JPH08246152A - 化学気相堆積により堆積された改良窒化チタン層および製造法 - Google Patents
化学気相堆積により堆積された改良窒化チタン層および製造法Info
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Abstract
質を改善し、特に窒化チタン膜の密度を増大させ、抵抗
率とその安定性を改良する方法を提供する。 【解決手段】 真空チャンバ10内に基板24を支持加
熱する支持電極22と、ガスマニホルド・プレート1
8,18とが対向し平行に取付けられている。ガス入口
電極12は前駆体ガス吸込管14を備え、吸込まれた前
駆体ガスは吸込管に連結されたチャンバ16内で混合さ
れ、複数の開口部を有するプレート18を通り空間20
に到る。支持電極は高周波電源26に接続され、両電極
間の空間20でプラズマが生成される。TiN膜はTi
(NR2)4を用いCVD法で形成された後、基板に4
00Vのバイアス電圧を印加しつつ、不活性ガスの10
0W高周波プラズマに膜を晒す後処理により、高エネル
ギーイオンで膜表面が衝撃されて膜は緻密化し、面積抵
抗は低下し抵抗率の増大は24hで2%に改善安定化さ
れた。
Description
性質を改善するための方法に関する。より詳しくは、本
発明は、窒化チタン(titanium nitride)膜の抵抗率
(resistivity )を緻密(densifying)・安定化させる
方法に関する。
おける有用性(utility )、特に、例えばシリコン・ウ
エハ等の半導体基板と、それからコンタクトが形成され
るべき導電性の層(layers)との間のバリヤー層として
の有用性、が見出されている。例えば、窒化チタンの薄
いバリヤー層は、チタン金属層からの窒化(nitridin
g)によって堆積されるか、あるいは、酸化シリコン層
の開口部(opening )中へのスパッタリングによって堆
積されることができ、次いで、導電性の金属層はその上
に堆積される。該窒化チタン・バリヤー層は、シリコン
基板とその上の(overlying )アルミニウム・コンタク
ト層のような、似ていない(dissimilar)材料の拡散を
防止する。加えて、それは、タングステン堆積プロセス
において用いられる六フッ化(hexafluoride)タングス
テン等の気相の化学種(species )に対する良好な化学
バリヤーである。
(bulk resistivity)を有し、且つ、導電性の層と優れ
たオーミックコンタクトを作ることからも、有用であ
る。更に、それは、上層たる(overlying )タングステ
ン層等の導電性の金属層や、絶縁体(insulators)に対
する良好な接着性を有している。
ー層は、窒素環境下でのチタン金属のスパッタリングに
よって形成され、ウエハ表面ないしコンタクト開口部の
上に窒化チタンを形成する。加熱ステップは、該チタン
と下層の(underlying)シリコン層との反応を推進し
(drives)て、対応するオーミックコンタクト材料たる
ケイ化チタンを形成する。しかしながら、半導体デバイ
スがより小さくなり、且つ、より多くのデバイスが一つ
の基板の上に見出されるに従って、チタンのスパッタリ
ング、あるいは高いアスペクト比(aspect ratio)を有
する小さい開口部中への窒化チタンの反応性スパッタリ
ングのいずれかによって等角的(conformal )な層を堆
積し、且つ、ボイド(voids )を残すことなく、段のあ
る(stepped )形状的な特徴(topography)をカバーす
ることは、より困難となる。
n )により、開口部中に直接に窒化チタンを堆積させる
ことも、試みられている。
を参照)は、窒化チタン膜を堆積するための化学気相堆
積方法を開示している。Rがアルキルである構造式Ti
(NR2 )4 を有する有機金属(metallo-organic )チ
タン化合物は、約0.1〜100Torrの真空圧力
で、200〜600℃の比較的低温で容易に分解され、
高度に等角的な様式(manner)で窒化チタンを堆積させ
る。この方法は、良好な堆積速度、優れた等角性および
ステップ・カバーレージ、および良好なパーティクル性
能(particle performance)という長所を有しており、
結果として生じる窒化チタン層は、良好なバリヤー性質
を有している。この方法は、また低コストでもある。し
かしながら、該窒化チタン膜の抵抗率は、高く且つ不安
定である。ある時間で(over time )、その抵抗率は、
その膜が半導体デバイスに対して、もはや有用でない程
度にまで増大する。
めの努力において、Sandhuらは、窒化チタン膜の堆積の
間に、ルイス塩基を加えた。適切なルイス塩基は、例え
