JP2002542399A - ＩＣ製造におけるＰＥＣＶＤ−ＴｉフィルムとＣＶＤ−ＴｉＮフィルムの単一室処理方法 - Google Patents

ＩＣ製造におけるＰＥＣＶＤ−ＴｉフィルムとＣＶＤ−ＴｉＮフィルムの単一室処理方法

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Abstract

(57)【要約】 チタンと窒化チタンを含む積層をウェーハ表面に析出させる単一室方法。チタンがプラズマ化学蒸着により析出され、次いでプラズマ窒化される。窒化チタンは実質的には熱化学蒸着プロセスによって析出せしめられる。有利には、基板とシャワーヘッドの温度、および室内圧力が、積層の析出過程を通して概ね一定に維持される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本出願は、引用によってその全記載内容を本明細書に援用する、１９９９年４
月２０日出願の米国特許出願第０９／２９４４８７号の部分継続出願である。 本発明は、広義の概念で言えば、基板に被覆フィルムを施すための化学蒸着（
ＣＶＤ）に係わり、特に、例えばチタンと窒化チタンから成る積層バリヤ層を半
導体ウェーハ基板に施すためのＣＶＤに関するものである。
【０００２】 集積回路（ＩＣ）の形成では、金属元素を含む薄膜（薄いフィルム）が、半導
体ウェーハのような基板の表面に被着される。薄膜は、回路中およびＩＣの各種
装置間に導電およびオーム接続を行うために被着される。例えば、所望の薄膜が
半導体ウェーハの接点孔または貫通孔（ｖｉａ ｈｏｌｅ）の露出面に施され、
ウェーハ上の絶縁層を貫通する薄膜（フィルム）が、絶縁層間を横切る相互接続
を行うための導電材料から成るプラグ（栓体）となる。
【０００３】 金属薄膜を被着させる公知方法の一つが化学蒸着（ＣＶＤ）であり、その方法
で、各種析出物すなわち反応ガス間の化学反応を利用して基板表面に薄膜が析出
せしめられる。ＣＶＤでは、反応室内の基板の近くに反応ガスがポンプ送りされ
、そのガスが基板表面で反応して１または複数の反応副産物を生じ、基板上に薄
膜が形成される。析出後まで残された反応副産物は反応室から排除される。ＣＶ
Ｄはフィルム（膜）を析出させるための有効な技術であるが、従来の多くのＣＶ
Ｄ法は基本的に熱プロセスであり、必要な反応を得るために５００℃または１０
００℃を超える温度が必要である。そのような析出温度は、高温がＩＣを形成す
る電気装置のその他の状態と複数層に影響を与えるが故に、ＩＣ製造に実際に採
用するには高過ぎることが多い。この理由から、反応温度を下げるためにＣＶＤ
法で使用されている一つの手法は、１または複数の反応ガスをイオン化すること
である。この技術は、一般に、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）と呼ばれている
。効率的なＰＥＣＶＤ方法が米国特許第５９７５９１２号「低温プラズマによる
集積回路の形成」（この特許も本出願人に譲渡された）（その全記載内容を、引
用によって本明細書に援用する）で説明されている。米国特許第５９７５９１２
号は、低温（＜５００℃）ＰＥＣＶＤによる、ＴｉおよびＴｉＮフィルムの単一
室処理法を開示している。いずれも、その全記載内容を、引用によって本明細書
に援用する米国特許第５５６７２４３号および米国特許第５７１６８７０号に、
ハードウェアの設計と、ＰＥＣＶＤによるＴｉフィルムの析出方法とについて記
載されている。
【０００４】 多くの場合、アルミニウムまたはタングステンのような金属導電体の析出前に
、窒化チタン・バリアー層が必要である。窒化チタンは、化学蒸着によって析出
させることができる。化学蒸着の反応物質と副産物（特に、４塩化チタン）は、
チタン接点層をエッチングするように働く。したがって、窒化チタン化学蒸着の
前にチタンの窒化を行なわなければならない。したがって、チタンフィルムと、
チタンフィルムの窒化層と、その上の窒化チタンとを含む積層が、下位の基板ま
たは導電体と上位層金属との間に形成される。
【０００５】 チタン付与と窒化は、従来、ＰＥＣＶＤによって行なわれている。窒化チタン
の析出は、従来、熱ＣＶＤによるものである。ＰＥＣＶＤ反応と熱ＣＶＤ反応は
、異なるプロセス・パラメータ（工程要因）を含み、異なるプロセス機器を必要
とする。その結果、代表的なＴｉ、窒化ＴｉおよびＴｉＮの積層を製造するため
の一連のプロセス（工程）は、２つの別体モジュールで行われ、該モジュールは
、半導体ウェーハ処理集合工具の共通真空搬送モジュールに連結されることが多
い。この一連のプロセスは、以下の処理工程に伴なう、かなりの総計時間を含む
： すなわち、先ず、各ウェーハをＰＥＣＶＤモジュールへ搬送し、Ｔｉ−ＰＥＣ
ＶＤのためにモジュール内の処理条件を安定化させ、次に、Ｔｉを析出させ、析
出したＴｉ層を窒化させた後、モジュールをポンピングし、ＴｉＮ層の析出のた
めに搬送モジュールを通して熱ＣＶＤモジュールにウェーハを搬送し、熱ＣＶＤ
によるＴｉＮ析出のためにモジュール内の処理条件を安定化し、次いで、熱ＣＶ
Ｄ−ＴｉＮモジュールからウェーハを除去する。
【０００６】 プロセス・パラメータの違いが、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ法と熱ＣＶＤ−ＴｉＮ法を
同一モジュール内で統合するすることを妨げている。低温では、シャワーヘッド
から剥がれ易いＴｉＣｌXＨYフィルムが形成されるが故に、従来、ＰＥＣＶＤ−
Ｔｉにおけるシャワーヘッド温度は、最低４２５℃であるが、高温では、ＰＥＣ
ＶＤ反応装置内でのプラズマ形成、温度制御、およびその他の理由から好ましい
金属シャワーヘッドの、塩素腐食を生じるが故に、シャワーヘッド温度が５００
℃以下である。他方、ＴｉＮ析出で用いられる熱ＣＶＤ反応装置においては、低
温でＮＨ4Ｃｌ凝縮が生じるため、シャワーヘッド温度が、通常、最低１５０℃
であり、また、高温でシャワーヘッド上にＴｉＮの析出が生じるため、シャワー
