JP2002525432A - 金属およびケイ素を含有する３成分窒化物薄膜の形成方法 - Google Patents

金属およびケイ素を含有する３成分窒化物薄膜の形成方法

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Abstract

(57)【要約】 基板上の半導体デバイスにおいて使用される、金属、ケイ素および窒素を含有する３成分薄膜を形成させるための方法。本発明の方法は下記の工程を含む：ガス状金属化合物、ガス状ケイ素化合物およびアンモニアガスからなる群から選択される少なくとも１つのガスを含むそれぞれの反応性ガスを、前記ガス状金属化合物および前記アンモニアガスが混合物を形成しないような条件のもとで調製する工程；前記ガス状金属化合物、前記ガス状ケイ素化合物および前記アンモニアガスのそれぞれの供給が１つのガス供給サイクルにおいて少なくとも１回は含まれるように、前記反応性ガスの連続的なガス供給サイクルを決定する工程；および前記ガス供給サイクルを少なくとも１回繰り返すことによって前記反応性ガスを前記基板に当てる工程。本発明によって、３成分窒化物薄膜を、半導体基板表面の不規則さに関わらず、均一な厚さで形成させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は薄膜の形成方法に関する。より詳細には、本発明は、基板上の半導体
デバイスにおいて使用される、金属、ケイ素および窒素を含有する厚さが均一な
化合物薄膜を形成させるための方法に関する。
【０００２】 （背景技術） 半導体デバイスの製造において、窒化チタン（ＴｉＮ）のスパッタリング薄膜
が、現在、シリコン単結晶または絶縁層への金属相互連結の拡散を防止するため
の拡散バリア金属として使用されている。さらに、ＴｉＮはまた、相互連結構造
体を形成させるためにタングステンが使用されている場合において、接着性を高
めるための接着層物質として使用されている。しかし、スパッタリングまたは化
学的蒸着により形成されたＴｉＮ薄膜は柱状の結晶構造を有しやすく、これは、
金属相互連結物質がその粒界に沿って容易に拡散するという問題を引き起こす。
タングステン層がＴｉＮ接着層上に形成される場合、タングステンの供給源ガス
であるＷＦ6もまた、ＴｉＮ層の粒界に沿って容易に拡散して、ＴｉＮ接着層に
損傷をもたらす。
【０００３】 そのような問題は、極めて小さい結晶粒を有する微細結晶物質またはアモルフ
ァス物質を拡散バリア物質として使用することによって軽減させることができる
。ケイ素および耐熱性金属（チタン、タンタルまたはタングステンなど）を含有
する３成分窒化物はそのような物質として有望である。
【０００４】 サブミクロンの特徴的なサイズを達成するために半導体集積回路が小型化され
続ける傾向によって、連結線の幅はより小さくなり、そして接触ホールのアスペ
クト比はより大きくなる。スパッタリング法は、特定の方向性を有しているため
に、厚さが均一な薄膜をそのような構造体の表面に形成させるためには適当では
ない。従って、厚さが約１０ｎｍの均一な薄膜を、大きなアスペクト比のホール
を有する表面に、すなわち、著しく不規則な表面に、他の蒸着法を使用してでも
形成させることが求められている。化学的蒸着が、均一な厚さの薄膜を形成させ
るために典型的に使用されているが、良好な工程適用範囲を、蒸着源が気相で激
しく反応する化学的蒸着条件のもとでは得ることができない。特に、アルキルア
ミド金属化合物を使用して、金属窒化物の薄膜を化学的に蒸着させる場合、蒸着
した金属窒化物薄膜は、工程適用範囲がガス状のアルキルアミド金属化合物とア
ンモニアガスとの反応のために良好でない。
【０００５】 希薄な薄膜供給源が基板に同時に供給される従来の化学的蒸着法とは異なり、
供給源が基板に連続的に供給される連続的な蒸着法は、薄膜が基板表面の化学反
応でのみ形成され得るために、厚さが均一な薄い薄膜の形成を可能にする。この
方法は下記の書籍に詳しく記載されている：Ｔ．ＳｕｎｔｏｌａおよびＭ．Ｓｉ
ｍｐｓｏｎ編、Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｐｉｔａｘｙ、Ｂｌａｃｋｌｅ、
Ｌｏｎｄｏｎ（１９９０年）。しかし、この方法の適用は、２成分薄膜の形成ま
たは４成分以上の成分を含有するコンポジット酸化物薄膜の形成に限定されてい
る。
【０００６】 （発明の開示） 従って、本発明の目的は、半導体デバイスの金属相互連結の拡散を効果的に防
止するバリア層において使用される、金属およびケイ素を含有する３成分窒化物
薄膜を形成させるための方法を提供することである。
【０００７】 本発明の別の目的は、金属およびケイ素を含有する３成分窒化物薄膜が、半導
体基板表面の不規則さに関わらず、均一な厚さで形成されるプロセスを提供する
ことである。
