JP4705325B2 - 表面処理後にタングステンを堆積して膜特性を改善するための方法 - Google Patents

表面処理後にタングステンを堆積して膜特性を改善するための方法 Download PDF

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Description

発明の内容
関連出願の説明
[0001]本出願は、２００１年７月１６日出願の米国仮特許出願第６０/３０５,７６５号の恩典を請求する。その開示内容は本明細書に援用されている。
発明の背景
発明の分野
[0002]発明の実施形態は、半導体基板の処理に関する。特に、本発明の実施形態は、半導体基板上に耐火金属層を堆積する方法の改良に関する。
関連技術の説明
[0003]半導体処理産業は、表面積の大きい基板上に堆積した層の一様性を高めつつ生産収量を上げる努力を続けている。新しい材料と組み合わせたこれらの同様の要因によっても基板の単位面積当たりの回路の密度が高くなる。回路密度が高くなるにつれて、層の厚さに関する一様性やプロセス制御を高めることが求められるようになる。その結果、層の特性に対する制御を維持しつつコスト効率の良い方法で基板上に層を堆積するために様々な技術が開発されてきた。化学気相堆積（ＣＶＤ）は、基板上に層を堆積させるために用いられる最も一般的な堆積処理法の一つである。ＣＶＤは、一様な厚さの所望の層を得るために処理チャンバ内に導入される基板温度と前駆物質の正確な制御を必要とする流量依存性堆積法である。これらの要求は、基板サイズが大きくなるにつれて（例えば２００ｍｍ径基板から３００ｍｍの基板まで）更に重要になり、十分な一様性を維持するためにチャンバ設計とガスフロー技術において更に複雑な要求が生じる。
[0004]ＣＶＤと比較して優れたステップカバレージを示すＣＶＤの変形は、原子層堆積（ＡＬＤ）である。ＡＬＤは、元々エレクトロルミネセンスディスプレイを製造するために用いられた原子層エピタキシー（ＡＬＥ）に基づいている。ＡＬＤは、基板表面上に反応性前駆分子の飽和単一層を堆積するために化学吸着を用いる。このことは、堆積チャンバ内に適切な反応性前駆物質のパルスを交互に送ることにより達成される。前もって堆積された層に吸着された原子層を施して基板上に一様な層を形成するために不活性ガスパージによって反応性前駆物質のそれぞれの注入が分けられる。層を所望の厚さに形成するようにサイクルが繰り返される。ＡＬＤ技術の欠点は、堆積速度が少なくとも一桁程度だけ典型的なＣＶＤ技術より遅くなることである。
[0005]十分なステップカバレージを与えつつ高堆積速度による薄膜層を形成することは、一方を犠牲にしてもう一方を得ることをしばしば必要とする矛盾する特徴がある。この矛盾は、特に誘導層によって分けられた隣接した金属層を相互接続するコンタクトの形成中にアパーチャ又はバイアを被覆するために耐火金属層を堆積させる場合に言えることである。歴史的に、ＣＶＤ技術は安価に且つ急速にバイアを充填するために耐火金属のような導電材料を堆積させるために用いられた。半導体回路の密度を上げるために、高アスペクト比構造を充填する、優れたステップカバレージに基づいてタングステンが用いられた。その結果、ＣＶＤ技術を用いたタングステンの堆積は、プロセスのスループットが高く且つステップカバレージが良好であるために半導体処理において幅広い適用に恵まれている。
[0006]しかしながら、従来のＣＶＤ方法によってタングステンを堆積することにはいくつかの欠点が伴っている。例えば、半導体ウエハ上のタングステン層のブランケット堆積は４００℃より低い温度では時間を要する。タングステンの堆積速度は、約５００℃〜５５０℃に堆積温度を上昇させることができる。しかしながら、このより高い範囲の温度は、形成される集積回路の下地部分の構造的且つ動作的多能性を損なうことがある。タングステンの使用は、また、反射率がシリコン基板の２０％以下である比較的粗い表面になるように製造プロセス中のフォトリソグラフィステップが複雑になる。更に、タングステンは一様に堆積させることが難しいことがわかった。１％より大きい膜厚の変動がわかった。これにより層の抵抗率の制御が不十分になる。前述の欠点を克服する試みが幾つか行われている。
[0007]例えば、本発明の譲受人に譲渡されるChangらの米国特許第５,０２８,５６５号においては、特に、堆積化学を変えることによってタングステン層の一様性を改善することが開示されている。該方法には、適切な部分において、バルク堆積によってタングステン層を堆積させる前に中間バリヤ層の上に核形成層を形成させることが含まれる。核形成層は、六フッ化タングステン、水素、シラン、アルゴンのガス混合物から形成される。核形成層は、タングステン層の一様な堆積を促進させるための成長部位の層を与えると記載されている。核形成層によって得られる利点は、存在するバリヤ層に依存すると記載されている。例えば、窒化チタンから形成されたバリヤ層であれば、タングステン層の厚さの一様性は１５％程度改善される。スパッタ付着したタングステン又はスパッタ付着したチタンタングステンからバリヤ層が形成された場合には、核形成層によって得られる利点ははっきりしない。
[0008]それ故、半導体基板上に堆積された耐火処理金属層の特性を改善するための方法が求められている。
