JP4947840B2 - 金属窒化物／金属スタックの処理 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造のため基板を処理する方法に関するものである。特に、本発明は、金属窒化物／金属スタックの被膜特性を改善する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超大規模集積（ＶＬＳＩ）及び超々大規模集積（ＵＬＳＩ）の集積回路を製造する場合、多重レベルのメタライゼイション技術のプロセス能力及び信頼性に対して、次第に厳しくなる要求が出されている。タングステン（Ｗ）は、コンタクト及びバイアを含め、種々のレベルでメタライゼイション技術においてアルミニウム（Ａｌ）の代わりに登場してきている。
【０００３】
一体型バリア及びライナー構造は、金属導電層（Ｗ又はＡｌ）と下側の材料層との間に良好な密着性を与えると共に、下側の材料層への望ましくない金属拡散を防止するために、通常使用されている。これらのバリア及びライナー構造は、通常、特に例えば窒化チタン（ＴｉＮ）／チタン（Ｔｉ）のような耐熱金属窒化物／耐熱金属の組合せから構成される。
【０００４】
例えばチタン（Ｔｉ）は、シリコン（Ｓｉ）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とＡｌ又はＷから構成される金属層との間の接着剤もしくは接着層として使用されてきた。例えばＴｉＮからなるバリア層は、下側の基板への金属拡散を避けるために、金属堆積の前にＴｉ接着層上に堆積される。
【０００５】
窒化チタンは、物理蒸着（ＰＶＤ）と同様に化学気相堆積（ＣＶＤ）によっても堆積させることができる。しかし、ＣＶＤによるＴｉＮは、より規則的なＰＶＤによるＴｉ又はＴｉＮ層とは反対に、例えば、前駆物質としての有機金属チタンから堆積されるときに、非晶質構造を有しうる。この微細構造の差により、一体型のＣＶＤのＴｉＮ／ＰＶＤのＴｉスタックはＰＶＤのＴｉＮ／ＰＶＤのＴｉスタックよりも脆弱な層間結合をもつことになる。脆弱な層の密着性のほかに、ＴｉＮ及びＴｉ層間の構造的不連続性は、強い層間ひずみ及び界面欠陥という結果になる。かかるバリア／ライナー構造は、Ｗ堆積，化学洗浄及び化学機械研磨（ＣＭＰ）のような後に続く処理ステップにおける化学的及び／又は機械的攻撃を受けやすい。
【０００６】
更に、続いて堆積されるアルミニウムもＴｉＮ／Ｔｉスタックの格子もしくは微細構造における欠陥中に拡散して下側の材料層と反応することがある。
【０００７】
従って、金属間の拡散を防止し、層間の密着性を向上させると共に、多重レベルのメタライゼイションプロセス中における耐薬品性を向上させる金属層及び金属窒化物層間の界面構造の改善を可能とする方法もしくはプロセスに対する必要性が存在している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属もしくはメタル層上に窒化物層を形成する方法であり、その後に、この窒化物層を窒素含有環境に露出することによって窒化物層と下側の金属層の少なくとも一部との改質もしくは処理が行われる。
【０００９】
本発明の実施形態に従って形成される金属窒化物及び金属のスタック即ち積層体は、高い密着性，低い層間ひずみ及び低い抵抗率というような改善された特性を有している。このような構造は、例えば、０．１８μｍ以下の適用例についての種々のメタライゼイション技術ではバリア／ライナーの適用に適している。
【００１０】
窒素含有環境は、特に窒素（Ｎ2）又はアンモニア(ＮＨ3）のようなガスを含んでいてよい。或いは、窒素含有環境は、水素を含んでいてよい。金属窒化物／金属層の改質はプラズマ又は熱アニ−ル（thermal annealing)を使用して行うことができる。本発明の一実施形態においては、Ｎ2及び水素(Ｈ2）の混合物もしくはＮＨ3を含むガスから窒素含有プラズマを発生させている。
