JP4454675B2 - Method for constructing a metal nitride film on a wafer - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は、集積回路製造の分野を指向するものである。   The present invention is directed to the field of integrated circuit manufacturing.

従来の技術Conventional technology

集積回路を製造する場合、堆積プロセスを用いてウエハの上に絶縁材料や導電材料の薄い層を堆積させる。堆積は、化学気相堆積(CVD)や物理気相堆積(PVDやスパッタリング)等の様々な既知のプロセスによって行われる。   In the manufacture of integrated circuits, a deposition process is used to deposit a thin layer of insulating or conductive material on the wafer. Deposition is performed by various known processes such as chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD or sputtering).

CVDプロセスでは、化学気相堆積チャンバの中にウエハが搬入される。従来からのCVDプロセスでは、反応性のガスをウエハ表面に供給し、そこでは、熱誘起化学反応が生じ、被処理ウエハの表面の上に薄膜層が形成される。CVDの用途には、メタロ有機化合物を含有するプロセスガスから、窒化チタン等のチタン含有化合物をウエハの上に堆積させることが挙げられる。このメタル有機化合物の1つに、以下の構造式を有するテトラキス(ジアルキルアミド)チタン(Ti(NR24)がある。 In a CVD process, a wafer is loaded into a chemical vapor deposition chamber. In a conventional CVD process, a reactive gas is supplied to the wafer surface where a thermally induced chemical reaction occurs and a thin film layer is formed on the surface of the wafer to be processed. CVD applications include depositing titanium-containing compounds, such as titanium nitride, on a wafer from a process gas containing a metallo-organic compound. One such metal organic compound is tetrakis (dialkylamido) titanium (Ti (NR 2 ) 4 ) having the following structural formula.



ここで、Rは、それぞれが別々のものであるが、アルキル基であり、例えば、炭素原子1〜5のアルキル基である。例えば、式Ti(N(CH324を有するテトラキス(ジメチルアミド)チタン(TDMAT)が普通に用いられる。


Here, although each R is a different thing, it is an alkyl group, for example, is a C1-C5 alkyl group. For example, tetrakis (dimethylamido) titanium (TDMAT) having the formula Ti (N (CH 3 ) 2 ) 4 is commonly used.

ヘリウム、アルゴン、窒素又は水素等の不活性ガスがチャンバ内に係る化合物を随伴し、エネルギーが与えられるようにする。このエネルギーは、熱CVDの場合は熱源により、プラズマ励起CVDの場合は高周波(RF)シグナル源により、発生させることができる。エネルギーが与えられた気相化合物は、ウエハ表面と反応して、物質の薄い層をウエハの上に生成する。TDMATの気相化合物を用いる場合は、ウエハ表面に窒化チタン膜が生成する。   An inert gas, such as helium, argon, nitrogen, or hydrogen, entrains the compound in the chamber and provides energy. This energy can be generated by a heat source in the case of thermal CVD and by a radio frequency (RF) signal source in the case of plasma enhanced CVD. The energized gas phase compound reacts with the wafer surface to produce a thin layer of material on the wafer. When a TDMAT gas phase compound is used, a titanium nitride film is formed on the wafer surface.

スパッタリングプロセスでは、物理気相堆積(PVD)チャンバ内にウエハを配置させ、アルゴン等のガスでチャンバを満たす。チャンバ内に電界を発生することにより、正荷電イオンを有するプラズマがこのガスから生成する。正荷電イオンは加速されて、チャンバ内に設置されているターゲットに衝突する。これにより、ターゲットからターゲット材料の原子が分離してウエハに堆積し、ウエハ表面にターゲット材料の層を形成する。   In a sputtering process, a wafer is placed in a physical vapor deposition (PVD) chamber and the chamber is filled with a gas such as argon. A plasma with positively charged ions is generated from this gas by generating an electric field in the chamber. The positively charged ions are accelerated and collide with a target installed in the chamber. Thereby, atoms of the target material are separated from the target and deposited on the wafer, and a layer of the target material is formed on the wafer surface.

従来からのスパッタリングプロセスでは、正荷電イオンによるターゲット材料の衝突は、ターゲット材料に負のバイアスを与えることにより増強される。これは、ターゲット材料を支持している電極に高周波シグナルを与えることにより実現される。   In conventional sputtering processes, target material impact by positively charged ions is enhanced by applying a negative bias to the target material. This is realized by giving a high frequency signal to the electrode supporting the target material.

高密度プラズマPVDチャンバ内に正荷電イオンを発生させるため、別個のRFシグナルをチャンバに誘導結合させてもよい。高密度プラズマPVDチャンバは、ターゲット材料のウエハへの誘引を向上するため、ウエハ支持体に結合した別のRFシグナルを有していてもよい。   A separate RF signal may be inductively coupled to the chamber to generate positively charged ions in the high density plasma PVD chamber. The high density plasma PVD chamber may have another RF signal coupled to the wafer support to improve the attraction of the target material to the wafer.

CVDチャンバやPVDチャンバ等の堆積チャンバを用いて、集積回路に拡散バリアを堆積させてもよい。拡散バリアは、アルミニウムや銅等のコンタクトメタルが、シリコン基板の上に構築した半導体デバイスのアクティブ領域に拡散することを防止する。これにより、基板内へのコンタクトメタルの相互拡散が防止される。材料の絶縁層とは異なり、拡散バリアは、電流を流すことができる導電性の経路を成す。例えば、拡散バリアを用いて、コンタクトホールのベースにおいてシリコン基板の上を覆うとこもできる。   A diffusion barrier may be deposited on the integrated circuit using a deposition chamber such as a CVD chamber or a PVD chamber. The diffusion barrier prevents contact metal such as aluminum or copper from diffusing into the active region of a semiconductor device built on a silicon substrate. This prevents interdiffusion of contact metal into the substrate. Unlike the insulating layer of material, the diffusion barrier provides a conductive path through which current can flow. For example, a diffusion barrier can be used to cover the top of the silicon substrate at the base of the contact hole.

集積回路の温度が450℃を越えれば、コンタクトメタルとシリコン基板の間にひどい相互拡散の発生が開始することがある。相互拡散を発生させるままにすれば、コンタクトメタルがシリコン基板内に浸透してしまう。これにより、集積回路内にオープンコンタクトが発生し、集積回路が欠陥を有するようになる。   If the temperature of the integrated circuit exceeds 450 ° C., severe interdiffusion may begin to occur between the contact metal and the silicon substrate. If interdiffusion is left to occur, the contact metal will penetrate into the silicon substrate. As a result, an open contact occurs in the integrated circuit, and the integrated circuit becomes defective.

集積回路の製造においては、450℃を越える高温で操作がなされるアルミニウム及び銅のメタライゼーションプロセスを用いることが多かった。従って、拡散バリアは、アルミニウムや銅等のコンタクトメタルの拡散を防止する強力な能力を有していることが望ましい。   In the manufacture of integrated circuits, aluminum and copper metallization processes are often used that operate at high temperatures in excess of 450 ° C. Therefore, it is desirable that the diffusion barrier has a strong ability to prevent diffusion of contact metals such as aluminum and copper.

従来では、この要望をかなえるため、拡散バリアをより厚くしていた。しかし、集積回路の製造では、幾何関係をより小さくするようになってきた。幾何関係を小さくすることにより、コンタクトホールの寸法も小さくなり、そのため、核酸バリアはより薄く且つより共形になることが望ましくなってきた。   Conventionally, in order to meet this demand, the diffusion barrier has been made thicker. However, in the manufacture of integrated circuits, geometric relationships have become smaller. By reducing the geometric relationship, the size of the contact hole is also reduced, which makes it desirable for the nucleic acid barrier to be thinner and more conformal.

図1は、シリコン基板101の導電領域105とコンタクトプラグ102との間にある拡散バリア100を例示する。基板101の上にある二酸化珪素等の材料の絶縁層104に、コンタクトホール103が形成されている。拡散バリア100を理想的に形成するためには、これを薄く、且つ、コンタクトホール103の表面の等高線に実質的に共形となるようにする。   FIG. 1 illustrates a diffusion barrier 100 between a conductive region 105 of a silicon substrate 101 and a contact plug 102. A contact hole 103 is formed in an insulating layer 104 made of a material such as silicon dioxide on the substrate 101. In order to ideally form the diffusion barrier 100, it is made thin and substantially conformal to the contour lines on the surface of the contact hole 103.

拡散バリア100が薄く且つ共形度が高い場合は、コンタクトメタル102は、シリコン基板の導電領域105と十分な導電性を有するオーミックコンタクトを形成することができる。拡散バリア100が厚すぎる場合又は図2に示されるようにうまく形成されない場合は、コンタクトメタル102が基板領域105と十分な導電性を有するオーミックコンタクトを形成できなくなるだろう。   When the diffusion barrier 100 is thin and the conformality is high, the contact metal 102 can form an ohmic contact having sufficient conductivity with the conductive region 105 of the silicon substrate. If the diffusion barrier 100 is too thick or does not form well as shown in FIG. 2, the contact metal 102 will not be able to form an ohmic contact with sufficient conductivity with the substrate region 105.

図2では、うまく形成されない拡散バリア100がコンタクトホール103の開口をひどく狭めてしまう。開口が狭くなることにより、コンタクトメタル102が形成される際、コンタクトホール103のベースに到達できなくなる。その結果、ボイド106が発生する。   In FIG. 2, the diffusion barrier 100 that is not well formed severely narrows the opening of the contact hole 103. The narrow opening makes it impossible to reach the base of the contact hole 103 when the contact metal 102 is formed. As a result, a void 106 is generated.

コンタクトメタル102と基板領域105の間に良好なオーミックコンタクトを確保するため、拡散バリア100の抵抗を最小にすることが望ましい。代表的には、抵抗率の値は、1000μΩ−cm以下が許容される。拡散バリアとして用いることに成功した材料の1つは、窒化チタン(TiN)である。   In order to ensure a good ohmic contact between the contact metal 102 and the substrate region 105, it is desirable to minimize the resistance of the diffusion barrier 100. Typically, a resistivity value of 1000 μΩ-cm or less is allowed. One material that has been successfully used as a diffusion barrier is titanium nitride (TiN).

しかし、例えばTDMAT等、堆積プロセスによっては、抵抗率の高い不安定なバリア層を与えてしまう。TDMATの場合では、堆積したバリア材料の大きな部分が炭素から構成されている(炭化水素、カーバイド等)ことが、その原因の一部である。更に、チタンは、化学反応性のメタルであるが、膜と完全に反応しきってしまうわけではない。このようなバリア材料の層を堆積後処理してやることにより、抵抗率を下げ安定化させることが望ましい。   However, some deposition processes, such as TDMAT, provide an unstable barrier layer with high resistivity. In the case of TDMAT, one of the causes is that a large part of the deposited barrier material is composed of carbon (hydrocarbon, carbide, etc.). Furthermore, titanium is a chemically reactive metal, but does not completely react with the film. It is desirable to reduce and stabilize the resistivity by treating such a layer of barrier material after deposition.

集積回路の製造においては、堆積と堆積後処理、のように、連続する製造プロセスのステップを同じチャンバ内で行う(「インシチュウ」)ことが望ましい。インシチュウ操作により、ウエハが別々の製造装置間を移送することが必要な回数を減らすことにより、ウエハをさらす汚染の量を減らす。また、インシチュウ操作により、半導体製造者が購入し保守をする必要がある高価な製造装置の数を減らすことにもつながる。   In the manufacture of integrated circuits, it is desirable to perform successive manufacturing process steps ("in situ") in the same chamber, such as deposition and post-deposition processing. The in-situ operation reduces the amount of contamination that exposes the wafer by reducing the number of times that the wafer needs to be transferred between separate manufacturing equipment. In-situ operation also reduces the number of expensive manufacturing equipment that a semiconductor manufacturer needs to purchase and maintain.

従って、アルミニウムや銅等のコンタクトメタルの拡散を抑止する能力を高めた、共形性が高く薄い拡散バリアを構築することが望ましい。更に、この拡散バリアが、電流の導通のための良好な経路を成すような抵抗を有するようにすることが望ましい。また、この拡散バリアをインシチュウで構築することが望ましい。   Therefore, it is desirable to construct a thin, highly conformal diffusion barrier with enhanced ability to inhibit the diffusion of contact metals such as aluminum and copper. It is further desirable that the diffusion barrier has a resistance that provides a good path for current conduction. It is also desirable to construct this diffusion barrier in situ.

本発明に従った装置及び方法は、抵抗率が改善された、共形性の高い拡散バリアの、インシチュウによる構築を遂行することを提供する。本発明の態様を実施することにより、アルミニウムや銅等のコンタクトメタルの拡散を防止する拡散バリアの能力を、向上させることができる。このように拡散バリアの向上を行っても、その厚さや抵抗率は、許容限度を越えて大きくなることはない。   The apparatus and method according to the present invention provide for performing in situ construction of highly conformal diffusion barriers with improved resistivity. By implementing the embodiments of the present invention, the ability of the diffusion barrier to prevent the diffusion of contact metals such as aluminum and copper can be improved. Even if the diffusion barrier is improved in this way, its thickness and resistivity do not increase beyond the allowable limit.

本発明の具体例を実施することができる半導体処理装置は、処理チャンバと、シャワーヘッドと、ウエハ支持体と、RFシグナル手段とを有していてもよい。本発明の具体例の1つでは、半導体ウエハ処理装置は化学気相堆積を行うことができるものである。   A semiconductor processing apparatus capable of implementing embodiments of the present invention may include a processing chamber, a showerhead, a wafer support, and RF signal means. In one embodiment of the present invention, the semiconductor wafer processing apparatus is capable of performing chemical vapor deposition.

シャワーヘッドを具備することにより、処理チャンバ内にガスを供給する。ウエハ支持体は、処理チャンバ内でウエハを支持するために具備される。シャワーヘッドに第1のRFシグナルを供給しまたウエハ支持体に第2のRFシグナルを供給するために、RFシグナル手段がシャワーヘッドとウエハ支持体の両方に結合していてもよい。あるいは、RFシグナル手段は、ウエハ支持体にRFシグナルを供給するためにウエハ支持体だけに結合していてもよい。   By providing a shower head, gas is supplied into the processing chamber. A wafer support is provided for supporting the wafer within the processing chamber. RF signal means may be coupled to both the showerhead and the wafer support to provide a first RF signal to the showerhead and a second RF signal to the wafer support. Alternatively, the RF signal means may be coupled only to the wafer support to provide an RF signal to the wafer support.

ウエハ支持体は、支持アームによって、処理チャンバ内に支持されている。支持アームは、RFシグナル手段をウエハ支持体に結合させる。また、ウエハ支持体の温度を測定するため、支持アームは、ウエハ支持体内に収容された熱電対を温度測定装置に結合させる。熱電対は、RFシグナル手段から電気的に絶縁される。   The wafer support is supported in the processing chamber by a support arm. The support arm couples the RF signal means to the wafer support. Further, in order to measure the temperature of the wafer support, the support arm couples a thermocouple housed in the wafer support to the temperature measurement device. The thermocouple is electrically isolated from the RF signal means.

本発明の態様を実施する場合は、ウエハ上に膜を構築してもよい。第1に、材料の層をウエハの上に堆積させる。この材料は、2種原子の窒化メタル(Mxy)又は3種原子の窒化珪化メタル(MxSiyz)であってもよい(Mは、チタンTi、ジルコニウムZr、ハフニウムHf、タンタルTa、モリブデンMo、タングステンW又はその他のメタルであってもよい。)。この材料の堆積操作は、化学気相堆積や物理気相堆積等、様々な手段で遂行することができる。 When practicing aspects of the present invention, a film may be built on the wafer. First, a layer of material is deposited on the wafer. This material may be a diatomic metal nitride (M x N y ) or a triatomic metal nitride silicide (M x Si y N z ), where M is titanium Ti, zirconium Zr, hafnium Hf, Tantalum Ta, molybdenum Mo, tungsten W, or other metals may be used.) This material deposition operation can be accomplished by various means such as chemical vapor deposition or physical vapor deposition.

材料の堆積後、この材料の層の抵抗率を低減するため、材料をプラズマアニールする。このプラズマアニールは、イオンを有する環境下にこの材料を曝露する工程と、この材料の層に電気的バイアスを与えて、イオンがこの材料に衝撃を与えるようにする工程とを有していてもよい。   After the material is deposited, the material is plasma annealed to reduce the resistivity of the layer of material. The plasma anneal may include exposing the material to an environment with ions and applying an electrical bias to the layer of material to cause the ions to bombard the material. Good.

あるいは、アニールは、異なるガスを用いて連続的に行う多数のアニールステップから成っていてもよい。例えば、第1のアニールのステップには、窒素と水素の混合ガスを用い、また、次のアニールのステップでは、窒素とヘリウムの混合ガスを用いてもよい。この後の方のアニールのステップでは、材料から水素分子を除去して、抵抗率を低減する。   Alternatively, the annealing may consist of a number of annealing steps performed sequentially using different gases. For example, a mixed gas of nitrogen and hydrogen may be used in the first annealing step, and a mixed gas of nitrogen and helium may be used in the next annealing step. In this later annealing step, hydrogen molecules are removed from the material to reduce the resistivity.

アニールが完了すれば、材料の層を酸化してもよい。この酸化により、アルミニウム等のコンタクトメタルの拡散をこの材料が抑止する能力が高められる。あるいは、アニールを施した材料の層をシランガスに曝露することにより、銅等の等のコンタクトメタルの拡散をこの材料が抑止する能力が高められる。   Once the annealing is complete, the layer of material may be oxidized. This oxidation increases the ability of this material to inhibit the diffusion of contact metals such as aluminum. Alternatively, exposing the annealed material layer to silane gas increases the ability of the material to inhibit the diffusion of contact metals such as copper.

本発明に従い、堆積、アニール及び酸化若しくはシラン曝露の全てを、これら3つ全ての操作が完了する前にウエハをチャンバから取り出すことなく、1つのチャンバ内で行うことができる。従って、材料に対しての堆積、アニール及び酸化若しくはシラン曝露を、インシチュウで行うことができる。   In accordance with the present invention, deposition, annealing and oxidation or silane exposure can all be performed in one chamber without removing the wafer from the chamber before all three operations are complete. Thus, deposition, annealing and oxidation or silane exposure to the material can be performed in situ.

発明の実施の形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(A.ウエハ処理のためのチャンバ)
(1.概説)図3(a)及び3(b)を組み合わせて、従来のCVDチャンバ10が示される。CVDチャンバ10は、処理チャンバ12を有しており、この中でサセプタ等のウエハ支持体16によりウエハ14が支持される。ウエハ支持体16は円形のディスク18により支持され、このディスクは典型的には、アルミナセラミック等の材料でできている。ディスク18は、支持アーム22の自由端20の上に載っている。支持アーム22はステム26に取り付けられているその固定端24とともにカンチレバーをなす。ステム26は、変位機構28の動きの下で、垂直変位が可能である。変位機構28を動作させて、支持アーム20を処理チャンバ12内で垂直に運動させる。
(A. Chamber for wafer processing)
1. Overview A conventional CVD chamber 10 is shown in combination with FIGS. 3 (a) and 3 (b). The CVD chamber 10 has a processing chamber 12 in which a wafer 14 is supported by a wafer support 16 such as a susceptor. Wafer support 16 is supported by a circular disk 18, which is typically made of a material such as alumina ceramic. The disk 18 rests on the free end 20 of the support arm 22. The support arm 22 forms a cantilever with its fixed end 24 attached to the stem 26. The stem 26 can be vertically displaced under the movement of the displacement mechanism 28. The displacement mechanism 28 is operated to move the support arm 20 vertically within the processing chamber 12.

ウエハ14の処理の間、シャワーヘッド36を介してガスを処理チャンバ12内に注入する。シャワーヘッド36は、典型的な態様ではウエハ14の真上に載置されている。   During processing of the wafer 14, gas is injected into the processing chamber 12 via the showerhead 36. The shower head 36 is mounted directly on the wafer 14 in a typical embodiment.

動作の際は、CVDチャンバ10の下に設置されている1組の赤外ランプ30により処理チャンバ12の内部が加熱される。ランプ30は、クオーツウィンドウ32を介して処理チャンバの内部を照射するが、このウィンドウ32はランプ30と処理チャンバ12の内部との間に配置される。ランプ30は、処理チャンバ12とウエハ支持体16の両方を加熱する働きをする。その結果、ウエハ支持体16上のウエハ14も加熱される。   In operation, the interior of the processing chamber 12 is heated by a set of infrared lamps 30 installed below the CVD chamber 10. The lamp 30 illuminates the interior of the processing chamber via a quartz window 32, which is positioned between the lamp 30 and the interior of the processing chamber 12. The lamp 30 serves to heat both the processing chamber 12 and the wafer support 16. As a result, the wafer 14 on the wafer support 16 is also heated.

ウエハ支持体16の加熱を高めるため、図3(b)に示されるように、セラミック支持板18には、数多くのホール(穴)34が貫通して形成される。図3(b)に示されるホール34の典型的な配置により、何故このプレート18がしばしば「スイスチーズ」プレートと呼ばれるかが明らかになる。   In order to increase the heating of the wafer support 16, a large number of holes 34 are formed through the ceramic support plate 18 as shown in FIG. The typical arrangement of holes 34 shown in FIG. 3 (b) makes it clear why this plate 18 is often referred to as a “Swiss cheese” plate.

熱CVDウエハ処理は、ウエハ温度に非常に敏感である。ウエハが適切な温度に維持されることを確保するため、ウエハ温度が熱電対38により測定される。熱電対38は支持アーム22の自由端20で支持され、ウエハ支持体16の本体の中に設置される。導電ケーブル42によって熱電対38が、処理チャンバ12の外側に設置される温度測定装置40につなげられる。ケーブル42は典型的には、支持アーム22の中心内部に形成される孔に沿って走っている。   Thermal CVD wafer processing is very sensitive to wafer temperature. To ensure that the wafer is maintained at an appropriate temperature, the wafer temperature is measured by thermocouple 38. The thermocouple 38 is supported by the free end 20 of the support arm 22 and is installed in the main body of the wafer support 16. A thermocouple 38 is connected to a temperature measuring device 40 installed outside the processing chamber 12 by a conductive cable 42. The cable 42 typically runs along a hole formed within the center of the support arm 22.

図4は、集積回路を含むウエハの製造を遂行するために適したマルチチャンバ真空システムを示す。チャンバAは、集積回路を形成しようとする基板のプレクリーニングのためのものである。プレクリーニングの後、基板の上に膜を堆積させることができるよう、基板はCVDチャンバBに移送される。そして、基板は、堆積膜の品質向上のため、堆積後処理チャンバCに移送される。   FIG. 4 illustrates a multi-chamber vacuum system suitable for performing the manufacture of wafers containing integrated circuits. Chamber A is for pre-cleaning a substrate on which an integrated circuit is to be formed. After pre-cleaning, the substrate is transferred to the CVD chamber B so that a film can be deposited on the substrate. Then, the substrate is transferred to the post-deposition processing chamber C in order to improve the quality of the deposited film.

拡散バリアのように膜動作を向上させる物質を膜に「詰める(スタッフする)」ことが望ましい場合は、基板を、この「詰め(スタッフィング)」を行うことができるチャンバDに移送してもよい。例えば、膜は窒化チタン材料の層であってもよく、これには酸素が詰められ、膜のアルミニウムに対する拡散性が低減される。窒化チタンバリア層に酸素を詰める事は、 Ngan らの米国特許第5,378,660号、標題「バリア層及びアルミニウムコンタクト」に開示されている。   If it is desirable to “stuff” the membrane with a material that improves membrane operation, such as a diffusion barrier, the substrate may be transferred to chamber D where this “stuffing” can be performed. . For example, the film may be a layer of titanium nitride material, which is filled with oxygen, reducing the diffusibility of the film to aluminum. Filling the titanium nitride barrier layer with oxygen is disclosed in US Pat. No. 5,378,660, Ngan et al., Entitled “Barrier Layers and Aluminum Contacts”.

上述のシステムのいずれを用いても、本発明の態様を実施することができる。しかし、これらいずれのシステムも、ウエハ上への材料の堆積と材料への堆積後処理を行って膜を形成することを、1つのチャンバ内で行う能力を与えるものではない。この堆積後処理には、アニール、酸化、珪素への曝露又はこれらの組み合わせが含まれていることもある。   Any of the systems described above can be used to implement aspects of the present invention. However, none of these systems provide the ability to perform deposition in a single chamber by performing material deposition on the wafer and post-deposition processing on the material to form a film. This post-deposition treatment may include annealing, oxidation, exposure to silicon, or a combination thereof.

(2.インシチュウ操作のためのチャンバ)図5は、本発明に従った半導体ウエハ処理チャンバ110Aを例示する。ウエハ処理チャンバ110Aは、半導体ウエハ114に対して、一連の堆積のステップと堆積後処理のステップとをインシチュウで行うことを提供する。本発明に従い、図5に示されたチャンバ110Aは、米国特許出願08/567,461号及び08/677,185号に詳細が記載されるような化学気相堆積チャンバであってもよい。   2. Chamber for In-Situ Operation FIG. 5 illustrates a semiconductor wafer processing chamber 110A according to the present invention. The wafer processing chamber 110A provides a series of deposition steps and post-deposition processing steps performed in-situ on the semiconductor wafer 114. In accordance with the present invention, the chamber 110A shown in FIG. 5 may be a chemical vapor deposition chamber as described in detail in US patent application Ser. Nos. 08 / 567,461 and 08 / 677,185.

ウエハ処理チャンバ110Aは本発明に従い、材料の堆積及び処理を行うために多数のチャンバを用いる必要を排除する。例えば、ウエハ処理チャンバ110Aを用い、ウエハの上に材料を堆積させこの堆積材料をアニールして安定化させ抵抗を低減することにより、ウエハの上に膜を形成してもよい。その結果、膜の形成中に、チャンバ110Aの外部にあるダメージを与えるような不純物にウエハがさらされることはない。   Wafer processing chamber 110A, in accordance with the present invention, eliminates the need to use multiple chambers for material deposition and processing. For example, a film may be formed on the wafer using the wafer processing chamber 110A by depositing material on the wafer and annealing the deposited material to stabilize and reduce resistance. As a result, the wafer is not exposed to damaging impurities outside the chamber 110A during film formation.

図5に示されるように、半導体ウエハ処理チャンバ110Aは、アースにつながっている処理チャンバを有している。処理チャンバ112内では、半導体ウエハ114は、ウエハ支持体116の上に支持されていてもよく、これは、図3(a)及び3(b)に示されるようなウエハ支持体16と同じであってもよい。ウエハ支持体116は、サセプタ、ペデスタル、抵抗ヒータ、又はその他のウエハ114を支持するに適した手段であってもよい。   As shown in FIG. 5, the semiconductor wafer processing chamber 110A has a processing chamber connected to ground. Within the processing chamber 112, the semiconductor wafer 114 may be supported on a wafer support 116, which is the same as the wafer support 16 as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). There may be. The wafer support 116 may be a susceptor, pedestal, resistance heater, or other means suitable for supporting the wafer 114.