発明の概要
[0009]基板上に耐火金属層を形成する方法及びシステムには、タングステン層を形成するために、ＰＨ3又はＢ2Ｈ6のような還元剤の導入、続いてＷＦ6のようなタングステン含有化合物の導入が含まれる。還元剤はタングステン層のステップカバレージと抵抗率を改善しつつタングステン層のフッ素含有量を減少させると考えられる。タングステン膜の改善された特性は、還元剤とタングステン含有化合物間の化学親和性によると考えられる。化学親和性によって、タングステン層の核形成段階での吸着された化学種の表面移動度が良好になるとともにＷＦ6の還元が良好になる。
[0010]本方法には、タングステン層を堆積するためにＰＨ3又はＢ2Ｈ6のような還元剤とタングステン含有化合物の連続導入を更に含むことができる。形成されたタングステン層は核形成層として用い、続いて標準ＣＶＤ技術を用いてタングステン層をバルク堆積させることができる。または、形成されたタングステン層はアパーチャを充填するために使用し得る。
好適実施形態の詳細な説明
[0029]図１を参照すると、典型的なウエハ処理システムは、壁１８にとり囲まれた共通の作業領域１６に配置された１以上の処理チャンバ１２と１４を含んでいる。処理チャンバ１２と１４は、２４と２６として示される１以上のモニタに接続されているコントローラ２２とデータ通信している。モニタは、典型的には処理チャンバ１２及び１４と関連付けられたプロセスに関する共通の情報を表示する。モニタ２６のうちの一つは壁１８に掛けられ、残りのモニタ２４は作業領域１６に配置されている。処理チャンバ１２と１４の動作制御は、コントローラ２２と連通するために、モニタ２４と２６のうちの一つと関連付けられたライトペンの使用によって達成させることができる。例えば、ライトペン２８はモニタ２４と関連付けられ、モニタ２４を介してコントローラ２２との連通を容易にする。ライトペン３９は、モニタ２６を介してコントローラ２２との連通を容易にする。
[0030]図１と図２の双方を参照すると、処理チャンバ１２と１４のそれぞれは、底壁３２と、底壁３２の反対に配置されたカバー３４と、その間に伸びている側壁３６を有するハウジング３０を含んでいる。ハウジング３０はチャンバ３７を画成し、ペデスタル３８は半導体ウエハのような基板４２を支持するために処理チャンバ３７内に配置されている。ペデスタル３８は、置換メカニズム（図示せず）を用いてカバー３４と底壁３２の間を移動するように取り付けられてもよいが、その位置は典型的には固定されている。処理ガスの供給部３９ａ、３９ｂ、３９ｃは、シャワーヘッド４０を介して処理チャンバ３７と流体で連通している。供給部３９ａ、３９ｂ、３９ｃからのガス流の制御は、フローバルブ４１によって達成する。
[0031]個々のプロセスによっては、基板４２は、ペデスタル３８内に埋め込まれたヒータによって層堆積の前に所望される温度に加熱することができる。例えば、ペデスタル３８は、ヒータ素子４４にＡＣ電源４３から電流を印加することにより抵抗加熱することができる。また、基板４２は、ペデスタル３８によって加熱され、例えば、約２０℃〜約７５０℃の所望されるプロセス温度範囲内に維持することができる。従来の方法でペデスタル３８の温度をモニタするために、熱電対のような温度センサ４６もウエハ支持ペデスタル３８に埋め込まれている。例えば、具体的なプロセス適用に適した所望温度に基板温度が維持されるように測定した温度が電源４３によってヒータ素子４４に加えられた電流を制御するためにフィードバックループ内に用いることができる。場合によっては、ペデスタル３８は放射熱（図示せず）を用いて加熱することができる。真空ポンプ４８は、処理チャンバ３７を減圧にするとともに処理チャンバ３７の内部に適切なガスフローと圧力の維持を援助するように用いられる。
[0032]図１と図２を参照すると、上記処理チャンバ１２と１４の一方又は双方は、連続堆積法を用いて基板上に耐火金属層を堆積するように作動させることができる。本発明による連続堆積法の一例には、原子層堆積（ＡＬＤ）が含まれる。本明細書に用いられる“基板”という用語には、半導体基板やガラス基板のような基板、誘電層（即ち、ＳｉＯ2）やバリヤ層（即ち、チタン、窒化チタン等）のような上に形成された層が含まれる。
[0033]理論に束縛されることを望まないが、図３は、連続堆積中に基板上に還元剤の起こりうる一吸着メカニズムを示す基板の断面略図である。本明細書に用いられる“吸着”又は“吸着する”という用語は、化学吸着、物理吸着、又は作動していてもよく、更に／又は基板構造の暴露面の一部の結合、付着、又は占有に寄与していてもよい親和力及び/又は結合力を含むように定義される。本発明による連続堆積法において、最初の処理ガスのバッチは、この場合“Ａａx”は、リガンド“ａ”の表面が処理チャンバ３７にさらされた基板４２の上に堆積されている“Ａ”の層を生じる。層“Ａ”は単一層でも、単一層を超えても、単一層未満でもよい。その後、パージガスは、Ａの層に取り込まれなかったガス“Ａａx”をパージするために処理チャンバ３７に入る。図４は、還元剤の導入後に基板上に起こりうる耐火金属含有化合物の一吸着メカニズムを示す基板の断面略図である。処理チャンバ３７からガス“Ａａx”を除去した後、処理ガスの第二バッチ、“Ｂｂｙ”は処理チャンバ３７の中に導入される。