JP4675439B2 - 化学気相堆積チャンバ内でプラズマ前処理を用いた窒化タングステンの堆積 - Google Patents

化学気相堆積チャンバ内でプラズマ前処理を用いた窒化タングステンの堆積 Download PDF

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Description

関連出願のクロスレファレンス
この出願は、１９９７年６月３０日出願の米国特許出願第０８／８８４，８１１号の一部継続出願であり、これは参照として包含される。
Ａ．発明の分野
本発明は、集積回路製造の分野に関する。更に具体的には、本発明は、絶縁層上に窒化タングステンを堆積する方法に関する。
Ｂ．関連する背景の説明
窒化タングステンの堆積は、共形としたり良好なステップカバレージを与えるための可能性を有している。また、窒化タングステンは、集積回路メタライーゼーションプロセスに用いられる様々なメタルに対する良好なディフージョンバリアとして機能する。更に、窒化タングステンの抵抗率は、窒化チタン等の他のメタルバリアに比べて低い。従って、窒化タングステンを様々な集積回路製造の用途に用いることが望ましい。窒化タングステンを用いることが望ましいような用途としては、ディフージョンバリア、ゲート電極、キャパシタ電極等を挙げることができる。
従来は、窒化タングステンの堆積は、六弗化タングステン（ＷＦ6）とアンモニア（ＮＨ3）を含んだガスを堆積チャンバ内に流入させることにより実現される。チャンバには、窒化タングステンを堆積すべきウエハが内包されている。六弗化タングステンとアンモニアは直ちに気相反応を開始し、窒化タングステンを形成する。熱反応が生じ、アンモニアの窒素と六弗化タングステンのタングステンが結合して、窒化タングステン（Ｗ2Ｎ）が形成される。
上述した窒化タングステン堆積のための従来のプロセスでは、固体副生成物の形態での汚染粒子を形成してしまうことにもなる。このような副生成物には、六弗化タングステンのアンモニア付加体（（ＮＨ3）4ＷＦ6）やその他のアンモニア錯体が含まれる。８インチウエハ上に窒化タングステンを堆積する従来の方法において、六弗化タングステンとアンモニアが結合する度に、このような固体副生成物で直径０．２μｍ以上のものが、９０〜３００個発生する。これらの粒子の多くが、堆積チャンバの内壁に付着するようになり、その結果、チャンバにより発生する欠陥ダイスの数が増えることになる。
更に、上述の従来プロセスを用いて堆積した窒化タングステンは多結晶構造を有しており、その中には多数の結晶粒界が存在する。その結果、窒化タングステンのディフージョンバリア性が損なわれる。更に、従来プロセスを用いて堆積した窒化タングステンは、それを堆積しようとする基板に対して良好に接着しないという傾向がある。また、ＷＦ6はその遷移状態の反応においてシリコンを消費することが良く知られている。このため、シリコンの浸食が窒化タングステン層へ及ぶことにより、この層が汚染される。
従って、ウエハ毎の汚染粒子をほとんどなしにするような、窒化タングステンの堆積のためのプロセスに対する必要性が存在する。また、従来技術により堆積した窒化タングステンよりも無定形度（アモルファス度）が高い窒化タングステンを与えるような、窒化タングステンのための堆積プロセスを提供することが望ましい。更に、従来技術により堆積した窒化タングステンよりも酸化物層に対して強力に接着する薄膜を与えるような、窒化タングステンのための堆積プロセスを提供することが望ましい。この結果として、窒化タングステンのディフージョンバリア性が、従来技術で堆積した窒化タングステンよりも高められる。
本発明の摘要
本発明の具体例では、窒化タングステンは半導体ウエハ等の基板の上面の上に堆積される。ウエハはおよそ、二酸化珪素（ＳｉＯ2）や酸化珪素（ＳｉＯ）等の絶縁層により、全体的にあるいは部分的にコーティングされる。ウエハを内包するチャンバ内に混合ガスを供給し、この混合ガスにエネルギーを与えてプラズマを生成することにより、この堆積が行われる。混合ガスは、窒素及び水素を含む第１のガス組成物と、タングステンを含む第２のガス組成物を有している。第１のガス組成物は、混合ガスにエネルギーを与えない限りにおいて、第２のガス組成物と反応して窒化タングステンを生成しないようなものである。タングステン含有組成物は、六弗化タングステン（ＷＦ6）であってもよい。第１のガス組成物は、Ｎ2窒素とＨ2水素の混合物であってもよい。更に、混合ガスはアルゴン希釈ガスを有していてもよい。