ヘッド温度は２５０℃以下である。また、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ反応と熱ＣＶＤ反応
とでは、通常、ウェーハ温度と室内圧力も相違する。温度と圧力の周期的変化は
、反応装置部品からの析出物の過度の剥離を引き起し、装置稼動中（ｉｎ−ｓｉ
ｔｕ）の清掃および装置停止中（ｅｘ−ｓｉｔｕ）の清掃を頻繁に必要とし、そ
のため生産性が低下し、総計時間（特に、プロセス・パラメータの変化から回復
するための安定化時間）を増大させる。
【０００７】 ＴｉＮの熱ＣＶＤによって生じるＴｉＮフィルムの特性と析出効率とが好まし
い利点であったが、同一反応装置内でのＴｉとＴｉＮの析出を、Ｔｉ析出だけで
なく、ＴｉＮ析出をもＰＥＣＶＤ法で行うことが提案された。 斯様に、とりわけ、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ法と熱ＣＶＤ−ＴｉＮ法を用いて、更に
効率良く、有効に、Ｔｉ、窒化チタンおよびＴｉＮの積層を析出させるための需
要が存在する。
【０００８】 本発明によれば、チタンと窒化チタンとを単一室内で連続して析出させるＣＶ
Ｄ法（特に、ＰＥＣＶＤ法によってＴｉを析出させ、次いで窒化させ、が熱ＣＶ
Ｄ法によってＴｉＮを析出させるＣＶＤ法）が提供される。この目的のために、
また本発明の原理に従えば、４ハロゲン化ガスと水素ガスのプラズマを基板表面
近くに形成することにより反応室内の基板表面上にチタンフィルムが析出せしめ
られ、次いで、析出したチタンフィルムが、アンモニアガス、窒素ガス、または
アンモニアガスと窒素ガスの混合物等の含窒素ガスのプラズマによって同じ反応
室内で窒化され、さらに、同じ反応室内で熱ＣＶＤによって、窒化処理されたチ
タンフィルム上に、窒化チタンフィルムが析出せしめられる。
【０００９】 本発明の好適形態によれば、基板温度と、シャワーヘッド温度と、反応室の内
圧とが、Ｔｉ析出、Ｔｉ窒化、ＴｉＮ析出の各プロセスを通じてほぼ一定に維持
される。このことによって、剥離と、パーティクル発生の蓋然性が低下し、プロ
セス・パラメータ変更に伴う総計時間が減少する。本発明の単一室工程は、Ｔｉ
Ｎの析出を下層のチタン析出処理および窒化処理と統合することによって処理量
を増大させる。
【００１０】 本発明の一好適例では、処理工程を通じて、チタンが同一室内のシリコンと反
応する最低温度よりも高く、且つ４塩化チタンがシリコンをエッチングする最高
温度よりも低く、基板温度を維持するのが好ましい。例えば、基板温度が、処理
工程を通じて最低約５００℃、約７００℃以下に維持される。より好適には、基
板温度が、最適な余裕をもって最低約５８０℃に選択される。シャワーヘッド温
度は、不安定なチタン化合物がシャワーヘッドから剥離しないように、処理工程
を通じて、最低約４２５℃、処理温度以下の約７００℃に維持するのが好ましい
。金属シャワーヘッドについては、より好適には、シャワーヘッド温度が、金属
の腐食を回避するために約５００℃を超えない温度に維持される。室内圧力は、
処理工程を通じて約１トール〜１０トールに維持するのが好ましい。かくして、
単一反応室内で実行される統合されたチタンおよび窒化チタン析出工程が提供さ
れる。
【００１１】 （発明を実施するための最良の形態） 効率的なＰＥＣＶＤ方法が米国特許第５９７５９１２号「低温プラズマによる
集積回路の形成」（本出願人に譲渡された）（その全記載内容を、引用によって
本明細書に援用する）で説明されている。米国特許第５９７５９１２号は、低温
（＜５００℃）ＰＥＣＶＤによる、ＴｉおよびＴｉＮフィルムの単一室処理法を
開示している。いずれも、その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する
米国特許第５５６７２４３号および米国特許第５７１６８７０号に、ハードウェ
アの設計と、ＰＥＣＶＤによるＴｉフィルムの析出方法とについて記載されてい
る。その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する米国特許出願第０９／
０６３１９６号「Ｔｉ−ＰＥＣＶＤ室を不動態化し、調整する方法と、それによ
って処理する方法」（本出願人に譲渡され、出願係属中である）は、ＰＥＣＶＤ
−Ｔｉモジュールにおける価値ある／安定したＰＥＣＶＤ−Ｔｉ製造工程の工程
流パラメータ（要因）を開示している。その全記載内容を、引用によって本明細
書に援用する米国特許出願第０８／９１４６７３号「統合されたＣＶＤ−Ｔｉ／
ＴｉＮウェーハ処理の間のＴｉＣｌエッチバック処理の利用」（本出願人に譲渡
され、出願係属中である）は、ＣＶＤ−ＴｉＮ析出に先立って、チタンフィルム
をエッチングして酸化物表面を除去する方法を開示している。この方法は、続く
ＣＶＤ−ＴｉＮ処理の間におけるＴｉＣｌ4の高い局所圧力によるチタンフィル
ムの腐食のような問題を排除する。いずれも、その全記載内容を引用によって本
明細書に援用する米国特許第５２７９８５７号および米国特許第５３０８６５５
号は、アンモニア焼鈍により、ＣＶＤ−ＴｉＮフィルムの抵抗を減少させる方法
を開示している。米国特許出願第０９／９４０７７９号「ＣＶＤおよびＰＥＣＶ
Ｄ反応における反応ガスの早期混合を防止する装置と方法」（本出願人に譲渡さ
れ、出願係属中である）（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する
）には、二つの反応ガスを混合せずにＣＶＤ室に導入するシャワーヘッド構造が
開示されている。米国特許出願第０９／１５３１２８号「ＰＥＣＶＤ室において
電極を電気的隔離する装置」（本出願人に譲渡され、出願係属中である）（その
全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）には、ＲＦ電力面と接地面と
の間に置かれた絶縁体上に導電路が形成されないようにする構造が開示されてい