基板表面上に存在する“ａ”リガンドは“ｂ”リガンドと“Ｂ”原子と反応し、例えば、“ａｂ”や“ａＡ”分子を放出し、基板４２から除去され、続いて処理チャンバ３７からポンプで流される。この方法において、Ｂ化合物層を含む表面は、基板４２上に残り、図４の中で示される処理チャンバ３７にさらされたままである。Ｂ化合物の層の組成は、ＡＬＤ技術を用いて典型的に形成された原子の単一層以下であってもよい。他の実施形態においては、単一層を超えるＢ化合物は各サイクル中に形成することができる。また、化合物Ｂ層は、多重原子（即ち、Ｂの原子のほかに他の原子）の層を含むことができる。そのような場合、処理ガスの第一バッチ及び/又は第二バッチはプロセスガスの混合物を含むことができ、その各々が基板４２に付着する原子を有する。所望される厚さが得られるまでプロセスはサイクルを次々に進める。
[0034]図３と図４の双方を参照すると、いずれのタイプの処理ガスも用いることができるが、本実例においては、還元剤“Ａａx”はＢ2Ｈ6か又はＰＨ3を含むことができ、耐火金属含有化合物、ＢｂyはＷＦ6を含むことができる。化学反応（１）と化学反応（２）によって起こりうる反応を次に示す。
（１）Ｂ2Ｈ6（ｇ）＋ＷＦ6（ｇ）→ Ｗ（ｓ）＋２ＢＦ3（ｇ）
（２）ＰＨ3（ｇ）＋ＷＦ6（ｇ）→ Ｗ（ｓ）＋ＰＦ3（ｇ）
他の副生成物にはＨ2、ＨＦ、Ｆ2が含まれるがこれらに限定されない。分解反応のような他の反応も起こりうる。他の実施形態においては、ＳｉＨ4のような他の還元剤を用いることができる。同様に、他の実施形態においては、Ｗ(ＣＯ)6のようなタングステン含有ガスを用いることができる。
[0035]パージガスには、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ2、Ｈ2、他の適切なガス、その組合わせが含まれる。１種以上のパージガスを用いることができる。図５は、２種のパージガスＡｒとＮ2を用いて処理チャンバ内に存在するガスの一実施形態を示すグラフである。それぞれの処理ガスを、この実例においてはパージガスの１種であるキャリアガスとともに処理チャンバ３７内に流した。ＷＦ6はＡｒと導入され、Ｂ2Ｈ6はＮ2と導入される。しかしながら、後に詳述されるパージガスがキャリアガスと異なってもよいことは理解されなければならない。本発明のＡＬＤ法の一サイクルには、Ｂ2Ｈ6が処理チャンバ３７に流される前の約０.０１〜約１５秒の時間ｔ１の間に処理チャンバ３７へパージガス、Ｎ2を流すことが含まれる。時間ｔ2の間、処理ガスＢ2Ｈ6は、この実例においてはＮ2であるキャリアガスとともに約０.０１〜約１５秒の範囲にある時間、処理チャンバ３７へ流される。約０.０１〜約１５秒が経過した後、Ｂ2Ｈ6フローは終了し、Ｎ2フローが約０.０１〜約１５秒の範囲にある追加時間として時間ｔ3の間続き、Ｂ2Ｈ6の処理チャンバをパージする。約０〜約３０秒続く時間ｔ4の間、処理チャンバ３７は、全てではないとしてもほとんどのガスを除去するようにポンプで流される。処理チャンバ３７をポンプで流した後、キャリアガスＡｒが時間ｔ5の間、０.０１〜約１５秒の範囲にある時間導入され、その後、プロセスガスＷＦ6が処理チャンバ３７にキャリアガスとともに時間ｔ6の間導入される。時間ｔ6は約０.０１〜約１５秒続く。処理チャンバ３７への処理ガスＷＦ6フローは、開始した約０.０１〜約１５秒後に終了する。処理チャンバ３７へのＷＦ6フローが終了した後、Ａｒフローが時間ｔ7の間に０.０１〜１５秒の範囲にある追加時間続く。その後、処理チャンバ３７は、全てでないにしてもほとんどのガスをそこから除去するように時間ｔ8の間ポンプで流される。前のように、時間ｔ8は、約０〜約３０秒まで続き、それによって本発明による連続堆積法の一サイクルが終了する。所望される厚さまでタングステン層を堆積するためにそのサイクルを繰り返すことができる。
[0036]基板のサイズと無関係に堆積の一様性を与える層形成の流量依存性が含まれる、連続堆積法を用いることの利点は、多重であることである。例えば、同じチャンバ内で堆積した２００ｍｍの基板と３００ｍｍの基板との間で測定された層一様性と厚さの測定差は無視できる。これは、連続堆積法の自己制限特性によるものである。更に、この手法は複雑なトポグラフィに対してステップカバレージの改善にも寄与する。
[0037]更に、図４に示される層Ｂの厚さは、連続堆積法を用いることによりその抵抗を最小にしつつ容易に制御することができる。図６によって、タングステン層Ｂの厚さがそれを形成するために用いられるサイクル数に比例することがライン５０の傾斜でわかる。しかしながら、図７においてライン５２の傾斜によって示されるように、タングステン層の抵抗率は層の厚さに比較的依存しない。従って、連続堆積法を用いると、耐火金属層の厚さは、抵抗率に対して無視できる影響において処理チャンバ内に導入される処理ガスの循環の関数として容易に制御することができる。
