JP2011139093A - 密着性を改良するための基板のプラズマアニーリング - Google Patents

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Abstract

【課題】許容可能な拡散バリア特性と基板への密着性を耐熱性金属窒化物が有するように、基板上への窒化チタンなどの耐熱性金属窒化物膜の形成を提供する。
【解決手段】材料の層が、ウェハ上に部分的に形成された集積回路内の基板上に形成される。基板はプラズマアニールを受け、その間に基板はイオンでボンバードされる（工程３００）。プラズマアニールは、エネルギーを注入された窒素含有ガスから生成されたプラズマへ基板を曝すことにより実行できる。基板がプラズマアニールされた後、耐熱性金属窒化物の層が基板上に堆積される（工程３０１）。耐熱性金属窒化物の層は、次に、第１セットのイオンでボンバードされる。第１セットのイオンによる耐熱性金属のこのボンバードは、プラズマアニールを実行することにより達成できる。耐熱性金属窒化物は、更に、第２セットのイオンによりボンバードされる（工程３０２）。
【選択図】図５

Description

関連出願とのクロスリファレンス
この出願は：
１９９５年７月６日出願の米国特許出願第０８／４９８，９９０号で発明の名称「薄膜のバイアスされたプラズマのアニーリング (BIASED PLASMA ANNEALING OF THIN FILMS)」；１９９４年１１月１４日出願の米国特許出願第０８／３３９，５２１号で発明の名称「化学的気相成長により堆積された改良窒化チタン層とその製造方法 (IMPROVED TITANIUM NITRIDE LAYERS DEPOSITED BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION AND METHOD OF MAKING)」；および１９９５年１２月５日出願の米国特許出願第０８／５６７，４６１号で発明の名称「薄膜のプラズマアニーリング (PLASMA ANNEALING OF THIN FILMS)」；の一部継続出願である、１９９７年２月２８日出願の米国特許出願第０８／８１０，２２１号で発明の名称「半導体ウェハ上への膜の構成 (CONSTRUCTION OF A FILM ON A SEMICONDUCTOR WAFER)」の一部継続出願である。上記関連特許出願はそれぞれ、本明細書に引用して組み込まれる。
本発明は、集積回路を製造する分野に向けられる。
集積回路の製造時、拡散バリアの下地領域中への金属の拡散を禁止するために拡散バリアが使用される。これら下地領域は、トランジスタのゲート、コンデンサの誘電体、半導体基板、金属配線、そして集積回路に現われる多くの他の構造を含む。金属拡散は高抵抗ポケットを拡散領域に形成させるので、金属拡散の防止は重要である。そのような抵抗性ポケットの形成は、集積回路を不良にする。
例えば、電極がトランジスタのゲートに対して形成されているときに、拡散バリアは、ゲートと電極のコンタクト部としての役割を持つ金属との間に形成されることが多い。拡散バリアは、ポリシリコンで構成されるであろうゲートへの金属の拡散を禁止する。拡散バリアは、コンデンサの誘電体とコンデンサの電極のコンタクト部との間にも使用される。誘電体は五酸化タンタルなどの材料で構成でき、一方、電極のコンタクト部は、タングステン、チタン、アルミニウム、または銅などの金属から成る。拡散バリアは、金属の誘電体中への拡散を防止する。さもないと、そのような拡散はコンデンサを動作不能にさせる。
耐熱性金属窒化物が拡散バリアとしてこれまで使用されてきた。例えば、窒化チタンが、銅やアルミニウムなどの金属の拡散を禁止するために使用された。しかし、ポリシリコンや酸化タンタルなどの、特定表面への窒化チタンの密着性は、要求される程には強くない。製造される集積回路の構造的完全性を提供するために良好な密着性が重要である。良好な密着性は、拡散バリアと下地領域との間に、より良好な伝導性を提供する。
更に、窒化チタンが五酸化タンタル上に堆積される場合、反応が起こる。五酸化タンタルからの酸素が窒化チタンと混合し、窒化チタンを酸化する。酸素の存在は窒化チタン膜の固有抵抗を大きくさせるので、酸素と窒化チタンとの混合は望ましくない。
急速熱窒化処理が、窒化チタンの五酸化タンタルへの密着性を改善し、窒化チタンの酸化を低減するために使用されてきた。窒化チタンが堆積される前に、五酸化タンタル基板上で急速熱窒化処理が行なわれ、基板表面上に酸窒化タンタルが形成される。次に、酸窒化タンタル上に窒化チタンが堆積され、それはより良好な密着性を有する。
現在、五酸化タンタル基板の急速熱窒化処理と窒化チタンの堆積は、同じチャンバで現場操作として実行することはできない。従って、ウェハは、五酸化タンタルの堆積に続き、急速熱窒化処理チャンバに置かれ、急速熱窒化処理が行なわれた後に、窒化チタン堆積チャンバへ移送されねばならない。
使用対象の異なる処理チャンバの数を最少化することが望ましい。これは、ウェハ毎に受けねばならないチャンバ移送の回数を制限することになる。チャンバ移送は、ウェハをチャンバ外環境中での汚染に曝すので望ましくない。そのような汚染はウェハを不良品にする。更に、ウェハは移送中に酸素に曝されるかもしれない。酸素は、ウェハ表面上の材料と反応して、ウェハの表面材料の固有抵抗を許容できないレベルまで増加させるのである。
