半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置
【課題】メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させた半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置を提供する。
【解決手段】第２層間絶縁膜と第１配線、あるいは、第２配線層とハードマスクをシリコン基板２の表面に形成し、そのシリコン基板２を反応室Ｓに搬送させ、その反応室Ｓに、マイクロ波によって励起されたＮ２ガスを導入する。そして、供給タンクＴに収容されるＺｒ（ＢＨ４）４をＡｒガスによってバブリングし、Ｚｒ（ＢＨ４）４を含むＡｒガスをＺｒ（ＢＨ４）４ガスとして反応室Ｓに導入する。
【解決手段】第２層間絶縁膜と第１配線、あるいは、第２配線層とハードマスクをシリコン基板２の表面に形成し、そのシリコン基板２を反応室Ｓに搬送させ、その反応室Ｓに、マイクロ波によって励起されたＮ２ガスを導入する。そして、供給タンクＴに収容されるＺｒ（ＢＨ４）４をＡｒガスによってバブリングし、Ｚｒ（ＢＨ４）４を含むＡｒガスをＺｒ（ＢＨ４）４ガスとして反応室Ｓに導入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、微細化や多層化の進展に伴い、電流密度の増加によるエレクトロマイクレーション（ＥＭ：Electro migration ）が深刻化する。高いＥＭ耐性を有する銅（Ｃｕ）の多層配線技術は、半導体装置を高集積化させる上で不可欠である。
【０００３】
Ｃｕ配線の製造工程には、配線形状に応じたトレンチを予め絶縁層に形成し、該トレンチにＣｕを充填して配線を形成する、いわゆるダマシン（Damascene ）法が利用される。さらに、Ｃｕ配線の製造工程には、配線用のトレンチにビアホール（Via-Hole）を予め形成し、トレンチとビアホールの双方にＣｕを充填して配線とビアコンタクトを同時に形成する、いわゆるデュアルダマシン（Dual-Damascene ）法が利用される。
【０００４】
ダマシンプロセス後のＣｕ配線には、Ｃｕ配線とＣｕ配線上の絶縁層（例えば、底誘電率膜：Low-k 膜）との間にＳｉＣやＳｉＮなどのキャップ層が積層される。キャップ層は、Ｃｕ配線表面の酸化防止膜、Ｃｕの拡散防止膜、ビアホールのエッチストップ膜として機能する。一方、これらＳｉＣやＳｉＮなどの絶縁膜からなるキャップ層は、Ｃｕ配線との間の密着性が弱いために、Ｃｕ配線の信頼性を低下させる。また、ビアホール形成時のエッチング工程を複雑にして、半導体装置の生産性を損なう。
【０００５】
そこで、Ｃｕ多層配線技術では、上記の問題を解消させるため、従来から、Ｃｕ配線上のキャップ層に金属材料を適用する提案がなされている。金属材料からなるキャップ層（以下単に、メタルキャップ層という。）は、Ｃｕ配線との間の密着性が高いこと、比抵抗値が低いこと、バリア性が高いこと（Low-k 膜からの水分やＣｕ配線からのＣｕ原子に対するバリア性が高いこと）、Ｃｕ配線上にのみ形成される選択性を有すること、が要求される。
【０００６】
特許文献１は、無電解メッキ法を利用し、Ｃｕ配線表面に選択的にコバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）を析出させ、さらに、ＣｏＷＰ層の表面をサリサイド化してメタルキャップ層を形成させる。これにより、メタルキャップ層としての密着性、導電性、バリア性、成膜選択性を満たすことができ、かつ、メタルキャップ層の耐酸化性を向上させることができる。
【０００７】
一方、特許文献２は、メタルキャップ層の材料として、窒化ジルコニウムや窒化ジルコニウム化合物などを用い、Ｃｕ配線を含む基板の表面全体にメタルキャップ層を形成させ、Ｃｕ配線上にのみ選択的に導電性を与える。これによれば、上記の成膜選択性を要することなく、メタルキャップ層としての機能を達成させることができる。
【特許文献１】特開２００２−４３３１５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１は、成膜選択性を得るために無電解メッキ法を利用する。無電解メッキ法では、ＣｏＷＰ層の形状や膜厚が、薬液の濃度や酸化還元雰囲気などの影響を大きく受ける。この結果、ＣｏＷＰの析出状況が、Ｃｕ配線の粗密、表面積、形状などに応じて大きく変動し、隣接するＣｏＷＰ層の短絡やＣｕ配線の被覆不良を招いていた。
【０００９】
また、無電解メッキ法は、成膜選択性を実現させるために、ダマシンプロセス後のＣｕ配線の表面やLow-k 膜の表面など、薬液に浸漬させる表面を極めて清浄な状態にさせる必要がある。そのため、清浄化に伴う表面処理工程の増加を招き、半導体装置の生産性を損なうものであった。
【００１０】
一方、特許文献２は、テトラキスジエチルアミノジルコニウム（ＴＤＥＡＺ）を用いた窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）に関する製造方法のみを開示し、窒化ジルコニウム化合物に関する製造方法については、その原料や条件などに関し、何ら開示していない。しかも、本願発明者らによる実験によれば、ＴＤＥＭＡを用いたＺｒＮの成膜方法では、パウダー状のＺｒＮや副生成物などを同時に多量に生成し、半導体装置を製造する上で十分なパーティクルレベルを得難いものであった。また、パウダー状のＺｒＮや副生成物が原料ガスの供給系や排気系に堆積し、製造装置の安定稼動を不可能にさせるものであった。
【００１１】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、メタルバリア材料の１つとしてＺｒＮを検討する中で、ホウ素（Ｂ）を含有したＺｒＢｘＮｙ膜が、ＺｒＮ膜と同じく、金属配線に対し良好な密着性と高いバリア性を有し、かつ、その導電性に対し高い下地依存性を有することを見出した。
【００１３】
すなわち、本発明者は、ＺｒＢｘＮｙ膜が、メタルキャップ層として良好な密着性、高い導電性、高いバリア性を有し、かつ、金属膜上（例えば、Ｃｕ配線上）で高い導電性を有し、絶縁膜上（例えば、Low-k 膜上やハードマスク上）で高い絶縁性を有することを見出した。そして、このＺｒＢｘＮｙ膜の原料ガスとして、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とを用いることにより、パーティクルの生成を回避でき、安定した反応系を構築できることを見出した。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、素子領域を有する半導体基板に絶縁層を積層する絶縁層工程と、前記絶縁層に凹部を形成する凹部工程と、前記凹部に金属層を埋め込む金属層工程と、前記絶縁層の表面と前記金属層の表面とを略同一面に平坦化する平坦化工程と、前記半導体基板を有した反応室に、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガスとを供給し、平坦化した前記絶縁層の表面及び前記金属層の表面に、少なくともジルコニウム元素と窒素元素とを含むメタルキャップ層を成膜するメタルキャップ層工程と、を備えたことを要旨とする。
【００１５】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層を、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とによる反応系で生成させることができる。したがって、メタルキャップ層が、金属層の粗密、表面積、形状などに関わらず、金属層に応じた領域にのみ導電性を発現し、隣接する金属層間の短絡を回避させる。また、メタルキャップ層が、その成膜選択性を必要としない分だけ、複雑な洗浄工程を省くことができる。そして、メタルキャップ層に対し、パーティクルの生成を回避させた反応系を構築させることができる。この結果、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、前記メタルキャップ層工程が、前記反応室の外側で前記窒素ガスにマイクロ波を照射し、励起された前記窒素ガスを前記反応室に導入することを要旨とする。
【００１７】
この構成によれば、反応室において窒素ガスを励起させる場合に比べ、励起された窒素ガスを、反応に要する量だけ供給させることができる。したがって、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガスとによる反応系を、より安定させることができる。しかも、窒素ガスの励起に際し、半導体基板の損傷を回避させることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、前記メタルキャップ層工程が、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いたＣＶＤ法により前記メタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、前記メタルキャップ層工程は、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いた原子層蒸着法により前記メタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２０】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層が、単原子層ずつ積み重ねられるため、メタルキャップ層が、下地の情報（すなわち、下地が導電膜であるか否か）を確実に引き継ぐことができる。この結果、メタルキャップ層の導電性に対し、より確実に下地依存性を与えることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であって、前記メタルキャップ層工程が、前記半導体基板を２６０℃未満、好ましくは２１０℃〜２５０℃に加熱して前記メタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２２】
この構成によれば、メタルキャップ層の導電性に対し、より確実に下地依存性を与えることができ、より熱的に安定したメタルキャップ層を提供することができる。
上記目的を達成するため、請求項６に記載の発明では、チャンバ本体と、前記チャンバ本体の反応室に設けられ半導体基板を載置するステージと、前記反応室にＺｒ（ＢＨ４）４を供給する第一供給手段と、前記反応室に励起された窒素ガスを供給する第二供給手段と、前記第一供給手段及び前記第二供給手段を駆動制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２３】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層を、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とによる反応系で生成させることができる。したがって、メタルキャップ層が、金属層の粗密、表面積、形状などに関わらず、金属層に応じた領域にのみ導電性を発現し、隣接する金属層間の短絡を回避させる。また、メタルキャップ層が、その成膜選択性を必要としない分だけ、複雑な洗浄工程を省くことができる。そして、メタルキャップ層に対し、パーティクルの生成を回避させた反応系を構築させることができる。この結果、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させることができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、前記制御手段が、前記第一供給手段と第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを共に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２５】
請求項８に記載の発明では、請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、前記制御手段は、前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを交互に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面にＺｒ（ＢＨ４）４を吸着させた後、励起した前記窒素ガスによって、吸着させた前記Ｚｒ（ＢＨ
４）４を少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層に改質させることを要旨とする。
【００２６】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層が、単原子層ずつ積み重ねられるため、メタルキャップ層が、下地の情報（すなわち、下地が導電膜であるか否か）を確実に引き継ぐことができる。この結果、メタルキャップ層の導電性に対し、より確実に下地依存性を与えることができる。また、Ｚｒ（ＢＨ４）４の吸着反応と改質反応とを交互に行う分だけ、ＺｒＢｘＮｙ膜の膜厚や電気的特性の均一性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
上記したように、本発明によれば、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させた半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第一実施形態）
以下、本発明を具体化した第一実施形態を図面に従って説明する。まず、本発明を利用して製造した半導体装置について説明する。半導体装置は、例えば、各種ＲＡＭや各種ＲＯＭを含むメモリ、ＭＰＵや汎用ロジックを含むロジックなどである。図１は、半導体装置を説明する要部断面図である。
【００２９】
（半導体装置１）
図１において、半導体装置１は、半導体基板を構成するシリコン基板２を備えている。シリコン基板２は、その表面（すなわち、図１に示す上面）に素子分離領域２ａと、同素子分離領域２ａに囲まれた素子領域２ｂを有している。素子分離領域２ａには、例えば、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation ）構造を呈するシリコン酸化膜などの絶縁膜が埋め
込まれている。素子領域２ｂには、ＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、例えば、素子領域２ｂに形成されたゲート絶縁膜４と、ゲート絶縁膜４の両側に形成されたソース・ドレイン領域５と、ゲート絶縁膜４に積層されたゲート電極６と、ゲート電極６の外側面を覆うサイドウォール７と、によって構成される。
【００３０】
シリコン基板２の表面には、ＭＯＳトランジスタ３を覆う第１層間絶縁膜８が積層されている。第１層間絶縁膜８は、例えば、リンを添加したシリコン酸化膜（ＰＳＧ）やリン及びボロンを添加したシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ）などにより構成することができる。第１層間絶縁膜８には、ソース・ドレイン領域５までを貫通する凹部（以下単に、コンタクトホール９という。）が形成されている。コンタクトホール９の内側には、それぞれコンタクトプラグ１０が形成されている。コンタクトプラグ１０は、コンタクト層／バリア層／プラグ層（例えば、チタンシリサイド／窒化チタン／タングステン）からなる積層構造により構成することができる。
【００３１】
第１層間絶縁膜８の表面には、第２層間絶縁膜１１が積層されている。第２層間絶縁膜１１には、例えば、シリコン酸化膜やリンを添加したシリコン酸化膜などを利用することができる。第２層間絶縁膜１１には、コンタクトホール９（あるいは、コンタクトプラグ１０）にまで貫通する凹部（以下単に、第１トレンチ１２という。）が形成されている。第１トレンチ１２の内側には、第１配線１３が形成されている。第１配線１３は、第１バリア層１４／第１配線層１５（例えば、窒化タンタルや窒化チタン／銅）からなる積層構造により構成することができる。
【００３２】
第２層間絶縁膜１１の表面には、第２層間絶縁膜１１と第１配線１３（すなわち、第１バリア層１４及び第１配線層１５）とに共通する第１メタルキャップ層１６が積層されて
いる。第１メタルキャップ層１６は、高い耐酸化性を有した窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）もしくは窒化ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢｘＮｙ）を主成分とする層であり、下地の導電性に応じた導電性を発現する。第１メタルキャップ層１６は、例えば、第１配線１３の表面に対応する領域（図１において濃いドットで示す領域）に数〜十数［μΩ・ｃｍ］の比抵抗値を有する。また、第１メタルキャップ層１６は、第２層間絶縁膜１１の表面に対応する領域（図１において薄いドットで示す領域）に無限大の比抵抗値を有する。
【００３３】
ここで、第１配線１３の表面に対応する第１メタルキャップ層１６の領域を、第１導電領域１６ａという。また、第２層間絶縁膜１１の表面に対応する第１メタルキャップ層１６の領域を、第１絶縁領域１６ｂという。
【００３４】
第１メタルキャップ層１６は、水分に対し高いバリア性を有する。第１メタルキャップ層１６は、第１導電領域１６ａと第１バリア層１４とにより第１配線層１５を囲い第１配線層１５の酸化を阻止する。第１メタルキャップ層１６は、第２層間絶縁膜１１の表面を覆い、第２層間絶縁膜１１の吸湿を阻止する。第１メタルキャップ層１６は、第１配線１３に対する高い密着性と高いバリア性とにより、第１配線１３の金属拡散や第１配線１３のマイグレーションを防止する。
【００３５】
第１メタルキャップ層１６は、第１導電領域１６ａで高い導電性を有し、かつ、第１絶縁領域１６ｂで高い絶縁性を有する。このため、第１メタルキャップ層１６は、第１配線１３の粗密、表面積、形状などに関わらず、第１配線１３に対応する第１導電領域１６ａのみで導電性を発現し、かつ、第２層間絶縁膜１１に対応する第１絶縁領域１６ｂで絶縁性を発現する。