[0038]図８は、連続堆積法を用いて基板上に形成された層の堆積速度と基板の温度の関係を示すグラフである。堆積速度の制御は、基板４２の温度に依存することがわかった。ライン５４の傾斜によって示されているように、基板４２の温度が上昇すると、タングステン層Ｂの堆積速度は増加した。単一層未満、単一層、又は単一層を超えるタングステン層が、用いられる基板温度によって形成されることがグラフにより示されている。例えば、５６では、堆積速度は約２オングストローム/サイクル、２５０℃であることが示されている。しかしながら、点５８では、堆積速度は４５０℃の温度で約５オングストローム/サイクルである。しかしながら、図９に示される曲線５９の傾斜によって示されるように、タングステン層の抵抗率は層の厚さにほとんど無関係である。その結果、タングステン層の堆積速度はその抵抗率を妥協することなく、温度の関数として制御することができる。しかしながら、耐火金属の全体層を堆積するのに必要な時間を短縮することは望ましいことである。
[0039]それを目的として、耐火金属層のバルク堆積は堆積プロセスに含まれることがある。典型的には、核形成層が共通の処理チャンバ内で形成された後、耐火金属のバルク堆積が生じる。特に、本実例においては、タングステン層の核形成は上記連続堆積法を用いてチャンバ１２内で生じ、基板は約２００℃〜約４００℃の範囲に加熱され、処理チャンバ３７は約１〜約１０トールの範囲に加圧される。約１２０オングストローム〜約２００オングストロームの核形成層６０が、図１０で示されるパターン形成基板４２上に形成される。約１００オングストローム以下、約５０オングストローム以下、又は約２５オングストローム以下の核形成層は、アスペクト比が約６：１以上であるアパーチャ上に良好なステップカバレージを与えるのに有効であることも分かった。示されているように、基板４２にはバリヤ層６１と、複数のバイア６３を有するパターン形成層が含まれている。核形成層は、バイア６３を被覆するパターン形成層に隣接して形成される。示されているように、ＡＬＤ法を用いて核形成層６０を形成すると、良好なステップカバレージが得られる。他の実施形態においては、連続堆積法は核形成とバルク堆積の双方に行うことができる。更に他の実施形態においては、タングステンの完全な層を形成するのに要する時間を短縮させるために、核形成層６０のタングステンのバルク堆積はＣＶＤ技術を用いて行われ、基板４２は図１に示される同様の処理チャンバ１２内に配置されている。バルク堆積は、当該技術において周知の製法を用いて行うことができる。この方法では、完全なプラグ充填を与えるタングステン層６５が、図１１に示されるアスペクト比が約６：１のバイアでパターン形成層の上に達成される。
[0040]代替的実施形態においては、耐火金属層の核形成が、耐火金属層の残りの部分が形成されるチャンバとは異なるチャンバ内で生じる二つに分かれた堆積処理を行うことができる。特に、本実例においては、上記ＡＬＤのような連続堆積法を用いてチャンバ１２内でタングステン層の核形成が行われる。それを目的として、基板４２は約２００℃〜約４００℃の範囲に加熱され、チャンバ３７は約１〜約１０トールの範囲に加圧される。約１２０〜２００オングストロームの核形成層６０は、図１０で示されるパターン形成基板４２上に形成される。約１００オングストローム以下、約５０オングストローム以下、又は２５オングストローム以下の核形成層は、アスペクト比が約６：１以上のアパーチャ上に良好なステップカバレージを与えるのに有効であることがわかった。示されるように、基板４２には、バリヤ層６１と複数のバイア６３を有するパターン形成層が含まれる。核形成層は、バイア６３を被覆するパターン形成層に隣接して形成される。示されているように、連続堆積法を用いて核形成層６０を形成すると、ステップカバレージが改善される。
[0041]一実施形態においては、核形成層６０が生じるタングステンのバルク堆積に連続堆積法が用いられ、基板４２は図１に示される処理チャンバ１４に配置されている。バルク堆積は、本明細書に開示された製法を用いて行うことができる。他の実施形態においては、ＣＶＤ技術は核形成層６０が生じるタングステンのバルク堆積に用いられ、基板４２は図１で示される処理チャンバ１４内に配置されている。バルク堆積は、当該技術において周知の製法を用いて行うことができる。連続堆積法が用いられるとしてもＣＶＤ堆積法が用いられるとしても、完全なプラグ充填を与えるタングステン層６５は、図１１で示されているアスペクト比が約６：１のバイアを有するパターン形成層上に達成される。上記二つに分かれた堆積処理を行うと、改善された特性を有するタングステン層を形成するのに要する時間を短縮させることができる。バルク堆積にＣＶＤ堆積法を用いると、スループットを高めることができる。
[0042]上記のように、本発明の他の実施形態においては、図１２に示されるように、キャリアガスはパージガスと異なってもよい。時間間隔ｔ1、ｔ3、ｔ5、ｔ7で導入されるパージガスは、Ａｒを含んでいる。時間間隔ｔ2とｔ6に導入されるキャリアガスは、Ｎ2を含んでいる。従って、時間間隔ｔ2で処理チャンバへ導入されたガスは、Ｂ2Ｈ6とＮ2の混合物を含み、時間間隔ｔ6のガス混合物は、ＷＦ6とＮ2を含んでいる。時間間隔ｔ4とｔ8の間のポンププロセスは、上記図５のポンププロセスと同一である。図１３に示される他の実施形態においては、時間間隔ｔ2とｔ6の間のキャリアガスはＨ2を含み、パージガスはＡｒを含む時間間隔ｔ1、ｔ3、ｔ5、ｔ7で導入される。時間間隔ｔ4とｔ8のポンププロセスは上記の通りである。その結果、時間間隔ｔ2で処理チャンバ３７へ導入されたガス混合物は、Ｂ2Ｈ6とＨ2を含み、時間間隔ｔ6ではＷＦ6とＨ2を含む。