従って、許容可能な拡散バリア特性と基板への密着性を耐熱性金属窒化物が有するように、基板上への窒化チタンなどの耐熱性金属窒化物膜の形成を提供することが望ましい。その上、耐熱性金属窒化物の堆積前に行なわれるいずれの基板処理も、耐熱性金属窒化物の堆積と同じチャンバ内で行なわれることが望ましい。
本発明によると、耐熱性金属窒化物膜が、ウェハ上に部分的に形成された集積回路における露出された基板上に形成され、それにより、膜が基板に密着する。更に、全体の膜形成が、単一の処理チャンバでその場で行なえる。
そのような膜形成において、いずれの膜材料であっても、その堆積前に、基板がプラズマアニールされる。プラズマアニール中に、基板はイオンでボンバードされる。基板がプラズマアニールされた後に、耐熱性金属窒化物の層が基板上に堆積される。本発明の実施の形態の１つでは、耐熱性金属窒化物は窒化チタンである。基板をプラズマアニールした結果として、基板と耐熱性金属窒化物との間には良好な密着結合がある。
次に、堆積された耐熱性金属窒化物は、第１プラズマのアニールを受け、その間に、耐熱性金属窒化物は、第１セットのイオンでバンバードされる。本発明の実施の形態では、耐熱性金属窒化物は、第１プラズマアニールが完了した後に、第２プラズマのアニールも受ける。第２プラズマアニール中に、耐熱性金属窒化物は、第２セットのイオンでボンバードされる。本発明の実施の形態では、基板のプラズマアニール、耐熱性金属窒化物の堆積、および、耐熱性金属窒化物のプラズマアニールは、全て同じ場所で行なわれる。
基板をプラズマアニールする場合、基板はイオンを含むプラズマに曝される。プラズマは、ガスを供給し、高周波で生成されたエネルギーでガスを活性化することにより生成される。本発明の実施の形態の１つでは、供給されるガスは、窒素ガスである。本発明の更なる実施の形態では、ガスは、窒素と、水素やヘリウムなどの他の元素のガスとの混合物を含んでもよい。
本発明による耐熱性金属窒化物膜の形成を示す断面図である。 本発明による耐熱性金属窒化物膜の形成を示す断面図である。 本発明による耐熱性金属窒化物膜の形成を示す断面図である。 本発明による耐熱性金属窒化物膜の形成を示す断面図である。 プラズマアニールされていない基板上に堆積された窒化チタンを有する構造のオージェ深さプロファイルを示す線図である。 本発明によりプラズマアニールされた基板上に堆積された窒化チタンを有する構造のオージェ深さプロファイルを示す線図である。 本発明により耐熱性金属窒化物膜を形成するためのチャンバを示す概略図である。 本発明により基板上へ耐熱性金属窒化物膜を形成するために使用されるチャンバを制御するため制御ユニットを示す概略図である。 本発明により、図４に示す制御ユニットを介して行なわれる操作の順序を示すフローチャートである。
本発明の更なる詳細は、添付図面の助けを借りて説明される。
図１（ａ）は、部分的に形成された集積回路における基板材料１０１の断面図を示す。耐熱性金属窒化物の拡散バリアが、基板１０１上に形成されることになる。基板は、数多い材料のいずれか１つであってよい。例えば、基板１０１は、トランジスタのゲートを形成するポリシリコンでもよく、代替として、コンデンサの誘電体を形成する五酸化タンタルでもよい。本発明は、バリア層の特定の使用または配置に限定されないことを理解されたい。
図１（ｂ）に示すように、基板１０１はプラズマアニールを受け、そこで、基板１０１は、耐熱性金属窒化物堆積用の基板１０１を調製するようプラズマ１０２で処理される。プラズマアニールの結果、耐熱性金属窒化物は、基板１０１へより良好に密着する。
プラズマアニールを行なう際には、ガスが供給されて、そのガスにエネルギーが注入され、プラズマ１０２を形成する。本発明によるプラズマ１０２を形成するために、ガスは、３５０から６００キロヘルツ（「ｋＨｚ」）の範囲の周波数を有する信号からのエネルギーを使用して励起される。信号の電力は、３００から１２００ワットの範囲でよい。信号は、プラズマを生成し持続するために１０から３００秒間ガスへ供給されてよい。
プラズマ１０２の生成中に、基板１０１は、基板１０１へ誘引されるプラズマ１０２中にイオンを結果として生ずる自己バイアス電圧を得て、それにより、イオンが基板１０２をボンバードする。本発明の実施の形態の１つでは、基板１０１の温度は、３００から４７５℃の範囲にあるよう設定され、プラズマアニールは、０．３から１０ Torr の範囲の圧力を持つ環境で実行される。
本発明によると、プラズマ１０２を形成するために使用されるガスは、いずれのガスでもよいが、好ましくは、窒素、アンモニア、またはアルゴンなど、酸素と炭素を含まないガスである。本発明の実施の形態の１つでは、ガスは、窒素（Ｎ2）で構成される。本発明の代替の実施の形態では、ガスは、窒素（Ｎ2）と、水素（Ｈ2）のような他の元素との混合物で構成される。代替として、ガスは、窒素（Ｎ2）とヘリウム（Ｈｅ）との混合物、または窒素（Ｎ2）、水素（Ｈ2）、およびヘリウム（Ｈｅ）との混合物であってもよい。