【００３６】
これにより、第１メタルキャップ層１６は、隣接する第１配線１３間の短絡を確実に回避させる。また、第１メタルキャップ層１６は、シリコン基板２の表面全体（すなわち、第２層間絶縁膜１１の表面及び第１配線１３の表面）に形成されるため、第１配線１３ごとの膜厚差を抑制させることができ、膜厚のバラツキに起因した第１配線１３の被覆不良を回避させる。
【００３７】
第１メタルキャップ層１６の表面には、第３層間絶縁膜２１とトレンチエッチストッパ２２とが積層されている。第３層間絶縁膜２１は、有機シリカガラスや多孔質のシリカガラスなどの低誘電率膜（以下単に、Low-k 膜という。）により構成することができる。トレンチエッチストッパ２２は、第３層間絶縁膜２１に対しエッチングの選択比がとれる膜であり、例えば、シリコン窒化膜やシリコン炭化膜などにより構成することができる。これら第３層間絶縁膜２１とトレンチエッチストッパ２２とには、第１メタルキャップ層１６の第１導電領域１６ａにまで貫通する共通の凹部（以下単に、ビアホール２３という。）が形成されている。
【００３８】
トレンチエッチストッパ２２の表面には、第４層間絶縁膜３１とハードマスク３２とが積層されている。第４層間絶縁膜３１は、第３層間絶縁膜２１と同じく、例えば、各種のLow-k 膜などにより構成することができる。ハードマスク３２は、第４層間絶縁膜３１との間でエッチングの選択比がとれる膜であり、例えば、シリコン窒化膜やシリコン炭化膜などにより構成することができる。これら第４層間絶縁膜３１とハードマスク３２には、ビアホール２３に連結する共通の凹部（以下単に、第２トレンチ３３という。）が貫通形成されている。
【００３９】
ビアホール２３と第２トレンチ３３の内側には、第２配線３４が形成されている。第２配線３４は、ビアホール２３に対応するビアコンタクト３４ａと、第２トレンチ３３に対応する第２配線部３４ｂを有する。第２配線３４は、第２バリア層３５／第２配線層３６
（例えば、窒化タンタルや窒化チタン／銅）からなる積層構造により構成することができる。
【００４０】
第２配線３４は、第１メタルキャップ層１６の第１導電領域１６ａを介して第１配線１３と接続する。第１メタルキャップ層１６は、その高い耐酸化性により第１導電領域１６ａの酸化を防ぎ、第１配線１３と第２配線３４との間の電気的接続を可能にする。
【００４１】
ハードマスク３２の表面には、ハードマスク３２と第２配線３４（すなわち、第２バリア層３５及び第２配線層３６）とに共通する第２メタルキャップ層３７が積層されている。第２メタルキャップ層３７は、第１メタルキャップ層１６と同じく、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）を主成分とする層であり、下地の導電性に応じた導電性を有する。第２メタルキャップ層３７は、例えば、第２配線３４の表面に対応する領域（図１において濃いドットで示す領域）に数〜十数［μΩ・ｃｍ］の比抵抗値を有する。また、第２メタルキャップ層３７は、ハードマスク３２の表面に対応する領域（図１において薄いドットで示す領域）に無限大の比抵抗値を有する。
【００４２】
ここで、第２配線３４の表面に対応する第２メタルキャップ層３７の領域を、第２導電領域３７ａという。また、ハードマスク３２の表面に対応する第２メタルキャップ層３７の領域を、第２絶縁領域３７ｂという。
【００４３】
第２メタルキャップ層３７は、水分に対し高いバリア性を有する。第２メタルキャップ層３７は、第２導電領域３７ａと第２バリア層３５とにより第２配線層３６を囲い第２配線層３６の酸化を阻止する。第２メタルキャップ層３７は、ハードマスク３２の表面を覆い、第４層間絶縁膜３１の吸湿を阻止してlow-k 膜の誘電率を安定させる。第２メタルキャップ層３７は、第２配線３４に対する高い密着性と高いバリア性とにより、第２配線３４からの金属拡散や第２配線３４のマイグレーションを防止する。
【００４４】
第２メタルキャップ層３７は、第２導電領域３７ａで高い導電性を有し、かつ、第２絶縁領域３７ｂで高い絶縁性を有する。このため、第２メタルキャップ層３７は、第２配線３４の粗密、表面積、形状などに関わらず、第２配線３４に対応する第２導電領域３７ａのみで導電性を発現し、かつ、ハードマスク３２に対応する第２絶縁領域３７ｂで絶縁性を発現する。
【００４５】
これにより、第２メタルキャップ層３７は、隣接する第２配線３４間の短絡を確実に回避させる。また、第２メタルキャップ層３７は、シリコン基板２の表面全体（すなわち、ハードマスク３２の表面及び第２配線３４の表面）に形成されるため、第２配線３４ごとの膜厚差を抑制させることができ、膜厚のバラツキに起因した第２配線３４の被覆不良を回避させる。
【００４６】
（半導体装置の製造装置）
次に、上記半導体装置の製造装置としての成膜装置４０について説明する。
図２において、成膜装置４０は、ロードロックチャンバ４０Ｌと、同ロードロックチャンバ４０Ｌに連結されたコアチャンバ４０Ｃと、同コアチャンバ４０Ｃに連結された４つの成膜チャンバ４０Ｄと、を有している。ロードロックチャンバ４０Ｌと、コアチャンバ４０Ｃと、各成膜チャンバ４０Ｄは、それぞれ解除可能に連通して共通する真空系を形成可能にする。
【００４７】
ロードロックチャンバ４０Ｌは、複数のシリコン基板２を減圧空間に収容し、シリコン基板２の成膜処理を開始するとき、複数のシリコン基板２をそれぞれ成膜装置４０の内部に搬入する。ロードロックチャンバ４０Ｌは、シリコン基板２の成膜処理を終了するとき
、成膜処理後のシリコン基板２を収容して大気開放し成膜装置４０の外部に搬出する。
【００４８】
コアチャンバ４０Ｃは、シリコン基板２の成膜処理を開始するとき、成膜処理前のシリコン基板２をロードロックチャンバ４０Ｌから搬入し各成膜チャンバ４０Ｄに搬送する。コアチャンバ４０Ｃは、シリコン基板２の成膜処理を終了するとき、成膜処理後のシリコン基板２を各成膜チャンバ４０Ｄから搬入しロードロックチャンバ４０Ｌに搬送する。
【００４９】
各成膜チャンバ４０Ｄは、それぞれＣＶＤ法あるいは原子層蒸着法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition ）を用いてＺｒＢｘＮｙ膜を成膜するチャンバである。各成膜チャンバ４０Ｄは、それぞれシリコン基板２の成膜処理を実行するとき、シリコン基板２をコアチャンバ４０Ｃから搬入し、シリコン基板２の表面にＺｒＢｘＮｙ膜、すなわち上記第１及び第２メタルキャップ層１６，３７を成膜する。
【００５０】
図３において、成膜チャンバ４０Ｄは、その上部を開口したチャンバ本体４１と、同チャンバ本体４１の上部に配設されて上部開口を開閉可能にするチャンバリッド４２と、を有する。成膜チャンバ４０Ｄは、これらチャンバ本体４１とチャンバリッド４２とに囲まれた内部空間（以下単に、反応室Ｓという。）を有する。
【００５１】
チャンバ本体４１には、シリコン基板２を載置する基板ステージ４３が配設されている。基板ステージ４３は、抵抗加熱ヒータを搭載したステージである。基板ステージ４３は、シリコン基板２を載置するとき、シリコン基板２を所定の温度（例えば、２００［℃］〜２４０［℃］）に昇温させる。基板ステージ４３の下側には、昇降機構４４が連結されている。昇降機構４４は、基板ステージ４３を上下方向に昇降しシリコン基板２の搬入や搬出を可能にする。
【００５２】
チャンバ本体４１の一側には、排気ポートＰＤを介し排気ポンプ４５が接続されている。排気ポンプ４５は、ターボ分子ポンプやドライポンプなどの各種のポンプにより構成され、反応室Ｓの圧力を所定の圧力（例えば、１［Ｐａ］〜１０００［Ｐａ］）にまで減圧する。
【００５３】
チャンバリッド４２の下側には、反応室Ｓにガスを導入するためのシャワーヘッド４６が配設されている。シャワーヘッド４６は、複数の第一ガス供給孔Ｈ１と、第一ガス供給孔Ｈ１から独立する複数の第二ガス供給孔Ｈ２と、を備えている。シャワーヘッド４６は、各第一ガス供給孔Ｈ１から反応室Ｓに向けてＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入する。また、シャワーヘッド４６は、各第二ガス供給孔Ｈ２から反応室Ｓに窒素ガスを導入する。
【００５４】
チャンバリッド４２の上部一側には、第一ガスポートＰ１が設けられている。第一ガスポートＰ１は、チャンバリッド４２の内部を通してシャワーヘッド４６の各第一ガス供給孔Ｈ１と連通している。第一ガスポートＰ１は、チャンバリッド４２の外部において供給配管及び供給バルブを介し供給タンクＴに連結されている。供給タンクＴは、０℃の保温下でＺｒ（ＢＨ４）４を収容するタンクであって、マスフローコントローラＭＣ１に連結されている。
【００５５】
マスフローコントローラＭＣ１は、キャリアガス（例えば、アルゴン（Ａｒ））の供給系に連結され、供給タンクＴの内部に所定の流量のＡｒを供給する。マスフローコントローラＭＣ１は、例えば、１０［sccm ］〜５００［sccm ］の流量範囲でＡｒの供給量を制御する。マスフローコントローラＭＣ１がキャリアガスを供給するとき、供給タンクＴは、収容するＺｒ（ＢＨ４）４をバブリングさせて、Ｚｒ（ＢＨ４）４を含むキャリアガス（以下単に、Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスという。）を第一ガスポートＰ１に供給する。Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスは、第一ガスポートＰ１を通して各第一ガス供給孔Ｈ１から反応室Ｓに導
入される。
【００５６】
チャンバリッド４２の上端部には、第二ガスポートＰ２が設けられている。第二ガスポートＰ２は、チャンバリッド４２の内部を通してシャワーヘッド４６の各第二ガス供給孔Ｈ２と連通している。第二ガスポートＰ２は、チャンバリッド４２の外部において供給配管及び供給バルブを介しマスフローコントローラＭＣ２、マスフローコントローラＭＣ３、及びマスフローコントローラＭＣ４と連結している。
【００５７】
各マスフローコントローラＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４は、それぞれ水素（Ｈ２）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス、窒素（Ｎ２）ガスの供給系に連結され、第二ガスポートＰ２に所定の流量のＨ２、ＮＨ３、Ｎ２を供給する。マスフローコントローラＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４は、例えば、それぞれ１０［sccm ］〜５００［sccm ］の流量範囲でＨ２、ＮＨ３、Ｎ２の供給量を制御する。各マスフローコントローラＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４がそれぞれＨ２、ＮＨ３、Ｎ２を供給するとき、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２は、それぞれ第二ガスポートＰ２を通して各第二ガス供給孔Ｈ２から反応室Ｓに導入され、基板ステージ４３に載置されたシリコン基板２の表面に到達する。
【００５８】
チャンバリッド４２の上部であって、第二ガスポートＰ２と第二ガス供給孔Ｈ２との間の流路には、照射管４７が設けられている。照射管４７は、石英管あるいはアルミナ管からなる耐熱性の円筒管であって、第二ガスポートＰ２に供給されたガスを各第二ガス供給孔Ｈ２に向けて導出する。
【００５９】
照射管４７の外側であって、照射管４７の長手方向の途中には、マイクロ波電源ＦＧに駆動されるマイクロ波源４８と、マイクロ波源４８に連結されて照射管４７に向かって延びる導波管４９と、が配設されている。
【００６０】
マイクロ波源４８は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発振器（すなわち、マグネトロン）であって、マイクロ波電源ＦＧの駆動電力を受けて所定の出力範囲（例えば、０．１〜３．０［ｋＷ］）のマイクロ波を間欠的に出力させる。導波管４９は、マイクロ波源４８が発振するマイクロ波を導波管４９の内部に伝播させて照射管４７の内部に導入する。導波管４９は、マイクロ波源４８がマイクロ波を発振するとき、照射管４７を通過するガスにマイクロ波を照射して励起させ、活性化させる（すなわち、プラズマ化させる）。
【００６１】
第二ガスポートＰ２から照射管４７に導入されるガスは、各第二ガス供給孔Ｈ２から反応室Ｓに導入され、マイクロ波源４８がマイクロ波を発振するときに、励起した状態で導入される。反応室Ｓに滞在するＺｒ（ＢＨ４）４は、励起されたＮ２ガスと反応してシリコン基板２の表面にＺｒＢｘＮｙ膜を形成する。
【００６２】
次に、上記成膜装置４０の電気的構成について説明する。
図４において、制御部５１は、成膜装置４０に各種の処理動作、例えばシリコン基板２の搬送処理動作やシリコン基板２の成膜処理動作などを実行させるものである。制御部５１は、各種の演算処理を実行するＣＰＵと、各種のデータや各種の制御プログラムを格納する記憶部５１Ａと、各種の処理工程ごとにプロセス時間を計時するタイマ５１Ｂと、を有する。制御部５１は、例えば、記憶部５１Ａが格納する成膜処理プログラムを読み出し、タイマ５１Ｂが計時するプロセス時間と、読み出した成膜処理プログラムと、に従って成膜処理動作を実行させる。
【００６３】
制御部５１には、入出力部５２が接続されている。入出力部５２は、起動スイッチや停止スイッチなどの各種操作スイッチと、液晶ディスプレイなどの各種表示装置とを有する
。入出力部５２は、各処理動作に利用するデータを制御部５１に入力し、成膜装置４０の処理状況に関するデータを出力する。入出力部５２は、例えば、成膜時の各種のパタメータ（プロセス時間、ガス流量、マイクロ波電源ＦＧの出力値など）に関するデータ（以下単に、成膜条件データＩｄという。）を制御部５１に入力する。制御部５１は、入出力部５２から入力される成膜条件データＩｄを受信し、成膜条件データＩｄに対応する各種の駆動制御信号を生成し、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で成膜処理動作を実行させる。
【００６４】
制御部５１には、排気系を駆動制御するための排気系駆動回路５３が接続されている。制御部５１は、排気系駆動回路５３に対応する駆動制御信号を排気系駆動回路５３に出力する。排気系駆動回路５３は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、チャンバ内（例えば、反応室Ｓ）を所定の圧力に減圧させるための排気系（例えば、排気ポンプ４５）を駆動させる。
【００６５】
制御部５１には、搬送系駆動回路５４が接続されている。制御部５１は、搬送系駆動回路５４に対応する駆動制御信号を搬送系駆動回路５４に出力する。搬送系駆動回路５４は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、シリコン基板２を搬送させるための搬送系（例えば、昇降機構４４）を駆動させる。また、搬送系駆動回路５４は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、シリコン基板２を昇温させるための基板ステージ４３のヒータを駆動させる。
【００６６】
制御部５１には、マスフローコントローラ駆動回路５５が接続されている。制御部５１は、マスフローコントローラ駆動回路５５に対応する駆動制御信号をマスフローコントローラ駆動回路５５に出力する。マスフローコントローラ駆動回路５５は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、各ガスを供給させるための各マスフローコントローラＭＣ１〜ＭＣ４をそれぞれ駆動させる。
【００６７】
制御部５１には、マイクロ波電源駆動回路５６が接続されている。制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６に対応する駆動制御信号をマイクロ波電源駆動回路５６に出力する。マイクロ波電源駆動回路５６は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、マイクロ波を発振させるためのマイクロ波電源ＦＧを駆動させる。
【００６８】
（半導体装置の製造方法）
次に、上記成膜装置４０を用いた半導体装置１の製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、シリコン基板２の表面に、素子分離領域２ａと、素子領域２ｂと、を区画形成する。例えば、公知のＳＴＩプロセスを用いて、素子分離領域２ａにシリコン酸化膜を埋め込む。また、公知のＭＯＳプロセスを用いて、ゲート絶縁膜４、ソース・ドレイン領域５、ゲート電極６、サイドウォール７などを形成し、素子領域２ｂにＭＯＳトランジスタ３を形成する。
【００６９】
ＭＯＳトランジスタ３を形成すると、シリコン基板２の表面に第１層間絶縁膜８を積層し、コンタクトプラグ１０を形成する。例えば、ＣＶＤ技術を用いて、シリコン基板２の表面にＭＯＳトランジスタ３を覆うシリコン酸化膜を積層して第１層間絶縁膜８を形成し、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、第１層間絶縁膜８にコンタクトホール９を形成する。次いで、スパッタリング技術又はＣＶＤ技術を用いて、コンタクトホール９にチタンシリサイド／窒化チタン／タングステンを埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）技術あるいはエッチバック技術を用いて平坦化し、コンタクトプラグ１０を形成する。
【００７０】
コンタクトプラグ１０を形成すると、第１層間絶縁膜８の表面に第２層間絶縁膜１１を