図5では、ウエハ支持体116はサセプタであり、これは、ランプを用いてウエハ支持体116を照射する場合にしばしば用いられるタイプのウエハ支持体である。このサセプタは、陽極酸化アルミニウム製であり、図3(b)の支持プレート18と同様の、従来からのアルミナセラミック支持プレート118である。   In FIG. 5, the wafer support 116 is a susceptor, which is a type of wafer support often used when irradiating the wafer support 116 with a lamp. This susceptor is made of anodized aluminum and is a conventional alumina ceramic support plate 118 similar to the support plate 18 of FIG.

支持プレート118とウエハ支持体116とウエハ114とは一緒に、カンチレバーのアルミナ支持アーム122の自由端120の上に支持されている。支持アーム122の固定端124は、略垂直に運動可能であるステム126に載置され、このステムはアイソレータ160により処理チャンバから電気的に絶縁されている。この垂直方向に可動であるステム126は、変位機構128の動きの下で、垂直に変位することができる。   The support plate 118, wafer support 116, and wafer 114 are supported together on the free end 120 of the cantilever alumina support arm 122. The fixed end 124 of the support arm 122 rests on a stem 126 that can move substantially vertically, which is electrically isolated from the processing chamber by an isolator 160. This vertically movable stem 126 can be displaced vertically under the movement of the displacement mechanism 128.

処理チャンバ112及びその内容物は、従来形のランプ130によって加熱され、このランプは、従来形のクオーツウィンドウ132を介してウエハ支持体116に照射する。半導体ウエハ処理チャンバ110Aは更に、温度測定装置140を有している。温度測定装置はウエハ支持体116につながっており、ウエハ支持体116の温度を感知する。圧力制御ユニット157には、真空ポンプ、圧力ゲージ及び圧力調整弁の全てが含まれている。圧力制御ユニット157は、処理チャンバ112内の圧力を調整し、処理チャンバ112からキャリアガスと反応副生成物の両方を排出する。   The processing chamber 112 and its contents are heated by a conventional lamp 130 that irradiates the wafer support 116 through a conventional quartz window 132. The semiconductor wafer processing chamber 110A further includes a temperature measuring device 140. The temperature measuring device is connected to the wafer support 116 and senses the temperature of the wafer support 116. The pressure control unit 157 includes all of a vacuum pump, a pressure gauge, and a pressure regulating valve. The pressure control unit 157 adjusts the pressure in the processing chamber 112 and discharges both carrier gas and reaction by-products from the processing chamber 112.

処理チャンバ112内のウエハ支持体116の上方には、シャワーヘッド136が配置され、これはアイソレータ159によってチャンバから電気的に絶縁されている。シャワーヘッド136には、ガスパネル52からプロセスガスが供給される。ガスパネル52は、コンピュータの形態のガスパネルコントローラ50によって制御される。   A showerhead 136 is disposed above the wafer support 116 in the processing chamber 112 and is electrically isolated from the chamber by an isolator 159. A process gas is supplied from the gas panel 52 to the shower head 136. The gas panel 52 is controlled by a gas panel controller 50 in the form of a computer.

堆積後アニールを行うため、半導体ウエハ処理チャンバ110Aは、RFソース142を有している。RFソース142はRF電力を、第1の電極として機能するシャワーヘッド136と、第2の電極として機能するウエハ支持体116に印加する。RFソース142は、1MHz未満の周波数を有するシグナルを与える能力を有し、好ましくは周波数350kHzであるシグナルを与える能力を有している。RFシグナルを2つの電極136及び116に与えることにより、他の従来形の半導体ウエハ処理チャンバ、例えばPVDチャンバ等において2つの電極にRFシグナルを与える場合には存在しないような難問を克服する。   The semiconductor wafer processing chamber 110A has an RF source 142 for post-deposition annealing. The RF source 142 applies RF power to the showerhead 136 that functions as the first electrode and the wafer support 116 that functions as the second electrode. The RF source 142 has the ability to provide a signal having a frequency less than 1 MHz, and preferably has the ability to provide a signal having a frequency of 350 kHz. Providing the RF signal to the two electrodes 136 and 116 overcomes the difficulties that do not exist when providing RF signals to the two electrodes in other conventional semiconductor wafer processing chambers, such as PVD chambers.

本発明の具体例では、シャワーヘッド136への過剰な負バイアスの印加を防止するこことが可能である。シャワーヘッド136に過剰な負バイアスが与えられれば、シャワーヘッド136のイオン衝突が増大し、その結果、汚染粒子が発生するようになる。   In the embodiment of the present invention, it is possible to prevent an excessive negative bias from being applied to the shower head 136. If an excessive negative bias is applied to the shower head 136, ion collision of the shower head 136 increases, and as a result, contaminant particles are generated.

従来形のPVDチャンバでは、ターゲット電極のイオン衝突の量が大きいことが望ましい。従来形のPVDチャンバでは、ターゲット電極が、堆積しようとする材料のターゲットを支持している。このターゲット電極は大きな負バイアスが与えられているため、イオンはターゲット材料と直ちに衝突し、ターゲット材料を堆積させる。   In conventional PVD chambers, it is desirable that the amount of ion bombardment of the target electrode be large. In conventional PVD chambers, a target electrode supports a target of the material to be deposited. Since the target electrode is given a large negative bias, the ions immediately collide with the target material and deposit the target material.

更に、従来からのスパッタリングプロセスにおいて、ウエハ支持体に負バイアスを与える事と、ウエハ温度を制御する事は、典型的な場合ではさほど重要ではない。このことは、本発明の具体例においては真実ではない。ウエハ支持体116への負バイアスを制御することは、ウエハ114へ向かうイオン流束を最適レベルとするために望ましい。ウエハ114の温度を正確に設定することは、堆積と、堆積材料の堆積後処理の両方を行うために望ましい。   Further, in a conventional sputtering process, it is not so important in the typical case to apply a negative bias to the wafer support and to control the wafer temperature. This is not true in the embodiments of the present invention. Controlling the negative bias on the wafer support 116 is desirable to optimize the ion flux towards the wafer 114. Setting the temperature of the wafer 114 accurately is desirable for both deposition and post-deposition processing of the deposited material.

従って、ウエハ支持体116は、RFソース142につながっている機能と、熱電対温度感知機構(図示せず)を収容する機能の、2つの機能を与える。RFソース142は、ウエハ支持体116への負バイアス供給を制御し、熱電対はウエハ114の温度をモニタする。   Accordingly, the wafer support 116 provides two functions: the function connected to the RF source 142 and the function of accommodating a thermocouple temperature sensing mechanism (not shown). The RF source 142 controls the negative bias supply to the wafer support 116 and the thermocouple monitors the temperature of the wafer 114.

正確なウエハ温度読み出しを得るため、熱電対シグナルからRFソースシグナルを絶縁するようにウエハ支持体116及び支持アーム122が設計される。この絶縁により、熱電対シグナルとRFソースシグナルの両方とも、チャンバ110Aの中で適正に伝達されるため、ウエハ114には適正にバイアスが与えられ、且つ適正に加熱される。ウエハ支持アーム122の詳細は、図6〜14を参照して以下に説明される。   To obtain an accurate wafer temperature readout, the wafer support 116 and support arm 122 are designed to isolate the RF source signal from the thermocouple signal. Because of this isolation, both the thermocouple signal and the RF source signal are properly transmitted in the chamber 110A, so that the wafer 114 is properly biased and properly heated. Details of the wafer support arm 122 will be described below with reference to FIGS.

(3.ウエハ支持アーム)図6〜9(b)を概略的に参照すれば、ウエハ114がウエハ支持体116の上に支持されており、このウエハ支持体自体は、従来からの「スイスチーズ」アルミナセラミック支持板118に支持されている。薄いクオーツプレート119が、支持板118とウエハ支持体116の間に配置されている。クオーツは、支持板116とウエハ処理チャンバ110A内の他の部品との間のアーク発生を防止する。クオーツプレート119は、ランプ130によって与えられるエネルギーを放射するため、透明である。これにより、ランプ130はウエハ支持体116を速く加熱できるようになる。   (3. Wafer Support Arm) Referring to FIGS. 6-9 (b) schematically, a wafer 114 is supported on a wafer support 116, which is a conventional "Swiss cheese". It is supported on an alumina ceramic support plate 118. A thin quartz plate 119 is disposed between the support plate 118 and the wafer support 116. The quartz prevents arcing between the support plate 116 and other parts in the wafer processing chamber 110A. The quartz plate 119 is transparent to radiate the energy provided by the lamp 130. This allows the lamp 130 to heat the wafer support 116 quickly.

ウエハ支持体116は、クオーツシールド150によって取り囲まれている。クオーツシールド150は、アルミナ支持板118の上に置かれており(図7に部分的に示される)、ウエハ支持体116の上方に伸び、ウエハ支持体116とウエハ114の両方がその中に存在するウエハ受容ポケットを画成する。ウエハ114をウエハ支持体116から出し入れする際にウエハ114を容易に受容できるよう、クオーツシールド150の上エッジは外側に向かう方に面取りがされている。クオーツシールド150は、ウエハ支持体116のエッジがアーク誘発する事を防止する重要な機能を有している。   Wafer support 116 is surrounded by quartz shield 150. Quartz shield 150 is placed on alumina support plate 118 (partially shown in FIG. 7) and extends above wafer support 116 with both wafer support 116 and wafer 114 present therein. A wafer receiving pocket is defined. The upper edge of the quartz shield 150 is chamfered outward so that the wafer 114 can be easily received when the wafer 114 is taken in and out of the wafer support 116. The quartz shield 150 has an important function of preventing the edge of the wafer support 116 from causing an arc.

処理においては、ウエハ支持体116内に設置した熱電対152によりウエハ支持体116の温度を測定する。熱電対152は、ウエハ支持体116の本体の中にぴったりとフィットするアルミナ窒化物シース154の中に設置される。シース154は、熱電対152とウエハ支持体116の本体との間を電気的に絶縁する。シース154は、電気抵抗が高いが、良好な熱伝導体である。シース154は熱容量が低いため、熱的慣性が低く、このため、熱電対152と共に用いることが適している。更に、シース154は、処理チャンバ112の処理環境の中で化学的に安定である。   In the processing, the temperature of the wafer support 116 is measured by a thermocouple 152 installed in the wafer support 116. Thermocouple 152 is placed in an alumina nitride sheath 154 that fits snugly within the body of wafer support 116. The sheath 154 electrically insulates between the thermocouple 152 and the main body of the wafer support 116. The sheath 154 has a high electrical resistance but is a good heat conductor. Since the sheath 154 has a low heat capacity, it has low thermal inertia and is therefore suitable for use with the thermocouple 152. Further, the sheath 154 is chemically stable within the processing environment of the processing chamber 112.

熱電対152は、導電ケーブル156により温度測定装置140に接続される。以下に述べていくように、ケーブル156は、支持アーム122の中心部分に沿って通過し、処理チャンバ112の中であらゆる高周波エネルギーから電気的に絶縁される。   The thermocouple 152 is connected to the temperature measuring device 140 by a conductive cable 156. As will be described below, the cable 156 passes along the central portion of the support arm 122 and is electrically isolated from any high frequency energy within the processing chamber 112.

熱電対152は、導電ケーブル156にクリンプしたニッケル小球158によって適所に配置される。球158は、キー状のセラミック保持部品162に形成されたスロット160の中に保持される。キー状保持部品162は、ウエハ支持体116の下側の中央突起スタブ166に形成されたグルーブ164の中に鍵状に嵌合する。この構成により、ウエハ支持体116が支持アーム122から離されれば、熱電対152を比較的容易に取り出し交換することができることが確保される。上述の構成により、熱電対をウエハ支持体116の本体の中に適所にしっかりと保持しつつ、ウエハ支持体116と熱電対152の間の電気絶縁を維持することが、確保される。   Thermocouple 152 is placed in place by nickel spheres 158 crimped to conductive cable 156. The sphere 158 is held in a slot 160 formed in the key-shaped ceramic holding part 162. The key-shaped holding component 162 fits in a key shape in a groove 164 formed in the central projection stub 166 on the lower side of the wafer support 116. This arrangement ensures that the thermocouple 152 can be removed and replaced relatively easily if the wafer support 116 is separated from the support arm 122. The above configuration ensures that the electrical insulation between the wafer support 116 and the thermocouple 152 is maintained while the thermocouple is securely held in place within the body of the wafer support 116.

ウエハ支持体116は、中央スタブ166内にねじ止めされる1対のボルト168により支持アーム122に固定される。図8は、支持アーム120が主に、逆U字形セラミック部分170により構成されることを示している。このU字形部分170の水平部を貫くホールのそれぞれの中をボルト168が通っている。ボルトがU字形部分170の水平部上に過剰な負荷を与えることを防止するため、各ヘッドはベルベディアばねワッシャ174によって水平部分から間隔がおかれている。ボルト168のヘッドがセラミックU字形部分170へ過剰な負荷を与える事を防止することは重要であり、何故なら、セラミック、特に薄い部分のセラミックは比較的脆いからである。過剰な負荷の力は、U字形部分170を破壊してしまうことがある。   Wafer support 116 is secured to support arm 122 by a pair of bolts 168 that are screwed into central stub 166. FIG. 8 shows that the support arm 120 is mainly composed of an inverted U-shaped ceramic portion 170. Bolts 168 pass through each of the holes that penetrate the horizontal portion of the U-shaped portion 170. To prevent the bolt from overloading the horizontal portion of the U-shaped portion 170, each head is spaced from the horizontal portion by a velvedia spring washer 174. It is important to prevent the head of the bolt 168 from overloading the ceramic U-shaped portion 170 because ceramics, particularly thin ceramics, are relatively brittle. Excessive loading forces can destroy the U-shaped portion 170.

RF導通ストリップ180が、支持アーム122に沿って通っている。ストリップ180は、ウエハ支持体116の下側のスタブ166のところに電気的に接続する。RF導通ストリップ180は、高温でエラストマー的な性質の誘電材料、ポリイミド等、例えばデュポンエレクトリック社から Pyralin の商品名で入手可能な材料等、によりコーティングされている。   An RF conducting strip 180 passes along the support arm 122. The strip 180 is electrically connected to the lower stub 166 of the wafer support 116. The RF conductive strip 180 is coated with a high temperature, elastomeric dielectric material, polyimide, etc., such as a material available from DuPont Electric under the Pyralin trade name.

このポリイミドコーティングが、RF導通ストリップ180に電気的絶縁を与える。加えて、RF導通ストリップ180は、セラミックアイソレータ182により導電ケーブル156から電気的に絶縁される。セラミックアイソレータの詳細は、図10(a)及び10(b)を参照して以下に説明する。更に、RF導通ストリップ180は、逆U字形部分170の「脚」により、またアイソレータ184により、処理チャンバ112の内部から絶縁される。アイソレータの詳細は、図11(a)及び11(b)を参照して下記に説明する。   This polyimide coating provides electrical insulation to the RF conductive strip 180. In addition, the RF conducting strip 180 is electrically isolated from the conductive cable 156 by a ceramic isolator 182. Details of the ceramic isolator will be described below with reference to FIGS. 10 (a) and 10 (b). Further, the RF conducting strip 180 is isolated from the interior of the processing chamber 112 by the “legs” of the inverted U-shaped portion 170 and by the isolator 184. Details of the isolator will be described below with reference to FIGS. 11 (a) and 11 (b).

組立中に、熱電対152及びこれに係るシース154をウエハ支持体116内に挿入する。次いで、熱電対のリードケーブル156をU字形部分170の中に供給する。ボルト168を用いて、ウエハ支持体116をU字形部分170の上に留める。導電ケーブル156の上にアイソレータを配置して、導電ケーブルをRFストリップ180から絶縁する。そして、RF導通ストリップ180はアイソレータ182の上に導かれ、また、アイソレータ184はRF導通ストリップ180の上に配置される。   During assembly, the thermocouple 152 and associated sheath 154 are inserted into the wafer support 116. A thermocouple lead cable 156 is then fed into the U-shaped portion 170. Bolts 168 are used to secure wafer support 116 on U-shaped portion 170. An isolator is placed over the conductive cable 156 to insulate the conductive cable from the RF strip 180. The RF conductive strip 180 is then guided over the isolator 182 and the isolator 184 is disposed over the RF conductive strip 180.

その後、U字形部分170の「脚」の自由端に近接して形成されたグルーブ188の中に平坦なセラミックリテーナ186を挿入する。リテーナ186は、U字形部分170の本体の中に配置された様々な部品全てに対してのリテーナとして機能する。リテーナ186の詳細は、図12に示される。   A flat ceramic retainer 186 is then inserted into a groove 188 formed proximate the free end of the “leg” of the U-shaped portion 170. The retainer 186 functions as a retainer for all the various components disposed in the body of the U-shaped portion 170. Details of the retainer 186 are shown in FIG.

図9(a)及び9(b)に示されるように、支持アーム122は、比較的細身の部分に、その自由端120及び固定端122において大きくなった部分を有する構成を有している。支持アーム122の自由端120は2つのボルト穴172を有し、これらは、自由端120の上面に形成されたスロット190のそれぞれいずれかの側に形成されている。このスロット190は、ウエハ支持体116の底部のスタブ166から下向きにウエハ支持体116まで伸びるキー状構成物192を受容する。このキー状構成物192は、スロット190に嵌合し、ウエハ支持体116が支持アーム122上に配置されたときにこれを更に安定にする。キー状構成物192の詳細は、図8及び14に示される。支持アーム122の固定端124は、垂直可動ステム194に固定されるが、その詳細は図13を参照して説明する。   As shown in FIGS. 9A and 9B, the support arm 122 has a configuration in which a relatively thin portion has a portion enlarged at the free end 120 and the fixed end 122. The free end 120 of the support arm 122 has two bolt holes 172 that are formed on either side of a slot 190 formed in the upper surface of the free end 120. The slot 190 receives a key-like structure 192 that extends downward from a stub 166 at the bottom of the wafer support 116 to the wafer support 116. This key-like structure 192 fits into the slot 190 and further stabilizes the wafer support 116 when placed on the support arm 122. Details of the key-like structure 192 are shown in FIGS. The fixed end 124 of the support arm 122 is fixed to the vertical movable stem 194, details of which will be described with reference to FIG.

図10(a)及び10(b)から、アイソレータ182がU字形チャンネルの形態でありその中に導電ケーブル156が入っていることがわかる。このU字形チャンネルは、大きくなった部分196を一方の端部に有している。この大きくなった部分196は、支持アーム122の固定端124でRF導通ストリップ180をカバーする。   10 (a) and 10 (b), it can be seen that the isolator 182 is in the form of a U-shaped channel with a conductive cable 156 therein. The U-shaped channel has an enlarged portion 196 at one end. This enlarged portion 196 covers the RF conducting strip 180 at the fixed end 124 of the support arm 122.

図11(a)及び11(b)に示されるように、アイソレータ184は大きくなった部分198を有し、この部分は、支持アーム122の自由端120の中に比較的しっかりとフィットしている。大きくなった部分198はその中にチャンネル200を有している。装置を組み立てるときは、RF導通ストリップ180がアイソレータ184の上面202の上に置かれている。また、RF導通ストリップ180は、チャンネル200の内側の等高線に沿うように変形する。この構成は図7に示されており、RF導通ストリップ180を接続ボルト168から分離させる。図7から理解されるように、適切なスペーサー部品204がチャンネル200の中にフィットするように具備され、RF導通ストリップ180とボルト168の間に電気的絶縁を与える。   As shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the isolator 184 has an enlarged portion 198 that fits relatively tightly within the free end 120 of the support arm 122. . The enlarged portion 198 has a channel 200 therein. When the device is assembled, the RF conducting strip 180 is placed on the top surface 202 of the isolator 184. Further, the RF conductive strip 180 is deformed so as to be along a contour line inside the channel 200. This configuration is illustrated in FIG. 7 and separates the RF conducting strip 180 from the connecting bolt 168. As can be seen from FIG. 7, a suitable spacer component 204 is provided to fit within the channel 200 to provide electrical isolation between the RF conducting strip 180 and the bolt 168.

リテーナ186の詳細は、図12に例示される。リテーナ186は、略スプーン状であり、支持アーム122の自由端120に形成されたグルーブの中に受容されるようなサイズを有する大きくなった部分206を有している。組立中は、リテーナ186は、支持アーム122の自由端120からスロット188の中に挿入される。   Details of the retainer 186 are illustrated in FIG. The retainer 186 is generally spoon-shaped and has an enlarged portion 206 that is sized to be received in a groove formed in the free end 120 of the support arm 122. During assembly, the retainer 186 is inserted into the slot 188 from the free end 120 of the support arm 122.

支持アーム122の固定端124は、図13に例示されるように、ステム194に接続される。ステム194は、中空のチューブであり、その上端で広がってフランジ210を画し、このフランジに、支持アーム122の固定端124がボルト212によりボルト留めされる。ボルト212とセラミック固定端124の間に過剰な負荷力が働くのを防止するため、各ボルト212と支持アーム122の固定端124の間に皿ばねワッシャ214が与えられる。   The fixed end 124 of the support arm 122 is connected to the stem 194 as illustrated in FIG. The stem 194 is a hollow tube and spreads at the upper end thereof to define a flange 210, and the fixed end 124 of the support arm 122 is bolted to the flange by a bolt 212. A disc spring washer 214 is provided between each bolt 212 and the fixed end 124 of the support arm 122 to prevent excessive load forces from acting between the bolt 212 and the ceramic fixed end 124.

ステンレス鋼のベローズ216が、フランジ210と処理チャンバ112の下壁の間に配置される。ベローズ216により、支持アーム122が垂直上下に動くことができつつ、同時に、これが処理チャンバ112の壁218を貫いて通過するときにステム194の周りにシールを与えることが可能となる。   A stainless steel bellows 216 is disposed between the flange 210 and the lower wall of the processing chamber 112. Bellows 216 allows support arm 122 to move vertically up and down while simultaneously providing a seal around stem 194 as it passes through wall 218 of processing chamber 112.

前に指摘したように、ステム194は中空のチューブの形態である。ステム194を形成するチューブの内側に、非導電チューブ220が配置される。非導電チューブ220は、典型的には、ポリイミド製であり、処理チャンバ112と中空RF導通チューブ222との間を電気的に絶縁する。RF導通チューブ220は、RFソース142とRF導通ストリップ180とに接続される。熱電対152と温度測定装置140の間を連通させる導電ケーブルが、RF導通チューブ222に形成された中心孔を下に通過する。   As pointed out earlier, the stem 194 is in the form of a hollow tube. A non-conductive tube 220 is disposed inside the tube forming the stem 194. The non-conductive tube 220 is typically made of polyimide and electrically insulates between the processing chamber 112 and the hollow RF conducting tube 222. The RF conducting tube 220 is connected to the RF source 142 and the RF conducting strip 180. A conductive cable that communicates between the thermocouple 152 and the temperature measurement device 140 passes through a central hole formed in the RF conductive tube 222.

図14は、図13と共に、RF導通ストリップ180とRF導通チューブ222との間をどのように接続するかを例示する。図13に示されるように、RF導通チューブ222はその上端で広がり、円形のフランジ224を画する。RF導通ストリップ180は、図14に例示されているが、円形の導電フープ226のところで終了している。支持アーム122が組み立てられるとき、フープ226はRF導通チューブ222の円形フランジ224の上に置かれている。   FIG. 14, together with FIG. 13, illustrates how the connection between the RF conducting strip 180 and the RF conducting tube 222 is made. As shown in FIG. 13, the RF conducting tube 222 extends at its upper end and defines a circular flange 224. The RF conductive strip 180 is illustrated in FIG. 14 but ends at a circular conductive hoop 226. When the support arm 122 is assembled, the hoop 226 is placed on the circular flange 224 of the RF conducting tube 222.

これにより、ウエハ支持体116につながっているRF導通ストリップ180へのRF導通接続が与えられる。この接続によって、支持アーム122の組立及び分解が容易になる。また、この接続により、支持アーム122の固定端124がステム194のフランジ210の上に配置される場合に、決まった量の(ステム194の縦のアクセスの上方の)回転の自由度が与えられる。   This provides an RF conductive connection to the RF conductive strip 180 that is connected to the wafer support 116. This connection facilitates assembly and disassembly of the support arm 122. This connection also provides a fixed amount of rotational freedom (above the longitudinal access of the stem 194) when the fixed end 124 of the support arm 122 is placed on the flange 210 of the stem 194. .

(4.整合回路網)本発明に従い、RFソースは、ウエハ支持体116とシャワーヘッド136の両方に、整合回路網145を介して結合する。整合回路網145は、抵抗器/インダクタ/キャパシタの回路網である。整合回路網145は、与えられた周波数においてソースにより与えられる電力を最大にするため、負荷インピーダンスをソースインピーダンスにマッチングさせる。また、整合回路網145は、RF電力をウエハ支持体116とシャワーヘッド136に分け、シャワーヘッド136とウエハ支持体116に与えられるRFシグナルの位相シフトを設定する。   4. Matching Network In accordance with the present invention, the RF source is coupled to both the wafer support 116 and the showerhead 136 via a matching network 145. The matching network 145 is a resistor / inductor / capacitor network. Matching network 145 matches the load impedance to the source impedance to maximize the power provided by the source at a given frequency. The matching network 145 also divides the RF power into the wafer support 116 and the shower head 136 and sets the phase shift of the RF signal applied to the shower head 136 and the wafer support 116.

本発明の一具体例で用いられる整合回路網145が、図15(a)に例示される。図15(a)に示される整合回路網145は、負荷整合トランス70と、2つのインダクタ80,82と2つのキャパシタ72,74とを有している。負荷整合トランス70は、一端でRFソース142とアースに、他方の端でインダクタ80及び82に結合している。インダクタ80はキャパシタ72を介してシャワーヘッド136に、インダクタ82はキャパシタ74を介してウエハ支持体116に、それぞれ結合する。   A matching network 145 used in one embodiment of the present invention is illustrated in FIG. A matching network 145 shown in FIG. 15A includes a load matching transformer 70, two inductors 80 and 82, and two capacitors 72 and 74. Load matching transformer 70 is coupled at one end to RF source 142 and ground and at the other end to inductors 80 and 82. Inductor 80 is coupled to showerhead 136 via capacitor 72 and inductor 82 is coupled to wafer support 116 via capacitor 74.