ガスに窒素が含有される上記実施の形態の各々では、窒素イオンがプラズマ１０２内に形成される。窒素イオンは基板１０１をボンバードする。基板１０１が五酸化タンタルである場合、窒素イオンのボンバードは、基板１０１の上面への酸窒化タンタルの層の形成を結果として生じる。本発明によると、酸窒化タンタルは、後に基板１０１上に堆積される耐熱性金属窒化物拡散バリアの酸化を禁止する。
基板がプラズマ１０２により一旦処理されると、図１（ｃ）に示すように、耐熱性金属窒化物材料１０３が基板１０１の上面に堆積される式。ＭxＮyの耐熱性金属窒化物（ここで、Ｍは、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、タングステン、および他の耐熱性金属でよく；ｘとｙは、金属と窒素の種々の定量的結合を表す）は、耐熱性金属窒化物材料１０３として使用できる。
本発明によると、耐熱性金属窒化物１０３は、化学気相堆積（「ＣＶＤ」）を使用して堆積される窒化チタン（ＴｉＮ）でよい。窒化チタンの化学的気相成長は、有機金属のチタン化合物の使用により達成できる。そのような化合物の１つは、テトラキス（ジアルキルアミド）チタン（Ｔｉ（ＮＲ2）4）であり、ここで、各場合でのＲは、独立して、アルキル基における、例えば、１−５炭素原子である。テトラキス（ジメチルアミド）チタン（ＴＤＭＡＴ）を使用するのが通常で、その化学式はＴｉ（Ｎ（ＣＨ3）2）4である。ヘリウム、アルゴン、窒素、または水素などの、キャリアガスが化合物をＣＶＤチャンバ内へ持込み、それにより、それはエネルギーを注入されることができる。エネルギーは、熱ＣＶＤの場合、熱的加熱源により、または、プラズマ強化ＣＶＤの場合、周波数を持つ信号を供給する信号ソースにより、生成できる。活性化された化学的蒸気は、ウェハの表面と反応して、ウェハ上に材料の薄い層を形成する。
ＴＤＭＡＴの化学的蒸気が使用される場合、窒化チタン膜がウェハの表面上に堆積される。耐熱性金属窒化物１０３としての窒化チタンの堆積を容易にする ために、基板１０１の温度は、３４０〜３９０℃の範囲にあるように設定され、堆積が実行されている環境の圧力は、０．５から２．０ Torr の範囲であるように設定される。本発明の実施の形態で使用できる窒化チタンを堆積するための従来のＣＶＤプロセスは、Sandhu 他へ発行された米国特許第５，２４６，８８１号に開示されている。
基板１０１へ提供されたプラズマ処理の結果、図１（ｂ）を参照して説明したように、窒化チタン１０３の基板１０１への密着性が改善される。基板１０１がポリシリコンまたは五酸化タンタルである場合、窒化チタンの密着性は、基板のプラズマアニールが遂行されない場合に得られる密着性を超えて著しく増強される。
更に、基板１０１が五酸化タンタルである場合、窒化チタン１０３の酸化は著しく低減される。先に説明したように、五酸化タンタルの基板のプラズマアニールは、基板１０１の上面への酸窒化タンタル形成を結果として生じる。酸窒化タンタルは、五酸化タンタル基板１０１において、窒化チタン１０３を酸素から隔離する。その結果、窒化チタン１０３の酸素含有量は低減され、それによって、窒化チタン１０３の固有抵抗を低下させる。
図２（ａ）は、プラズマアニールされていない五酸化タンタルの層上に８００から１０００Åの窒化チタン層が堆積された構造のオージェプロファイルを示す。図２（ｂ）は、本発明により、プラズマアニールされていない五酸化タンタルの層上に８００から１０００Åの窒化チタン層が堆積された構造のオージェ深さプロファイルを示す。図２（ａ）と２（ｂ）を比較して分かるように、窒化チタンと五酸化タンタルとの間に接合が形成される２５００Åから２７５０Åの範囲の深さのところで、酸素含有量は、図２（ｂ）での構造で著しく低い。これは、プラズマアニールにより形成された隔離酸窒化タンタルの存在を表している。
図２（ｂ）に示す五酸化タンタルは、３０秒間のプラズマアニールを施した。プラズマは、Ｎ2から成るガスを使用して形成された。ガスは、１００〜５６０ＳＣＣＭの流量で供給され、３５０ｋＨｚの周波数と略７５０ワットの電力を有する信号により活性化された。
窒化チタン１０３のＣＶＤ堆積層は、有意量の炭素を含有できる。これは、得られた窒化チタン層を化学的に反応性する。結果として、膜１０３が空気または他の酸素含有ガスに曝されるとき、酸素は窒化チタン膜１０３へ吸収される。酸素吸収は制御されないので、窒化チタン１０３の安定に悪影響を及ぼし、窒化チタン１０３の固有抵抗を不利に増加させる。これは、集積回路に形成されたデバイスの信頼性が劣ることを結果としてもたらすだろう。
空気への暴露後、ＣＶＤ堆積された窒化チタン膜の膜固有抵抗は、約１０，０００μΩ−ｃｍから約１００，０００μΩ−ｃｍまでの値へ増加し得る。堆積された窒化チタンが、電極構造またはプラグなどの配線構造での拡散バリアとして使用される場合、非常に望ましくない値である。約６００μΩ−ｃｍ以下の程度の固有抵抗が望ましい。
図１（ｄ）に示すように、ＣＶＤ堆積された、窒化チタンなどの耐熱性金属窒化物１０３は、固有抵抗を低減するようプラズマアニールすることができる。膜１０３の固有抵抗を低減するために一回のプラズマアニールでも、連続するプラズマアニールであってもよい。本明細書に引用して組込まれる、１９９７年２月２８日出願の米国特許出願第０８／８１０，２２１号で発明の名称「半導体ウェハ上への膜の構成」は、窒化チタン等の、耐熱性金属窒化物１０３の固有抵抗を低減するために使用できる一回または連続するプラズマアニールの両方を開示している。