る。その全記載内容を引用によって本明細書に援用する米国特許第５５９３５１
１号は、チタン層の低温窒化を開示している。
【００１２】 図１は、本発明で使用するＣＶＤ反応装置（リアクター）の一例を示す。類似
の構造が、米国特許第５６４７９１１号（その全記載内容を、引用によって本明
細書に援用する）に示されている。反応装置２０は、反応空間すなわち析出空間
を画成する析出室ハウジング２２を有する。反応装置２０、とりわけハウジング
２２内の反応空間２４は、脱気によって選択的に種々の異なる内圧にすることが
できる。これら圧力は、ＴｉおよびＴｉＮのＣＶＤ反応の場合、一般に、０．２
トール〜２０トールの範囲にある。基板２２を保持する受容器２６が軸３０に結
合されている。受容器２６に支持された基板２８を、工程を実行するために必要
な温度に受容器２６が加熱できるように、加熱要素（図示せず）によって受容器
２６も加熱される。通常、この温度は、最低約５００℃、本明細書で説明する処
理工程の場合、約５８０°〜７００℃の範囲が好適である。
【００１３】 ハウジング２２の頂壁３２から下方に、ガス撒布シャワーヘッド３６に取り付
けられたシリンダー組立体３４が延びている。シャワーヘッド３６は基板２８の
上位に組立体３４によって懸吊されている。シリンダー組立体３４は、ハウジン
グ頂壁３２に形成された開口４２と組み合わ関係の下で、ハウジングカバー４６
とシャワーヘッド３６との間に延びる概ね鉛直の流路４４を形成している。シャ
ワーヘッド３６は、１９９７年９月３０日出願の米国特許出願第０９／９４０７
７９号「ＣＶＤおよびＰＥＣＶＤ反応における反応ガスの早期混合を防止する装
置と方法」（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）で説明され
た形式の後混合型シャワーヘッドが好ましい。シャワーヘッド３６は、カバー４
６を貫通して伸長する適切なＲＦ供給ラインによってＲＦ電力源３８に連結され
ている。密封構造４９が、供給ライン組立体４０の周囲の開口を密封している。
ＲＦ供給ライン４０は、望ましくない熱を消散させるための熱管（ヒートパイプ
）（図示せず）を含むことができる。かくして、シャワーヘッドは、例えばチタ
ンの析出や窒化のためのプラズマＣＶＤ用電極およびガス導入部材として、また
は、窒化チタン析出用のガス分散シャワーヘッドとして使用される。
【００１４】 シャワーヘッド３６は、ＰＥＣＶＤ技術のためのＲＦ電極として作用するよう
に、ＲＦエネルギーでバイアスされている。ＲＦ電極の近接した間隔と、その結
果としての濃縮プラズマとは、ＰＥＣＶＤ（特に、チタン含有フィルムのＰＥＣ
ＶＤ）にとって極めて有効である。ＲＦ電力源３８は、ＲＦ供給ライン組立体４
０を介してシャワーヘッド３６をバイアスし、シャワーヘッドがＲＦ電極として
働く。したがって、接地された受容器２６が別の平行電極を形成する。好適には
、ＲＦ電界はシャワーヘッド３６と受容器２６との間に形成される。バイアスさ
れたシャワーヘッド３６によって形成されるＲＦ電界は、孔６４を通って供給さ
れるプラズマガスを励起し、その結果、シャワーヘッド／電極の上位の流動空間
４４内ではなく、シャワーヘッド３６の直下にプラズマが形成される。ＲＦライ
ンをシリンダー組立体３４とハウジング２２から絶縁するために、絶縁スリーブ
がＲＦ供給ライン組立体４０内で使用され、シャワーヘッド３６をシリンダー組
立体３４から分離するために、石英絶縁リング６２が使用されている。受容器２
６を回転させて、プラズマガス流を均一化し、均一な析出を行なうことができる
。
【００１５】 ＴｉＣｌ4等の反応ガスが、リング５０と５２を通じて導入される。リング５
０と５２から出るガス流は、ガスがシャワーヘッド３６へと流れるに従って、流
れ空間４４の長さ内で発達する。反応ガスのガス粒子は、シャワーヘッド３６と
受容器２６によって形成されたＲＦ電界で励起される。したがって、励起された
反応ガスの粒子、および、プラズマガスの遊離基とイオンのガス混合物が基板２
８の上位であって基板に近接して濃縮される。シリンダー組立体３４の寸法は、
シャワーヘッド３６と基板２８の間隔が、好適には２５ｍｍ、より好適には約２
０ｍｍであるように定められる。
【００１６】 ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ反応と窒化反応は、周波数に特に敏感というわけではないが
、ＰＥＣＶＤ用のシャワーヘッド３６に加えられるＲＦエネルギーの周波数は、
例えば４５０ＫＨｚ〜１３．５６ＫＨｚの範囲が適当であることが判っている。
シャワーヘッド３６を基板２８に近接して使用することにより、大きい密度のガ
ス遊離基とイオンを有する濃縮プラズマが基板面２９の近くに形成される。 余分なガスは孔５３を通じて反応空間２４から排除される。受容器２６の周囲
のガス流を均一にするために邪魔板２７を設けてもよい。
【００１７】 反応装置２０は、チタン、窒化チタン、珪化チタンのプラズマ化学蒸着に使用
され、また、窒化チタンを形成するため、既に析出しているチタンフィルムの焼
鈍に使用される。前記反応装置２０と、以下に述べる処理条件とを用いて、チタ
ンの析出、窒化、窒化チタンの析出が、反応装置２０の単一室内で連続的に行な
われる。
【００１８】 基板２８は、シリコンまたは２酸化シリコンを含む通常のＩＣ基板を含み、金
属導体、接点、絶縁層等で被覆または局部的に被覆された基板でもよい。一観点
において、本発明は、シリコン上への析出にとりわけ有用である。
【００１９】 チタンフィルムを析出させるため、４塩化チタンのようなハロゲン化チタンガ
スが水素と共に加えられる。この反応において、４塩化チタンの流量は水素ガス
の顕著に過剰な流量を伴って２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ（通常、約５ｓｃｃｍ
）である。一般に、水素ガス流量は４塩化チタン流量の１０〜５００倍、例えば
３００倍である。アルゴンも使用可能であり、その場合、水素ガスの一部が免除