【００１１】
金属層は、チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ）又はそれらの組合せのような耐熱金属から構成してよく、物理蒸着（ＰＶＤ）又は化学気相堆積（ＣＶＤ）のどちらかにより堆積させることができる。金属窒化物層は下側の耐熱金属と同じ金属から構成するのが好ましい。
【００１２】
本発明の一実施形態において、窒化チタン（ＴｉＮ）は有機金属である前駆物質から堆積される。ＴｉＮの堆積後、ＴｉＮ層及びその下側のＴｉ層の双方は、活性の化学種がＴｉＮ層を貫いて下側のＴｉ層に到達するのに十分な長い時間にわたりスタックを窒素含有環境に露出することによって改質される。堆積したままのＴｉＮ層が窒素及び水素の双方を含む環境中で処理されると、その結果生ずるＴｉＮ層は、不純物含有量が減少し、シート抵抗が低くなっている。本発明によると、薄い窒化Ｔｉ層もまた処理後のＴｉＮ及びＴｉ層の間に形成される。この窒化Ｔｉ層は、Ｔｉ層の未処理部分と処理後のＴｉＮ層との間に良好な格子整合を与えると共に、バリア特性が改善され層間ひずみが低減された一体型ＴｉＮ／Ｔｉ構造になる。
【００１３】
別の実施形態においては、所望厚さの窒化物が得られるまで、追加のサイクルで比較的に薄い金属窒化物層を繰り返し堆積及び処理することにより、複合金属窒化物層が金属層上に形成される。各プラズマ処理ステップで上側の窒化物層全体と下側の材料層の頂部とが変更もしくは調整され、化学組成及び／又は格子構造が変化することになる。その結果、層の界面全域にわたり良好な格子整合が得られるため、密着性が増し且つ層間ひずみが減少することになる。
【００１４】
必要に応じて、本発明の実施形態は、金属窒化物層の堆積前に、堆積したままの金属層を第１の窒素含有環境内で処理するステップを更に含んでいてよい。このような処理により、例えば、より薄い窒化金属層が形成されることとなり、これは、金属層の未処理部分と続いて堆積される金属窒化物層との間に良好な格子整合を提供する。このようにして、得られた金属窒化物／金属スタックは密着性が増し且つひずみが減少する。堆積したままの金属窒化物層は、希望により水素を含んでいてよい第２の窒素含有環境中で続いて処理される。プラズマ中で行なわれるのが好ましいこの処理によって、金属窒化物層と下側の窒化金属層の少なくとも一部とが改質され、被膜特性及び層間特性が改善されることになる。
【００１５】
本発明の教示するところは、添付図面に関連して以下の詳細な説明を考慮することにより容易に理解できるであろう。
【００１６】
理解を容易にするため、各図に共通の同一要素を表わすのに、可能な場合、同一参照数字を使用した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
概略
本発明は、金属層上に窒化物層を形成することにより窒化物／金属スタックを形成する方法であり、その後に、この窒化物層と金属層の一部とを窒素含有環境中で処理される。この方法は、窒化物／金属スタックの界面もしくは層間特性を改善する利点がある。前記方法は、例えば、メタライゼイション計画においてバリア／ライナー構造として金属窒化物／金属スタックを形成するのに使用することができる。
【００１８】
本発明の一実施形態において、耐熱金属層が基板構造上にＰＶＤによって形成され、その後、熱ＣＶＤによる金属窒化物層の堆積が行われる。次に、金属窒化物層は窒素含有環境に露出され、露出中に、金属窒化物層の厚さ全体が処理される結果、物理的及び化学的特性が改善されることになる。この処理は、プラズマ又は熱アニ−ルのどちらかを用いて行うことができるが、プラズマアニ−ルが通常好ましい。本発明の処理ステップは、下側の耐熱金属層も部分的に処理するのに十分な持続期間にわたり適用されるので、窒素（Ｎ）が下側の金属層の少なくとも頂部内に取り入れられることになる。従って、金属層と金属窒化物層との間の構造的不連続性が減少し、その結果、２層間の界面が改善される。