ば、塩素、NF3 またはNH3 を包含する。バルク抵抗
率は低減したが、窒化チタン膜は、ハロゲン等の追加の
汚染物を含んでしまった。また、いくつかの前駆体ガス
をその反応チャンバーに別々に供給する(deliver )た
めには、特別な注意が払われなければならない。
は、異なる有機金属チタン化合物たるビス(2, 4−ジ
メチルペンタジエニル)チタンを使用する、窒化チタン
を堆積する他の化学気相堆積方法を開示している。チタ
ン金属は、この化合物から堆積されることができ、ある
いは、NH3 等の窒素含有ルイス塩基が窒化チタンを形
成するために加えられてもよいが、やはり汚染された膜
が得られる。
つ、安定性を改良するように膜を改質(modify)する、
化学気相堆積によって堆積された窒化チタン膜を処理す
る方法は、非常に望ましいだろう。
アスしている間、化学気相堆積を経由して(via )形成
された堆積膜を、基板にバイアスをかけつつ、不活性プ
ラズマ(inert plasma)に晒す膜のポスト処理(post t
reatment)が、より安定な膜を与えることを見出した。
特に、有機金属チタン化合物からの化学気相堆積によっ
て形成された窒化チタン膜は、その膜の抵抗率と安定性
とが改良されるように、改質される。我々は、プラズマ
中で基板をバイアスすることが、膜を緻密化する高エネ
ルギー・イオンでその膜の表面を衝撃し、そして大気
(atmosphere)に晒された後の膜による酸素の吸収を低
減すると考える。
ス(present process )が実行されることが可能な、化
学気相堆積(CVD)装置の模式図である。
2つの電極を包含している。第1のガス入口電極(gas
inle electrode)12は、1つ又はそれ以上の前駆体・
処理ガスの真空チャンバー内への導入(entry )のため
の前駆体ガス吸込管(inletpipe)14を包含する。ガ
ス吸込管14は、必要な場合には、その中で前駆体ガス
(precursor gases )が混合されるチャンバー16に連
結され、そしてそこから、それらは複数の開口部を有す
るプレート18を通過する(pass through)。前駆体ガ
スは、このようにスペース20に至る(pass into )。
ガス入口電極12は、接地(ground)に接続されてい
る。
加熱するための第2の基板支持電極(substrate suppor
t electrode )22は、ガスマニホルド・プレート18
と対向して(opposite)且つ平行に取り付けられてい
る。支持電極22は、高周波電力、例えば、13. 56
MHzの源26に接続されている。電源26がポスト堆
積処理ステップの間にオンにされるとき、以下に更に記
述されるように、電極12と22との間のスペース20
中でプラズマが生成される。電極12と22との間の間
隔(spacing )は、調整可能である。排気管(exhaust
pipe)28は、チャンバー10内の圧力を維持する。
化合物、好ましくは、下記構造式を有するテトラキスジ
アルキルアミド(tetrakisdialkylamido)チタン、Ti
(NR2 )4 によって開始される(starting with )化
学気相堆積によって形成される。
h occurrence independently)アルキル基、好ましくは
1〜5炭素原子のアルキル基である。例えば、ヘリウ
ム、アルゴン、窒素、水素等からなる、上記化合物のた
めのキャリヤーガスは、それが遠くで(remotely)生成
された反応性の化学種、例えばハロゲン、アンモニアな
いし水素ラジカル等、と約200〜600℃の基板温
度、約0. 1〜100Torrの圧力で反応する図1の
チャンバー内に、該化合物をもたらし、窒化チタンを堆
積させる。得られた窒化チタンは、有意(significant
)な量の炭素を含有し、且つ、結果として生じた窒化
チタン膜は、化学的に反応性である。したがって、この
膜が空気ないし他の酸素含有ガスに晒される際には、酸
素が吸収され、且つ、その膜は、次いで炭素と酸素とを
不純物として含有する。酸素吸収が制御されない(unco
ntrolled)ため、その膜の安定性は害され、そしてそれ
は、その膜から形成されるデバイスの信頼性を害する可
能性があることに加えて、特に、その膜の抵抗率に悪影
響を及ぼす。空気に晒された後、これらの窒化チタン膜
の面積抵抗(sheet resistivity )は、約10, 000
μオーム−cm/sq〜約100, 000μオーム−c
m/sqの値にまで増大し、これは、この膜を導電性の
コンタクトおよびヴィア(vias)のためのバリヤー層と
して用いる際に、非常に望ましくない。上記の応用のた