負荷整合トランス70は、1次巻き線と2次巻き線の比が1:1〜1:4であってもよく、1:1.22が典型的である。本発明に従い、負荷整合トランス70の1次コイルは18巻きであってもよく、また、負荷整合トランス70の2次巻き線は47巻きであってもよい。インダクタ80及び82はそれぞれ、インダクタンスが50μHであってもよく、キャパシタ72及び74はそれぞれ、キャパシタンスが0.01μFであってもよい。   In the load matching transformer 70, the ratio of the primary winding to the secondary winding may be 1: 1 to 1: 4, and typically 1: 1.22. According to the present invention, the primary coil of the load matching transformer 70 may be 18 turns, and the secondary winding of the load matching transformer 70 may be 47 turns. Inductors 80 and 82 may each have an inductance of 50 μH, and capacitors 72 and 74 may each have a capacitance of 0.01 μF.

負荷整合トランス70の巻き線比を変えることにより、シャワーヘッド136とウエハ支持体116との間のRFシグナルの分解及び移動シフトを変えることができる。あるいは、図15(b)に示されるように、負荷整合トランス71が選択可能接地タップ78を有していてもよい。この選択可能接地タップ78により、接地タップの位置を変えて選択して、シャワーヘッド136とウエハ支持体116との間のRFシグナルの分解及び移動シフトを変えることができるようになる。   By changing the winding ratio of the load matching transformer 70, the decomposition and movement shift of the RF signal between the shower head 136 and the wafer support 116 can be changed. Alternatively, as shown in FIG. 15B, the load matching transformer 71 may have a selectable ground tap 78. This selectable ground tap 78 allows the ground tap position to be selected and changed to change the resolution and movement shift of the RF signal between the showerhead 136 and the wafer support 116.

整合回路網145のまた別の具体例が図15(c)に示される。キャパシタ72とシャワーヘッド136は両方とも、誘導チョーク83を介してアースにつながっている。キャパシタ74とウエハ支持体116は両方とも、誘導チョーク84を介してアースにつながっている。誘導チョーク83及び誘導チョーク84はそれぞれ、500μHである。この具体例を用いる場合は、シャワーヘッド136とウエハ支持体116にはDCバイアスが与えられなくなる。   Another example of the matching network 145 is shown in FIG. Both capacitor 72 and showerhead 136 are connected to ground via induction choke 83. Both capacitor 74 and wafer support 116 are connected to ground via induction choke 84. Each of the induction choke 83 and the induction choke 84 is 500 μH. When this specific example is used, no DC bias is applied to the shower head 136 and the wafer support 116.

プラズマアニール及び/又は酸化のために処理チャンバ112を用いる場合には、整合回路網145を介してシャワーヘッド136とウエハ支持体116をRFソース142に結合することは有利である。シャワーヘッド136とウエハ支持体116におけるRFシグナルの位相シフトを設定して、堆積後処理中に生成するプラズマの均一性を向上させる。シャワーヘッド136のシグナルとウエハ支持体116のシグナルの間の位相の関係がずれれば、プラズマ中のイオンが、接地されている処理チャンバ112よりもウエハ支持体116の方へと誘引される。また、この位相のずれは、シャワーヘッド136とウエハ支持体116の間の電圧ポテンシャルを上げるため、ウエハ114へ向かうイオン流束の均一性を向上させる。   When using the processing chamber 112 for plasma annealing and / or oxidation, it is advantageous to couple the showerhead 136 and the wafer support 116 to the RF source 142 via the matching network 145. The phase shift of the RF signal in the showerhead 136 and wafer support 116 is set to improve the uniformity of the plasma generated during post-deposition processing. If the phase relationship between the signal of the showerhead 136 and the signal of the wafer support 116 is shifted, ions in the plasma are attracted toward the wafer support 116 rather than the grounded processing chamber 112. In addition, this phase shift increases the voltage potential between the showerhead 136 and the wafer support 116, thereby improving the uniformity of ion flux toward the wafer 114.

シャワーヘッド136とウエハ支持体116へのシグナルの電力分割を調節することにより、ウエハ114とシャワーヘッド136のイオン衝突の強度を制御することが可能となる。プラズマ生成中にウエハ支持体116に負のバイアスを与えれば、一般に、ウエハ114へ向かうイオンの加速度が上がる。ウエハ支持体116に過剰な負バイアスを与えれば、ウエハ114にダメージを与えるようなエネルギーでイオンがウエハ114に衝突するようになる。プラズマ生成中にシャワーヘッド136に過剰な負のバイアスを与えれば、一般に、イオンがシャワーヘッド136に衝突するようになり、汚染粒子が発生する。   By adjusting the power division of the signal to the showerhead 136 and the wafer support 116, the intensity of ion collision between the wafer 114 and the showerhead 136 can be controlled. Applying a negative bias to wafer support 116 during plasma generation generally increases the acceleration of ions toward wafer 114. If an excessive negative bias is applied to the wafer support 116, ions will collide with the wafer 114 with energy that will damage the wafer 114. If an excessive negative bias is applied to the showerhead 136 during plasma generation, generally, ions will collide with the showerhead 136 and contaminating particles are generated.

本発明の具体例においては、RFソース145のシグナルの電力分割の選択は、チャンバ110Aのオペレータにより行うことができる。シャワーヘッド136とウエハ支持体116の負バイアスが前述の汚染及びウエハにダメージを与えるイオン衝突を生じる可能性を最小にするように、この電力分割を設定することができる。   In embodiments of the present invention, the selection of power splitting of the RF source 145 signal can be made by the operator of chamber 110A. This power split can be set so that the negative bias of the showerhead 136 and wafer support 116 minimizes the possibility of the aforementioned contamination and ion collisions that damage the wafer.

本発明に従い、ウエハ支持体116とシャワーヘッド136とに供給されるシグナルが同じ電力及び周波数を有するが位相は180度ずれるように、整合回路網145の構成を与えてもよい。これにより、処理チャンバ112内のガスをプラズマへ変換するため、RF電力を効率よくシャワーヘッド136とウエハ支持体116に結合させる。   In accordance with the present invention, the matching network 145 may be configured such that the signals supplied to the wafer support 116 and the showerhead 136 have the same power and frequency but are 180 degrees out of phase. This effectively couples RF power to the showerhead 136 and the wafer support 116 to convert the gas in the processing chamber 112 into plasma.

RF分割電力の構成の具体例は、 Sugiyama らへの米国特許第5,314,603号、標題「チャンバ内の電極において実際のRF電力を検出し制御することが可能なプラズマ処理装置」や、Ogle らへの米国特許第4,871,421号、標題「プラズマエッチングシステムのための分割位相ドライバ」を参照して理解することができる。   Specific examples of the configuration of the RF split power include US Pat. No. 5,314,603 to Sugiyama et al., Entitled “Plasma processing apparatus capable of detecting and controlling actual RF power at electrodes in chamber” It can be understood with reference to U.S. Pat. No. 4,871,421 to Ogle et al., Entitled "Split Phase Driver for Plasma Etch System".

(5.チャンバ動作)堆積プロセス中は、ガスパネルコントローラ50により、ガスパネル52がTDMAT等のCVDプロセスガスをシャワーヘッド136へ供給するようになる。シャワーヘッド136を介してプロセスガスが処理チャンバ112内に導入され、加熱されているウエハ114へと輸送される。その結果、材料の薄い層がウエハ114の上面に堆積する。TDMATを用いる場合は、形成される材料の薄膜は窒化チタンTiN である。   (5. Chamber Operation) During the deposition process, the gas panel controller 50 causes the gas panel 52 to supply a CVD process gas such as TDMAT to the shower head 136. Process gas is introduced into the processing chamber 112 via the showerhead 136 and transported to the heated wafer 114. As a result, a thin layer of material is deposited on the upper surface of the wafer 114. When TDMAT is used, the thin film of material formed is titanium nitride TiN.

半導体処理チャンバ110A内で行われる堆積後処理の間、下記のように、アニール、酸化又は珪素への曝露を行ってもよい。プラズマアニールプロセス中は、ガスパネルコントローラ50の制御の下、ガスパネル52により、窒素、水素、アルゴン又はこれらの混合物等のプラズマガスをシャワーヘッド136に供給する。堆積後の酸化プロセスにおいては、ガスパネルコントローラ50の制御の下、ガスパネル52により、O2又はN2/O2の混合物等の酸素ベースのガスをシャワーヘッド136に供給する。珪素曝露プロセス中は、ガスパネルコントローラ50の制御の下、ガスパネル52により、シラン(SiH4)等の珪素ベースのガスをシャワーヘッド136に供給する。 During post-deposition processing performed in the semiconductor processing chamber 110A, annealing, oxidation, or exposure to silicon may be performed as described below. During the plasma annealing process, plasma gas such as nitrogen, hydrogen, argon, or a mixture thereof is supplied to the shower head 136 by the gas panel 52 under the control of the gas panel controller 50. In the oxidation process after deposition, an oxygen-based gas such as an O 2 or N 2 / O 2 mixture is supplied to the showerhead 136 by the gas panel 52 under the control of the gas panel controller 50. During the silicon exposure process, a silicon-based gas such as silane (SiH 4 ) is supplied to the shower head 136 by the gas panel 52 under the control of the gas panel controller 50.

プラズマアニールプロセスと酸化プロセスでは共に、シャワーヘッド136により供給されるガスは、ウエハ114と反応する正荷電イオンを含むプラズマへと変換される。珪素曝露プロセスでは、ウエハ114及びウエハ支持体116の加熱によって、ガスにエネルギーが与えられる。堆積や堆積後処理の何れにおいて用いられるいかなるキャリアガスも、堆積や堆積後処理の副生成物と共に、圧力制御ユニット157によって処理チャンバ112から排出される。   In both the plasma annealing process and the oxidation process, the gas supplied by the showerhead 136 is converted into a plasma containing positively charged ions that react with the wafer 114. In the silicon exposure process, the gas is energized by heating the wafer 114 and the wafer support 116. Any carrier gas used in either deposition or post-deposition processing is exhausted from the processing chamber 112 by the pressure control unit 157 along with by-products of the deposition or post-deposition processing.

(6.代替的なチャンバの構成)図16は、本発明に従ってプロセスを遂行するための本発明の代替的な具体例を内包する半導体ウエハ処理チャンバ110Bを例示する。半導体ウエハ処理チャンバ110Bは、シャワーヘッド136がRFソースと結合していない点を除いて、図5に示されるチャンバ110Aと同じである。RFソース62は、整合回路網63を介してウエハ支持体116に結合し、また、シャワーヘッド136は接地されている。   6. Alternative Chamber Configuration FIG. 16 illustrates a semiconductor wafer processing chamber 110B that contains an alternative embodiment of the present invention for performing a process in accordance with the present invention. The semiconductor wafer processing chamber 110B is the same as the chamber 110A shown in FIG. 5 except that the showerhead 136 is not coupled to an RF source. The RF source 62 is coupled to the wafer support 116 via a matching network 63 and the showerhead 136 is grounded.

整合回路網63は、ウエハ支持体116の負荷インピーダンスをRFソース62のインピーダンスに整合させるための従来からの手段を用いている。この整合により、RFソース62によって与えられる電力が、所与の周波数において最大になる。本発明に従って、ウエハ114に過剰な負バイアスを与えることなくプラズマアニールや酸化を行うために十分なRFエネルギーを提供するよう、整合回路網63及びRFソース62がRFシグナルをウエハ支持体116に提供できるように構成されてもよい。   The matching network 63 uses conventional means for matching the load impedance of the wafer support 116 to the impedance of the RF source 62. This matching maximizes the power provided by the RF source 62 at a given frequency. In accordance with the present invention, matching network 63 and RF source 62 provide an RF signal to wafer support 116 to provide sufficient RF energy to perform plasma annealing and oxidation without excessive negative bias to wafer 114. It may be configured to be able to.

図17は、本発明の代替的な具体例を内包し本発明に従ってプロセスを遂行することができる半導体ウエハ処理チャンバ110Cを例示する。半導体ウエハ処理チャンバ110Cは、シャワーヘッド136がRFソース143に、ウエハ支持体116がRFシグナルソース144にそれぞれ別々に結合している点を除いて、図5に示されるチャンバ110Aと同じである。RFソース143は、整合回路網146を介してシャワーヘッド136に結合し、RFソース144は、整合回路網147を介してウエハ支持体116に結合している。   FIG. 17 illustrates a semiconductor wafer processing chamber 110C that includes an alternative embodiment of the present invention and that can perform processes in accordance with the present invention. The semiconductor wafer processing chamber 110C is the same as the chamber 110A shown in FIG. 5 except that the showerhead 136 is separately coupled to the RF source 143 and the wafer support 116 is separately coupled to the RF signal source 144. RF source 143 is coupled to showerhead 136 via matching network 146, and RF source 144 is coupled to wafer support 116 via matching network 147.

整合回路網146はシャワーヘッド136を、整合回路網147はウエハ支持体116を、それぞれソースインピーダンスに整合させるための、従来からの手段をそれぞれ用いている。この整合により、各ソースによって与えられる電力が、所与の周波数において最大になる。好ましくは、シャワーヘッド136に与えられるRFシグナルとウエハ支持体116に与えられるRFシグナルの間の位相シフトと電力分割を制御できるよう、RFソース143と144とはつながれている(図示せず)。本発明に従い、ウエハ支持体116へのRFシグナルとシャワーヘッド136へのRFシグナルを、同じ電力及び周波数で且つ位相が180度ずれるように供給できるよう、整合回路網146及び147とRFソース143及び144を構成してもよい。   Matching network 146 uses showerhead 136 and matching network 147 uses conventional means for matching wafer support 116 to the source impedance, respectively. This matching maximizes the power provided by each source at a given frequency. Preferably, RF sources 143 and 144 are coupled (not shown) so that the phase shift and power split between the RF signal applied to showerhead 136 and the RF signal applied to wafer support 116 can be controlled. In accordance with the present invention, matching circuitry 146 and 147 and RF source 143 and RF source 143 and RF signal to wafer support 116 and RF signal to showerhead 136 can be supplied at the same power and frequency and 180 degrees out of phase. 144 may be configured.

本発明のまた別の具体例では、図5、図16又は図17の何れのウエハ支持体116も、抵抗ヒータを有していてもよい。この抵抗ヒータはウエハ114を支持し且つウエハ114加熱のため抵抗コイルを内包する。   In yet another embodiment of the invention, any of the wafer supports 116 of FIGS. 5, 16, or 17 may have a resistance heater. The resistance heater supports the wafer 114 and includes a resistance coil for heating the wafer 114.

図5、図16及び図17に示される半導体ウエハ処理チャンバを用いて、数多くのプロセスを行ってもよい。本発明の更なる特徴においては、拡散バリアを形成するためのプロセスが与えられる。本発明のプロセスは前述の諸装置において行うことが有利であることが認識される。しかし、ここに開示する方法は、適切なチャンバを何個でも利用して行うことができることが、更に認識される。   Numerous processes may be performed using the semiconductor wafer processing chamber shown in FIGS. In a further feature of the invention, a process is provided for forming a diffusion barrier. It will be appreciated that the process of the present invention is advantageously performed in the devices described above. However, it is further recognized that the methods disclosed herein can be performed using any number of suitable chambers.

(B.膜の構築)
(1.概説)本発明の具体例は、集積回路において改良された抵抗値を有する膜を構築するものである。ここで構築できる膜の1つは、拡散バリアである。しかし、アルミニウムや銅等のコンタクトメタルの拡散を抑止する目的で、本発明の具体例を用いて他の膜を構築することもできる。
(B. Construction of membrane)
1. Overview An embodiment of the present invention builds a film with improved resistance in an integrated circuit. One of the membranes that can be constructed here is a diffusion barrier. However, for the purpose of suppressing the diffusion of contact metals such as aluminum and copper, other films can be constructed using specific examples of the present invention.

本発明に従って、半導体ウエハ等の基板上に、材料の層が堆積される。次いで、この材料にはプラズマアニールが施され、この堆積材料の抵抗率が低減される。続いて、この堆積した層の上に、材料の新たな層が堆積する。この材料をまたアニールして、材料の抵抗率を低減させる。材料の堆積及びアニールを数回繰り返して、ウエハの上面に配置される膜を形成してもよい。   In accordance with the present invention, a layer of material is deposited on a substrate such as a semiconductor wafer. This material is then plasma annealed to reduce the resistivity of the deposited material. Subsequently, a new layer of material is deposited on the deposited layer. This material is also annealed to reduce the resistivity of the material. Material deposition and annealing may be repeated several times to form a film disposed on the top surface of the wafer.

本発明の別の具体例では、分子で詰められる(スタッフされる)べきウエハ上の材料をアニールする。このスタッフィングを行うことにより、アルミニウムや銅等のコンタクトメタルの拡散を抑止する材料の能力が向上する。アルミニウムに対するバリアとしての膜の機能を向上させるため、アニールを施した材料に酸化を施すことによりスタッフィングを行ってもよい。銅に対するバリアとしての膜の機能を向上させるため、アニールを施した材料をシラン(SiH4)に曝露することによりスタッフィングを行ってもよい。あるいは、3元素の窒化珪化メタルである材料を堆積させることにより、銅の拡散を低減してもよい。 In another embodiment of the invention, the material on the wafer to be packed (stuffed) with molecules is annealed. By performing this stuffing, the ability of the material to suppress the diffusion of contact metal such as aluminum or copper is improved. In order to improve the function of the film as a barrier against aluminum, stuffing may be performed by oxidizing the annealed material. In order to improve the function of the film as a barrier against copper, stuffing may be performed by exposing the annealed material to silane (SiH 4 ). Alternatively, the diffusion of copper may be reduced by depositing a material that is a three-element metal nitride silicide.

本発明のまた別の特徴は、ウエハ上の膜の堆積、アニール及びスタッフィングに関して、インシチュウで行ってもよいことである。   Another feature of the present invention is that it may be done in-situ with respect to film deposition, annealing and stuffing on the wafer.

(2.膜抵抗率の低下のためのアニール)本発明に従い、その抵抗率を下げるように、ウエハ上に材料の層を堆積させこの材料の層をプラズマアニールすることにより、ウエハ上に膜を形成してもよい。   (2. Annealing to reduce film resistivity) In accordance with the present invention, a layer of material is deposited on the wafer and plasma annealed to reduce the resistivity so that the film is deposited on the wafer. It may be formed.

ウエハ上への材料の膜の堆積は、従来のCVDを行うことができるチャンバ、例えば図3(a)のチャンバ10、図5のチャンバ110A、図16のチャンバ110Bや図17のチャンバ110C等において、行うことができる。窒化チタン材料の堆積は、メタロ有機チタン化合物、好ましくはテトラキス(ジアルキルアミド)チタン(Ti(NR24)を用いて実現することができる。 The deposition of the material film on the wafer is performed in a chamber capable of performing conventional CVD, for example, the chamber 10 in FIG. 3A, the chamber 110A in FIG. 5, the chamber 110B in FIG. 16, the chamber 110C in FIG. ,It can be carried out. The deposition of the titanium nitride material can be achieved using a metalloorganotitanium compound, preferably tetrakis (dialkylamido) titanium (Ti (NR 2 ) 4 ).

キャリアガス、例えばヘリウム、アルゴン、窒素又は水素が、チタン化合物をチャンバ内に同伴させる。チャンバ内では、チタン化合物は、別の場所で生成した反応性種、例えばハロゲンラジカル、アンモニウムラジカルや水素ラジカル等と反応する。窒化チタンの堆積を促進するため、ウエハ温度を約200〜600℃に設定し、処理チャンバの圧力を約0.1〜100トールに設定する。   A carrier gas, such as helium, argon, nitrogen or hydrogen, entrains the titanium compound in the chamber. Within the chamber, the titanium compound reacts with reactive species generated elsewhere, such as halogen radicals, ammonium radicals, hydrogen radicals, and the like. To facilitate titanium nitride deposition, the wafer temperature is set to about 200-600 ° C. and the processing chamber pressure is set to about 0.1-100 Torr.

堆積した窒化チタンは、少なからぬ量の炭素を含有しているため、窒化チタン膜は化学反応性を有することとなる。従って、この膜を空気やその他の酸素含有ガスに曝露すれば、膜に酸素が吸収される。この酸素吸収は調節できないため、膜の安定性は損なわれ、膜の抵抗率は悪化上昇する。このことにより、ウエハ上に形成するデバイスの信頼性が低くなることがある。   Since the deposited titanium nitride contains a considerable amount of carbon, the titanium nitride film has chemical reactivity. Therefore, if the membrane is exposed to air or other oxygen-containing gas, oxygen is absorbed by the membrane. Since this oxygen absorption cannot be controlled, the stability of the film is impaired, and the resistivity of the film deteriorates. This can reduce the reliability of devices formed on the wafer.

空気への曝露後、窒化チタン膜のシート抵抗率は、約10,000μΩ−cm/sqから約100,000μΩ−cm/sqの値まで上昇する。これは、堆積した窒化チタンが導電性のコンタクト及びバイアに対するバリアとして機能している場合に、甚だ望ましくない。バリア層に対しては、抵抗率は、約1,000μΩ−cm/sq未満のオーダーであることが望ましい。   After exposure to air, the sheet resistivity of the titanium nitride film increases from a value of about 10,000 μΩ-cm / sq to a value of about 100,000 μΩ-cm / sq. This is particularly undesirable when the deposited titanium nitride functions as a barrier to conductive contacts and vias. For the barrier layer, the resistivity is preferably on the order of less than about 1,000 μΩ-cm / sq.

本発明に従い、高エネルギーイオンを含む不活性プラズマによって、堆積窒化チタン膜をプラズマアニールする。DCバイアス電圧をウエハに印加することにより、これらイオンが得られる。このDCバイアス電圧のウエハへの印加は、ウエハ支持体に結合して前駆体ガスからプラズマを生成するに十分な電力を与える低電力のRFソースによって行われてもよい。ウエハへの電圧の印加は、約100〜1,000ボルトであれば十分である。例えば、100ワットのRF電力を有する400ボルトを印加してプラズマを生成してもよい。これは高エネルギーイオンの生成に十分であり、また、経時的に安定であるように窒化チタン膜をパッシベーション又は密度化させるに十分である。   In accordance with the present invention, the deposited titanium nitride film is plasma annealed by an inert plasma containing high energy ions. These ions are obtained by applying a DC bias voltage to the wafer. The application of this DC bias voltage to the wafer may be performed by a low power RF source that couples to the wafer support and provides sufficient power to generate a plasma from the precursor gas. A voltage of about 100 to 1,000 volts is sufficient for applying a voltage to the wafer. For example, plasma may be generated by applying 400 volts having 100 watts of RF power. This is sufficient for the generation of high energy ions and sufficient for passivation or densification of the titanium nitride film so that it is stable over time.

本発明に従ってアニールを施した窒化チタン膜を、空気、酸素又は水蒸気に曝露した場合、酸素は吸収されないか、あるいは、ウエハにバイアス電圧を印加しない場合に較べて著しく少ない量しか吸収されない。本発明に従って堆積しアニールを施した窒化チタン膜は、メタロ有機チタン化合物の従来からの熱CVDによって生成した窒化チタン膜に較べて、結晶性が高く、窒素をより多く含み、酸素及び炭素の含有量が低い。本発明に従ってアニールを施した堆積窒化チタン膜は、低く且つ安定なシート抵抗率も有している。   When a titanium nitride film annealed in accordance with the present invention is exposed to air, oxygen, or water vapor, oxygen is not absorbed or is absorbed in significantly less amounts than when no bias voltage is applied to the wafer. The titanium nitride film deposited and annealed according to the present invention has higher crystallinity, more nitrogen, oxygen and carbon than the titanium nitride film produced by conventional thermal CVD of metallo-organic titanium compounds The amount is low. The deposited titanium nitride film annealed according to the present invention also has a low and stable sheet resistivity.

本発明の厳密なメカニズムは知られるところではない。しかし、バイアスが与えられている基板上の堆積材料に高エネルギーイオンが衝突することにより、膜の密度が高められると考えられる。   The exact mechanism of the present invention is not known. However, it is believed that the high energy ions impinge on the deposited material on the substrate being biased to increase the film density.

(a.窒素プラズマ)本発明の1つの具体例では、堆積窒化チタンをアニールするためのプラズマの生成に用いるガスは、いかなるガスであってもよいが、酸素及び炭素を含有しないガス、例えば、窒素、アンモニアやアルゴン等であることが好ましい。窒素は、窒化チタン材料のパッシベーションに最も有効である。あるいは、イオンソース等の非ガス種から生成したイオンを、堆積材料に衝突させてもよい。堆積窒化チタンのプラズマ処理は、堆積材料の粒子の性能、ステップカバレージ、堆積速度やバリア性能に悪影響を与えない。   (A. Nitrogen Plasma) In one embodiment of the present invention, the gas used to generate the plasma for annealing the deposited titanium nitride may be any gas, but does not contain oxygen and carbon, for example, Nitrogen, ammonia, argon or the like is preferable. Nitrogen is most effective for passivation of titanium nitride materials. Alternatively, ions generated from non-gas species such as an ion source may collide with the deposition material. Plasma treatment of the deposited titanium nitride does not adversely affect the particle performance, step coverage, deposition rate or barrier performance of the deposited material.

従来からの真空化学気相堆積チャンバ10において、以下の条件の下に、窒化チタンをシリコンウエハ上に堆積した。処理チャンバ12内の圧力は0.45トールであり、ウエハ支持体16の温度を420℃に設定した。ヘリウム流量は、Ti(NR24のバブラを介して40sccmを採用し、窒素希釈の流量は100sccmに設定した。窒化チタンの堆積に続いて、アルゴンパージガスをチャンバ内に200sccmで流入させた。窒化チタンを堆積させるための従来からのCVDプロセスは、 Sandhu らに発行の米国特許第5,246,881号に開示されている。開示されている。 In a conventional vacuum chemical vapor deposition chamber 10, titanium nitride was deposited on a silicon wafer under the following conditions. The pressure in the processing chamber 12 was 0.45 Torr, and the temperature of the wafer support 16 was set to 420 ° C. The flow rate of helium was 40 sccm through a bubbler of Ti (NR 2 ) 4 and the flow rate of nitrogen dilution was set to 100 sccm. Following the titanium nitride deposition, an argon purge gas was flowed into the chamber at 200 sccm. A conventional CVD process for depositing titanium nitride is disclosed in US Pat. No. 5,246,881 issued to Sandhu et al. It is disclosed.

この結果、毎分約425オングストロームの堆積速度で窒化チタンが堆積した。この結果堆積した窒化チタン膜は、厚さが非常に均一であり、4枚のウエハの厚さ変動は3.03%であった。しかし、シート抵抗率(ウエハ4枚の平均)は、11,360μΩ−cm/sqと高かった。また、抵抗率は不安定であった。   As a result, titanium nitride was deposited at a deposition rate of about 425 angstroms per minute. As a result, the deposited titanium nitride film had a very uniform thickness, and the thickness variation of the four wafers was 3.03%. However, the sheet resistivity (average of four wafers) was as high as 11,360 μΩ-cm / sq. Also, the resistivity was unstable.

