JPH10183331A - 遠隔活性種発生方法を用いたＴｉＮ薄膜の形成 - Google Patents

遠隔活性種発生方法を用いたＴｉＮ薄膜の形成

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JPH10183331A
JPH10183331A JP9318853A JP31885397A JPH10183331A JP H10183331 A JPH10183331 A JP H10183331A JP 9318853 A JP9318853 A JP 9318853A JP 31885397 A JP31885397 A JP 31885397A JP H10183331 A JPH10183331 A JP H10183331A
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chamber
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vapor deposition
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シー． モーズリー ロデリック
Gogh Jim Van
ヴァン ゴフ ジム
Karl A Littau
エー． リタウ カール
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高品質で安定したＴｉＮ薄膜を形成する方法
を提供する。 【解決手段】 処理用の基板を保持する気相堆積チャン
バにおいて、基板の表面上にＴｉ原子からなる材料層を
形成するステップと、活性窒素ガス種が生成されるよう
に窒素を含有するソースガスを遠隔的に活性化するステ
ップと、基板上に材料層を形成する間、活性窒素種を処
理チャンバ内に噴射して、形成中の材料層に取り込まれ
る活性窒素種の個体数を増加させるステップと、を含む
方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、半導体デ
バイスの製造に用いられるような物理気相堆積（ＰＶ
Ｄ）および化学気相堆積（ＣＶＤ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化チタン（ＴｉＮ）は、半導体デバイ
スの製造において、特に、電気コンタクトを形成する導
電層と半導体基板との間のバリア層として使用される。
ＴｉＮバリアは、シリコンとアルミニウムのような異種
材料の相互拡散を防止する。これは、タングステン堆積
プロセスに用いられる気相種、例えば六弗化タングステ
ン、に対する良好な化学バリアでもある。
【０００３】ＴｉＮバリア層の生成には、ＰＶＤおよび
ＣＶＤの双方を含む様々なプロセス技術が使用される。
ＰＶＤの場合は、通常、プラズマを用いて窒素雰囲気中
でチタンターゲットをスパッタリングする。スパッタリ
ングされたチタン原子は、プラズマ励起された窒素ガス
種分子と化合して、基板の表面にＴｉＮを形成する。Ｔ
ｉＮ層の堆積に続いて、加熱工程を用いてＴｉＮ層とシ
リコン基板との間の界面で珪化チタンを生成することに
よりオーミックコンタクトを形成する。ＣＶＤの場合
は、金属有機チタン化合物（すなわち、前駆物質）を用
いてＴｉＮ膜を形成する。この前駆物質は、比較的低温
で容易に分解し、基板の表面にＴｉＮ膜を堆積させる。
このＣＶＤ法は、通常、ＰＶＤ法に比べて、良好な堆積
速度と優れた形状追従性(conformality)およびステップ
カバレッジをもたらす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般
に、ＣＶＤ ＴｉＮ膜の品質は、使用される技術に関係
なく、しばしば改良の余地がある。例えば、充分に良好
な電気特性および物理特性を有するＴｉＮ膜を得ること
は困難であった。ＣＶＤ ＴｉＮ膜の抵抗率は、望まれ
ている程低くないことが多い。このため、膜の生成に対
するプロセスウインドウが非常に小さくなり、堆積され
た膜は、プロセスパラメタの小さな変化に対して極めて
敏感になる。更に述べると、ＣＶＤ ＴｉＮ膜はしばし
ば不安定になり易く、その抵抗率は、時間の経過と共
に、オーミックコンタクトとして使用できないほど増加
する。
【０００５】このように、高品質で安定したＴｉＮ膜を
生成する技術の一層の改良が依然として必要とされてい
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、ＴｉＮ膜堆積システム（ＰＶＤまたはＣＶＤのいず
れか）は、励起Ｎ2ガス種の遠隔ソースを追加すること
によって改修される。このため、窒素ガス種は、外部で
励起されてチャンバ内に導入される。チャンバでは、窒
素ガス種が、堆積されたＴｉ膜またはＴｉＮ膜と相互作
用する。
【０００７】一般に、一つの態様では、本発明は、処理
用の基板を保持する気相堆積チャンバを使用する方法で
ある。この方法は、基板の表面にＴｉ原子を含む材料層