前記のプロセスは、本明細書に引用して組込まれる、１９９６年７月１２日出願の Zhao他による米国特許出願第０８／６８０，７２４号で発明の名称「化学的気相堆積チャンバ内のガス流動経路でのペデスタル周辺の部品」に記載のような単一のＣＶＤチャンバで完遂される。この形式のチャンバは、カリフォルニア 州サンタクララの Applied Materials, Inc. により商品名 TxZ Chamber で製造され、それは、基板１０１のプラズマアニール、耐熱性金属窒化物１０３の堆積、および耐熱性金属窒化物１０３のプラズマアニールを行なうために使用できる。本発明によるプラズマアニールを行なうために使用できる代替のチャンバは、本明細書に引用して組込まれる、１９９７年２月２８日出願の米国特許出願第０８／８１０，２２１号で発明の名称「半導体ウェハ上への膜の構成」に開示されている。基板のプラズマアニール、ＣＶＤ堆積、および耐熱性金属窒化物のプラズマアニールを行なうために２つ以上のチャンバが使用される場合、好ましくは、ＣＶＤチャンバからアニールチャンバへのウェハの移送中に真空が維持される。
図３は、TxZ Chamber のようなＣＶＤチャンバを概略的に示す。チャンバ１３０は、処理チャンバ内圧力を設定して、処理チャンバ１３５から反応副生成物を排出するための圧力制御ユニット１４０（例えば、真空ポンプ）を含む。チャンバ１３０は、処理チャンバ１３５の壁をシャワーヘッド１３４とウェハ支持体１３２から電気的に絶縁する絶縁体１６２も含む。ガスパネル１４３が、ガスをシャワーヘッド１３４へ供給するためにチャンバ１３０に備えられる。本発明の実施の形態が、更に、図３に示すチャンバ１３０を参照して説明されるが、この技術に通常に精通する者は、説明されたプラズマアニールおよび堆積が、先に説明したように、異なる多数のチャンバ内で実行できることが分かるであろう。
本発明に従って基板を処理するためには、基板が存在し露出しているウェハ１８０が、チャンバのウェハ支持体１３２上に配置され、シャワーヘッド１３４から約０．３から０．８インチ、好ましくは、０．６から０．７インチ間隔を置かれる。シャワーヘッド１３４を通し処理チャンバ１３５内へ導入される窒素ガス（Ｎ2）へエネルギーを与えることにより、活性化イオンを持つプラズマ１８１が得られる。窒素ガスが好ましいが、水素、ヘリウム、アルゴン、またはアンモニアなどの１つ以上の他のガスが、基板のプラズマ処理に使用できる。
ガスパネル１４３は、窒素ガスをシャワーヘッド１３４へ、１００から１，０００ｓｃｃｍの範囲の流量レートで供給する。エネルギーは、シャワーヘッド１３４へ（代替としてペデスタル１３２へ）結合されている信号ソース１３６からガスへ供給される。３５０から６００ｋＨｚの範囲の周波数と３００から１，２００ワットの範囲の電力を有する信号が供給される。
シャワーヘッド１３４にパワー、すなわちトップパワーが与えられ、そしてウェハ支持体１３２と処理チャンバ１３５の壁を接地するとともに、シャワーヘッドが、７００から１０００ワットで駆動され、ウェハ１８０と接地との間に−１００から−２００ボルトの間のＤＣ自己バイアス電圧が、ウェハ１８０上に誘導される。これは、プラズマ１８１から窒素イオンを誘引することにより、ウェハ１８０上の露出された基板に衝突させるには充分である。プラズマアニール中、処理チャンバ１３５内の圧力は、０．３から１０ Torr の範囲、好ましくはチャンバ内圧力は０．５から２．０ Torr の範囲である。基板を含め、ウェハ１８０の温度は、３００から４７５℃の範囲に設定される。プラズマアニールは、一般に、１５から３００秒の範囲の時間行なわれ、好ましいプラズマアニール時間は２０〜４０秒の範囲である。
トップパワーが好ましいとはいえ、プラズマは、高周波信号をペデスタル１３２だけへ供給する、すなわちボトムパワーにより、または、ペデスタルとシャワーヘッドへ瞬時に供給することにより生成できる。これらオプション構成は、ペデスタル１３２へ整合ネットワーク２５２を介してＲＦパワーソール１３６へ結合する破線の経路１７５により表されている。
プラズマアニールの完了後、処理チャンバ１３５内のガスは、圧力制御ユニット１４０により一掃される。基板が五酸化タンタルである場合、上記のように、窒素イオンのボンバードは、ウェハ１８０上の露出された五酸化タンタル基板の上面に酸窒化タンタルの形成を結果として生じる。
本発明の代替の実施の形態では、ウェハ１８０上の基板のプラズマアニール中に、窒素（Ｎ2）と水素（Ｈ2）の混合ガスを、窒素ガスに置換えることができる。図３に示すチャンバ１３０を使用する場合、ウェハ１８０は、ウェハ支持体１３２上に配置でき、シャワーヘッド１３４から約０．３から０．８インチ、好ましくは、０．６から０．７インチの間隔を置かれる。
窒素と水素の３：１の混合物から成るガスが、シャワーヘッド１３４を介して処理チャンバ１３５内へ導入される。窒素と水素の混合物は、ガスパネル１４３によりシャワーヘッド１３４を介して約３００ｓｃｃｍの窒素流量で供給される。次いで信号ソース１３６が、信号を、シャワーヘッド１３４へ整合ネットワーク２５２を介して供給する。信号ソース１３６により供給される信号は、３００から１，２００ワット、好ましくは７００から１，０００ワットの範囲の電力と、３００から６００ｋＨｚの範囲の周波数を有する。上記混合ガスは窒素対水素比３：１を有するが、５：１と１：５の間のいずれかの比を用いることができる。