される。これら混合ガスのガス入口温度またはシャワーヘッド温度は約４２５℃
〜５００℃であり、基板が最低約５００℃〜約７００℃の温度、好適には約５８
０℃に加熱される。反応室の圧力は、約０．２トール〜約２０トール、通常、約
１．０トール〜１０トールである。２０トールを超える圧力では、プラズマが形
成されないだろう。
【００２０】 ＲＦ電極は約１００ワットと、装置が破壊される約５キロワットの最大電力と
の間で操作される。しかし、実際の目的のためには約３５０ワットで十分である
。ＲＦ電極の周波数は３３ＭＨZ〜５５ＫＨZに設定され、４５０ＫＨZも許容さ
れる。この周波数は連邦通信協会によって決められた周波数であり、多くの機器
がこの周波数に設定されている。しかし、本反応に最適のものではない。
【００２１】 ハロゲン化チタンと水素ガスとの混合ガスがシリンダー組立体３４内に噴射さ
れ、ＲＦ電極／シャワーヘッド３６を通過する。プラズマが形成され、かつチタ
ンが形成されて基板２８上に析出する。水素はハロゲンすなわち塩素と反応し塩
化水素を形成し、塩化水素は排出される。反応は継続し、チタンフィルムが所望
厚さに達するまでチタンフィルムが析出される。この厚さは希望する用途に応じ
て約２０オングストロームから約２０００オングストロームにまで変化する。
【００２２】 所望により、基板表面２９上、接点孔または貫通孔（バイア）内に珪化チタン
層を形成してもよい。珪化チタンの形成には、ハロゲン化チタンガス、好適には
４塩化チタンがシランと反応され、珪化チタンと塩化水素を形成する。アルゴン
またはヘリウムのような不活性ガスが、必要に応じ圧力維持のために導入される
。
【００２３】 前記により析出したチタンフィルムは、次に同じ反応装置２０内で窒化される
。この反応において、基板２８の表面２９上に析出したチタンフィルムが、アン
モニアおよび／または窒素のプラズマのような含窒素プラズマに曝される。アン
モニアは良好な反応性のために好まれる。プラズマは、単に窒化ガスを高温、低
圧のＲＦ電極に曝すことにより形成される。好適にはアンモニアガスまたは窒素
ガスのような窒化ガスの流量は約１０ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍである。好
適にはＲＦ周波数は約５８０ＫＨｚであろう。反応温度すなわち基板温度は最低
約５００℃、好適には最低約５８０℃である。窒化物の場合の好適基板温度はチ
タンフィルムを析出させるときの温度と同じである、すなわち、実質的にはプロ
セスの間で基板温度が変化することはない。窒化チタン析出の間、シャワーヘッ
ドは好適には約４２５℃〜５００℃の温度に維持され、チタンフィルム析出に使
用されるシャワーヘッド温度と同じであることが好ましい。
【００２４】 反応室の内部圧力は窒化処理の間大気圧以下である必要があるが、通常、約０
．２トール〜約２０トールであり、好適には１トール〜１０トールである。好適
には、チタン窒化処理中の反応室内部圧力はチタンフィルム析出時の圧力と同じ
であり、プロセスの間で圧力が変化することはない。窒化反応において、反応時
間は約１秒〜１００秒の間で変えてよいが、約３０秒〜５０秒が好適である。
【００２５】 例えば、４塩化チタンまたは他のハロゲン化チタンを、アンモニアガスまたは
窒素ガスと水素ガスとの混合ガスと反応させることにより、窒化チタンが、窒化
され析出したチタンフィルム上に熱ＣＶＤにより析出され、その際副産物として
窒化チタンと塩化水素が生じる。ハロゲン化チタンの流量は好適には約０．５〜
５０ｓｃｃｍである。窒素源ガスの流量は約５０〜約５０００ｓｃｃｍである。
反応温度または基板温度は最低約５８０℃であり、好適にはチタンフィルムを析
出させチタンフィルムを窒化させる基板温度と同じであり、プロセスの間におい
て実質的な基板温度の変化は存在しない。窒化チタン析出中、シャワーヘッドは
約４２５℃〜約５００℃の温度に維持され、好適にはチタンフィルムを析出させ
チタンフィルムを窒化させるときの基板温度と同じである。シャワーヘッド上に
ＴｉＮが析出することを防止しようとする従来の熱ＣＶＤ−ＴｉＮ析出プロセス
において使用される低温とは異なり、高い温度は、シャワーヘッド上のＴｉＮ析
出を許し、チタン窒化処理とＴｉＮ析出とのプロセス状態を共にもたらすＴｉＮ
析出を使用しており、反応装置をより安定にしている。一定温度の使用が、温度
サイクリングに伴って起こる粒子生成を防止している。シャワーヘッドが高温反
応ガスと腐食反応を行うことを防止するためシャワーヘッドにセラミックまたは
他の耐腐食被覆を施すことにより、５８０℃または５９０℃、さらに６５０℃ま
たは７００℃のシャワーヘッド温度が利用可能である。
【００２６】 ＴｉＮの熱ＣＶＤの間、反応室の内部圧力は約０．２トール〜２０トールに維
持され、約１トール〜１０トールが好適である。好適には、反応室の内部圧力は
、チタンフィルムを析出させチタンフィルムを窒化させるために使用される圧力
と同じ一定圧力に維持され、したがって処理工程の間、本質的な圧力変化は存在
しない。
【００２７】 このように、本発明に従えば、多数の層が単一反応室内において基板上に析出
される。先ずチタン層が基板上に析出され、ついでチタンを窒化するためアンモ
ニアまたは窒素のプラズマ焼鈍が行われる。つぎに、窒化チタン層が上述した手
順にしたがって析出される。基板温度、シャワーヘッド温度と内部圧力とはほぼ
一定の値に維持されていることが有利である。プロセスの間、温度、圧力の変化
を回避することにより薄片化、粒子生成の蓋然性が減少する。パラメータの変化
を回避することはさらに、ポンピングと排出のための時間と、他のパラメータ変
化オーバーヘッドとを消滅させ、特に、プロセス・パラメータ変化に起因する安
定化時間を除去または減少させることにより単一室の使用を容易にしている。ま
た、２つの室を１つの室に置き換えることにより、２つの一室統合Ｔｉ／ＴｉＮ
プロセス・モジュールが、２つのウェーハを違った室で同時に処理することによ