めには、約1000μオーム−cm/sq以下の程度
(on the order of )の安定な面積抵抗が望ましい。
膜は、DCバイアス電圧を基板に印加することによって
得られる、高エネルギー・イオンを含む不活発なプラズ
マでポスト処理される。ほんの低い高周波電力レベル、
すなわち前駆体ガスからプラズマを形成するために充分
な電力、および基板に印加された約100〜1000の
ボルトの電圧が印加されればよい。例えば、ほんの10
0ワットの高周波電力をプラズマを形成するために印加
している間、約400のボルトの電圧は、高エネルギー
・イオンを生成し、窒化チタン膜をパッシベーションな
いし緻密化して、それをある時間(over time )安定に
維持するために、まったく充分である。
が、我々は、バイアスされた基板上の膜の高エネルギー
・イオン衝撃が、膜を緻密化すると考える。処理された
窒化チタン膜が後に空気、水蒸気または酸素に晒された
際には、酸素が吸収されないか、あるいは、バイアス電
圧が印加されなかった際より遥かに少ない程度にしか吸
収されない。したがって、本発明の処理された窒化チタ
ン膜は、より結晶性で、より多くの窒素を含み、且つ、
有機金属チタン化合物の従来の熱的な化学気相堆積によ
って生産された非処理の窒化チタン膜と比べて(ove
r)、低減された酸素および炭素含有量を有している。
本発明の窒化チタン膜は、低く、安定な面積抵抗を有し
ている。
のためのプラズマを形成するために用いられる前駆体ガ
スは、いかなるガスであってもよいが、窒素、アンモニ
ア、アルゴン等の、酸素および炭素を含有しない(non-
oxygen-and-carbon-containing)ガスであることが好ま
しい。窒素は、窒化チタン膜のパッシベーションのため
に、最も効果的である。代わりに、例えば、イオン源等
の非ガス状(non-gaseous )化学種から生成されたイオ
ンで衝撃することが可能である。このプラズマ処理ステ
ップは、堆積された膜のパーティクル性能、ステップ・
カバーレージ、堆積速度またはバリヤー性能に悪影響を
及ぼさないが、その膜による酸素の吸収を著しく低減さ
せ、且つ、窒化チタン膜の抵抗率を安定させる。
ターに従って(following )、従来の真空化学気相堆積
チャンバー中で、下記条件の下でシリコン・ウエハ上に
コントロールの窒化チタン膜を堆積した 圧力: 0. 45Torr; ヘリウム・フロー: Ti(NR2 )4 を含むバブラー
を経由して40sccm; 窒素フロー: 100sccm; サセプター温度: 420℃。
sccmのアルゴン・パージガスも用いられた。
って、約425オングストローム/分の堆積速度で堆積
された。結果として生じた窒化チタン膜は、厚さにおい
て非常に均一で、4つのウエハの厚さ変動(thickness
variation )は、3. 03%だけであった。しかしなが
ら、その面積抵抗(4つのウエハの平均値)は、高く、
11, 360μオーム−cm/sqであった。
は、時間(hours )−面積抵抗(オーム/sq)のグラ
フである。「A」(□)で示された測定は、所望の膜厚
が得られた後の堆積チャンバーから取り出された膜から
取られたものである。「B」(○)で示された測定は、
それらを堆積チャンバーから取り出す前に、150℃の
温度に冷却された膜から取られたものである。「B」試
料の面積抵抗は、より低い面積抵抗を有していたが、両
方の試料は不安定であり、且つ、その面積抵抗は時間と
ともに増加した。
膜について、ラザフォード後方散乱測定が行われた。得
られたスペクトルは、図3で与えられる。炭素、C、窒
素、N、および酸素、Oのピークが、シリコン界面(in
terface )におけるように、そのスペクトル上で顕著
(marked)である。その炭素含有量(carbon content)
は、約30%、窒素含有量は約24%、酸素含有量は約
25%、およびチタン約23%であると決定された。こ
のように、窒化チタン膜は、比較的に高いレベルの炭素
および酸素不純物を含んでいた。
うとして、膜の堆積中で種々のガスを加えることによっ
て変えられた。その結果を、下記表1に示す。表中、
「コントロール」膜は、上記で与えられた方法を用いて
堆積された。
した実行(run )が、堆積の間NF3 (7sccm)の
フローを用いて得られたことは明らかであり、これは面
積抵抗を2200μΩ−cmに低減した。しかしなが
ら、図4に示されたその実行のラザフォード後方散乱ス
ペクトルから見られるように、弗素はその膜において不
純物として取り込まれており、そしてこのことは望まし
くない。
堆積フローと、プラズマ処理とが、このような処理が面
積抵抗に影響を及ぼすか否かを決めるために試みられ
た;2つのケースにおいて、窒化チタンの化学気相堆積