正に帯電した窒素と水素イオンを含むプラズマが、シャワーヘッド１３４へ供給される電力の作用下で生じる。プラズマは、普通は、１５から３００秒間の範囲で持続され、トップパワーだけが使用される場合、好ましい時間は１０から３５秒である。上記のように、処理チャンバの壁とウェハ支持体１３２は接地されている。シャワーヘッド１３４は、−１５０から−４５０ボルトの間、普通には−４００ボルト、の負のバイアスを取得する。基板を含め、ウェハ１８０は、−１００から−２００ボルトの間、普通には、−１５０ボルト、の負のバイアスを取得するよう自己バイアスする。この負のバイアス電圧は、ボンバード中ほぼ一定である。
ボンバード中、プラズマからの正に帯電したイオンは、ウェハ１８０上の基板の表面への電圧傾度により加速される。これは、イオンにウェハ表面をボンバードさせ、５０から１００Åの深さに浸透する。プラズマからのエネルギー的に中性な原子粒子もウェハをボンバードできる。
基板がプラズマ１８１により処理された後に、耐熱性金属窒化物の拡散バリア材料１８２の層が、ウェハ１８０の上面に堆積される。
本発明の実施の形態の１つの実施例として、窒化チタンの堆積を、耐熱性金属窒化物１８２の堆積を例証するよう説明する。本発明によると、窒化チタン１８２は、化学的気相成長を使用して堆積される。
窒素（Ｎ2）とヘリウム（Ｈｅ）の混合キャリアガスが、ＴＤＭＡＴ化合物を、処理チャンバ１３５内へシャワーヘッド１３４を介して持込み、それにより、ＴＤＭＡＴはエネルギーを注入されることができる。混合キャリアガスとＴＤＭＡＴ化合物の両方がガスパネル１４３によりシャワーヘッド１３４へ供給される。窒素とヘリウムガスは、各々１００から１，５００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給され、ＴＤＭＡＴは、１００〜１，０００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給される。
処理チャンバ１３５では、ウェハ１８０は温度、３００〜３９０℃の範囲に設定され、圧力制御ユニット１４０は、処理チャンバ１３５内の圧力を０．５から２．０ Torr の範囲にあるよう設定する。ＴＤＭＡＴは、ウェハの加熱された表面と反応して、基板を含むウェハ１８０の上面に窒化チタン１８２の薄層を形成する。堆積プロセスは、５０から９００秒間の範囲で継続される。堆積が完了した後に、結果としての副生成物は、圧力制御ユニット１４０により処理チャンバ１３５から一掃される。
ウェハ１８０上の露出された基板上で行なわれたプラズマアニールの結果、プラズマアニールされた基板への窒化チタンの密着性が改善される。窒化チタンの改善された密着性は、プラズマアニールされていない基板で得られる密着性に優越している。プラズマアニールされた基板が五酸化タンタルである場合、基板の上面に形成された酸窒化タンタルによる隔離により、窒化チタンも酸化のレベルが低減される。
窒化チタン層の固有抵抗を改善するために、膜は、１９９７年２月２８日出願の米国特許出願第０８／８１０，２２１号で発明の名称「半導体ウェハ上への膜の構成」に記載されたように、アニールでき、ここで、窒素、水素、アンモニア、または、その幾つかの組合せのプラズマが、チャンバで点火され、活性化イオンで膜をボンバードする。イオンボンバードの結果、堆積された材料の圧縮が起こり、厚さを２０から５０％減少させることができる。この減少は、ウェハ１８０の温度とプラズマの処理時間とプラズマエネルギに依存する。更に、窒化チタンの層を、引続き堆積させることができ、プラズマアニールが可能で、所望の厚さを持つ拡散バリア膜を得る。
アニールが完了した後に、得られるプラズマアニールされた窒化チタン膜１８２は、多くの改善された特性を示す。酸素含有量は低減され、それによって、酸素が堆積されアニールされた材料の１％未満を構成するようにされる。膜の密度は、３．１立方センチ当りグラム（ｇ／ｃｍ3）未満から約３．９ｇ／ｃｍ3へ増加される。堆積された膜内へ取込まれた炭素の分量は、２５％以上低減され、それにより、炭素は堆積膜の３％を構成する。
膜の構造に変化が生じ、膜の固有抵抗は、処理前レベルのほぼ１０，０００μΩ−ｃｍから１５０μΩ−ｃｍ程度にまで低減される。アニールされた膜が酸素、空気、または水蒸気に曝される場合、酸素は、堆積膜がアニールされない場合よりはるかに少ない程度で吸収される。プラズマアニールは、堆積されたままの膜での炭素と窒素をプラズマからの窒素に置換えさせる。
本発明によると、窒化チタンは、プロセッサ使用の制御ユニットにより制御されるチャンバにおいて堆積できる。図４は、そのような能力で使用できる制御ユニット２００を示す。制御ユニット２００は、全て制御ユニットバス２２５へ結合された、プロセッサユニット２０５、メモリ２１０、大容量記憶装置２２０、入力制御ユニット２７０、および表示ユニット２５０を含む。
