半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置
【課題】バリアメタル層を有する半導体装置を製造するに際し、パーティクルの発生を抑制可能な製造方法、及びこの製造方法を用いる半導体装置の製造装置を提供する。
【解決手段】
２つの金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置を製造するに際し、チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして、複数の金属層を下地配線上に積層する過程において最下層となる第１金属層に酸化処理を施す。次いで、最下層となる第１金属層の表面に第１金属酸化物層を形成した後に、層間において構成元素が異なるように、一つ以上の金属層を含む下地の表面に対して酸化処理、窒化処理、及び酸窒化処理のいずれかの処理を施す。こうした処理より第２金属化合物層を形成する。上記金属化合物層は、金属酸化物層の他、金属窒化物層や金属酸窒化物層であってもよい。
【解決手段】
２つの金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置を製造するに際し、チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして、複数の金属層を下地配線上に積層する過程において最下層となる第１金属層に酸化処理を施す。次いで、最下層となる第１金属層の表面に第１金属酸化物層を形成した後に、層間において構成元素が異なるように、一つ以上の金属層を含む下地の表面に対して酸化処理、窒化処理、及び酸窒化処理のいずれかの処理を施す。こうした処理より第２金属化合物層を形成する。上記金属化合物層は、金属酸化物層の他、金属窒化物層や金属酸窒化物層であってもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電層に挟まれたバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法、及び該製造方法に用いられる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に記載のように、アルミニウムからなるビアプラグ用のバリアメタル層として、２つのチタン層の間に窒化チタン層が挟まれた３層構造を用いる技術が広く知られている。バリアメタル層を構成するチタン層のうち、基板側に形成された下層のチタン層は、アルミニウムの結晶配向性を向上させてビアプラグの配線抵抗を低下させる。またバリアメタル層を構成するチタン層のうち、ビアプラグ側に形成された上層のチタン層はバリアメタル層に対するアルミニウムの濡れ性を向上させてバリアメタル層とビアプラグとの密着性を高める。このような３層構造のバリアメタル層であれば、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションが抑制されてビアプラグの信頼性が高められるようになる。
【０００３】
近年では、半導体装置の高密度化を実現させるために、例えば特許文献２に記載のように、配線構造に対する微細化が強く求められている。一方、配線構造を微細化する上では配線自体の微細化が必要不可欠であるため、電流密度が増大することにより上記エレクトロマイグレーションが一層深刻化してしまう。そこで、このような半導体装置の配線構造においては、抵抗率が低く且つ、エレクトロマイグレーションの耐性に優れた銅が配線材料として多用され、銅配線に対するバリアメタル層にも上記３層構造が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９３１６０号公報
【特許文献２】特開２００７−３１１４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記バリアメタル層を構成する３層のうち、２つのチタン層は、アルゴンガス等の希ガスの雰囲気にてチタンターゲットがスパッタされることにより形成される。これに対して、窒化チタン層は、窒素ガスを含有する雰囲気にてチタンターゲットがスパッタされる反応性スパッタにより形成される。
【０００６】
ここで、スパッタチャンバ内にはスパッタ粒子がチャンバ壁に直に付着しない様に、基板ステージとターゲット以外の空間において放電中のプラズマを完全に囲むように防着板が設置されている。そのため、反応性スパッタが行われる際、生成物であるチタンの窒化物は、薄膜として基板上に堆積するばかりでなく、窒化チタン層の成膜処理が繰り返されて防着板の内表面に窒化チタンが堆積し続ける。その結果、強い膜ストレスを有して柱状結晶構造で堆積する特徴を持った窒化チタンが防着板の内表面から剥離してパーティクルが発生するようになる。そこで、反応性スパッタにおいては、パーティクルの発生を抑制する目的で、以下のような処理が実施されている。
【０００７】
窒素ガスを含有する雰囲気にてターゲットがスパッタされた後には、チタンターゲットが希ガスの雰囲気でスパッタされる。これにより、膜ストレスが弱く、防着板との密着性が高いチタンによって防着板の内表面が被覆される。次いで、窒素ガスを含有する雰囲気にてチタンターゲットがスパッタされる。これらが繰り返される処理によれば、防着板の
内表面に被覆されたチタンが防着板の内表面と窒化チタンとの間の密着層として機能するようになる。そのため、窒化チタンの剥離によるパーティクルの発生が抑えられるようになる。しかしながら、こうした処理を施しても、膜の剥離を完全に抑制する事が出来ず、処理を繰り返して積層の回数が増えてくると、遂には密着効果よりストレスによる剥離効果が強くなり、パーティクルの発生に至る。そのため、密着膜（チタン膜）をより厚く形成するなどして処理の効果を高める事が一般的である。また、こうした処理は基板成膜に寄与しないため、実質的なターゲットの寿命を短くすることに加えて、その処理に要する時間が基板成膜の他に余計に必要となる。その結果、半導体装置の生産性の低下は免れ得ないこととなる。さらに防着板の内表面をチタンによって被覆するため、防着板の定期的な交換頻度も多くなる上、基板が載置されることになるステージ上にチタンを堆積させないために、ダミー用の基板が別途必要となってしまう。
【０００８】
なお、こうした問題は、チタンを構成材料とするバリアメタル層に限らず、反応性スパッタで窒化物や酸化物が形成されるバリアメタル層であれば概ね共通する問題であって、例えばタンタルを構成材料とするバリアメタル層においても生じることになる。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、バリアメタル層を有する半導体装置を製造するに際し、パーティクルの発生を抑制可能な半導体装置の製造方法、及びこの製造方法に用いられる半導体装置の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記複数の金属層を導電層上に積層する過程において、（ａ）（ｂ）及び（ｃ）のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に複数の前記金属化合物層を形成すること、（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する、（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す、それを要旨とする。
【００１１】
配線を構成するバリアメタル層には、配線の信頼性を確保する上で、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーション等の現象を抑える機能が求められる。そして金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属酸窒化物層のいずれかは、同現象を抑制する上で、不可欠な構成要素である。上記製造方法によれば、金属酸化物層、金属窒化物層、若しくは金属酸窒化物層が、（ａ）及び（ｂ）のいずれかの表面処理により形成される。
（ａ）金属化合物層に対する酸化、窒化、及び酸窒化のいずれか一つの処理
（ｂ）金属層に対する酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理
例えば酸素ガスを用いて生成したプラズマによる酸化処理、酸素ガスを用いた熱酸化処理、窒素ガスを用いて生成したプラズマによる窒化処理、酸素ガス及び窒素ガスを用いて生成したプラズマによる酸窒化処理、それらによって金属化合物層が形成される。そのため、反応性スパッタが用いられることなく、バリアメタル層が形成可能となる。それゆえに、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００１２】
なお、金属層や金属化合物層の表面処理によって得られる金属化合物層では、金属化合物の堆積によって得られる金属化合物層と比較して、十分なバリア性が得られない場合もある。この点、上記製造方法によれば、層間において構成元素が異なるように複数の金属化合物層が積層されることから、複数の金属化合物層による相乗効果によってバリア性を担保することが可能にもなる。
【００１３】
また、本願発明者らの鋭意研究により、複数の金属化合物層の間に金属層が介在するバリアメタル層の構造によれば、該金属層が介在しない場合と比較して、バリア性が向上することが見出された。上記（ｂ）の処理が施されることになれば、このような複数の金属化合物層の間に金属層が介在するような構造が、反応性スパッタが用いられることなく、実現可能となる。それゆえに、パーティクル源となり得る反応性スパッタが用いられることなくバリアメタル層が形成可能であるため、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記導電層上に絶縁膜を形成して前記導電層の一部を露出させる貫通孔を前記絶縁膜に形成した後に、前記貫通孔における内表面の全体に前記バリアメタル層を形成し、前記バリアメタル層で覆われた前記貫通孔内に他の導電層を埋め込むことをその要旨とする。
【００１５】
絶縁膜の下地となる導電層と、該絶縁膜に形成された貫通孔内に埋め込まれる導電層との接続箇所においては、貫通孔の内表面の全体を覆うかたちのバリアメタル層が一般に採用される。貫通孔内へ導電層を確実に埋め込むためには、こうしたバリアメタル層に対しても高い埋め込み性が求められる。上記製造方法によれば、貫通孔の内表面の全体に形成された金属層に対する表面処理によって金属化合物層が形成されることから、別途金属化合物層を成膜する製造方法と比較して、導電層の埋め込み性が担保されることのみによってバリアメタル層の埋め込み性が確保可能になる。それゆえに、バリアメタル層に埋め込み性が求められる上記のような配線構造に対して、埋め込み性が失われることなく、上述した効果が得られるようになる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化する処理は、酸化の対象となる層を加熱しつつ該層の表面に酸素を供給する熱処理、又は酸化の対象となる層の表面に対して酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理であることを要旨とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記窒化する処理は、窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理であることを要旨とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸窒化する処理は、酸窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガス及び酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理であることを要旨とする。
【００１９】
上記製造方法では、チタン若しくはタンタルからなる各層を酸化、窒化、及び酸窒化のいずれかの処理にて、チタン若しくはタンタルの化合物からなる層を形成する。これに際し、熱酸化処理、あるいは、窒素含有ガスのプラズマや、窒素含有ガス及び酸素含有ガスのプラズマにより窒化処理や酸窒化処理を実施したりしていることから、反応性スパッタに起因する上記パーティクルの発生を抑制しつつも、化合物層を確実に形成することで、バリアメタル層としての機能を維持することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタ
ル層を基板に設けられた導電層上に有する半導体装置の製造装置であって、チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記導電層上に金属層を形成する成膜部と、前記金属層の表面に対して処理を施す表面処理部と、前記成膜部と前記表面処理部とに前記基板を搬送する搬送部と、前記搬送部に対して前記基板の搬送先を制御すると共に、該搬送先となる前記成膜部及び前記表面処理部に対して前記基板に施す処理を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記成膜部に複数の前記金属層を積層させる過程において、（ａ）（ｂ）及び（ｃ）のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に前記金属化合物層を形成すること、（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する、（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す、をその要旨とする。
【００２１】
上記構成によれば、バリアメタル層の形成に際して、上記金属酸化物層、金属窒化物層、若しくは金属酸窒化物層が、（ａ）及び（ｂ）のいずれかの処理により形成される。
（ａ）金属化合物層に対する酸化、窒化、及び酸窒化のいずれか一つの処理
（ｂ）金属層に対する酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理
例えば酸素ガスを用いて生成したプラズマによる酸化処理、酸素ガスを用いた熱酸化処理、窒素ガスを用いて生成したプラズマによる窒化処理、酸素ガス及び窒素ガスを用いて生成したプラズマによる酸窒化処理、それらによって金属化合物層が形成される。そのため、反応性スパッタが用いられることなく、バリアメタル層が形成可能となる。なお、金属層や金属化合物層の表面処理によって得られる金属化合物層では、金属化合物の堆積によって得られる金属化合物層と比較して、十分なバリア性が得られない場合もある。この点、上記製造方法によれば、層間において構成元素が異なるように複数の金属化合物層が積層されることから、複数の金属化合物層による相乗効果によってバリア性を担保することが可能にもなる。それゆえに、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造装置においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る半導体装置の製造方法を用いた半導体装置の製造装置における一実施の形態の概略構成を示す概略構成図。
【図２】（ａ）（ｂ）半導体装置が有する配線の断面構造の一例を示す断面図。
【図３】（ａ）（ｂ）半導体装置の製造工程を示すフローチャート。
【図４】半導体装置を加熱処理する以前及び以後におけるシート抵抗値とそれの変化率とを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置を具体化した一実施の形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、上記半導体装置の製造装置の概略構成を示している。
