 (S. GrandikotaS. Voss， R. Tao, A. Duboust， D. Cong, L.Y. Chen， S. Ramaswami， D. Carl: Microelectronics Eng. 50 ( 2000 ) 547-553 )。 多孔構(gòu)造由于介電常數(shù)變小，所以具有改善半導(dǎo)體器件的動作特性的效 果。此時，利用Xe等離子體濺射Ta，可以避免層間絕緣膜的破壞，同 時可以形成阻擋膜。而且TaN防止Cu擴(kuò)散到層間絕緣膜中。
(具體例2 )
圖14和圖15是表示施加RF偏壓在碳氟化合物膜上形成的TaN上 形成Cu的情況下的SIMS分析結(jié)果。圖14是表示退火前的、圖15是 表示在200'C下退火后的分析結(jié)果。圖中，粗實線是F的濃度、虛線是 C的濃度、白圓是Cu的濃度、白三角是Ta的濃度、白方塊是N的濃 度。F和C的濃度(F， C Concentration ) ( atm/cm3)用右側(cè)的尺度表 示，其他原子的強(qiáng)度(Ion Intensity ) ( cps )用左側(cè)的尺度表示。
如圖14所示，F(xiàn)、 C和Ta擴(kuò)散到了Cu中，但是在退火的前后Cu 未擴(kuò)散到TaN中。在退火后，Ta擴(kuò)散到了 Cu中。
圖16和圖17表示不施加RF偏壓在碳氟化合物膜上形成的TaN上 形成Cu的情況下的SIMS分析結(jié)果。圖16是退火前的分析結(jié)果，圖 17是在200t:下退火后的分析結(jié)果。各自的標(biāo)號和尺度與圖14相同。
在TaN薄膜中存在F和C原子，退火之后在TaN薄膜中也存留有F和C原子。Cu原子通過碳氟化合物層，擴(kuò)散到硅熱氧化膜中。其結(jié) 果，與圖12和圖13的結(jié)果一樣。這些結(jié)果證明了退火之后在TaN中存 在Cu原子。
圖20表示碳氟化合物基板的緊密接合性的試驗結(jié)果。圖20中，"x " 表示剝離，"O"表示未剝離。剝離分別在Cu和TaN之間發(fā)生。對于 施加RF偏壓在碳氟化合物膜上濺射成膜的TaN和Cu，在250X:下退 火后發(fā)生了層間剝離。對于不施加RF偏壓來濺射成膜的TaN，在小于 300匸的溫度下即使退火也沒有發(fā)生層間剝離。
施加RF偏壓而形成的TaN，在250"C下退火后發(fā)生層間剝離。不 施加RF偏壓而形成的TaN，在300X:下退火后發(fā)生層間剝離。其結(jié)果， 表示有RF偏壓時的TaN與Cu的緊密接合性，比無RF偏壓時的TaN 與Cu的在200'C下退火后的緊密接合性差。
圖18和圖19表示施加RF偏壓在碳氮化硅(SiCN) /碳氟化合物 層疊膜上形成的TaN上形成Cu的情況下的SIMS分析結(jié)果。在碳氟化 合物的層間絕緣膜上，形成SiCN層，再在其上通過Xe濺射來沉積TaN 形成阻擋膜。在阻擋膜上形成Cu布線層。
圖18是退火前的分析結(jié)果，圖19是350"C下退火后的分析結(jié)果。 圖中，粗實線是F的濃度、虛線是C的濃度、白圓是Cu的濃度、白三 角是Ta的濃度、白方塊是N的濃度、黑方塊Si的濃度。F和C的濃度 (F， C Concentration) (atm/cm3)用右側(cè)的尺度表示，其他原子的強(qiáng) 度(Ion Intensity ) ( cps )用左側(cè)的尺度表示。
如圖19所示，在退火后，F(xiàn)和C原子沒有出現(xiàn)在TaN薄膜中。這 表示碳氟化合物上的SiCN覆膜層防止了其擴(kuò)散。參照圖20時，用RF 偏壓形成的TaN,即使在350"C下退火后也未發(fā)生層間剝離。這歸結(jié)于 用于阻止F和C原子的擴(kuò)散的SiCN覆膜層的存在。
這些結(jié)果說明，在低介電常數(shù)的碳氟化合物材料上形成TaN和Cu 的情況下，施加RF偏壓來濺射成膜的TaN和SiCN覆膜層，提高了半 導(dǎo)體器件的熱性能，該制造方法比較合適。
根據(jù)以上的說明，通過利用Xe等離子體來'減射成膜，避免了對基板的層間絕緣膜的損傷，同時，還可以形成Ta/TaN的阻擋膜。尤其是， 在層間絕緣膜為低介電常數(shù)的碳氟化合物的情況下，具有抑制層間絕緣 膜破壞的效果。