り２倍の数のウェーハを処理するように使用できる。これはさらに、２つの室に
おいて順次行われるプロセスに関連したオーバーヘッドを省略することにより、
処理量を増加させている。本発明の単一室プロセスはさらに、プロセス全体を通
して単一セットのパラメータを使用することを可能にしている。
【００２８】 本発明の他の具体例では、統合接点金属化プロセスが、先ずチタンをシリコン
面上にＰＥＣＶＤにより析出させることにより行われ、その間に珪化チタンの層
がシリコン表面とチタンフィルムとの間に形成される。チタン析出の後、アンモ
ニアまたは窒素のプラズマ焼鈍が行われ、窒化された珪化チタンが形成される。
最後に、窒化チタン層が同じ反応室内で熱ＣＶＤにより析出される。
【００２９】 窒化チタンを窒化チタンフィルムまたは窒化された珪化チタン上に析出させた
後、銅、アルミニウム、タングステンのような低い抵抗の金属層が析出される。
しかし、この最後の析出は一般にスパッター析出技術を用いた別室を必要とする
。普通に使用されているスパッター析出室がここでも使用されよう。スパッター
析出方法は当業者にはよく知られている。
【００３０】 本発明の或る具体例では、窒化チタンフィルムまたは窒化された珪化チタンフ
ィルム上に窒化チタンフィルムを析出させるとき、窒化チタンが２段階に沈積さ
れている。最初の段階で、４塩化チタン減耗の状態、例えば、４塩化チタンの流
量は約８ｓｃｃｍ、アンモニアの流量は約８０ｓｃｃｍ、希釈された窒素の流量
は約１リッター／分、圧力は約１トールの状態において析出される。例えば、約
５０〜５００Åの窒化チタンの薄い層が析出されて後、アンモニアと窒素の流量
がほぼ一定のまま４塩化チタンの流量が飽和領域例えば約３０ｓｃｃｍに変更さ
れる。窒化チタンは所望厚さに析出される。
【００３１】 チタン析出、窒化、窒化チタン析出の間に、ＴｉＮ（Ｃｌ４）フィルムが、例
えばウェーハ領域の外側のシャワーヘッド、絶縁体、受容器表面のような高温の
室内表面に析出される。一定のプロセス・パラメータを使用した単一室における
統合プロセスをにおいては、反応装置を洗浄することなしに数百のウェーハが処
理できることが判っている。数百または１千のウェーハ処理の後、反応装置の稼
動状態での洗浄が定期的に行われ、また、より稀に湿式洗浄が行われる。プロセ
ス室の湿式または稼動状態での洗浄の後に、ウェーハ製造プロセスを続行する前
に、室内表面を予備被覆する必要がある。２つの室が使用される従来方法では、
２つの違った予備被覆プロセスが行われて来た。チタン析出室においては、室内
表面を約３８００ÅのＴｉＮで被覆するため、チタンのＰＥＣＶＤとそれに続く
アンモニア焼鈍を含む予備被覆プロセスが行われる。ＴｉＮ析出室においては予
備被覆プロセスは、室内表面を約５０００ÅのＴｉＮで被覆するＴｉＮのＣＶＤ
から成っている。２つの予備被覆プロセスは基本的には室内表面における同じフ
ィルムを生成しているから、いずれかのプロセスが、本発明の単一室の室内表面
を予備被覆するために使用出来よう。最も好適とされる室の予備被覆または調整
が、引用によってその全記載内容を本明細書に援用する、１９９８年４月２０日
に出願された係属中の米国特許出願第０９／０６３１９６号「Ｔｉ−ＰＥＣＶＤ
プロセス室に化学反応を不活性にし安定化する方法と、組合わされたＴｉ−ＰＥ
ＣＶＤ／ＴｉＮＣＶＤプロセスの方法と装置」（熱ＣＶＤ窒化チタン予備被覆プ
ロセスを伴う）で説明されている。
【００３２】 本発明の好適例は、プロセス統合を最適にし洗浄回数を減らすため、基板温度
、シャワーヘッド温度、および圧力を単一室Ｔｉ／ＴｉＮ析出のプロセスを通し
て一定に維持することを含むが、本発明の特徴は、単一室統合Ｔｉ／ＴｉＮプロ
セスが、ＴｉのＰＥＣＶＤと、プラズマ窒化と、ＴｉＮの熱ＣＶＤを使用して行
われることである。かかるプロセスにおいては、約１５０℃〜２５０℃のオーダ
ーの低いシャワーヘッド温度がＴｉＮの熱ＣＶＤの際に使用されるが、これは室
内表面の洗浄がより頻繁に必要にはなるが、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉにより析出された
フィルムが低いシャワーヘッド温度においては不完全にしか付着しないからであ
る。したがって、頻繁な洗浄を避けるために、ＴｉのＰＥＣＶＤに使用されると
同じ高いシャワーヘッド温度を使用することが有利である。
【００３３】 以上、具体例を示して本発明の詳細を説明したが、これは特許請求の範囲を具
体的に限定することを意図するものではない。他の利点、変形は当業者には明ら
かであろう。したがって、本発明は、特定の細目、代表的装置および方法、図示
例に限定されるものではない。したがって、本発明の要旨から逸脱することなく
、これら細目の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に使用される析出室の一部欠截側面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワード、マイケル、ジー アメリカ合衆国 アリゾナ、フェニック ス、イー、デザート トランペット ロー ド 3306 (72)発明者 アミーン、マイケル、エス アメリカ合衆国 アリゾナ、フェニック ス、ノース フィフティセカンド ストリ ート 3128 (72)発明者 ヒルマン、ジョセフ、ティ アメリカ合衆国 アリゾナ、スコッツデー ル、イー、 クライデスデール トレイル 8520 Ｆターム(参考） 4K030 AA03 AA13 BA18 BA38 BB13 CA04 CA12 DA09 EA06 FA03 FA10 JA03 JA05 JA09 JA10 4M104 AA01 BB14 BB25 DD37 DD44 DD45 DD86 DD89 FF18 FF22

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内
    でウェーハ表面に析出させる方法において、 ウェーハ表面を有する基板を、シャワーヘッドから離して反応室内に配置する