高周波数の信号により与えられるエネルギーを注入することにより、この混合ガスにエネルギーを与えてプラズマを生成してもよい。プラズマ中では、Ｎ2窒素が解離して窒素イオンとなり、また該弗化物よりタングステンが分離する。この窒素イオンとタングステンが結合して、窒化タングステン（Ｗ2Ｎ）が形成される。窒化タングステンは、チャンバ内の加熱されたウエハの表面と反応するので、窒化タングステンの層（又は膜）はウエハの上面に堆積する。本発明に従って堆積される窒化タングステンは、従来技術により堆積した窒化タングステンよりも無定形度（アモルファス度）が高く、そのため、より良好なディフージョンバリアとして機能する。
水素と弗素は結合して、気相の反応副生成物である弗化水素を生成し、これはチャンバから捨てられ、即ち除去される。本発明に従って窒化タングステンを堆積すれば、８インチウエハ１枚毎に３０個以下の汚染粒子しか発生しない。この汚染粒子の減り方は、気相でアンモニア含有汚染物を生成するアンモニア反応を取り除くことにより実現される。
基板への窒化タングステン膜の接着性を高めるため、そしてとりわけその上に窒化タングステンを堆積しようとする絶縁層を有するウエハへの接着性を高めるため、窒化タングステン膜の堆積前にウエハをプラズマによって前処理する。この前処理は、第１のガス組成物だけを与えてエネルギーを与えプラズマを生成することにより、窒化タングステン堆積と同じチャンバで行うことができる。この場合、例えば水素や水素含有の混合ガスのプラズマを用いて、ウエハ予備処理を行う。ウエハの処理が済めば、弗化タングステンをプラズマに加えて、窒化タングステンの堆積を行ってもよい。
堆積の前にウエハを前処理することにより、２つの重要な向上が得られる。第１に、この後で堆積した窒化タングステン層は、ウエハ（とりわけバイアやトレンチの側壁）に対して良好に接着する。第２に、この前処理により、六弗化タングステンにより消費されるシリコンの量が少なくなる。従って、シリコンの浸食がほとんど発生しなくなる。
【図面の簡単な説明】
本発明の更なる詳細は、添付の図面の助けを借りて説明されるが、これらは：
図１（ａ）は、ウエハダイにおいて導電性メタル部分より外側に伸びる、部分的に形成された集積回路のバイアホールの断面図を例示する。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の部分的に形成された集積回路の断面図であり、本発明に従って混合ガスより生成したプラズマに曝露される様子を例示する。
図１（ｃ）は、図１（ｃ）で示される部分的に形成された集積回路の一部の上面に堆積された窒化タングステンの層の断面図を例示する。
図１（ｄ）は、図１（ｃ）で示される部分的に形成された集積回路の上に堆積されるメタル層の断面図を例示する。
図１（ｅ）は、図１（ａ）に示されるコンタクトホール内の相互接続部（インターコネクト）構造の断面図を例示する。
図２は、本発明に従って窒化タングステンを堆積するために配備する事が可能なチャンバの模式図を例示する。
図３は、本発明に従って窒化タングステンを堆積するために用いられる、チャンバ制御のための制御ユニットを例示する。
図４は、本発明に従って図４に示される制御ユニットによりなされるオペレーションのシーケンスを例示する。
詳細な説明
本発明に従えば、部分的に形成された集積回路の上面に窒化タングステンの層（ないし膜）が堆積される。この集積回路は、ウエハの数多くのダイの１つであり、基板上に形成されていてもよい。一般に、ウエハの一部又は全部が、絶縁層により覆われているが、この絶縁層は、例えば、酸化物材料の層であって、本発明に従って前処理され、その後堆積する窒化タングステン層の接着が高められたものである。
本発明に従った窒化タングステン層の堆積においては、ウエハを堆積チャンバ（例えばプラズマ励起化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ）内に配置する。ウエハは、部分的に形成された集積回路を含んでおり、これはその上に窒化タングステンを堆積することが好ましいものである。図１（ａ）は、ウエハ上の部分的に形成された集積回路の断面図を例示し、この上に、窒化タングステンを堆積し、プラグ等の相互接続構造体に対するディフージョンバリアを形成することができる。ウエハは、銅メタルライン等のメタル部分１０１と、二酸化珪素や酸化珪素等の絶縁材料層１０３を有している。絶縁材料１０３は、メタル部分１０１から上向きに伸びてこれを取り囲み、バイアホール１０５を形成する。図１（ａ）の集積回路の断面図は、多数の可能性の中の１つの可能な断面に過ぎないということが、当業者には認識されるだろう。例えば、ゲート電極やキャパシタ電極を形成するための窒化タングステンの堆積のためには、別の断面の方が適切であろう。