【００１９】
別の実施形態において、金属窒化物の堆積ステップ及びプラズマアニ−ルステップは、所望の厚さを有する複合窒化物層を形成するため、追加のサイクルで繰り返される。各プラズマ処理ステップが上の金属窒化物層と下側の層の頂部との双方を変えるので、各構成成分材料層の間に改善された層間構造を得ることができる。
【００２０】
或いは希望により、ＰＶＤ金属層のプラズマ処理は金属窒化物層の堆積前に行われ、その結果、ＰＶＤ金属層上に薄い窒化金属層が形成されることになる。続いて、金属窒化物層が窒化金属層上に堆積され、本発明に従ってプラズマ処理を受ける。金属窒化物層と下側の窒化金属層の頂部とはこうして改質され、後の処理ステップにおいて改善されたバリア特性と耐薬品性を示す。
【００２１】
装置
本発明のプロセスは、ＰＶＤチャンバ及びＣＶＤチャンバの双方を有する多重チャンバ式処理装置（例えば、クラスタツール）において、或いは別個の単一チャンバシステムにおいて実行することができる。多重チャンバ式処理装置を用いるのが好ましいが、その理由は、処理ステップ間での汚染を防止するために基板を真空環境内に保持しうるからである。クラスタツールの例には、ベクトラ・アイエムピー（Vectra IMP)，コヒーレント・アンド・スタンダード(Coherentand Standard)ＰＶＤチャンバ，ＴｘＺ又はＨＰ ＣＶＤチャンバのような処理チャンバと関連して使用されるＰ５０００，エンデュラ (Endura）プラットフォーム及びセンチュラ（Centura)プラットフォームが含まれる。これらのクラスタツールは、カリフォルニア洲サンタクララ所在のアプライド・マテリアルズ・インコーポレイテッド(Applied Materials, Inc.)から商業的に入手しうる。
【００２２】
図１は、本発明のＣＶＤ及びＰＶＤプロセスを遂行するのに適する例えばエンデュラ（Endura）システムである多重チャンバ式処理装置１００を概略的に示している。同様の多段真空ウェハ処理システムは、１９９３年２月１６日にテップマン(Tepman)等に発行された米国特許第５,１８６,７１８号「多段真空ウェハ処理システム及び方法(Staged-Vacuum Wafer Processing System and Method)」に開示されており、前記米国特許は参照によりこの明細書に組み込まれる。ここに示した処理装置１００の特定実施形態は、半導体基板のようなプレーナー基板を処理するのに適しており、本発明を説明するために提供されているが、本発明の範囲を限定するために用いられているのではない。前記処理装置１００は、例えばＣＶＤチャンバ１０２及びＰＶＤチャンバ１０４である、相互に接続されたプロセスチャンバもしくはプロセス室のクラスタを備えているのが一般的である。
【００２３】
コンピュータシステム
本発明のプロセスは、通常のコンピュータシステムで実行するコンピュータプログラム製品もしくはマイクロプロセッサコントローラを使用して実施することができる。図１に示すように、制御ユニット１１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１１２と、支援回路１１４と、関連の制御ソフトウエア１１８を含むメモリ１１６とを備えている。この制御ユニット１１０は、ウェハ搬送，ガス流量制御，温度制御，チャンバ排気等のウェハ処理に要求される種々のステップの自動制御のために使用される。制御ユニット１１０と処理装置１００の種々の構成要素との間の双方向通信は、図１に幾つかが例示されている種々の信号バス１２０と総称して呼ばれる種々の信号ケーブルを介して処理される。
【００２４】
プロセスを実施するためのコンピュータプログラムコードは、６８０００アセンブラ言語，Ｃ，Ｃ++，或いはパスカル(Pascal)のようなコンピュータにより読出し可能な任意の通常のプログラミング言語で書くことができる。このプログラムコードは、次いでコンピュータで使用可能な媒体に保存されるか或いは取り入れられる。