【０００８】 上記の目的を達成するために、本発明は、金属およびケイ素を含有する３成分
窒化物薄膜を基板上に形成させるための方法を提供する。この方法は下記の工程
を含む：（ａ）ガス状金属化合物、ガス状ケイ素化合物およびアンモニアガスか
らなる群から選択される少なくとも１つのガスを含むそれぞれの反応性ガスを、
前記ガス状金属化合物および前記アンモニアガスが混合物を形成しないような条
件のもとで調製する工程； （ｂ）前記ガス状金属化合物、前記ガス状ケイ素化合物および前記アンモニアガ
スのそれぞれの供給が１つのガス供給サイクルにおいて少なくとも１回は含まれ
るように、前記反応性ガスの連続的なガス供給サイクルを決定する工程；および
（ｃ）前記ガス供給サイクルを少なくとも１回繰り返すことによって前記反応性
ガスを前記基板に当てる工程。
【０００９】 反応性ガスには、ガス状金属化合物、ガス状ケイ素化合物、アンモニアガス、
ガス状金属化合物およびガス状ケイ素化合物の混合物、ガス状ケイ素化合物およ
びアンモニアガスの混合物などの５種類のガスのみが含まれる：ガス状金属化合
物およびアンモニアガスは互いに反応するため、従って、これらは混合してはな
らない。
【００１０】 本発明の実施形態において、様々なガス供給サイクルを下記に従って決定する
ことができる。
【００１１】 最初に、反応性ガス供給の間に、反応性ガスのいずれとも反応しないガスの供
給が入れられる。ガス状金属化合物、ガス状ケイ素化合物およびアンモニアガス
のそれぞれの反応性ガス供給は、好ましくは、循環置換の順で配置され、そして
この３つの成分ガスのいずれも反応しないガスの供給がそれらの間に入れられる
。例えば、供給サイクルは、それぞれ、下記の順であるように決めることができ
る：「ガス状金属化合物→非反応性ガス→ガス状ケイ素化合物→非反応性ガス→
アンモニアガス→非反応性ガス」、または「ガス状金属化合物→非反応性ガス→
アンモニアガス→非反応性ガス→ガス状ケイ素化合物→非反応性ガス」。化学的
蒸着において、そのような供給サイクルは、所望する厚さの薄膜が得られるよう
に繰り返される。
【００１２】 次に、反応性ガスはガス混合物を含むために、ガス状金属化合物およびアンモ
ニアガスを含有する反応性ガスのそれぞれの供給が供給サイクルにおいて配置さ
れ、そしてこの２つの反応性ガスのいずれとも反応しないガスの供給がそれらの
間に入れられる。この場合、金属化合物を含有する反応性ガスは、ガス状金属化
合物単独であってもよく、あるいはガス状金属化合物およびガス状ケイ素化合物
の混合物であってもよい。さらに、アンモニアガスを含有する反応性ガスについ
ても同じであり得る。この場合、供給サイクルは、例えば、それぞれ、下記の順
であるように決めることができる：「ガス状金属化合物およびガス状ケイ素化合
物の混合物→非反応性ガス→アンモニアガス→非反応性ガス」、「ガス状金属化
合物→非反応性ガス→アンモニアガスおよびガス状ケイ素化合物の混合物→非反
応性ガス」、または「ガス状金属化合物およびガス状ケイ素化合物の混合物→非
反応性ガス→アンモニアガスおよびガス状ケイ素化合物の混合物→非反応性ガス
」。供給サイクルを決定する上記の方法において、非反応性ガスは、反応性ガス
の反応を防止するために供給される。
【００１３】 第三に、ガス状ケイ素化合物は、非反応性ガスの代わりに、ガス状金属化合物
とアンモニアガスとの気相反応を防止するために使用することができる。従って
、供給サイクルは、ガス状ケイ素化合物を、金属化合物を含有する反応性ガスお
よびアンモニアを含有する反応性ガスのそれぞれの供給の間に入れることによっ
て決定される。例えば、ガス状金属化合物、ガス状ケイ素化合物およびアンモニ
アガスのそれぞれの反応性ガス供給は循環置換の順で配置され、そしてガス状ケ
イ素化合物の供給はそれらの間に入れられる。すなわち、供給サイクルは、「ガ
ス状金属化合物→ガス状ケイ素化合物→アンモニアガス→ガス状ケイ素化合物」
とすることができる。上記の供給サイクルの代わりに、下記のような供給サイク
ルにすることができる：「ガス状金属化合物およびガス状ケイ素化合物の混合物
→ガス状ケイ素化合物→アンモニアガス→ガス状ケイ素化合物」、「ガス状金属
化合物→ガス状ケイ素化合物→アンモニアガスおよびガス状ケイ素化合物の混合
物→ガス状ケイ素化合物」、または「ガス状金属化合物およびガス状ケイ素化合
物の混合物→ガス状ケイ素化合物→アンモニアガスおよびガス状ケイ素化合物の
混合物→ガス状ケイ素化合物」。上記のように、他の反応性ガスと反応しないガ
ス状ケイ素化合物などの反応性ガスの供給を、気相反応を防止するために、他の
反応性ガスの供給の間に入れることができる。
【００１４】 第四に、供給サイクルは、蒸着中の薄膜の化学量論的組成を制御するために異
なるように決めることができる。化学量論的組成を所望するように制御すること