を形成するステップと、活性窒素ガス種が生成されるよ
うに窒素を含有するソースガスを遠隔的に活性化するス
テップと、基板上に材料層を形成する間、活性窒素種を
処理チャンバ内に噴射して、形成中の材料層に取り込ま
れる活性窒素種の個体数を増加させるステップと、を含
んでいる。
【０００８】一般に、別の態様では、本発明は、処理用
の基板を保持する物理気相堆積チャンバを作動させる方
法である。この方法は、チャンバ内でプラズマを発生さ
せるステップと、このプラズマを用いて基板上にＴｉＮ
を堆積するステップと、活性窒素ガス種が生成されるよ
うに窒素を含有するソースガスを遠隔的に活性化するス
テップと、活性窒素種をプラズマ処理チャンバ内に噴射
して、堆積中のＴｉＮ層に取り込まれる活性窒素種の個
体数を増加させるステップと、を含んでいる。
【０００９】好適な態様は、以下の特徴を含んでいる。
ソースガスを遠隔的に活性化する上記ステップは、活性
窒素種を生成するために、ガスを加熱するステップ、静
電放電を用いるステップ、またはマイクロ波エネルギを
用いるステップを含んでいる。噴射ステップおよび堆積
ステップは、並行して行なうか、あるいは連続的にパル
ス方式で行なう。この方法は、活性窒素種による、より
大きな膜侵入が達成されるように基板にバイアスを加え
るステップも含んでいる。
【００１０】一般に、更に別の態様では、本発明は、処
理用の基板を保持する化学気相堆積チャンバを用いる方
法である。この方法は、窒素を含むソースガスを遠隔的
に活性化して活性窒素種を生成するステップと、化学気
相堆積技術によって基板上にＴｉＮの層を堆積するステ
ップと、堆積中のＴｉＮ層に取り込まれる活性窒素種の
個体数が増加するように活性窒素種を遠隔ソースからチ
ャンバ内に噴射するステップと、を含んでいる。
【００１１】好適な態様は、以下の特徴を含んでいる。
上記の噴射ステップは、上記の堆積ステップと並行して
行なうか、あるいは堆積ステップの後に堆積ステップか
ら独立して行なう。後者の場合、この方法は、所定の厚
さを有する堆積ＴｉＮ層が形成されるまで堆積ステップ
および噴射ステップを繰り返すステップを更に含んでい
る。ソースガスを遠隔的に活性化する上記ステップは、
ガスを加熱し、静電放電を用い、またはマイクロ波エネ
ルギを用いて、活性窒素種を生成することにより行なわ
れる。この方法は、堆積ステップおよび噴射ステップに
先立って、これらのステップの間、基板が高い温度であ
るように、基板を加熱するステップを更に含んでいる。
また、この方法は、活性窒素種による、より大きな膜侵
入を達成するように基板にバイアスを加えるステップを
含んでいる。
【００１２】一般に、更に別の態様では、本発明は、チ
ャンバと、チャンバ内で処理されるべき基板を保持する
サセプタと、第１のガスがチャンバ内に噴射されるとき
に通過する第１ガス噴射口と、第２のガスがチャンバ内
に噴射されるときに通過する第２ガス噴射口と、第１ガ
ス噴射口を通ってチャンバ内に入る第１ガスの流れを制
御する第１のソレノイドバルブと、第２ガス噴射口を通
ってチャンバ内に入る第２ガスの流れを制御する第２の
ソレノイドバルブと、を有する化学気相堆積システムで
ある。
【００１３】好ましい実施形態では、この化学気相堆積
システムは、第１及び第２ソレノイドを連続的に作動さ
せてパルス動作を達成するようにプログラムされた制御
器を更に有している。
【００１４】遠隔励起ソースを追加することにより、Ｔ
ｉＮ膜に到達する活性Ｎ2 +の個体群密度に対して、従来
システムで可能であるものよりも遙かに良好な制御がも
たらされる。このため、遠隔励起ソースを追加すること
で、堆積膜の特性に対しても、より優れた制御がもたら
される。また、本発明によれば、ＴｉＮ膜の形成を制御
する際の自由度が追加される。更に、窒素ガスの外部励
起(ex-situ excitation)の使用により、内部励起(in-si
tu excitation)機構に依存する必要性が排除され、ＰＶ
Ｄ ＴｉＮシステムの場合、基板に対しバイアスを使用
する必要なしにシステムを稼働することが可能となる。
【００１５】本発明によれば、従来の堆積システムにお
いて高温で生成されるＴｉＮ膜と同等か、あるいはそれ
より優れた電気的特性を持つＴｉＮ膜を低温で生成する
ことが可能となる。
【００１６】本発明によって可能な、大きな個体群密度
のＮ2 +ガス種へのＴｉＮ膜の曝露は、Ｏ2の吸収に対す
る耐性がより高まるようにＴｉＮ膜を変化させる。すな
わち、この曝露は、ＴｉＮ膜をより安定した化学物質に
する。自由Ｔｉ結合は、より完全にＮ2 +と反応し、この
ため、後で膜が空気に曝露されたとき、膜の特性を変化
させる周囲からのＯ2との化学反応は生じないものと思
われる。
【００１７】その他の利点と特徴は、好適な実施形態の
以下の説明と特許請求の範囲から明らかになるであろ
う。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の一態様によれば、Ｎ2の
ソースが遠隔的に励起されてＮ2 +を形成し、次いで、こ