【００２４】
図１に示されるように、半導体装置の製造装置は、複数の基板処理チャンバを有するクラスター型の製造装置である。半導体装置の製造装置は、複数の基板処理チャンバからなる第１処理部１０と、同じく複数の基板処理チャンバからなる第２処理部２０と、第１処理部１０と第２処理部２０とを接続するバッファ室３０とから構成されている。
【００２５】
第１処理部１０は、バッファ室３０と複数の基板処理チャンバとに接続された第１搬送チャンバ１１を備えている。第１搬送チャンバ１１の内部には、処理対象物である基板Ｓを各基板処理チャンバとバッファ室３０とに搬送する搬送部としての搬送ロボットＲ１が搭載されている。また第１搬送チャンバ１１の外側には、２つのロードロックチャンバ１２ａ，１２ｂと、２つのリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂと、２つの長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂとが接続されている。なお、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂはいずれか一つでもよい。
【００２６】
ロードロックチャンバ１２ａ，１２ｂは、半導体装置の製造装置内に処理前の基板Ｓを搬入するためのチャンバであって且つ、半導体装置の製造装置外へ処理後の基板Ｓを搬出するためのチャンバである。
【００２７】
リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂは、アルミニウムからなるターゲットと、基板Ｓの温度を３５０℃〜４５０℃程度に昇温するための図示されない昇温装置とを有している。そしてリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂは、基板Ｓの温度を３５０℃〜４５０℃に維持しつつターゲットをスパッタさせて基板Ｓの表面にアルミニウム膜を堆積させる。
【００２８】
長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、アルミニウムからなるターゲットと、基板Ｓの温度を１００℃以下で維持するための図示されない冷却装置とを有している。長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、基板Ｓとターゲットと間の距離であるＴＳ距離が上記リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂのＴＳ距離よりも十分に長くなるように構成されている。長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂにおけるＴＳ距離は、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が基板Ｓの表面に略垂直に入射する距離に予め設定されている。そして長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、基板Ｓの温度を１００℃以下で維持しつつ、基板Ｓの表面の略法線方向に沿ってアルミニウム粒子を堆積させる。このように、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、ロングスロースパッタ法（ＬＴＳ法）によってアルミニウムの薄膜を形成する。
【００２９】
第２処理部２０は、バッファ室３０と複数の基板処理チャンバとに接続された第２搬送チャンバ２１を備えている。第２搬送チャンバ２１の内部にも、上記第１搬送チャンバ１１と同様、各基板処理チャンバとバッファ室３０とに基板Ｓを搬送する搬送部としての搬送ロボットＲ２が搭載されている。また第２搬送チャンバ２１の外側には、還元チャンバ２２と、脱ガスチャンバ２３と、成膜部としての成膜チャンバ２４ａ，２４ｂと、表面処理部としての表面処理チャンバ２５と、冷却チャンバ２６とが接続されている。
【００３０】
還元チャンバ２２は、水素ガスの雰囲気をチャンバ内に形成して基板Ｓを水素ガス雰囲気で加熱する。そして還元チャンバ２２は、基板Ｓの表面を水素雰囲気に曝しつつ基板Ｓの表面を水素ガスによって還元するとともに、基板Ｓの表面に吸着していた吸着水や吸着ガスを基板Ｓの表面から取り除く。なお、基板Ｓの表面に導電層である銅配線が露出している場合には、銅配線の表面が大気等によって酸化されているため、このような水素ガスによる還元処理が特に必要とされる。
【００３１】
脱ガスチャンバ２３は、不活性ガスの雰囲気をチャンバ内に形成して基板Ｓの表面に付着したガスを不活性ガスでパージする。そして脱ガスチャンバ２３は、基板Ｓを高い真空度の下で加熱して基板Ｓの表面あるいは内部に吸着したガスを熱的に取り除く。なお、上述したように、基板Ｓの表面に吸着していた吸着水や吸着ガスが還元処理によっても取り除くことができるため、既に還元処理が実施された状態の基板Ｓに対しては、このような脱ガス処理を敢えて実施する必要は無い。例えば、基板Ｓの表面に銅配線が露出している
場合には、上述した還元処理が必要とされるため、脱ガス処理を還元処理に代えることが可能である。反対に、上述した還元処理が実施されない場合、例えばリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂにおける成膜状態を個別に確認する際には、上述した還元処理を行うことなく、表面全体がシリコン酸化膜からなる基板Ｓが用いられるため、製造装置の運用上、このような脱ガス処理が必要になる。
【００３２】
成膜チャンバ２４ａ，２４ｂは、それぞれチタンあるいはタンタルを主成分とするターゲットを有して、アルゴンガス、キセノンガス、ヘリウムガス等の希ガスの雰囲気をチャンバ内に形成する。そして成膜チャンバ２４ａ，２４ｂは、希ガスの雰囲気でターゲットをスパッタして、ターゲットの構成元素からなる金属膜を基板Ｓの表面に形成する。
【００３３】
表面処理チャンバ２５には、酸素ガス及び窒素ガスのいずれかを供給するガス供給部と、チャンバ内で基板Ｓを所定温度まで加熱する加熱機構と、チャンバ内でプラズマを生成するプラズマ源とが設けられている。プラズマ源としては、表面処理チャンバ２５の外部に配設された高周波アンテナに高周波電力を供給してプラズマを誘起する誘導結合方式、あるいは、チャンバ内に対向配置された電極のいずれかに高周波電力を供給してプラズマを誘起する容量結合方式等、公知の方式が採用可能である。そして表面処理チャンバ２５は、成膜チャンバ２４ａにて形成された薄膜の表面に、酸化処理、窒化処理、酸窒化処理を施す。なお、対向配置された電極や基板のステージに配置された電極を成膜チャンバ２４ａ，２４ｂが有するとともに、同成膜チャンバ２４ａ，２４ｂ内に酸素含有ガス及び窒素含有ガスが供給される構成であれば、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂにおいても、上述したような酸化処理、窒化処理、酸窒化処理が可能である。そのため、このような構成からなる成膜チャンバ２４ａ，２４ｂであれば、上述した表面処理チャンバ２５に代わり、成膜処理の直後に表面処理を実施することも可能である。
【００３４】
冷却チャンバ２６は、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂにおける成膜処理、表面処理チャンバ２５における表面処理等、第２処理部２０で実行される各種処理により加熱された基板を冷却する。なお、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂにおいて基板が十分に冷却される構成であれば、この冷却チャンバ２６を割愛してもよい。
【００３５】
第１搬送チャンバ１１及び第２搬送チャンバ２１と、これらのそれぞれに接続された各種チャンバとの間には、２つのチャンバ間を連通あるいは非連通とするゲートバルブ４０が設けられている。また、半導体装置の製造装置が備える全チャンバには、それぞれチャンバ内を所定の圧力に排気する排気装置５０が接続されている。
【００３６】
半導体装置の製造装置には、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂ、表面処理チャンバ２５、搬送ロボットＲ１，Ｒ２等の駆動態様を制御する制御部６０が設けられている。制御部６０は、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂでの成膜条件を膜種ごとに示すプログラム、表面処理チャンバ２５での処理条件を処理の内容ごとに示すプログラム、搬送ロボットＲ１，Ｒ２による基板Ｓの搬送の順序を搬送先での処理の内容と共に示すシーケンス、それらが記憶された記憶部６０ａを有する。
【００３７】
そして制御部６０は、記憶部６０ａに記憶されたプログラムとシーケンスとを読み込んで搬送処理、成膜処理、表面処理を実行する。つまり、制御部６０は、読み込んだシーケンスとプログラムとに従って、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂ及び表面処理チャンバ２５によって形成される積層膜の構成を制御する。
【００３８】
次に、上記半導体装置の製造装置を用いて、当該半導体装置の製造工程の一部、詳細には、バリアメタル層とアルミニウム配線とを形成する工程フローを、先に示した図１、及び図２、図３を参照して説明する。まず、上記半導体装置の製造装置を用いて形成される
配線の構造について以下に説明する。図２は、二種類の配線の構造を示す断面図であって、（ａ）は第１のスタック構造、（ｂ）は第２のスタック構造の断面図である。なお、記憶部６０ａには、第１のスタック構造を形成するための工程フローに対応するシーケンスと、第２のスタック構造を形成するための工程フローに対応するシーケンスとが記憶されている。
【００３９】
図２（ａ）に示されるように、第１のスタック構造では、銅からなる下地配線ＭＬ上の絶縁層ＤＬに設けられたビアホールＨに、バリアメタル層ＢＭ、ライナー層ＳＬ、バルク層ＰＬからなるビアプラグが埋め込まれている。バリアメタル層ＢＭは、最もビアホールＨの内表面に近い層であるチタン若しくはタンタルからなる第１金属層ＢＭｂを有している。そして、第１金属層ＢＭｂには、該第１金属層ＢＭｂと同一の金属元素を含んで構成元素が互いに異なる第１金属化合物層Ｂｎ１と第２金属化合物層Ｂｎ２とが積層されるとともに、これらの上層として第２金属層ＢＭｔが積層されている。
【００４０】
図２（ｂ）に示されるように、第２のスタック構造におけるバリアメタル層ＢＭは、第１のスタック構造と同様に、最もビアホールＨの内表面に近い層であるチタン若しくはタンタルからなる第１金属層ＢＭｂを有している。そして、第１金属層ＢＭｂには、該第１金属層ＢＭｂと同一の金属元素を含んで構成元素が互いに異なる第１金属化合物層Ｂｎ１と第２金属化合物層Ｂｎ２とに挟まれた中間金属層ＢＭｍが積層されるとともに、これらの上層として第２金属層ＢＭｔが積層されている。
【００４１】
次に、第１のスタック構造及び第２のスタック構造を形成するための工程フローについて以下に説明する。図３（ａ）は第１のスタック構造を形成するための工程フローを示すフローチャートであり、図３（ｂ）は第２のスタック構造を形成するための工程フローを示すフローチャートである。まず、第１のスタック構造を形成するための工程フローについて説明する。
【００４２】
図３（ａ）に示される工程フローの実施に先立ち、ビアホールＨが形成された絶縁層ＤＬを有する基板Ｓが、上記ロードロックチャンバ１２ａから半導体装置の製造装置に搬入される。次いで、基板Ｓは、搬送ロボットＲ１，Ｒ２により、ロードロックチャンバ１２ａから、第１搬送チャンバ１１、バッファ室３０、及び第２搬送チャンバ２１を介して還元チャンバ２２に搬送される。
【００４３】
還元チャンバ２２内では、水素ガス雰囲気で基板Ｓを加熱する還元処理が実施される（還元工程：ステップＳ１１）。半導体装置の製造装置に搬送されるまでの間に大気中に含まれる酸素等の酸化源によって酸化された下地配線ＭＬ（導電層）の表面は、この還元処理によって還元されるとともに、吸着していた吸着水や吸着ガスを取り除かれる。
【００４４】
続いて、基板Ｓは搬送ロボットＲ２によって脱ガスチャンバ２３から成膜チャンバ２４ａに搬送される。成膜チャンバ２４ａにおいては、チタンあるいはタンタルからなるターゲットがアルゴンガス等の希ガスの雰囲気でスパッタされて、ビアホールＨの内表面にバリアメタル層ＢＭの最下層となる第１金属層ＢＭｂが形成される（第１成膜工程：ステップＳ１２）。例えば、記憶部６０ａから読み込まれたシーケンスに膜種としてチタンが設定されている場合、成膜チャンバ２４ａにおいては、チタンターゲットが希ガスの雰囲気でスパッタされて、ビアホールＨの内表面に第１金属層ＢＭｂとしてチタン層が形成される。
【００４５】
第１金属層ＢＭｂが形成されると、基板Ｓは搬送ロボットＲ２により成膜チャンバ２４ａから表面処理チャンバ２５に搬送される。表面処理チャンバ２５ではまず、第１金属層ＢＭｂの表面が酸素雰囲気で酸化される（第１表面処理工程：ステップＳ１３）。この酸
化処理により、金属酸化物からなる第１金属化合物層Ｂｎ１が、第１金属層ＢＭｂの表面から所定の厚さに渡り形成される。なお、第１金属層ＢＭｂの表面に施される酸化としては、酸素雰囲気下で第１金属層ＢＭｂが加熱される熱酸化であってもよく、あるいは第１金属層ＢＭｂの表面が酸素プラズマに曝されるプラズマ酸化であってもよい。ただし、この酸化処理は、第１金属層ＢＭｂの全てが酸化されるものではなく、あくまで第１金属層ＢＭｂの表面を含む厚さ方向の一部が金属酸化物層になる処理である。
【００４６】
なお、第１表面処理工程は、バリア性能を向上させるための処理であるため、製造する半導体装置のバリア性能が確保できる場合は、省略することもできる。
続いて、同表面処理チャンバ２５では、酸素ガスと窒素ガスとからなる雰囲気、あるいは窒素ガスのみからなる雰囲気が形成されて、次のいずれかの表面処理が実施される（第２表面処理工程：ステップＳ１４）。
・窒素ガス及び酸素ガスから生成されたプラズマによる酸窒化
・窒素ガスから生成されたプラズマによる窒化
この第２表面処理工程により、第１金属化合物層Ｂｎ１が、その表面から所定の厚さに渡り、窒化あるいは酸窒化されて、第１金属化合物層Ｂｎ１とは構成元素が互いに異なる第２金属化合物層Ｂｎ２が形成される。
【００４７】
また、上述したように第１表面処理工程（ステップＳ１３）を省略している場合は、第２表面処理工程（ステップＳ１４）にて、プラズマによる酸化処理、窒化処理、酸窒化処理のいずれか１つを行ってもよい。
【００４８】
例えば、記憶部６０ａから読み込まれたシーケンスに表面処理として窒化が設定されている場合、表面処理チャンバ２５においては、上記熱酸化が実行された後、窒素ガスのみからなる雰囲気が形成されて、第１金属化合物層Ｂｎ１の表面に窒化チタン層が形成される。また記憶部６０ａから読み込まれたシーケンスに酸窒化が設定されている場合、表面処理チャンバ２５においては、上記熱酸化が実行された後、窒素ガス及び酸素ガスからなる雰囲気が形成されて、第１金属化合物層Ｂｎ１の表面に酸窒化チタン層が形成される。
【００４９】
なお、第１金属化合物層Ｂｎ１の窒化あるいは酸窒化は、第１金属化合物層Ｂｎ１の全てが窒化あるいは酸窒化されるものではなく、あくまで第１金属化合物層Ｂｎ１の表面を含む厚さ方向の一部が、窒化あるいは酸窒化される処理である。
【００５０】
これらステップＳ１２〜ステップＳ１４までの一連の工程が実行されることにより、第１金属層ＢＭｂ、第１金属化合物層Ｂｎ１、第２金属化合物層Ｂｎ２の順に積層された３層構造の積層膜が形成される。そして２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の構成元素が互いに異なるものになる。