積層し、第２層間絶縁膜１１に第１トレンチ１２を形成する。すなわち、絶縁層工程を実行し、続いて凹部工程を実行する。例えば、絶縁層工程は、ＣＶＤ技術を用いて、第１層間絶縁膜８の表面にシリコン酸化膜を積層して第２層間絶縁膜１１を形成し、凹部工程は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、第１トレンチ１２を形成する。
【００７１】
第１トレンチ１２を形成すると、第１トレンチ１２内を含む第２層間絶縁膜１１の表面に第１配線１３を積層し、第２層間絶縁膜１１の表面と第１配線１３の表面を平坦化させる。すなわち、金属層工程を実行し、続いて平坦化工程を実行する。例えば、金属層工程は、スパッタリング技術を用いて、第１トレンチ１２の内側面を含むシリコン基板２の全体に窒化チタンを積層して第１バリア層１４を形成する。次いで、無電解メッキ技術あるいはＣＶＤ技術を用いて、第１バリア層１４の表面に銅のメッキシード層を形成し、電解メッキ技術を用いて、第１トレンチ１２の内側を含むシリコン基板２の全体に銅を析出させて第１配線層１５を形成する。平坦化工程は、ＣＭＰ技術を用いて、第１バリア層１４及び第１配線層１５を研磨し、第１バリア層１４及び第１配線層１５の表面を第２層間絶縁膜１１の表面と略面一にして第１配線１３を形成する。
【００７２】
第１配線１３を形成すると、第２層間絶縁膜１１と第１配線１３を表面に有したシリコン基板２を成膜装置４０のロードロックチャンバ４０Ｌにセットし、メタルキャップ層工程を実行する。
【００７３】
すなわち、成膜装置４０の制御部５１は、入出力部５２から成膜条件データＩｄを受信し、排気系駆動回路５３を介して排気ポンプ４５を駆動し、シリコン基板２を収容するための反応室Ｓを予め所定の到達圧力（例えば、１［Ｐａ］）にまで減圧させる。制御部５１は、反応室Ｓを減圧させると、搬送系駆動回路５４を介して搬送系を駆動しロードロックチャンバ４０Ｌのシリコン基板２を成膜チャンバ４０Ｄまで搬送させる。
【００７４】
制御部５１は、搬送系駆動回路５４を介して昇降機構４４を駆動し基板ステージ４３にシリコン基板２を載置させ、タイマ５１Ｂを用いたプロセス時間の計時動作を開始し、同シリコン基板２を所定の温度（例えば、２４０［℃］）にまで昇温させる。この際、図５に示すように、制御部５１は、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ２を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＨ２ガスを供給させる。また、制御部５１は、排気系駆動回路５３を介して排気系を駆動させ、反応室Ｓの圧力を所定の圧力値に維持させる。これによって、シリコン基板２の昇温を促進させることができ、また、シリコン基板２の温度が２５０［℃］以上であれば、銅膜（第１配線１３）の表面を還元させる。また、マイクロ波で励起した水素（Ｈ２）を用いる場合、シリコン基板２の温度が１３０［℃］以上であれば、銅膜表面の還元効果を得ることができる。
【００７５】
制御部５１は、タイマ５１Ｂが計時するプロセス時間が所定の時間になると、排気系駆動回路５３、マスフローコントローラ駆動回路５５及びマイクロ波電源駆動回路５６を介して、成膜条件データＩｄに応じた各処理工程を実行させる。
【００７６】
すなわち、制御部５１は、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ２にＨ２ガスの供給を停止させる。次いで、制御部５１は、排気系駆動回路５３を介して排気系を駆動させ、成膜条件下における反応室Ｓの圧力が所定の圧力値になるように、予め排気系の排気能力を設定させる。
【００７７】
制御部５１は、排気系をセットさせると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ４を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＮ２ガスを供給させる。また、制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６を介してマイクロ波電源ＦＧを駆動させ、反応室Ｓに励起されたＮ２ガスを供給させる。
【００７８】
制御部５１は、励起されたＮ２ガスの供給を開始させると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＺｒ（ＢＨ４）４ガスを供給させる。これによって、制御部５１は、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起されたＮ２ガスとの気相反応を開始させ、シリコン基板２の表面全体にＺｒＢｘＮｙ膜を主成分とする第１メタルキャップ層１６を堆積させる。
【００７９】
堆積されるＺｒＢｘＮｙ膜は、第１配線１３の粗密、表面積、形状などに関わらず、第１配線１３上の領域にのみ導電性を発現し、隣接する配線間の短絡を回避させる。また、ＺｒＢｘＮｙ膜は、高い耐酸化性と高いバリア性を有するため、製造過程におけるＺｒＢｘＮｙ膜自身の酸化、第１配線１３の酸化、第２層間絶縁膜１１の吸湿などを阻止する。また、ＺｒＢｘＮｙ膜は、第１配線１３との間に高い密着性を有するため、第１メタルキャップ層１６の膜剥がれといった機械的損傷を回避させる。しかも、このＺｒＢｘＮｙ膜は、上記成膜チャンバ４０Ｄによりシリコン基板２の全体に成膜される。そのため、第１配線１３ごとにメタルキャップ層を形成させる場合に比べ、このＺｒＢｘＮｙ膜は、第１配線１３間の膜厚差を抑制し、膜厚のバラツキに起因した第１配線１３の被覆不良を回避させる。
【００８０】
そして、ＺｒＢｘＮｙ膜の原料ガスとして、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とを用いることにより安定した反応系を与えることができ、反応室Ｓの内部、供給配管、排気配管など、反応系の各所にわたりパーティクルの生成を抑制させることができる。しかも、Ｎ２ガス雰囲気下におけるＺｒ（ＢＨ４）４の熱分解反応に比べ、励起させたＮ２ガスを用いる分だけ、より多くの窒素元素をＺｒＢｘＮｙ膜の膜中に含有させることができる。また、水素元素を含まない窒素系ガス（Ｎ２ガス）を用いる分だけ、励起されたＮ２ガスの寿命を長くさせ、Ｚｒ−Ｎ結合の生成を促進させることができる。この結果、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実に発現させことができる。
【００８１】
制御部５１は、タイマ５１Ｂが計時するプロセス時間が所定の時間になると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１にＺｒ（ＢＨ４）４ガスの供給を停止させる。次いで、制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６及びマスフローコントローラ駆動回路５５を介し、マイクロ波の発振を停止させ、Ｎ２ガスの供給を停止させる。そして、制御部５１は、搬送系駆動回路５４を介して搬送系を駆動し、第１メタルキャップ層１６を有したシリコン基板２をロードロックチャンバ４０Ｌまで搬送し、成膜装置４０から搬出させる。
【００８２】
第１メタルキャップ層１６を形成すると、第１メタルキャップ層１６の表面に第３層間絶縁膜２１、トレンチエッチストッパ２２、第４層間絶縁膜３１、ハードマスク３２を順に積層する。すなわち、絶縁層工程を実行する。
【００８３】
例えば、絶縁層工程は、ＣＶＤ技術又はスピンコート技術を用いて、第１メタルキャップ層１６の表面に有機シリカガラスを積層して第３層間絶縁膜２１を形成し、ＣＶＤ技術を用いて、第３層間絶縁膜２１の表面にシリコン炭化膜を積層してトレンチエッチストッパ２２を形成する。また、ＣＶＤ技術あるいはスピンコート技術を用いて、トレンチエッチストッパ２２の表面に有機シリカガラスを積層して第４層間絶縁膜３１を形成し、ＣＶＤ技術を用いて、第４層間絶縁膜３１の表面にシリコン炭化膜を積層してハードマスク３２を形成する。
【００８４】
ハードマスク３２を形成すると、第３層間絶縁膜２１、トレンチエッチストッパ２２、第４層間絶縁膜３１、及びハードマスク３２に、ビアホール２３及び第２トレンチ３３を形成する。すなわち、凹部工程を実行する。例えば、凹部工程は、ビアホール２３を先行
して形成するビアファースト法を利用し、ビアホール２３及び第２トレンチ３３を形成する。
【００８５】
ビアホール２３と第２トレンチ３３を形成すると、ビアホール２３内及び第２トレンチ３３内を含む第４層間絶縁膜３１の表面に第２配線３４を積層し、第４層間絶縁膜３１の表面と第２配線３４の表面を平坦化させる。すなわち、金属層工程を実行し、続いて平坦化工程を実行する。例えば、金属層工程は、スパッタリング技術を用いて、ビアホール２３と第２トレンチ３３の内側面を含むシリコン基板２の全体に窒化チタンを積層して第２バリア層３５を形成する。次いで、無電解メッキ技術あるいはＣＶＤ技術を用いて、第２バリア層３５の表面に銅のメッキシード層を形成し、電解メッキ技術を用いて、ビアホール２３及び第２トレンチ３３の内側を含むシリコン基板２の全体に銅を析出させて第２配線層３６を形成する。平坦化工程は、ＣＭＰ技術を用いて、第２バリア層３５及び第２配線層３６を研磨し、第２バリア層３５及び第２配線層３６の表面をハードマスク３２の表面と略面一にして第２配線３４を形成する。
【００８６】
第２配線３４を形成すると、シリコン基板２を上記成膜装置４０に搬送し、ハードマスク３２及び第２配線３４の表面に第２メタルキャップ層３７を形成する。すなわち、上記第１メタルキャップ層１６と同じく、シリコン基板２の表面全体（ハードマスク３２の表面と第２配線３４の表面）に、共通するＺｒＢｘＮｙ膜を積層し第２メタルキャップ層３７を形成する（メタルキャップ層工程を実行する）。
【００８７】
第２メタルキャップ層３７は、第１メタルキャップ層１６と同じく、高い耐酸化性と高いバリア性を有するため、製造過程におけるＺｒＢｘＮｙ膜自身の酸化、第２配線３４の酸化、第４層間絶縁膜３１の吸湿などを阻止する。また、ＺｒＢｘＮｙ膜は、第２配線３４との間に高い密着性を有するため、第２メタルキャップ層３７の膜剥がれといった機械的損傷を回避させる。しかも、このＺｒＢｘＮｙ膜は、上記成膜チャンバ４０Ｄによりシリコン基板２の全体に成膜される。そのため、第２配線３４ごとにメタルキャップ層を形成させる場合に比べ、このＺｒＢｘＮｙ膜は、第２配線３４間の膜厚差を抑制し、膜厚のバラツキに起因した第２配線３４の被覆不良を回避させる。
【００８８】
そして、第２メタルキャップ層３７の原料ガスとして、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とを用いることにより安定した反応系を与えることができ、反応室Ｓの内部、供給配管、排気配管など、反応系の各所にわたりパーティクルの生成を抑制させることができる。しかも、Ｎ２ガス雰囲気下におけるＺｒ（ＢＨ４）４の熱分解反応に比べ、励起させたＮ２ガスを用いる分だけ、より多くの窒素元素をＺｒＢｘＮｙ膜の膜中に含有させることができる。また、水素元素を含まない窒素系ガス（Ｎ２ガス）を用いる分だけ、励起されたＮ２ガスの寿命を長くさせ、Ｚｒ−Ｎ結合の生成を促進させることができる。この結果、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実に発現させることができる。
【００８９】
（実施例）
次に、実施例を挙げて本発明の効果を説明する。表１〜表４は、それぞれ上記成膜装置４０を用いて形成した各種の条件におけるＺｒＢｘＮｙ膜の導電性を示す。また、図６〜図９は、それぞれ表１〜表４における実施例及び比較例の元素濃度を示す。なお、実施例の膜厚データは、それぞれシリコン基板の中心付近を碧開し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を利用して計測した値である。
【００９０】
表１においては、銅膜を表面に有したシリコン基板を用い、Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスが１００［sccm ］、Ｎ２ガスが１００［sccm ］、成膜時間が２［min ］、成膜温度が２４０［℃］、成膜時圧力が７００［Pa ］、マイクロ波出力が５００［Ｗ］となる条件の下で
成膜を実行し、実施例１のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、シリコン酸化膜を表面に有したシリコン基板を用い、実施例１と同じ条件の下で成膜を実行し、実施例２のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。この際、ＺｒＢｘＮｙ膜の膜中と膜上のパーティクル数を計測し、パーティクルの増加分が数個レベルであることを確認した。また、反応室Ｓの内壁、供給配管の内部、排気配管の内部を目視確認し、パウダー状の副生成物が生成されていないことを確認した。
【００９１】
また、表１においては、実施例２のＮ２ガスをＮＨ３ガスに変更し、その他の条件を同じくして比較例１のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、実施例２のＮ２ガスをＮ２ガスとＨ２ガスの混合ガスに変更し、その他の条件を同じくして比較例２のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。この際、ＺｒＢｘＮｙ膜の膜中と膜上のパーティクル数を計測し、パーティクルの増加分が数個レベルであることを確認した。また、反応室Ｓの内壁、供給配管の内部、排気配管の内部を目視確認し、パウダー状の副生成物が生成されていないことを確認した。
【００９２】
そして、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、それぞれ膜厚とシート抵抗値を計測した。また、実施例２、比較例１、比較例２のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、オージェ電子分光分析法（ＡＥＳ：Auger Electron Spectroscopy ）を用いて膜中の元素濃度を計測した。膜厚とシート抵抗値の結果を表１に示し、実施例２、比較例１、比較例２の元素濃度の測定結果を、それぞれ図６、図７、図８に示す。なお、図６〜図９において、横軸は、サンプル（ＺｒＢｘＮｙ膜／シリコン酸化膜）のスパッタ時間、すなわちＺｒＢｘＮｙ膜の膜厚を示し、縦軸は、対象元素の濃度、すなわちホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ），シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）の元素濃度を示す。
【００９３】
【表１】
表１において、“∞”は、対応するＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が計測した４９点の全てにおいて検出限界を超えた値（５×１０６［Ω／□］以上）であることを示す。
【００９４】
表１において、実施例１のＺｒＢｘＮｙ膜は、そのシート抵抗値が約６［Ω／□］を示し、銅膜（導電膜）に積層された状態で、高い導電性を示すことが分かる。実施例２のＺｒＢｘＮｙ膜は、そのシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。すなわち、実施例１及び実施例２の成膜条件によって得られるＺｒＢｘＮｙ膜は、その抵抗率に対して大きな下地選択性を有することが分かる。
【００９５】
一方、比較例１と比較例２は、シリコン酸化膜上に成膜されているにも関わらず、それぞれ実施例２よりも低いシート抵抗値を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で完全な絶縁性を発現していないことが分かる。
【００９６】
図６において、実施例２は、そのＺｒＢｘＮｙ膜にホウ素元素（Ｂ）の濃度よりも高い濃度の窒素元素（Ｎ）を含み、そのバルク中に４０％を超える窒素元素を含んでいることが分かる。一方、図７と図８において、比較例１と比較例２は、それぞれホウ素元素（Ｂ）の濃度よりも明らかに低い濃度の窒素元素（Ｎ）を含み、その濃度が２０％にも満たないことが分かる。
【００９７】
これらの結果、比較例１のＮＨ３ガスや比較例２のＨ２ガス、すなわち、プロセスガス中の水素元素は、ＺｒＢｘＮｙ膜に取り込まれる窒素元素の濃度を低下させ、ＺｒＢｘＮｙ膜に対し、その絶縁性の発現を阻害させる要因となる。そのため、水素元素を含まない窒素添加ガス、すなわち、励起されたＮ２ガスとＺｒ（ＢＨ４）４の気相反応系は、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実なものにさせることができる。また、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）の気相反応系は、そのパーティクルの増加要因が認められないため、ＺｒＢｘＮｙ膜の反応系として十分に安定した系を提供させることができる。
【００９８】
表２においては、実施例２の成膜時間を延長し、その他の条件を同じくして比較例３と比較例４のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、表３においては、実施例２の成膜温度を変更し、その他の条件を同じくして比較例５と比較例６と比較例７のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、表４においては、実施例２の成膜圧力、マイクロ波出力を変更し、その他の条件を同じくして比較例８と比較例９と比較例１０のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。この際、各ＺｒＢｘＮｙ膜の膜中と膜上のパーティクル数を計測し、パーティクルの増加分が数個レベルであることを確認した。また、反応室Ｓの内壁、供給配管の内部、排気配管の内部を目視確認し、パウダー状の副生成物が生成されていないことを確認した。
【００９９】