【００２５】
図９は、制御ユニット１１０の階層制御構造の例証的なブロック図を示している。利用者はプロセスセット及びプロセス室名をプロセス選択サブルーチン９４２に入力する。プロセスセットは、特定のプロセス室において特定プロセスを実行するのに必要なプロセスパラメータ又はレシピ（例えば、ガス流量，温度，圧力，・・・，等）の所定のセットである。
【００２６】
プロセスシーケンササブルーチン９４３は、プロセス選択サブルーチン９４２からの識別プロセス室及びプロセスパラメータのセットを受け付けると共に、種々のプロセス室の作動を制御するためのプログラムコードを備えている。好適には、このシーケンササブルーチン９４３は、（ｉ）プロセス室が使用中であるかどうかを決定するため前記プロセス室の作動を監視するステップと、（ii）使用中のプロセス室でどんなプロセスが行なわれているかを決定するステップと、(iii）プロセス室の利用可能性と遂行すべきプロセスの種類とに基づいて所望プロセスを実行するステップとを行う。
【００２７】
一旦シーケンササブルーチン９４３がどのプロセス室及びプロセスセットの組合せを次に実行すべきか決めたら、特定のプロセスセットパラメータがチャンバ管理サブルーチン９４４ａ〜９４４ｃに送られ、前記サブルーチンが異なるプロセス室における多重処理タスクを制御する。チャンバ管理サブルーチン９４４はまた、選択されたプロセスセットを果すのに必要な諸チャンバ構成要素の作動を制御する種々のチャンバ構成要素サブルーチン或いはプログラムコードモジュールを制御する。チャンバ構成要素サブルーチンの例には、基板位置決めサブルーチン９４５，プロセスガス制御サブルーチン９４６，圧力制御サブルーチン９４７，ヒータ制御サブルーチン９４８及びプラズマ制御サブルーチン９４９が含まれる。当業者なら容易に分かるように、プロセス室もしくはチャンバ１０２においてどんなプロセスの実行が要求されるのかに応じて、その他のチャンバ管理サブルーチンが含まれうる。
【００２８】
ＰＶＤチャンバ
ＰＶＤチャンバ１０４は同ＰＶＤチャンバ１０４内の金属ターゲットからのスパッタリングにより、例えばチタン（Ｔｉ）である金属層を堆積させるのに使用される。例えばモデル・ベクトラ・アイエムピー(Model Vectra IMP)であるＰＶＤチャンバの詳細は１９９９年１１月１日に出願され普通に譲渡された「重気体スパッタリングによるＩＭＰ技術(IMP Technology with Heavy Gas Sputtering)」と題する米国特許出願（出願人整理番号：３４９５）に開示されており、同米国特許出願の内容は参照によりこの明細書に組み込まれる。スパッタリングプロセス中に、アルゴン（Ａｒ）又はキセノン（Ｘｅ）のような不活性ガスがプロセス室もしくはチャンバ１０４に導入される。ＤＣバイアス電流は、チャンバシールドを接地してスパッタリングターゲットに印加される。ＲＦバイアス電流は基板支持体に印加される。プラズマは、約１００〜２００００Ｗ，特に一般的には約１００〜１００００ＷのＤＣ電圧をスパッタリングターゲットに印加することにより、不活性ガスから発生する。このプラズマによりスパッタリングターゲットからターゲット材料がスパッタリングされて、基板表面上に堆積される。このプロセス室１０４は、堆積した金属層を処理するプラズマのためにも使用することができる。例えば、金属層が堆積した後、窒素（Ｎ2）又はその他の窒素含有ガスをプロセス室に導入すると共に、約１０〜１００００Ｗ或いはもっと一般的には約６００〜２０００ＷのＲＦ電力を印加することによって、窒素含有プラズマを発生させうる。
【００２９】
ＣＶＤチャンバ
ａ．ＴｘＺチャンバ