図18は、堆積窒化チタンのシート抵抗率(Ω/sq)の時間(hour)に対するグラフである。四角(□)で示される測定値は、所望の膜厚が得られた後堆積チャンバから取り出した膜から得られた値である。丸(○)で示される測定値は、堆積チャンバから取り出す前に温度150℃に冷却した膜から得られた値である。丸で示される膜のシート抵抗率は四角で示される膜のそれよりも低いが、両方の膜ともに安定性は低く、シート抵抗率は経時的に上昇している。このような特性は、拡散バリアには望ましくない。   FIG. 18 is a graph of sheet resistivity (Ω / sq) of deposited titanium nitride versus time. The measured value indicated by the square (□) is a value obtained from the film taken out from the deposition chamber after the desired film thickness is obtained. Measurements indicated by circles (○) are values obtained from films cooled to a temperature of 150 ° C. prior to removal from the deposition chamber. The sheet resistivity of the film indicated by the circle is lower than that of the film indicated by the square, but the stability of both films is low and the sheet resistivity increases with time. Such characteristics are not desirable for diffusion barriers.

堆積窒化チタン膜にラザフォード後方散乱測定を行った。得られたスペクトルは図19に与えられる。炭素のピークC、窒素のピークN及び酸素のピークOが、珪素界面のものとしてスペクトル中に示される。窒化チタン中の様々な物質の含有量は、以下の通りである。炭素含有量は約30%、窒素含有量は約24%、酸素含有量は約25%、チタン含有量は約23%である。これは、堆積窒化チタン膜が比較的高いレベルの炭素及び酸素の不純物を含んでいることを示すものである。   Rutherford backscattering measurement was performed on the deposited titanium nitride film. The resulting spectrum is given in FIG. Carbon peak C, nitrogen peak N and oxygen peak O are shown in the spectrum as being at the silicon interface. The content of various substances in titanium nitride is as follows. The carbon content is about 30%, the nitrogen content is about 24%, the oxygen content is about 25%, and the titanium content is about 23%. This indicates that the deposited titanium nitride film contains relatively high levels of carbon and oxygen impurities.

窒化チタンのシート抵抗率を低減するための試みとして、堆積の操作中に様々なガスを添加することにより、窒化チタンの堆積方法を変えた。その結果は図20の表Iに当てられる。表Iの「コントロール」欄のチタンは、この直前で述べた方法を用いて堆積したものである。窒化チタンのシート抵抗率を下げるために最も成功した試行は、堆積中にNF3(7sccm)の流入を含めた試行である。これにより、シート抵抗率が2,200μΩ−cmに下げられた。しかし、NF3処理材料のラザフォード後方散乱スペクトル(図23参照)では、膜中に弗素が不純物として包含されていることが示されている。弗素の包含は望ましいことではない。 In an attempt to reduce the sheet resistivity of titanium nitride, the titanium nitride deposition method was changed by adding various gases during the deposition operation. The results are given in Table I of FIG. Titanium in the "Control" column of Table I was deposited using the method just described. The most successful attempt to reduce the sheet resistivity of titanium nitride is an attempt that included an inflow of NF 3 (7 sccm) during deposition. As a result, the sheet resistivity was lowered to 2,200 μΩ-cm. However, the Rutherford backscattering spectrum of the NF 3 treated material (see FIG. 23) shows that fluorine is included as an impurity in the film. Inclusion of fluorine is not desirable.

次に、堆積前及び堆積後のガス流入及びプラズマ処理を用いて、このような処理が堆積窒化チタンのシート抵抗率に影響するか否かを求めた。2つのケースでは、窒化チタンの化学気相堆積の前後にプラズマを点火した。プラズマの生成は、100ワットの低電力で行われ、窒化チタン堆積を受ける基板シリコンウエハへバイアスを与えなかった。その結果を、図21に示される表IIにまとめた。堆積前処理及び堆積後処理のいずれも、堆積窒化チタンのシート抵抗率にさほど影響を与えなかった。このように、プラズマ中でウエハにバイアス電圧を印加することにより、シート抵抗率を下げ且つこれを経時的に安定させることは、甚だ予測困難である。   Next, it was determined whether such treatment affects the sheet resistivity of the deposited titanium nitride using gas inflow and plasma treatment before and after deposition. In two cases, the plasma was ignited before and after chemical vapor deposition of titanium nitride. The plasma was generated at a low power of 100 watts and did not bias the substrate silicon wafer undergoing titanium nitride deposition. The results are summarized in Table II shown in FIG. Neither the pre-deposition treatment nor the post-deposition treatment had a significant effect on the sheet resistivity of the deposited titanium nitride. Thus, it is very difficult to predict by applying a bias voltage to the wafer in plasma to lower the sheet resistivity and stabilize it over time.

本発明の特徴を、以下の実施例によって更に説明するが、本発明はここに記載される詳細事項に制限されると解されるものではない。窒化チタン層を有するシリコンウエハ基板にバイアス電圧400ボルトを印加する一連のテストを行った。窒化チタン層のウエハ上への堆積は、図16のチャンバ110Bで行い、約100ワットのRF電力を印加してプラズマによりアニールを行った。堆積とバイアス印加を連続的にサイクルさせた。これら2つのステップを〜5回サイクルさせた。堆積物の厚さ、サイクルの回数及び経時的に得られる抵抗率を、図22の表IIIに与える。「コントロール」は、停止せずに5ステップで堆積させたものであり、堆積と他の間にはプラズマ中のアニール行わなかったものである。   The features of the present invention are further illustrated by the following examples, which are not to be construed as limiting the invention to the details described herein. A series of tests were performed in which a bias voltage of 400 volts was applied to a silicon wafer substrate having a titanium nitride layer. The titanium nitride layer was deposited on the wafer in the chamber 110B of FIG. 16 and annealed with plasma by applying RF power of about 100 watts. Deposition and bias application were cycled continuously. These two steps were cycled ~ 5 times. The thickness of the deposit, the number of cycles and the resistivity obtained over time are given in Table III of FIG. The “control” was deposited in 5 steps without stopping, and was not annealed in the plasma between deposition and others.

表IIIのデータによれば、窒化チタンの堆積後アニールを行うことにより、窒化チタンの抵抗率が著しく低減し安定性が劇的に向上した事を示している。表IIIの各実施例において、「コントロール」のケースに較べて抵抗率及び抵抗率の経時変化が向上している。アニールを施した窒化チタンの初期抵抗率は低く、経時的に抵抗率はほとんど上昇しない。   The data in Table III shows that annealing after deposition of titanium nitride significantly reduced the resistivity of titanium nitride and dramatically improved its stability. In each example of Table III, the resistivity and the change over time of the resistivity are improved as compared to the “control” case. The initial resistivity of annealed titanium nitride is low, and the resistivity hardly increases over time.

図24は、実施例1の窒化チタン膜のオージェ分析のグラフである。このグラフは、膜のスパッタエッジ深さ(オングストローム)に対する膜中の元素の原子濃度を表している。窒化チタンにバイアスが30秒間2回与えられた(表III参照)。図24に示されるように、チタン濃度は安定に維持されるが、このグラフによれば、炭素及び窒素が低いままで膜表面の窒素濃度が高いことが明らかに示される。この炭素及び酸素の不純物レベルの低減は、深さ約100オングストロームに対して維持される。深さ400オングストロームでは、膜が先ず高エネルギーイオンでアニールを受ければ、窒素濃度が上昇し、他方炭素及び酸素の濃度は低下する。図24のグラフは、本発明に従ったアニール後の膜の元素組成における変化も示している。深さに関する元素分析は、図25の表IVに示される。   FIG. 24 is a graph of Auger analysis of the titanium nitride film of Example 1. This graph represents the atomic concentration of the element in the film with respect to the sputter edge depth (angstrom) of the film. Titanium nitride was biased twice for 30 seconds (see Table III). As shown in FIG. 24, the titanium concentration remains stable, but the graph clearly shows that the nitrogen concentration on the film surface is high while carbon and nitrogen remain low. This reduction in carbon and oxygen impurity levels is maintained for a depth of about 100 angstroms. At a depth of 400 Angstroms, if the film is first annealed with high energy ions, the nitrogen concentration will increase while the carbon and oxygen concentrations will decrease. The graph of FIG. 24 also shows the change in elemental composition of the film after annealing according to the present invention. Elemental analysis for depth is shown in Table IV of FIG.

バリア層には、厚さ100オングストロームの窒化チタン層が適しているため、当該堆積後アニールは、窒化チタンバリア層の安定性を高め抵抗率を下げるのに理想的である。堆積後アニールを行った実施例7の窒化チタンに存在する表面元素を示すオージェスペクトルが、図26に示される。このスペクトルには、堆積した膜のバルクは窒化チタンであり少量のチタンが存在していることが示される。表面には炭素及び酸素が不純物として存在している。   Since a 100 Å thick titanium nitride layer is suitable for the barrier layer, the post-deposition annealing is ideal for increasing the stability and decreasing the resistivity of the titanium nitride barrier layer. An Auger spectrum showing the surface elements present in the titanium nitride of Example 7 subjected to post-deposition annealing is shown in FIG. This spectrum shows that the bulk of the deposited film is titanium nitride and a small amount of titanium is present. Carbon and oxygen are present as impurities on the surface.

しかし、図27に示されるように、実施例7の膜のオージェスパッタリング分析では、膜のバルクにおいて酸素濃度が低いレベルへと著しく低下していることが示される。酸素以外の主な不純物は炭素だけであるが、これは当該アニールプロセスによって影響を受けないままである。深さ200オングストロームにおいては、膜中の元素の濃度(原子パーセント)は、酸素2.8%、炭素20.9%、チタン38.8%、窒素37.5%である。珪素は存在しなかった。   However, as shown in FIG. 27, Auger sputtering analysis of the film of Example 7 shows that the oxygen concentration is significantly reduced to a low level in the bulk of the film. The only major impurity other than oxygen is carbon, which remains unaffected by the annealing process. At a depth of 200 angstroms, the element concentration (atomic percent) in the film is 2.8% oxygen, 20.9% carbon, 38.8% titanium, and 37.5% nitrogen. There was no silicon.

比較のため、コントロール膜の表面オージェ分析を図28に示し、コントロル膜のスパッタオージェ分析を図29に示す。コントロール膜の酸素濃度は著しく高い。深さ200オングストロームにおいては、コントロール膜の元素の濃度(原子パーセント)は、酸素10.8%、炭素20.7%、チタン41.0%、窒素27.5%である。珪素は存在しなかった。   For comparison, the surface Auger analysis of the control film is shown in FIG. 28, and the sputter Auger analysis of the control film is shown in FIG. The oxygen concentration in the control film is extremely high. At a depth of 200 angstroms, the element concentration (atomic percent) of the control film is 10.8% oxygen, 20.7% carbon, 41.0% titanium, and 27.5% nitrogen. There was no silicon.

実施例8の窒化チタン膜の表面オージェ分析を図30に示し、深さ(オングストローム)に対するスパッタオージェ分析を図31に示す。この膜の酸素濃度は低かった。深さ43オングストロームにおいては、元素の濃度(原子パーセント)は、酸素3.1%、炭素13.7%、チタン40.0%、窒素43.2%である。珪素は存在しなかった。   The surface Auger analysis of the titanium nitride film of Example 8 is shown in FIG. 30, and the sputter Auger analysis with respect to the depth (angstrom) is shown in FIG. The oxygen concentration of this film was low. At a depth of 43 angstroms, the element concentration (atomic percent) is 3.1% oxygen, 13.7% carbon, 40.0% titanium, and 43.2% nitrogen. There was no silicon.

ラザフォード後方散乱を用いて、コントロール窒化チタン堆積膜と実施例の窒化チタン堆積膜の濃度(原子/cm3)を求めた。これらのデータを図32の表Vにまとめた。表Vのデータからわかるように、高エネルギーイオンによる堆積窒化チタンの衝突を含んだプラズマアニールにより、窒化チタン膜の濃度が、コントロール膜に較べて増加する。 Rutherford backscattering was used to determine the concentration (atomics / cm 3 ) of the control titanium nitride deposited film and the titanium nitride deposited film of the example. These data are summarized in Table V of FIG. As can be seen from the data in Table V, the concentration of the titanium nitride film increases as compared to the control film by plasma annealing including collision of deposited titanium nitride with high energy ions.

本発明は、窒化チタンバリア膜に限定されるものではない。本発明は、アルミニウム、銅、タンタル、五酸化タンタル、珪化物、その他窒化物等の他の物質の性能を向上させ化学組成を向上させるものでもある。例えば、二元素の窒化メタルMXY 及び三元素の窒化珪化メタル MXSiYZ の性質及び化学組成(MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、W及びその他のメタル)は、本発明の特徴を実行することにより向上させることができる。ステンレス鋼、メタル、酸化物、ガラスや珪化物等、シリコンウエハ以外の基板を用いることもできる。 The present invention is not limited to a titanium nitride barrier film. The present invention also improves the chemical composition by improving the performance of other materials such as aluminum, copper, tantalum, tantalum pentoxide, silicides, and other nitrides. For example, the properties and chemical composition (M is Ti, Zr, Hf, Ta, Mo, W and other metals) of the two-element metal nitride M X N Y and the three-element silicidation metal M X Si Y N Z are: It can be improved by implementing the features of the present invention. Substrates other than silicon wafers such as stainless steel, metal, oxide, glass and silicide can also be used.

堆積とプラズマアニールは、チャンバ110A、110B及び110C等の前駆体ガス及びプラズマの機能を有するCVDチャンバ1つの中で行うことができる。チャンバ110A、110B又は110Cを用いる場合は、窒化チタンを堆積した後同じチャンバでアニールを行うことができる。あるいは、図3(a)に示されるような装置を本発明の実施に用いる場合は、チャンバ1つ以上を使用してもよい。チャンバ1つ以上を用いる場合は、基板をCVDチャンバ10からからアニールチャンバへ移送させる間、真空状態を維持することが好ましい。   Deposition and plasma annealing can be performed in one CVD chamber with precursor gas and plasma functions, such as chambers 110A, 110B and 110C. When the chambers 110A, 110B, or 110C are used, annealing can be performed in the same chamber after titanium nitride is deposited. Alternatively, one or more chambers may be used when an apparatus such as that shown in FIG. 3 (a) is used in the practice of the present invention. If more than one chamber is used, it is preferable to maintain a vacuum while transferring the substrate from the CVD chamber 10 to the annealing chamber.

堆積窒化チタンのプラズマアニールをチャンバ110Bで行う場合は、以下の手順をその後に行うことができる。ウエハ114はウエハ支持体116上に置かれ、シャワーヘッド136から約0.3〜0.8インチ、好ましくは0.6〜0.7インチの間隔が置かれている。約350kHz、電力100〜500ワットでRFシグナルソースから基板にエネルギーを印加することにより、エネルギーが与えられたイオンが得られる。これは言い換えれば、ウエハ114の表面積の平方センチメートル(cm2)当たり約0.3〜1.6ワットということである。 When plasma annealing of the deposited titanium nitride is performed in the chamber 110B, the following procedure can be performed thereafter. The wafer 114 is placed on the wafer support 116 and is spaced from the showerhead 136 by about 0.3-0.8 inches, preferably 0.6-0.7 inches. Energized ions are obtained by applying energy from an RF signal source to the substrate at about 350 kHz and power of 100-500 Watts. In other words, about 0.3 to 1.6 watts per square centimeter (cm 2 ) of the surface area of the wafer 114.

ウエハ支持体116及びシャワーヘッド136に負の電力が与えられ、チャンバ壁が接地されて、50〜1,000ボルトのDC自己バイアス電圧が誘起される。ウエハ114と接地の間には、自己バイアス電圧が200〜800ボルトであることが好ましい。これは、イオンを誘引してウエハ114表面に高いエネルギーで衝撃を与えるに十分である。その結果、堆積窒化チタンは、パッシベーション又は密度化が施され、経時的に安定を維持するようになる。   Negative power is applied to the wafer support 116 and the showerhead 136, the chamber walls are grounded, and a DC self-bias voltage of 50-1,000 volts is induced. The self-bias voltage is preferably 200-800 volts between the wafer 114 and ground. This is sufficient to attract ions and impact the surface of the wafer 114 with high energy. As a result, the deposited titanium nitride is passivated or densified and remains stable over time.

図33は、本発明に従って形成した窒化チタンの2つの異なる層に対して、空気曝露時間に対する原子酸素濃度のグラフである。これら両方の窒化チタン膜は、同じチャンバ内で堆積しプラズマアニールが施された。このチャンバは、上述のチャンバ110Bと同様のものである。   FIG. 33 is a graph of atomic oxygen concentration versus air exposure time for two different layers of titanium nitride formed in accordance with the present invention. Both these titanium nitride films were deposited in the same chamber and plasma annealed. This chamber is similar to the chamber 110B described above.

各膜について、堆積とアニールのサイクルを繰り返すことにより、厚さ200オングストロームの窒化チタン膜が形成された。これを行うには、100オングストロームの層を堆積し、次いで、アニールを行い、この後、第2の100オングストロームの層を堆積しアニールする。アニールは、N2プラズマを用いて行った。原子酸素のパーセンテージは、2つの膜に対して、24時間の期間繰り返し測定され、これはプロット312に反映されている。 By repeating the cycle of deposition and annealing for each film, a titanium nitride film having a thickness of 200 angstroms was formed. To do this, a 100 Å layer is deposited and then annealed, followed by a second 100 Å layer deposited and annealed. Annealing was performed using N 2 plasma. The percentage of atomic oxygen was measured repeatedly for a period of 24 hours for the two films, which is reflected in plot 312.

プロット312からわかるように、酸素の濃度は最初は約2%であった。24時間後の濃度は2.5%未満であり、堆積膜が非常に安定であったことが示された。これに較べ、プロット314はアニールを行わない従来からのCVDを用いて堆積した窒化チタン膜について測定した酸素濃度測定を例示する。これらの膜は、最初から高い酸素濃度(15%)を有していただけでなく、高い速度で酸素を吸収していた。また、従来技術により形成した膜は安定性が低く、抵抗率は経時的に著しく上昇した。比較のため、図34における点316は、物理気相堆積により堆積した窒化チタン膜の典型的な酸素濃度(約1%)を例示する。   As can be seen from plot 312, the concentration of oxygen was initially about 2%. The concentration after 24 hours was less than 2.5%, indicating that the deposited film was very stable. In comparison, plot 314 illustrates an oxygen concentration measurement measured for a titanium nitride film deposited using conventional CVD without annealing. These films not only had a high oxygen concentration (15%) from the beginning, but also absorbed oxygen at a high rate. In addition, the film formed by the prior art has low stability, and the resistivity has increased remarkably over time. For comparison, point 316 in FIG. 34 illustrates a typical oxygen concentration (about 1%) of a titanium nitride film deposited by physical vapor deposition.

図34(a)〜(c)は、それぞれ別の膜についてのXPSスペクトルのグラフである。図34(a)は、200オングストロームの非アニール膜のスペクトルを表し、316において有機結合炭素のレベルが比較的高いことを示している。これとは対称的に、図34(b)及び34(c)の作成に用いた200オングストローム膜の測定結果は、それぞれ317,318において、有機結合炭素のレベルが下がったことを示している。図34(b)のために用いた膜の形成は、100オングストロームの窒化チタン層を堆積し、本発明に従ってプラズマアニールし、その後第2の窒化チタンの100オングストローム層を堆積しアニールすることにより行われたことを、注記すべきである。図34(c)は、窒化チタンの50オングストローム厚の層4つを連続的に堆積及びアニールしたものである。   34A to 34C are graphs of XPS spectra for different films, respectively. FIG. 34 (a) represents the spectrum of a 200 Å non-annealed film and shows that at 316 the level of organic bonded carbon is relatively high. In contrast to this, the measurement results of the 200 Å film used in the creation of FIGS. 34 (b) and 34 (c) indicate that the level of organic bonded carbon has decreased at 317 and 318, respectively. The formation of the film used for FIG. 34 (b) was accomplished by depositing a 100 Å titanium nitride layer, plasma annealing according to the present invention, and then depositing and annealing a second 100 Å layer of titanium nitride. It should be noted that FIG. 34 (c) shows four 50 Å thick layers of titanium nitride deposited and annealed sequentially.

図35(a)及び(b)は、本発明による向上を更に例示するものである。図35(a)は、堆積しN2でプラズマアニールしたCVD窒化チタン膜を用いたバイアの抵抗率を示す。これらバイアは、先ずCVD窒化チタン接着層によってラインが形成され、その後、CVDタングステンプラグにより充填された。図35(a)は、膜堆積厚に対するバイア抵抗率のグラフである。このグラフは、アスペクト比が約2.5の0.5μmバイアについて作成されたものである。図示のように、プラズマアニール膜についてバイア抵抗率(プロット320)は、非アニールの従来法で堆積した膜(プロット322)よりも実質的に低い。比較のため、PVD堆積窒化チタン膜が矢印324によって例示される。 FIGS. 35 (a) and (b) further illustrate the improvements of the present invention. FIG. 35 (a) shows the resistivity of vias using CVD titanium nitride films deposited and plasma annealed with N 2 . These vias were first lined with a CVD titanium nitride adhesive layer and then filled with CVD tungsten plugs. FIG. 35 (a) is a graph of via resistivity versus film deposition thickness. This graph was created for 0.5 μm vias with an aspect ratio of about 2.5. As shown, the via resistivity (plot 320) for the plasma annealed film is substantially lower than the non-annealed conventional deposited film (plot 322). For comparison, a PVD deposited titanium nitride film is illustrated by arrow 324.

窒化チタン厚さに対するサリサイドコンタクト抵抗を表す図35(b)のグラフにより、同様の向上が例示される。このグラフは、アスペクト比が約2.5の0.5μmバイアについてプロットしたものである。プロット330は、本発明に従ってN2プラズマ処理により作ったコンタクトの抵抗を示す。プロット330は、従来からのCVD堆積によって得られらたコンタクト抵抗を表すプロット332で例示される抵抗よりも実質的に低い抵抗を例示する。比較のため、PVDチタンコントロールコンタクト抵抗が、矢印334によって与えられる。 A similar improvement is illustrated by the graph of FIG. 35 (b) representing salicide contact resistance versus titanium nitride thickness. This graph is plotted for 0.5 μm vias with an aspect ratio of about 2.5. Plot 330 shows the resistance of a contact made by N 2 plasma treatment according to the present invention. Plot 330 illustrates a resistance that is substantially lower than the resistance illustrated in plot 332 that represents the contact resistance obtained by conventional CVD deposition. For comparison, PVD titanium control contact resistance is given by arrow 334.

図36は、所望の厚さの膜1つを形成するために用いる堆積及びアニールのサイクルの数の効果を例示する。図36では、総厚みが200オングストロームの窒化チタン膜が化学気相堆積によって堆積されN2プラズマでアニールされた。プロット340で例示される第1のケースでは、プロセスは4サイクルで行い、この4層のそれぞれにおいては、厚さ50オングストロームの層を堆積させプラズマアニールを次の層の堆積の前に行った。プロット342で例示される第2のケースでは、100オングストロームの2層を堆積し別々にアニールした。 FIG. 36 illustrates the effect of the number of deposition and annealing cycles used to form one film of the desired thickness. In FIG. 36, a titanium nitride film with a total thickness of 200 Å was deposited by chemical vapor deposition and annealed with N 2 plasma. In the first case, illustrated by plot 340, the process was performed in four cycles, in each of the four layers, a 50 Å thick layer was deposited and a plasma anneal was performed prior to deposition of the next layer. In the second case, illustrated by plot 342, two layers of 100 Å were deposited and annealed separately.

プロット340で示されるケースでは、曲線342で与えられるケース(700〜800μΩ−cm)よりも低い抵抗率(500〜600μΩ−cm)が示される。しかし、プロット340及び342の両方で示される膜の抵抗率は、上限である1000μΩ−cmよりも低い。また、各ケースにおいて8日後の抵抗率の上昇は、両ケースにおいてほぼ同じであり5%未満であった。   The case shown by plot 340 shows a lower resistivity (500-600 μΩ-cm) than the case given by curve 342 (700-800 μΩ-cm). However, the resistivity of the film shown in both plots 340 and 342 is lower than the upper limit of 1000 μΩ-cm. In each case, the increase in resistivity after 8 days was almost the same in both cases and was less than 5%.

プラズマ処理プロセスの圧力が膜の抵抗率とDCバイアス電圧に及ぼす影響を調べるため、更にテストを行った。このテストの結果は、図37に例示される。図37は、印加電力が約20ワットでプラズマ中で60秒処理を行った200オングストロームの窒化チタン堆積物に対して作成したものである。   Further tests were conducted to investigate the effect of plasma treatment process pressure on film resistivity and DC bias voltage. The result of this test is illustrated in FIG. FIG. 37 was created for a 200 Angstrom titanium nitride deposit that was applied for 60 seconds in plasma with an applied power of about 20 Watts.

プロット350に示されるように、本発明のプロセスにより生成した膜によって示される向上した抵抗率は、プロセス圧力には概略的には依存しない。しかし、プロセス圧力が200ミリトールよりも低い場合では、低い抵抗率が実現されなかった。   As shown in plot 350, the improved resistivity exhibited by the film produced by the process of the present invention is generally independent of process pressure. However, low resistivity was not achieved when the process pressure was lower than 200 mTorr.

プロット352に例示されるように、プロセス圧力が約200ミリトールから1000ミリトールへと上昇するにつれて、プラズマ全体で誘起されるDCバイアスは実質的に下がった。その後、約150ボルトで比較的一定に維持された。   As illustrated in plot 352, as the process pressure was increased from about 200 mTorr to 1000 mTorr, the DC bias induced across the plasma was substantially reduced. Thereafter, it remained relatively constant at about 150 volts.

図38(a)は、処理時間及び周波数の膜抵抗率への影響を例示する。総膜圧が400オングストロームの4つの異なる膜の比較を行った。プロット360で示される膜は、最初に50オングストロームの層を1層堆積及びアニールし、その後、25オングストロームの層を6層堆積及びアニールして、形成した。これらの層それぞれは、堆積させた後に次の層の他の前にアニールを施したものである。プロット362で示される第2の膜は、50オングストロームの層を4層それぞれ堆積及びアニールして形成したものである。プロット364で示される第3の膜は、100オングストロームの層を2層それぞれ堆積及びアニールして形成したものである。プロット366で示される最後の膜は、200オングストロームの層1層を堆積させた後、本発明に従ってアニールして形成したものである。   FIG. 38 (a) illustrates the effect of processing time and frequency on membrane resistivity. A comparison of four different membranes with a total membrane pressure of 400 Angstroms was made. The film shown in plot 360 was formed by first depositing and annealing a 50 Å layer followed by 6 25 Å layers. Each of these layers has been deposited and annealed before the next layer. The second film indicated by plot 362 is formed by depositing and annealing four 50 angstrom layers, respectively. The third film indicated by plot 364 is formed by depositing and annealing two 100 angstrom layers, respectively. The last film shown in plot 366 is formed by depositing a layer of 200 Angstroms and then annealing according to the present invention.