そして、比較例３〜１０のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、それぞれ膜厚とシート抵抗値を計測し、また、比較例７のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、ＡＥＳを用いて膜中の元素濃度を計測した。比較例３〜１０の膜厚とシート抵抗値の結果をそれぞれ表２〜表４に示し、比較例７の元素濃度の測定結果を図９に示す。
【０１００】
【表２】
【０１０１】
【表３】
【０１０２】
【表４】
表２において、比較例３と比較例４は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。したがって、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）の反応系は、その成膜時間に大きく依存することなく、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を発現させることができ、その成膜条件の範囲を拡張させることができる。
【０１０３】
表３において、比較例５と比較例６は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。一方、比較例７は、シリコン酸化膜上に成膜されているにも関わらず、実施例２よりも低いシート抵抗値を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で完全な絶縁性を発現していないことが分かる。
【０１０４】
また、図９において、比較例７は、それぞれホウ素元素（Ｂ）の濃度よりも低い濃度の窒素元素（Ｎ）を含み、その濃度が３０％に満たないことが分かる。すなわち、過剰に昇温させた条件下の成膜は、ＺｒＢｘＮｙ膜が取り込む窒素元素の濃度を低下させ、ＺｒＢｘＮｙ膜の絶縁性の発現を阻害させる要因となる。
【０１０５】
したがって、ＺｒＢｘＮｙ膜が十分な量の窒素元素を取り込む温度であって、かつ、ＺｒＢｘＮｙ膜に含まれる各種の結合が熱エネルギーによって安定化される温度、すなわち、２６０℃未満の温度範囲、好ましくは１８０℃〜２５０℃の温度条件は、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実なものとさせ、かつ、ＺｒＢｘＮｙ膜の熱的安定性を確保させることができる。
【０１０６】
表４において、比較例８は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。すなわち、実施例１及び実施例２の成膜条件によって得られるＺｒＢｘＮｙ膜は、その成膜圧力が低くなる場合であっても、抵抗率の下地選択性を発現させる。
【０１０７】
したがって、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）の反応系は、下地選択性を有したＺｒＢｘＮｙ膜を形成する上で、広い圧力範囲を確保させることができ、その成膜条件の範囲を拡張させることができる。
【０１０８】
表４において、比較例９は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。一方、比較例１０は、シリコン酸化膜上に成膜されているにも関わらず、実施例２よりも低いシート抵抗値を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で完全な絶縁性を発現していないことが分かる。
【０１０９】
したがって、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）を用いることにより、ＺｒＢｘＮｙ膜に取り込まれる窒素元素の濃度を増加させ、ＺｒＢｘＮｙ膜に対し、その絶縁性の発現を誘起させることができる。
【０１１０】
上記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態では、第２層間絶縁膜１１と第１配線１３、あるいは、第２配線層３６とハードマスク３２をシリコン基板２の表面に形成し、そのシリコン基板２を反応室Ｓに搬送させ、その反応室Ｓに、マイクロ波によって励起されたＮ２ガスを導入する。そして、供給タンクＴに収容されるＺｒ（ＢＨ４）４をＡｒガスによってバブリングし、Ｚｒ（ＢＨ４）４を含むＡｒガスをＺｒ（ＢＨ４）４ガスとして反応室Ｓに導入する。
【０１１１】
したがって、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなる第１及び第２メタルキャップ層１６，３７を、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とによる反応系によって生成させることができる。この結果、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７が、下地の金属層の粗密、表面積、形状などに関わらず、金属層に応じた領域にのみ導電性を発現し、隣接する金属層間の短絡を回避させる。また、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７が、その成膜選択性を必要としない分だけ、複雑な洗浄工程を省くことができる。そして、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７に対し、パーティクルの生成を回避させた反応系を構築させることができる。よって、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７の信頼性と生産性を向上させることができる。
【０１１２】
（２）上記実施形態では、反応室Ｓの外側でＮ２ガスにマイクロ波を照射し、励起されたＮ２ガスを反応室Ｓの内部に導入する。したがって、反応室ＳにおいてＮ２ガスを励起させる場合に比べ、励起されたＮ２ガスを、反応に要する量だけ供給させることができる
。この結果、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起されたＮ２ガスとによる反応系を、より安定させることができる。しかも、Ｎ２ガスの励起に際し、シリコン基板２の損傷を回避させることができる。
【０１１３】
（３）上記実施形態では、ＺｒＢｘＮｙを成膜するときに、シリコン基板２を２１０℃〜２４０℃に加熱する。したがって、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７の導電性に対し、より確実に下地依存性を発現させることができ、かつ、熱的に安定したＺｒＢｘＮｙ膜を形成させることができる。
【０１１４】
（第二実施形態）
以下、本発明を具体化した第二実施形態を図１０〜図１２に従って説明する。第二実施形態は、第一実施形態におけるＺｒＢｘＮｙ膜の成膜条件をＣＶＤ法からＡＬＤ法に変更したものである。そのため、以下では、ＺｒＢｘＮｙ膜の成膜条件について説明する。
【０１１５】
成膜装置４０の制御部５１は、第一実施形態と同じく、入出力部５２から成膜条件データＩｄを受信する。制御部５１は、排気系駆動回路５３を介して排気ポンプ４５を駆動し反応室Ｓを所定の到達圧力（例えば、１［Ｐａ］）まで減圧させる。制御部５１は、反応室Ｓを減圧させると、搬送系駆動回路５４を介して搬送系を駆動しロードロックチャンバ４０Ｌのシリコン基板２を成膜チャンバ４０Ｄまで搬送させる。
【０１１６】
制御部５１は、シリコン基板２を所定の温度に昇温させると、排気系駆動回路５３、マスフローコントローラ駆動回路５５及びマイクロ波電源駆動回路５６を介して、成膜条件データＩｄに応じた各処理工程を実行させる。
【０１１７】
すなわち、図１０において、制御部５１は、成膜プロセスを開始させると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１を駆動し、反応室Ｓに所定の流量のＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入させ、吸着工程を開始させる。例えば、制御部５１は、マスフローコントローラＭＣ１に１００［sccm ］のＡｒを供給させ、Ｚｒ（Ｂ
Ｈ４）４を含むＡｒガス、すなわちＺｒ（ＢＨ４）４ガスを反応室Ｓ導入させる。
【０１１８】
ここで、反応室ＳにＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入している期間を、吸着期間Ｔａという。吸着期間Ｔａは、予め試験等に基づいて設定され、Ｚｒ（ＢＨ４）４（吸着分子ＭＡ）がシリコン基板２の表面の全体にわたり一分子層を形成させる期間（例えば、１秒〜５秒）に設定されている。
【０１１９】
図１１において、反応室Ｓに導入されるＺｒ（ＢＨ４）４（吸着分子ＭＡ）は、シリコン基板２の表面との間の強い相互作用により同表面に吸着する。すなわち、Ｚｒ（ＢＨ４）４は、シリコン基板２の表面に対し物理的又は化学的に吸着する吸着分子ＭＡとして機能し、同表面の全体にわたり単分子層を形成する。
【０１２０】
図１０において、制御部５１は、吸着分子ＭＡを導入させてプロセス時間が吸着期間Ｔａだけ経過すると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１にＺｒ（ＢＨ４）４ガスの供給を停止させ、吸着工程を終了させる。
【０１２１】
制御部５１は、吸着工程を終了させると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ４を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＮ２ガスを供給させる。また、制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６を介してマイクロ波電源ＦＧを駆動し、反応室Ｓに励起されたＮ２ガスを供給させ、改質工程を開始させる。
【０１２２】
ここで、マイクロ波源４８にマイクロ波を発振させている期間を、改質期間Ｔｒという
。改質期間Ｔｒは、予め試験等に基づいて設定され、吸着分子ＭＡの単分子層が窒化されてＺｒＢｘＮｙの単分子膜を生成する期間（例えば、１秒〜１０秒）に設定されている。
【０１２３】
図１２において、励起されたＮ２ガス（改質ガスＲ）は、Ｚｒ（ＢＨ４）４（吸着分子ＭＡ）分解反応を促進させ、シリコン基板２の表面に吸着した全ての吸着分子ＭＡを利用して分解生成物と副生成物ＢＰ（例えば、ホウ化水素）とを生成し、分解生成物の窒化反応を促進させて窒化物ＭＰを生成する。すなわち、励起されたＮ２ガス（改質ガスＲ）は、シリコン基板２の表面全体にわたりＺｒＢｘＮｙの単分子膜を生成する。
【０１２４】
図１０において、制御部５１は、マイクロ波を発振させてプロセス時間が改質期間Ｔｒだけ経過すると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ４にＮ２ガスの供給を停止させる。制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６を介してマイクロ波の発振を停止させる。すなわち、改質工程を終了させる。
【０１２５】
制御部５１は、改質工程を終了させると、再び、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１を駆動し、所定の流量の吸着分子ＭＡを反応室Ｓに導入させる。すなわち、再び、吸着工程を開始させる。以後同様に、制御部５１は、上記吸着工程と上記改質工程とを交互に繰り返し、窒化物ＭＰからなる単分子層ＭＬを順に積層させる。
【０１２６】
これによって、成膜装置４０は、ＺｒＢｘＮｙを主成分としたメタルキャップ層１６，３７を単原子層ずつ積み重ねて形成させることができる。そのため、メタルキャップ層１６，３７が、下地の情報（すなわち、下地が導電膜であるか否か）を確実に引き継ぐことができる。
【０１２７】
上記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態では、反応室Ｓに吸着期間Ｔａの間だけＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入し、第２層間絶縁膜１１の表面と第１配線１３の表面、あるいはハードマスク３２の表面と第２配線３４の表面に、それぞれＺｒ（ＢＨ４）４を吸着させ、吸着分子ＭＡからなる単分子層を形成する。そして、吸着期間Ｔａの経過後、改質期間Ｔｒの間だけ、反応室Ｓに励起されたＮ２ガスを導入し、吸着分子ＭＡを利用してＺｒＢｘＮｙの単分子膜を生成する。
【０１２８】
したがって、ＺｒＢｘＮｙを主成分とするメタルキャップ層１６，３７を、単原子層ずつ積み重ねることができ、各メタルキャップ層１６，３７が、それぞれ対応する下地の情報、すなわち、下地が導電膜であるか否かを確実に引き継ぐことができる。この結果、各メタルキャップ層１６，３７が、それぞれ第１配線１３及び第２配線３４に応じた領域にのみ導電性を有し、隣接する第１配線１３間及び隣接する第２配線３４間の短絡を、より確実に回避させる。
【０１２９】
尚、上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記第二実施形態では、改質工程の期間だけ、励起されたＮ２ガスを導入させる構成にした。これに限らず、例えば、図１３に示すように、改質工程と吸着工程の双方で、励起されたＮ２ガスを導入させる構成にしてもよい。すなわち、吸着分子ＭＡを導入するときに、励起されたＮ２ガスを導入する構成にしてもよい。この構成によれば、Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスと励起されたＮ２ガスの気相反応とＺｒ（ＢＨ４）４の吸着反応とを同時に行うことができる。この結果、吸着分子ＭＡの未反応分に相等するＺｒ（ＢＨ４）４、あるいは、気相反応の未反応分に想到するＺｒ（ＢＨ４）４を、より確実にＺｒＢｘＮｙとすることができ、より均一なＺｒ−Ｎ結合を形成させることができる。
【０１３０】
・上記実施形態では、金属層を第１配線１３及び第２配線３４に具体化した。これに限らず、例えば、金属層を容量素子の電極や誘導素子に具体化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の半導体装置を示す要部断面図。
【図２】成膜装置を示す平面図。
【図３】成膜チャンバを示す概略断面図。
【図４】成膜装置の電気的構成を示すブロック回路図。
【図５】第一実施形態の製造工程を示すタイムチャート。
【図６】実施例２の元素分析結果を示す図。
【図７】比較例１の元素分析結果を示す図。
【図８】比較例２の元素分析結果を示す図。
【図９】比較例７の元素分析結果を示す図。
【図１０】第二実施形態の製造工程を示すタイムチャート。
【図１１】第二実施形態の吸着工程を説明する工程図。
【図１２】第二実施形態の改質工程を説明する工程図。
【図１３】変更例における半導体装置の製造工程を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【０１３２】
ＭＣ１…第一供給手段を構成するマスフローコントローラ、ＭＣ４…第二供給手段を構成するマスフローコントローラ、Ｓ…反応室、Ｔ…第一供給手段を構成する供給タンク、１…半導体装置、２…半導体基板としてのシリコン基板、２ｂ…素子領域、１１…絶縁層を構成する第２層間絶縁膜、１２…凹部を構成する第１トレンチ、１３…金属層を構成する第１配線、１５…第１配線層、１６…第１メタルキャップ層、２１…絶縁層を構成する第３層間絶縁膜、２３…凹部を構成するビアホール、３３…凹部を構成する第２トレンチ、３１…絶縁層を構成する第４層間絶縁膜、３４…金属層を構成する第２配線、３６…第２配線層、３７…第２メタルキャップ層、４０…半導体装置の製造装置としての成膜装置、４１…チャンバ本体、５１…制御手段を構成する制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、微細化や多層化の進展に伴い、電流密度の増加によるエレクトロマイクレーション（ＥＭ：Electro migration ）が深刻化する。高いＥＭ耐性を有する銅（Ｃｕ）の多層配線技術は、半導体装置を高集積化させる上で不可欠である。
【０００３】
Ｃｕ配線の製造工程には、配線形状に応じたトレンチを予め絶縁層に形成し、該トレンチにＣｕを充填して配線を形成する、いわゆるダマシン（Damascene ）法が利用される。さらに、Ｃｕ配線の製造工程には、配線用のトレンチにビアホール（Via-Hole）を予め形成し、トレンチとビアホールの双方にＣｕを充填して配線とビアコンタクトを同時に形成する、いわゆるデュアルダマシン（Dual-Damascene ）法が利用される。
【０００４】
ダマシンプロセス後のＣｕ配線には、Ｃｕ配線とＣｕ配線上の絶縁層（例えば、底誘電率膜：Low-k 膜）との間にＳｉＣやＳｉＮなどのキャップ層が積層される。キャップ層は、Ｃｕ配線表面の酸化防止膜、Ｃｕの拡散防止膜、ビアホールのエッチストップ膜として機能する。一方、これらＳｉＣやＳｉＮなどの絶縁膜からなるキャップ層は、Ｃｕ配線との間の密着性が弱いために、Ｃｕ配線の信頼性を低下させる。また、ビアホール形成時のエッチング工程を複雑にして、半導体装置の生産性を損なう。
【０００５】
そこで、Ｃｕ多層配線技術では、上記の問題を解消させるため、従来から、Ｃｕ配線上のキャップ層に金属材料を適用する提案がなされている。金属材料からなるキャップ層（以下単に、メタルキャップ層という。）は、Ｃｕ配線との間の密着性が高いこと、比抵抗値が低いこと、バリア性が高いこと（Low-k 膜からの水分やＣｕ配線からのＣｕ原子に対するバリア性が高いこと）、Ｃｕ配線上にのみ形成される選択性を有すること、が要求される。
【０００６】
特許文献１は、無電解メッキ法を利用し、Ｃｕ配線表面に選択的にコバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）を析出させ、さらに、ＣｏＷＰ層の表面をサリサイド化してメタルキャップ層を形成させる。これにより、メタルキャップ層としての密着性、導電性、バリア性、成膜選択性を満たすことができ、かつ、メタルキャップ層の耐酸化性を向上させることができる。
【０００７】