[0043]Ｈ2キャリアガスを用いることにより実現される利点は、タングステン層Ｂの安定性を改善することができるということである。特に、図１４の曲線６６と図１５の曲線６８を比較することにより、図１０に示される核形成層６０中のフッ素濃度は、キャリアガスとしてＮ2又はＡｒの使用と比較したように、Ｈ2をキャリアガスとして用いた場合にはかなり低いことがわかる。
[0044]図１４と図１５の双方を参照すると、曲線６６の頂点と最下点は、フッ素濃度が１立方センチメートル当たり１×１０21原子を超えたレベルと１立方センチメートル当たり１×１０19原子よりわずかだけ低いレベルに達することを示している。しかしながら、曲線６８は、フッ素濃度が頂点で１立方センチメートル当たり１×１０21原子よりかなり下であり、最下点で１立方センチメートル当たり１×１０19原子よりかなり下にあることを示している。従って、キャリアガスとしてＨ2を用いると非常に安定な薄膜を与える。即ち、基板、又は隣接した層へ拡散するフッ素の確率が減少する。このことは、高フッ素濃度から得ることができる金属フッ化物の形成を避けることにより耐火金属層の抵抗を減少させる。従って、核形成層安定性と、その抵抗率は、用いられるキャリアガスの関数として制御することができる。これは、耐火金属層がＡＬＤ法、即ち、ＣＶＤのような他の堆積法を用いずに全体に堆積される場合に言えることである。
[0045]更に、タングステン含有化合物の導入前にＰＨ3か又はＢ2Ｈ6の図１６に示された層７０を吸着させると、フッ素含有量が減少し、ステップカバレージが改善され、抵抗率が改善されたタングステン層７２が形成される。このことは、六フッ化タングステン、ＷＦ6と、シラン、ＳiＨ4、又は六フッ化タングステン、ＷＦ6と分子水素、Ｈ2化学を用いて連続堆積法又は標準ＣＶＤ法を用いてＰＨ3又はＢ2Ｈ6の層上に導入される場合であるとわかった。タングステン膜の改善された特性は、ＰＨ3又はＢ2Ｈ6層とＷＦ6層との間の化学親和性によると考えられる。これにより、吸着された化学種の表面移動度が良好になるとともにタングステン層の核形成段階でのＷＦ6の還元が良好になる。このことは、チタン、Ｔｉ、又は窒化チタン、ＴｉＮから形成されたチタン含有接着層に隣接したタングステン層を堆積する場合に有益であった。層７０は単一層であることが好ましいが、他の実施形態においては、単一層未満又は単一層を超えてもよい。図１６に示される薄膜堆積中の層７０は、タングステン層７２の形成を示している。層７０はタングステン層７２の形成中に消費されても消費されなくてもよいことは理解される。複数の層７０とタングステン層７２が所望の厚さまでタングステン層を形成するように堆積することができることも理解される。示されるように、層７０は、シリコンのような半導体処理に適した任意の材料から形成することができるウエハ７６を含む基板７４上に堆積される。層７４として示される１以上の層がウエハ７６上に存在することができる。層７８は、誘電材料又は導電材料が含まれた適切な材料から形成することができる。層７８にボイド８０が含まれ、ウエハ７６の領域８２がさらされる。
[0046]図１８は、チタン含有接着層に隣接したＷ層の製造中、基板と、ＰＨ3か又はＢ2Ｈ6の層との間にチタン含有接着層が形成されている基板の断面詳述図である。チタン含有接着層は、標準ＣＶＤ法を用いて形成することができる。一実施形態においては、チタン含有接着層は、連続堆積法を用いて形成される。それを目的として、処理ガスＡａxは、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6、ＳｉＨ4及びＮＨ3を含む群より選ばれる。処理ガスＢｂｙは、ＴＤＭＡＴ、ＴＤＥＡＴ及びＴｉＣｌ4を含む群より選ばれるチタン含有ガスである。また、ＡｒやＮ2パージガスを用いることが好ましいが、他のパージガスを用いることもできる。
[0047]図２と図１７を参照すると、処理ガスのそれぞれは、本実例においてはパージガスの１種であるキャリアガスとともに処理チャンバ３７へ流される。しかしながら、パージガスが後に詳述されるキャリアガスと異なってもよいことは理解されなければならない。本発明によれば、連続堆積法の一サイクルは、チタン含有ガスが処理チャンバ３７へ流れる前に時間ｔ1の間にパージガスを処理チャンバ３７へ流すことを含んでいる。時間ｔ2の間に、チタン含有処理ガスは、キャリアガスとともに処理チャンバ３７へ流れる。ｔ2が経過した後、チタン含有ガスが終了し、キャリアガスのフローが時間ｔ3の間に続き、チタン含有プロセスガスの処理チャンバをパージする。時間ｔ4の間、処理チャンバ３７は全てのガスを除去するようにポンプで流される。処理チャンバをポンプで流した後、時間ｔ5の間にキャリアガスが導入され、その後、時間ｔ6の間に還元プロセスガスがキャリアガスとともに処理チャンバ３７に導入される。還元プロセスガスの処理チャンバ３７へのフローが、続いて終了する。還元プロセスガスの処理チャンバ３７へのフローが終了した後、時間ｔ7の間キャリアガスフローが続く。その後、時間ｔ8の間、処理チャンバ３７はそこにある全てのガスを除去するようにポンプで流され、それにより本発明の連続堆積法の一サイクルが終了する。チタン含有層が所望の厚さに達するまで、上記サイクルは複数回繰り返される。