プロセッサユニット２０５は、メモリに記憶された命令を実行する能力のあるマイクロプロセッサまたは他のエンジンであってもよい。メモリ２１０は、ハードディスクドライブ、随時書込み読出しメモリ（「ＲＡＭ」）、読出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ＲＡＭとＲＯＭの組合せ、または他のメモリ、で構成できる。メモリ２１０は、本発明により、ウェハ上の基板をプラズマアニールする、耐熱性金属窒化物を堆積し、そして、耐熱性金属窒化物をプラズマアニールするための上記プロセス工程の遂行を具現化するようプロセッサユニット２０５が実行する命令を含む。メモリ２１０における命令は、プログラムコードの形式であってよい。プログラムコードは、幾多の異なるプログラミング言語のいずれか１つに従うことができる。例えば、プログラムコードは、Ｃ＋、Ｃ＋＋、BASIC、Pascal、または数多くの他の言語で書かれてもよい。
大容量記憶装置２２０は、磁気ディスクまたは磁気テープなどのプロセッサの解読可能な記憶媒体から、データおよび命令を記憶し、データおよび命令を取出す。例えば、大容量記憶装置２２０は、ハードディスクドライブ、フロッピディスクドライブ、テープドライブ、光ディスクドライブ、または、コンパクトディスク読出し専用メモリ（「ＣＤ−ＲＯＭ」）ドライブであってもよい。大容量記憶装置２２０は、プロセッサユニット２０５から受取る指示に応答して命令を記憶し、取出す。大容量記憶ユニット２２０により記憶され取出されるデータおよび命令は、基板のプラズマアニール、耐熱性金属窒化物の堆積、耐熱性金属窒化物のプラズマアニールを遂行するために、プロセッサユニット２０５により使用できる。データおよび命令は、最初に媒体から大容量記憶装置２２０により取出すことができて、次に、プロセッサユニット２０５による使用のためにメモリ２１０へ転送できる。
表示ユニット２５０は、プロセッサユニット２０５の制御の下で図形表示と文字数字との形式で情報をチャンバーオペレータへ提供する。入力制御ユニット２７０は、チャンバーオペレータ操作者の入力の受領を提供するよう、キーボード、マウス、または光ペンなどの、データ入力装置を制御ユニット２００へ結合する。
制御ユニットバス２２５は、制御ユニットバス２２５へ結合されている全ての装置間のデータと制御信号の転送を提供する。制御ユニットバス２２５は、制御ユニット２００における装置へ直接接続する単一のバスとして表示されているが、制御ユニット２２５は、バスの集合であってもよい。例えば、プロセッサユニット２０５とメモリ２１０はローカルプロセッサバスへ結合される一方で、表示ユニット２５０、入力制御ユニット２７０、および大容量記憶装置２２０は、入力出力周辺器バスへ結合されて良い。ローカルプロセッサバスと入力出力周辺器バスは相互に結合でき、制御ユニットバス２２５を形成する。
制御ユニット２００は、本発明による、基板のプラズマアニール、耐熱性金属窒化物の堆積、耐熱性金属窒化物のプラズマアニールを遂行するために、図３に示すチャンバのような、チャンバの構成要素へ結合される。チャンバ構成要素の各々は、制御ユニット２００とそれぞれの構成要素との間の通信を具現化する よう制御ユニットバス２２５へ結合できる。図３を参照して示された、これらのチャンバ構成要素は、ガスパネル１４３、抵抗性コイルなどの加熱素子１４１、圧力制御ユニット１４０、信号ソース１３６、および、温度決定装置を含む。
制御ユニット２００は、本発明による、基板のプラズマアニール、耐熱性金属窒化物の堆積、耐熱性金属窒化物のプラズマアニールのプロセス工程に対して上記操作を構成要素に遂行させる信号をチャンバ構成要素へ供給する。制御ユニット２００は、これらのプロセス工程を制御することにおける進行方法を決定するよう、これらの構成要素から信号も受取る。例えば、制御ユニット２００は、温度決定装置１６０から信号を受取り、ウェハの所望の温度を設定するために加熱素子１４１が供給すべき熱の量を決定する。
図５は、メモリ２１０から受取るプログラムコード命令に応答してプロセッサユニット２０５により遂行され得るプロセス工程の順序を示す。本発明による耐熱性金属窒化物膜の形成を開始すると、工程３００で、ウェハ上の露出した基板のプラズマアニールが遂行される。
それに応じて、プロセッサユニット２０５は、耐熱性金属窒化物膜が形成されることになる基板をプラズマアニールさせるよう、プロセッサユニットにチャンバ１３０の構成要素の操作を指示させる命令をメモリ２１０から取出す。例えば、プロセッサユニット２０５は、図１（ｂ）を参照して先に説明したように、基板をプラズマアニールする操作をするよう、圧力制御ユニット１４０、加熱素子１４１、ガスパネル１４３、温度決定装置１６０、および信号ソース１３６、に命令する。
基板のプラズマアニール（工程３００）に続き、堆積工程３０１が行なわれる。堆積工程３０１で、プロセッサユニット２０５は、メモリ２１０から取出された命令を実行する。これらの命令の実行は、図１（ｃ）を参照して説明したように、プラズマアニールされた基板上へ、窒化チタンなどの、耐熱性金属窒化物の層を堆積するよう、チャンバ１３０の構成要素が操作される結果となる。例えば、プロセッサユニット２０５は、図１（ｃ）を参照して上記で説明したように、プラズマアニールされた基板上に耐熱性金属窒化物の層を堆積する操作をするよう、圧力制御ユニット１４０、加熱素子１４１、ガスパネル１４３、および温度決定装置１６０、を制御する。