一方、特許文献２は、メタルキャップ層の材料として、窒化ジルコニウムや窒化ジルコニウム化合物などを用い、Ｃｕ配線を含む基板の表面全体にメタルキャップ層を形成させ、Ｃｕ配線上にのみ選択的に導電性を与える。これによれば、上記の成膜選択性を要することなく、メタルキャップ層としての機能を達成させることができる。
【特許文献１】特開２００２−４３３１５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１は、成膜選択性を得るために無電解メッキ法を利用する。無電解メッキ法では、ＣｏＷＰ層の形状や膜厚が、薬液の濃度や酸化還元雰囲気などの影響を大きく受ける。この結果、ＣｏＷＰの析出状況が、Ｃｕ配線の粗密、表面積、形状などに応じて大きく変動し、隣接するＣｏＷＰ層の短絡やＣｕ配線の被覆不良を招いていた。
【０００９】
また、無電解メッキ法は、成膜選択性を実現させるために、ダマシンプロセス後のＣｕ配線の表面やLow-k 膜の表面など、薬液に浸漬させる表面を極めて清浄な状態にさせる必要がある。そのため、清浄化に伴う表面処理工程の増加を招き、半導体装置の生産性を損なうものであった。
【００１０】
一方、特許文献２は、テトラキスジエチルアミノジルコニウム（ＴＤＥＡＺ）を用いた窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）に関する製造方法のみを開示し、窒化ジルコニウム化合物に関する製造方法については、その原料や条件などに関し、何ら開示していない。しかも、本願発明者らによる実験によれば、ＴＤＥＭＡを用いたＺｒＮの成膜方法では、パウダー状のＺｒＮや副生成物などを同時に多量に生成し、半導体装置を製造する上で十分なパーティクルレベルを得難いものであった。また、パウダー状のＺｒＮや副生成物が原料ガスの供給系や排気系に堆積し、製造装置の安定稼動を不可能にさせるものであった。
【００１１】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、メタルバリア材料の１つとしてＺｒＮを検討する中で、ホウ素（Ｂ）を含有したＺｒＢｘＮｙ膜が、ＺｒＮ膜と同じく、金属配線に対し良好な密着性と高いバリア性を有し、かつ、その導電性に対し高い下地依存性を有することを見出した。
【００１３】
すなわち、本発明者は、ＺｒＢｘＮｙ膜が、メタルキャップ層として良好な密着性、高い導電性、高いバリア性を有し、かつ、金属膜上（例えば、Ｃｕ配線上）で高い導電性を有し、絶縁膜上（例えば、Low-k 膜上やハードマスク上）で高い絶縁性を有することを見出した。そして、このＺｒＢｘＮｙ膜の原料ガスとして、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とを用いることにより、パーティクルの生成を回避でき、安定した反応系を構築できることを見出した。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、素子領域を有する半導体基板に絶縁層を積層する絶縁層工程と、前記絶縁層に凹部を形成する凹部工程と、前記凹部に金属層を埋め込む金属層工程と、前記絶縁層の表面と前記金属層の表面とを略同一面に平坦化する平坦化工程と、前記半導体基板を有した反応室に、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガスとを供給し、平坦化した前記絶縁層の表面及び前記金属層の表面に、少なくともジルコニウム元素と窒素元素とを含むメタルキャップ層を成膜するメタルキャップ層工程と、を備えたことを要旨とする。
【００１５】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層を、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とによる反応系で生成させることができる。したがって、メタルキャップ層が、金属層の粗密、表面積、形状などに関わらず、金属層に応じた領域にのみ導電性を発現し、隣接する金属層間の短絡を回避させる。また、メタルキャップ層が、その成膜選択性を必要としない分だけ、複雑な洗浄工程を省くことができる。そして、メタルキャップ層に対し、パーティクルの生成を回避させた反応系を構築させることができる。この結果、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、前記メタルキャップ層工程が、前記反応室の外側で前記窒素ガスにマイクロ波を照射し、励起された前記窒素ガスを前記反応室に導入することを要旨とする。
【００１７】
この構成によれば、反応室において窒素ガスを励起させる場合に比べ、励起された窒素ガスを、反応に要する量だけ供給させることができる。したがって、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガスとによる反応系を、より安定させることができる。しかも、窒素ガスの励起に際し、半導体基板の損傷を回避させることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、前記メタルキャップ層工程が、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いたＣＶＤ法により前記メタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、前記メタルキャップ層工程は、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いた原子層蒸着法により前記メタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２０】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層が、単原子層ずつ積み重ねられるため、メタルキャップ層が、下地の情報（すなわち、下地が導電膜であるか否か）を確実に引き継ぐことができる。この結果、メタルキャップ層の導電性に対し、より確実に下地依存性を与えることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であって、前記メタルキャップ層工程が、前記半導体基板を２６０℃未満、好ましくは２１０℃〜２５０℃に加熱して前記メタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２２】
この構成によれば、メタルキャップ層の導電性に対し、より確実に下地依存性を与えることができ、より熱的に安定したメタルキャップ層を提供することができる。
上記目的を達成するため、請求項６に記載の発明では、チャンバ本体と、前記チャンバ本体の反応室に設けられ半導体基板を載置するステージと、前記反応室にＺｒ（ＢＨ４）４を供給する第一供給手段と、前記反応室に励起された窒素ガスを供給する第二供給手段と、前記第一供給手段及び前記第二供給手段を駆動制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２３】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層を、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とによる反応系で生成させることができる。したがって、メタルキャップ層が、金属層の粗密、表面積、形状などに関わらず、金属層に応じた領域にのみ導電性を発現し、隣接する金属層間の短絡を回避させる。また、メタルキャップ層が、その成膜選択性を必要としない分だけ、複雑な洗浄工程を省くことができる。そして、メタルキャップ層に対し、パーティクルの生成を回避させた反応系を構築させることができる。この結果、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させることができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、前記制御手段が、前記第一供給手段と第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを共に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜することを要旨とする。
【００２５】
請求項８に記載の発明では、請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、前記制御手段は、前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを交互に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面にＺｒ（ＢＨ４）４を吸着させた後、励起した前記窒素ガスによって、吸着させた前記Ｚｒ（ＢＨ
４）４を少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層に改質させることを要旨とする。
【００２６】
この構成によれば、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなるメタルキャップ層が、単原子層ずつ積み重ねられるため、メタルキャップ層が、下地の情報（すなわち、下地が導電膜であるか否か）を確実に引き継ぐことができる。この結果、メタルキャップ層の導電性に対し、より確実に下地依存性を与えることができる。また、Ｚｒ（ＢＨ４）４の吸着反応と改質反応とを交互に行う分だけ、ＺｒＢｘＮｙ膜の膜厚や電気的特性の均一性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
上記したように、本発明によれば、メタルキャップ層の信頼性と生産性を向上させた半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第一実施形態）
以下、本発明を具体化した第一実施形態を図面に従って説明する。まず、本発明を利用して製造した半導体装置について説明する。半導体装置は、例えば、各種ＲＡＭや各種ＲＯＭを含むメモリ、ＭＰＵや汎用ロジックを含むロジックなどである。図１は、半導体装置を説明する要部断面図である。
【００２９】
（半導体装置１）
図１において、半導体装置１は、半導体基板を構成するシリコン基板２を備えている。シリコン基板２は、その表面（すなわち、図１に示す上面）に素子分離領域２ａと、同素子分離領域２ａに囲まれた素子領域２ｂを有している。素子分離領域２ａには、例えば、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation ）構造を呈するシリコン酸化膜などの絶縁膜が埋め
込まれている。素子領域２ｂには、ＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、例えば、素子領域２ｂに形成されたゲート絶縁膜４と、ゲート絶縁膜４の両側に形成されたソース・ドレイン領域５と、ゲート絶縁膜４に積層されたゲート電極６と、ゲート電極６の外側面を覆うサイドウォール７と、によって構成される。
【００３０】
シリコン基板２の表面には、ＭＯＳトランジスタ３を覆う第１層間絶縁膜８が積層されている。第１層間絶縁膜８は、例えば、リンを添加したシリコン酸化膜（ＰＳＧ）やリン及びボロンを添加したシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ）などにより構成することができる。第１層間絶縁膜８には、ソース・ドレイン領域５までを貫通する凹部（以下単に、コンタクトホール９という。）が形成されている。コンタクトホール９の内側には、それぞれコンタクトプラグ１０が形成されている。コンタクトプラグ１０は、コンタクト層／バリア層／プラグ層（例えば、チタンシリサイド／窒化チタン／タングステン）からなる積層構造により構成することができる。
【００３１】
第１層間絶縁膜８の表面には、第２層間絶縁膜１１が積層されている。第２層間絶縁膜１１には、例えば、シリコン酸化膜やリンを添加したシリコン酸化膜などを利用することができる。第２層間絶縁膜１１には、コンタクトホール９（あるいは、コンタクトプラグ１０）にまで貫通する凹部（以下単に、第１トレンチ１２という。）が形成されている。第１トレンチ１２の内側には、第１配線１３が形成されている。第１配線１３は、第１バリア層１４／第１配線層１５（例えば、窒化タンタルや窒化チタン／銅）からなる積層構造により構成することができる。
【００３２】
第２層間絶縁膜１１の表面には、第２層間絶縁膜１１と第１配線１３（すなわち、第１バリア層１４及び第１配線層１５）とに共通する第１メタルキャップ層１６が積層されて
いる。第１メタルキャップ層１６は、高い耐酸化性を有した窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）もしくは窒化ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢｘＮｙ）を主成分とする層であり、下地の導電性に応じた導電性を発現する。第１メタルキャップ層１６は、例えば、第１配線１３の表面に対応する領域（図１において濃いドットで示す領域）に数〜十数［μΩ・ｃｍ］の比抵抗値を有する。また、第１メタルキャップ層１６は、第２層間絶縁膜１１の表面に対応する領域（図１において薄いドットで示す領域）に無限大の比抵抗値を有する。
【００３３】
ここで、第１配線１３の表面に対応する第１メタルキャップ層１６の領域を、第１導電領域１６ａという。また、第２層間絶縁膜１１の表面に対応する第１メタルキャップ層１６の領域を、第１絶縁領域１６ｂという。
【００３４】
第１メタルキャップ層１６は、水分に対し高いバリア性を有する。第１メタルキャップ層１６は、第１導電領域１６ａと第１バリア層１４とにより第１配線層１５を囲い第１配線層１５の酸化を阻止する。第１メタルキャップ層１６は、第２層間絶縁膜１１の表面を覆い、第２層間絶縁膜１１の吸湿を阻止する。第１メタルキャップ層１６は、第１配線１３に対する高い密着性と高いバリア性とにより、第１配線１３の金属拡散や第１配線１３のマイグレーションを防止する。
【００３５】
第１メタルキャップ層１６は、第１導電領域１６ａで高い導電性を有し、かつ、第１絶縁領域１６ｂで高い絶縁性を有する。このため、第１メタルキャップ層１６は、第１配線１３の粗密、表面積、形状などに関わらず、第１配線１３に対応する第１導電領域１６ａのみで導電性を発現し、かつ、第２層間絶縁膜１１に対応する第１絶縁領域１６ｂで絶縁性を発現する。
【００３６】
これにより、第１メタルキャップ層１６は、隣接する第１配線１３間の短絡を確実に回避させる。また、第１メタルキャップ層１６は、シリコン基板２の表面全体（すなわち、第２層間絶縁膜１１の表面及び第１配線１３の表面）に形成されるため、第１配線１３ごとの膜厚差を抑制させることができ、膜厚のバラツキに起因した第１配線１３の被覆不良を回避させる。
【００３７】
第１メタルキャップ層１６の表面には、第３層間絶縁膜２１とトレンチエッチストッパ２２とが積層されている。第３層間絶縁膜２１は、有機シリカガラスや多孔質のシリカガラスなどの低誘電率膜（以下単に、Low-k 膜という。）により構成することができる。トレンチエッチストッパ２２は、第３層間絶縁膜２１に対しエッチングの選択比がとれる膜であり、例えば、シリコン窒化膜やシリコン炭化膜などにより構成することができる。これら第３層間絶縁膜２１とトレンチエッチストッパ２２とには、第１メタルキャップ層１６の第１導電領域１６ａにまで貫通する共通の凹部（以下単に、ビアホール２３という。）が形成されている。
【００３８】
トレンチエッチストッパ２２の表面には、第４層間絶縁膜３１とハードマスク３２とが積層されている。第４層間絶縁膜３１は、第３層間絶縁膜２１と同じく、例えば、各種のLow-k 膜などにより構成することができる。ハードマスク３２は、第４層間絶縁膜３１との間でエッチングの選択比がとれる膜であり、例えば、シリコン窒化膜やシリコン炭化膜などにより構成することができる。これら第４層間絶縁膜３１とハードマスク３２には、ビアホール２３に連結する共通の凹部（以下単に、第２トレンチ３３という。）が貫通形成されている。
【００３９】
ビアホール２３と第２トレンチ３３の内側には、第２配線３４が形成されている。第２配線３４は、ビアホール２３に対応するビアコンタクト３４ａと、第２トレンチ３３に対応する第２配線部３４ｂを有する。第２配線３４は、第２バリア層３５／第２配線層３６
（例えば、窒化タンタルや窒化チタン／銅）からなる積層構造により構成することができる。
【００４０】
第２配線３４は、第１メタルキャップ層１６の第１導電領域１６ａを介して第１配線１３と接続する。第１メタルキャップ層１６は、その高い耐酸化性により第１導電領域１６ａの酸化を防ぎ、第１配線１３と第２配線３４との間の電気的接続を可能にする。
【００４１】
ハードマスク３２の表面には、ハードマスク３２と第２配線３４（すなわち、第２バリア層３５及び第２配線層３６）とに共通する第２メタルキャップ層３７が積層されている。第２メタルキャップ層３７は、第１メタルキャップ層１６と同じく、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）を主成分とする層であり、下地の導電性に応じた導電性を有する。第２メタルキャップ層３７は、例えば、第２配線３４の表面に対応する領域（図１において濃いドットで示す領域）に数〜十数［μΩ・ｃｍ］の比抵抗値を有する。また、第２メタルキャップ層３７は、ハードマスク３２の表面に対応する領域（図１において薄いドットで示す領域）に無限大の比抵抗値を有する。
【００４２】
ここで、第２配線３４の表面に対応する第２メタルキャップ層３７の領域を、第２導電領域３７ａという。また、ハードマスク３２の表面に対応する第２メタルキャップ層３７の領域を、第２絶縁領域３７ｂという。
【００４３】