次に、部分的に形成された集積回路を有するウエハを、図１（ｂ）のようにプラズマ１０９に曝露する。このプラズマは、混合ガスを供給しこれに或る周波数を有する信号によるエネルギーを与えることにより形成される。この混合ガスは、窒素及び水素を含む第１のガス組成物と、タングステンを含む第２のガス組成物を有している。第１のガス組成物は、混合ガスにエネルギーを与えない限りにおいて、第２のガス組成物と反応して窒化タングステンを生成しないようなものである。本発明の１つの具体例では、第１のガス組成物は、Ｈ2水素を有しており、第２のガス組成物は、六弗化タングステン（ＷＦ6）である。この混合ガスは、アルゴン（Ａｒ）等の希釈物を有していてもよい。
窒化タングステンの堆積の前にウエハの前処理を行うため、第１の混合ガス（少なくとも水素を有し、窒素あり又は無しである１つ以上のガス）をチャンバ内に流入し、エネルギーを与えて前処理プラズマを生成する。本発明の好ましい具体例では、前処理プラズマとして水素と窒素の混合ガスを用いる。そして短時間の後、プラズマに第２の混合ガスをプラズマに加え、ウエハ上への窒化タングステンの堆積を開始する。第１の混合ガスに窒素を用いない場合は、プラズマには、窒化タングステンの堆積を促進するような第２の混合ガスを加える必要がある。
プラズマ１０９の生成のために印加する信号は、１００キロヘルツ（ｋＨｚ）〜５ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲の周波数を有していてもよい。エネルギーの注入により、第１の混合ガスの水素にエネルギーが与えられ、その結果、窒化タングステンの堆積に先立ってウエハが効率よく「クリーニング」され、また、第１の混合ガスと第２の混合ガスとの混合物にエネルギーを注入することにより、Ｎ2窒素が分解して窒素イオンになり、窒化タングステンの堆積を促進する。また、このエネルギーは、弗素がタングステンから分離して水素と結合し弗化水素（ＨＦ）を生成するよう、六弗化タングステンの分解のためのエネルギーを供給する。窒素イオンとタングステンが結合して、窒化タングステン（Ｗ2Ｎ）が生成する。
図１（ｃ）に例示されるように、窒化タングステン１０６は部分的に形成された集積回路の中に落ち、前処理プラズマによりスパッタでクリーニングされたメタル部分１０１や絶縁材料１０３の上面を覆う。堆積した窒化タングステンのうちメタル部分１０１の上にある部分は、その後堆積するメタルが該メタル部分１０１の中に拡散するのを防止するディフージョンバリアとして機能する。実際、窒化タングステンは、集積回路メタライゼーションプロセスにおいて適用される銅の拡散を防止する優れたバリアである。
窒化タングステンの堆積において生成する弗化水素（ＨＦ）副生成物は、堆積が行われるチャンバから排気される。従来技術の窒化タングステンの堆積で生成される固体副生成物とは対照的に、ＨＦ副生成物はガス状である。従って、本発明に従った窒化タングステンの堆積の後に残される汚染粒子の数は、従来技術の窒化タングステン堆積プロセスと比べて大幅に低減される。概説的には、本発明に従った窒化タングステンの堆積では、８インチウエハ１枚毎に３０個以下の粒子が発生しただけである。
図１（ｄ）に示されるように、銅やタングステン等のメタル層１０７が堆積され、窒化タングステン１０６のディフージョンバリア層の上を覆う。そして、ウエハの上面にポリシングを行い、絶縁材料１０３の上面から、メタル１０７と窒化タングステン１０６の両方を取り除く。その結果できた相互接続プラグ構造体１１０を図１（ｅ）に示す。ポリシングは、ケミカルメカニカルポリシングを用いて行うことができる。
上述の窒化タングステン堆積のためのプロセスをディフージョンバリアの形成に関して説明してきたが、本発明に従った窒化タングステンの堆積は、他の目的で窒化タングステンを堆積する場合に用いてもよい。この他の目的には、ゲート電極の形成やキャパシタ電極の形成が含まれる。
本発明に従えば、窒化タングステンの堆積は、プラズマ励起化学気相堆積のために与えられるあらゆるチャンバにおいて行うことができる。メタル堆積の直後に窒化タングステンの堆積を行う場合は、窒化タングステン堆積チャンバがメタル堆積にも用いることが可能であれば有利である。この場合は、プラズマ処理と２つの堆積をインシチュウに行うこともでき、その結果、窒化タングステンをチャンバ間でウエハを移送する際に触れることがある環境下に、窒化タングステンを曝露する必要がなくなる。例えば、ウエハの移送中に、窒化タングステンは酸素に曝露される場合があり、その結果自然酸化物が形成され、これが窒化タングステンの抵抗率を許容できない値へと押し上げ、またウエハのダイスの欠陥を生じさせることになる。