のＮ2 +がプロセスチャンバ内に噴射されて、堆積中のＴ
ｉＮ層の窒化を促進する。活性Ｎ2 +種の遠隔発生は、Ｐ
ＶＤプロセス又はＣＶＤプロセスのいずれにも使用でき
る。本発明に従って修正を加えた各システムの例を以下
に示す。
【００１９】ＣＶＤシステム 図１は、本発明に従って修正を加えたＣＶＤチャンバ１
０を示している。この基本システムは、カリフォルニア
州サンタクララのアプライドマテリアルズ社によって製
造・販売されているEnduraシステムの一部分をなすＣＶ
Ｄ ＴｉＮチャンバである。このチャンバは、処理中に
基板（例えば半導体ウェーハ）を支持するアルミニウム
サセプタ１２を含んでいる。チャンバ１０の底部には、
石英窓１４によってチャンバ１０の内側から分離された
ヒートランプ１８のアレイを含むヒータ１６がある。ヒ
ータ１６は、石英窓１４を介してサセプタ１２を照射し
てサセプタ１２を加熱し、これにより、基板１３を適切
な処理温度に加熱する。サセプタ１２の上方にはシャワ
ーヘッド２０があり、前駆ガスはこのシャワーヘッド２
０を通ってチャンバ１０内に導入される。ソレノイドバ
ルブ（電磁弁）または圧電バルブ１９は、キャリヤガス
（例えばＨｅ、Ｎ2、Ａｒ）と前駆物質との混合物のシ
ャワーヘッドへの送出を制御する。前駆ガスは、シャワ
ーヘッドに到達すると、遮断プレート（図示せず）によ
って分散された後、シャワーヘッドのフェース内の配列
孔を通ってチャンバ内に入る。前駆ガスのシャワーは、
加熱された基板上に降り注ぐ。これが加熱された基板に
当たると、分解してカーボ窒化チタン（ＴｉＮxＣy）金
属膜を基板の表面上に堆積させる。未反応の材料は回収
され、下記の真空装置を介して除去される。
【００２０】チャンバの内壁は、前駆ガスが内壁の表面
上で反応してＴｉＮ膜を堆積させないように（例えば約
４５〜７５℃未満の温度に）冷却される。
【００２１】チャンバに接続された高効率真空ポンプ装
置２４は、処理のためにチャンバ内に必要な真空状態を
生成および維持する。このポンプ装置は、メカニカル荒
引きポンプでバックアップされたターボポンプまたはク
ライオポンプのいずれかを含んでいる。このターボポン
プまたはクライオポンプは、チャンバを通って流れるガ
スが存在しない状態でプロセスガスの流れが生じる前
に、チャンバ内に初期の極めて低い基本圧力（例えば１
〜２×１０-7Torr）を生成し、チャンバをＴｉＮ堆積の
ために望ましい動作圧力に導くために用いられる。この
初期の低い基本圧力は、極めて低いバックグラウンドレ
ベルのＯ2および水蒸気を確保する。
【００２２】チャンバ１０の底部に接続されたガスパー
ジライン２６は、パージガス（例えばアルゴン）をサセ
プタ１２の下の領域に供給する。このパージガスは、前
駆ガスが石英ランプ窓やその他のチャンバの加熱部分に
到達してその上に堆積することを防止する。
【００２３】２基の水冷式反応種発生器３０、４０がチ
ャンバ１０の頂部に取り付けられている。発生器３０及
び４０は、対応するプロセスガスをチャンバ１０への噴
射に先立って遠隔的に励起または活性化させるために用
いられる。発生器３０は、第１パルスバルブ３４によっ
て制御される供給ライン３２を介してＨ2を受け取り、
発生器４０は、第２パルスバルブ４４によって制御され
る別の供給ライン４２を介してＮ2を受け取る。これら
のパルスバルブは、ソレノイドバルブまたは圧電バルブ
とすることができる。両発生器３０及び４０はそれぞ
れ、シャワーヘッド２０の外周付近に配置された噴射口
３６、４６を介してチャンバ１０内に活性種を供給す
る。一般に、反応種発生器は、チャンバ内に噴射される
前に種を活性化させる遠隔プラズマソースである。
【００２４】ここで説明する実施形態では、反応種発生
器は、高出力の静電放電を用いて内部を流れるガスを励
起させるプラズマ溶射ガンである。この他に、遠隔的に
ガスを励起させる他の適切な多くの既知の装置を任意に
用いることができる。例えば、その他の二、三の可能性
を挙げるだけだが、この発生器は、市販されているよう
なマイクロ波プラズマアプリケータによって実現するこ
とができるし、あるいはＲＦプラズマソースや高温フレ
ームソース（high temperature flame source）であっ
てもよい。
【００２５】プログラム制御器５７は、発生器３０及び
４０、パルスバルブ１９、３４、及び４４、並びにヒー
タ１６の動作を制御および調整して、以下に述べる動作
を達成する。制御器５７内のメモリ６１は、コンピュー
タ読取可能命令を記憶している。この命令によって、制
御器５７は、次章で説明するようにシステムを作動させ
る。
【００２６】動作 このＣＶＤシステムは、２つの動作フェーズを有するパ
ルス方式で動作する。第１フェーズ中は、前駆ガス（例
えば、ＴＤＭＡＴ−テトラビスジアミノチタン）がシャ
ワーヘッドを介して噴射され、基板の表面上に所定の厚
さ、例えば１０〜５０ÅのＴｉＮ薄膜が堆積させられ
る。この後、第２フェーズ中に前駆ガスが遮断され、活