【００５１】
上記３層構造が形成されると、基板Ｓは、上記搬送ロボットＲ２によって表面処理チャンバ２５から成膜チャンバ２４ｂに搬送される。成膜チャンバ２４ｂでは、第１金属層ＢＭｂと同一または別の構成元素からなる第２金属層ＢＭｔが形成される（第２成膜工程：ステップＳ１５）。これにより、２つの金属層ＢＭｂ，ＢＭｔによって挟まれて互いに異なる構成元素からなる２層の金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２を有するバリアメタル層ＢＭが形成される。
【００５２】
このようなバリアメタル層ＢＭが形成された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって成膜チャンバ２４ｂから冷却チャンバ２６に搬送される。そして、冷却チャンバ２６では、該基板Ｓの温度を、例えば成膜チャンバ２４ｂでの成膜工程後の２００〜３００℃程度から５０℃程度にまで低下する冷却工程が実施される（ステップＳ１６）。
【００５３】
冷却チャンバ２６にて冷却された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２により冷却チャンバ２６からバッファ室３０を経由して第１搬送チャンバ１１へと搬送される。基板Ｓは、バッファ室３０にて一時的に保持される。
【００５４】
バッファ室３０に保持された基板Ｓは、これ以降の工程に用いられるチャンバが他の基板Ｓの処理に用いられていない等の条件が成立すると、搬送ロボットＲ１により長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂのいずれかに搬送される。長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂでは、アルミニウムからなるターゲットが例えばアルゴンガス等の希ガスの雰囲気でスパッタされることにより、上記バリアメタル層ＢＭの上層にアルミニウムからなるライナー層ＳＬが形成される。
【００５５】
この際、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂでは、ターゲットと基板Ｓとの距離であるいわゆるＴＳ距離が、例えば２３０ｍｍ〜３５０ｍｍに設定されている。なお、上記成膜チャンバ２４ａ，２４ｂあるいはリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂにおいては、上記ＴＳ距離が、例えば３０ｍｍ〜１００ｍｍに設定されている。
【００５６】
このように、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂでは、上記ＴＳ距離を大きくすることで基板Ｓ上の所定の点からターゲットを見込む立体角を小さくし、全スパッタ粒子のうちで基板Ｓに略垂直に入射するものの割合を増大させている。こうしたロングスロースパッタ法によれば、ビアホールＨの底部も含めて、その内表面全体にアルミニウムからなるライナー層ＳＬが形成されるようになる（ライナー層形成工程：ステップＳ１７）。また、基板Ｓの温度が１００℃以下となる条件でアルミニウム膜が形成されるため、ライナー層ＳＬを構成するアルミニウム粒子の粒径がより小さなものとなる。
【００５７】
ビアホールＨの内表面にライナー層ＳＬが形成されると、搬送ロボットＲ１により、基板Ｓは長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂからリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂに搬送される。なお、ステップＳ１７にて長距離スパッタチャンバ１４ａを用いた場合には、搬送ロボットＲ１により基板Ｓを搬送する距離がより短くなるため、リフロースパッタチャンバ１３ａを用いることが好ましい。他方、ステップＳ１７にて長距離スパッタチャンバ１４ｂを用いた場合には、同様の理由から、リフロースパッタチャンバ１３ｂを用いることが好ましい。
【００５８】
リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂに基板Ｓが搬送されると、基板Ｓの温度が例えば３００℃〜４５０℃とされた状態で、アルミニウムターゲットがアルゴンガス等の希ガスの雰囲気でスパッタされ、ビアホールＨの全体を埋め込むようにバルク層ＰＬが成膜される（バルク層形成工程：ステップＳ１８）。
【００５９】
バルク層ＰＬを高温で成膜することによって、スパッタエネルギーに加えて熱エネルギーをアルミニウム粒子に与えることができる。そして、アルミニウム粒子の流動性を向上させることができる。また、上記ライナー層形成工程においてライナー層を低温で成膜することによって、アルミニウムのグレイン径を、より小さくすることができるとともに、グレインの境界線を、より細かく形成することができる。バルク層のアルミニウム粒子はこのグレインの境界線に沿って流動する性質を有しているため、こうしたライナー層との組合せによって、バルク層の流動性を更に向上することが可能である。そして、アルミニウム粒子の流動性も基板Ｓの全体にわたり発現されることになる。その結果、ビアホールＨにおいては、ボイドの発生が抑制されつつ、ビアホールＨの内部にバルク層ＰＬが完全に埋め込まれるようになる。
【００６０】
そして、バリアメタル層ＢＭ、ライナー層ＳＬ、及びバルク層ＰＬからなる配線が形成された基板Ｓは、搬送ロボットＲ１によって、リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂ
からロードロックチャンバ１２ｂに搬送されて、半導体装置の製造装置から搬出される。
【００６１】
次に、第２のスタック構造を形成するための工程フローについて以下に説明する。なお、第２のスタック構造におけるバリアメタル層ＢＭは、第１のスタック構造におけるバリアメタル層ＢＭと比較して、金属層ＢＭｂ，ＢＭｔにて挟まれた部分の構造が異なるものである。そのため、第２のスタック構造を形成するための工程フローは、２つの金属層ＢＭｂ，ＢＭｔにて挟まれた部分に対応する工程のみが、第１のスタック構造の工程フローと異なるものである。以下では、第１のスタック構造の工程フローと異なる工程について詳細に説明する。
【００６２】
図３（ｂ）に示されるように、ステップＳ２１〜ステップＳ２３の４つの工程では、先の図３（ａ）に示す工程と同様、還元チャンバ２２での還元工程、成膜チャンバ２４ａでの第１成膜工程、表面処理チャンバ２５での第１表面処理工程が実施される。
【００６３】
第１表面処理工程を経て第１金属層ＢＭｂの一部が酸化された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって、表面処理チャンバ２５から再び成膜チャンバ２４ａに搬送され、第１金属化合物層Ｂｎ１上に、第１成膜工程にて形成された第１金属層ＢＭｂと同一の構成元素からなる中間金属層ＢＭｍが形成される（中間成膜工程：ステップＳ２４）。なお、中間成膜工程は、成膜チャンバ２４ａに限らず、成膜チャンバ２４ｂにて実施するようにしてもよい。
【００６４】
中間金属層ＢＭｍが形成された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって、成膜チャンバ２４ａから再び表面処理チャンバ２５へと搬送される。表面処理チャンバ２５においては、次のいずれかの処理による表面処理工程が実施される（第２表面処理工程：ステップＳ２５）。
【００６５】
・熱酸化による金属層表面の熱酸化処理
・酸素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ酸化処理
・窒素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ窒化処理
・窒素ガス及び酸素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ酸窒化処理
この第２表面処理工程により、中間金属層ＢＭｍには、その表面から所定の厚さに渡り、金属酸化物層、金属窒化物層、金属酸窒化物層のいずれかからなる第２金属化合物層Ｂｎ２が形成される。
【００６６】
上記表面処理チャンバ２５にて第２金属化合物層Ｂｎ２が形成されると、基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって該表面処理チャンバ２５から成膜チャンバ２４ｂに搬送される。この成膜チャンバ２４ｂでは、第２金属層ＢＭｔが第２金属化合物層Ｂｎ２に積層される（第２成膜工程：ステップＳ２６）。
【００６７】
上述した製造工程を経ることで、ビアホールＨの内表面には、第１金属層ＢＭｂ、第１金属化合物層Ｂｎ１、中間金属層ＢＭｍ、第２金属化合物層Ｂｎ２、及び第２金属層ＢＭｔがこの順に積層された構成を有するバリアメタル層ＢＭが形成される。バリアメタル層ＢＭが形成されて以降のステップＳ２７〜ステップＳ２９にて実施される処理は、先の図３（ａ）に示されるステップＳ１６〜ステップＳ１８にて実施される処理と同様であり、これらの処理を経ることにより、第２のスタック構造が形成される。
【００６８】
ここで、上述した２つの工程フローでは、第１金属化合物層Ｂｎ１の形成に際し、第１金属層ＢＭｂの表面に対する酸化を施すようにしている（ステップＳ１３、ステップＳ２３）。また、バリアメタル層ＢＭが有する第２金属化合物層Ｂｎ２の形成に際し、中間金属層ＢＭｍの表面あるいは第１金属化合物層Ｂｎ１の表面に対する酸化、窒化、若しくは
酸窒化を施すようにしている（ステップＳ１４、ステップＳ２５）。そして、第１金属化合物層Ｂｎ１、及び第２金属化合物層Ｂｎ２の形成に際し、金属元素からなるターゲットを窒素ガスの雰囲気、又は酸素ガスの雰囲気でスパッタする反応性スパッタが用いられていない。そのため、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層ＢＭの形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００６９】
上述した２つの工程フローで形成されたバリアメタル層ＢＭであれば、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の各々が、下地配線ＭＬとアルミニウム配線との相互拡散を抑制するバリア性を有するようになる。表面処理によって得られる金属化合物層では、金属化合物を形成するための元素が表面処理の対象となる層の厚さ方向に十分に拡散しない虞がある。そのため、金属化合物層に必要とされるバリア性が、金属化合物の粒子の堆積によって得られる層よりも低くなる場合もある。この点、上述した２つの工程フローによれば、金属化合物層が表面処理によって形成されるものの、隣接する層間において互いに構成元素が異なるように２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２が積層されることから、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２による相乗効果によってバリア性を担保することが可能になる。
【００７０】
また、第１金属層ＢＭｂに対する表面処理により第１金属化合物層Ｂｎ１が形成され、第１金属化合物層Ｂｎ１あるいは中間金属層ＢＭｍに対する表面処理によって第２金属化合物層Ｂｎ２が形成される。そのため、金属化合物層が別途成膜される製造方法と比較して、バリアメタル層ＢＭの膜厚の均一性が高められる。それゆえに、ライナー層ＳＬやバルク層ＰＬの埋め込み性が向上可能になる。また、第２金属層ＢＭｔがチタン層である場合、チタンに対するアルミニウムの濡れ性が高いため、ビアホールＨの内表面の全体にわたり、均一な膜厚からなるライナー層ＳＬが形成されやすくなる。ひいては、ビアホールＨへのアルミニウムの埋め込みが、より確実なものとなる。
［実施例］
表面がシリコン酸化物で覆われた１２インチのシリコンウエハを基板Ｓとして用いて、シリコンウエハの表面に、銅を構成元素とする下地配線ＭＬ（導電層）を形成した。次いで、先の図３（ａ）及び図３（ｂ）に示される工程フローのいずれかによりバリアメタル層ＢＭと同様の積層膜を形成し、さらに上記ライナー層形成工程（ステップＳ１７、ステップＳ２８）と同様の条件にて、アルミニウムを構成元素とする導電層を形成して、実施例の試験用積層膜を得た。
【００７１】
そして試験用積層膜のシート抵抗値Ｒｓｉを測定後、４１５℃で１０分間加熱した後、加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐを測定した。各シート抵抗値Ｒｓｉ，Ｒｓｐの測定結果を図４に示す。図４の各水準における左側の棒グラフは加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉを、他方、右側の棒グラフは加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐを示している。なお、１０分間の加熱処理によって２つの導電層の構成元素が相互拡散した場合には、加熱処理以前よりもシート抵抗値が大きくなる。そのため、加熱処理前のシート抵抗値に対する加熱処理後のシート抵抗値の変化率（Ｒｓｐ／Ｒｓｉ）によって、バリアメタル層のバリア性を評価した。
［実施例１］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７２】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（３ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層（３ｎｍ）
中間金属層ＢＭｍ：チタン層
第２金属化合物層Ｂｎ２：酸化チタン層
中間金属層ＢＭｍと第２金属化合物層Ｂｎ２との総膜厚：３ｎｍ
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、各酸化チタン層はいずれもチタン層に熱酸化処理を施して形成した。実施例１から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７３】
加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉ：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐ：０．１３２Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．１０。
［実施例２］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７４】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（３ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層（３ｎｍ）
中間金属層ＢＭｍ：チタン層（１〜３ｎｍ）
第２金属化合物層Ｂｎ２：窒化チタン層（１〜３ｎｍ）
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、窒化チタン層は中間金属層ＢＭｍにプラズマ窒化処理を施して形成した。実施例２から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７５】
加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉ：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐ：０．１３４Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．１２