耐熱性金属窒化物の堆積（工程３０１）が完了した後に、工程３０２で、メモリ２１０から取出された命令が、図１（ｄ）を参照して上記で説明したプラズマアニール手順の１つのような、耐熱性金属窒化物のプラズマアニールをチャンバ１３０の構成要素に遂行させるよう、プロセッサユニット２０５に命令する。プラズマアニールは、窒素、窒素と水素の混合、または窒素、水素、とアルゴンなどの別のガスとの混合でのプラズマアニールを含むことができる。代替として、プラズマアニール工程３０２は、先に説明したように、連続したアニールを実行させることができる。工程３０２でプラズマアニールを遂行することでは、プロセッサユニット２０５は、図１（ｄ）を参照して先に説明したように、耐熱性金属窒化物のプラズマアニールを実行する操作をするよう、圧力制御ユニット１４０、加熱素子１４１、ガスパネル１４３、温度決定装置１６０、および信号ソース１３６、に命令する。
本発明は特定の実施例の実施の形態に関して説明されたが、種々の変形と変更が、先に記載の特許請求の範囲に規定される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、この技術に精通した者によりなされ得ることが理解されよう。

Claims (31)

  1. 材料の層を基板上に形成するための方法であって、
    （ａ）前記基板をイオンでボンバードする工程と、
    （ｂ）前記工程（ａ）に続き、耐熱性金属窒化物の層を前記基板上に堆積する工程と、および
    （ｃ）前記耐熱性金属窒化物の層を第１セットのイオンでボンバードする工程と を含む方法。
  2. 前記工程（ａ）は、
    前記基板を、イオンを含むプラズマへ曝す工程と、および
    前記プラズマからの前記イオンを前記基板へ衝突させるように、前記基板を電気的にバイアスする工程とを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記基板を前記プラズマへ曝す前記工程は、
    ガスを供給する工程と、および
    前記ガスへエネルギーを供給する工程とを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記ガスへエネルギーを供給する前記工程は、
    周波数を有する信号を、前記ウェハの第１側面上の第１電極へ供給する工程を含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記周波数は、３５０から６００キロヘルツの範囲であり、前記信号は、３００から１，２００ワットの範囲の電力を有する、請求項４に記載の方法。
  6. 前記ウェハは、３００℃から４７５℃の範囲の温度に設定される、請求項５に記載の方法。
  7. 前記工程（ａ）は、処理チャンバ内で実行され、前記処理チャンバ内の圧力は、前記工程（ａ）が実行されている間、０．３から１０ Torr の範囲である、請求項１に記載の方法。
  8. 前記ガスは、窒素、水素、およびヘリウムから成る群から選択される少なくとも１つのガスを含む、請求項４に記載の方法。
  9. 前記基板は五酸化タンタルである、請求項８に記載の方法。
  10. 前記基板はポリシリコンである、請求項８に記載の方法。
  11. 前記工程（ａ）、前記工程（ｂ）、および前記工程（ｃ）は全て、単一の処理チャンバ内で、前記工程（ａ）の開始と前記工程（ｃ）の完了との間、前記単一の処理チャンバから前記基板を取り出すことなく実行される、請求項１に記載の方法。
  12. 前記工程（ｂ）は、化学的気相堆積を用いて実行される、請求項１に記載の方法。
  13. 前記耐熱性金属窒化物の層は、有機金属化合物の熱分解により堆積される、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記耐熱性金属窒化物は窒化チタンである、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記工程（ｃ）は、
    前記耐熱性金属窒化物を、前記第１セットのイオンを含むプラズマへ曝す工程と、および
    前記プラズマからの前記第１セットのイオンを前記基板に衝突させるべく前記耐熱性金属窒化物を電気的にバイアスする工程とを含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記耐熱性金属窒化物を前記プラズマへ曝す前記工程は、 ガスを供給する工程と、および
    前記ガスへエネルギーを供給する工程とを含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記ガスへエネルギーを供給する前記工程は、
    周波数を有する信号を、前記ウェハの第１側面上の第１電極へ供給する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記ガスは、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、およびアンモニアから成る群から選択される少なくとも１つのガスを含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記耐熱性金属窒化物は窒化チタンである、請求項１８に記載の方法。