性Ｎ2 +がチャンバ内に噴射されて、活性Ｎ2 +と堆積した
ばかりのＴｉＮ薄層との反応が可能になる。活性Ｎ
2 +は、層内の自由Ｔｉ原子と反応して、より化学量論的
な物質を形成する。
【００２７】まず薄いＴｉＮ層を成長させ、次にこの層
を活性Ｎ2 +に曝露するという手順が、望ましい全厚（例
えば、用途に応じて１００〜１０００Å）を有する膜が
堆積されるまで繰り返される。ＴｉＮバリア用途の標準
膜厚は、通常、約１００Åである。ＴｉＮの薄層が堆積
される第１フェーズの持続時間は、ＣＶＤチャンバ内で
達成される堆積速度によって決まる。例えば、約２００
Å／分の堆積速度をもたらすように前駆物質の流量が選
択された場合、約１０Åの層を堆積させるのに約３秒必
要となる。Ｎ2 +が基板上に噴射される後続の活性化フェ
ーズは同等の持続時間を有することになるが、これは、
最適な結果を得るために経験的な結果に基づいて調整す
ることができる。
【００２８】標準的な周知のプロセス条件を用いること
で、Ｎ2 +活性種の噴射に先立って、ＴｉＮ薄膜を堆積さ
せることができる。典型的な条件には、基板を約４７０
℃に加熱し、チャンバ圧力を約０．７〜１．０Torrに低
減することが含まれる場合がある。通常、Ｈｅが前駆物
質（例えば、テトラキスジメチルアミノチタン−ＴＤＭ
ＡＴ）用のキャリヤガスとして使用され、また、Ａｒを
プロセスガスとパージガスの双方として使用することが
できる。
【００２９】ランプは、エネルギをサセプタの裏側まで
投射することによってサセプタを加熱する。サセプタと
基板の間の熱結合を高めるため、チャンバは、まず予熱
段階で１５秒間加圧される（例えば５Torrまで）。チャ
ンバ圧力の増加は、加熱されたサセプタから基板への熱
伝導を向上させるので、基板をより迅速にその処理温度
まで予熱することができる。基板が処理温度に達する
と、膜の堆積が生じうるようにチャンバ圧力が適切なレ
ベル（例えば０．７Torr）まで降下させられる。サセプ
タの温度は熱電対によって監視され、ヒータへの電力が
制御されて所望のサセプタ温度が維持される。
【００３０】連続動作の第１フェーズ（すなわち堆積フ
ェーズ）中は、衝撃（bombardment）等の侵入促進メカ
ニズムを必要とすることなくＮ2 +が堆積された材料と充
分に反応できるように、厚すぎるＴｉＮ膜の堆積を避け
ることが望ましい。つまり、本プロセスは、単に堆積膜
を活性Ｎ2 +種に曝すだけで窒化が行なえるように設計さ
れている。Ｎ2 +種に堆積層を衝撃させなくても、その侵
入深さは１単分子層のオーダとなる。適切な膜厚は、約
１０Åであろう。一方、膜を厚く堆積させすぎると（例
えば、約５０Åを超える厚さに堆積させると）、Ｎ2 +種
が表面を衝撃するエネルギを高めることによってＮ2 +種
が堆積層中により深く打ち込まれるように、基板にバイ
アスを加える必要がある場合もある。
【００３１】活性Ｎ2 +種のソースをチャンバの外側に移
動することによって、チャンバ内の化学作用を極めて広
い範囲の動作条件およびプロセス条件にわたって制御す
ることができる。更に、活性化ステップをＣＶＤステッ
プから分離しておくことにより、制御を困難にする複雑
さによって堆積プロセスを妨害しないですむ。つまり、
Ｎ2 +噴射フェーズを膜堆積フェーズから分離することに
よって、活性Ｎ2 +種の発生が、ウェーハ上で起こる堆積
プロセスに干渉することを防止している。これは、動作
の堆積フェーズを行うために、窒化プロセスが堆積プロ
セスと組み合わされる場合よりも広い範囲のプロセス条
件が利用可能になることも意味している。
【００３２】修正された動作モードでは、ＴｉＮ層が堆
積されている間、活性化されたＨ2 +がチャンバ内に噴射
される。この活性Ｈ2 +は、前駆ガスの分解時に前駆ガス
によっても生成される炭素化合物を取り除く働きをす
る。炭素化合物が膜に残ると、炭素化合物が膜の抵抗率
を増加させ、ＴｉＮ膜の品質と安定性を低下させる傾向
がある。噴射されたＨ2 +は、生成された炭素化合物中の
炭素と化合して、システムから排気可能な揮発性の炭化
水素、例えばメタンガスを形成するので、この炭化水素
が堆積膜を汚染することが防止される。
【００３３】Ｎ2 +に曝す前に５０Åより厚く（例えば、
１００Åの厚さに）堆積させることが望ましいと考えら
れる場合は、電源（例えば、１３．５６ＭＨｚエネルギ
源）が、ペデスタル／基板へのバイアスを生成し、これ
によってＮ2 +イオンが基板表面を衝撃するエネルギを高
めることが適切であろう。これにより、堆積ＴｉＮ層へ
のＮ2 +イオンの侵入が増加することになる。
【００３４】ＰＶＤシステム 図２に示されるように、本発明に従って修正を加えたＰ
ＶＤチャンバ１００は、処理中に基板（例えば、半導体
ウェーハ）を保持する可動下部プラットホーム１０２を
有している。下部プラットホーム１０２は、機械式リフ
ト機構によって昇降させることができ、これによって、
基板のローディング／アンローディングを容易にし、プ
ラズマ処理のために基板を適切に位置決めすることがで