によって、物理的特性のより良好な一致が蒸着薄膜とその上層／下層との間で得
られる。そのような物理的特性には、接触抵抗、工程適用範囲などが含まれる。
例えば、チタンおよびケイ素を含有する３成分窒化物薄膜をケイ素が多い基層に
蒸着させる場合、ケイ素が多い薄膜（ＴｉxＳｉyＮ、ｘ＜ｙ）の蒸着が、接触抵
抗を低くするために蒸着の初期工程で行われ、次いでチタンが多い薄膜（Ｔｉx
ＳｉyＮ、ｘ＞ｙ）の蒸着が、薄膜の抵抗自体を減少させるために蒸着の後期工
程で行われる。
【００１５】 そのような薄膜を形成させるために、供給サイクルは、ガス状ケイ素化合物の
供給が、蒸着の初期工程においてガス状金属化合物の供給よりも多く含まれるよ
うに決められ、そしてガス状金属化合物の供給が、蒸着の後期工程においてガス
状ケイ素化合物の供給よりも多く含まれるように決められる。例えば、供給サイ
クルは、蒸着の初期工程においては「Ｓｉ−Ｎ−Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−」であり
、蒸着の中期工程においては「Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−」であり、蒸着の後期工程
においては「Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−」であるように決められる（この
場合、Ｓｉはガス状ケイ素化合物であり、Ｎはアンモニアガスであり、そしてＴ
ｉはガス状チタン化合物である）。上記の供給サイクルにおいて、反応性ガスの
供給の間で供給される非反応性ガスの記載は省略された。
【００１６】 場合によっては、供給サイクルを、ケイ素の一定した組成を維持しながら、蒸
着薄膜におけるケイ素の全体的な含有量を低下させるために、「Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ
−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｎ−」とすることができる。実施
形態において、金属化合物に含まれる金属は、好ましくは耐熱性金属である。よ
り好ましくは、そのような耐熱性金属は、チタン、タンタル、またはタングステ
ンである。さらに、金属化合物は、有機金属化合物またはハロゲン化金属化合物
であり得る。有機金属化合物が使用される場合、金属のアミド化合物またはイミ
ド化合物が好ましい。より好ましくは、金属のアミド化合物はアミドチタン化合
物である。最も好ましくは、アミドチタン化合物はテトラキスジメチルアミドチ
タンまたはテトラキスジエチルアミドチタンである。
【００１７】 同様に、例えば、タンタル＝トリス−ジエチルアミド−ｔ−ブチルイミドが金
属源として使用される場合、タンタルおよびケイ素を含有する３成分窒化物薄膜
を得ることができる。
【００１８】 ケイ素化合物は、好ましくは、水素およびケイ素からなる化合物であって、Ｓ
ｉnＨ2n+2（ｎは５以下の自然数である）によって表される化合物である。非反
応性ガスは、好ましくは、Ｈ2、Ｈｅ、Ｎ2、またはＡｒである。
【００１９】 化学的蒸着工程において、基板の温度は、好ましくは、気相反応のために工程
適用範囲が良好でない薄膜が形成されるのを防止するために、金属化合物の熱分
解温度よりも低く維持される。
【００２０】 本発明は、下記の実施例においてさらに説明され、そして他の例と比較される
。本発明は、そのような実施例に限定されるものとして解釈してはならない。
【００２１】 すべての反応をステンレススチール製反応器で行った。蒸着中の反応器内の圧
力は１Ｔｏｒｒであり、反応器に含まれるシリコン基板の温度は１８０℃で維持
された。テトラキスジメチルアミドチタン（金属源）を、温度が２５℃のアルゴ
ンキャリアガスを吹き込むことによって反応器に供給した。ガス供給経路の温度
は、金属源が凝縮しないように１００℃で維持された。
【００２２】 実施例１ サイクルは、下記の連続的なガス供給からなった：１００ｓｃｃｍの流速でテ
トラキスジメチルアミドチタンに吹き込まれるアルゴンキャリアガスの５秒間の
供給、１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のアルゴンガスの供給、１４３ｓｃｃｍ
の流速で５秒間のアンモニアガスの供給、１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のア
ルゴンガスの供給、３８ｓｃｃｍの流速で５秒間のシラン（ＳｉＨ4）ガスの供
給、および１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のアルゴンガスの供給。このサイク
ルを、図１Ａに示されているように２００回繰り返した。蒸着薄膜のオージェス
ペクトル分析は、チタン、窒素、ケイ素、炭素および酸素の組成物であることが