図38(a)のこれらのプロットから、数多くの観測が可能である。最終的な層を作るための個々の層の数が多くなれば、抵抗率が低くなるだろう。また、個々の層が薄くなれば、プラズマ処理の時間が抵抗率に与える影響が小さくなる。図38(b)は、プラズマ処理時間の膜抵抗率に及ぼす影響についての別の例を例示する。   Numerous observations are possible from these plots in FIG. As the number of individual layers to make the final layer increases, the resistivity will decrease. In addition, if the individual layers are thinned, the influence of the plasma treatment time on the resistivity is reduced. FIG. 38B illustrates another example of the influence of the plasma processing time on the film resistivity.

抵抗の低減及び膜の安定性の上昇に加えて、本発明の方法を他の目的に用いることができるだろう。N2プラズマを用いてアニールを施した膜の分析は、膜の表面近くの窒素の量が上昇することを示した。これは、窒素イオンの一部が膜中に埋め込まれ膜と反応したと思われる。従って、プラズマからのイオン/分子を膜中に増やすために、このアニールプロセスを用いることができるだろう。更に、このプロセスを用いて、膜から不要な分子/イオンを排除ないし交代させることができるだろう。図34(b)〜(c)は、膜に衝突したイオンが炭素原子を追い出すことを示している。 In addition to reducing resistance and increasing film stability, the method of the present invention could be used for other purposes. Analysis of the film annealed with N 2 plasma showed an increase in the amount of nitrogen near the surface of the film. This is probably because some of the nitrogen ions were embedded in the film and reacted with the film. Thus, this annealing process could be used to increase ions / molecules from the plasma into the film. In addition, this process could be used to eliminate or replace unwanted molecules / ions from the membrane. FIGS. 34 (b) to (c) show that ions colliding with the film expel carbon atoms.

(b.窒素/水素プラズマ)本発明の別の具体例では、窒素と水素の混合ガスを用いて、ウエハ114上に堆積した膜のプラズマアニール中にプラズマを生成する。第1のステップとして、従来からの熱CVD処理を用いて、ウエハ114上に窒化チタン膜を堆積させる。その後、窒素と水素の混合ガスを有するガスから生成したプラズマを用いて、堆積材料をアニールする。   (B. Nitrogen / Hydrogen Plasma) In another embodiment of the invention, a mixed gas of nitrogen and hydrogen is used to generate plasma during plasma annealing of the film deposited on the wafer 114. As a first step, a titanium nitride film is deposited on the wafer 114 using a conventional thermal CVD process. Thereafter, the deposited material is annealed using plasma generated from a gas having a mixed gas of nitrogen and hydrogen.

チャンバ110A、110B又は110Cの何れを用いてこれらのステップを行う場合は、CVD処理及びアニールは同じチャンバ内で行ってもよい。あるいは、1つのチャンバで窒化チタンをウエハ114上に堆積させ、堆積後プラズマアニールのためにウエハ114を別のチャンバ内に移送してもよい。   When these steps are performed using any of the chambers 110A, 110B, or 110C, the CVD process and the annealing may be performed in the same chamber. Alternatively, titanium nitride may be deposited on the wafer 114 in one chamber and the wafer 114 may be transferred into another chamber for post deposition plasma annealing.

チャンバ110Aを用いる場合は、ウエハ114をウエハ支持体116上に配置させ、シャワーヘッド136から約0.3〜0.8インチ、好ましくは0.6〜0.7インチ間隔をとる。上述の如く、窒化チタン膜の層をウエハ114上に堆積させてもよい。最初に堆積させる窒化チタン層は、厚さ50〜200オングストロームであってもよい。   If chamber 110A is used, wafer 114 is placed on wafer support 116 and spaced approximately 0.3 to 0.8 inches, preferably 0.6 to 0.7 inches from showerhead 136. As described above, a layer of titanium nitride film may be deposited on the wafer 114. The initially deposited titanium nitride layer may be 50 to 200 angstroms thick.

堆積が完了した後、堆積材料のプラズマアニールを開始させる。シャワーヘッド136を介して、窒素と水素が3:1の混合ガスを備えるガスを処理チャンバ112内に導入する。窒素と水素の混合ガスは、窒素の流量が約30sccmで導入させる。次いで、RFソース142は、整合回路網145を介して、350ワットのRF電力を350kHzで供給し、RFシグナルをウエハ支持体116及びシャワーヘッド136に発生させる。シャワーヘッド136のRFシグナルとウエハ支持体116のRFシグナルは、位相が180度ずれていることが好ましい。   After deposition is complete, plasma annealing of the deposited material is initiated. A gas having a 3: 1 mixed gas of nitrogen and hydrogen is introduced into the processing chamber 112 through the shower head 136. The mixed gas of nitrogen and hydrogen is introduced at a nitrogen flow rate of about 30 sccm. The RF source 142 then provides 350 watts of RF power at 350 kHz via the matching network 145 to generate an RF signal to the wafer support 116 and the showerhead 136. The RF signal of the shower head 136 and the RF signal of the wafer support 116 are preferably 180 degrees out of phase.

上述の混合ガスは窒素と水素の比が3:1であるが、3:1〜2:1の間であれば何れの比を用いることができる。一般的には、混合ガス中の水素の割合が多いほど、膜が長期間の安定性を有するようになる。しかし、プラズマ中の水素が多すぎる場合は、水素が膜中の炭素と結合してポリマーを生成し、膜の抵抗率を上昇させる。   The above-mentioned mixed gas has a ratio of nitrogen to hydrogen of 3: 1, but any ratio can be used as long as it is between 3: 1 and 2: 1. In general, the higher the proportion of hydrogen in the mixed gas, the longer the film will have stability. However, if there is too much hydrogen in the plasma, the hydrogen combines with the carbon in the film to produce a polymer, increasing the resistivity of the film.

シャワーヘッド136及びウエハ支持体116に供給されるRF電力の影響下で、プラズマに含有される正荷電の窒素及び水素イオンが生成する。プラズマは典型的には、10〜30秒間維持される。上述の如く、処理チャンバ112は接地されている。シャワーヘッド136は、−100〜−400ボルト、典型的には−200ボルトの負バイアスを得る。ウエハ114は自己バイアスにより、−100〜−400ボルト、典型的には−300ボルトの負バイアスを得る。この負バイアス電圧は、衝突の時間中はおよそ一定に維持される。   Under the influence of the RF power supplied to the shower head 136 and the wafer support 116, positively charged nitrogen and hydrogen ions contained in the plasma are generated. The plasma is typically maintained for 10-30 seconds. As described above, the processing chamber 112 is grounded. The showerhead 136 obtains a negative bias of -100 to -400 volts, typically -200 volts. Wafer 114 gains a negative bias of -100 to -400 volts, typically -300 volts, due to self-bias. This negative bias voltage remains approximately constant during the time of the collision.

衝突の時間中は、プラズマからの正荷電イオンは、ウエハ114の表面における電圧勾配により加速される。これにより、イオンがウエハ表面に衝突して50〜100オングストロームの深さまで浸透するようになる。また、エネルギーを受けた中性の原子粒子がウエハ114に衝突することもある。   During the collision time, positively charged ions from the plasma are accelerated by a voltage gradient at the surface of the wafer 114. As a result, ions collide with the wafer surface and penetrate to a depth of 50 to 100 angstroms. In addition, neutral atomic particles receiving energy may collide with the wafer 114.

イオン衝突の結果、堆積材料の圧縮が生じ、その厚さが20〜50%減少することがある。この減少は、ウエハ温度とプラズマ処理の時間及びエネルギーに依存する。所望により、続けて、窒化チタンの層を更に堆積させアニールしてもよい。この更に形成する層はそれぞれ、厚さが50〜100オングストロームであることが好ましい。   As a result of ion bombardment, compression of the deposited material can occur, reducing its thickness by 20-50%. This reduction depends on the wafer temperature and the plasma processing time and energy. If desired, a further layer of titanium nitride may be subsequently deposited and annealed. Each of the further formed layers preferably has a thickness of 50 to 100 angstroms.

アニールが完了した後、得られたアニール済み窒化チタン膜は、数多くの性能の向上を示す。酸素含有量は20〜25%減少し、酸素は堆積アニール材料の1%未満を占めるだけとなる。膜の密度は、立方センチメートル当たり3.1グラム(3.1g/cm3 )未満であったのが、約3.9 g/cm3 に増加する。堆積膜中に含まれる炭素の分率は25%以上減少し、炭素は堆積膜の3%を占めるだけとなる。膜の構造の変化が起こり、膜の抵抗率が処理前の10,000μΩ−cmから150μΩ−cmへと降下する。アニールした膜を酸素、空気又は水蒸気に曝露した場合、堆積膜にアニールをしない場合に較べて、酸素の吸収量が著しく小さくなる。プラズマアニールにより、このように堆積させた膜中の炭素及び窒素をプラズマからの窒素に交代させる。 After annealing is complete, the resulting annealed titanium nitride film exhibits numerous performance improvements. The oxygen content is reduced by 20-25% and oxygen only accounts for less than 1% of the deposition anneal material. The density of the film was less than 3.1 grams per cubic centimeter (3.1 g / cm 3 ) but increased to about 3.9 g / cm 3 . The fraction of carbon contained in the deposited film is reduced by 25% or more, and carbon only accounts for 3% of the deposited film. A change in the structure of the film occurs, and the resistivity of the film drops from 10,000 μΩ-cm before processing to 150 μΩ-cm. When the annealed film is exposed to oxygen, air, or water vapor, the amount of oxygen absorbed is significantly smaller than when the deposited film is not annealed. By plasma annealing, carbon and nitrogen in the film thus deposited are replaced with nitrogen from the plasma.

プラズマ生成ガスへ水素を添加することにより、イオン衝突により膜から追い出され処理チャンバ112の内側をコーティングする炭素の量を著しく低減させることが見出された。処理チャンバ112の炭素コーティングを低減することは利益があり、何故なら、このような炭素コーティングはチャンバのインピーダンスを変化させ、プラズマの正確な制御を困難にしてしまうからである。炭素コーティングを減らすことにより、クリーニングが必要になるまで処理チャンバ112を使用できる回数が多くなる。   It has been found that adding hydrogen to the plasma generating gas significantly reduces the amount of carbon that is driven out of the membrane by ion bombardment and coats the inside of the processing chamber 112. It would be beneficial to reduce the carbon coating of the processing chamber 112 because such carbon coating changes the impedance of the chamber and makes it difficult to accurately control the plasma. By reducing the carbon coating, the processing chamber 112 can be used more times until cleaning is required.

図39(a)は、二酸化珪素層の上に厚さ100オングストロームの窒化チタン層を堆積し、続けてアニールして形成した窒化チタン膜に対してのオージェ電子分光深さプロファイルである。図39(a)に示されるように、炭素含有量及び酸素含有量は、膜のほぼ全域で均一であり、炭素は9原子パーセント、酸素は2原子パーセントである。アニールした窒化チタン膜の抵抗率は、約250μΩ−cmである。   FIG. 39A shows an Auger electron spectral depth profile for a titanium nitride film formed by depositing a titanium nitride layer having a thickness of 100 angstroms on the silicon dioxide layer and subsequently annealing. As shown in FIG. 39 (a), the carbon content and the oxygen content are uniform almost throughout the film, with 9 atomic percent for carbon and 2 atomic percent for oxygen. The resistivity of the annealed titanium nitride film is about 250 μΩ-cm.

図39(b)は、窒化チタンの50オングストロームの層を堆積しアニールして得られた場合の更なる向上を示す。図39(b)は、二酸化珪素層の上面に厚さ50オングストロームの窒化チタン層を堆積し、続けてアニールして形成した窒化チタン膜に対してのオージェ電子分光深さのプロファイルである。ここでも、炭素含有量及び酸素含有量は、膜のほぼ全域で均一であり、炭素は3原子パーセント、酸素は1原子パーセントである。チタンと窒素の割合は、100オングストロームのプロセスにおけるよりも高い。アニールした窒化チタン膜の抵抗率は、約180μΩ−cmである。   FIG. 39 (b) shows a further improvement when obtained by depositing and annealing a 50 Å layer of titanium nitride. FIG. 39B shows an Auger electron spectral depth profile for a titanium nitride film formed by depositing a titanium nitride layer having a thickness of 50 angstroms on the upper surface of the silicon dioxide layer and subsequently annealing. Again, the carbon and oxygen contents are uniform throughout the film, with 3 atomic percent for carbon and 1 atomic percent for oxygen. The ratio of titanium and nitrogen is higher than in the 100 angstrom process. The resistivity of the annealed titanium nitride film is about 180 μΩ-cm.

(c.窒素/水素/希ガスのプラズマ)本発明のまた別の具体例では、アニールプラズマを生成するために用いる窒素及び水素の混合ガスは、他のガス、例えばアルゴン、ヘリウムやアンモニア等を含んでいてもよい。また、希ガスを更に含むことにより、イオン衝突処理が向上する。アルゴン原子はヘリウム原子よりも重いため、アルゴン原子の方が優れた衝突能力を与えるだろう。   (C. Nitrogen / Hydrogen / Rare Gas Plasma) In yet another embodiment of the present invention, the mixed gas of nitrogen and hydrogen used to generate the annealing plasma may be another gas such as argon, helium, or ammonia. May be included. Further, the ion collision treatment is improved by further including a rare gas. Since argon atoms are heavier than helium atoms, argon atoms will give better collision capabilities.

更に、窒化チタン以外の材料でできた膜の組成を、本発明と同様の方法で変えてもよいことが考えられる。膜中に含有させるか、膜に存在する不純物と反応させるかのいずれかにより、膜の化学組成を変えるために他のガスをプラズマに加えてもよい。例えば、NH3及びCH4を用いてもよい。酸素ベースのプラズマガスは、Ta25 等の酸化膜を処理するためにより適している。 Furthermore, it is conceivable that the composition of a film made of a material other than titanium nitride may be changed by the same method as in the present invention. Other gases may be added to the plasma to alter the chemical composition of the film, either by inclusion in the film or by reacting with impurities present in the film. For example, NH 3 and CH 4 may be used. Oxygen-based plasma gases are more suitable for processing oxide films such as Ta 2 O 5 .

本発明をプラズマ衝突CVD堆積膜について説明してきたが、本発明は、PVD堆積膜にも適用性がある。更に、本発明は、二元素の窒化メタルMXY 及び三元素の窒化珪化メタル MXSiYZ (MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、W及びその他のメタル)の処理において顕著な用途が見出されている。 Although the present invention has been described for plasma impinging CVD deposited films, the present invention is also applicable to PVD deposited films. In addition, the present invention provides for the treatment of two-element metal nitride M X N Y and three-element silicidation metal M X Si Y N Z (M is Ti, Zr, Hf, Ta, Mo, W and other metals). Significant uses have been found.

また、本発明を用いて、膜のモルフォロジーを有利な方へ変えることもできる。薄いバリア材料は、その粒子配向(グレインオリエンテーション)の均一性を向上させるために、本発明の高密度イオン衝突を受けてもよい。下にある層のグレインの配向がその次に堆積する層の構造に影響を与えるため、本発明は、下の層の結晶構造及び/又は成長方向を変えることにより、その次に堆積する層のモルフォロジーを変え向上させる能力を提供する。   The present invention can also be used to change the film morphology to an advantageous one. Thin barrier materials may be subjected to the high density ion bombardment of the present invention in order to improve the uniformity of their grain orientation. Since the grain orientation of the underlying layer affects the structure of the next deposited layer, the present invention can change the crystal structure and / or growth direction of the underlying layer to change the layer of the next deposited layer. Provides the ability to change and improve morphology.

多数の層のモルフォロジーを制御するには、厚さ50オングストローム未満の薄い核界面層を堆積し、次いで高密度イオン衝突によりこれを変化させ、そして、標準的な技術によりバルク又は残りの膜を堆積させればよい。上にある層の構造は、前に変化させた下層の構造により決定できる。   To control the morphology of multiple layers, deposit a thin nuclear interface layer less than 50 angstroms thick, then change it by high density ion bombardment, and deposit bulk or remaining film by standard techniques You can do it. The structure of the overlying layer can be determined by the structure of the underlying layer that has been changed previously.

このことは、図40を参照して例示することができる。窒化チタン膜については、好ましい結晶及び配向は<200>であると決められてきた。水素をプラズマに加えれば、結晶性を高めることにより膜を向上できることが考えられる。図40は、シリコンウエハ上に堆積させた厚さ1000オングストロームの従来形CVD窒化チタン層の、角度走査に係るX線回折である。<200>方向に配向するグレインの数を表すカーブの点は、ラベル300によって示される。このグラフからわかるように、明確なTiN<200>ピークは存在しない。このことは、従来からのCVDプロセスを用いて形成した膜中には、結晶性TiN<200>は弱いことを示している。   This can be illustrated with reference to FIG. For titanium nitride films, the preferred crystal and orientation has been determined to be <200>. If hydrogen is added to the plasma, the film can be improved by increasing the crystallinity. FIG. 40 is an X-ray diffraction for angular scanning of a conventional CVD titanium nitride layer 1000 Å thick deposited on a silicon wafer. A point on the curve representing the number of grains oriented in the <200> direction is indicated by a label 300. As can be seen from this graph, there is no clear TiN <200> peak. This indicates that crystalline TiN <200> is weak in a film formed using a conventional CVD process.

図41は、本発明に従ってシリコンウエハ上に堆積させアニールを施した、厚さ1000オングストロームのCVD窒化チタン層の、角度走査に係るX線回折である。この回折パターンから、ラベル350で示されるように、膜が好ましい配向<200>を有する微少結晶性であることが示される。40〜45度の間においては、ほぼ<200>方向に配向したグレインの数が多い。更に、図40のピーク310は、図41において著しく低い。   FIG. 41 is an X-ray diffraction for angular scanning of a 1000 Å thick CVD titanium nitride layer deposited and annealed on a silicon wafer according to the present invention. This diffraction pattern indicates that the film is microcrystalline with a preferred orientation <200>, as indicated by label 350. Between 40 and 45 degrees, the number of grains oriented almost in the <200> direction is large. Furthermore, the peak 310 of FIG. 40 is significantly lower in FIG.

(3.続けて行うアニール)堆積膜の抵抗率を更に下げるため、本発明に従ってプラズマアニールプロセスを変え、2つの連続したプラズマアニールのステップを含めるようにしてもよい。第1のアニールのステップは、上述のように窒素及び水素を含む混合ガスから生成したプラズマを用いて行う。第2のプラズマアニールのステップは、アニールした材料から水素を除去するために行われるが、それは水素は酸素との親和力が高く、このため抵抗率を上げてしまうからである。   (3. Subsequent annealing) In order to further reduce the resistivity of the deposited film, the plasma annealing process may be modified according to the present invention to include two successive plasma annealing steps. The first annealing step is performed using plasma generated from a mixed gas containing nitrogen and hydrogen as described above. The second plasma annealing step is performed to remove hydrogen from the annealed material because hydrogen has a high affinity for oxygen and thus increases the resistivity.

第2のプラズマで生成したイオンは、堆積及びアニールした材料に衝突し、材料の表面にある水素を、膜から不要な副生成物として追い出す。水素が低減することにより、酸素に対する材料の親和力が低減し、これによって、膜の抵抗率が低くなり向上した安定性を示すことが可能となる。   The ions generated in the second plasma collide with the deposited and annealed material, driving off the hydrogen on the surface of the material as an unwanted byproduct from the film. The reduction of hydrogen reduces the affinity of the material for oxygen, which can lower the resistivity of the film and exhibit improved stability.

続けて行う第2のアニールのステップにおいてプラズマ生成のために用いるガスは、窒素又は、ヘリウムとアルゴンとネオンとの何れかと窒素との混合ガスを有していてもよい。ヘリウムは、窒素分子のイオン化を促進しN+、N2 +、N3 +及びN4 +の各イオンの再結合の確率を低減するため好ましい。窒素及びヘリウムの混合ガスは、窒素単独で用いるよりも好ましく、その理由は、ヘリウムベースのプラズマのイオンは、イオン化効率を向上させることが可能であり、そのため、イオン反応性を促進し浸透深さを大きくすることができる。浸透深さが深くなれば、追い出される水素の量が多くなり、堆積材料の抵抗率の低減を最大にすることができるようになる。更に、少量のヘリウムがあれば、水素原子が存在していたため堆積材料に残された空隙であって、窒素原子で充填するには小さすぎる空隙を充填することが可能となる。 The gas used for generating the plasma in the subsequent second annealing step may include nitrogen or a mixed gas of any one of helium, argon, and neon and nitrogen. Helium is preferred because it promotes the ionization of nitrogen molecules and reduces the probability of recombination of N + , N 2 + , N 3 + and N 4 + ions. A mixed gas of nitrogen and helium is preferred over using nitrogen alone because the ions in the helium-based plasma can improve ionization efficiency, thus promoting ion reactivity and penetration depth Can be increased. As the penetration depth increases, the amount of hydrogen that is expelled increases and the reduction in the resistivity of the deposited material can be maximized. Furthermore, if there is a small amount of helium, it is possible to fill voids left in the deposited material because hydrogen atoms exist, which are too small to be filled with nitrogen atoms.

本発明に従い、チャンバ110A等のチャンバ内にウエハ114を配置させ、上述のようにウエハ上に材料の層を堆積させる。堆積材料は、拡散バリアとして用いるための窒化チタンであってもよい。   In accordance with the present invention, a wafer 114 is placed in a chamber, such as chamber 110A, and a layer of material is deposited on the wafer as described above. The deposited material may be titanium nitride for use as a diffusion barrier.

材料の層を堆積した後は、イオン衝突の第1のアニールのプロセスを行う。ウエハ114は、ウエハ支持体116上に置かれているが、シャワーヘッド136から約0.3〜0.8インチのところにあってもよい。ウエハ114はシャワーヘッド136から0.6〜0.7インチであることが好ましい。   After depositing the layer of material, a first annealing process of ion bombardment is performed. The wafer 114 is placed on the wafer support 116 but may be about 0.3 to 0.8 inches from the showerhead 136. Wafer 114 is preferably 0.6 to 0.7 inches from showerhead 136.

イオン衝突は、先ずシャワーヘッド136を介してガスを処理チャンバ112へ移動させることにより実現される。本発明の一具体例では、ガスは、窒素対水素の比が2:3の窒素と水素の混合ガスであり、窒素の流量が約600sccmで処理チャンバ112内に導入される。処理チャンバ112内の圧力は、約1.0トールに設定され、ウエハ温度は350〜450℃に設定される。本発明の代替的な具体例では、ガスは、窒素対水素の比が3:1〜1:2の混合ガスを含んでいてもよい。   The ion collision is realized by first moving the gas to the processing chamber 112 via the shower head 136. In one embodiment of the invention, the gas is a mixed gas of nitrogen and hydrogen with a nitrogen to hydrogen ratio of 2: 3 and is introduced into the processing chamber 112 at a nitrogen flow rate of about 600 sccm. The pressure in the processing chamber 112 is set to about 1.0 Torr and the wafer temperature is set to 350-450 ° C. In an alternative embodiment of the invention, the gas may comprise a gas mixture having a nitrogen to hydrogen ratio of 3: 1 to 1: 2.

第1のアニールのプロセスに次いで、RFソース142がシャワーヘッド136とウエハ支持体116にRFシグナルを供給する。これにより、ガスが、正荷電イオンを含むプラズマを生成する。RFソース142は、整合回路網145を介して、350ワットのRF電力を350kHzで供給し、位相が180度ずれているRFシグナルをウエハ支持体116及びシャワーヘッド136に発生させる。典型的には、プラズマを20秒間維持する。あるいは、RFソース142は、1MHz未満の周波数で350ワットのRF電力を供給してもよい。   Following the first annealing process, the RF source 142 provides an RF signal to the showerhead 136 and the wafer support 116. Thereby, the gas generates a plasma containing positively charged ions. The RF source 142 supplies 350 watts of RF power at 350 kHz via the matching network 145 and generates RF signals that are 180 degrees out of phase to the wafer support 116 and the showerhead 136. Typically, the plasma is maintained for 20 seconds. Alternatively, the RF source 142 may provide 350 watts of RF power at a frequency of less than 1 MHz.

RFソース142から電圧を繰り返しサイクルさせることにより、ウエハ114の近隣において電子が過剰になり、これがウエハ114に負バイアスを発生させる。ウエハ支持体116は、−100〜−400ボルト、典型的には−200ボルトの負バイアスを得ることができる。処理チャンバ112は接地され、ウエハ114の負バイアスは、−100〜−400ボルト、典型的には−300ボルトであり、これは、衝突の時間中はおよそ一定に維持される。   By repeatedly cycling the voltage from the RF source 142, electrons become excessive in the vicinity of the wafer 114, which creates a negative bias on the wafer 114. Wafer support 116 can obtain a negative bias of −100 to −400 volts, typically −200 volts. The processing chamber 112 is grounded and the negative bias of the wafer 114 is -100 to -400 volts, typically -300 volts, which remains approximately constant during the time of the collision.

イオン衝突中は、プラズマからの正荷電イオンは、ウエハ114の表面における電圧勾配により加速され、100〜110オングストロームの深さまで浸透する。また、エネルギーを受けた中性の原子粒子がウエハ114に衝突することもある。20秒間の第1のアニールが完了すれば、処理チャンバ112をパージする。   During ion bombardment, positively charged ions from the plasma are accelerated by a voltage gradient at the surface of the wafer 114 and penetrate to a depth of 100-110 angstroms. In addition, neutral atomic particles receiving energy may collide with the wafer 114. When the first anneal for 20 seconds is complete, the process chamber 112 is purged.

次いで、第2のアニールのプロセスを開始させる。本発明の一具体例では、プラズマ発生ガスは窒素のみである。このガスを、窒素流量約500〜1000sccmで処理チャンバ112内に導入する。処理チャンバ112内の圧力は約1.0トールに設定され、ウエハ温度は350〜450℃に設定される。   Next, a second annealing process is started. In one embodiment of the present invention, the plasma generating gas is only nitrogen. This gas is introduced into the processing chamber 112 at a nitrogen flow rate of about 500-1000 sccm. The pressure in the processing chamber 112 is set to about 1.0 Torr and the wafer temperature is set to 350-450 ° C.

本発明の代替的な具体例では、ガスは窒素とヘリウムの混合ガスで、窒素とヘリウムの比が0.2〜1.0であってもよい。アルゴン、ネオン、ヘリウム又はこれらの混合ガスと、窒素との組み合わせを含むガスを用いてもよい。   In an alternative embodiment of the invention, the gas may be a mixed gas of nitrogen and helium, and the ratio of nitrogen to helium may be 0.2-1.0. A gas including a combination of argon, neon, helium, or a mixed gas thereof and nitrogen may be used.