米国加州サンタクララのアプライドマテリアルズ社の製造による商品名ＷｘＺチャンバ、１９９６年７月１２日出願のZhaoらによる標題Components Peripheral to the Pedestal in the Gas Flow Path within a Chemical Vapor Depoaition Chamberである米国特許出願０８／６８０，７２４号（参照としてここに包含される）に記載のＣＶＤチャンバを用い、本発明に従って窒化タングステンを堆積してもよい。
このチャンバは図２に模式的に描かれている。チャンバ１３０は、処理チャンバ１３５にガスを流入させるためのシャワーヘッド１３３４と、処理されるべきウエハを支持するためのウエハ支持体１３２を有している。ウエハ支持体１３２は、抵抗コイル（図示せず）によって加熱され、化学気相堆積で生じる反応などの熱エネルギー反応のために、ウエハ温度を設定する。
ウエハ支持体１３２は接地され、シャワーヘッド１３４は整合回路網２５２を介して信号ソース１３６に結合される。プラズマ処理及び窒化タングステンの堆積の間、混合ガスが、チャンバ１３５内に流入され、或る周波数を有し信号ソース１３６からシャワーヘッド１３４に与えられる信号より、エネルギーが注入される。その結果、混合ガスはプラズマ２５４に変換され、これは、先ず水素／窒素プラズマが絶縁層を処理し、第２に、タングステンと窒素イオンが結合して窒化タングステン（Ｗ2Ｎ）を生成する。そして、窒化タングステンはウエハ支持体１３２に支持されるウエハの加熱された上面に落ち、窒化タングステンの層を形成する。
図２のチャンバは、制御ユニット２００を有しており、これは圧力制御ユニット１４０、ガスパネル１４３、ＲＦソース１３６、加熱部分１４１、及び温度センサ１６０に結合している。制御ユニット２００は、チャンバ／ウエハ温度を監視し、図４を参照して以下に説明する全てのチャンバ部分を制御する。圧力制御ユニット１４０は、制御ユニット２００の制御の下、処理チャンバ１３５内の圧力を設定し、処理チャンバ１３５から反応副生成物の除去のための排気メカニズムを与える。処理チャンバ１３５の壁はアイソレータ１６２によって、シャワーヘッド１３４及びウエハ支持体１３２から電気的に絶縁される。
本発明の１つの具体例では、窒化タングステンを堆積すべきウエハ１４２を、ウエハ支持体１３２上に配置させる。ウエハ１４２は、シャワーヘッド１３４から約０．３〜０．８インチの間隔をおき、更に好ましくは０．６〜０．７インチである。処理チャンバ１３５の圧力は、０．１トール〜１００トールの範囲になるよう、圧力制御ユニット１４０によって設定される。ウエハ１４２の温度は、２００℃〜６００℃の範囲に設定される。ウエハ１４２の温度は、ウエハ支持体１３２の抵抗コイルを用いることにより与えられる。しかし、加熱ランプ等、ウエハ１４２を加熱する他の手段を用いてもよい。更に、温度感知デバイス１６０を用いて、ウエハやウエハ支持体の一方又は双方の温度を測定し、適切なウエハ温度に至ったことを示してもよい。
プラズマ１４４は、処理チャンバ１３５内で生成する。プラズマの生成において、ガスパネル１４３は、シャワーヘッド１３４に混合ガスを与え、信号ソース１３６は或る周波数を有する信号をシャワーヘッド１３４に与える。混合ガスはシャワーヘッド１３４の中を流れ、ウエハ１４２を内包する処理チャンバ１３５内にプラズマ１４４を生成する。
本発明に従えば、好ましい混合ガスは、窒素及び水素を含む第１のガス組成物と、タングステンを含む第２のガス組成物を有している。第１のガス組成物は、混合ガスにエネルギーを与えない限りにおいて、第２のガス組成物と気相反応して窒化タングステンを生成しないようなものである。
本発明の好ましい具体例では、第１のガス組成物は、Ｎ2窒素とＨ2水素を有しており、第２のガス組成物は、六弗化タングステン（ＷＦ6）である。この混合ガスは、アルゴン（Ａｒ）希釈ガスを有している。窒素と水素のそれぞれは、１毎分標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）〜５０００ｓｃｃｍの流量で与えられ、アルゴン希釈ガスの流量は、１ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍで与えられる。窒素と水素は、チャンバへ供給され、六弗化タングステンがチャンバに供給される前の１５〜３０秒間、前処理プラズマを生成する。混合ガス中の六弗化タングステンは、１ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの流量で供給される。