例えば、図１８によってＴｉＮ層８４が所望の厚さに達した後、本実例においてはＰＨ3又はＢ2Ｈ6から形成された層８６が上記のように連続堆積法を用いてそこに隣接して堆積される。その後、図１８に示されるタングステンの層８８は、いずれも上記の連続堆積法又は標準ＣＶＤ法を用いて層８６に隣接して堆積される。層８６は単一層であることが好ましいが、他の実施形態においては単一層未満又は単一層を超えてもよい。図１８に示される薄膜堆積中の層８６は、タングステン層８８の形成を示している。層８６はタングステン層８８の形成中に消費されても消費されなくてもよいことは理解される。また、タングステン層を所望の厚さに形成するために複数の層８６とタングステン層６６を堆積することができることも理解される。所望される場合には、銅層はタングステン層８８の上に堆積されてもよい。この方法で、タングステンはバリヤ層として機能することができる。
[0048]図２を再び参照すると、タングステン層を堆積する方法は、コントローラ２２によって実行されるコンピュータプログラム製品を用いて制御することができる。それを目的として、コントローラ２２には中央処理装置（ＣＰＵ）９０と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９２のような揮発性メモリと、フロッピーディスケットと用いられるフロッピーディスクドライブ、又はハードディスクドライブ９４のような不揮発性記憶媒体とが含まれている。コンピュータプログラムコードは、慣用のコンピュータ読取り可能プログラミング言語；例えば、６８０００アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、パスカル、フォートラン等に書き込むことができる。適切なプログラムコードは、慣用のテキストエディタを用いて単一ファイル、又は複数のファイルに入力され、ハードディスクドライブ９４のようなコンピュータ読取り可能媒体に保存又は埋め込まれる。入力されたコードテキストが高水準言語にある場合には、そのコードはコンパイルされ、その結果として生じるコンパイラコードはプリコンパイルされたＷｉｎｄｏｗｓ(登録商標)ライブラリルーチンのオブジェクトコードとリンクする。リンクされコンパイルされたオブジェクトコードを実行するために、システムユーザはオブジェクトコードを呼び出し、ＲＡＭ９２中のコードをＣＰＵ９０がロードさせる。次にＣＰＵ９０は、コードを読み取り、実行して、プログラムの中で確認したタスクを行なう。
[0049]本発明は個々の実施形態によって記載してきたが、反応条件、即ち、温度、圧力、膜厚等に対する様々な変更を置き換えることができ且つ本明細書に含まれることを意味していることを当業者は認識するであろう。更に、二つに分かれた堆積プロセスが共通のシステム内で生じると記載してきたが、バルク堆積は、核形成層を堆積するために用いられる処理チャンバが位置するメインフレーム堆積システムとは異なるメインフレーム堆積システムの処理チャンバで生じてもよい。更に、タングステンに加えて、他の耐火金属を堆積させることができ、ＣＶＤの代わりに他の堆積法を用いることができる。例えば、物理気相堆積（ＰＶＤ）法、又はＣＶＤ法とＰＶＤ法の双方の組み合わせを用いることができる。発明の範囲は、上記説明に基づくべきではない。むしろ、本発明の範囲は、均等物の全範囲が含まれる、本明細書に記載された特許請求の範囲に基づいて決定されるべきである。
本発明による半導体処理システムの一実施形態の斜視図である。 図１に示される処理チャンバの一実施形態の断面略図である。 連続堆積中の基板上の、還元剤の起こりうる一吸着メカニズムを示す基板の断面略図である。 還元剤の導入後の、基板上の耐火金属含有化合物の起こりうる一吸着メカニズムを示す基板の断面略図である。 上記図２に示される処理チャンバのような処理チャンバに存在するガスの濃度を示すグラフである。 本発明による、ＡＬＤサイクルの数と連続堆積法を用いた基板上に形成された層の厚さとの関係を示すグラフである。 本発明による、連続堆積サイクル数と連続堆積法を用いて基板上に形成された層の抵抗率との関係を示すグラフである。 連続堆積法を用いて基板上に形成された層の堆積速度と基板温度との関係を示すグラフである。 本発明による、連続堆積法を用いて基板上に形成された層の抵抗率と基板温度との関係を示すグラフである。 本発明による、連続堆積法を用いてその上に核形成層が形成されたパターン形成基板の一実施形態の断面略図である。 本発明による、ＣＶＤを用いて核形成層の上に耐火金属層が形成された上記図１０に示される基板の一実施形態の断面略図である。 本発明の代替的実施形態による、上記図２に示された処理チャンバのような処理チャンバに存在するガス濃度を示すグラフである。 本発明の代替的実施形態による、上記図２に示される処理チャンバのような処理チャンバに存在するガス濃度を示すグラフである。 Ａｒか又はＮ2がキャリアガスであるＡＬＤを用いて基板上に形成された耐火金属層のフッ素含有量と深さを示すグラフである。 Ｈ2がキャリアガスであるＡＬＤを用いて基板上に形成された耐火金属層のフッ素含有量と深さを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、基板とタングステン層の間にＰＨ3かＢ2Ｈ6のいずれかの層が配置されている上記図３と図４に示された基板の一実施形態の断面略図である。 本発明の一実施形態による、上記図２に示される処理チャンバのような処理チャンバ内に存在するガス濃度を示すグラフである。 本発明による、基板とＰＨ3か又はＢ2Ｈ6の層との間にチタン含有層が堆積されている、上記図３と図４に示される基板の一実施形態の断面略図である。