きる。チャンバの頂部にはソースアセンブリ１０６があ
り、その表面にはチタンスパッタターゲット１０８が取
り付けられる。ここに記載する実施形態では、ソースア
センブリ１０６はマグネトロンだが、他のソースタイプ
を使用してもよい。ソースアセンブリ１０６とターゲッ
ト１０８とは、絶縁体リング１１０によってチャンバ１
００から電気絶縁されている。チャンバ１００の内側を
囲み、ソースアセンブリ１０６からプラットホーム１０
２まで下方に延びる金属シールド１４０は、チャンバの
外壁がプラズマ処理中にＴｉＮで被覆されないようにチ
ャンバの外壁を保護する。
【００３５】プラットホーム１０２は、オプションとし
て、堆積中に基板を高温に加熱するヒータ１５０を含ん
でもよい。
【００３６】チャンバ１００に接続されたターボ真空ポ
ンプまたはクライオ真空ポンプ１２０は、スパッタリン
グに先立ってチャンバを真空排気して低い基本圧力（す
なわち、低いバックグラウンドレベルのＯ2およびＨ
2Ｏ）を得るために用いられる。このターボポンプまた
はクライオポンプは、メカニカル荒引きポンプ（図示せ
ず）によってバックアップされている。ガス制御回路１
２２は、スパッタリング中におけるチャンバ内への不活
性プロセスガス（例えばＡｒ）の流れを制御する。直流
電圧源１２４は、プラズマスパッタリングプロセスを開
始させて維持するために、ターゲット１０８に電力を供
給する。スパッタリング中に基板へのバイアス電圧を随
意に生成するために、バイアス供給源１２５（ＲＦまた
はＤＣのいずれか）がプラットホーム１０２に接続され
ている。
【００３７】水冷式遠隔種発生器１３０がチャンバ壁に
取り付けられている。この種発生器は、堆積されたＴｉ
Ｎ膜を窒化するのに使用される活性Ｎ2 +種を生成し、チ
ャンバ１００内に噴射する。発生器１３０は、パルスバ
ルブ１３４によって制御される供給ライン１３２を介し
てＮ2を受け取る。発生器１３０は、噴射口１３６を介
してチャンバ１００内に活性種を供給する。このハード
ウェアは、図１のＣＶＤシステムに関して説明したもの
と同様である。
【００３８】プログラム制御器１２７は、ヒータ１５
０、直流電源１２４、ソレノイド１３４、およびＲＦバ
イアス電源１２５を制御および調整して、後述する動作
モードを達成する。制御器１２７内のメモリ１２９は、
コンピュータ読取可能命令を記憶している。この命令に
よって、制御器１２７は、次章で説明するようにシステ
ムを作動させる。
【００３９】動作 遠隔種発生器を用いて、チャンバ内のＮ2 +種の固体数が
増やされる。ここに記載する実施形態では、活性Ｎ2 +種
の効率の良い生成を確実にするために、Ｎ2ガスの温度
を約１０００℃に上昇させることにより作動する遠隔種
発生器を使用している。活性種の噴射とプラズマスパッ
タリングは、並行して実行、あるいは連続的に（すなわ
ち、ＣＶＤ動作の場合と同様にパルス化して）実行する
ことができる。並行動作では、活性種がプラズマ中に噴
射され、堆積膜に取り込まれるＮ2 +種の個体群密度を変
える。この他に、パルス動作を利用する場合は、まず薄
膜が基板上にスパッタ堆積され、次に、活性Ｎ2 +種がチ
ャンバ内に噴射されて、堆積されたばかりの層と反応す
る。この連続動作は、スパッタ堆積をオンオフする方法
としてターゲットへの電力を調整することにより達成す
ることができる。ターゲットへの電力が低減されてスパ
ッタリングが停止すると、活性Ｎ2 +ガスがその時点で噴
射される。
【００４０】遠隔励起ソースの使用を別にすれば、チャ
ンバ内の他の動作条件は従来通りとすることができる。
例えば、ＴｉＮ用の典型的な堆積電力は、５〜２０ｋＷ
程度とすることができる。更に、基板ヒータ１５０を用
いて基板を加熱し、ほぼ室温から約５００℃までの高い
堆積温度を作り出すことが望ましい場合もある。チャン
バ内の動作圧力は、ほぼサブミリTorr範囲（例えば１０
-4Torr）から１０Torr以上までである。
【００４１】本発明者は、ＴｉＮの形成がＮ2 +ガス種の
個体数によって大きく影響されることを観察した。従来
のプラズマスパッタリングチャンバでは、励起Ｎ2 +種の
実際の個体群密度は、Ｎ2の分圧に依存する。従って、
より高いＮ2 +種個体群密度を得るためには、より高い分
圧が必要となる。しかしながら、その場合でも、励起種
の発生効率は約１％未満であり、従って、通常のプラズ
マスパッタリングチャンバ内で励起種の内部発生(in si
tu generation)を用いると、励起Ｎ2 +の個体数は極めて
低いものになる。更に、本発明者は、スパッタリングプ
ロセスで使用されるアルゴンがＮ2に比べて優先的に励
起されることも見出した。そして、励起Ｎ2 +種と競合す
る励起Ａｒ種は、ＴｉＮ膜の品質に有害な影響を与え
る。
【００４２】Ｎ2 +の遠隔励起ソースを使用することによ
って、これらの問題の多くを回避することができ、チャ
ンバ内で極めて高いＮ2 +個体群密度を得ることができ、
窒化プロセスと膜形成の化学作用に対して極めて良好な
制御を行うことができる。また、遠隔種発生器の使用に