図２は、本発明のプロセスを遂行するのに適するＣＶＤプラズマ反応器１０２の一例の概略断面図を示している。この特別な反応器であるＴｘＺチャンバ２００は、カリフォルニア洲サンタクララ所在のアプライド・マテリアルズ・インコーポレイテッド（Applied Materials, Inc.)から商業的に入手しうる。このチャンバの詳細は、例えば、１９９８年１２月８日に発行され通常のように譲渡された「化学気相堆積室における熱浮動ペデスタルカラー(Thermally Floating PedestalCollar in a Chemical Vapor Deposition Chamber）」と題する米国特許第５,８４６，３３２号、及び１９９９年１１月３０日に発行され通常のように譲渡された「スループット及び歩留りを向上させる基板処理の方法(Method for SubstrateProcessing with Improved Throughput and Yield)」と題する米国特許第５，９９３，９１６号に開示されており、これらの米国特許は参照によりこの明細書に組み込まれる。ＴｘＺチャンバ２００は、ポンプ輸送チャンネル２０８を介する真空ポンプ２８０への接続により減圧環境において作動するのに適応している。前記ＴｘＺチャンバ２００は、チャンバ本体部２０２と、処理すべき基板２９０を支持するペデスタル２０４とを備えている。基板２９０は、スリットバルブ２０６を介してチャンバ２００に出入りするよう搬送されると共に、位置決めリング２１２によりペデスタル２０２上の中心に置かれる。適当なロボット式搬送アセンブリは、１９９０年８月２８日に発行され通常のように譲渡された「多重チャンバ一体型プロセスシステム（Multi-chamber Integrated Process System)」と題する米国特許第４,９５１,６０１号に記載されており、その全開示内容は参照によりこの明細書に組み込まれる。
【００３０】
処理の間、基板２９０は、ガス入口２４４からのプロセスガスの流れがチャンバ２００内の処理ゾーン２５０に流入するのを許容するため非常に多くの通路２４２を含んだガス分配面板、即ちシャワーヘッド２４０に接近して配置されている。プロセスガスが加熱された基板２９０のところで反応するときに、この基板２９０の表面上に被膜の堆積が起こる。どんな過剰のプロセスガス及び副生物もポンプ輸送プレナム２７０に接続された環状のポンプ輸送チャンネル２０８を介してチャンバ２００外にポンプで実質的に排出される。
【００３１】
図２のＣＶＤチャンバ２００は２つのモード、即ち熱モード及びプラズマ増速モードで作動することができる。熱モードにおいては、電源２１４がペデスタル２０４の抵抗ヒータ２０５に電力を供給する。ペデスタル２０４、そして基板２９０は、ＣＶＤ反応を熱的に活性化するのに十分な高温に維持される。プラズマ増速モードにおいては、ＲＦ源２１６からのＲＦ電力が、上側電極としてのシャワーヘッド２４０に印加される。このシャワーヘッド２４０は、代表的には非導電性セラミックから形成される環状の絶縁リング２６４によりチャンバ２００の残部から電気的に絶縁されている。ＲＦ源２１６によって十分な電圧及び電力が印加されて、処理ゾーン２５０内にプロセスガスからプラズマが発生される。チャンバ２００は、種々のチャンバ構成要素に対する望ましくない堆積を最小にするように設計されている。例えば、位置決めリング２１２はペデスタル２０４よりも低い温度に維持されているので、位置決めリング上への被膜堆積は最小にすることができる。
【００３２】
ＣＶＤチャンバ２００は、有機金属前駆物質（例えば、テトラキス（ジアルキルアミノ）チタン化合物）又はテトラハロゲン化チタンを含め、異なる前駆ガスでの熱又はプラズマ増速ＣＶＤプロセスのために使用することができる。
【００３３】
例えば、テトラキス(ジアルキルアミノ)チタン化合物，Ｔｉ(Ｎ（ＣＨ3)2）4，或いはＴＤＭＡＴのような有機金属前駆物質は、シャワーヘッド２４０からチャンバ２００内に噴射される。ペデスタル２０４が基板２９０を少なくとも約１００℃，好ましくは約３００℃〜５００℃の温度に維持している間、チャンバ圧力は約０．０１トル〜約５０トルの範囲内に維持される。ＴＤＭＡＴの熱分解により基板２９０上に導電性のコンフォーマルなＴｉＮ層が堆積する結果となる。