［実施例３］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７６】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（６ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層
第２金属化合物層Ｂｎ２：窒化チタン層
第１金属化合物層Ｂｎ１と第２金属化合物層Ｂｎ２との総膜厚：３ｎｍ
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、窒化チタン層は該熱酸化処理によって形成された酸化チタン層にプラズマ窒化処理を施して形成した。実施例３から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７７】
加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉ：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐ：０．１９４Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．６２
［実施例４］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７８】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（３ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層（３ｎｍ）
中間金属層ＢＭｍ：チタン層（３ｎｍ）
第２金属化合物層Ｂｎ２：酸窒化チタン層（１〜３ｎｍ）
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、酸窒化チタン層は中間金属層ＢＭｍにプラズマ酸窒化処理を施して形成した。実施例４から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７９】
加熱処理前のシート抵抗値：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値：０．１２０Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．００
［比較例］
実施例と同じく、表面がシリコン酸化物で覆われた１２インチのシリコンウエハを基板Ｓとして用いて、シリコンウエハの表面に、銅を構成元素とする導電層を下地配線ＭＬとして形成した。次いで、以下に示す膜構造のバリアメタル層を形成し、さらに上記ライナー層形成工程（ステップＳ１７、ステップＳ２８）と同様の条件にて、アルミニウムを構成元素とする導電層を形成して、比較例の試験用積層膜を得た。
【００８０】
チタン層（３ｎｍ）／酸化チタン層（３ｎｍ）／窒化チタン層（３ｎｍ）／チタン層（３ｎｍ）
なお、窒化チタン層は反応性スパッタにて形成した。
【００８１】
そして実施例と同じく、試験用積層膜のシート抵抗値Ｒｓｉを測定後、４１５℃で１０分間加熱した後、加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐを測定した。比較例から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００８２】
加熱処理前のシート抵抗値：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値：０．１８０Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．５０
以上のように、２つのチタン化合物層の間にチタン層が介在する第２のスタック構造によれば、該チタン層が介在しない第１のスタック構造と比較して、バリア性が向上することが分った。つまり、新たに発明されたバリアメタル層の構造によれば、バリアメタル層を挟む一対の導電層における構成元素の相互拡散がより抑制されることが認められた。また、実施例１〜実施例４においては、反応性スパッタを用いることなく試験用積層膜を形成したことから、該試験用積層膜に認められたパーティクルを抑制することができた。なお、上述したようなバリア性やパーティクルの抑制効果は、金属層としてタンタル層を適用した場合にも同様に認められた。
【００８３】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）バリアメタル層ＢＭの形成に際して、チタンあるいはタンタルからなる第１金属層ＢＭｂに対して酸化を施して第１金属化合物層Ｂｎ１を形成した。また、中間金属層ＢＭｍ、第２金属層ＢＭｔ、あるいは第１金属化合物層Ｂｎ１に対して酸化、窒化、あるいは酸窒化を施して第２金属化合物層Ｂｎ２を形成した。そして反応性スパッタを用いることなく、バリアメタル層ＢＭを形成するようにした。これにより、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００８４】
（２）隣接する層間で構成元素が異なるように２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２が積層されることから、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２による相乗効果によって、バリアメタル層ＢＭにおけるバリア性を担保することが可能にもなる。
【００８５】
（３）２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の間に中間金属層ＢＭｍが介在するバリアメタル層ＢＭによれば、中間金属層ＢＭｍが介在しない場合と比較して、高いバリア性が得られる。そして、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の間に中間金属層ＢＭｍが介在する構造であっても、パーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００８６】
（４）第１金属層ＢＭｂに対する表面処理によって、第１金属化合物層Ｂｎ１を形成し、中間金属層ＢＭｍあるいは第１金属化合物層Ｂｎ１に対する表面処理によって、第２金属化合物層Ｂｎ２を形成するようにした。これにより、別途、これら金属化合物層Ｂｎ１
，Ｂｎ２を成膜する製造方法と比較して、ライナー層ＳＬ及びバルク層ＰＬにおいて、高い埋め込み性が得られるようになる。
【００８７】
（５）チタン若しくはタンタルからなる中間金属層ＢＭｍに対して、酸化、窒化、及び酸窒化のいずれかの処理を施すことで、チタン若しくはタンタルの化合物からなる第２金属化合物層Ｂｎ２を形成するようにした。これに際し、熱酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマ酸窒化処理を実施するようにした。そのため、反応性スパッタに起因する上記パーティクルの発生を抑制しつつも、第２金属化合物層Ｂｎ２を確実に形成することができる。
【００８８】
なお、上記実施の形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記各処理における温度、時間等の条件は、処理対象等によって適宜変更可能である。
【００８９】
・上記半導体装置の製造装置における各種チャンバの配置は上述したものに限らず、任意に変更可能である。
・絶縁層ＤＬの下地となる導電層を銅からなる下地配線ＭＬによって形成し、該絶縁層ＤＬに形成された貫通孔に埋め込まれる導電層をアルミニウムによって形成するようにした。これに限らず、これら２つの導電層は同一の金属材料からなるようにしてもよい。また、導電層の形成材料としては、上記銅及びアルミニウムの他、タングステンや、これらの合金を採用することも可能である。さらには、絶縁層ＤＬの下地となる導電層をシリコン基板の表層となるように構成してもよい。
【００９０】
・なお、絶縁膜の下地となる導電層をアルミニウムで形成した場合には、還元チャンバ２２をスパッタチャンバに変更し、ビアホールＨから露出するアルミニウム膜の酸化層を希ガス雰囲気でスパッタして除去する構成が好ましい。
【００９１】
・上記半導体装置の製造装置には、アルミニウムの薄膜を形成するチャンバとして長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂを設けるようにした。これに限らず、ビアホールＨへの埋め込みが確保できる方法を用いたチャンバであれば、例えばコリメータ式スパッタチャンバやバイアススパッタチャンバ等を用いることもできる。
【００９２】
・第１金属化合物層Ｂｎ１を金属酸化物層としたが、これに限らず、第１金属層ＢＭｂに窒化処理あるいは酸窒化処理を施して、第１金属化合物層Ｂｎ１を窒化物層あるいは酸窒化物層としてもよい。
【００９３】
・第１金属層ＢＭｂ、中間金属層ＢＭｍ、第１金属化合物層Ｂｎ１に施される各種の表面処理は、熱処理やプラズマ処理と同様に、金属層や金属化合物層の表面が、酸化、窒化、酸窒化される処理であれば他の乾式あるいは湿式の化学的な方法を用いるようにしてもよい。
【００９４】
・上記バリアメタル層ＢＭは、上記下地配線ＭＬとアルミニウム配線との間に限らず、２つの導電層間、例えば配線と配線との間、配線と受動素子との間、配線と能動素子との間等に適用することもできる。
【００９５】
・バリアメタル層ＢＭの積層態様は、上記実施例１〜４に示したものに限らない。要は、２つの金属層の間に複数の金属化合物層が挟まれた構成であればよい。この場合、隣り合う金属化合物層は、金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属酸窒化物層のうちから、互いに異なる構成元素の組み合わせを選択すればよい。そして、下層となる金属層に対して、酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施した後に、さらに該金属層に対して既に
施された処理とは異なる処理を同金属化合物層の表面に対して施す構成であればよく、下層となる金属層の成膜を含めて、これら一連の処理を繰り返す構成であってもよい。
【００９６】
・また、同バリアメタル層は、２つの金属層の間に他の金属層を挟む２つの金属化合物層が１つ以上挟まれた構成であればよい。この場合、金属層を挟む２つの金属化合物層はそれぞれ、上記金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属酸窒化物層から任意に選択可能である。そして、下層となる金属層に対して、酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施した後に新たな金属層を積層し、この新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す構成であればよく、またこれら一連の処理を繰り返す構成であってもよい。
【００９７】
・また上述したように、第２表面処理工程（ステップＳ１４）にてプラズマによる表面処理を実行する場合であれば、半導体装置のバリア性能が確保できる範囲においては、第１表面処理工程（ステップＳ１３）を割愛することもできる。このような構成であっても、反応性スパッタ方法を用いることなくバリア性を有したバリア膜が得られる以上、上述した効果に準じた効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１０…第１処理部、１１…第１搬送チャンバ、１２ａ，１２ｂ…ロードロックチャンバ、１３ａ，１３ｂ…長距離スパッタチャンバ、１４ａ，１４ｂ…リフロースパッタチャンバ、２０…第２処理部、２１…第２搬送チャンバ、２２…還元チャンバ、２３…脱ガスチャンバ、２４ａ，２４ｂ…スパッタチャンバ、２５…表面処理チャンバ、２６…冷却チャンバ、３０…バッファ室、４０…ゲートバルブ、５０…排気装置、６０…制御部、６０ａ…記憶部、ＢＭ…バリアメタル層、ＢＭｂ…第１金属層、ＢＭｍ…中間金属層、ＢＭｔ…第２金属層、Ｂｎ１…第１金属化合物層、Ｂｎ２…第２金属化合物層、ＤＬ…絶縁層、Ｈ…ビアホール、ＭＬ…下地配線、ＰＬ…バルク層、Ｒ１，Ｒ２…搬送ロボット、Ｓ…基板、ＳＬ…ライナー層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電層に挟まれたバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法、及び該製造方法に用いられる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に記載のように、アルミニウムからなるビアプラグ用のバリアメタル層として、２つのチタン層の間に窒化チタン層が挟まれた３層構造を用いる技術が広く知られている。バリアメタル層を構成するチタン層のうち、基板側に形成された下層のチタン層は、アルミニウムの結晶配向性を向上させてビアプラグの配線抵抗を低下させる。またバリアメタル層を構成するチタン層のうち、ビアプラグ側に形成された上層のチタン層はバリアメタル層に対するアルミニウムの濡れ性を向上させてバリアメタル層とビアプラグとの密着性を高める。このような３層構造のバリアメタル層であれば、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションが抑制されてビアプラグの信頼性が高められるようになる。
【０００３】
近年では、半導体装置の高密度化を実現させるために、例えば特許文献２に記載のように、配線構造に対する微細化が強く求められている。一方、配線構造を微細化する上では配線自体の微細化が必要不可欠であるため、電流密度が増大することにより上記エレクトロマイグレーションが一層深刻化してしまう。そこで、このような半導体装置の配線構造においては、抵抗率が低く且つ、エレクトロマイグレーションの耐性に優れた銅が配線材料として多用され、銅配線に対するバリアメタル層にも上記３層構造が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９３１６０号公報
【特許文献２】特開２００７−３１１４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記バリアメタル層を構成する３層のうち、２つのチタン層は、アルゴンガス等の希ガスの雰囲気にてチタンターゲットがスパッタされることにより形成される。これに対して、窒化チタン層は、窒素ガスを含有する雰囲気にてチタンターゲットがスパッタされる反応性スパッタにより形成される。
【０００６】
ここで、スパッタチャンバ内にはスパッタ粒子がチャンバ壁に直に付着しない様に、基板ステージとターゲット以外の空間において放電中のプラズマを完全に囲むように防着板が設置されている。そのため、反応性スパッタが行われる際、生成物であるチタンの窒化物は、薄膜として基板上に堆積するばかりでなく、窒化チタン層の成膜処理が繰り返されて防着板の内表面に窒化チタンが堆積し続ける。その結果、強い膜ストレスを有して柱状結晶構造で堆積する特徴を持った窒化チタンが防着板の内表面から剥離してパーティクルが発生するようになる。そこで、反応性スパッタにおいては、パーティクルの発生を抑制する目的で、以下のような処理が実施されている。
【０００７】
窒素ガスを含有する雰囲気にてターゲットがスパッタされた後には、チタンターゲットが希ガスの雰囲気でスパッタされる。これにより、膜ストレスが弱く、防着板との密着性が高いチタンによって防着板の内表面が被覆される。次いで、窒素ガスを含有する雰囲気にてチタンターゲットがスパッタされる。これらが繰り返される処理によれば、防着板の