符号の説明
１２…処理チャンバ、１４…処理チャンバ、１６…作業領域、１８…壁、２２…コントローラ、２４…モニタ、２６…モニタ、２８…ライトペン、３０…ハウジング、３２…底壁、３４…カバー、３６…側壁、３７…チャンバ、３８…ペデスタル、３９…ライトペン、３９ａ、３９ｂ、３９ｃ…処理ガス、４０…シャワーヘッド、４１…フローバブル、４２…基板、４３…ＡＣ電源、４４…ヒータ素子、４６…温度センサ、４８…真空ポンプ、５０…ライン、５２…点、５４…ライン、５６…点、５８…点、５９…曲線、６０…核形成層、６１…バリヤ層、６３…バイア、６５…タングステン層、６６…曲線、７０…層、７２…タングステン層、７４…基板、７６…ウエハ、７８…層、８０…ボイド、８２…領域、８４…ＴｉＮ層、８６…層、８８…タングステン層、９０…中央処理装置、９４…ハードディスクドライブ。

Claims (39)

  1. 基板上にタングステン含有材料を形成する方法において：
    処理チャンバ内に、バリア層を含む基板を配置するステップと；
    前記バリア層を第１還元プロセスガスに晒し、前記バリア層上に第１還元ガスの単一層を形成するステップと；
    ＡＬＤ処理中に２サイクル以上、前記第１還元ガスの単一層を連続的にタングステン前駆物質及び還元剤に晒し、核形成層を前記基板上に形成するステップと；
    前記核形成層を第２還元プロセスガスに晒し、前記核形成層上に第２還元ガスの単一層を形成するステップと；
    前記核形成層上にバルク層を堆積するステップであって、前記第１還元ガスの単一層は、前記第１還元ガスの単一層を晒す間に消費され、前記第２還元ガスの単一層は、前記バルク層を堆積する間に消費される、前記ステップと；
    を備える、前記方法。
  2. 前記バリア層は、ＡＬＤ処理、ＣＶＤ処理、ＰＶＤ処理またはそれらの誘導体から成る群から選択された気相堆積処理により堆積される、請求項１記載の方法。
  3. 前記バリア層は、チタン又は窒化チタンを備える、請求項２記載の方法。
  4. 前記気相堆積処理は、
    ＴＤＭＡＴ、ＴＤＥＡＴ、チタン四塩化物、それらの誘導体から成る群から選択されるチタン前駆物質と、アンモニア、水素、ジボラン、シラン、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から選択される還元剤と、
    を備える、請求項３記載の方法。
  5. 前記第１還元プロセスガスと前記第２還元プロセスガスは、各々が、ジボラン、フォスフィン、シラン、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から別個に選択される、請求項１記載の方法。
  6. 前記第１還元プロセスガスと前記第２還元プロセスガスは、同一還元プロセスガスである、請求項５記載の方法。
  7. 前記第１還元プロセスガスと前記第２還元プロセスガスは、異なる還元プロセスガスである、請求項５記載の方法。
  8. 前記還元剤は、フォスフィン、ジボラン、シラン、水素、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から選択される、請求項１記載の方法。
  9. 前記タングステン前駆物質は、六フッ化タングステンであり、前記還元剤は、シランまたはジボランである、請求項８記載の方法。
  10. 前記核形成層は、１００オングストローム以下の厚みを有する、請求項９記載の方法。
  11. 前記バルク層は、タングステンを含み、ＡＬＤ処理、ＣＶＤ処理、ＰＶＤ処理またはこれらの誘導体から成る群より選択された気相堆積処理により堆積される、請求項１記載の方法。
  12. 前記気相堆積処理は、前記核形成層を六フッ化タングステン及びシランに晒すか、六フッ化タングステン及び水素に晒す工程を備える、請求項１１記載の方法。
  13. 前記バルク層は、銅を備える、請求項１記載の方法。
  14. 水素ガスが、タングステン前駆物質と共に流される、請求項１１記載の方法。
  15. 前記タングステン含有材料は、１×１０１７原子／ｃｍ３未満のフッ素濃度を持って形成される、請求項１４記載の方法。
  16. 基板上にタングステン含有材料を形成する方法において：
    処理チャンバ内で６以上のアスペクト比を持つアパーチャを少なくとも一つ含む基板を配置するステップと；
    少なくとも１つのアパーチャを含む前記基板を第１還元プロセスガスに晒し、前記少なくとも１つのアパーチャ内で第１還元プロセスガスの単一層を形成するステップと；
    ＡＬＤ処理中に２サイクル以上、前記第１還元プロセスガスの単一層を連続的にタングステン前駆物質及び還元剤に晒し、核形成層を形成する、ステップと；
    前記核形成層上にタングステン含有バルク層を形成し、ＣＶＤ処理中に前記少なくとも一つのアパーチャを充填する、ステップと；
    を備える、前記方法。
  17. 前記少なくとも一つのアパーチャは、内部に配置されたバリア層を備える、請求項１６記載の方法。