それらの特異的なピークによって示された。
【００２３】 実施例２ サイクルは、下記の連続的なガス供給からなった：９ｓｃｃｍの流速のシラン
ガスと混合される流速が９１ｓｃｃｍのテトラキスジメチルアミドチタンに吹き
込まれるアルゴンキャリアガスの５秒間の供給、１４３ｓｃｃｍの流速で５秒間
のアンモニアガスの供給、および１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のアルゴンガ
スの供給。このサイクルを、図１Ｂに示されているように２００回繰り返した。
蒸着薄膜のオージェスペクトル分析は、チタン、窒素、ケイ素、炭素および酸素
の組成物であることがそれらの特異的なピークによって示された。
【００２４】 実施例３ サイクルは、下記の連続的なガス供給からなった：１００ｓｃｃｍの流速でテ
トラキスジメチルアミドチタンに吹き込まれるアルゴンキャリアガスの５秒間の
供給、１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のアルゴンガスの供給、３８ｓｃｃｍの
流速のシランガスと混合される流速が１３ｓｃｃｍのアンモニアガスの５秒間の
供給、および１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のアルゴンガスの供給。このサイ
クルを、図１Ｃに示されているように２００回繰り返した。蒸着薄膜のオージェ
スペクトル分析は、チタン、窒素、ケイ素、炭素および酸素の組成物であること
がそれらの特異的なピークによって示された。
【００２５】 比較例１ サイクルは、下記の連続的なガス供給からなった：１００ｓｃｃｍの流速でテ
トラキスジメチルアミドチタンに吹き込まれるアルゴンキャリアガスの５秒間の
供給、１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のアルゴンガスの供給、３８ｓｃｃｍの
流速で５秒間のシランガスの供給、および１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のア
ルゴンガスの供給。このサイクルを２００回繰り返したが、薄膜はシリコン基板
上に形成されなかった。
【００２６】 比較例２ サイクルは、下記の連続的なガス供給からなった：１４３ｓｃｃｍの流速で５
秒間のアンモニアガスの供給、１００ｓｃｃｍの流速で１０秒間のアルゴンの供
給、３８ｓｃｃｍの流速で５秒間のシランガスの供給、および１００ｓｃｃｍの
流速で１０秒間のアルゴンガスの供給。このサイクルを２００回繰り返したが、
薄膜はシリコン基板上に形成されなかった。
【００２７】 比較例によって、ガス状金属化合物、ガス状ケイ素化合物およびアンモニアガ
スの反応性ガスはそれぞれ、金属およびケイ素を含有する３成分窒化物薄膜を形
成させるためには、ガス供給サイクルにおいて少なくとも１回は含まれなければ
ならないことが示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａ〜１Ｃは、本発明の実施形態による流速および蒸着時間の絶対値に関わ
らず、ガス供給サイクルを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者 カン，サン−ウォン 大韓民国 テジョン 305−333，ユソン− グ，ウヒョン−ドン 99，ハンビット ア パート 133−1506 Ｆターム(参考） 4K030 AA02 AA06 AA11 AA13 AA16 BA18 BA27 BA29 BA38 BA42 CA04 FA10 LA15 4M104 AA01 BB25 BB27 BB28 BB38 CC01 DD45 FF18 HH04

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属およびケイ素を含有する３成分窒化物薄膜を基板上に形
    成させるための方法であって、下記の工程を含む方法： （ａ）ガス状金属化合物、ガス状ケイ素化合物およびアンモニアガスからなる群
    から選択される少なくとも１つのガスを含むそれぞれの反応性ガスを、前記ガス
    状金属化合物および前記アンモニアガスが混合物を形成しないような条件のもと
    で調製する工程； （ｂ）前記ガス状金属化合物、前記ガス状ケイ素化合物および前記アンモニアガ
    スのそれぞれの供給が１つのガス供給サイクルにおいて少なくとも１回は含まれ
    るように、前記反応性ガスの連続的なガス供給サイクルを決定する工程；および
    （ｃ）前記ガス供給サイクルを少なくとも１回繰り返すことによって前記反応性
    ガスを前記基板に当てる工程。
  2. 【請求項２】 前記の１つのガス供給サイクルは、前記反応性ガスのいずれ
    ととも反応しないガスの供給を含み、その各供給が前記反応性ガスの供給の間に