    段階と、 ハロゲン化チタンと水素を含むガス混合物から成る第一プラズマを室内に形成
    することによって、前記反応室内で、ウェーハ表面にチタンフィルムを析出させ
    る段階と、 アンモニア、窒素、およびそれらの混合物から成る群から選択されたガスから
    成る第二プラズマを形成することによって、析出したチタンフィルムを前記反応
    室内で窒化する段階と、 ハロゲン化チタンと窒素源ガスを含むガス混合物を用いた熱ＣＶＤ法によって
    、前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルムを析
    出させる段階とを含む、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一
    室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  2. 【請求項２】 チタンフィルムを析出させる段階が、最低約５００℃のウェ
    ーハ表面温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタン
    フィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  3. 【請求項３】 チタンフィルムを析出させる段階が、約５５０℃〜約７００
    ℃のウェーハ表面温度で実行される請求項２に記載された、チタンフィルムと窒
    化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  4. 【請求項４】 チタンフィルムを析出させる段階が、最低約５８０℃のウェ
    ーハ表面温度で実行される請求項２に記載された、チタンフィルムと窒化チタン
    フィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  5. 【請求項５】 析出チタンフィルムを窒化する段階が、最低約５００℃のウ
    ェーハ表面温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタ
    ンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  6. 【請求項６】 析出チタンフィルムを窒化する段階が、ウェーハ表面温度を
    、チタンフィルムを析出させる段階と同じ温度にして実行される請求項２に記載
    された、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ
    表面に析出させる方法。
  7. 【請求項７】 窒化チタンフィルムを析出させる段階が、ウェーハ表面の温
    度を、チタンフィルムを析出させる段階および析出チタンフィルムを窒化させる
    段階における温度と同じ温度にして実行される請求項６に記載された、チタンフ
    ィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる
    方法。
  8. 【請求項８】 窒化チタンフィルムを析出させる段階が、最低約５８０℃の
    ウェーハ表面温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チ
    タンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  9. 【請求項９】 チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒化
    し、窒化チタンフィルムを析出させる段階が、最低約５８０℃の概ね一定のウェ
    ーハ表面温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタン
    フィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  10. 【請求項１０】 チタンフィルムを析出させる段階の間、前記反応室の内圧
    が約１トール〜約１０トールである請求項１に記載された、チタンフィルムと窒
    化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  11. 【請求項１１】 チタンフィルムを析出させる段階の間、前記反応室の内圧
    が約０．２トール〜約２０トールである請求項１に記載された、チタンフィルム
    と窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  12. 【請求項１２】 チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒
    化し、窒化チタンフィルムを析出させる各段階の間、前記反応室の内圧が約１ト
    ール〜約１０トールの概ね一定の圧力である請求項１に記載された、チタンフィ
    ルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方
    法。
  13. 【請求項１３】 前記一定の内圧が約５トールである請求項１に記載された
    、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に
    析出させる方法。
  14. 【請求項１４】 チタンフィルムを析出させる段階が、約４２５℃〜約７０
    ０℃のシャワーヘッド温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィルム
    と窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  15. 【請求項１５】 析出したチタンフィルムを窒化する段階が、約４２５℃〜
    約７００℃のシャワーヘッド温度で実行される請求項１に記載された、チタンフ
    ィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる
    方法。
  16. 【請求項１６】 窒化チタンフィルムを析出させる段階が、約４２５℃〜約
    ７００℃のシャワーヘッド温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィ
    ルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方
    法。
  17. 【請求項１７】 チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒
    化し、窒化チタンフィルムを析出させる各段階が、約４２５℃〜約７００℃のシ
    ャワーヘッド温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チ
    タンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  18. 【請求項１８】 シャワーヘッドが金属であり、チタンフィルムを析出させ
    、析出したチタンフィルムを窒化し、窒化チタンフィルムを析出させる各段階が
    、約４２５℃〜約５００℃のシャワーヘッド温度で実行される請求項１に記載さ
    れた、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表
    面に析出させる方法。
  19. 【請求項１９】 チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒
    化し、前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルム
    を析出させる全過程を通して、ウェーハ表面を概ね一定の温度に維持し、前記反
    応室内の全ガス圧を概ね一定の圧力に維持し、かつシャワーヘッド温度を概ね一
    定の温度に維持する請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフィル
    ムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  20. 【請求項２０】 チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒
    化し、前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルム
    を析出させる全過程を通して、ウェーハ表面を最低約５８０℃の概ね一定の温度
    に維持し、前記反応室内の全ガス圧を約１トール〜約１０トールの概ね一定の圧
    力に維持し、シャワーヘッド温度を約４２５℃〜５００℃の概ね一定の温度に維
    持する請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層
    を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  21. 【請求項２１】 前記反応室の表面を洗浄した後、前記反応室の少なくとも
    １箇所の内表面を、予めＴｉＮで被覆する第一段階を含む請求項１に記載された
    、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に
    析出させる方法。
  22. 【請求項２２】 窒化チタンフィルムを析出させる段階が、４塩化チタンの
    減少状態で窒化チタンの第一厚さまで析出させる第一熱ＣＶＤ析出と、４塩化チ
    タンの飽和状態で窒化チタンの最終厚さまで析出させる第二熱ＣＶＤ析出とを含
    む請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単
    一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  23. 【請求項２３】 ウェーハ表面がシリコンであり、チタンフィルムを析出さ
    せる段階の間、シリコンウェーハ表面と、析出したチタンフィルムとの間に珪化
    チタンの層を形成する請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフィ
    ルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  24. 【請求項２４】 第一および第二プラズマが、ウェーハ表面の２５ｍｍ以内
    に形成される請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含
    む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  25. 【請求項２５】 チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒
    化し、窒化チタンフィルムを析出させる段階が、約１５０℃〜２５０℃のシャワ
    ーヘッド温度で実行される請求項１に記載された、チタンフィルムと窒化チタン
    フィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
  26. 【請求項２６】 ハロゲン化チタンが４塩化チタンである請求項１に記載さ
    れた、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表
    面に析出させる方法。
  27. 【請求項２７】 チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室