内表面に被覆されたチタンが防着板の内表面と窒化チタンとの間の密着層として機能するようになる。そのため、窒化チタンの剥離によるパーティクルの発生が抑えられるようになる。しかしながら、こうした処理を施しても、膜の剥離を完全に抑制する事が出来ず、処理を繰り返して積層の回数が増えてくると、遂には密着効果よりストレスによる剥離効果が強くなり、パーティクルの発生に至る。そのため、密着膜（チタン膜）をより厚く形成するなどして処理の効果を高める事が一般的である。また、こうした処理は基板成膜に寄与しないため、実質的なターゲットの寿命を短くすることに加えて、その処理に要する時間が基板成膜の他に余計に必要となる。その結果、半導体装置の生産性の低下は免れ得ないこととなる。さらに防着板の内表面をチタンによって被覆するため、防着板の定期的な交換頻度も多くなる上、基板が載置されることになるステージ上にチタンを堆積させないために、ダミー用の基板が別途必要となってしまう。
【０００８】
なお、こうした問題は、チタンを構成材料とするバリアメタル層に限らず、反応性スパッタで窒化物や酸化物が形成されるバリアメタル層であれば概ね共通する問題であって、例えばタンタルを構成材料とするバリアメタル層においても生じることになる。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、バリアメタル層を有する半導体装置を製造するに際し、パーティクルの発生を抑制可能な半導体装置の製造方法、及びこの製造方法に用いられる半導体装置の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記複数の金属層を導電層上に積層する過程において、（ａ）（ｂ）及び（ｃ）のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に複数の前記金属化合物層を形成すること、（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する、（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す、それを要旨とする。
【００１１】
配線を構成するバリアメタル層には、配線の信頼性を確保する上で、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーション等の現象を抑える機能が求められる。そして金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属酸窒化物層のいずれかは、同現象を抑制する上で、不可欠な構成要素である。上記製造方法によれば、金属酸化物層、金属窒化物層、若しくは金属酸窒化物層が、（ａ）及び（ｂ）のいずれかの表面処理により形成される。
（ａ）金属化合物層に対する酸化、窒化、及び酸窒化のいずれか一つの処理
（ｂ）金属層に対する酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理
例えば酸素ガスを用いて生成したプラズマによる酸化処理、酸素ガスを用いた熱酸化処理、窒素ガスを用いて生成したプラズマによる窒化処理、酸素ガス及び窒素ガスを用いて生成したプラズマによる酸窒化処理、それらによって金属化合物層が形成される。そのため、反応性スパッタが用いられることなく、バリアメタル層が形成可能となる。それゆえに、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００１２】
なお、金属層や金属化合物層の表面処理によって得られる金属化合物層では、金属化合物の堆積によって得られる金属化合物層と比較して、十分なバリア性が得られない場合もある。この点、上記製造方法によれば、層間において構成元素が異なるように複数の金属化合物層が積層されることから、複数の金属化合物層による相乗効果によってバリア性を担保することが可能にもなる。
【００１３】
また、本願発明者らの鋭意研究により、複数の金属化合物層の間に金属層が介在するバリアメタル層の構造によれば、該金属層が介在しない場合と比較して、バリア性が向上することが見出された。上記（ｂ）の処理が施されることになれば、このような複数の金属化合物層の間に金属層が介在するような構造が、反応性スパッタが用いられることなく、実現可能となる。それゆえに、パーティクル源となり得る反応性スパッタが用いられることなくバリアメタル層が形成可能であるため、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記導電層上に絶縁膜を形成して前記導電層の一部を露出させる貫通孔を前記絶縁膜に形成した後に、前記貫通孔における内表面の全体に前記バリアメタル層を形成し、前記バリアメタル層で覆われた前記貫通孔内に他の導電層を埋め込むことをその要旨とする。
【００１５】
絶縁膜の下地となる導電層と、該絶縁膜に形成された貫通孔内に埋め込まれる導電層との接続箇所においては、貫通孔の内表面の全体を覆うかたちのバリアメタル層が一般に採用される。貫通孔内へ導電層を確実に埋め込むためには、こうしたバリアメタル層に対しても高い埋め込み性が求められる。上記製造方法によれば、貫通孔の内表面の全体に形成された金属層に対する表面処理によって金属化合物層が形成されることから、別途金属化合物層を成膜する製造方法と比較して、導電層の埋め込み性が担保されることのみによってバリアメタル層の埋め込み性が確保可能になる。それゆえに、バリアメタル層に埋め込み性が求められる上記のような配線構造に対して、埋め込み性が失われることなく、上述した効果が得られるようになる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸化する処理は、酸化の対象となる層を加熱しつつ該層の表面に酸素を供給する熱処理、又は酸化の対象となる層の表面に対して酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理であることを要旨とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記窒化する処理は、窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理であることを要旨とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記酸窒化する処理は、酸窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガス及び酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理であることを要旨とする。
【００１９】
上記製造方法では、チタン若しくはタンタルからなる各層を酸化、窒化、及び酸窒化のいずれかの処理にて、チタン若しくはタンタルの化合物からなる層を形成する。これに際し、熱酸化処理、あるいは、窒素含有ガスのプラズマや、窒素含有ガス及び酸素含有ガスのプラズマにより窒化処理や酸窒化処理を実施したりしていることから、反応性スパッタに起因する上記パーティクルの発生を抑制しつつも、化合物層を確実に形成することで、バリアメタル層としての機能を維持することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタ
ル層を基板に設けられた導電層上に有する半導体装置の製造装置であって、チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記導電層上に金属層を形成する成膜部と、前記金属層の表面に対して処理を施す表面処理部と、前記成膜部と前記表面処理部とに前記基板を搬送する搬送部と、前記搬送部に対して前記基板の搬送先を制御すると共に、該搬送先となる前記成膜部及び前記表面処理部に対して前記基板に施す処理を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記成膜部に複数の前記金属層を積層させる過程において、（ａ）（ｂ）及び（ｃ）のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に前記金属化合物層を形成すること、（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する、（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す、をその要旨とする。
【００２１】
上記構成によれば、バリアメタル層の形成に際して、上記金属酸化物層、金属窒化物層、若しくは金属酸窒化物層が、（ａ）及び（ｂ）のいずれかの処理により形成される。
（ａ）金属化合物層に対する酸化、窒化、及び酸窒化のいずれか一つの処理
（ｂ）金属層に対する酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理
例えば酸素ガスを用いて生成したプラズマによる酸化処理、酸素ガスを用いた熱酸化処理、窒素ガスを用いて生成したプラズマによる窒化処理、酸素ガス及び窒素ガスを用いて生成したプラズマによる酸窒化処理、それらによって金属化合物層が形成される。そのため、反応性スパッタが用いられることなく、バリアメタル層が形成可能となる。なお、金属層や金属化合物層の表面処理によって得られる金属化合物層では、金属化合物の堆積によって得られる金属化合物層と比較して、十分なバリア性が得られない場合もある。この点、上記製造方法によれば、層間において構成元素が異なるように複数の金属化合物層が積層されることから、複数の金属化合物層による相乗効果によってバリア性を担保することが可能にもなる。それゆえに、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造装置においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る半導体装置の製造方法を用いた半導体装置の製造装置における一実施の形態の概略構成を示す概略構成図。
【図２】（ａ）（ｂ）半導体装置が有する配線の断面構造の一例を示す断面図。
【図３】（ａ）（ｂ）半導体装置の製造工程を示すフローチャート。
【図４】半導体装置を加熱処理する以前及び以後におけるシート抵抗値とそれの変化率とを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置を具体化した一実施の形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、上記半導体装置の製造装置の概略構成を示している。
【００２４】
図１に示されるように、半導体装置の製造装置は、複数の基板処理チャンバを有するクラスター型の製造装置である。半導体装置の製造装置は、複数の基板処理チャンバからなる第１処理部１０と、同じく複数の基板処理チャンバからなる第２処理部２０と、第１処理部１０と第２処理部２０とを接続するバッファ室３０とから構成されている。
【００２５】
第１処理部１０は、バッファ室３０と複数の基板処理チャンバとに接続された第１搬送チャンバ１１を備えている。第１搬送チャンバ１１の内部には、処理対象物である基板Ｓを各基板処理チャンバとバッファ室３０とに搬送する搬送部としての搬送ロボットＲ１が搭載されている。また第１搬送チャンバ１１の外側には、２つのロードロックチャンバ１２ａ，１２ｂと、２つのリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂと、２つの長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂとが接続されている。なお、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂはいずれか一つでもよい。
【００２６】
ロードロックチャンバ１２ａ，１２ｂは、半導体装置の製造装置内に処理前の基板Ｓを搬入するためのチャンバであって且つ、半導体装置の製造装置外へ処理後の基板Ｓを搬出するためのチャンバである。
【００２７】
リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂは、アルミニウムからなるターゲットと、基板Ｓの温度を３５０℃〜４５０℃程度に昇温するための図示されない昇温装置とを有している。そしてリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂは、基板Ｓの温度を３５０℃〜４５０℃に維持しつつターゲットをスパッタさせて基板Ｓの表面にアルミニウム膜を堆積させる。
【００２８】
長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、アルミニウムからなるターゲットと、基板Ｓの温度を１００℃以下で維持するための図示されない冷却装置とを有している。長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、基板Ｓとターゲットと間の距離であるＴＳ距離が上記リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂのＴＳ距離よりも十分に長くなるように構成されている。長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂにおけるＴＳ距離は、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が基板Ｓの表面に略垂直に入射する距離に予め設定されている。そして長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、基板Ｓの温度を１００℃以下で維持しつつ、基板Ｓの表面の略法線方向に沿ってアルミニウム粒子を堆積させる。このように、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂは、ロングスロースパッタ法（ＬＴＳ法）によってアルミニウムの薄膜を形成する。
【００２９】
第２処理部２０は、バッファ室３０と複数の基板処理チャンバとに接続された第２搬送チャンバ２１を備えている。第２搬送チャンバ２１の内部にも、上記第１搬送チャンバ１１と同様、各基板処理チャンバとバッファ室３０とに基板Ｓを搬送する搬送部としての搬送ロボットＲ２が搭載されている。また第２搬送チャンバ２１の外側には、還元チャンバ２２と、脱ガスチャンバ２３と、成膜部としての成膜チャンバ２４ａ，２４ｂと、表面処理部としての表面処理チャンバ２５と、冷却チャンバ２６とが接続されている。
【００３０】
還元チャンバ２２は、水素ガスの雰囲気をチャンバ内に形成して基板Ｓを水素ガス雰囲気で加熱する。そして還元チャンバ２２は、基板Ｓの表面を水素雰囲気に曝しつつ基板Ｓの表面を水素ガスによって還元するとともに、基板Ｓの表面に吸着していた吸着水や吸着ガスを基板Ｓの表面から取り除く。なお、基板Ｓの表面に導電層である銅配線が露出している場合には、銅配線の表面が大気等によって酸化されているため、このような水素ガスによる還元処理が特に必要とされる。
【００３１】
脱ガスチャンバ２３は、不活性ガスの雰囲気をチャンバ内に形成して基板Ｓの表面に付着したガスを不活性ガスでパージする。そして脱ガスチャンバ２３は、基板Ｓを高い真空度の下で加熱して基板Ｓの表面あるいは内部に吸着したガスを熱的に取り除く。なお、上述したように、基板Ｓの表面に吸着していた吸着水や吸着ガスが還元処理によっても取り除くことができるため、既に還元処理が実施された状態の基板Ｓに対しては、このような脱ガス処理を敢えて実施する必要は無い。例えば、基板Ｓの表面に銅配線が露出している