    入れられている、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記のそれぞれの供給サイクルは、前記３成分窒化物薄膜の
    化学量論的組成を変化させるように反応性ガスの供給時間が異なるように決定さ
    れ、物理的特性のより良好な一致が前記３成分窒化物薄膜とその上層／下層との
    間で得られる、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記化学的蒸着工程は、前記３成分窒化物薄膜とその上層／
    下層との接触抵抗を低下させるために供給サイクルを繰り返すことによって行わ
    れ、前記供給サイクルのそれぞれは前記蒸着工程の初期段階において相対的によ
    り多くのガス状ケイ素化合物を含み、そして前記供給サイクルのそれぞれは前記
    蒸着工程の後期段階において相対的により多くのガス状金属化合物を含む、請求
    項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記の１つの供給サイクルにおいて、ガス状金属化合物、ガ
    ス状ケイ素化合物およびアンモニアガスのそれぞれの供給が循環置換の順で配置
    され、前記の３つの成分ガスのいずれも反応しないガスの供給が前記ガス供給の
    間に入れられている、請求項２に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記の１つの供給サイクルにおいて、ガス状金属化合物およ
    びアンモニアガスを含有する反応性ガスのそれぞれの供給が配置され、前記の２
    つの反応性ガスのいずれとも反応しないガスの供給がその間に入れられている、
    請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記の１つの供給サイクルにおいて、ガス状金属化合物を含
    有する反応性ガスおよびアンモニアガスを含有する反応性ガスのそれぞれの供給
    が配置され、ガス状ケイ素化合物の供給がその間に入れられている、請求項１に
    記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記の１つの供給サイクルにおいて、ガス状金属化合物、ガ
    ス状ケイ素化合物およびアンモニアガスのそれぞれの供給が循環置換の順で配置
    され、ガス状ケイ素化合物の供給がその間に入れられている、請求項１に記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 前記金属は、チタン、タンタルおよびタングステンからなる
    耐熱性金属群から選択される、請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記金属化合物は有機金属化合物である、請求項１に記載
    の方法。
  11. 【請求項１１】 前記金属化合物はハロゲン化金属化合物である、請求項１
    に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記有機金属化合物は少なくとも１つのアミド基またはイ
    ミド基を含む、請求項１０に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記アミド金属化合物はアミドチタン化合物である、請求
    項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記アミドチタン化合物はテトラキスジメチルアミドチタ
    ンまたはテトラキスジエチルアミドチタンである、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記有機金属化合物はタンタル＝トリス−ジエチルアミド
    −ｔ−ブチルイミドである、請求項１２に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記ケイ素化合物は、水素およびケイ素からなる化合物で
    あって、ＳｉnＨ2n+2（ｎは５以下の自然数である）によって表される化合物で
    ある、請求項１に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記の非反応性ガスは、Ｈ2、Ｈｅ、Ｎ2およびＡｒからな
    る群から選択される、請求項２に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記基板の温度は、化学的蒸着中において前記金属化合物
    の熱分解温度よりも低く維持される、請求項１に記載の方法。
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