信号からのエネルギーは先ず、水素を励起し、水素と窒素が絶縁層の表面を有効に処理（即ちスパッタクリーニング）し、次いで窒素を解離して窒素イオンにすることを促進する。また、このエネルギーは、六弗化タングステンのタングステンへ及び弗素への還元を促進し、このタングステンは窒素イオンと結合し、また弗素は水素と結合する。その結果、タングステンと窒素が結合して窒化タングステン（Ｗ2Ｎ）を生成し、水素と弗素が結合して弗化水素（ＨＦ）を生成する。
本発明に従えば、信号ソース１３６より与えられプラズマを生成するための信号は、１００ｋＨｚ〜５ＧＨｚの周波数を有している。信号のパワーは、１ワット〜５キロワットの範囲にある。好ましくは、信号のパワーは１００ワット〜１キロワットの範囲にある。処理プラズマは、１５〜３０秒間維持され、堆積プラズマは５〜６００秒間維持される。
信号ソース１３６からの電圧の繰り返されるサイクルにより、ウエハ１４２の近隣に過剰な電子を発生し、これがウエハ１４２に負のバイアスを発生させる。シャワーヘッド１３４は、−２００〜−４５０ボルト、典型的には−４００ボルトの負のバイアスを得てもよい。処理チャンバ１３５とウエハ支持体１３２は接地されており、ウエハの負バイアスは−１００〜−２５０ボルト、典型的には−２００ボルトであり、これはプラズマを維持する時間じゅう、およそ一定に維持される。電圧の勾配は、プラズマ中でウエハ１４２の表面上に形成される窒化タングステンの方に向いている。
新たに形成された窒化タングステンは、ウエハ１４２の上面上に堆積し、プラズマ生成が完了した後、圧力制御手段１４０により弗化水素（ＨＦ）を処理チャンバ１３５から排気する。本発明に従って８インチウエハ上に窒化タングステンを堆積した結果、発生した汚染粒子の数は３０以下であった。
図２に示されるチャンバを用いて、相互接続構造体のためのディフージョンバリアとして窒化タングステンを堆積する場合は、相互接続構造体のためのメタルの堆積もまた、窒化タングステンと同じ処理チャンバ１３５内でウエハ１４２上に行われる。従って、窒化タングステンディフージョンバリアとメタルを、インシチュウで堆積することができ、その場合、窒化タングステンの堆積とメタルの堆積の間でウエハを処理チャンバ１３５から取り出さなくてもよい。これにより、ウエハ１４２を処理チャンバ１３５の外の汚染物の環境へ曝露することを最小限にする。
形成しようとする相互接続部は、窒化タングステンディフージョンバリアを有するプラグであってもよく、これは銅やタングステン等のメタルでその上を覆われる。このような相互接続部を形成するため、この前に堆積した窒化タングステンの層１５０の上面の上にメタルを堆積する。化学気相堆積等、従来からの堆積プロセスを用いてメタルを堆積してもよい。
処理チャンバ１３５内でウエハ１４２上にメタルを堆積する場合、ウエハ１４２の温度を２００℃〜６００℃の範囲に設定し、また処理チャンバ１３５内の圧力を０．０１トール〜５０トールの範囲に設定する。ガスパネル１４３は、メタルベースの混合ガス１５１をシャワーヘッド１３４に供給する。シャワーヘッド１３４は、ウエハ１４２がある処理チャンバ１３５内に混合ガス１５１を流入させる。混合ガス１５１は、メタルのガスとアルゴン希釈ガスの両方を含んでいてもよい。堆積使用とするメタルがタングステンの場合は、混合ガス１５１は六弗化タングステン、窒素及び水素を含んでいてもよい。六弗化タングステンの流量は１ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの範囲にあってもよく、他方、窒素と水素の流量は１ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍの範囲にあってもよい。アルゴンの流量は、１ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍの範囲にあってもよい。
加熱されたウエハ表面を混合ガス１５１に曝露することにより、熱により引き起こされる化学反応が生じる。その結果、窒化タングステン１５０の上面の上には、メタルの層１５３が形成される。メタルを堆積した後、圧力制御ユニット１４０により、メタル堆積反応副生成物を処理チャンバ１３５から排気させるようにする。この時点で、ウエハ１４２は処理チャンバ１３５から取り除かれ、窒化タングステン１５０とメタル１５３の不要な部分を除去するための機械へと移送される。