  18. 前記バリア層は、チタンまたは窒化チタンを備える、請求項１７記載の方法。
  19. 前記バリア層は、前記第１還元プロセスガスに晒され、上部に前記核形成層を形成する前に前記第１還元プロセスガスの単一層を形成する、請求項１７記載の方法。
  20. 前記還元剤は、フォスフィン、ジボラン、シラン、水素、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から選択される、請求項１９記載の方法。
  21. 前記タングステン前駆物質は、六フッ化タングステンであり、前記還元剤は、シランまたはジボランである、請求項２０記載の方法。
  22. 前記核形成層は、第２還元プロセスガスに晒され、上部に前記タングステン含有バルク層を堆積する前に第２還元プロセスガスの単一層を形成する、請求項１６記載の方法。
  23. 前記第２還元プロセスガスは、ジボラン、フォスフィン、シラン、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から選択される、請求項２２記載の方法。
  24. 前記第２還元プロセスガスは、ジボラン又はフォスフィンである、請求項２２記載の方法。
  25. 前記核形成層は、第２還元プロセスガスに晒され、上部に前記タングステン含有バルク層を堆積する前に第２還元プロセスガスの単一層を形成する、請求項１９記載の方法。
  26. 前記第１還元プロセスガスと前記第２還元プロセスガスは、同一還元プロセスガスである、請求項２２記載の方法。
  27. 前記第１還元プロセスガスと前記第２還元プロセスガスは、異なる還元プロセスガスである、請求項２２記載の方法。
  28. 前記タングステン含有バルク層は、前記核形成層を六フッ化タングステン及びシランに晒すか六フッ化タングステン及び水素に晒す工程を備える気相堆積処理により堆積される、請求項１９記載の方法。
  29. 基板上にタングステン含有材料を形成する方法において：
    基板を第１還元プロセスガスに晒すステップであって、上部に第１還元ガスの単一層を形成する前記ステップと；
    ＡＬＤ処理中に２サイクル以上、前記第１還元ガスの単一層を連続的にタングステン前駆物質及び還元剤に晒し、上部に核形成層を形成する前記ステップであって、前記第１還元ガスの単一層は前記ＡＬＤ処理中に消費され、上部に核形成層が形成される前記ステップと；
    を備える、前記方法。
  30. 前記第１還元ガスの単一層は、前記基板上に含まれたバリア層上に形成される、請求項２９記載の方法。
  31. 前記バリア層は、チタン又は窒化チタンを備える、請求項３０記載の方法。
  32. 前記第１還元プロセスガスは、ジボラン、フォスフィン、シラン、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から選択される、請求項２９記載の方法。
  33. 前記バルク層は、前記核形成層上に堆積される、請求項２９記載の方法。
  34. 前記バルク層は、タングステンを備え、気相堆積処理により堆積される、請求項３３記載の方法。
  35. 第２還元プロセスガスは、前記バルク層を堆積する前に前記核形成層に晒される、請求項３４記載の方法。
  36. 基板上に金属含有材料を形成する方法において：
    処理チャンバ内に、バリア層を含む基板を配置するステップと；
    第１還元プロセスガスに前記バリア層を晒し、第１還元ガスの単一層を形成するステップと；
    ＡＬＤ処理中に２サイクル以上、金属前駆物質と、フォスフィン、ジボラン、シラン、水素、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から選択される化合物とに前記第１還元ガスの単一層を連続的に晒し、核形成層を形成する、ステップと；
    第２還元プロセスガスに前記核形成層を晒し、第２還元ガスの単一層を形成する、ステップと；
    前記核形成層上にバルク層を堆積するステップであって、前記第１還元ガスの単一層は、前記第１還元ガスの単一層を晒す間に消費され、前記第２還元ガスの単一層は、前記バルク層を堆積する間に消費される、前記ステップと；
    を備える、方法。
  37. 前記金属前駆物質は、タングステン前駆物質である、請求項３６記載の方法。
  38. 前記第１還元プロセスガス及び第２還元プロセスガスは、各々が、ジボラン、フォスフィン、シラン、それらの誘導体、それらの組合せから成る群から別個に選択される、請求項３７記載の方法。
  39. 基板上に金属含有材料を形成する方法において：
    処理チャンバ内に６以上のアスペクト比を有する少なくとも一つのアパーチャを含む基板を配置するステップと；
    第一還元プロセスガスに前記少なくとも一つのアパーチャを晒し、第一還元ガスの単一層を形成する、ステップと；
    ＡＬＤ処理中に２サイクル以上、前記第一還元ガスの単一層を金属前駆物質と還元剤に連続的に晒し、前記少なくとも一つのアパーチャ内で核形成層を形成する、ステップと；
    前記少なくとも一つのアパーチャを導電材料で充填するステップと；
    を備える、前記方法。
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