  20. 更に、
    （ｄ）前記工程（ｃ）に続き、前記耐熱性金属窒化物の層を第２セットのイオンでボンバードする工程を含む、請求項１に記載の方法。
  21. 前記工程（ｃ）は、
    前記耐熱性金属窒化物を前記第１セットのイオンを含む第１プラズマへ曝す工程と、および
    前記第１セットのイオンを前記耐熱性金属窒化物の層に衝突させるべく前記耐熱性金属窒化物を電気的にバイアスする工程とを含み、
    前記工程（ｄ）は、
    前記耐熱性金属窒化物を前記第２セットのイオンを含む第２プラズマへ曝す工程と、および
    前記第２セットのイオンを前記耐熱性金属窒化物の層に衝突させるべく前記耐熱性金属窒化物を電気的にバイアスする工程とを含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記耐熱性金属窒化物を前記第１プラズマへ曝す前記工程は、
    第１ガスを供給する工程と、および
    前記第１プラズマを生成するために、前記第１ガスへエネルギーを供給する工程と、を含み、
    前記耐熱性金属窒化物を第２プラズマへ曝す前記工程は、
    第２ガスを供給する工程と、および
    前記第２プラズマを生成するために、前記第２ガスへエネルギーを供給する工程とを含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記第１ガスへエネルギーを供給する前記工程は、
    第１周波数を有する第１信号を前記基板の第１側面上の第１電極へ供給する工程を含み、
    前記第２ガスへエネルギーを供給する前記工程は、
    第２周波数を有する第２信号を、前記ウェハの前記第１側面上の前記第１電極へ供給する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記第１ガスは、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、およびアンモニアから成る群から選択される少なくとも１つのガスを含む、請求項２２に記載の方法。
  25. 前記第２ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、およびアルゴンから成る群から選択される少なくとも１つのガスを含む、請求項２２に記載の方法。
  26. 前記工程（ｂ）は、化学的気相堆積を用いて実行される、請求項２０に記載の方法。
  27. 前記耐熱性金属窒化物の層は、窒化チタンである請求項２６に記載の方法。
  28. 内部に組込まれたプログラムコードを有するプロセッサ可読記憶媒体であって、前記プログラムコードは半導体ウェハ上の基板上への膜の構成中にチャンバを制御し、前記チャンバは、ガスパネル、加熱素子、圧力制御ユニット、および信号ソースを包含し、前記プログラムコードは、
    第１プログラムコードであって、前記ガスパネル、前記加熱素子、前記信号ソース、および前記圧力制御ユニットへ、前記基板をプラズマアニールさせる信号を供給するようプロセッサに命令する第１プログラムコードと、
    第２プログラムコードであって、前記第１プログラムコードに応答して前記基板がプラズマアニールされた後に、前記ガスパネル、前記加熱素子、および前記圧力制御ユニットへ、前記チャンバにおいて前記基板上に耐熱性金属窒化物の層を堆積させる信号を供給するようプロセッサに命令する第２プログラムコードと、
    第３プログラムコードであって、前記ガスパネル、前記加熱素子、前記圧力制御ユニット、および前記信号ソースへ、前記耐熱性金属窒化物の層を初めてプラズマアニールさせる信号を供給するよう前記プロセッサに命令する第３プログラムコードと
    を含むプロセッサ可読記憶媒体。
  29. 前記第１プログラムコードは、前記ガスパネルに、窒素、水素、およびヘリウムから成る群から選択される少なくとも１つのガスを供給させるよう、前記プロセッサに命令する、請求項２８に記載のプロセッサ可読記憶媒体。
  30. 前記プログラムコードは、更に、
    第４プログラムコードを含み、前記第４プログラムコードは、前記ガスパネル、前記加熱素子、前記圧力制御ユニット、および前記信号ソースへ、前記耐熱性金属窒化物の層を第２回目にプラズマアニールさせる信号を供給するよう前記プロセッサに命令する、請求項２９に記載のプロセッサ可読記憶媒体。
  31. 前記第３プログラムコードは、前記ガスパネルに、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、およびアンモニア、から成る群から選択される少なくとも１つのガスを供給させるよう前記プロセッサに命令し、
    前記第４プログラムコードは、前記ガスパネルに、窒素、ヘリウム、ネオン、およびアルゴン、から成る群から選択される少なくとも１つのガスを供給させるよう前記プロセッサに命令する、請求項３０に記載のプロセッサ可読記憶媒体。
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