第２メタルキャップ層３７は、水分に対し高いバリア性を有する。第２メタルキャップ層３７は、第２導電領域３７ａと第２バリア層３５とにより第２配線層３６を囲い第２配線層３６の酸化を阻止する。第２メタルキャップ層３７は、ハードマスク３２の表面を覆い、第４層間絶縁膜３１の吸湿を阻止してlow-k 膜の誘電率を安定させる。第２メタルキャップ層３７は、第２配線３４に対する高い密着性と高いバリア性とにより、第２配線３４からの金属拡散や第２配線３４のマイグレーションを防止する。
【００４４】
第２メタルキャップ層３７は、第２導電領域３７ａで高い導電性を有し、かつ、第２絶縁領域３７ｂで高い絶縁性を有する。このため、第２メタルキャップ層３７は、第２配線３４の粗密、表面積、形状などに関わらず、第２配線３４に対応する第２導電領域３７ａのみで導電性を発現し、かつ、ハードマスク３２に対応する第２絶縁領域３７ｂで絶縁性を発現する。
【００４５】
これにより、第２メタルキャップ層３７は、隣接する第２配線３４間の短絡を確実に回避させる。また、第２メタルキャップ層３７は、シリコン基板２の表面全体（すなわち、ハードマスク３２の表面及び第２配線３４の表面）に形成されるため、第２配線３４ごとの膜厚差を抑制させることができ、膜厚のバラツキに起因した第２配線３４の被覆不良を回避させる。
【００４６】
（半導体装置の製造装置）
次に、上記半導体装置の製造装置としての成膜装置４０について説明する。
図２において、成膜装置４０は、ロードロックチャンバ４０Ｌと、同ロードロックチャンバ４０Ｌに連結されたコアチャンバ４０Ｃと、同コアチャンバ４０Ｃに連結された４つの成膜チャンバ４０Ｄと、を有している。ロードロックチャンバ４０Ｌと、コアチャンバ４０Ｃと、各成膜チャンバ４０Ｄは、それぞれ解除可能に連通して共通する真空系を形成可能にする。
【００４７】
ロードロックチャンバ４０Ｌは、複数のシリコン基板２を減圧空間に収容し、シリコン基板２の成膜処理を開始するとき、複数のシリコン基板２をそれぞれ成膜装置４０の内部に搬入する。ロードロックチャンバ４０Ｌは、シリコン基板２の成膜処理を終了するとき
、成膜処理後のシリコン基板２を収容して大気開放し成膜装置４０の外部に搬出する。
【００４８】
コアチャンバ４０Ｃは、シリコン基板２の成膜処理を開始するとき、成膜処理前のシリコン基板２をロードロックチャンバ４０Ｌから搬入し各成膜チャンバ４０Ｄに搬送する。コアチャンバ４０Ｃは、シリコン基板２の成膜処理を終了するとき、成膜処理後のシリコン基板２を各成膜チャンバ４０Ｄから搬入しロードロックチャンバ４０Ｌに搬送する。
【００４９】
各成膜チャンバ４０Ｄは、それぞれＣＶＤ法あるいは原子層蒸着法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition ）を用いてＺｒＢｘＮｙ膜を成膜するチャンバである。各成膜チャンバ４０Ｄは、それぞれシリコン基板２の成膜処理を実行するとき、シリコン基板２をコアチャンバ４０Ｃから搬入し、シリコン基板２の表面にＺｒＢｘＮｙ膜、すなわち上記第１及び第２メタルキャップ層１６，３７を成膜する。
【００５０】
図３において、成膜チャンバ４０Ｄは、その上部を開口したチャンバ本体４１と、同チャンバ本体４１の上部に配設されて上部開口を開閉可能にするチャンバリッド４２と、を有する。成膜チャンバ４０Ｄは、これらチャンバ本体４１とチャンバリッド４２とに囲まれた内部空間（以下単に、反応室Ｓという。）を有する。
【００５１】
チャンバ本体４１には、シリコン基板２を載置する基板ステージ４３が配設されている。基板ステージ４３は、抵抗加熱ヒータを搭載したステージである。基板ステージ４３は、シリコン基板２を載置するとき、シリコン基板２を所定の温度（例えば、２００［℃］〜２４０［℃］）に昇温させる。基板ステージ４３の下側には、昇降機構４４が連結されている。昇降機構４４は、基板ステージ４３を上下方向に昇降しシリコン基板２の搬入や搬出を可能にする。
【００５２】
チャンバ本体４１の一側には、排気ポートＰＤを介し排気ポンプ４５が接続されている。排気ポンプ４５は、ターボ分子ポンプやドライポンプなどの各種のポンプにより構成され、反応室Ｓの圧力を所定の圧力（例えば、１［Ｐａ］〜１０００［Ｐａ］）にまで減圧する。
【００５３】
チャンバリッド４２の下側には、反応室Ｓにガスを導入するためのシャワーヘッド４６が配設されている。シャワーヘッド４６は、複数の第一ガス供給孔Ｈ１と、第一ガス供給孔Ｈ１から独立する複数の第二ガス供給孔Ｈ２と、を備えている。シャワーヘッド４６は、各第一ガス供給孔Ｈ１から反応室Ｓに向けてＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入する。また、シャワーヘッド４６は、各第二ガス供給孔Ｈ２から反応室Ｓに窒素ガスを導入する。
【００５４】
チャンバリッド４２の上部一側には、第一ガスポートＰ１が設けられている。第一ガスポートＰ１は、チャンバリッド４２の内部を通してシャワーヘッド４６の各第一ガス供給孔Ｈ１と連通している。第一ガスポートＰ１は、チャンバリッド４２の外部において供給配管及び供給バルブを介し供給タンクＴに連結されている。供給タンクＴは、０℃の保温下でＺｒ（ＢＨ４）４を収容するタンクであって、マスフローコントローラＭＣ１に連結されている。
【００５５】
マスフローコントローラＭＣ１は、キャリアガス（例えば、アルゴン（Ａｒ））の供給系に連結され、供給タンクＴの内部に所定の流量のＡｒを供給する。マスフローコントローラＭＣ１は、例えば、１０［sccm ］〜５００［sccm ］の流量範囲でＡｒの供給量を制御する。マスフローコントローラＭＣ１がキャリアガスを供給するとき、供給タンクＴは、収容するＺｒ（ＢＨ４）４をバブリングさせて、Ｚｒ（ＢＨ４）４を含むキャリアガス（以下単に、Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスという。）を第一ガスポートＰ１に供給する。Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスは、第一ガスポートＰ１を通して各第一ガス供給孔Ｈ１から反応室Ｓに導
入される。
【００５６】
チャンバリッド４２の上端部には、第二ガスポートＰ２が設けられている。第二ガスポートＰ２は、チャンバリッド４２の内部を通してシャワーヘッド４６の各第二ガス供給孔Ｈ２と連通している。第二ガスポートＰ２は、チャンバリッド４２の外部において供給配管及び供給バルブを介しマスフローコントローラＭＣ２、マスフローコントローラＭＣ３、及びマスフローコントローラＭＣ４と連結している。
【００５７】
各マスフローコントローラＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４は、それぞれ水素（Ｈ２）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス、窒素（Ｎ２）ガスの供給系に連結され、第二ガスポートＰ２に所定の流量のＨ２、ＮＨ３、Ｎ２を供給する。マスフローコントローラＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４は、例えば、それぞれ１０［sccm ］〜５００［sccm ］の流量範囲でＨ２、ＮＨ３、Ｎ２の供給量を制御する。各マスフローコントローラＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４がそれぞれＨ２、ＮＨ３、Ｎ２を供給するとき、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２は、それぞれ第二ガスポートＰ２を通して各第二ガス供給孔Ｈ２から反応室Ｓに導入され、基板ステージ４３に載置されたシリコン基板２の表面に到達する。
【００５８】
チャンバリッド４２の上部であって、第二ガスポートＰ２と第二ガス供給孔Ｈ２との間の流路には、照射管４７が設けられている。照射管４７は、石英管あるいはアルミナ管からなる耐熱性の円筒管であって、第二ガスポートＰ２に供給されたガスを各第二ガス供給孔Ｈ２に向けて導出する。
【００５９】
照射管４７の外側であって、照射管４７の長手方向の途中には、マイクロ波電源ＦＧに駆動されるマイクロ波源４８と、マイクロ波源４８に連結されて照射管４７に向かって延びる導波管４９と、が配設されている。
【００６０】
マイクロ波源４８は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発振器（すなわち、マグネトロン）であって、マイクロ波電源ＦＧの駆動電力を受けて所定の出力範囲（例えば、０．１〜３．０［ｋＷ］）のマイクロ波を間欠的に出力させる。導波管４９は、マイクロ波源４８が発振するマイクロ波を導波管４９の内部に伝播させて照射管４７の内部に導入する。導波管４９は、マイクロ波源４８がマイクロ波を発振するとき、照射管４７を通過するガスにマイクロ波を照射して励起させ、活性化させる（すなわち、プラズマ化させる）。
【００６１】
第二ガスポートＰ２から照射管４７に導入されるガスは、各第二ガス供給孔Ｈ２から反応室Ｓに導入され、マイクロ波源４８がマイクロ波を発振するときに、励起した状態で導入される。反応室Ｓに滞在するＺｒ（ＢＨ４）４は、励起されたＮ２ガスと反応してシリコン基板２の表面にＺｒＢｘＮｙ膜を形成する。
【００６２】
次に、上記成膜装置４０の電気的構成について説明する。
図４において、制御部５１は、成膜装置４０に各種の処理動作、例えばシリコン基板２の搬送処理動作やシリコン基板２の成膜処理動作などを実行させるものである。制御部５１は、各種の演算処理を実行するＣＰＵと、各種のデータや各種の制御プログラムを格納する記憶部５１Ａと、各種の処理工程ごとにプロセス時間を計時するタイマ５１Ｂと、を有する。制御部５１は、例えば、記憶部５１Ａが格納する成膜処理プログラムを読み出し、タイマ５１Ｂが計時するプロセス時間と、読み出した成膜処理プログラムと、に従って成膜処理動作を実行させる。
【００６３】
制御部５１には、入出力部５２が接続されている。入出力部５２は、起動スイッチや停止スイッチなどの各種操作スイッチと、液晶ディスプレイなどの各種表示装置とを有する
。入出力部５２は、各処理動作に利用するデータを制御部５１に入力し、成膜装置４０の処理状況に関するデータを出力する。入出力部５２は、例えば、成膜時の各種のパタメータ（プロセス時間、ガス流量、マイクロ波電源ＦＧの出力値など）に関するデータ（以下単に、成膜条件データＩｄという。）を制御部５１に入力する。制御部５１は、入出力部５２から入力される成膜条件データＩｄを受信し、成膜条件データＩｄに対応する各種の駆動制御信号を生成し、成膜条件データＩｄに対応する成膜条件の下で成膜処理動作を実行させる。
【００６４】
制御部５１には、排気系を駆動制御するための排気系駆動回路５３が接続されている。制御部５１は、排気系駆動回路５３に対応する駆動制御信号を排気系駆動回路５３に出力する。排気系駆動回路５３は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、チャンバ内（例えば、反応室Ｓ）を所定の圧力に減圧させるための排気系（例えば、排気ポンプ４５）を駆動させる。
【００６５】
制御部５１には、搬送系駆動回路５４が接続されている。制御部５１は、搬送系駆動回路５４に対応する駆動制御信号を搬送系駆動回路５４に出力する。搬送系駆動回路５４は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、シリコン基板２を搬送させるための搬送系（例えば、昇降機構４４）を駆動させる。また、搬送系駆動回路５４は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、シリコン基板２を昇温させるための基板ステージ４３のヒータを駆動させる。
【００６６】
制御部５１には、マスフローコントローラ駆動回路５５が接続されている。制御部５１は、マスフローコントローラ駆動回路５５に対応する駆動制御信号をマスフローコントローラ駆動回路５５に出力する。マスフローコントローラ駆動回路５５は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、各ガスを供給させるための各マスフローコントローラＭＣ１〜ＭＣ４をそれぞれ駆動させる。
【００６７】
制御部５１には、マイクロ波電源駆動回路５６が接続されている。制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６に対応する駆動制御信号をマイクロ波電源駆動回路５６に出力する。マイクロ波電源駆動回路５６は、制御部５１からの駆動制御信号に応答して、マイクロ波を発振させるためのマイクロ波電源ＦＧを駆動させる。
【００６８】
（半導体装置の製造方法）
次に、上記成膜装置４０を用いた半導体装置１の製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、シリコン基板２の表面に、素子分離領域２ａと、素子領域２ｂと、を区画形成する。例えば、公知のＳＴＩプロセスを用いて、素子分離領域２ａにシリコン酸化膜を埋め込む。また、公知のＭＯＳプロセスを用いて、ゲート絶縁膜４、ソース・ドレイン領域５、ゲート電極６、サイドウォール７などを形成し、素子領域２ｂにＭＯＳトランジスタ３を形成する。
【００６９】
ＭＯＳトランジスタ３を形成すると、シリコン基板２の表面に第１層間絶縁膜８を積層し、コンタクトプラグ１０を形成する。例えば、ＣＶＤ技術を用いて、シリコン基板２の表面にＭＯＳトランジスタ３を覆うシリコン酸化膜を積層して第１層間絶縁膜８を形成し、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、第１層間絶縁膜８にコンタクトホール９を形成する。次いで、スパッタリング技術又はＣＶＤ技術を用いて、コンタクトホール９にチタンシリサイド／窒化チタン／タングステンを埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）技術あるいはエッチバック技術を用いて平坦化し、コンタクトプラグ１０を形成する。
【００７０】
コンタクトプラグ１０を形成すると、第１層間絶縁膜８の表面に第２層間絶縁膜１１を
積層し、第２層間絶縁膜１１に第１トレンチ１２を形成する。すなわち、絶縁層工程を実行し、続いて凹部工程を実行する。例えば、絶縁層工程は、ＣＶＤ技術を用いて、第１層間絶縁膜８の表面にシリコン酸化膜を積層して第２層間絶縁膜１１を形成し、凹部工程は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、第１トレンチ１２を形成する。
【００７１】
第１トレンチ１２を形成すると、第１トレンチ１２内を含む第２層間絶縁膜１１の表面に第１配線１３を積層し、第２層間絶縁膜１１の表面と第１配線１３の表面を平坦化させる。すなわち、金属層工程を実行し、続いて平坦化工程を実行する。例えば、金属層工程は、スパッタリング技術を用いて、第１トレンチ１２の内側面を含むシリコン基板２の全体に窒化チタンを積層して第１バリア層１４を形成する。次いで、無電解メッキ技術あるいはＣＶＤ技術を用いて、第１バリア層１４の表面に銅のメッキシード層を形成し、電解メッキ技術を用いて、第１トレンチ１２の内側を含むシリコン基板２の全体に銅を析出させて第１配線層１５を形成する。平坦化工程は、ＣＭＰ技術を用いて、第１バリア層１４及び第１配線層１５を研磨し、第１バリア層１４及び第１配線層１５の表面を第２層間絶縁膜１１の表面と略面一にして第１配線１３を形成する。
【００７２】
第１配線１３を形成すると、第２層間絶縁膜１１と第１配線１３を表面に有したシリコン基板２を成膜装置４０のロードロックチャンバ４０Ｌにセットし、メタルキャップ層工程を実行する。
【００７３】
すなわち、成膜装置４０の制御部５１は、入出力部５２から成膜条件データＩｄを受信し、排気系駆動回路５３を介して排気ポンプ４５を駆動し、シリコン基板２を収容するための反応室Ｓを予め所定の到達圧力（例えば、１［Ｐａ］）にまで減圧させる。制御部５１は、反応室Ｓを減圧させると、搬送系駆動回路５４を介して搬送系を駆動しロードロックチャンバ４０Ｌのシリコン基板２を成膜チャンバ４０Ｄまで搬送させる。
【００７４】
制御部５１は、搬送系駆動回路５４を介して昇降機構４４を駆動し基板ステージ４３にシリコン基板２を載置させ、タイマ５１Ｂを用いたプロセス時間の計時動作を開始し、同シリコン基板２を所定の温度（例えば、２４０［℃］）にまで昇温させる。この際、図５に示すように、制御部５１は、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ２を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＨ２ガスを供給させる。また、制御部５１は、排気系駆動回路５３を介して排気系を駆動させ、反応室Ｓの圧力を所定の圧力値に維持させる。これによって、シリコン基板２の昇温を促進させることができ、また、シリコン基板２の温度が２５０［℃］以上であれば、銅膜（第１配線１３）の表面を還元させる。また、マイクロ波で励起した水素（Ｈ２）を用いる場合、シリコン基板２の温度が１３０［℃］以上であれば、銅膜表面の還元効果を得ることができる。
【００７５】
制御部５１は、タイマ５１Ｂが計時するプロセス時間が所定の時間になると、排気系駆動回路５３、マスフローコントローラ駆動回路５５及びマイクロ波電源駆動回路５６を介して、成膜条件データＩｄに応じた各処理工程を実行させる。
【００７６】
すなわち、制御部５１は、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ２にＨ２ガスの供給を停止させる。次いで、制御部５１は、排気系駆動回路５３を介して排気系を駆動させ、成膜条件下における反応室Ｓの圧力が所定の圧力値になるように、予め排気系の排気能力を設定させる。
【００７７】
制御部５１は、排気系をセットさせると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ４を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＮ２ガスを供給させる。また、制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６を介してマイクロ波電源ＦＧを駆動させ、反応室Ｓに励起されたＮ２ガスを供給させる。