施加RF偏壓并利用Xe等離子體來濺射Ta/TaN膜，可提高對Cu 的阻擋性。不施加RF偏壓并利用Xe等離子體來濺射Ta/TaN膜，可提 高與Cu之間的緊密接合性。通過施加RF偏壓在層間絕緣膜一側(cè)濺射 Ta/TaN膜，不施加RF偏壓在布線層一側(cè)濺射Ta/TaN膜，可以進(jìn)一步 提高阻擋性且改善與Cu之間的緊密接合性。
另外，通過在作為層間絕緣膜的碳氟化合物層上形成SiCN覆膜層， 可以防止碳氟化合物的C和F擴(kuò)散到Ta/TaN的阻擋層中。SiCN覆膜 層可提高Cu布線層與Ta/TaN阻擋層的緊密接合性。
另外，上述的層間絕緣膜、阻擋膜、布線層的構(gòu)成以及等離子體處理 裝置的構(gòu)成僅是一個例子，可以任意地變更和〗務(wù)改。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，具備阻擋膜，該阻擋膜形成在半導(dǎo)體器件的一個層和與該層相鄰的層之間，抑制所述一個層的原子從所述一個層擴(kuò)散到所述相鄰的層，其主要成分之一為鉭，且還包含氙。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述阻擋層是通過使用了氙氣的賊射形成的，該賊射^l對具備所i^目 鄰的層的^j拖加RF偏壓而進(jìn)行的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，與所述阻擋膜的下面接觸的層，由以碳和氟為主要成分的非晶體絕緣 物構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，與所述阻擋膜的下面接觸的層，由以硅或碳為主要成分的絕緣物構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于， 由以所述硅或碳為主要成分的絕緣物構(gòu)成的層，具有多孔質(zhì)構(gòu)造。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，與所述阻擋膜的下面接觸的層由絕緣物構(gòu)成，該絕緣物在由氟代烴構(gòu) 成的層上形成有包含碳氮化硅的層。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于， 所述阻擋膜具備通過對具備所勤目鄰的層的M施加RF偏壓而進(jìn)行的使用氣氣的'減 射，在所勤目鄰的層上形成的以氮化鉭為主要成分的下層阻擋膜；通過對所述M不施加RF偏壓或施加比所述下層阻擋膜小的RF偏 壓而進(jìn)行的使用氙氣的濺射，按照與所述一個層接觸的方式形成的、以氮 化鉭為主要成分的上層阻擋膜。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 6中任一項所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于， 所述阻擋膜具備通過對具備所勤目鄰的層的M施加RF偏壓而進(jìn)行的使用氙氣的濺 射，在所勤目鄰的層上形成的以氮化鉭為主要成分的下層阻擋膜；通過對所述基&不施加RF偏壓或施加比所述下層阻擋膜小的RF偏 壓而進(jìn)行的使用氤氣的濺射，按照與所述一個層接觸的方式形成的、以鉭 為主要成分的上層阻擋膜。
9、 一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，具備濺射成膜工序，該濺射成膜工序用于形成阻擋膜，該阻擋膜形成 在半導(dǎo)體器件的一個層和與該層相鄰的層之間，抑制所述一個層的原子從所述一個層擴(kuò)散到所勤目鄰的層，在該濺射成膜工序中，在所勤目鄰的層 上通過使用氙氣的'減射，形成主要成分之一為鉭的所述阻擋膜。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述濺射成膜工序，包括邊對具備所述相鄰的層的a施加RF偏壓 邊進(jìn)行使用了所述氙氣的濺射的工序。