場合には、上述した還元処理が必要とされるため、脱ガス処理を還元処理に代えることが可能である。反対に、上述した還元処理が実施されない場合、例えばリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂにおける成膜状態を個別に確認する際には、上述した還元処理を行うことなく、表面全体がシリコン酸化膜からなる基板Ｓが用いられるため、製造装置の運用上、このような脱ガス処理が必要になる。
【００３２】
成膜チャンバ２４ａ，２４ｂは、それぞれチタンあるいはタンタルを主成分とするターゲットを有して、アルゴンガス、キセノンガス、ヘリウムガス等の希ガスの雰囲気をチャンバ内に形成する。そして成膜チャンバ２４ａ，２４ｂは、希ガスの雰囲気でターゲットをスパッタして、ターゲットの構成元素からなる金属膜を基板Ｓの表面に形成する。
【００３３】
表面処理チャンバ２５には、酸素ガス及び窒素ガスのいずれかを供給するガス供給部と、チャンバ内で基板Ｓを所定温度まで加熱する加熱機構と、チャンバ内でプラズマを生成するプラズマ源とが設けられている。プラズマ源としては、表面処理チャンバ２５の外部に配設された高周波アンテナに高周波電力を供給してプラズマを誘起する誘導結合方式、あるいは、チャンバ内に対向配置された電極のいずれかに高周波電力を供給してプラズマを誘起する容量結合方式等、公知の方式が採用可能である。そして表面処理チャンバ２５は、成膜チャンバ２４ａにて形成された薄膜の表面に、酸化処理、窒化処理、酸窒化処理を施す。なお、対向配置された電極や基板のステージに配置された電極を成膜チャンバ２４ａ，２４ｂが有するとともに、同成膜チャンバ２４ａ，２４ｂ内に酸素含有ガス及び窒素含有ガスが供給される構成であれば、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂにおいても、上述したような酸化処理、窒化処理、酸窒化処理が可能である。そのため、このような構成からなる成膜チャンバ２４ａ，２４ｂであれば、上述した表面処理チャンバ２５に代わり、成膜処理の直後に表面処理を実施することも可能である。
【００３４】
冷却チャンバ２６は、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂにおける成膜処理、表面処理チャンバ２５における表面処理等、第２処理部２０で実行される各種処理により加熱された基板を冷却する。なお、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂにおいて基板が十分に冷却される構成であれば、この冷却チャンバ２６を割愛してもよい。
【００３５】
第１搬送チャンバ１１及び第２搬送チャンバ２１と、これらのそれぞれに接続された各種チャンバとの間には、２つのチャンバ間を連通あるいは非連通とするゲートバルブ４０が設けられている。また、半導体装置の製造装置が備える全チャンバには、それぞれチャンバ内を所定の圧力に排気する排気装置５０が接続されている。
【００３６】
半導体装置の製造装置には、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂ、表面処理チャンバ２５、搬送ロボットＲ１，Ｒ２等の駆動態様を制御する制御部６０が設けられている。制御部６０は、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂでの成膜条件を膜種ごとに示すプログラム、表面処理チャンバ２５での処理条件を処理の内容ごとに示すプログラム、搬送ロボットＲ１，Ｒ２による基板Ｓの搬送の順序を搬送先での処理の内容と共に示すシーケンス、それらが記憶された記憶部６０ａを有する。
【００３７】
そして制御部６０は、記憶部６０ａに記憶されたプログラムとシーケンスとを読み込んで搬送処理、成膜処理、表面処理を実行する。つまり、制御部６０は、読み込んだシーケンスとプログラムとに従って、成膜チャンバ２４ａ，２４ｂ及び表面処理チャンバ２５によって形成される積層膜の構成を制御する。
【００３８】
次に、上記半導体装置の製造装置を用いて、当該半導体装置の製造工程の一部、詳細には、バリアメタル層とアルミニウム配線とを形成する工程フローを、先に示した図１、及び図２、図３を参照して説明する。まず、上記半導体装置の製造装置を用いて形成される
配線の構造について以下に説明する。図２は、二種類の配線の構造を示す断面図であって、（ａ）は第１のスタック構造、（ｂ）は第２のスタック構造の断面図である。なお、記憶部６０ａには、第１のスタック構造を形成するための工程フローに対応するシーケンスと、第２のスタック構造を形成するための工程フローに対応するシーケンスとが記憶されている。
【００３９】
図２（ａ）に示されるように、第１のスタック構造では、銅からなる下地配線ＭＬ上の絶縁層ＤＬに設けられたビアホールＨに、バリアメタル層ＢＭ、ライナー層ＳＬ、バルク層ＰＬからなるビアプラグが埋め込まれている。バリアメタル層ＢＭは、最もビアホールＨの内表面に近い層であるチタン若しくはタンタルからなる第１金属層ＢＭｂを有している。そして、第１金属層ＢＭｂには、該第１金属層ＢＭｂと同一の金属元素を含んで構成元素が互いに異なる第１金属化合物層Ｂｎ１と第２金属化合物層Ｂｎ２とが積層されるとともに、これらの上層として第２金属層ＢＭｔが積層されている。
【００４０】
図２（ｂ）に示されるように、第２のスタック構造におけるバリアメタル層ＢＭは、第１のスタック構造と同様に、最もビアホールＨの内表面に近い層であるチタン若しくはタンタルからなる第１金属層ＢＭｂを有している。そして、第１金属層ＢＭｂには、該第１金属層ＢＭｂと同一の金属元素を含んで構成元素が互いに異なる第１金属化合物層Ｂｎ１と第２金属化合物層Ｂｎ２とに挟まれた中間金属層ＢＭｍが積層されるとともに、これらの上層として第２金属層ＢＭｔが積層されている。
【００４１】
次に、第１のスタック構造及び第２のスタック構造を形成するための工程フローについて以下に説明する。図３（ａ）は第１のスタック構造を形成するための工程フローを示すフローチャートであり、図３（ｂ）は第２のスタック構造を形成するための工程フローを示すフローチャートである。まず、第１のスタック構造を形成するための工程フローについて説明する。
【００４２】
図３（ａ）に示される工程フローの実施に先立ち、ビアホールＨが形成された絶縁層ＤＬを有する基板Ｓが、上記ロードロックチャンバ１２ａから半導体装置の製造装置に搬入される。次いで、基板Ｓは、搬送ロボットＲ１，Ｒ２により、ロードロックチャンバ１２ａから、第１搬送チャンバ１１、バッファ室３０、及び第２搬送チャンバ２１を介して還元チャンバ２２に搬送される。
【００４３】
還元チャンバ２２内では、水素ガス雰囲気で基板Ｓを加熱する還元処理が実施される（還元工程：ステップＳ１１）。半導体装置の製造装置に搬送されるまでの間に大気中に含まれる酸素等の酸化源によって酸化された下地配線ＭＬ（導電層）の表面は、この還元処理によって還元されるとともに、吸着していた吸着水や吸着ガスを取り除かれる。
【００４４】
続いて、基板Ｓは搬送ロボットＲ２によって脱ガスチャンバ２３から成膜チャンバ２４ａに搬送される。成膜チャンバ２４ａにおいては、チタンあるいはタンタルからなるターゲットがアルゴンガス等の希ガスの雰囲気でスパッタされて、ビアホールＨの内表面にバリアメタル層ＢＭの最下層となる第１金属層ＢＭｂが形成される（第１成膜工程：ステップＳ１２）。例えば、記憶部６０ａから読み込まれたシーケンスに膜種としてチタンが設定されている場合、成膜チャンバ２４ａにおいては、チタンターゲットが希ガスの雰囲気でスパッタされて、ビアホールＨの内表面に第１金属層ＢＭｂとしてチタン層が形成される。
【００４５】
第１金属層ＢＭｂが形成されると、基板Ｓは搬送ロボットＲ２により成膜チャンバ２４ａから表面処理チャンバ２５に搬送される。表面処理チャンバ２５ではまず、第１金属層ＢＭｂの表面が酸素雰囲気で酸化される（第１表面処理工程：ステップＳ１３）。この酸
化処理により、金属酸化物からなる第１金属化合物層Ｂｎ１が、第１金属層ＢＭｂの表面から所定の厚さに渡り形成される。なお、第１金属層ＢＭｂの表面に施される酸化としては、酸素雰囲気下で第１金属層ＢＭｂが加熱される熱酸化であってもよく、あるいは第１金属層ＢＭｂの表面が酸素プラズマに曝されるプラズマ酸化であってもよい。ただし、この酸化処理は、第１金属層ＢＭｂの全てが酸化されるものではなく、あくまで第１金属層ＢＭｂの表面を含む厚さ方向の一部が金属酸化物層になる処理である。
【００４６】
なお、第１表面処理工程は、バリア性能を向上させるための処理であるため、製造する半導体装置のバリア性能が確保できる場合は、省略することもできる。
続いて、同表面処理チャンバ２５では、酸素ガスと窒素ガスとからなる雰囲気、あるいは窒素ガスのみからなる雰囲気が形成されて、次のいずれかの表面処理が実施される（第２表面処理工程：ステップＳ１４）。
・窒素ガス及び酸素ガスから生成されたプラズマによる酸窒化
・窒素ガスから生成されたプラズマによる窒化
この第２表面処理工程により、第１金属化合物層Ｂｎ１が、その表面から所定の厚さに渡り、窒化あるいは酸窒化されて、第１金属化合物層Ｂｎ１とは構成元素が互いに異なる第２金属化合物層Ｂｎ２が形成される。
【００４７】
また、上述したように第１表面処理工程（ステップＳ１３）を省略している場合は、第２表面処理工程（ステップＳ１４）にて、プラズマによる酸化処理、窒化処理、酸窒化処理のいずれか１つを行ってもよい。
【００４８】
例えば、記憶部６０ａから読み込まれたシーケンスに表面処理として窒化が設定されている場合、表面処理チャンバ２５においては、上記熱酸化が実行された後、窒素ガスのみからなる雰囲気が形成されて、第１金属化合物層Ｂｎ１の表面に窒化チタン層が形成される。また記憶部６０ａから読み込まれたシーケンスに酸窒化が設定されている場合、表面処理チャンバ２５においては、上記熱酸化が実行された後、窒素ガス及び酸素ガスからなる雰囲気が形成されて、第１金属化合物層Ｂｎ１の表面に酸窒化チタン層が形成される。
【００４９】
なお、第１金属化合物層Ｂｎ１の窒化あるいは酸窒化は、第１金属化合物層Ｂｎ１の全てが窒化あるいは酸窒化されるものではなく、あくまで第１金属化合物層Ｂｎ１の表面を含む厚さ方向の一部が、窒化あるいは酸窒化される処理である。
【００５０】
これらステップＳ１２〜ステップＳ１４までの一連の工程が実行されることにより、第１金属層ＢＭｂ、第１金属化合物層Ｂｎ１、第２金属化合物層Ｂｎ２の順に積層された３層構造の積層膜が形成される。そして２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の構成元素が互いに異なるものになる。
【００５１】
上記３層構造が形成されると、基板Ｓは、上記搬送ロボットＲ２によって表面処理チャンバ２５から成膜チャンバ２４ｂに搬送される。成膜チャンバ２４ｂでは、第１金属層ＢＭｂと同一または別の構成元素からなる第２金属層ＢＭｔが形成される（第２成膜工程：ステップＳ１５）。これにより、２つの金属層ＢＭｂ，ＢＭｔによって挟まれて互いに異なる構成元素からなる２層の金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２を有するバリアメタル層ＢＭが形成される。
【００５２】
このようなバリアメタル層ＢＭが形成された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって成膜チャンバ２４ｂから冷却チャンバ２６に搬送される。そして、冷却チャンバ２６では、該基板Ｓの温度を、例えば成膜チャンバ２４ｂでの成膜工程後の２００〜３００℃程度から５０℃程度にまで低下する冷却工程が実施される（ステップＳ１６）。
【００５３】
冷却チャンバ２６にて冷却された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２により冷却チャンバ２６からバッファ室３０を経由して第１搬送チャンバ１１へと搬送される。基板Ｓは、バッファ室３０にて一時的に保持される。
【００５４】
バッファ室３０に保持された基板Ｓは、これ以降の工程に用いられるチャンバが他の基板Ｓの処理に用いられていない等の条件が成立すると、搬送ロボットＲ１により長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂのいずれかに搬送される。長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂでは、アルミニウムからなるターゲットが例えばアルゴンガス等の希ガスの雰囲気でスパッタされることにより、上記バリアメタル層ＢＭの上層にアルミニウムからなるライナー層ＳＬが形成される。
【００５５】
この際、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂでは、ターゲットと基板Ｓとの距離であるいわゆるＴＳ距離が、例えば２３０ｍｍ〜３５０ｍｍに設定されている。なお、上記成膜チャンバ２４ａ，２４ｂあるいはリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂにおいては、上記ＴＳ距離が、例えば３０ｍｍ〜１００ｍｍに設定されている。
【００５６】
このように、長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂでは、上記ＴＳ距離を大きくすることで基板Ｓ上の所定の点からターゲットを見込む立体角を小さくし、全スパッタ粒子のうちで基板Ｓに略垂直に入射するものの割合を増大させている。こうしたロングスロースパッタ法によれば、ビアホールＨの底部も含めて、その内表面全体にアルミニウムからなるライナー層ＳＬが形成されるようになる（ライナー層形成工程：ステップＳ１７）。また、基板Ｓの温度が１００℃以下となる条件でアルミニウム膜が形成されるため、ライナー層ＳＬを構成するアルミニウム粒子の粒径がより小さなものとなる。
【００５７】
ビアホールＨの内表面にライナー層ＳＬが形成されると、搬送ロボットＲ１により、基板Ｓは長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂからリフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂに搬送される。なお、ステップＳ１７にて長距離スパッタチャンバ１４ａを用いた場合には、搬送ロボットＲ１により基板Ｓを搬送する距離がより短くなるため、リフロースパッタチャンバ１３ａを用いることが好ましい。他方、ステップＳ１７にて長距離スパッタチャンバ１４ｂを用いた場合には、同様の理由から、リフロースパッタチャンバ１３ｂを用いることが好ましい。
【００５８】
リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂに基板Ｓが搬送されると、基板Ｓの温度が例えば３００℃〜４５０℃とされた状態で、アルミニウムターゲットがアルゴンガス等の希ガスの雰囲気でスパッタされ、ビアホールＨの全体を埋め込むようにバルク層ＰＬが成膜される（バルク層形成工程：ステップＳ１８）。
【００５９】
バルク層ＰＬを高温で成膜することによって、スパッタエネルギーに加えて熱エネルギーをアルミニウム粒子に与えることができる。そして、アルミニウム粒子の流動性を向上させることができる。また、上記ライナー層形成工程においてライナー層を低温で成膜することによって、アルミニウムのグレイン径を、より小さくすることができるとともに、グレインの境界線を、より細かく形成することができる。バルク層のアルミニウム粒子はこのグレインの境界線に沿って流動する性質を有しているため、こうしたライナー層との組合せによって、バルク層の流動性を更に向上することが可能である。そして、アルミニウム粒子の流動性も基板Ｓの全体にわたり発現されることになる。その結果、ビアホールＨにおいては、ボイドの発生が抑制されつつ、ビアホールＨの内部にバルク層ＰＬが完全に埋め込まれるようになる。