よって、Ｎ2 +対Ａｒの相対密度が変化する。更に、チャ
ンバ内で実質的により低いＮ2ガスの分圧を使用できる
ことによって、より低い堆積温度で良好なＴｉＮ膜を生
成することも可能である。
【００４３】ＴｉＮ用途では、通常のバイアスは５０〜
１００ボルトの範囲内、例えば７５ボルトである。しか
しながら、噴射された活性種を用いると、所望のレベル
の窒化を得るために基板に高いバイアスを使用する必要
性が小さくなる。実際は、低バイアスが好ましいであろ
う。低いバイアスの使用は、堆積膜の高エネルギ衝撃の
結果として生じる堆積ＴｉＮ層中の高応力欠陥の発生を
回避する傾向を持っている。遠隔ソースからの励起種の
噴射を用いると、噴射される活性種の量を単に制御する
だけで表面の反応性を変えることができるようになる。
【００４４】連続動作、すなわちパルス動作は、チャン
バ内でのパーティクル発生に関する利点を加える。ＰＶ
Ｄ ＴｉＮシステムでは、パーティクルの発生は重大な
問題である。パーティクルの発生は、キットとターゲッ
トの寿命性能を低下させる。すなわち、パーティクルの
発生は、これらのコンポーネントを交換および／または
洗浄しなくてはならない頻度を増加させる。従って、タ
ーゲット上でのＴｉＮ形成を排除することによって、タ
ーゲットからのＴｉＮパーティクル発生を排除すること
が望ましい。ＰＶＤシステムにおいてパルスモードまた
は連続モードの動作を使用することにより、電力がオン
の状態でＴｉ（すなわち薄膜）を堆積させた後、ターゲ
ット電力がオフの状態（または大きく低減された状態）
でパルス活性化を行ない、Ｎ2 +を基板上の堆積Ｔｉと反
応させてＴｉＮを形成することができる。次いで、活性
種の噴射を遮断し、サイクルを繰り返して堆積層を所望
の厚さまで積層することができる。このようにして窒化
プロセスをスパッタ堆積プロセスから分離することによ
り、ターゲット面へのＴｉＮの形成を回避しつつ、ウェ
ーハ上にＴｉＮを形成することができる。
【００４５】ＣＶＤ連続モードの動作の場合と同様に、
動作の２つのフェーズの持続時間は、選択されるプロセ
ス条件に依存する。スパッタ堆積速度は、電力の関数で
ある。普通の堆積速度では、パルスの持続時間は、一般
に数秒のオーダであろう。例えば約６．５ｋＷでは、典
型的な堆積速度は約１０００Å／分となる。５０Åの層
を堆積するためには、約２．５秒の堆積が必要となる。
この後、同等の持続期間のバイアスなし反応種パルスが
続き、膜との反応が行われる。もちろん、この時間は、
何が最良の結果をもたらすかという経験的判断に基づい
て選択することができる。また、堆積ステップに先立っ
て、チャンバキャビティの容積を空にすることが望まし
い場合もある。この場合、真空システムを改造するか、
あるいはパルス間に独立したポンピングステップを含ま
せることが適切である。
【００４６】連続動作では、より厚い層を堆積フェーズ
中に堆積したい場合（例えば１００〜１０００Å）、励
起Ｎ2 +ガス種のより大きな膜侵入を達成し、これにより
ＴｉＮ層のより効率の良い窒化を達成するために、当業
者に周知の方法でウェーハにバイアスを加えることが適
切な場合がある。
【００４７】他の態様は、特許請求の範囲内に含まれて
いる。
【図面の簡単な説明】
【図１】活性Ｎ2 +種を発生させる遠隔励起ソースを含む
ように修正を加えたＣＶＤシステムのブロック図であ
る。
【図２】活性Ｎ2 +種を発生させる遠隔励起ソースを含む
ように修正を加えたＰＶＤシステムのブロック図であ
る。
【符号の説明】
１０…ＣＶＤチャンバ、１２…サセプタ、１６…ヒー
タ、１８…ヒートランプ、２０…シャワーヘッド、３０
および４０…反応種発生器、３４および４４…パルスバ
ルブ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジム ヴァン ゴフ アメリカ合衆国， カリフォルニア州， サニーヴェイル， ヴァン ダイク ドラ イヴ 1239 (72)発明者 カール エー． リタウ アメリカ合衆国， カリフォルニア州， パロ アルト， ブライアント ストリー ト 3278

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 処理用の基板を保持する気相堆積チャン
    バ中で、 Ｔｉ原子を含む材料層を前記基板の表面上に形成するス
    テップと、 活性窒素ガス種が生成されるように窒素を含有するソー
    スガスを遠隔的に活性化するステップと、 前記基板上に前記材料層を形成する間、前記処理チャン
    バ内に前記活性窒素種を噴射して、形成中の前記材料層
    に取り込まれる活性窒素種の個体数を増加させるステッ
    プと、を備える方法。
  2. 【請求項２】 処理用の基板を保持する物理気相堆積チ
    ャンバ中で、 前記チャンバ内にプラズマを発生させるステップと、 前記プラズマを使用して前記基板上にＴｉＮを堆積させ
    るステップと、 活性窒素ガス種が生成されるように窒素を含有するソー