次に、第2のアニールのプロセスでは、RFソース142はシャワーヘッド136とウエハ支持体116にRFシグナルを供給する。これにより、正荷電を有するプラズマがガスから生成する。RFソース142は、整合回路網145を介して、300〜1,500ワットのRF電力を300〜400kHzで供給し、位相が180度ずれているRFシグナルをウエハ支持体116及びシャワーヘッド136に発生させる。典型的には、プラズマを15秒間維持する。あるいは、RFソース142は、13.5MHzの周波数で300〜1,500ワットのRF電力を供給してもよい。ソースの電力は、処理するウエハのサイズの変更に対する必要性を基に縮尺させてもよい。   Next, in a second anneal process, the RF source 142 provides an RF signal to the showerhead 136 and the wafer support 116. Thereby, plasma having positive charge is generated from the gas. The RF source 142 supplies 300 to 1,500 watts of RF power at 300 to 400 kHz via the matching network 145 and generates RF signals that are 180 degrees out of phase to the wafer support 116 and the showerhead 136. Let Typically, the plasma is maintained for 15 seconds. Alternatively, the RF source 142 may provide 300-1500 watts of RF power at a frequency of 13.5 MHz. The source power may be scaled based on the need to change the size of the wafer being processed.

第1のアニールのケースにおけると同様に、RFソース142から電圧を繰り返しサイクルさせることにより、ウエハ114の近隣において電子が過剰になり、これがウエハ114に負バイアスを発生させる。ウエハ支持体116は、−100〜−400ボルト、典型的には−300ボルトの負バイアスを得ることができ、シャワーヘッド136は−100〜−400ボルト、典型的には−200ボルトの負バイアスを得ることができる。処理チャンバ112は接地され、ウエハ114の負バイアスは、−100〜−400ボルト、典型的には−300ボルトであり、これは、衝突の時間中はおよそ一定に維持される。   As in the first anneal case, repeated cycling of the voltage from the RF source 142 causes excess electrons in the vicinity of the wafer 114, which creates a negative bias on the wafer 114. The wafer support 116 can obtain a negative bias of −100 to −400 volts, typically −300 volts, and the showerhead 136 can have a negative bias of −100 to −400 volts, typically −200 volts. Can be obtained. The processing chamber 112 is grounded and the negative bias of the wafer 114 is -100 to -400 volts, typically -300 volts, which remains approximately constant during the time of the collision.

イオン衝突中は、プラズマからの正荷電イオンは、ウエハ114の表面における電圧勾配により加速され。イオンはウエハ114の表面に浸透し、堆積しアニールした材料の水素分子を追い出す。また、エネルギーを受けた中性の原子粒子がウエハ114に衝突することもある。15秒間の第2のアニールが完了すれば、処理チャンバ112をパージする。   During ion collision, positively charged ions from the plasma are accelerated by a voltage gradient at the surface of the wafer 114. The ions penetrate the surface of the wafer 114 and drive out the hydrogen molecules of the deposited and annealed material. In addition, neutral atomic particles receiving energy may collide with the wafer 114. When the second anneal for 15 seconds is complete, the process chamber 112 is purged.

窒素ガスを用いる場合は、イオンは深さ70〜80オングストロームまで浸透する。ガスが窒素とヘリウムの混合ガスである場合は、イオンは深さ100〜125オングストロームまで浸透する。従って、窒素とヘリウムの混合ガスでアニールすれば、窒素のみを用いてアニールした場合よりもさらに多くの水素分子を追い出すことができる。   When nitrogen gas is used, the ions penetrate to a depth of 70-80 angstroms. When the gas is a mixed gas of nitrogen and helium, the ions penetrate to a depth of 100 to 125 angstroms. Therefore, if annealing is performed with a mixed gas of nitrogen and helium, more hydrogen molecules can be driven out than when annealing is performed using only nitrogen.

所望の厚さ、例えば150〜300オングストロームの拡散バリアを形成するため、上述のCVD堆積及び連続アニールするプロセスを繰り返す。所望の厚さを実現するまで、厚さ50〜100オングストロームのバリア材料の層を順番に、堆積及び連続アニールすることにより、堆積させる。   The above CVD deposition and continuous annealing process is repeated to form a diffusion barrier of the desired thickness, for example 150-300 angstroms. A layer of 50-100 Å thick barrier material is deposited by sequential deposition and sequential annealing until the desired thickness is achieved.

チャンバ110A、110B又は110Cの何れかにおいて、続けて行うアニールのプロセスを行う場合は、堆積、第1のアニール及び第2のアニールの全てを同じチャンバで行ってもよい。従って、堆積及び連続的なアニールをインシチュウで行ってもよい。しかし、堆積及び連続的なアニールのプロセスステップはインシチュウで行う必要はなく、別のチャンバを用いてもよい。   When the subsequent annealing process is performed in any one of the chambers 110A, 110B, and 110C, the deposition, the first annealing, and the second annealing may all be performed in the same chamber. Thus, deposition and continuous annealing may be performed in situ. However, the deposition and continuous annealing process steps need not be performed in-situ, and separate chambers may be used.

図42の表VIは、連続的なアニールのプロセスを、1回アニールを行うプロセスと比較するために得られた実験結果を反映する。表VIのデータを収集するために、1組のウエハがそれぞれ本発明の別の具体例に従って処理された。厚さ200オングストロームの窒化チタン層を、本発明に従って各ウエハ上に形成した。   Table VI of FIG. 42 reflects the experimental results obtained to compare the continuous annealing process with the one annealing process. To collect the data in Table VI, each set of wafers was processed according to another embodiment of the present invention. A 200 Å thick titanium nitride layer was formed on each wafer in accordance with the present invention.

第1のウエハは、上述のアニール1回のプロセスに従い、アニールプラズマを生成するために窒素及び水素のガスを用いて処理した。第2のウエハは、窒素のみを含むプラズマガスを用い、連続アニールにより処理した。第3のウエハは、窒素とヘリウムを含むプラズマガスを用い、連続アニールにより処理した。第4のウエハは、3相の連続アニール、即ち順番に、窒素−水素プラズマアニールを15秒間、窒素プラズマアニールを15秒間、そして窒素−水素プラズマアニールを5秒間行うことにより処理した。   The first wafer was processed using nitrogen and hydrogen gases to generate an anneal plasma according to the single anneal process described above. The second wafer was processed by continuous annealing using a plasma gas containing only nitrogen. The third wafer was processed by continuous annealing using a plasma gas containing nitrogen and helium. The fourth wafer was processed by three-phase continuous annealing, ie, sequentially performing nitrogen-hydrogen plasma annealing for 15 seconds, nitrogen plasma annealing for 15 seconds, and nitrogen-hydrogen plasma annealing for 5 seconds.

第2のウエハは、窒素ガスで連続アニールしたものであるが、1つのアニールステップのみ行った第1のウエハよりも著しく抵抗率が小さいことが示された。第2のウエハの抵抗率は、450〜500μΩ−cmであり、第1のウエハの抵抗率は、570〜630μΩ−cmであった。さらに、第2のウエハは50時間後の抵抗率の増加は7〜8%しかなかったが、第1のウエハのこの増加は11〜12%であった。   The second wafer, which was continuously annealed with nitrogen gas, was shown to have a significantly lower resistivity than the first wafer that was only subjected to one annealing step. The resistivity of the second wafer was 450 to 500 μΩ-cm, and the resistivity of the first wafer was 570 to 630 μΩ-cm. In addition, the second wafer had only a 7-8% increase in resistivity after 50 hours, while this increase in the first wafer was 11-12%.

第2のプラズマアニールにおいて窒素とヘリウムの混合ガスを用いた第3のウエハにおいては、さらに良好な結果が確認された。第3のウエハは、抵抗率は440〜480μΩ−cmであり、50時間で3〜7%しか増加しなかった。また、第3のウエハは酸素濃度が小さかった。第2のウエハに較べて第3のウエハの方が酸素濃度のレベルが低かったのは、窒素−ヘリウムの混合ガスの窒化チタン層から水素を追い出す性能が優れていたことによる。   Even better results were confirmed for the third wafer using a mixed gas of nitrogen and helium in the second plasma annealing. The third wafer had a resistivity of 440-480 [mu] [Omega] -cm and increased only 3-7% in 50 hours. The third wafer had a low oxygen concentration. The reason why the oxygen concentration level of the third wafer was lower than that of the second wafer was that the ability to expel hydrogen from the titanium nitride layer of the nitrogen-helium mixed gas was superior.

第4のウエハは、窒素と水素の混合ガスにより第3のアニールを行うが、抵抗率及び抵抗率の劣化の測定値は第1のウエハに近かった。これは、第2のアニールの後に水素を再び導入することにより、水素過剰の状態を作り出していることを示している。この水素過剰は、第2のアニールにおいて実現した利益を損ねてしまう。   The fourth wafer was third annealed with a mixed gas of nitrogen and hydrogen, but the measured values of resistivity and resistivity degradation were close to the first wafer. This indicates that a hydrogen-excess state is created by reintroducing hydrogen after the second anneal. This excess of hydrogen detracts from the benefits realized in the second anneal.

(4.拡散性低減のための酸化)ウエハ上の膜の抵抗率を向上させることに加えて、次のプロセスを行うことにより、膜の下の基板へのコンタクトメタルの拡散に対して、膜がさらに抑止をすることが可能となる。特に、アルミニウムの拡散をよりつよく抑止するため、膜を処理することになる。   (4. Oxidation for reducing diffusivity) In addition to improving the resistivity of the film on the wafer, the following process is performed to prevent the contact metal from diffusing into the substrate under the film. Can be further deterred. In particular, the film will be processed to better inhibit aluminum diffusion.

先ず、材料の層をウエハ114の上面にインシチュウ(層形成中のあらゆる時点においても処理チャンバ112からウエハを取り出さず)で形成する。本発明の一具体例では、材料の堆積とそれに続くアニールをチャンバ110Aで大古成って膜を形成する。熱CVDを用いてウエハ114の上面に材料の層を堆積させ、材料がウエハ114上面に適合できるようにしてもよい。堆積中は、処理チャンバ内の圧力が0.6〜1.2トールとなるように圧力制御ユニット157を設定してもよく、ウエハ114の温度が360〜380℃となるようにランプ130を設定してもよい。   First, a layer of material is formed in-situ on the upper surface of the wafer 114 (without removing the wafer from the processing chamber 112 at any point during layer formation). In one embodiment of the invention, material deposition followed by annealing is performed in chamber 110A to form a film. Thermal CVD may be used to deposit a layer of material on the top surface of the wafer 114 so that the material can conform to the top surface of the wafer 114. During deposition, the pressure control unit 157 may be set so that the pressure in the processing chamber is 0.6 to 1.2 Torr, and the lamp 130 is set so that the temperature of the wafer 114 is 360 to 380 ° C. May be.

本発明の一具体例では、堆積材料はバリア材料であってもよく、例えば、窒化チタン(TiN)のような二元素メタル窒化物等である。本発明の別の具体例では、二元素メタル窒化物の代わりに、三元素メタル窒化珪化物をバリア材料として用いてもよい。堆積材料は、厚さ50〜300オングストロームであってもよく、好ましくは50〜100オングストロームである。   In one embodiment of the present invention, the deposited material may be a barrier material, such as a two-element metal nitride such as titanium nitride (TiN). In another specific example of the present invention, a three-element metal nitride silicide may be used as a barrier material instead of the two-element metal nitride. The deposited material may be 50-300 angstroms thick, preferably 50-100 angstroms.

バリア材料を堆積させた後、イオン衝突のプロセスを通じてこれをアニールする。ウエハ114は、ウエハ支持体116上に置かれているが、シャワーヘッド136から0.3〜0.8インチのところにあってもよい。ウエハ114はシャワーヘッド136から0.6〜0.7インチのところにあることが好ましい。   After the barrier material is deposited, it is annealed through an ion bombardment process. Wafer 114 is placed on wafer support 116, but may be 0.3 to 0.8 inches from showerhead 136. Wafer 114 is preferably 0.6 to 0.7 inches from showerhead 136.

イオン衝突を行うには、先ず、シャワーヘッド136を介してガスを処理チャンバ112内に導入する。本発明の一具体例では、ガスは窒素と水素の混合ガスであり、これは、窒素と水素の比が2:3であり、窒素流量が約400sccmで処理チャンバ112内に導入される。処理チャンバ112内の圧力は約1.0トールに設定され、ウエハ温度は300〜400℃(好ましくは360℃)に設定される。   In order to perform ion collision, first, a gas is introduced into the processing chamber 112 through the shower head 136. In one embodiment of the present invention, the gas is a mixed gas of nitrogen and hydrogen, which is introduced into the processing chamber 112 with a nitrogen to hydrogen ratio of 2: 3 and a nitrogen flow rate of about 400 sccm. The pressure in the processing chamber 112 is set to about 1.0 Torr, and the wafer temperature is set to 300-400 ° C. (preferably 360 ° C.).

本発明の別の具体例では、ガスは窒素と水素の比が3:1〜1:2であるガスを備えていてもよい。窒素及び水素に、アルゴン又はヘリウム又はアンモニアを組み合わせた別のガスを用いてもよい。   In another embodiment of the invention, the gas may comprise a gas having a nitrogen to hydrogen ratio of 3: 1 to 1: 2. Another gas in which nitrogen or hydrogen is combined with argon, helium, or ammonia may be used.

次に、アニールプロセスにおいて、RFソース142がシャワーヘッド136とウエハ支持体116にRFシグナルを供給することにより、ガス206が正荷電イオンを含有するプラズマを生成する。RFソース142は整合回路網145を介して350ワットのRF電力を350kHzで供給し、位相が180度ずれているRFシグナルをウエハ支持体116及びシャワーヘッド136に発生させてもよい。典型的には、プラズマを10〜30秒間維持する。あるいは、RFソース142は、1MHz未満の異なる周波数で350ワットのRF電力を供給してもよい。   Next, in an annealing process, the RF source 142 supplies an RF signal to the showerhead 136 and the wafer support 116, so that the gas 206 generates a plasma containing positively charged ions. The RF source 142 may supply 350 watts of RF power at 350 kHz via the matching network 145 to generate RF signals that are 180 degrees out of phase at the wafer support 116 and the showerhead 136. Typically, the plasma is maintained for 10-30 seconds. Alternatively, the RF source 142 may provide 350 watts of RF power at different frequencies below 1 MHz.

ウエハ114には負バイアスが発生する。ウエハ支持体116は、−100〜−400ボルト、典型的には−300ボルトの負バイアスを得ることができ、シャワーヘッド136は、−100〜−400ボルト、典型的には−200ボルトの負バイアスを得ることができる。処理チャンバ112は接地され、ウエハ114の負バイアスは、−100〜−400ボルト、典型的には−300ボルトであり、これは、衝突の時間中はおよそ一定に維持される。   A negative bias is generated on the wafer 114. The wafer support 116 can obtain a negative bias of -100 to -400 volts, typically -300 volts, and the showerhead 136 can be negative of -100 to -400 volts, typically -200 volts. A bias can be obtained. The processing chamber 112 is grounded and the negative bias of the wafer 114 is -100 to -400 volts, typically -300 volts, which remains approximately constant during the time of the collision.

イオン衝突中は、プラズマからの正荷電イオンは、ウエハ114の表面における電圧勾配により加速され、50〜200オングストロームの深さまで浸透する。また、エネルギーを受けた中性の原子粒子がウエハ114に衝突することもある。   During ion bombardment, positively charged ions from the plasma are accelerated by a voltage gradient at the surface of the wafer 114 and penetrate to a depth of 50-200 angstroms. In addition, neutral atomic particles receiving energy may collide with the wafer 114.

イオン衝突の結果、バリア材料の堆積材料の厚さが、基板温度とプラズマ処理時間及びエネルギーに依存して、20〜50%減少する。上述のように、厚さが50〜100オングストロームのバリア材料の層を用いたCVD堆積及びアニールを繰り返し、所望の厚さの材料の層を形成してもよい。   As a result of ion bombardment, the thickness of the deposited material of the barrier material is reduced by 20-50% depending on the substrate temperature and the plasma treatment time and energy. As described above, CVD deposition and annealing using a layer of barrier material having a thickness of 50-100 angstroms may be repeated to form a layer of material of a desired thickness.

あるいは、ウエハ114上への材料の堆積及びアニールは、これとは異なる数多くの手段により遂行してもよい。米国特許出願08/498,990号、標題「薄膜のバイアスプラズマアニール」、米国特許出願08/567,461号、標題「薄膜のプラズマアニール」、米国特許出願08/680,913号、標題「薄膜のプラズマ衝突」の、それぞれには、CVDプロセス及びプラズマアニールを用いて、ウエハ上面へバリア材料の層を形成するためのプロセスが開示される。これらの出願のそれぞれは、参照としてここに包含される。これらの出願で開示されるプロセスのそれぞれは、ウエハ上に材料の層を形成するための本発明の具体例に用いることができる。   Alternatively, material deposition and annealing on the wafer 114 may be accomplished by a number of different means. US patent application Ser. No. 08 / 498,990, titled “Bias Plasma Annealing of Thin Films”, US Patent Application No. 08 / 567,461, Title “Plasma Annealing of Thin Films”, US Pat. Each of the "plasma bombardment" discloses a process for forming a layer of barrier material on the top surface of the wafer using a CVD process and a plasma anneal. Each of these applications is hereby incorporated by reference. Each of the processes disclosed in these applications can be used in embodiments of the present invention for forming a layer of material on a wafer.

本発明の一具体例では、物理気相堆積を行うことができる装置の中にウエハを配置させ、従来からのスパッタリングプロセスにより材料の層を形成する。本発明の他の具体例では、化学気相堆積を行うことができるチャンバの中にウエハを配置させ、CVDにより材料の層を形成し、付加的なアニールは行わない。   In one embodiment of the invention, the wafer is placed in an apparatus capable of performing physical vapor deposition and a layer of material is formed by a conventional sputtering process. In another embodiment of the invention, the wafer is placed in a chamber capable of chemical vapor deposition, a layer of material is formed by CVD, and no additional annealing is performed.

集積回路の製造においては、アルミニウムはコンタクトメタルとして頻繁に用いられる。アルミニウムは酸素に対して親和性を有するため、酸素リッチメタルにおいてアルミニウムの拡散性が下げられることもある。従って、材料に酸素を浸透させることにより、アルミニウムコンタクトメタルへの向上した拡散バリアとして機能するように、ウエハ114上に形成された材料の層を処理することができる。   In the manufacture of integrated circuits, aluminum is frequently used as a contact metal. Since aluminum has an affinity for oxygen, the diffusibility of aluminum in the oxygen-rich metal may be lowered. Thus, by permeating the material with oxygen, the layer of material formed on the wafer 114 can be processed to function as an improved diffusion barrier to the aluminum contact metal.

材料に酸素を浸透させるため、ウエハ114上の材料をインシチュウ(材料の層を形成した後、酸化が完了するまで、処理チャンバ112から取り出さずに)で酸化させる。即ち、材料の層の形成及び材料の層の酸化のプロセス全体を、1つのチャンバ内でインシチュウで行うことができる。材料の粒界は酸化されるが材料の粒(グレイン)自身はほとんど酸化されないように、酸化が行われる。   To infiltrate the material with oxygen, the material on the wafer 114 is oxidized in situ (after forming the layer of material and without removal from the processing chamber 112 until oxidation is complete). That is, the entire process of forming the layer of material and oxidizing the layer of material can be performed in situ in one chamber. Oxidation is performed so that the grain boundaries of the material are oxidized but the grains of the material themselves are hardly oxidized.

材料の粒界の酸化は、図5に示す半導体ウエハ処理チャンバ110Aを用いてインシチュウで行ってもよい。材料をウエハ114上に形成(堆積及びアニール)した後、ウエハ114を処理チャンバ112内に残す。圧力制御ユニット157により、処理チャンバ112内の圧力を0.5〜1.0トールに設定する。ウエハ114の温度を、300〜400℃(好ましくは360℃)となるように設定する。   The grain boundary oxidation of the material may be performed in situ using a semiconductor wafer processing chamber 110A shown in FIG. After the material is formed (deposited and annealed) on the wafer 114, the wafer 114 is left in the processing chamber 112. A pressure control unit 157 sets the pressure in the processing chamber 112 to 0.5 to 1.0 Torr. The temperature of the wafer 114 is set to be 300 to 400 ° C. (preferably 360 ° C.).

材料の層を、N2/O2混合ガス又はO2等の酸素含有ガスに曝露する。このガスは、流量100〜1000sccmでシャワーヘッド136を介して処理チャンバ112内に移送される。ガス208は、窒素と酸素の両方を含んでいてもよく、窒素対酸素の混合比は4:1であってもよい。次いで、RFソース142がウエハ支持体116とシャワーヘッド136の双方へ整合回路網145を介してシグナルを供給し、ガスを正荷電酸素イオンを含むプラズマに変換する。 A layer of material is exposed to an oxygen-containing gas such as N 2 / O 2 mixed gas or O 2. This gas is transferred into the processing chamber 112 through the shower head 136 at a flow rate of 100 to 1000 sccm. The gas 208 may contain both nitrogen and oxygen, and the nitrogen to oxygen mixing ratio may be 4: 1. The RF source 142 then provides signals to both the wafer support 116 and the showerhead 136 via the matching network 145 to convert the gas into a plasma containing positively charged oxygen ions.

RFソース142は、整合回路網145を介して350ワットのRF電力を350kHzで約20秒間供給し、シャワーヘッド136とウエハ支持体116に180度位相がずれたRFシグナルを発生させる。シャワーヘッド136、ウエハ支持体116及びウエハ114のそれぞれは、アニールプロセスについて上述したように、負バイアスを得る。その結果、正荷電酸素イオンが、ウエハ114の方へ加速され、材料の層の表面に浸透し、材料の粒界に付着する。   The RF source 142 supplies 350 watts of RF power through the matching network 145 at 350 kHz for about 20 seconds, generating RF signals that are 180 degrees out of phase at the showerhead 136 and the wafer support 116. Each of the showerhead 136, wafer support 116, and wafer 114 obtains a negative bias, as described above for the annealing process. As a result, positively charged oxygen ions are accelerated toward the wafer 114 and penetrate the surface of the material layer and adhere to the grain boundaries of the material.

本発明の一具体例においてこの酸化が完了した後は、酸化した材料の層は酸化した窒化チタンである。この酸化した窒化チタンは、酸素に対する親和性を有するコンタクトメタル(例えばアルミニウム等)に対して向上した拡散バリアとして機能することが可能である。あるいは、材料の層が、他の二元素の窒化メタルMXY 又は三元素の窒化珪化メタル MXSiYZ (MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、W及びその他のメタル)とした場合にも、向上した拡散バリアを本発明に従って形成することができる。 After this oxidation is completed in one embodiment of the invention, the oxidized material layer is oxidized titanium nitride. This oxidized titanium nitride can function as an improved diffusion barrier with respect to a contact metal (for example, aluminum) having an affinity for oxygen. Alternatively, the material layer may be another two-element metal nitride M X N Y or a three-element silicon nitride metal M X Si Y N Z (M is Ti, Zr, Hf, Ta, Mo, W and other metals) In this case, an improved diffusion barrier can be formed according to the present invention.

本発明の代替的な具体例では、同じ半導体ウエハ処理チャンバ110Aを用いて、材料の熱酸化を行う。酸素含有ガス、例えば酸素、オゾン、空気や水等を、流量100〜1000sccmで、シャワーヘッド136を介して処理チャンバ112内に移送する。次いで、ランプ130によりウエハ114を300〜400℃の温度に加熱する一方、処理チャンバ内の圧力を0.5〜100トール(好ましくは1.0トール)に設定する。   In an alternative embodiment of the present invention, the same semiconductor wafer processing chamber 110A is used to thermally oxidize the material. An oxygen-containing gas such as oxygen, ozone, air or water is transferred into the processing chamber 112 via the shower head 136 at a flow rate of 100 to 1000 sccm. Next, the wafer 114 is heated to a temperature of 300 to 400 ° C. by the lamp 130, while the pressure in the processing chamber is set to 0.5 to 100 Torr (preferably 1.0 Torr).

この結果、酸素含有ガスにおける酸素がバリア材料層の表面に浸透し、バリア材料の粒界に付着する。バリア材料の粒界を酸化させるプロセスの1つが、 Ngan らの米国特許第5,378,660号、標題「バリア層及びアルミニウムコンタクト」に開示されており、これは参照としてここに包含される。材料の層200を形成し酸化させた後、ウエハ114は処理チャンバ112から取り出される。   As a result, oxygen in the oxygen-containing gas permeates the surface of the barrier material layer and adheres to the grain boundary of the barrier material. One process for oxidizing the grain boundaries of the barrier material is disclosed in US Pat. No. 5,378,660, Ngan et al., Entitled “Barrier Layers and Aluminum Contacts,” which is hereby incorporated by reference. After forming and oxidizing the layer 200 of material, the wafer 114 is removed from the processing chamber 112.

ウエハ114上の材料の層の形成及び酸化について、具体的に、図5の半導体ウエハ処理チャンバ110Aにおいて行われるように説明してきたが、このプロセスはチャンバ110A内で行われることに限定されない。このプロセスは、図16のチャンバ110B、図17のチャンバ110C等、本発明に従ってインシチュウで形成及び酸化処理を行うためのあらゆる半導体ウエハ処理チャンバにおいて行うことも可能である。   Although the formation and oxidation of a layer of material on the wafer 114 has been specifically described as being performed in the semiconductor wafer processing chamber 110A of FIG. 5, this process is not limited to being performed in the chamber 110A. This process can also be performed in any semiconductor wafer processing chamber for performing in-situ formation and oxidation processes in accordance with the present invention, such as chamber 110B in FIG. 16, chamber 110C in FIG.

従来では、コンタクトメタルの拡散に対して十分な保護を与えるためには、拡散バリアを厚くしていた。本発明の具体例の結果、コンタクトメタルの拡散を抑止するために、拡散バリアは厚くしなくてもよい。本発明の具体例では、バリアメタルの酸化により、酸素に対する親和性を有するコンタクトメタル(アルミニウム等)の拡散が低減する。このコンタクトメタルがバリア材料の酸化層の中に拡散を開始したとき、コンタクトメタルは酸素イオンと結合し、この酸素イオンがバリア材料の粒界に付着する。その結果、コンタクトメタルは、その下の拡散バリアの領域に到達することができない。   Conventionally, the diffusion barrier has been thickened to provide sufficient protection against contact metal diffusion. As a result of embodiments of the present invention, the diffusion barrier need not be thick to prevent contact metal diffusion. In a specific example of the present invention, the diffusion of contact metal (aluminum or the like) having affinity for oxygen is reduced by oxidation of the barrier metal. When the contact metal starts to diffuse into the oxide layer of the barrier material, the contact metal combines with oxygen ions, and these oxygen ions adhere to the grain boundaries of the barrier material. As a result, the contact metal cannot reach the region of the diffusion barrier below it.