【００６０】
そして、バリアメタル層ＢＭ、ライナー層ＳＬ、及びバルク層ＰＬからなる配線が形成された基板Ｓは、搬送ロボットＲ１によって、リフロースパッタチャンバ１３ａ，１３ｂ
からロードロックチャンバ１２ｂに搬送されて、半導体装置の製造装置から搬出される。
【００６１】
次に、第２のスタック構造を形成するための工程フローについて以下に説明する。なお、第２のスタック構造におけるバリアメタル層ＢＭは、第１のスタック構造におけるバリアメタル層ＢＭと比較して、金属層ＢＭｂ，ＢＭｔにて挟まれた部分の構造が異なるものである。そのため、第２のスタック構造を形成するための工程フローは、２つの金属層ＢＭｂ，ＢＭｔにて挟まれた部分に対応する工程のみが、第１のスタック構造の工程フローと異なるものである。以下では、第１のスタック構造の工程フローと異なる工程について詳細に説明する。
【００６２】
図３（ｂ）に示されるように、ステップＳ２１〜ステップＳ２３の４つの工程では、先の図３（ａ）に示す工程と同様、還元チャンバ２２での還元工程、成膜チャンバ２４ａでの第１成膜工程、表面処理チャンバ２５での第１表面処理工程が実施される。
【００６３】
第１表面処理工程を経て第１金属層ＢＭｂの一部が酸化された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって、表面処理チャンバ２５から再び成膜チャンバ２４ａに搬送され、第１金属化合物層Ｂｎ１上に、第１成膜工程にて形成された第１金属層ＢＭｂと同一の構成元素からなる中間金属層ＢＭｍが形成される（中間成膜工程：ステップＳ２４）。なお、中間成膜工程は、成膜チャンバ２４ａに限らず、成膜チャンバ２４ｂにて実施するようにしてもよい。
【００６４】
中間金属層ＢＭｍが形成された基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって、成膜チャンバ２４ａから再び表面処理チャンバ２５へと搬送される。表面処理チャンバ２５においては、次のいずれかの処理による表面処理工程が実施される（第２表面処理工程：ステップＳ２５）。
【００６５】
・熱酸化による金属層表面の熱酸化処理
・酸素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ酸化処理
・窒素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ窒化処理
・窒素ガス及び酸素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ酸窒化処理
この第２表面処理工程により、中間金属層ＢＭｍには、その表面から所定の厚さに渡り、金属酸化物層、金属窒化物層、金属酸窒化物層のいずれかからなる第２金属化合物層Ｂｎ２が形成される。
【００６６】
上記表面処理チャンバ２５にて第２金属化合物層Ｂｎ２が形成されると、基板Ｓは、搬送ロボットＲ２によって該表面処理チャンバ２５から成膜チャンバ２４ｂに搬送される。この成膜チャンバ２４ｂでは、第２金属層ＢＭｔが第２金属化合物層Ｂｎ２に積層される（第２成膜工程：ステップＳ２６）。
【００６７】
上述した製造工程を経ることで、ビアホールＨの内表面には、第１金属層ＢＭｂ、第１金属化合物層Ｂｎ１、中間金属層ＢＭｍ、第２金属化合物層Ｂｎ２、及び第２金属層ＢＭｔがこの順に積層された構成を有するバリアメタル層ＢＭが形成される。バリアメタル層ＢＭが形成されて以降のステップＳ２７〜ステップＳ２９にて実施される処理は、先の図３（ａ）に示されるステップＳ１６〜ステップＳ１８にて実施される処理と同様であり、これらの処理を経ることにより、第２のスタック構造が形成される。
【００６８】
ここで、上述した２つの工程フローでは、第１金属化合物層Ｂｎ１の形成に際し、第１金属層ＢＭｂの表面に対する酸化を施すようにしている（ステップＳ１３、ステップＳ２３）。また、バリアメタル層ＢＭが有する第２金属化合物層Ｂｎ２の形成に際し、中間金属層ＢＭｍの表面あるいは第１金属化合物層Ｂｎ１の表面に対する酸化、窒化、若しくは
酸窒化を施すようにしている（ステップＳ１４、ステップＳ２５）。そして、第１金属化合物層Ｂｎ１、及び第２金属化合物層Ｂｎ２の形成に際し、金属元素からなるターゲットを窒素ガスの雰囲気、又は酸素ガスの雰囲気でスパッタする反応性スパッタが用いられていない。そのため、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層ＢＭの形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００６９】
上述した２つの工程フローで形成されたバリアメタル層ＢＭであれば、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の各々が、下地配線ＭＬとアルミニウム配線との相互拡散を抑制するバリア性を有するようになる。表面処理によって得られる金属化合物層では、金属化合物を形成するための元素が表面処理の対象となる層の厚さ方向に十分に拡散しない虞がある。そのため、金属化合物層に必要とされるバリア性が、金属化合物の粒子の堆積によって得られる層よりも低くなる場合もある。この点、上述した２つの工程フローによれば、金属化合物層が表面処理によって形成されるものの、隣接する層間において互いに構成元素が異なるように２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２が積層されることから、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２による相乗効果によってバリア性を担保することが可能になる。
【００７０】
また、第１金属層ＢＭｂに対する表面処理により第１金属化合物層Ｂｎ１が形成され、第１金属化合物層Ｂｎ１あるいは中間金属層ＢＭｍに対する表面処理によって第２金属化合物層Ｂｎ２が形成される。そのため、金属化合物層が別途成膜される製造方法と比較して、バリアメタル層ＢＭの膜厚の均一性が高められる。それゆえに、ライナー層ＳＬやバルク層ＰＬの埋め込み性が向上可能になる。また、第２金属層ＢＭｔがチタン層である場合、チタンに対するアルミニウムの濡れ性が高いため、ビアホールＨの内表面の全体にわたり、均一な膜厚からなるライナー層ＳＬが形成されやすくなる。ひいては、ビアホールＨへのアルミニウムの埋め込みが、より確実なものとなる。
［実施例］
表面がシリコン酸化物で覆われた１２インチのシリコンウエハを基板Ｓとして用いて、シリコンウエハの表面に、銅を構成元素とする下地配線ＭＬ（導電層）を形成した。次いで、先の図３（ａ）及び図３（ｂ）に示される工程フローのいずれかによりバリアメタル層ＢＭと同様の積層膜を形成し、さらに上記ライナー層形成工程（ステップＳ１７、ステップＳ２８）と同様の条件にて、アルミニウムを構成元素とする導電層を形成して、実施例の試験用積層膜を得た。
【００７１】
そして試験用積層膜のシート抵抗値Ｒｓｉを測定後、４１５℃で１０分間加熱した後、加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐを測定した。各シート抵抗値Ｒｓｉ，Ｒｓｐの測定結果を図４に示す。図４の各水準における左側の棒グラフは加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉを、他方、右側の棒グラフは加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐを示している。なお、１０分間の加熱処理によって２つの導電層の構成元素が相互拡散した場合には、加熱処理以前よりもシート抵抗値が大きくなる。そのため、加熱処理前のシート抵抗値に対する加熱処理後のシート抵抗値の変化率（Ｒｓｐ／Ｒｓｉ）によって、バリアメタル層のバリア性を評価した。
［実施例１］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７２】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（３ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層（３ｎｍ）
中間金属層ＢＭｍ：チタン層
第２金属化合物層Ｂｎ２：酸化チタン層
中間金属層ＢＭｍと第２金属化合物層Ｂｎ２との総膜厚：３ｎｍ
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、各酸化チタン層はいずれもチタン層に熱酸化処理を施して形成した。実施例１から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７３】
加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉ：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐ：０．１３２Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．１０。
［実施例２］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７４】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（３ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層（３ｎｍ）
中間金属層ＢＭｍ：チタン層（１〜３ｎｍ）
第２金属化合物層Ｂｎ２：窒化チタン層（１〜３ｎｍ）
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、窒化チタン層は中間金属層ＢＭｍにプラズマ窒化処理を施して形成した。実施例２から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７５】
加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉ：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐ：０．１３４Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．１２
［実施例３］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７６】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（６ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層
第２金属化合物層Ｂｎ２：窒化チタン層
第１金属化合物層Ｂｎ１と第２金属化合物層Ｂｎ２との総膜厚：３ｎｍ
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、窒化チタン層は該熱酸化処理によって形成された酸化チタン層にプラズマ窒化処理を施して形成した。実施例３から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７７】
加熱処理前のシート抵抗値Ｒｓｉ：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐ：０．１９４Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．６２
［実施例４］
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
【００７８】
第１金属層ＢＭｂ：チタン層（３ｎｍ）
第１金属化合物層Ｂｎ１：酸化チタン層（３ｎｍ）
中間金属層ＢＭｍ：チタン層（３ｎｍ）
第２金属化合物層Ｂｎ２：酸窒化チタン層（１〜３ｎｍ）
第２金属層ＢＭｔ：チタン層（３ｎｍ）
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、酸窒化チタン層は中間金属層ＢＭｍにプラズマ酸窒化処理を施して形成した。実施例４から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００７９】
加熱処理前のシート抵抗値：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値：０．１２０Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．００
［比較例］
実施例と同じく、表面がシリコン酸化物で覆われた１２インチのシリコンウエハを基板Ｓとして用いて、シリコンウエハの表面に、銅を構成元素とする導電層を下地配線ＭＬとして形成した。次いで、以下に示す膜構造のバリアメタル層を形成し、さらに上記ライナー層形成工程（ステップＳ１７、ステップＳ２８）と同様の条件にて、アルミニウムを構成元素とする導電層を形成して、比較例の試験用積層膜を得た。
【００８０】
チタン層（３ｎｍ）／酸化チタン層（３ｎｍ）／窒化チタン層（３ｎｍ）／チタン層（３ｎｍ）
なお、窒化チタン層は反応性スパッタにて形成した。
【００８１】
そして実施例と同じく、試験用積層膜のシート抵抗値Ｒｓｉを測定後、４１５℃で１０分間加熱した後、加熱処理後のシート抵抗値Ｒｓｐを測定した。比較例から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
【００８２】
加熱処理前のシート抵抗値：０．１２０Ω／ｓｑ
加熱処理後のシート抵抗値：０．１８０Ω／ｓｑ
シート抵抗の変化率：１．５０
以上のように、２つのチタン化合物層の間にチタン層が介在する第２のスタック構造によれば、該チタン層が介在しない第１のスタック構造と比較して、バリア性が向上することが分った。つまり、新たに発明されたバリアメタル層の構造によれば、バリアメタル層を挟む一対の導電層における構成元素の相互拡散がより抑制されることが認められた。また、実施例１〜実施例４においては、反応性スパッタを用いることなく試験用積層膜を形成したことから、該試験用積層膜に認められたパーティクルを抑制することができた。なお、上述したようなバリア性やパーティクルの抑制効果は、金属層としてタンタル層を適用した場合にも同様に認められた。
【００８３】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）バリアメタル層ＢＭの形成に際して、チタンあるいはタンタルからなる第１金属層ＢＭｂに対して酸化を施して第１金属化合物層Ｂｎ１を形成した。また、中間金属層ＢＭｍ、第２金属層ＢＭｔ、あるいは第１金属化合物層Ｂｎ１に対して酸化、窒化、あるいは酸窒化を施して第２金属化合物層Ｂｎ２を形成した。そして反応性スパッタを用いることなく、バリアメタル層ＢＭを形成するようにした。これにより、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００８４】
（２）隣接する層間で構成元素が異なるように２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２が積層されることから、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２による相乗効果によって、バリアメタル層ＢＭにおけるバリア性を担保することが可能にもなる。
【００８５】