    スガスを遠隔的に活性化するステップと、 前記プラズマ処理チャンバ内に前記活性窒素種を噴射し
    て、堆積中のＴｉＮ層に取り込まれる活性窒素種の個体
    数を増加させるステップと、を備える方法。
  3. 【請求項３】 ソースガスを遠隔的に活性化する前記ス
    テップは、前記ガスを加熱して前記活性窒素種を生成す
    るステップを備えている、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 ソースガスを遠隔的に活性化する前記ス
    テップは、静電放電を用いて前記活性窒素種を生成する
    ステップを備えている、請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 ソースガスを遠隔的に活性化する前記ス
    テップは、マイクロ波エネルギを用いて前記活性窒素種
    を生成するステップを備えている、請求項２記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 前記噴射ステップおよび前記堆積ステッ
    プが並行して行なわれる請求項２記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記噴射ステップおよび前記堆積ステッ
    プが連続的にパルス方式で行なわれる請求項２記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 前記活性窒素種による膜侵入がより大き
    くなるように前記基板にバイアスを加えるステップを更
    に備える請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 処理用の基板を保持する化学気相堆積チ
    ャンバ中で、 窒素を含有するソースガスを遠隔的に活性化して活性窒
    素ガス種を生成するステップと、 化学気相堆積技術によって前記基板上にＴｉＮ層を堆積
    させるステップと、 堆積中の前記ＴｉＮ層に取り込まれる活性窒素種の個体
    数が増加するように、活性窒素種を遠隔ソースから前記
    チャンバ内に噴射するステップと、を備える方法。
  10. 【請求項１０】 前記噴射ステップが前記堆積ステップ
    と並行して行なわれる請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記噴射ステップが前記堆積ステップ
    の後に前記堆積ステップから独立して行なわれる請求項
    ９記載の方法。
  12. 【請求項１２】 所定の厚さを有する堆積ＴｉＮ層が形
    成されるまで、前記堆積ステップおよび前記噴射ステッ
    プを繰り返すステップを更に備える請求項１１記載の方
    法。
  13. 【請求項１３】 ソースガスを遠隔的に活性化する前記
    ステップは、前記ガスを加熱して前記活性窒素種を生成
    するステップを備えている、請求項９記載の方法。
  14. 【請求項１４】 ソースガスを遠隔的に活性化する前記
    ステップは、静電放電を用いて前記活性窒素種を生成す
    るステップを備えている、請求項９記載の方法。
  15. 【請求項１５】 ソースガスを遠隔的に活性化する前記
    ステップは、マイクロ波エネルギを用いて前記活性窒素
    種を生成するステップを備えている、請求項９記載の方
    法。
  16. 【請求項１６】 前記堆積ステップおよび前記噴射ステ
    ップ中に前記基板が高温であるように、前記堆積ステッ
    プおよび前記噴射ステップに先立って前記基板を加熱す
    るステップを更に備える請求項９記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記活性窒素種による膜侵入がより大
    きくなるように前記基板にバイアスを加えるステップを
    更に備える請求項１２記載の方法。
  18. 【請求項１８】 プロセスチャンバと、 前記プロセスチャンバ内で処理されるべき基板を作動中
    に保持するサセプタと、 第１のガスが前記プロセスチャンバ内に噴射されるとき
    に通過する第１ガス噴射口と、 第２のガスが前記プロセスチャンバ内に噴射されるとき
    に通過する第２ガス噴射口と、 前記第１ガス噴射口を通って前記プロセスチャンバ内に
    入る前記第１ガスの流れを制御する第１パルスバルブ
    と、 前記第２ガス噴射口を通って前記プロセスチャンバ内に
    入る前記第２ガスの流れを制御する第２パルスバルブ
    と、を備える化学気相堆積システム。
  19. 【請求項１９】 前記第１ガス噴射口と前記第１パルス
    バルブとの間に接続された遠隔励起チャンバを更に備
    え、前記遠隔励起チャンバ内に入った後に前記プロセス
    チャンバ内に入る前記第１ガスの流れを前記第１パルス
    バルブが制御するようになっている、請求項１８記載の