    内でウェーハ表面に析出させる方法において、 表面を有する基板を、シャワーヘッドから離して反応室内に配置する段階と、 前記反応室内で、プラズマ化学蒸着によって、前記表面にチタンフィルムを析
    出させる段階と、 アンモニアと窒素、またはアンモニアと窒素の混合物から成る群から選択され
    たガスから成るプラズマを形成することによって、前記反応室内で、析出したチ
    タンフィルムを窒化する段階と、 熱ＣＶＤ法によって、前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒
    化チタンフィルムを析出させる段階とを含み、 前記反応室内で、チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒化
    し、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルムを析出させる全過程
    を通して、前記表面を最低約５８０℃の概ね一定の温度に維持し、前記反応室内
    の全ガス圧を約１トール〜約１０トールの概ね一定の圧力に維持し、シャワーヘ
    ッド温度を最低約４２５℃の概ね一定の温度に維持する、チタンフィルムと窒化
    チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
  28. 【請求項２８】 シャワーヘッドが金属であり、その温度が約４２５℃〜約
    ５００℃の概ね一定の温度に維持される請求項２７に記載された、チタンフィル
    ムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
  29. 【請求項２９】 シャワーヘッド温度が約５００℃〜約７００℃の概ね一定
    の温度に維持され、シャワーヘッドが約５００℃を超える温度において耐腐食性
    である表面材料を含む請求項２７に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフ
    ィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
  30. 【請求項３０】 前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化
    チタンを析出させる段階が、 含窒素ガスを含むガス流でハロゲン化チタンが希釈されている第一流量のハロ
    ゲン化チタンを伴なうハロゲン化チタン減少状態における最初の段階で、熱ＣＶ
    Ｄによって窒化チタンを析出させる段階と、 前記最初の段階による窒化チタンの析出に続いて、ハロゲン化チタンの流量を
    飽和状態の流量にまで増大させ、それによって、前記最初の段階において析出し
    た窒化チタン上に窒化チタンを、第二段階で、析出させる段階とを含む請求項２
    ７に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で
    基板表面に析出させる方法。
  31. 【請求項３１】 前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化
    チタンを析出させる段階が、 厚さ約１００〜５００ÅのＴｉＮ層を形成すべく、流量約８ｓｃｃｍの４塩化
    チタン流、流量約８０ｓｃｃｍのアンモニア流、および圧力約５トールの希釈剤
    として流速約１リッター／分の窒素流を伴なうハロゲン化チタン減少ＣＶＤモー
    ドである最初の段階において、窒化チタンフィルムを析出させる段階と、 アンモニアと窒素との流量を一定に維持した、約３０ｓｃｃｍの飽和状態にあ
    る流量まで４塩化チタンの流量を増大させ、もって、前記薄層の上に更にＴｉＮ
    の層を形成する段階とを含む請求項２７に記載された、チタンフィルムと窒化チ
    タンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
  32. 【請求項３２】 ＴｉのＰＥＣＶＤが、ハロゲン化チタンと水素を含むガス
    混合物から成る第一プラズマを前記反応室内に形成する段階を含み、第一プラズ
    マが基板表面の２５ｍｍ以内に形成される請求項２７に記載された、チタンフィ
    ルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
  33. 【請求項３３】 窒化の間、析出チタンフィルムの２５ｍｍ以内にプラズマ
    が形成される請求項２７に記載された、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを
    含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
  34. 【請求項３４】 基板表面の温度が７００℃を超えない請求項２７に記載さ
    れた、チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に
    析出させる方法。
  35. 【請求項３５】 前記反応室の表面を洗浄した後、室内表面の少なくとも一
    箇所を予めＴｉＮで被覆する最初の段階を更に含む請求項２７に記載された、チ
    タンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させ
    る方法。
  36. 【請求項３６】 基板表面がシリコンであり、チタンフィルムを析出させる
    段階の間に、シリコン基板表面と析出されたチタンフィルムとの間に珪化チタン
    の層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項２７に記載された、チタ
    ンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる
    方法。
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