の前後に100ワットの低いパワーを用い、基板シリコ
ン・ウエハをバイアスしないで、プラズマが開始され
た。結果を、下記の表2にまとめる。
れも、面積抵抗に多大な影響を与えないことは、明らか
である。
電圧が印加された際に、その面積抵抗が著しく減少し
て、更に、より重要なことには、時間に対して安定した
ままであったことは、非常に予想外だった。
るが、本発明はそこに記述された詳細に限定されること
を意味しない。
力で堆積された、窒化チタンの層をその上に有するシリ
コン・ウエハ基板へ、400のボルトのバイアス電圧を
印加して、一連のテストが実行された。堆積およびバイ
アスは、逐次的に(sequentially)実行された。該2つ
のステップは、最高5回までサイクル(cycled up to f
ive times )された。時間に対して得られた堆積厚さ、
サイクル数、および抵抗率は、下記表3中に示されてい
る。表中、「コントロールB」は、5つの中断された
(interrupted )ステップで、しかし堆積の間のプラズ
マを形成することなく堆積された。
バイアス電圧を基板に印加する、窒化チタン膜のポスト
処理によって、窒化チタンの抵抗率は顕著に低減され、
且つ、安定性は劇的に、例えば24時間で2%の抵抗率
の増大の程度に、改善された。
1の窒化チタン膜のオージェ分析におけるオングストロ
ームでのスパッタリング・エッチング深さ(sputter et
ch depth)とのグラフである。この膜は、30秒間で2
回バイアスされた(上記表3参照)。
dy)のままであったが、グラフは、膜表面で窒素濃度が
高く、且つ、炭素および酸素濃度が低いことを明らかに
示している。この不純物レベルの低減は、約100オン
グストロームの深さの間続いた。深さ400オングスト
ロームでは、その膜が最初に高エネルギー・イオンで処
理されたとき、窒素濃度は再び上昇し、炭素および酸素
濃度は減少する。このように、図5のグラフは、本発明
に従う処理後の膜の元素的な組成の変化を明らかに示し
ている。
に示す。
さの層がバリヤー層として適切であるため、本発明のポ
スト堆積処理は、安定性を改良して、約100オングス
トロームの厚さの窒化チタンの抵抗率を低減させるのに
理想的である。
る表面元素を示すオージェスペクトルが、図6に示され
ている。このスペクトルは、堆積された材料のバルク
が、いくらかのチタンが存在する窒化チタンであり、且
つ、炭素および酸素が該表面に不純物として存在するこ
とを示している。
ェス・パッタリング分析は、膜のバルク中で酸素濃度が
顕著に低レベルへ落ちたことを示している。炭素は、他
の唯一の主要な不純物であり、本プロセスにおいて影響
されないままで残る。
の元素の濃度は、原子パーセントで: 酸素2. 8%;炭
素20. 9%;チタン38. 8%;および、窒素37.
5%であった。シリコンは、存在しなかった。
ジェ分析を図8に示し、且つ、コントロールの膜のスパ
ッタリング・オージェ分析を図9に示す。この膜の酸素
含有量は、若干、より高かった。200オングストロー
ムの深さで、元素の濃度は原子%で、酸素10. 8%;
炭素20. 7%;チタン41. 0%、および窒素27.
5%であった。シリコンは存在しなかった。
析を図10に示し、且つ、スパッタリング・オージェ分
析−深さ(オングストローム)を図11に示す。この膜
の酸素含有量は、低かった。43オングストロームの深
さでは、元素濃度は、原子%で、酸素3. 1%;炭素1
3. 7%;チタン40. 0%、および窒素43. 2%で
あった。シリコンは、存在しなかった。
3 )を決定するために、RBSが用いられた。そのデー
タは、下記表5において要約されている。
および衝撃は、コントロールと比較して、窒化チタン膜
の密度を増大させた。
ることを意味せず、且つ、本発明のプラズマ処理中のポ
スト堆積バイアス電圧は、他の材料、例えば、CVDア
ルミニウム、銅、スパッタリングされたアルミニウム、
タンタル、五酸化タンタル、ケイ化物、他の窒化物等
の、性質および化学組成を改良するのに役立つことがで
きる。本発明はシリコン・ウエハ上の窒化チタン膜によ
って例証されたが、他の基板、例えば、ステンレス鋼;
チタン、アルミニウム、タングステン等の金属;酸化チ
タン、シリカ、ガラス等の酸化物;ケイ化チタン等のケ
イ化物;等も使用可能である。
は、図1に関して記述されたような、前駆体ガスとプラ
ズマ能力(capability)とを備えた(fitted with )単
一のCVDチャンバー中で実行されることが可能であ
る。代わりに、1つを超えるチャンバーが、使われても
よい。処理されるべき層は、CVDチャンバー中で堆積
されてもよく、且つ、その基板は、本発明のポスト・プ