    化学気相堆積システム。
  20. 【請求項２０】 前記第２パルスバルブが閉じられると
    前記第１パルスバルブが開かれ、前記第２パルスバルブ
    が開かれると前記第１パルスバルブが閉じられる連続パ
    ルス動作モードで前記第１および第２パルスバルブを作
    動させるようにプログラムされた制御器を更に備える請
    求項１９記載の化学気相堆積システム。
  21. 【請求項２１】 前記制御器は、前記制御器に結合され
    たメモリを更に備えており、前記メモリは、前記制御器
    が前記第１および第２パルスバルブを前記連続パルス動
    作で作動させるようにする命令を備えたコンピュータ読
    取可能プログラムを記憶している、請求項２０記載の化
    学気相堆積システム。
  22. 【請求項２２】 前記第１パルスバルブに接続された窒
    素含有ガスソースであって前記第１パルスバルブが前記
    遠隔励起チャンバ内への窒素含有ガスの流れを制御する
    ようになっている窒素含有ガスソースと、前記第２パル
    スバルブに接続されたチタン含有ガスソースであって前
    記第２パルスバルブが前記プロセスチャンバ内へのチタ
    ン含有ガスの流れを制御するようになっているチタン含
    有ガスソースと、を更に備える請求項２０記載の化学気
    相堆積システム。
  23. 【請求項２３】 作動中に前記サセプタを加熱するヒー
    トランプを更に備える請求項２０記載の化学気相堆積シ
    ステム。
  24. 【請求項２４】 前記制御器は、処理中に前記ヒートラ
    ンプを作動させるように更にプログラムされている、請
    求項２３記載の化学気相堆積システム。
  25. 【請求項２５】 第３のガスが前記プロセスチャンバ内
    に噴射されるときに通過する第３ガス噴射口と、 前記第３ガス噴射口を通って前記プロセスチャンバ内に
    入る前記第３ガスの流れを制御する第３パルスバルブ
    と、 前記第３ガス噴射口と前記第３パルスバルブとの間に接
    続された第２遠隔励起チャンバであって、この第２遠隔
    励起チャンバ内に入った後に前記プロセスチャンバ内に
    入る前記第３ガスの流れを前記第３パルスバルブが制御
    するようになっている第２遠隔励起チャンバと、を更に
    備える請求項２０記載の化学気相堆積システム。
  26. 【請求項２６】 前記制御器は、前記第３パルスバルブ
    をパルス動作モードで作動させるように更にプログラム
    されている、請求項２５記載の化学気相堆積システム。
  27. 【請求項２７】 前記第１および第２パルスバルブがソ
    レノイドである、請求項１８記載の化学気相堆積システ
    ム。
  28. 【請求項２８】 前記第１、第２、および第３パルスバ
    ルブがソレノイドである、請求項２６記載の化学気相堆
    積システム。
  29. 【請求項２９】 前記遠隔励起チャンバが遠隔プラズマ
    ソースを備えている、請求項１９記載の化学気相堆積シ
    ステム。
  30. 【請求項３０】 前記遠隔励起チャンバがプラズマ溶射
    ガンを備えている、請求項２９記載の化学気相堆積シス
    テム。
  31. 【請求項３１】 前記遠隔励起チャンバがマイクロ波プ
    ラズマアプリケータを備えている、請求項２９記載の化
    学気相堆積システム。
  32. 【請求項３２】 前記遠隔励起チャンバが高温フレーム
    ソースを備えている、請求項２９記載の化学気相堆積シ
    ステム。
  33. 【請求項３３】 噴射口を有するプロセスチャンバと、 スパッタターゲットを作動中に保持するソースアセンブ
    リと、 前記プロセスチャンバ内で処理されるべき基板を作動中
    に保持するプラットホームと、 前記噴射口を介して前記プロセスチャンバに結合された
    遠隔活性化ソースと、 前記遠隔活性化ソースに接続されたパルスバルブであっ
    て、前記遠隔活性化ソース内に入った後に前記噴射口を
    通って前記プロセスチャンバ内に入る第１ガスの流れを
    制御するパルスバルブと、 前記パルスバルブをパルス動作モードで作動させるよう
    にプログラムされた制御器と、を備える物理堆積システ
    ム。
JP9318853A 1996-10-15 1997-10-15 遠隔活性種発生方法を用いたＴｉＮ薄膜の形成 Withdrawn JPH10183331A (ja)

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US08/731,333 US6071572A (en) 1996-10-15 1996-10-15 Forming tin thin films using remote activated specie generation
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