上述の通り、弗化水素（ＨＦ）が、六弗化タングステンと、窒素及び水素を有する第２のガス組成物との間の反応の副生成物として生成する。本発明の具体例を行う場合、気相の弗素副生成物が、六弗化タングステンと、窒素と、水素の反応より生じることがある。弗化水素に加えて弗素も生成することがあり、何故なら六弗化タングステンからの弗素全てに対して結合するだけの十分な水素がないだろうからである。
場合によっては、過剰な弗素が、ウエハの部分的に形成された集積回路の中に拡散してしまう。これにより、弗素が拡散した材料の層の抵抗率を押し上げることがある。更に、本発明に従ってゲート電極を形成するために窒化タングステンを堆積しようとする場合、弗素副生成物がその下のゲートの中まで拡散し、ゲート酸化物の厚みが増えてしまう。ゲート酸化物の厚みが過剰になれば、トランジスタが動作不能になってしまうことがある。
本発明の更なる具体例では、堆積中に付加的なガスを、窒素及び水素を有する第２のガス組成物に加え、過剰な弗素を吸収するようにする。この付加的なガスは、堆積プラズマと共に用いた場合に、第２のガス組成物の水素と共に用いることができ、あるいは水素に代えて用いることができる。本発明に従えば、この付加的なガスはＩＩＩ属又はＩＶ属の水素化物であってもよい。１つの具体例では、この付加的なガスとして、ジボランＢ2Ｈ6を用いている。
堆積プラズマを生成する場合、第２のガス組成物は、Ｎ2窒素と、Ｈ2水素と、Ｂ2Ｈ6ジボランを有していてもよい。Ｂ2Ｈ6は、１ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍの範囲の流量で与えられてもよく、またその他の条件は図２を参照して上述したと同じに維持してもよい。プラズマ中では、１つの硼素原子は３つの弗素原子と結合し、また１つの水素原子は１つの弗素原子と結合する。その結果、ＨＦとＢＦ3がガス副生成物として生成し、他方で窒化タングステンが堆積される。硼素の弗素吸収により、生成される弗素副生成物のレベルが減少する。これにより、弗素副生成物によって生じる不利な影響、例えば抵抗率の上昇やゲート酸化物の厚みの上昇などを低減する。理想的には、弗素の濃度は、１モル当たり１ｘ１０17〜１ｘ１０19個の範囲のレベルまで下げることができる。
しかし、Ｂ2Ｈ6は毒性の高い化学物質である。Ｂ2Ｈ6を用いる場合に、施すべき様々な安全についての配慮がある。従って、Ｂ2Ｈ6の使用は、発生する弗素副生成物の量を小さくすることが重要である場合に限られるだろう。例えば、ゲート電極を形成する場合に弗素の量を制限する必要性が、プラグのディフュージョンバリアを形成する場合に弗素の量を制限する必要性よりも高いことが、いくつかの局面でみられるだろう。これは、ゲート電極の下にあるゲート酸化物の厚みに対して弗素の持ちうる厳しい悪影響による。
本発明に従えば、ウエハをプラズマ処理してもよく、そしてプロセッサベースの制御ユニットにより制御されたチャンバ内で窒化タングステンを堆積してもよい。図３は、このようなキャパシティにおいて用いることができる制御ユニット２００を例示する。制御ユニット２００は、プロセッサユニット２０５と、メモリ２１０と、マスストレージデバイス２２０と、入力制御ユニット２７０と、ディスプレイユニットとを備え、これらは全て制御ユニットバス２２５に結合されている。
プロセッサユニット２０５は、メモリ内に保存された命令を実行することができるマイクロプロセッサやその他のエンジンであってもよく、例えばモトローラ社製造の６８０ｘ０マイクロプロセッサ等である。メモリ２１０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、またはその他のメモリであってもよい。メモリ２１０は、本発明に従って窒化タングステンを堆積するための上述の各ステップの実施を促進するために、プロセッサユニットが実行する命令を有している。メモリ２１０の命令は、プログラムコードの形態であってもよい。プログラムコードは、数多くの異なる言語のいずれか１つに適合するものであってもよい。例えば、プログラムコードは、Ｃ＋、Ｃ＋＋、ＢＡＳＩＣ、Ｐａｓｃａｌ、その他様々な言語で書かれていてもよい。