図43(a)におけるチャートは、酸化は行わず本発明に従ってバリア材料の層を堆積及びプラズマアニールした後の、ウエハの化学組成を深さを変えて示す。図43(b)は、本発明に従ってバリア材料の層を堆積及びプラズマアニールし酸化を行った後の、ウエハの化学組成を深さを変えて示すグラフが含まれる。   The chart in FIG. 43 (a) shows the chemical composition of the wafer at different depths after deposition and plasma annealing of a layer of barrier material according to the present invention without oxidation. FIG. 43 (b) includes a graph showing the chemical composition of the wafer at varying depths after depositing a layer of barrier material, plasma annealing and oxidizing according to the present invention.

これらのチャートのそれぞれは、窒化チタンのバリア層によってその上が覆われたシリコン基板を有するウエハからとったデータを表している。オージェ電子分光分析によりウエハを調べた。各チャートは、ウエハの深さが異なる場合に、化合物毎の原子濃度を示している。この2つのチャートを比較してわかるように、ウエハの頂部、すなわちバリア材料で構成される部分の酸素レベルは、酸化しないバリア材料(図43(a))よりも酸化させたバリア材料(図43(b))の方が著しく高くなっている。   Each of these charts represents data taken from a wafer having a silicon substrate covered by a titanium nitride barrier layer. The wafer was examined by Auger electron spectroscopy. Each chart shows the atomic concentration for each compound when the depth of the wafer is different. As can be seen by comparing these two charts, the oxygen level at the top of the wafer, that is, the portion composed of the barrier material, is higher than that of the non-oxidized barrier material (FIG. 43A). (B)) is significantly higher.

バリア材料中に酸素が存在することにより、アルミニウム等のコンタクトメタルは、バリア材料中の酸素イオンと結合することにより、その拡散性が著しく低くなる。従って、酸化させたバリア材料(図43(b))の方が、酸化しないバリア材料(図43(a))よりも、コンタクトメタル(アルミニウム等)とその下のシリコン基板との間に良好な拡散バリアを与える。   Due to the presence of oxygen in the barrier material, the contact metal such as aluminum becomes remarkably low in diffusibility by bonding with oxygen ions in the barrier material. Therefore, the oxidized barrier material (FIG. 43B) is better between the contact metal (such as aluminum) and the underlying silicon substrate than the non-oxidized barrier material (FIG. 43A). Provides a diffusion barrier.

加えて、本発明の具体例により形成した拡散バリアのシート抵抗は、酸化プロセスにより、許容できる程度に妥協できないわけではない。図44は、この事実を例示する表を例示する。この表に示されるように、本発明に従って堆積及びプラズマアニールを行ったが酸化を行っていない窒化チタンバリア材料の200オングストローム層は、410Ω/sqのシート抵抗値を有し、シート抵抗値の標準偏差は2.2%であるだろう。このバリア材料の層の抵抗率は、820μΩ−cmと得られる。本発明に従って堆積、プラズマアニールを行い20秒間酸化を行った窒化チタンバリア材料の200オングストローム層は、630Ω/sqのシート抵抗値を有し、シート抵抗値の標準偏差は3.7%であるだろう。このバリア材料の層の抵抗率は、1260μΩ−cmと得られる。   In addition, the sheet resistance of diffusion barriers formed according to embodiments of the present invention is not unacceptably compromised by the oxidation process. FIG. 44 illustrates a table that illustrates this fact. As shown in this table, a 200 Å layer of titanium nitride barrier material that has been deposited and plasma annealed but not oxidized according to the present invention has a sheet resistance value of 410 Ω / sq, a standard sheet resistance value. The deviation will be 2.2%. The resistivity of this barrier material layer is 820 μΩ-cm. A 200 Å layer of titanium nitride barrier material deposited and plasma annealed according to the present invention and oxidized for 20 seconds has a sheet resistance value of 630 Ω / sq, and the standard deviation of the sheet resistance value is 3.7%. Let's go. The resistivity of this barrier material layer is obtained as 1260 μΩ-cm.

また、図44の表は、窒化チタンバリア材料の300オングストローム層に対するシート抵抗を示す。本発明に従って堆積及びプラズマアニールを行った後、窒化チタンバリア材料の300オングストローム層は、235Ω/sqのシート抵抗値を有し、シート抵抗値の標準偏差は2.0%であるだろう。本発明に従って堆積、プラズマアニール及び20秒間の酸化を行った後は、窒化チタンバリア材料の300オングストローム層は、250Ω/sqのシート抵抗値を有し、シート抵抗値の標準偏差は2.7%であるだろう。従って、酸化しないバリア材料の300オングストローム層の抵抗率は705μΩ−cmであるが、酸化したバリア材料の300オングストローム層の抵抗率は750μΩ−cmであろう。   Also, the table of FIG. 44 shows the sheet resistance for a 300 Å layer of titanium nitride barrier material. After deposition and plasma annealing according to the present invention, a 300 Å layer of titanium nitride barrier material will have a sheet resistance value of 235 Ω / sq, with a standard deviation of the sheet resistance value of 2.0%. After deposition, plasma annealing and 20 seconds of oxidation according to the present invention, the 300 Å layer of titanium nitride barrier material has a sheet resistance value of 250 Ω / sq with a standard deviation of 2.7%. Would be. Thus, the resistivity of the 300 Å layer of non-oxidized barrier material would be 705 μΩ-cm, while the resistivity of the 300 Å layer of oxidized barrier material would be 750 μΩ-cm.

図44の表に表されている窒化チタンバリア材料の酸化しない層と酸化した層の相対的な有効性は、以下のように評価された。上面に酸化しない窒化チタンバリア材料を有するウエハと酸化した窒化チタンバリア材料を有するウエハに、アルミニウムの1000オングストロームの層を堆積させた。ウエハ上への堆積を行った後、アルミニウムを550℃の炉内で1時間アニールした。酸化していない窒化チタンバリア材料の200オングストロームの層を有するウエハと300オングストロームの層を有するウエハは、ウエハの基板へのアルミニウムの拡散により重大な欠陥が認められた。本発明に従って堆積、プラズマアニール及び酸化を行った窒化チタンバリア材料の200オングストロームの層を有するウエハは、アルミニウムの拡散による軽微な欠陥のみ認められ、300オングストロームの層を有するウエハは、この欠陥が全く認められなかった。   The relative effectiveness of the non-oxidized and oxidized layers of the titanium nitride barrier material shown in the table of FIG. 44 was evaluated as follows. A 1000 Å layer of aluminum was deposited on a wafer having an unoxidized titanium nitride barrier material on the top surface and a wafer having an oxidized titanium nitride barrier material. After the deposition on the wafer, the aluminum was annealed in a furnace at 550 ° C. for 1 hour. Wafers with a 200 Å layer of non-oxidized titanium nitride barrier material and a wafer with a 300 Å layer were severely defective due to aluminum diffusion into the substrate of the wafer. Wafers with a 200 Å layer of titanium nitride barrier material deposited, plasma annealed and oxidized according to the present invention have only minor defects due to aluminum diffusion, while wafers with a 300 Å layer have no such defects. I was not able to admit.

図43(a)、43(b)及び44のデータは、本発明の具体例を行って得ることができる結果の一例に過ぎない。これらの図表に示される結果は、本発明の具体例が同じ結果又は実質的に同じ結果を実現することに限定することを意味するものではない。   The data in FIGS. 43 (a), 43 (b) and 44 are only examples of the results that can be obtained by carrying out the embodiments of the present invention. The results shown in these diagrams are not meant to limit the embodiments of the present invention to achieving the same results or substantially the same results.

(5.拡散性低減のための珪素の濃縮)本発明の別の具体例では、酸化のステップは、珪素のスタッフィングの操作により置き換えられる。珪素スタッフィングの操作により、銅等のコンタクトメタルの、基板を覆う材料層(窒化チタン等)への拡散性が、低減する。珪素が窒素と結合して堆積窒化チタンの粒界を充填する能力は、窒化チタンのバリア性能の向上を促進するメカニズムである。   5. Silicon enrichment to reduce diffusivity In another embodiment of the invention, the oxidation step is replaced by a silicon stuffing operation. By the operation of silicon stuffing, the diffusibility of the contact metal such as copper into the material layer (such as titanium nitride) covering the substrate is reduced. The ability of silicon to combine with nitrogen and fill the grain boundaries of the deposited titanium nitride is a mechanism that promotes improved barrier performance of titanium nitride.

本発明に従って、窒化チタン等の材料のウエハ上への堆積及びアニールは、酸化のステップを含むプロセスに対して上述と同じ方法で行われる。窒化チタンの100オングストローム層を堆積させることが好ましい。窒素と水素の混合ガスを含むプラズマでこの材料をアニールした後の窒化チタン層の厚さは、約50オングストロームである。   In accordance with the present invention, deposition and annealing of a material such as titanium nitride on the wafer is performed in the same manner as described above for a process that includes an oxidation step. Preferably, a 100 Å layer of titanium nitride is deposited. The thickness of the titanium nitride layer after annealing this material with a plasma containing a mixed gas of nitrogen and hydrogen is about 50 angstroms.

窒化チタン材料の堆積及びアニールは、チャンバ110A、110B又は110Cの何れかで行ってもよい。あるいは、堆積のステップ及びアニールのステップを行うことができる他のチャンバやチャンバ群を用いてもよい。チャンバ110A、110B又は110Cを用いた場合は、堆積及びアニールを行ったと同じチャンバで珪素スタッフィングを行ってもよい。その結果、珪素スタッフィングプロセスの全体をインシチュウで行うことができる。   The deposition and annealing of the titanium nitride material may be performed in either chamber 110A, 110B or 110C. Alternatively, another chamber or a group of chambers capable of performing the deposition step and the annealing step may be used. If chamber 110A, 110B or 110C is used, silicon stuffing may be performed in the same chamber where deposition and annealing were performed. As a result, the entire silicon stuffing process can be performed in situ.

堆積及びアニールの後、アニールした窒化チタンをシラン(SiH4)に曝露することにより、珪素スタッフィングが行われる。シランを、流量30sccmで約30秒間チャンバ110Aに流入させる。シラン曝露の間は、チャンバ圧力を1.2トールに設定し、ウエハ支持体116を420℃に加熱し、窒素をチャンバ110Aに流量140sccmで流入させる。200sccmのアルゴンパージの流入を採用する。シランへの曝露に続いて、排気パージを行い、チャンバ10A及び供給ラインから残留のSiH4を掃引する。 After deposition and annealing, silicon stuffing is performed by exposing the annealed titanium nitride to silane (SiH 4 ). Silane is flowed into chamber 110A for about 30 seconds at a flow rate of 30 sccm. During silane exposure, the chamber pressure is set to 1.2 Torr, the wafer support 116 is heated to 420 ° C., and nitrogen is flowed into the chamber 110A at a flow rate of 140 sccm. A 200 sccm argon purge inflow is employed. Following exposure to silane, an exhaust purge is performed to sweep residual SiH 4 from chamber 10A and the supply line.

この曝露を行っている間は、珪素は窒化チタン表面に結合して、堆積材料の粒界を充填する。このスタッフィングされた珪素により、この後堆積する銅等のコンタクトメタルの拡散が抑止される。   During this exposure, silicon bonds to the titanium nitride surface and fills the grain boundaries of the deposited material. The stuffed silicon suppresses the diffusion of contact metal such as copper deposited thereafter.

構築する膜が所望の厚さになるまで、窒化チタン材料の堆積、アニール及び珪素スタッフィングのステップを続けて繰り返す。200オングストローム膜の構築の場合、窒化チタンの堆積、アニール及び曝露は全部で3回行うことが好ましく、各回に堆積させる窒化チタンは100オングストローム層である。この結果、珪素をスタッフィングした厚さ150オングストロームの窒化チタン層が構築される。求める厚さの200オングストロームに到達させるため、最後の100オングストロームの窒化チタンのキャップ層を堆積させアニールして、厚さ50オングストロームとする。この窒化チタンのキャップ層のアニールは、上述のように、窒素及び水素の両方を含むプラズマを用いて行ってもよい。この最終の堆積及びアニールを行った材料のキャップ層は、シランへの曝露を行わない。   The steps of titanium nitride material deposition, annealing and silicon stuffing are repeated in succession until the film to be built is of the desired thickness. For the construction of a 200 Å film, titanium nitride deposition, annealing, and exposure are preferably performed a total of three times, and the titanium nitride deposited each time is a 100 Å layer. This results in the construction of a 150 Å thick titanium nitride layer stuffed with silicon. In order to reach the desired thickness of 200 Å, a final 100 Å titanium nitride cap layer is deposited and annealed to a thickness of 50 Å. The annealing of the titanium nitride cap layer may be performed using plasma containing both nitrogen and hydrogen as described above. This final deposited and annealed cap layer is not exposed to silane.

堆積しアニールした材料の最終の部分をシランに曝露しないのは、シランの酸素に対する親和性にその理由がある。シランへの曝露により窒化チタン膜の最終表面キャップに珪素が導入されれば、膜の抵抗率は許容できないほど高くなるだろう。膜に窒化チタンのアニール層でキャップを被せた後は、この膜の抵抗率は約520μΩ−cmである。窒化チタンの上層をシランに曝露すれば、膜の抵抗率はおそらく非常に高くなるだろう。   The reason for not exposing the final portion of the deposited and annealed material to silane is due to the affinity of silane for oxygen. If silicon is introduced into the final surface cap of the titanium nitride film by exposure to silane, the resistivity of the film will be unacceptably high. After the film is capped with an annealed layer of titanium nitride, the resistivity of the film is about 520 μΩ-cm. If the top layer of titanium nitride is exposed to silane, the resistivity of the film will probably be very high.

ラザフォード後方散乱分光分析により、本発明に従って珪素をスタッフィングした膜は以下の特徴を有していたことがわかった。Si含有量は5原子パーセント、Ti含有量は35.2原子パーセント、N含有量は52.8原子パーセント、H含有量は7原子パーセントであった。本発明に従って形成した膜のオージェ深さプロファイルが図45に示される。このオージェ深さプロファイルによれば、窒素含有量とチタン含有量が均一であり珪素含有量は上下しており、これは、窒化チタンにキャッピングしようとする珪素含有材料が150オングストロームであることと一致している。   Rutherford backscattering spectroscopy analysis revealed that the film stuffed with silicon according to the present invention had the following characteristics. The Si content was 5 atomic percent, the Ti content was 35.2 atomic percent, the N content was 52.8 atomic percent, and the H content was 7 atomic percent. The Auger depth profile of a film formed according to the present invention is shown in FIG. According to this Auger depth profile, the nitrogen content and the titanium content are uniform, and the silicon content fluctuates. This is in line with the fact that the silicon-containing material to be capped with titanium nitride is 150 angstroms. I'm doing it.

上記の測定及び手順は、本発明に従って珪素スタッフィングをいかに行うかの非限定的な例として与えられることに、注意すべきである。本発明の別の具体例では、基板上に堆積した材料の層をアニールするステップとこの材料をシランに曝露するステップとを相互に交換してもよい。この結果、窒化チタン等の堆積材料を、珪素スタッフィングの目的で先ずシランに曝露し、その後、プラズマを用いてアニールして、この材料の抵抗率を低減する。加えて、CVD以外の堆積プロセス、例えばスパッタリング等を行ってもよい。   It should be noted that the above measurements and procedures are given as non-limiting examples of how to perform silicon stuffing according to the present invention. In another embodiment of the invention, the step of annealing the layer of material deposited on the substrate and the step of exposing the material to silane may be interchanged. As a result, a deposited material such as titanium nitride is first exposed to silane for silicon stuffing purposes, and then annealed using plasma to reduce the resistivity of the material. In addition, a deposition process other than CVD, such as sputtering, may be performed.

珪素スタッフィングに代替するものとして、三元素の珪化窒化メタル、例えばチタニアシリカ カーボナイトライド(TiSiCN)等を、窒化チタン材料の代わりに堆積させてもよい。そして、堆積させた珪素リッチな材料をアニールして、抵抗率を下げることができるだろう。上記のプロセスのように、堆積及びアニールを繰り返して、所望の厚さの膜を形成することができるのである。   As an alternative to silicon stuffing, a three-element silicified metal nitride such as titania silica carbonitride (TiSiCN) may be deposited instead of the titanium nitride material. The deposited silicon rich material can then be annealed to reduce the resistivity. Like the above process, deposition and annealing can be repeated to form a film with a desired thickness.

本発明のこのような具体例に従って、堆積プロセスを行うことができるチャンバの中にウエハを配置させる。このチャンバは、珪素リッチ膜をインシチュウで構築することが可能なチャンバ110A、110B又は110Cの何れかであってもよい。あるいは、珪素リッチ膜を形成する以下のステップを行うために用いることができる他のチャンバやチャンバ群を用いてもよい。   In accordance with such embodiments of the present invention, a wafer is placed in a chamber in which a deposition process can be performed. This chamber may be any of chambers 110A, 110B or 110C capable of building a silicon rich film in situ. Alternatively, other chambers or chamber groups that can be used to perform the following steps for forming a silicon-rich film may be used.

ウエハをチャンバ内に配置させた後、チタニアシリカ カーボナイトライド(TiSiCN)材料をウエハ上に堆積させる。この堆積操作は、TDMATを用いた従来からの熱CVDを用いて行ってもよい。珪素を導入するため、或る体積のシランをチャンバ内に流入させる。TDMATを用いたCVDで窒化チタンを堆積させる場合に用いる容量と比較して、等しい体積の窒素希釈ガスを随伴させる。   After placing the wafer in the chamber, titania silica carbonitride (TiSiCN) material is deposited on the wafer. This deposition operation may be performed using conventional thermal CVD using TDMAT. To introduce silicon, a volume of silane is flowed into the chamber. Compared to the volume used when depositing titanium nitride by CVD using TDMAT, it is accompanied by an equal volume of nitrogen diluent gas.

堆積操作を行うにあたり、チャンバ圧力を1.2トールに設定し、ウエハ支持体の温度を420℃に設定し、シランを10sccm、He/TDMATを70sccm、窒素希釈ガスを90sccmで、チャンバ内に流入させる。アルゴンパージを流量200sccmで行う。堆積を32秒間行い、厚さ100オングストロームの材料の層を形成することができる。窒化チタンの化学気相堆積では、シランを用いず、窒素の流量は100sccmとなる。   In performing the deposition operation, the chamber pressure was set to 1.2 Torr, the wafer support temperature was set to 420 ° C., silane 10 sccm, He / TDMAT 70 sccm, and nitrogen dilution gas 90 sccm into the chamber. Let Argon purge is performed at a flow rate of 200 sccm. Deposition can be performed for 32 seconds to form a layer of material having a thickness of 100 angstroms. In the chemical vapor deposition of titanium nitride, silane is not used and the flow rate of nitrogen is 100 sccm.

この堆積に続いて、酸素スタッフィングを含むプロセスについて上述したように、窒素及び水素のプラズマを用いてTiSiCNのアニールを行う。堆積材料の開始厚さが100オングストロームであり層の厚さが50オングストロームであることが望ましい場合は、このアニールには、20秒間行われるイオン衝突の工程が含まれる。堆積及びアニールを続けて繰り返し、所望の厚さの膜を構築する。本発明の一具体例では、200オングストロームの膜が望ましい。100オングストロームのTiSiCNの層を堆積させ、次いでアニールして、50オングストロームの材料の層とする。TiSiCNの100オングストロームの堆積とアニールを4回行って、求める200オングストロームの膜を得る。   Following this deposition, TiSiCN is annealed using a nitrogen and hydrogen plasma as described above for processes involving oxygen stuffing. If it is desirable for the starting thickness of the deposited material to be 100 Å and the layer thickness to be 50 Å, this anneal includes an ion bombardment step that is performed for 20 seconds. Deposition and annealing are repeated in succession to build a film of the desired thickness. In one embodiment of the invention, a 200 Angstrom film is desirable. A layer of 100 Angstrom TiSiCN is deposited and then annealed to a layer of 50 Angstrom material. TiSiCN 100 angstrom deposition and annealing is performed four times to obtain the desired 200 angstrom film.

一例では、得られた200オングストローム膜は、Siを15原子パーセント、Tiを25.3原子パーセント、Nを49.7原子パーセント、Hを10原子パーセント含んでいたことが、ラザフォード後方散乱分光分析によって示された。この膜のオージェ深さプロファイルが図46に示される。オージェ深さプロファイルにより、約5原子パーセントの低い炭素含有量と、1原子パーセントの酸素含有量を有する、均一な組成であることが示される。この膜の抵抗率は、2,400μΩ−cmである。図47は、珪素スタッフィングを用いて形成した200オングストローム膜と、チタニアシリカ カーボナイトライドを堆積させて形成した200オングストローム膜の、抵抗率及び組成の比較を示す。   In one example, the resulting 200 Angstrom film contained 15 atomic percent Si, 25.3 atomic percent Ti, 49.7 atomic percent N, and 10 atomic percent H by Rutherford backscattering spectroscopy. Indicated. The Auger depth profile of this film is shown in FIG. The Auger depth profile shows a uniform composition with a low carbon content of about 5 atomic percent and an oxygen content of 1 atomic percent. The resistivity of this film is 2,400 μΩ-cm. FIG. 47 shows a comparison in resistivity and composition between a 200 Å film formed using silicon stuffing and a 200 Å film formed by depositing titania silica carbonitride.

拡散バリアとして機能させるため非常に珪素リッチな膜を得ることとの引き替えに、抵抗率が高くなる。1,000μΩ−cmの抵抗率は、拡散バリアとして十分許容されるものである。堆積のステップで用いるシランの量を減らして、膜の抵抗率を下げてもよい。最良の抵抗率が得られるのは、上述の如く、堆積及びアニールの後に材料の層の中に珪素をスタッフィングする場合である。しかし、珪素をスタッフィングさせた拡散バリアは、銅の拡散に対して、珪素含有材料を堆積させて形成した膜と同様の強力な抑止効果は与えない。例えば、珪素をスタッフィングさせた二元素窒化メタル(例えば窒化チタン等)は、銅の拡散を防止できず、これは、三元素窒化珪化メタル(例えばTiSiCN等)を堆積させて構築した膜についても同様である。集積回路の製造者は、膜の構築における製造者の要求に最もよく適合する珪素濃縮の方法を選択することができる。   The resistivity increases in exchange for obtaining a very silicon rich film to function as a diffusion barrier. A resistivity of 1,000 μΩ-cm is well tolerated as a diffusion barrier. The resistivity of the film may be reduced by reducing the amount of silane used in the deposition step. The best resistivity is obtained when silicon is stuffed into the layer of material after deposition and annealing, as described above. However, a diffusion barrier formed by stuffing silicon does not give the same strong deterrent effect as copper and a film formed by depositing a silicon-containing material. For example, a two-element metal nitride (such as titanium nitride) stuffed with silicon cannot prevent copper diffusion, and this also applies to a film constructed by depositing a three-element metal nitride silicide (such as TiSiCN). It is. The manufacturer of the integrated circuit can select a silicon enrichment method that best fits the manufacturer's requirements in film construction.

また、上述の珪素濃縮プロセスのそれぞれにおいて採用した堆積プロセスを変形することができることは注記すべきである。化学気相堆積の代わりに、スパッタリング等他の堆積プロセスを用いてもよい。TiSiCN以外の他の三元素窒化珪化メタルを本発明の具体例に用いてもよい。   It should also be noted that the deposition process employed in each of the silicon enrichment processes described above can be modified. Instead of chemical vapor deposition, other deposition processes such as sputtering may be used. Other ternary element metal nitride silicides than TiSiCN may be used in the embodiments of the present invention.

更に、上述のアニールのステップは、窒素と水素だけから成るプラズマを用いることに限定されない。堆積材料の抵抗率を下げるように作用する他のプラズマ組成を用いてもよい。このようなプラズマの一例は、窒素、水素及びアルゴンを含有する上述のプラズマである。これに続けてアニールを行ってもよい。   Furthermore, the annealing step described above is not limited to using a plasma consisting only of nitrogen and hydrogen. Other plasma compositions that act to lower the resistivity of the deposited material may be used. An example of such a plasma is the plasma described above containing nitrogen, hydrogen and argon. This may be followed by annealing.

シランへ曝露することによる珪素スタッフィングを含むプロセスにおいては、この曝露のステップは、エネルギーを熱により受ける点に制限されない。本発明の代替的な具体例では、珪素イオンを含有するプラズマは、RFシグナルによりエネルギーを受けた珪素リッチなガスにより生成することができる。また、珪素スタッフィングしようとする材料を含むウエハにバイアスを与えて、材料への珪素の衝撃を高めてもよい。プラズマを用いて珪素スタッフィングを行う場合は、珪素スタッフィングは、抵抗率を低くするための材料のアニールのステップの前に行ってもよいし、後に行ってもよい。   In processes involving silicon stuffing by exposure to silane, this exposure step is not limited to receiving energy by heat. In an alternative embodiment of the invention, the plasma containing silicon ions can be generated by a silicon rich gas that is energized by an RF signal. Also, a bias may be applied to the wafer containing the material to be silicon stuffed to increase the impact of silicon on the material. When silicon stuffing is performed using plasma, the silicon stuffing may be performed before or after the material annealing step for reducing the resistivity.

(c.プロセッサにより制御を行う膜の構築)上述の材料の堆積、アニール、酸化及び珪素スタッフィングのプロセスは、プロセッサに基づく制御ユニットにより制御を行うチャンバにて行ってもよい。ず48は、このような場合において使用できる制御ユニット600を示す。この制御ユニットは、プロセッサユニット605と、メモリ610と、マスストレージデバイス620と、入力制御ユニット670と、ディスプレイユニット650とを有し、これら全ては、制御ユニットバス625につながっている。   (C. Construction of film controlled by processor) The above-described material deposition, annealing, oxidation and silicon stuffing processes may be performed in a chamber controlled by a processor-based control unit. Reference numeral 48 denotes a control unit 600 that can be used in such a case. The control unit includes a processor unit 605, a memory 610, a mass storage device 620, an input control unit 670, and a display unit 650, all of which are connected to a control unit bus 625.

プロセッサユニット605は、マイクロプロセッサ又は、メモリに保存された命令を実行することができるその他のエンジンであってもよい。メモリ610は、ハードディスクドライブ、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリーメモリ(ROM)、RAMとROMの組み合わせ又はその他のメモリを備えていてもよい。メモリ610は、プロセッサユニット605が実行して上述のプロセスステップの遂行を促す命令を備えている。メモリ610の中の命令は、プログラムコード緒の形態であってもよい。プログラムコードは、多種多様なプログラム言語のいずれにも適合することができる。例えば、プログラムコードは、C+、C++、BASIC、Pascal、又はその他の様々な言語に書き換えることができる。   The processor unit 605 may be a microprocessor or other engine capable of executing instructions stored in memory. The memory 610 may comprise a hard disk drive, random access memory (RAM), read only memory (ROM), a combination of RAM and ROM, or other memory. The memory 610 includes instructions that are executed by the processor unit 605 to prompt the execution of the process steps described above. The instructions in memory 610 may be in the form of program code. The program code can be adapted to any of a wide variety of programming languages. For example, the program code can be rewritten into C +, C ++, BASIC, Pascal, or various other languages.