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在所述濺射成膜工序中施加的RT偏壓，其J^值電壓大于0V小于等 于20V。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9 11中任一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其 特征在于，在所述濺射成膜工序中，在由以碳和氟為主要成分的非晶體絕緣物構(gòu) 成的層上形成所述阻擋膜。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9~11中任一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其 特征在于，在所述濺射成膜工序中，在由以硅或碳為主要成分的絕緣物構(gòu)成的層 上形成所述阻擋膜。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于， 由以所述硅或碳為主要成分的絕緣物構(gòu)成的層，具有多孔質(zhì)構(gòu)造。
15、 根據(jù)權(quán)利要求9~11中任一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其 特征在于，在所述濺射成膜工序中，在由絕緣物構(gòu)成的層上形成所述阻擋膜，該 絕緣物在由氟代烴構(gòu)成的層上形成有包含碳氮化硅的層。
16、 根據(jù)權(quán)利要求9~15中任一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述濺射成膜工序包括形成下層阻擋膜的工序和形成上層阻擋膜的工序，在該形成下層阻擋膜的工序中，通過對具備所勤目鄰的層的M施加RF偏壓而進(jìn)行的利用氙等離子體的濺射，在所勤目鄰的層上形成以氮化 鉭為主要成分的下層阻擋膜；在該形成上層阻擋膜的工序中，通過對所述Jj敗不施加RF偏壓或施 加比形成所述下層阻擋膜的工序小的RT偏壓而進(jìn)行的利用氙等離子體的 濺射，按照與所述一個層接觸的方式，形成以氮化鉭為主要成分的上層阻 擋膜。
17、根據(jù)權(quán)利要求9~15中任一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其 特征在于，所述濺射成膜工序包括形成下層阻擋膜的工序和形成上層阻擋膜的工序，在該形成下層阻擋膜的工序中，通過對具備所勤目鄰的層的J41施加 RT偏壓而進(jìn)行的利用氮等離子體的濺射，在所勤目鄰的層上形成以氮化 鉭為主要成分的下層阻擋膜；在該形成上層阻擋膜的工序中，通過對所述基板不施加RF偏壓或施 加比形成所述下層阻擋膜的工序小的RF偏壓而進(jìn)行的利用氙等離子體的 濺射，按照與所述一個層接觸的方式，形成以鉭為主要成分的上層阻擋膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，可以抑制對層間絕緣膜的損傷，且通過濺射形成以鉭為主要成分的阻擋膜。該制造方法具備在層間絕緣膜(113)上通過使用氙氣的濺射，形成以鉭或氮化鉭為主要成分的阻擋膜(116)的濺射成膜工序。濺射成膜工序也可以具備在層間絕緣膜(113)上，通過對基板施加RF偏壓而進(jìn)行的使用氙氣的濺射來形成以氮化鉭為主要成分的阻擋膜(116A)的工序；通過不施加RF偏壓而進(jìn)行的使用氙氣的濺射，在阻擋膜(116A)上形成以鉭為主要成分的阻擋膜(116B)的工序。阻擋膜(116)也可以通過使RF偏壓連續(xù)地變化，在層間絕緣膜(113)一側(cè)施加RF偏壓來形成，在布線層(117)一側(cè)不施加RF偏壓來形成。
文檔編號H01L21/02GK101425503SQ20081017302
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者大見忠弘, 寺本章伸, 根本剛直 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社;國立大學(xué)法人東北大學(xué)