マスストレージデバイス２２０は、データや命令を保存し、また、時期ディスクや磁気テープ等のプロセッサ読み出し可能保存媒体からデータや命令を呼び出す。例えば、マスストレージデバイス２２０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、光ディスクドライブ、またはコンパクトディスクリードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）であってもよい。マスストレージデバイス２２０は、プログラムユニット２０５から受ける指示に応じて、指示を保存しまた呼び出す。マスストレージデバイス２２０によって保存または呼び出されたデータや指示は、窒化タングステンの堆積を行うためプログラムユニット２０５によって用いることができる。データと指示は、先ずマスストレージデバイス２２０により媒体から呼び出され、次いで、プロセッサユニット２０５での使用のためメモリ２１０へ転送される。
ディスプレイユニット２５０は、プロセッサユニット２０５の制御の下で、チャンバのオペレータに対し情報をグラフィック表示及びアルファベット数字キャラクタの形で提供する。入力制御ユニット２７０は、キーボード、マウス、ライトペンといったデータ入力デバイスを制御ユニット２００に結合し、チャンバのオペレータが入力を受け取れるようにしている。
制御ユニットバス２２５は、この制御ユニットバス２２５に結合されている全てのデバイス間でデータ及び制御信号を転送させる。ここでは制御ユニットバス２２５は、制御ユニット２００のデバイスに直接結合されるシングルバスとして表示されているが、制御ユニットバス２２５は複数の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２５０、入力制御緒ユニット２７０及びマスストレージデバイス２２０を結合して入力−出力周縁バスとし、他方でプロセッサユニット２０５とメモリ２１０を結合してローカルプロセッサバスとしてもよい。ローカルプロセッサバス及び入力−出力周縁バスが結合して、制御ユニットバス２２５を形成してもよい。
制御ユニット２００は、図２に示されるチャンバの如き、本発明に従って窒化タングステンの層を堆積するためのチャンバの部品に結合される。チャンバ部品のそれぞれが制御ユニットバス２２５に結合され、制御ユニット２００と当該各部品の間のコミニュケーションを促進してもよい。図２を参照して説明されるこれらのチャンバ部品には、ガスパネル１４３、抵抗コイル等の加熱部品１４１、圧力制御ユニット１４０、信号ソース１３６や温度決定デバイス１６０が含まれている。制御ユニット２００は、これらチャンバ部品に信号を与え、これにより、本発明に従ってウエハの処理を行ったり窒化タングステンを堆積するプロセスステップのための上述の操作が行われる。また制御ユニット２００は、これら部品から信号を受け、窒化タングステンの堆積の制御をどのように進めるべきかを決める。例えば、制御ユニット２００は温度決定デバイス１６０から信号を受け、加熱部品１４１が与えるべき熱量を決定する。
図４は、メモリ２１０より受けるプログラムコード命令に応じプロセッサユニット２０５によって実施可能なプロセスステップのシーケンス（窒化タングステン堆積ルーティン４００）を例示する。窒化タングステンの堆積を開始する（ステップ４０２において）に当たり、処理チャンバ１３５の温度及び圧力をステップ４０４で決める。圧力と温度の設定では、プロセッサユニット２０５は、メモリ２１０より受けた命令を実行する。これらの命令の実行により、動作対象のチャンバ部品が、ウエハ温度とチャンバ圧力を設定するようになる。
例えば、プロセッサユニット２０５は、呼び出された命令に応答して、圧力制御ユニット１４０をして、処理チャンバ１３５の圧力を０．１トール〜１００トールの範囲に設定せしめる。また、プロセッサユニット２０５は、ウエハを２００℃〜６００℃の温度に加熱する命令を加熱部品１４１に対してする。
処理チャンバの温度と圧力が決まれば、プロセッサユニット２０５はメモリ２１０からの命令を実行するが、この命令は、ステップ４０６において、チャンバ部品に対して或る周波数を有する信号を与えるプラズマを点火するために第１の混合ガスにエネルギーを供給する。例えば、ステップ４０６において、上述の如きウエハ処理プラズマを形成するため、ガスパネル１４３は、窒素と水素を有する第１の混合ガスを供給するように制御される。
更に、ステップ４０８において、プロセッサユニット２０５は、信号ソース１３６に対して、周波数１００ｋＨｚ〜５ＧＨｚ、パワー１ワット〜５キロワットの信号をシャワーヘッド１３４に供給する命令を行う。プロセッサユニット２０５は、このような信号を、１５〜３０秒間の範囲で供給させるようにする。その後プロセッサユニット２０５は、ステップ４１０において、ガスパネル１４３に対し、六弗化タングステンとアルゴンをシャワーヘッド１３４へ供給させる。この際、窒化タングステンがウエハ上に堆積する。この堆積プロセスは、５〜６００秒間行われる。