マスストレージデバイス620は、データ及び命令を保存し、また、磁気ディスクや磁気テープ等のプロセッサ読み出し可能な保存媒体からデータ及び命令を読み込む。例えば、マスストレージデバイス620は、ハードディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ、テープドライブ又は光ディスクドライブであってもよい。マスストレージデバイス620は、プロセッサユニットから受け取った指示に応じて、命令を保存したり読み込んだりする。マスストレージデバイス620によって保存したり読み込んだりするデータ及び命令は、上述のプロセスステップを行うため、プロセッサユニット605によって用いられる。先ず、データ及び命令は、マスストレージデバイス620により媒体から読み込まれ、次いで、プロセッサユニット605で用いるためメモリ610に転送される。   The mass storage device 620 stores data and instructions, and reads data and instructions from a processor-readable storage medium such as a magnetic disk or a magnetic tape. For example, the mass storage device 620 may be a hard disk drive, a floppy disk drive, a tape drive, or an optical disk drive. The mass storage device 620 stores and reads instructions according to instructions received from the processor unit. Data and instructions stored and read by the mass storage device 620 are used by the processor unit 605 to perform the process steps described above. First, data and instructions are read from the medium by mass storage device 620 and then transferred to memory 610 for use by processor unit 605.

ディスプレイユニット650はプロセッサユニット605の制御の下、チャンバオペレータに対して、情報をグラフィックディスプレイ及び文字数字キャラクタの形態で与える。入力制御ユニット670は、データ入力デバイス、例えばキーボード、マウスやライトペン等を制御ユニットに結合させ、チャンバオペレータの入力を受けることができるようにする。   The display unit 650 provides information to the chamber operator in the form of a graphic display and alphanumeric characters under the control of the processor unit 605. The input control unit 670 couples a data input device, such as a keyboard, mouse, light pen, etc., to the control unit so that it can receive input from the chamber operator.

制御ユニットバス625は、データ及び制御信号を、制御ユニットバス625につながっている全てのデバイスの間で転送させる。ここでは制御ユニットバスは1つのバスであって制御ユニット600のデバイスに直接続しているように示されているが、制御ユニットバス625はバスの集合であってもよい。例えば、ディスプレイユニット650、入力制御ユニット670及びマスストレージデバイス620が入力−出力周辺バスにつながり、他方でプロセッサユニット605及びメモリ610はローカルプロセッサバスにつながっていてもよい、このローカルプロセッサバスと入力−出力周辺バスとがつながり、制御ユニットバス625を形成してもよい。   The control unit bus 625 transfers data and control signals between all devices connected to the control unit bus 625. Here, the control unit bus is shown as one bus and directly connected to the device of the control unit 600, but the control unit bus 625 may be a set of buses. For example, the display unit 650, the input control unit 670 and the mass storage device 620 may be connected to the input-output peripheral bus, while the processor unit 605 and the memory 610 may be connected to the local processor bus. An output peripheral bus may be connected to form a control unit bus 625.

制御ユニット600は、基板上に膜を形成するために用いるチャンバの要素につながっている。このような要素のそれぞれが制御ユニットバス625につながり、制御ユニット600とこれら要素の間の連絡を容易にしてもよい。これら要素は、ガスパネル52と、ランプ130等の加熱要素と、圧力制御ユニット157と、RFソース又はソース62,142,143,144と、チャンバ温度測定装置140とを有している。本発明の一具体例では、制御ユニット600は、チャンバ110A、110B及び110Cで必要なガスパネルコントローラ50である。   The control unit 600 is connected to the elements of the chamber that are used to form the film on the substrate. Each such element may be connected to the control unit bus 625 to facilitate communication between the control unit 600 and these elements. These elements include a gas panel 52, a heating element such as a lamp 130, a pressure control unit 157, an RF source or source 62, 142, 143, 144, and a chamber temperature measurement device 140. In one embodiment of the present invention, the control unit 600 is the gas panel controller 50 required in the chambers 110A, 110B and 110C.

基板上への材料の堆積、アニール、酸化及び珪素スタッフィングのプロセスステップについて上述した操作を、これら要素が行うように、制御ユニット600はこれら要素に信号を与える。また、制御ユニット600は、前述のプロセスステップの実行の制御をいかに進行させるかを決定するため、これら要素から信号を受け取る。例えば、制御ユニット600は温度測定デバイス140から信号を受け取り、ランプ130がチャンバに与えるべき熱量を決定する。   The control unit 600 provides signals to these elements so that they perform the operations described above for the process steps of depositing materials, annealing, oxidizing and silicon stuffing on the substrate. The control unit 600 also receives signals from these elements to determine how to proceed with the control of execution of the aforementioned process steps. For example, the control unit 600 receives a signal from the temperature measurement device 140 and determines the amount of heat that the lamp 130 should provide to the chamber.

図49は、メモリ610から読み込まれたプログラムコードの命令に応じてプロセッサユニット605が行うことができるプロセスステップのシーケンスを例示する。基板上への膜の形成を開始するに当たり、堆積ステップ700が行われる。堆積ステップ700では、プロセッサユニット605が、メモリ610から読み込まれた命令を実行する。このような命令の実行の結果、チャンバの要素が、上述のような基板上への材料の層の堆積を行うよう動作する。例えば、読み込まれた命令に応答してプロセッサユニット605により、ガスパネルがチャンバ内に前駆体ガスを供給し、ランプ130がチャンバを加熱し、圧力制御ユニット157がチャンバ内の圧力を設定するようになる。   FIG. 49 illustrates a sequence of process steps that can be performed by the processor unit 605 in response to instructions in the program code read from the memory 610. In starting the formation of the film on the substrate, a deposition step 700 is performed. In the deposition step 700, the processor unit 605 executes the instruction read from the memory 610. As a result of the execution of such instructions, the chamber elements operate to deposit a layer of material on the substrate as described above. For example, in response to the read instruction, the processor unit 605 causes the gas panel to supply precursor gas into the chamber, the lamp 130 heats the chamber, and the pressure control unit 157 sets the pressure in the chamber. Become.

堆積素700が完了した後、メモリ610から読み込まれた命令により、プロセッサユニット605がチャンバの要素に対して、上述のアニールプロセスの中の1つ等のアニールのステップ701を行わせる。このアニールの操作は、窒素、窒素と水素の混合ガス、窒素と水素と他のガス(アルゴン等)との混合ガスの何れかを用いたプラズマアニールを含んでいてもよい。あるいは、アニールのステップ701は、上述のように連続アニールステップを実行させてもよい。   After the deposition element 700 is complete, the instructions read from the memory 610 cause the processor unit 605 to cause the chamber elements to perform an annealing step 701, such as one of the annealing processes described above. This annealing operation may include plasma annealing using any one of nitrogen, a mixed gas of nitrogen and hydrogen, and a mixed gas of nitrogen, hydrogen, and another gas (such as argon). Alternatively, the annealing step 701 may perform a continuous annealing step as described above.

アニールのステップ701の完了後、制御ユニット600に酸化プロセスステップが実行するか否かを決定する酸化決定のステップ702を行わせる。酸化を行わない場合は、ステップ703でメモリから命令を読み込み、プロセッサユニット605に珪素スタッフィングを行うか否かを決定させる。珪素スタッフィングを行わない場合は、制御ユニット600はステップ706において他の堆積操作を行うべきか否かを決定する。堆積操作は、既に堆積した材料の厚さが所望の膜厚と実質的に等しくなるまで行われる。所望の膜厚に達した場合は、基板上への膜の構築のプロセスは完了する。あるいは、新たな堆積のステップ700を行う。   After completion of the annealing step 701, the control unit 600 is caused to perform an oxidation determination step 702 that determines whether or not an oxidation process step is performed. If not, step 703 reads an instruction from the memory and causes the processor unit 605 to determine whether to perform silicon stuffing. If silicon stuffing is not performed, the control unit 600 determines in step 706 whether another deposition operation should be performed. The deposition operation is performed until the thickness of the already deposited material is substantially equal to the desired film thickness. When the desired film thickness is reached, the process of building the film on the substrate is complete. Alternatively, a new deposition step 700 is performed.

酸化決定のステップ702において酸化を行うことを決定した場合は、プロセッサユニット605は酸化のステップ704を実行させる。酸化のステップ704では、読み込まれた命令により、プロセッサユニット605は、チャンバの要素に、上述の堆積材料の酸化のプロセスステップを遂行するに必要な操作を行わせる。この酸化は、プラズマに基づくものであってもよいし、熱によるものであってもよい。酸化ステップ704が完了すれば、プロセッサユニット605は、新たな堆積のステップ700をステップ706において行うべきか否かを決定する。   If it is determined in the oxidation determination step 702 that the oxidation is performed, the processor unit 605 causes the oxidation step 704 to be executed. In the oxidation step 704, the read instructions cause the processor unit 605 to cause the chamber elements to perform the operations necessary to perform the above-described deposition material oxidation process steps. This oxidation may be based on plasma or by heat. Once the oxidation step 704 is complete, the processor unit 605 determines whether a new deposition step 700 should be performed in step 706.

ステップ703において珪素スタッフィングを行うと決定した場合は、プロセスユニット605は珪素スタッフィングのステップ705を実行させる。プロセッサユニット605は、メモリ610内の珪素スタッフィングの命令を読み込みこれを実行させる。この命令に応答して、プロセッサユニット605は、上述の珪素スタッフィングの手順を実行することを可能にする方法で、チャンバの要素を作動させる。この珪素スタッフィングは、熱によりエネルギーが与えられたシランガスに堆積材料を曝露させることにより行ってもよい。あるいは、珪素スタッフィングは、RFシグナルを用いてプラズマを発生させて生成した珪素イオン含有環境に堆積材料を曝露させることにより行ってもよい。珪素スタッフィングのステップ705が完了すれば、堆積ステップ700を繰り返す。   If it is determined in step 703 to perform silicon stuffing, the process unit 605 causes the silicon stuffing step 705 to be executed. The processor unit 605 reads a silicon stuffing instruction in the memory 610 and executes it. In response to this command, the processor unit 605 activates the chamber elements in a manner that allows the silicon stuffing procedure described above to be performed. This silicon stuffing may be performed by exposing the deposited material to a silane gas energized by heat. Alternatively, silicon stuffing may be performed by exposing the deposited material to a silicon ion-containing environment generated by generating plasma using an RF signal. Once the silicon stuffing step 705 is complete, the deposition step 700 is repeated.

図50は、メモリ610から読み込んだプログラムコード命令に応答してプロセッサユニット605が実行することができる、別のプロセスステップのシーケンスを例示する。このプロセスステップのシーケンスは、図49に示されると同じステップを含んでいる。しかし、ステップの順番を変え、アニールのステップ701の前に珪素スタッフィングのステップ705を行っている。   FIG. 50 illustrates another sequence of process steps that the processor unit 605 may execute in response to program code instructions read from the memory 610. This sequence of process steps includes the same steps as shown in FIG. However, the order of the steps is changed, and the silicon stuffing step 705 is performed before the annealing step 701.

堆積のステップ700を行った直後、プロセッサユニット605は、ステップ703において命令を実行し、珪素スタッフィングを行うか否かを決定する。行う場合、珪素スタッフィングのステップ705を行い、次いで、アニールのステップ701を行う。行わない場合は、アニール701を行う。アニールのステップ701の後、プロセッサユニット605がステップ702において酸化を行うか否かを決定する。行う場合は、酸化のステップ704を実行させる。行わない場合は、ステップ706において、新たな堆積を行うか否かを決定する。また、酸化のステップ704を行った後、ステップ706において係る決定を行う。新たな堆積が必要なときは、堆積のステップ700を実行する。そうでない場合は、膜の構築のプロセスは完了する。   Immediately after performing deposition step 700, processor unit 605 executes an instruction in step 703 to determine whether to perform silicon stuffing. If so, step 705 for silicon stuffing is performed, followed by step 701 for annealing. If not, annealing 701 is performed. After the annealing step 701, the processor unit 605 determines in step 702 whether to perform oxidation. If so, oxidation step 704 is performed. If not, it is determined in step 706 whether or not a new deposition is to be performed. Also, after performing oxidation step 704, such a determination is made in step 706. When a new deposition is required, the deposition step 700 is performed. Otherwise, the membrane construction process is complete.

ここまで特定の具体例について本発明の説明を行ってきたが、特許請求の範囲における本発明の本質及び範囲から離れることなく、いわゆる当業者により様々な変形や変更を行うことができることが認識されるだろう。   While the invention has been described with reference to specific embodiments so far, it will be appreciated that various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention in the appended claims. It will be.

拡散バリアを含む、集積回路のコンタクトプラグを例示する図である。FIG. 3 illustrates an integrated circuit contact plug including a diffusion barrier. 拡散バリアによりふさがれた集積回路のコンタクトホールを例示する図である。It is a figure which illustrates the contact hole of the integrated circuit blocked by the diffusion barrier. (a)は化学気相堆積チャンバを例示する図であり、(b)は(a)に示されるチャンバのためのウエハ支持体及び支持アームを例示する図である。(A) is a diagram illustrating a chemical vapor deposition chamber, and (b) is a diagram illustrating a wafer support and support arm for the chamber shown in (a). マルチチャンバ処理装置を例示する図である。It is a figure which illustrates a multi-chamber processing apparatus. 本発明に従ったウエハ処理チャンバの一具体例を例示する図である。FIG. 3 illustrates one specific example of a wafer processing chamber according to the present invention. 図5に示されるウエハ支持体及び支持アームの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the wafer support body and support arm which are shown by FIG. 図6の支持アームの断面図において支持アームがウエハ支持を支持しているところの拡大図である。FIG. 7 is an enlarged view of the support arm supporting the wafer support in the cross-sectional view of the support arm of FIG. 6. 図7の6−6線に沿った部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross-sectional view taken along line 6-6 in FIG. (a)は図6に示される支持アームの上面図であり、(b)は図9(a)の7−7線に沿った縦断面図である。(A) is a top view of the support arm shown in FIG. 6, (b) is a longitudinal cross-sectional view along line 7-7 in FIG. 9 (a). (a)は図6に示される支持アームの熱電対アイソレータの上面図であり、(b)は図10(a)の8−8線に沿った縦断面図である。(A) is a top view of the thermocouple isolator of the support arm shown in FIG. 6, and (b) is a longitudinal sectional view taken along line 8-8 in FIG. 10 (a). (a)は図6に示される支持アームのRF電力ストリップアイソレータの上面図であり、(b)は図11(a)に示されるアイソレータの部分的に断面図である正面図である。(A) is a top view of the RF power strip isolator of the support arm shown in FIG. 6, and (b) is a front view that is a partial cross-sectional view of the isolator shown in FIG. 11 (a). 図6の支持アームの下側保持プレートの上面図である。FIG. 7 is a top view of a lower holding plate of the support arm of FIG. 6. 図6の支持アーム固定端における詳細を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the detail in the support arm fixed end of FIG. 図6の支持アームに配置されるRF電力ストリップのコネクタの詳細を表す図である。FIG. 7 is a diagram representing details of a connector of an RF power strip disposed on the support arm of FIG. 6. (a)〜(c)とも、図5で示される整合回路網の具体例を例示する図である。(A)-(c) is a figure which illustrates the specific example of the matching network shown by FIG. 本発明に従った半導体ウエハ処理チャンバの別の具体例を例示する図である。FIG. 6 illustrates another specific example of a semiconductor wafer processing chamber according to the present invention. 本発明に従った半導体ウエハ処理チャンバのまた別の具体例を例示する図である。FIG. 5 illustrates yet another embodiment of a semiconductor wafer processing chamber according to the present invention. 従来からの堆積プロセスを用いて堆積させた窒化チタン膜についてのシート抵抗値の時間に対するグラフである。It is a graph with respect to time of the sheet resistance value about the titanium nitride film deposited using the conventional deposition process. 従来からの堆積プロセスを用いてシリコンウエハ上に堆積させた窒化チタン膜のラザフォード後方散乱スペクトルのチャートである。It is a Rutherford backscattering spectrum chart of a titanium nitride film deposited on a silicon wafer using a conventional deposition process. 表Iを示す図である。FIG. 表IIを示す図である。It is a figure which shows Table II. 表IIIを示す図である。It is a figure which shows Table III. NF3のガスを流入させる化学気相堆積を用いて堆積させた窒化チタン膜のラザフォード後方散乱スペクトルのチャートである。It is a chart of Rutherford backscattering spectrum of a titanium nitride film deposited using chemical vapor deposition in which NF 3 gas is introduced. 本発明に従った窒化チタン膜のオージェスパッタ分析のグラフである。4 is a graph of Auger sputtering analysis of a titanium nitride film according to the present invention. 表IVを示す図である。It is a figure which shows Table IV. 本発明に従った他の窒化チタン膜の元素のオージェ表面スペクトルである。4 is an Auger surface spectrum of elements of another titanium nitride film according to the present invention. 図26の窒化チタン膜における様々な元素の原子濃度のグラフである。27 is a graph of atomic concentrations of various elements in the titanium nitride film of FIG. コントロール窒化チタン膜の元素のオージェ表面スペクトルである。It is an Auger surface spectrum of the element of a control titanium nitride film. 図28のコントロール窒化チタン膜における様々な元素の原子濃度のグラフである。FIG. 29 is a graph of atomic concentrations of various elements in the control titanium nitride film of FIG. 28. 本発明に従った他の窒化チタン膜の元素のオージェ表面スペクトルである。4 is an Auger surface spectrum of elements of another titanium nitride film according to the present invention. 図30の窒化チタン膜における様々な元素の原子濃度のグラフである。FIG. 31 is a graph of atomic concentrations of various elements in the titanium nitride film of FIG. 30. 表Vを示す図である。FIG. 本発明に従って生じさせた膜による酸素の吸収を例示するグラフである。2 is a graph illustrating oxygen absorption by a film produced in accordance with the present invention. (a)〜(c)とも、本発明に従って行った膜の有機炭素含有量の低減を例示するグラフである。(A)-(c) is a graph which illustrates reduction of the organic carbon content of the film | membrane performed according to this invention. (a)〜(b)とも、本発明に従って形成したバイア及びサリサイドコンタクトの膜抵抗が改善される事を示すグラフである。(A)-(b) is a graph which shows that the film resistance of the via | veer and salicide contact formed according to this invention is improved. 堆積及びプラズマ処理のサイクルの数を変えて生成させた膜の抵抗率を示すグラフである。It is a graph which shows the resistivity of the film | membrane produced | generated by changing the number of cycles of deposition and a plasma processing. 膜の抵抗率とバイアス電圧をプラズマ処理圧力の関数としてプロットしたグラフである。FIG. 5 is a graph plotting film resistivity and bias voltage as a function of plasma processing pressure. FIG. (a)は、アニール時間と周波数が膜の抵抗率に与える影響を表すグラフであり、(b)は、アニール時間の膜抵抗率に対する影響についての別の例を表すグラフである。(A) is a graph showing the influence which annealing time and a frequency have on the resistivity of a film | membrane, (b) is a graph showing another example about the influence with respect to the film resistivity of annealing time. (a)〜(b)とも、窒化チタンを連続的に堆積及びアニールして形成した窒化チタン膜についての、オージェ電子分光分析深さプロファイルのグラフである。(A)-(b) is a graph of the Auger electron spectroscopy analysis depth profile about the titanium nitride film formed by depositing and annealing titanium nitride continuously. シリコンウエハ上に堆積させた厚さ1000オングストロームの従来形CVD窒化チタン層の、角度走査に係るX線回折のグラフである。4 is an X-ray diffraction graph for angular scanning of a conventional CVD titanium nitride layer 1000 Å thick deposited on a silicon wafer. シリコンウエハ上に堆積させアニールを施した厚さ1000オングストロームのCVD窒化チタン層の、角度走査に係るX線回折のグラフである。4 is an X-ray diffraction graph for angular scanning of a 1000 Å thick CVD titanium nitride layer deposited and annealed on a silicon wafer. 表VIを示す図である。It is a figure which shows Table VI. (a)〜(b)とも、本発明の一具体例に従って形成した、非酸化拡散バリア(a)と酸化拡散バリア(b)の化学組成を例示するグラフである。(A)-(b) is a graph which illustrates the chemical composition of the non-oxidation diffusion barrier (a) and the oxidation diffusion barrier (b) formed according to one specific example of the present invention. 本発明の一具体例に従って形成した拡散バリア抵抗特性を例示するグラフである。3 is a graph illustrating diffusion barrier resistance characteristics formed according to an embodiment of the present invention. 本発明に従った珪素スタッフィングを用いて形成した膜のオージェ深さプロファイルを例示するグラフである。4 is a graph illustrating an Auger depth profile of a film formed using silicon stuffing according to the present invention. 本発明に従って珪素を含有する材料を堆積させることにより形成される膜のオージェ深さプロファイルを例示するグラフである。4 is a graph illustrating an Auger depth profile of a film formed by depositing a silicon-containing material according to the present invention. 図45と図46に示される膜の抵抗率及び組成を比較するグラフである。47 is a graph comparing the resistivity and composition of the films shown in FIGS. 45 and 46. FIG. 本発明に従って基板上に膜を構築するために用いた、チャンバ制御のための制御ユニットを例示する構成図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a control unit for chamber control used to build a film on a substrate according to the present invention. 本発明の一具体例に従って、図48の制御ユニットにより行う操作のシーケンスを例示するフローチャートである。49 is a flowchart illustrating an operation sequence performed by the control unit of FIG. 48 according to an embodiment of the present invention. 本発明の別の具体例に従って、図48の制御ユニットにより行う操作のシーケンスを例示するフローチャートである。49 is a flowchart illustrating a sequence of operations performed by the control unit of FIG. 48 according to another embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…CVDチャンバ、12…処理チャンバ、14…ウエハ、16…ウエハ支持体、18…ディスク、20…自由端、22…支持アーム、24…固定端、26…ステム、28…変位機構、30…ランプ、32…ウィンドウ、34…ホール、36…シャワーヘッド、38…熱電対、40…温度測定装置、42…ケーブル、100…拡散バリア、101…シリコン基板、102…コンタクトプラグ、103…コンタクトホール、105…導電領域、106…ボイド、110…半導体ウエハ処理チャンバ、112…処理チャンバ、114…ウエハ、116…ウエハ支持体、136…シャワーヘッド、142…RFソース。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... CVD chamber, 12 ... Processing chamber, 14 ... Wafer, 16 ... Wafer support, 18 ... Disc, 20 ... Free end, 22 ... Support arm, 24 ... Fixed end, 26 ... Stem, 28 ... Displacement mechanism, 30 ... Lamp, 32 ... Window, 34 ... Hall, 36 ... Shower head, 38 ... Thermocouple, 40 ... Temperature measuring device, 42 ... Cable, 100 ... Diffusion barrier, 101 ... Silicon substrate, 102 ... Contact plug, 103 ... Contact hole, DESCRIPTION OF SYMBOLS 105 ... Conductive area | region, 106 ... Void, 110 ... Semiconductor wafer processing chamber, 112 ... Processing chamber, 114 ... Wafer, 116 ... Wafer support, 136 ... Shower head, 142 ... RF source.

Claims (10)

ウエハ上に窒化メタル膜を構築する方法であって、
(a)前記ウエハ上にメタロ有機前駆体から前記窒化メタル膜を形成するステップであって、
(a1)チャンバ内において、前記ウエハ上に前記窒化メタル膜を堆積するステップと、
(a2)窒素を含有するプラズマにおいて前記窒化メタル膜を処理するステップと、
を備えるステップと、
(b)珪素を含有する環境に前記窒化メタル膜を曝露して、前記珪素をスタッフィングした窒化メタル膜を形成するステップと、
(c)前記ステップ(b)の前記珪素をスタッフィングした窒化メタル膜上に窒化メタルのキャップ層を形成するステップと、
を備え、
前記キャップ層は、珪素を含有する環境に曝露されない、方法。
A method of constructing a metal nitride film on a wafer,
(A) forming the metal nitride film from a metallo-organic precursor on the wafer ,
(A1) depositing the metal nitride film on the wafer in a chamber;
(A2) treating the metal nitride film in a plasma containing nitrogen;
Comprising the steps of:
(B) exposing the metal nitride film to an environment containing silicon to form a metal nitride film stuffed with the silicon;
(C) forming a metal nitride cap layer on the silicon nitride stuffed metal nitride film of step (b);
With
The method wherein the cap layer is not exposed to an environment containing silicon.
記ステップ(a1)と前記ステップ(a2)との間において、前記チャンバから前記ウエハが取り出されない、請求項1に記載の方法。 In between the front Symbol the steps as (a1) (a2), is not taken out the wafer from the chamber, The method according to claim 1. 前記ステップ(b)の前記環境がシランを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the environment of step (b) comprises silane. 前記ステップ(a2)の前記窒素を含有するプラズマが更に水素を含有する、請求項に記載の方法。 The method of claim 1 , wherein the nitrogen-containing plasma of step (a2) further contains hydrogen. 前記窒素を含有するプラズマが含む窒素と水素の比が、3:1から1:2の間である、請求項4に記載の方法。   The method according to claim 4, wherein the nitrogen-to-hydrogen ratio contained in the nitrogen-containing plasma is between 3: 1 and 1: 2. 前記ステップ(a2)
a2)窒素及び水素を含有する第1のプラズマにおいて前記窒化メタル膜を処理するステップであって、前記ステップ(a1)と前記ステップ(a2)との間において、前記チャンバから前記ウエハが取り出されない、ステップを更に備え、
(a3)前記ステップ(a2)の後で、本質的に窒素及び不活性ガスから成る第2のプラズマにおいて、前記窒化メタル膜を処理するステップを更に備える、請求項1に記載の方法。
It said step (a2) is,
( A2) processing the metal nitride film in a first plasma containing nitrogen and hydrogen, wherein the wafer is removed from the chamber between the step (a1) and the step (a2). Not further comprising a step,
The method of claim 1 , further comprising: (a3) after the step (a2), processing the metal nitride film in a second plasma consisting essentially of nitrogen and an inert gas.
前記ステップ(a3)の前記不活性ガスが、ヘリウム、アルゴン及びネオンのグループから選択される、請求項6に記載の方法。   The method of claim 6, wherein the inert gas of step (a3) is selected from the group of helium, argon and neon. 前記ステップ(b)が1.2トールの圧力で実行される、請求項3に記載の方法。   The method of claim 3, wherein step (b) is performed at a pressure of 1.2 Torr. 前記ステップ(b)が420℃の温度で実行される、請求項3に記載の方法。   The method of claim 3, wherein step (b) is performed at a temperature of 420 ° C. 前記ステップ(b)中に、珪素が前記窒化メタル膜に加えられる、請求項1に記載の方法。
The method of claim 1, wherein silicon is added to the metal nitride film during step (b).
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