【００７８】
制御部５１は、励起されたＮ２ガスの供給を開始させると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＺｒ（ＢＨ４）４ガスを供給させる。これによって、制御部５１は、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起されたＮ２ガスとの気相反応を開始させ、シリコン基板２の表面全体にＺｒＢｘＮｙ膜を主成分とする第１メタルキャップ層１６を堆積させる。
【００７９】
堆積されるＺｒＢｘＮｙ膜は、第１配線１３の粗密、表面積、形状などに関わらず、第１配線１３上の領域にのみ導電性を発現し、隣接する配線間の短絡を回避させる。また、ＺｒＢｘＮｙ膜は、高い耐酸化性と高いバリア性を有するため、製造過程におけるＺｒＢｘＮｙ膜自身の酸化、第１配線１３の酸化、第２層間絶縁膜１１の吸湿などを阻止する。また、ＺｒＢｘＮｙ膜は、第１配線１３との間に高い密着性を有するため、第１メタルキャップ層１６の膜剥がれといった機械的損傷を回避させる。しかも、このＺｒＢｘＮｙ膜は、上記成膜チャンバ４０Ｄによりシリコン基板２の全体に成膜される。そのため、第１配線１３ごとにメタルキャップ層を形成させる場合に比べ、このＺｒＢｘＮｙ膜は、第１配線１３間の膜厚差を抑制し、膜厚のバラツキに起因した第１配線１３の被覆不良を回避させる。
【００８０】
そして、ＺｒＢｘＮｙ膜の原料ガスとして、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とを用いることにより安定した反応系を与えることができ、反応室Ｓの内部、供給配管、排気配管など、反応系の各所にわたりパーティクルの生成を抑制させることができる。しかも、Ｎ２ガス雰囲気下におけるＺｒ（ＢＨ４）４の熱分解反応に比べ、励起させたＮ２ガスを用いる分だけ、より多くの窒素元素をＺｒＢｘＮｙ膜の膜中に含有させることができる。また、水素元素を含まない窒素系ガス（Ｎ２ガス）を用いる分だけ、励起されたＮ２ガスの寿命を長くさせ、Ｚｒ−Ｎ結合の生成を促進させることができる。この結果、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実に発現させことができる。
【００８１】
制御部５１は、タイマ５１Ｂが計時するプロセス時間が所定の時間になると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１にＺｒ（ＢＨ４）４ガスの供給を停止させる。次いで、制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６及びマスフローコントローラ駆動回路５５を介し、マイクロ波の発振を停止させ、Ｎ２ガスの供給を停止させる。そして、制御部５１は、搬送系駆動回路５４を介して搬送系を駆動し、第１メタルキャップ層１６を有したシリコン基板２をロードロックチャンバ４０Ｌまで搬送し、成膜装置４０から搬出させる。
【００８２】
第１メタルキャップ層１６を形成すると、第１メタルキャップ層１６の表面に第３層間絶縁膜２１、トレンチエッチストッパ２２、第４層間絶縁膜３１、ハードマスク３２を順に積層する。すなわち、絶縁層工程を実行する。
【００８３】
例えば、絶縁層工程は、ＣＶＤ技術又はスピンコート技術を用いて、第１メタルキャップ層１６の表面に有機シリカガラスを積層して第３層間絶縁膜２１を形成し、ＣＶＤ技術を用いて、第３層間絶縁膜２１の表面にシリコン炭化膜を積層してトレンチエッチストッパ２２を形成する。また、ＣＶＤ技術あるいはスピンコート技術を用いて、トレンチエッチストッパ２２の表面に有機シリカガラスを積層して第４層間絶縁膜３１を形成し、ＣＶＤ技術を用いて、第４層間絶縁膜３１の表面にシリコン炭化膜を積層してハードマスク３２を形成する。
【００８４】
ハードマスク３２を形成すると、第３層間絶縁膜２１、トレンチエッチストッパ２２、第４層間絶縁膜３１、及びハードマスク３２に、ビアホール２３及び第２トレンチ３３を形成する。すなわち、凹部工程を実行する。例えば、凹部工程は、ビアホール２３を先行
して形成するビアファースト法を利用し、ビアホール２３及び第２トレンチ３３を形成する。
【００８５】
ビアホール２３と第２トレンチ３３を形成すると、ビアホール２３内及び第２トレンチ３３内を含む第４層間絶縁膜３１の表面に第２配線３４を積層し、第４層間絶縁膜３１の表面と第２配線３４の表面を平坦化させる。すなわち、金属層工程を実行し、続いて平坦化工程を実行する。例えば、金属層工程は、スパッタリング技術を用いて、ビアホール２３と第２トレンチ３３の内側面を含むシリコン基板２の全体に窒化チタンを積層して第２バリア層３５を形成する。次いで、無電解メッキ技術あるいはＣＶＤ技術を用いて、第２バリア層３５の表面に銅のメッキシード層を形成し、電解メッキ技術を用いて、ビアホール２３及び第２トレンチ３３の内側を含むシリコン基板２の全体に銅を析出させて第２配線層３６を形成する。平坦化工程は、ＣＭＰ技術を用いて、第２バリア層３５及び第２配線層３６を研磨し、第２バリア層３５及び第２配線層３６の表面をハードマスク３２の表面と略面一にして第２配線３４を形成する。
【００８６】
第２配線３４を形成すると、シリコン基板２を上記成膜装置４０に搬送し、ハードマスク３２及び第２配線３４の表面に第２メタルキャップ層３７を形成する。すなわち、上記第１メタルキャップ層１６と同じく、シリコン基板２の表面全体（ハードマスク３２の表面と第２配線３４の表面）に、共通するＺｒＢｘＮｙ膜を積層し第２メタルキャップ層３７を形成する（メタルキャップ層工程を実行する）。
【００８７】
第２メタルキャップ層３７は、第１メタルキャップ層１６と同じく、高い耐酸化性と高いバリア性を有するため、製造過程におけるＺｒＢｘＮｙ膜自身の酸化、第２配線３４の酸化、第４層間絶縁膜３１の吸湿などを阻止する。また、ＺｒＢｘＮｙ膜は、第２配線３４との間に高い密着性を有するため、第２メタルキャップ層３７の膜剥がれといった機械的損傷を回避させる。しかも、このＺｒＢｘＮｙ膜は、上記成膜チャンバ４０Ｄによりシリコン基板２の全体に成膜される。そのため、第２配線３４ごとにメタルキャップ層を形成させる場合に比べ、このＺｒＢｘＮｙ膜は、第２配線３４間の膜厚差を抑制し、膜厚のバラツキに起因した第２配線３４の被覆不良を回避させる。
【００８８】
そして、第２メタルキャップ層３７の原料ガスとして、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とを用いることにより安定した反応系を与えることができ、反応室Ｓの内部、供給配管、排気配管など、反応系の各所にわたりパーティクルの生成を抑制させることができる。しかも、Ｎ２ガス雰囲気下におけるＺｒ（ＢＨ４）４の熱分解反応に比べ、励起させたＮ２ガスを用いる分だけ、より多くの窒素元素をＺｒＢｘＮｙ膜の膜中に含有させることができる。また、水素元素を含まない窒素系ガス（Ｎ２ガス）を用いる分だけ、励起されたＮ２ガスの寿命を長くさせ、Ｚｒ−Ｎ結合の生成を促進させることができる。この結果、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実に発現させることができる。
【００８９】
（実施例）
次に、実施例を挙げて本発明の効果を説明する。表１〜表４は、それぞれ上記成膜装置４０を用いて形成した各種の条件におけるＺｒＢｘＮｙ膜の導電性を示す。また、図６〜図９は、それぞれ表１〜表４における実施例及び比較例の元素濃度を示す。なお、実施例の膜厚データは、それぞれシリコン基板の中心付近を碧開し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を利用して計測した値である。
【００９０】
表１においては、銅膜を表面に有したシリコン基板を用い、Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスが１００［sccm ］、Ｎ２ガスが１００［sccm ］、成膜時間が２［min ］、成膜温度が２４０［℃］、成膜時圧力が７００［Pa ］、マイクロ波出力が５００［Ｗ］となる条件の下で
成膜を実行し、実施例１のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、シリコン酸化膜を表面に有したシリコン基板を用い、実施例１と同じ条件の下で成膜を実行し、実施例２のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。この際、ＺｒＢｘＮｙ膜の膜中と膜上のパーティクル数を計測し、パーティクルの増加分が数個レベルであることを確認した。また、反応室Ｓの内壁、供給配管の内部、排気配管の内部を目視確認し、パウダー状の副生成物が生成されていないことを確認した。
【００９１】
また、表１においては、実施例２のＮ２ガスをＮＨ３ガスに変更し、その他の条件を同じくして比較例１のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、実施例２のＮ２ガスをＮ２ガスとＨ２ガスの混合ガスに変更し、その他の条件を同じくして比較例２のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。この際、ＺｒＢｘＮｙ膜の膜中と膜上のパーティクル数を計測し、パーティクルの増加分が数個レベルであることを確認した。また、反応室Ｓの内壁、供給配管の内部、排気配管の内部を目視確認し、パウダー状の副生成物が生成されていないことを確認した。
【００９２】
そして、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、それぞれ膜厚とシート抵抗値を計測した。また、実施例２、比較例１、比較例２のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、オージェ電子分光分析法（ＡＥＳ：Auger Electron Spectroscopy ）を用いて膜中の元素濃度を計測した。膜厚とシート抵抗値の結果を表１に示し、実施例２、比較例１、比較例２の元素濃度の測定結果を、それぞれ図６、図７、図８に示す。なお、図６〜図９において、横軸は、サンプル（ＺｒＢｘＮｙ膜／シリコン酸化膜）のスパッタ時間、すなわちＺｒＢｘＮｙ膜の膜厚を示し、縦軸は、対象元素の濃度、すなわちホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ），シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）の元素濃度を示す。
【００９３】
【表１】
表１において、“∞”は、対応するＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が計測した４９点の全てにおいて検出限界を超えた値（５×１０６［Ω／□］以上）であることを示す。
【００９４】
表１において、実施例１のＺｒＢｘＮｙ膜は、そのシート抵抗値が約６［Ω／□］を示し、銅膜（導電膜）に積層された状態で、高い導電性を示すことが分かる。実施例２のＺｒＢｘＮｙ膜は、そのシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。すなわち、実施例１及び実施例２の成膜条件によって得られるＺｒＢｘＮｙ膜は、その抵抗率に対して大きな下地選択性を有することが分かる。
【００９５】
一方、比較例１と比較例２は、シリコン酸化膜上に成膜されているにも関わらず、それぞれ実施例２よりも低いシート抵抗値を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で完全な絶縁性を発現していないことが分かる。
【００９６】
図６において、実施例２は、そのＺｒＢｘＮｙ膜にホウ素元素（Ｂ）の濃度よりも高い濃度の窒素元素（Ｎ）を含み、そのバルク中に４０％を超える窒素元素を含んでいることが分かる。一方、図７と図８において、比較例１と比較例２は、それぞれホウ素元素（Ｂ）の濃度よりも明らかに低い濃度の窒素元素（Ｎ）を含み、その濃度が２０％にも満たないことが分かる。
【００９７】
これらの結果、比較例１のＮＨ３ガスや比較例２のＨ２ガス、すなわち、プロセスガス中の水素元素は、ＺｒＢｘＮｙ膜に取り込まれる窒素元素の濃度を低下させ、ＺｒＢｘＮｙ膜に対し、その絶縁性の発現を阻害させる要因となる。そのため、水素元素を含まない窒素添加ガス、すなわち、励起されたＮ２ガスとＺｒ（ＢＨ４）４の気相反応系は、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実なものにさせることができる。また、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）の気相反応系は、そのパーティクルの増加要因が認められないため、ＺｒＢｘＮｙ膜の反応系として十分に安定した系を提供させることができる。
【００９８】
表２においては、実施例２の成膜時間を延長し、その他の条件を同じくして比較例３と比較例４のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、表３においては、実施例２の成膜温度を変更し、その他の条件を同じくして比較例５と比較例６と比較例７のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。また、表４においては、実施例２の成膜圧力、マイクロ波出力を変更し、その他の条件を同じくして比較例８と比較例９と比較例１０のＺｒＢｘＮｙ膜を得た。この際、各ＺｒＢｘＮｙ膜の膜中と膜上のパーティクル数を計測し、パーティクルの増加分が数個レベルであることを確認した。また、反応室Ｓの内壁、供給配管の内部、排気配管の内部を目視確認し、パウダー状の副生成物が生成されていないことを確認した。
【００９９】
そして、比較例３〜１０のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、それぞれ膜厚とシート抵抗値を計測し、また、比較例７のＺｒＢｘＮｙ膜に対し、ＡＥＳを用いて膜中の元素濃度を計測した。比較例３〜１０の膜厚とシート抵抗値の結果をそれぞれ表２〜表４に示し、比較例７の元素濃度の測定結果を図９に示す。
【０１００】
【表２】
【０１０１】
【表３】
【０１０２】
【表４】
表２において、比較例３と比較例４は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。したがって、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）の反応系は、その成膜時間に大きく依存することなく、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を発現させることができ、その成膜条件の範囲を拡張させることができる。
【０１０３】
表３において、比較例５と比較例６は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。一方、比較例７は、シリコン酸化膜上に成膜されているにも関わらず、実施例２よりも低いシート抵抗値を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で完全な絶縁性を発現していないことが分かる。
【０１０４】
また、図９において、比較例７は、それぞれホウ素元素（Ｂ）の濃度よりも低い濃度の窒素元素（Ｎ）を含み、その濃度が３０％に満たないことが分かる。すなわち、過剰に昇温させた条件下の成膜は、ＺｒＢｘＮｙ膜が取り込む窒素元素の濃度を低下させ、ＺｒＢｘＮｙ膜の絶縁性の発現を阻害させる要因となる。
【０１０５】
したがって、ＺｒＢｘＮｙ膜が十分な量の窒素元素を取り込む温度であって、かつ、ＺｒＢｘＮｙ膜に含まれる各種の結合が熱エネルギーによって安定化される温度、すなわち、２６０℃未満の温度範囲、好ましくは１８０℃〜２５０℃の温度条件は、ＺｒＢｘＮｙ膜の抵抗率の下地選択性を、より確実なものとさせ、かつ、ＺｒＢｘＮｙ膜の熱的安定性を確保させることができる。
【０１０６】
表４において、比較例８は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。すなわち、実施例１及び実施例２の成膜条件によって得られるＺｒＢｘＮｙ膜は、その成膜圧力が低くなる場合であっても、抵抗率の下地選択性を発現させる。
【０１０７】
したがって、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）の反応系は、下地選択性を有したＺｒＢｘＮｙ膜を形成する上で、広い圧力範囲を確保させることができ、その成膜条件の範囲を拡張させることができる。
【０１０８】
表４において、比較例９は、実施例２と同じく、ＺｒＢｘＮｙ膜のシート抵抗値が“∞”を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で、高い絶縁性を示すことが分かる。一方、比較例１０は、シリコン酸化膜上に成膜されているにも関わらず、実施例２よりも低いシート抵抗値を示し、シリコン酸化膜（絶縁膜）に積層された状態で完全な絶縁性を発現していないことが分かる。
【０１０９】
したがって、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）を用いることにより、ＺｒＢｘＮｙ膜に取り込まれる窒素元素の濃度を増加させ、ＺｒＢｘＮｙ膜に対し、その絶縁性の発現を誘起させることができる。
【０１１０】
上記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態では、第２層間絶縁膜１１と第１配線１３、あるいは、第２配線層３６とハードマスク３２をシリコン基板２の表面に形成し、そのシリコン基板２を反応室Ｓに搬送させ、その反応室Ｓに、マイクロ波によって励起されたＮ２ガスを導入する。そして、供給タンクＴに収容されるＺｒ（ＢＨ４）４をＡｒガスによってバブリングし、Ｚｒ（ＢＨ４）４を含むＡｒガスをＺｒ（ＢＨ４）４ガスとして反応室Ｓに導入する。