プラズマの生成及び維持が完了した後、ステップ４１２でチャンバの内部をパージする。プロセッサユニット２０５は、プロセッサ制御ユニット１４０を制御して、処理チャンバ１３５から全ての反応副生成物を除去させる。処理チャンバ１３５のパージが行われた後、窒化タングステンの堆積が完了する。その後、ステップ４１４でチャンバを随意用い、上述のように窒化タングステンの上にメタルを堆積する。メタルを堆積した後、プロセスはステップ４１６にて完了する。その後ウエハを取り除くことができ、そして平坦化処理を行い、相互接続構造体が完成する。
本発明に従った窒化タングステンの堆積により、汚染粒子の数が少なくなる。更に、窒化タングステンの堆積の前にプラズマ処理プロセスを行うことにより、窒化タングステン層のウエハへの接着性、特に酸化物でコーティングしたウエハ部分への接着性が向上する。とりわけ、本発明に従って堆積した窒化タングステン膜は、標準的な「セロハンテープ」テストによる測定では、処理なしに堆積された膜よりも高い接着性を有している。
更に、ウエハを水素／窒素プラズマで処理した後に堆積した窒化タングステン膜は、窒化タングステン膜へのシリコンの浸食が低減していることが示される。この効果は、堆積プラズマ中の弗素含有化学種が窒化タングステン堆積の最初の段階でシリコンと反応するのを防止する、Ｓｉ表面の窒素パッシベーションに関連しているようであり、あるいは、この効果は、窒化タングステン堆積の最初の段階でＷＦ6のシリコン還元の代わりにＷＦ6の水素還元が行われることに関連しているようでもある。
ここまで本発明を、水素／窒素の組み合わせ又はジボランを還元剤として用い、窒化タングステンの堆積の前にウエハをプラズマ処理することについて説明してきた。酸化物層のプラズマ処理で得られる接着性の向上は、六弗化タングステンをアンモニアで還元する場合や熱分解プロセスで有機金属前駆体を用いる場合を含むあらゆる方法により堆積した窒化タングステン膜について生じるものである。
ここでは、本発明を特定の例示的な具体例について説明してきたが、当業者は、以下の請求の範囲で特定される本発明の範囲より離れることなく、様々な変形や変更ができることが認められるだろう。

Claims (8)

  1. 処理チャンバ内の基板に材料を堆積する方法において：
    処理チャンバ内に基板を配置するステップと；
    水素及び分子の窒素ガスを備える第１のガス組成物を供給するステップと；
    処理プラズマを形成して前記基板の表面を処理する為に前記第１のガス組成物にエネルギーを供給するステップと；
    混合ガスを形成する為に前記第１のガス組成物と混合する六弗化タングステンを備える第２のガス組成物を供給するステップと；
    前記処理された面に窒化タングステンを堆積する為に堆積プラズマを形成するように前記処理チャンバ内で前記第２の混合ガスにエネルギーを供給するステップと；
    を備える、前記方法。
  2. 前記第２のガス組成物が、１ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記水素が１ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給され、前記窒素が１ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記堆積プラズマが、５秒〜６００秒の時間範囲内で生成される、請求項１に記載の方法。
  5. 前処理のための前記処理プラズマが、１５秒〜３０秒の時間範囲内で生成される、請求項１に記載の方法。
  6. 前記混合ガスがアルゴンを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記処理プラズマ及び堆積プラズマは、１００ＫＨｚから５ＧＨｚの周波数範囲内で、それぞれが独立して形成される、請求項１に記載の方法。
  8. 前記第１のガス組成物と前記第２のガス組成物とを供給するときに、
    ０．１トールから１００トールの圧力範囲で前記処理チャンバを加圧するステップと、
    ２００℃から６００℃までの温度範囲で前記基板を加熱するステップと、
    を更に備える、請求項１記載の方法。
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