ラズマ/電力処理が実行されることが可能な隣接のプラ
ズマ・チャンバー等の、プラズマ・クリーンチャンバー
へ移動されてもよい。該CVDチャンバーからプラズマ
・チャンバーへの基板の移送の間、真空が維持されるこ
とが好ましい。本発明を実行するために適切なマルチチ
ャンバー・真空システムは、本明細書にレファレンスと
して組み込まれる米国特許4, 961, 601号におい
て、メイダン(Maydan)らによって開示されている。こ
のようなシステムは、図12に模式的に示されている。
理想的には、その基板が、プレクリーン・チャンバーA
中で前もってクリーニング(precleaned)され、膜がそ
の基板の上へ堆積されるCVDチャンバーBへ該基板は
移動され、且つ、その上に該所望の層を有する基板は、
次いで、ポスト・プラズマ/電力処理チャンバーCへ移
動される(全て、被覆された基板を真空環境から取り出
さない)。
の出願、SN08/087, 081号に開示されている
ように、窒化チタン・バリヤー層に酸素を制御可能に
「詰め込む」(stuffed )べき場合には、このようなス
テップは、チャンバーD中のプラズマ/電力処理ステッ
プの後に実行することが可能である。
された窒化チタン膜のポスト堆積処理に関して主に記述
されたが、当業者は、出発材料および堆積された膜、堆
積およびポスト処理反応の条件等のパラメーターを容易
に変えることができる。したがって、本出願は、添付さ
れたクレームの範囲のみによって制限されることを意味
する。
プロセスが実行されることが可能な、化学気相堆積チャ
ンバーの模式図である。
された窒化チタン膜の、面積抵抗(sheet resisteivit
y)対(versus)、時間のグラフである。
ン・ウエハ上に堆積された、化学気相堆積・窒化チタン
膜のラザフォード後方散乱(Rutherford backscatterin
g ;RBS)スペクトルである。
気相堆積・窒化チタン膜のRBSスペクトルである。
スパッタリング分析のオングストロームでのスパッタリ
ング深さ(sputter depth )−種々の元素のパーセント
での原子濃度(atomic concentration)のグラフであ
る。
表面スペクトルである。
パッタリング深さ−種々の元素のパーセントでの原子濃
度のグラフである。
ェ表面スペクトルである。
パッタリング深さ−種々の元素のパーセントでの原子濃
度のグラフである。
ェ表面スペクトルである。
のスパッタリング深さ−種々の元素のパーセントでの原
子濃度のグラフである。
が可能な、マルチチャンバー・プロセス装置の模式図で
ある。
Claims (12)
- 【請求項1】 基板上に堆積された膜の膜性質(film p
roperties )を改良する方法であって;エネルギーを有
する(energetic )イオンで該膜を衝撃する(bombardi
ng)ステップを含むことを特徴とする膜性質の改良方
法。 - 【請求項2】 基板上の膜の膜性質を変化させる方法で
あって;真空環境から外す(removing)ことなく、該基
板上に膜を堆積するステップと;該基板にバイアス電圧
を印加しつつ、前記の膜を前駆体ガスのプラズマに晒す
ことを特徴とする膜性質の変化方法。 - 【請求項3】 前記膜が、窒化チタンである請求項2記
載の方法。 - 【請求項4】 前記膜が、有機金属チタン化合物の熱分
解(thermal decomposition )によって堆積される請求
項3記載の方法。 - 【請求項5】 前記有機金属チタン化合物が、下記構造
式を有する請求項4記載の方法。 【化1】 (式中、Rは、それぞれ独立に(independently at eac
h occurrence)アルキル基である。) - 【請求項6】 前記ガスが、窒素である請求項3記載の
方法。 - 【請求項7】 前記基板に、約100〜1000ボルト
のバイアス電圧が印加される請求項3記載の方法。 - 【請求項8】 前記基板が、半導体基板である請求項2
記載の方法。 - 【請求項9】 有機金属チタン化合物の熱分解によって
基板上に堆積された窒化チタン膜の抵抗(resistivity
)および安定性を改良する方法であって;前駆体ガス
のプラズマの存在下で、該基板にバイアス電圧を印加す
ることによって膜を処理するステップを含むことを特徴
とする改良方法。 - 【請求項10】 前記前駆体ガスが、窒素またはアンモ
ニアである請求項9記載の方法。 - 【請求項11】 前記印加電圧が、約100〜1000
ボルトである請求項9記載の方法。 - 【請求項12】 請求項3に従って形成された窒化チタ
ン膜。
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