（３）２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の間に中間金属層ＢＭｍが介在するバリアメタル層ＢＭによれば、中間金属層ＢＭｍが介在しない場合と比較して、高いバリア性が得られる。そして、２つの金属化合物層Ｂｎ１，Ｂｎ２の間に中間金属層ＢＭｍが介在する構造であっても、パーティクルの発生が抑制できるようになる。
【００８６】
（４）第１金属層ＢＭｂに対する表面処理によって、第１金属化合物層Ｂｎ１を形成し、中間金属層ＢＭｍあるいは第１金属化合物層Ｂｎ１に対する表面処理によって、第２金属化合物層Ｂｎ２を形成するようにした。これにより、別途、これら金属化合物層Ｂｎ１
，Ｂｎ２を成膜する製造方法と比較して、ライナー層ＳＬ及びバルク層ＰＬにおいて、高い埋め込み性が得られるようになる。
【００８７】
（５）チタン若しくはタンタルからなる中間金属層ＢＭｍに対して、酸化、窒化、及び酸窒化のいずれかの処理を施すことで、チタン若しくはタンタルの化合物からなる第２金属化合物層Ｂｎ２を形成するようにした。これに際し、熱酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマ酸窒化処理を実施するようにした。そのため、反応性スパッタに起因する上記パーティクルの発生を抑制しつつも、第２金属化合物層Ｂｎ２を確実に形成することができる。
【００８８】
なお、上記実施の形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記各処理における温度、時間等の条件は、処理対象等によって適宜変更可能である。
【００８９】
・上記半導体装置の製造装置における各種チャンバの配置は上述したものに限らず、任意に変更可能である。
・絶縁層ＤＬの下地となる導電層を銅からなる下地配線ＭＬによって形成し、該絶縁層ＤＬに形成された貫通孔に埋め込まれる導電層をアルミニウムによって形成するようにした。これに限らず、これら２つの導電層は同一の金属材料からなるようにしてもよい。また、導電層の形成材料としては、上記銅及びアルミニウムの他、タングステンや、これらの合金を採用することも可能である。さらには、絶縁層ＤＬの下地となる導電層をシリコン基板の表層となるように構成してもよい。
【００９０】
・なお、絶縁膜の下地となる導電層をアルミニウムで形成した場合には、還元チャンバ２２をスパッタチャンバに変更し、ビアホールＨから露出するアルミニウム膜の酸化層を希ガス雰囲気でスパッタして除去する構成が好ましい。
【００９１】
・上記半導体装置の製造装置には、アルミニウムの薄膜を形成するチャンバとして長距離スパッタチャンバ１４ａ，１４ｂを設けるようにした。これに限らず、ビアホールＨへの埋め込みが確保できる方法を用いたチャンバであれば、例えばコリメータ式スパッタチャンバやバイアススパッタチャンバ等を用いることもできる。
【００９２】
・第１金属化合物層Ｂｎ１を金属酸化物層としたが、これに限らず、第１金属層ＢＭｂに窒化処理あるいは酸窒化処理を施して、第１金属化合物層Ｂｎ１を窒化物層あるいは酸窒化物層としてもよい。
【００９３】
・第１金属層ＢＭｂ、中間金属層ＢＭｍ、第１金属化合物層Ｂｎ１に施される各種の表面処理は、熱処理やプラズマ処理と同様に、金属層や金属化合物層の表面が、酸化、窒化、酸窒化される処理であれば他の乾式あるいは湿式の化学的な方法を用いるようにしてもよい。
【００９４】
・上記バリアメタル層ＢＭは、上記下地配線ＭＬとアルミニウム配線との間に限らず、２つの導電層間、例えば配線と配線との間、配線と受動素子との間、配線と能動素子との間等に適用することもできる。
【００９５】
・バリアメタル層ＢＭの積層態様は、上記実施例１〜４に示したものに限らない。要は、２つの金属層の間に複数の金属化合物層が挟まれた構成であればよい。この場合、隣り合う金属化合物層は、金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属酸窒化物層のうちから、互いに異なる構成元素の組み合わせを選択すればよい。そして、下層となる金属層に対して、酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施した後に、さらに該金属層に対して既に
施された処理とは異なる処理を同金属化合物層の表面に対して施す構成であればよく、下層となる金属層の成膜を含めて、これら一連の処理を繰り返す構成であってもよい。
【００９６】
・また、同バリアメタル層は、２つの金属層の間に他の金属層を挟む２つの金属化合物層が１つ以上挟まれた構成であればよい。この場合、金属層を挟む２つの金属化合物層はそれぞれ、上記金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属酸窒化物層から任意に選択可能である。そして、下層となる金属層に対して、酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施した後に新たな金属層を積層し、この新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す構成であればよく、またこれら一連の処理を繰り返す構成であってもよい。
【００９７】
・また上述したように、第２表面処理工程（ステップＳ１４）にてプラズマによる表面処理を実行する場合であれば、半導体装置のバリア性能が確保できる範囲においては、第１表面処理工程（ステップＳ１３）を割愛することもできる。このような構成であっても、反応性スパッタ方法を用いることなくバリア性を有したバリア膜が得られる以上、上述した効果に準じた効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１０…第１処理部、１１…第１搬送チャンバ、１２ａ，１２ｂ…ロードロックチャンバ、１３ａ，１３ｂ…長距離スパッタチャンバ、１４ａ，１４ｂ…リフロースパッタチャンバ、２０…第２処理部、２１…第２搬送チャンバ、２２…還元チャンバ、２３…脱ガスチャンバ、２４ａ，２４ｂ…スパッタチャンバ、２５…表面処理チャンバ、２６…冷却チャンバ、３０…バッファ室、４０…ゲートバルブ、５０…排気装置、６０…制御部、６０ａ…記憶部、ＢＭ…バリアメタル層、ＢＭｂ…第１金属層、ＢＭｍ…中間金属層、ＢＭｔ…第２金属層、Ｂｎ１…第１金属化合物層、Ｂｎ２…第２金属化合物層、ＤＬ…絶縁層、Ｈ…ビアホール、ＭＬ…下地配線、ＰＬ…バルク層、Ｒ１，Ｒ２…搬送ロボット、Ｓ…基板、ＳＬ…ライナー層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、
チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記複数の金属層を導電層上に積層する過程において、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に前記金属化合物層を形成すること、
（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する
（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、
（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す
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において、
前記導電層上に絶縁膜を形成して前記導電層の一部を露出させる貫通孔を前記絶縁膜に形成した後に、前記貫通孔における内表面の全体に前記バリアメタル層を形成し、前記バリアメタル層で覆われた前記貫通孔内に他の導電層を埋め込む
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において、
前記酸化する処理は、酸化の対象となる層を加熱しつつ該層の表面に酸素を供給する熱処理、又は酸化の対象となる層の表面に対して酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
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１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒化する処理は、窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
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のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸窒化する処理は、酸窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガス及び酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を基板に設けられた導電層上に有する半導体装置の製造装置であって、
チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記導電層上に金属層を形成する成膜部と、
前記金属層の表面に対して処理を施す表面処理部と、
前記成膜部と前記表面処理部とに前記基板を搬送する搬送部と、
前記搬送部に対して前記基板の搬送先を制御すると共に、該搬送先となる前記成膜部及び前記表面処理部に対して前記基板に施す処理を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記成膜部に複数の前記金属層を積層させる過程において、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）
のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に前記金属化合物層を形成すること、
（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する
（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、
（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す
を特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項１】
複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、
チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記複数の金属層を導電層上に積層する過程において、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に前記金属化合物層を形成すること、
（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する
（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、
（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す
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において、
前記導電層上に絶縁膜を形成して前記導電層の一部を露出させる貫通孔を前記絶縁膜に形成した後に、前記貫通孔における内表面の全体に前記バリアメタル層を形成し、前記バリアメタル層で覆われた前記貫通孔内に他の導電層を埋め込む
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において、
前記酸化する処理は、酸化の対象となる層を加熱しつつ該層の表面に酸素を供給する熱処理、又は酸化の対象となる層の表面に対して酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
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１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒化する処理は、窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
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のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸窒化する処理は、酸窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガス及び酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
複数の金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を基板に設けられた導電層上に有する半導体装置の製造装置であって、
チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記導電層上に金属層を形成する成膜部と、
前記金属層の表面に対して処理を施す表面処理部と、
前記成膜部と前記表面処理部とに前記基板を搬送する搬送部と、
前記搬送部に対して前記基板の搬送先を制御すると共に、該搬送先となる前記成膜部及び前記表面処理部に対して前記基板に施す処理を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記成膜部に複数の前記金属層を積層させる過程において、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）
のいずれかの表面処理を下層となる前記金属層に施すことにより該金属層上に前記金属化合物層を形成すること、
（ａ）前記金属層にプラズマ酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成する
（ｂ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に、酸化、窒化、酸窒化のうち、該金属層に対して既に施された前記処理とは異なるいずれか一つの処理を該金属化合物層の表面に対して施す、
（ｃ）前記金属層に酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該金属層の表面に金属化合物層を形成した後に該金属化合物層上に新たな金属層を形成し、該新たな金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施す
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２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２２２６００（Ｐ２０１１−２２２６００Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８７３２３（Ｐ２０１０−８７３２３）
【出願日】平成２２年４月５日（２０１０．４．５）
【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２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月５日（２０１０．４．５）
【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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