【０１１１】
したがって、ＺｒＢｘＮｙ（ｘは０を含む）からなる第１及び第２メタルキャップ層１６，３７を、Ｚｒ（ＢＨ４）４と、励起された窒素ガス（Ｎ２ガス）とによる反応系によって生成させることができる。この結果、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７が、下地の金属層の粗密、表面積、形状などに関わらず、金属層に応じた領域にのみ導電性を発現し、隣接する金属層間の短絡を回避させる。また、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７が、その成膜選択性を必要としない分だけ、複雑な洗浄工程を省くことができる。そして、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７に対し、パーティクルの生成を回避させた反応系を構築させることができる。よって、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７の信頼性と生産性を向上させることができる。
【０１１２】
（２）上記実施形態では、反応室Ｓの外側でＮ２ガスにマイクロ波を照射し、励起されたＮ２ガスを反応室Ｓの内部に導入する。したがって、反応室ＳにおいてＮ２ガスを励起させる場合に比べ、励起されたＮ２ガスを、反応に要する量だけ供給させることができる
。この結果、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起されたＮ２ガスとによる反応系を、より安定させることができる。しかも、Ｎ２ガスの励起に際し、シリコン基板２の損傷を回避させることができる。
【０１１３】
（３）上記実施形態では、ＺｒＢｘＮｙを成膜するときに、シリコン基板２を２１０℃〜２４０℃に加熱する。したがって、第１及び第２メタルキャップ層１６，３７の導電性に対し、より確実に下地依存性を発現させることができ、かつ、熱的に安定したＺｒＢｘＮｙ膜を形成させることができる。
【０１１４】
（第二実施形態）
以下、本発明を具体化した第二実施形態を図１０〜図１２に従って説明する。第二実施形態は、第一実施形態におけるＺｒＢｘＮｙ膜の成膜条件をＣＶＤ法からＡＬＤ法に変更したものである。そのため、以下では、ＺｒＢｘＮｙ膜の成膜条件について説明する。
【０１１５】
成膜装置４０の制御部５１は、第一実施形態と同じく、入出力部５２から成膜条件データＩｄを受信する。制御部５１は、排気系駆動回路５３を介して排気ポンプ４５を駆動し反応室Ｓを所定の到達圧力（例えば、１［Ｐａ］）まで減圧させる。制御部５１は、反応室Ｓを減圧させると、搬送系駆動回路５４を介して搬送系を駆動しロードロックチャンバ４０Ｌのシリコン基板２を成膜チャンバ４０Ｄまで搬送させる。
【０１１６】
制御部５１は、シリコン基板２を所定の温度に昇温させると、排気系駆動回路５３、マスフローコントローラ駆動回路５５及びマイクロ波電源駆動回路５６を介して、成膜条件データＩｄに応じた各処理工程を実行させる。
【０１１７】
すなわち、図１０において、制御部５１は、成膜プロセスを開始させると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１を駆動し、反応室Ｓに所定の流量のＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入させ、吸着工程を開始させる。例えば、制御部５１は、マスフローコントローラＭＣ１に１００［sccm ］のＡｒを供給させ、Ｚｒ（Ｂ
Ｈ４）４を含むＡｒガス、すなわちＺｒ（ＢＨ４）４ガスを反応室Ｓ導入させる。
【０１１８】
ここで、反応室ＳにＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入している期間を、吸着期間Ｔａという。吸着期間Ｔａは、予め試験等に基づいて設定され、Ｚｒ（ＢＨ４）４（吸着分子ＭＡ）がシリコン基板２の表面の全体にわたり一分子層を形成させる期間（例えば、１秒〜５秒）に設定されている。
【０１１９】
図１１において、反応室Ｓに導入されるＺｒ（ＢＨ４）４（吸着分子ＭＡ）は、シリコン基板２の表面との間の強い相互作用により同表面に吸着する。すなわち、Ｚｒ（ＢＨ４）４は、シリコン基板２の表面に対し物理的又は化学的に吸着する吸着分子ＭＡとして機能し、同表面の全体にわたり単分子層を形成する。
【０１２０】
図１０において、制御部５１は、吸着分子ＭＡを導入させてプロセス時間が吸着期間Ｔａだけ経過すると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１にＺｒ（ＢＨ４）４ガスの供給を停止させ、吸着工程を終了させる。
【０１２１】
制御部５１は、吸着工程を終了させると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ４を駆動させ、反応室Ｓに所定の流量のＮ２ガスを供給させる。また、制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６を介してマイクロ波電源ＦＧを駆動し、反応室Ｓに励起されたＮ２ガスを供給させ、改質工程を開始させる。
【０１２２】
ここで、マイクロ波源４８にマイクロ波を発振させている期間を、改質期間Ｔｒという
。改質期間Ｔｒは、予め試験等に基づいて設定され、吸着分子ＭＡの単分子層が窒化されてＺｒＢｘＮｙの単分子膜を生成する期間（例えば、１秒〜１０秒）に設定されている。
【０１２３】
図１２において、励起されたＮ２ガス（改質ガスＲ）は、Ｚｒ（ＢＨ４）４（吸着分子ＭＡ）分解反応を促進させ、シリコン基板２の表面に吸着した全ての吸着分子ＭＡを利用して分解生成物と副生成物ＢＰ（例えば、ホウ化水素）とを生成し、分解生成物の窒化反応を促進させて窒化物ＭＰを生成する。すなわち、励起されたＮ２ガス（改質ガスＲ）は、シリコン基板２の表面全体にわたりＺｒＢｘＮｙの単分子膜を生成する。
【０１２４】
図１０において、制御部５１は、マイクロ波を発振させてプロセス時間が改質期間Ｔｒだけ経過すると、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ４にＮ２ガスの供給を停止させる。制御部５１は、マイクロ波電源駆動回路５６を介してマイクロ波の発振を停止させる。すなわち、改質工程を終了させる。
【０１２５】
制御部５１は、改質工程を終了させると、再び、マスフローコントローラ駆動回路５５を介してマスフローコントローラＭＣ１を駆動し、所定の流量の吸着分子ＭＡを反応室Ｓに導入させる。すなわち、再び、吸着工程を開始させる。以後同様に、制御部５１は、上記吸着工程と上記改質工程とを交互に繰り返し、窒化物ＭＰからなる単分子層ＭＬを順に積層させる。
【０１２６】
これによって、成膜装置４０は、ＺｒＢｘＮｙを主成分としたメタルキャップ層１６，３７を単原子層ずつ積み重ねて形成させることができる。そのため、メタルキャップ層１６，３７が、下地の情報（すなわち、下地が導電膜であるか否か）を確実に引き継ぐことができる。
【０１２７】
上記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態では、反応室Ｓに吸着期間Ｔａの間だけＺｒ（ＢＨ４）４ガスを導入し、第２層間絶縁膜１１の表面と第１配線１３の表面、あるいはハードマスク３２の表面と第２配線３４の表面に、それぞれＺｒ（ＢＨ４）４を吸着させ、吸着分子ＭＡからなる単分子層を形成する。そして、吸着期間Ｔａの経過後、改質期間Ｔｒの間だけ、反応室Ｓに励起されたＮ２ガスを導入し、吸着分子ＭＡを利用してＺｒＢｘＮｙの単分子膜を生成する。
【０１２８】
したがって、ＺｒＢｘＮｙを主成分とするメタルキャップ層１６，３７を、単原子層ずつ積み重ねることができ、各メタルキャップ層１６，３７が、それぞれ対応する下地の情報、すなわち、下地が導電膜であるか否かを確実に引き継ぐことができる。この結果、各メタルキャップ層１６，３７が、それぞれ第１配線１３及び第２配線３４に応じた領域にのみ導電性を有し、隣接する第１配線１３間及び隣接する第２配線３４間の短絡を、より確実に回避させる。
【０１２９】
尚、上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記第二実施形態では、改質工程の期間だけ、励起されたＮ２ガスを導入させる構成にした。これに限らず、例えば、図１３に示すように、改質工程と吸着工程の双方で、励起されたＮ２ガスを導入させる構成にしてもよい。すなわち、吸着分子ＭＡを導入するときに、励起されたＮ２ガスを導入する構成にしてもよい。この構成によれば、Ｚｒ（ＢＨ４）４ガスと励起されたＮ２ガスの気相反応とＺｒ（ＢＨ４）４の吸着反応とを同時に行うことができる。この結果、吸着分子ＭＡの未反応分に相等するＺｒ（ＢＨ４）４、あるいは、気相反応の未反応分に想到するＺｒ（ＢＨ４）４を、より確実にＺｒＢｘＮｙとすることができ、より均一なＺｒ−Ｎ結合を形成させることができる。
【０１３０】
・上記実施形態では、金属層を第１配線１３及び第２配線３４に具体化した。これに限らず、例えば、金属層を容量素子の電極や誘導素子に具体化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の半導体装置を示す要部断面図。
【図２】成膜装置を示す平面図。
【図３】成膜チャンバを示す概略断面図。
【図４】成膜装置の電気的構成を示すブロック回路図。
【図５】第一実施形態の製造工程を示すタイムチャート。
【図６】実施例２の元素分析結果を示す図。
【図７】比較例１の元素分析結果を示す図。
【図８】比較例２の元素分析結果を示す図。
【図９】比較例７の元素分析結果を示す図。
【図１０】第二実施形態の製造工程を示すタイムチャート。
【図１１】第二実施形態の吸着工程を説明する工程図。
【図１２】第二実施形態の改質工程を説明する工程図。
【図１３】変更例における半導体装置の製造工程を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【０１３２】
ＭＣ１…第一供給手段を構成するマスフローコントローラ、ＭＣ４…第二供給手段を構成するマスフローコントローラ、Ｓ…反応室、Ｔ…第一供給手段を構成する供給タンク、１…半導体装置、２…半導体基板としてのシリコン基板、２ｂ…素子領域、１１…絶縁層を構成する第２層間絶縁膜、１２…凹部を構成する第１トレンチ、１３…金属層を構成する第１配線、１５…第１配線層、１６…第１メタルキャップ層、２１…絶縁層を構成する第３層間絶縁膜、２３…凹部を構成するビアホール、３３…凹部を構成する第２トレンチ、３１…絶縁層を構成する第４層間絶縁膜、３４…金属層を構成する第２配線、３６…第２配線層、３７…第２メタルキャップ層、４０…半導体装置の製造装置としての成膜装置、４１…チャンバ本体、５１…制御手段を構成する制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子領域を有する半導体基板に絶縁層を積層する絶縁層工程と、
前記絶縁層に凹部を形成する凹部工程と、
前記凹部に金属層を埋め込む金属層工程と、
前記絶縁層の表面と前記金属層の表面とを略同一面に平坦化する平坦化工程と、
前記半導体基板を有した反応室に、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガスとを供給し、平坦化した前記絶縁層の表面及び前記金属層の表面に、少なくともジルコニウム元素と窒素元素とを含むメタルキャップ層を成膜するメタルキャップ層工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記反応室の外側で前記窒素ガスにマイクロ波を照射し、励起された前記窒素ガスを前記反応室に導入すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いたＣＶＤ法により前記メタルキャップ層を成膜すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いた原子層蒸着法により前記メタルキャップ層を成膜すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記半導体基板を２６０℃未満に加熱して前記メタルキャップ層を成膜すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
チャンバ本体と、
前記チャンバ本体の反応室に設けられ半導体基板を載置するステージと、
前記反応室にＺｒ（ＢＨ４）４を供給する第一供給手段と、
前記反応室に励起された窒素ガスを供給する第二供給手段と、
前記第一供給手段及び前記第二供給手段を駆動制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜すること、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、
前記制御手段は、
前記第一供給手段と第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを共に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウ
ム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜すること、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、
前記制御手段は、
前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを交互に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面にＺｒ（ＢＨ４）４を吸着させた後、励起した前記窒素ガスによって、吸着させた前記Ｚｒ（ＢＨ４）４を少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層に改質させること、
を特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項１】
素子領域を有する半導体基板に絶縁層を積層する絶縁層工程と、
前記絶縁層に凹部を形成する凹部工程と、
前記凹部に金属層を埋め込む金属層工程と、
前記絶縁層の表面と前記金属層の表面とを略同一面に平坦化する平坦化工程と、
前記半導体基板を有した反応室に、Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された窒素ガスとを供給し、平坦化した前記絶縁層の表面及び前記金属層の表面に、少なくともジルコニウム元素と窒素元素とを含むメタルキャップ層を成膜するメタルキャップ層工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記反応室の外側で前記窒素ガスにマイクロ波を照射し、励起された前記窒素ガスを前記反応室に導入すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いたＣＶＤ法により前記メタルキャップ層を成膜すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを用いた原子層蒸着法により前記メタルキャップ層を成膜すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記メタルキャップ層工程は、
前記半導体基板を２６０℃未満に加熱して前記メタルキャップ層を成膜すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
チャンバ本体と、
前記チャンバ本体の反応室に設けられ半導体基板を載置するステージと、
前記反応室にＺｒ（ＢＨ４）４を供給する第一供給手段と、
前記反応室に励起された窒素ガスを供給する第二供給手段と、
前記第一供給手段及び前記第二供給手段を駆動制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起された前記窒素ガスとを前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜すること、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、
前記制御手段は、
前記第一供給手段と第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを共に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面に少なくともジルコニウ
ム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層を成膜すること、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体装置の製造装置であって、
前記制御手段は、
前記第一供給手段と前記第二供給手段を駆動制御して、前記Ｚｒ（ＢＨ４）４と励起した前記窒素ガスとを交互に前記反応室に供給し、前記半導体基板の表面にＺｒ（ＢＨ４）４を吸着させた後、励起した前記窒素ガスによって、吸着させた前記Ｚｒ（ＢＨ４）４を少なくともジルコニウム元素と窒素元素を含むメタルキャップ層に改質させること、
を特徴とする半導体装置の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−２１１０９０（Ｐ２００８−２１１０９０Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４８０６５（Ｐ２００７−４８０６５）
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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