【００３４】
ｂ．ＨＰ ＴｘＺチャンバ
代替手段として、本発明のＣＶＤプロセスは、図３に断面図で示したＨＰ ＴｘＺチャンバ３００において実施可能である。標準のＴｘＺチャンバとは異なって、ＨＰ ＴｘＺチャンバ３００のウェハ用ヒータペデスタル３０４は、パージリング／エッジリング組立体３８０を備えていて、パージガスがウェハ用ヒータペデスタル３０４の底部及び縁部回りに流れるのを許容すると共に、望ましくない堆積物もしくは付着物がこれらの領域に集積するのを防止する。パージリング組立体の詳細は、１９９９年２月９日に出願された「パージリングを有するウェハペデスタル(Wafer Pedestal with a Purge Ring)」と題する米国特許願第０９/２４７.６７３号に開示されており、通常のように譲渡されたこの米国特許願は参照によりこの明細書に組み込まれる。本発明のプロセスにとって特に重要な幾つかの特徴について以下に簡単に述べる。
【００３５】
ＴｘＺチャンバと同様に、ウェハ３９０のような基板が真空チャックによりペデスタル３０４上に保持されている。しかし、ＴｘＺチャンバとは違って、ウェハ３９０の裏面，即ち裏側３９２に裏側ガス圧力を希望により確立することができる。これは、三方弁３６４を介して真空ポンプ３６２及びガス供給源３６６の双方に接続された真空配管３０６により行われる。制御ユニット３２０は、三方弁３６４，真空ポンプ３６２及び裏側ガス供給源３６６を制御することにより、適切な裏側ガス流量及び圧力を維持する。この実施形態においては、裏側ガスの使用により、加熱されたペデスタル３０４とウェハ３９０との間の熱伝導が向上する。ペデスタルの温度制御は、フィードバック制御ループにより行われる。即ち、このフィードバック制御ループにおいては、ペデスタル３０４の温度が同ペデスタル３０４の内部にある温度計３７２により連続的に監視され、ヒータ電源３７３の電流出力の調整が制御ユニット３２０により行われる。ウェハの温度制御が改善される結果、堆積被膜における均一性がより高くなる。
【００３６】
洗浄プロセス及び堆積後のアニ−ルプロセスの間、シャワーヘッド３４０は、チャンバ洗浄もしくは基板処理のため適切なプロセスガスからプラズマが発生できるように、接地されたチャンバ本体部３１０に関してＲＦバイアスされる。
【００３７】
図４は、ペデスタル３０４回りの拡大部分断面図を示している。パージリング／エッジリング組立体３８０は、ペデスタル３０４の周囲を囲んで配置されたパージリング４８０と、このパージリング４８０上にある着脱自在のエッジリング組立体４００とを備えている。
【００３８】
ペデスタル３０４の内部には、パージガス導入のために幾つかの水平チャンネル４５６がある。真空配管３６０に接続されたその他のチャンネル４５９は、基板もしくはウェハ３９０に裏側ガスを供給すると共に、真空チャッキングのため、ペデスタル３０４のウェハ支持面４５１に設けられている。パージリング４８０はペデスタル３０４と共に、ペデスタル３０４の頂部３０４Ｔに位置した垂直方向縁部４８１の回りにパージガスを流すように案内する。
【００３９】
上側リング４４０，中間リング４３０及び下側リング４２０を備えるエッジリング組立体４００は、洗浄及び保守を容易にするため簡単に取り外しできる。同エッジリング組立体は、上側リング４４０がパージリング４８０よりも低い温度に維持されるように設計されており、また、エッジリング構成要素への望ましくない堆積を最少にすることができる。
【００４０】
ウェハ処理の間、チャンネル４５６からの第１のパージガスがチャンネル４８６を経由してスペース４８４に入る。このパージガスはその後、パージリング４８０にある多数の小孔４８５を経て、ペデスタル３０４の垂直方向縁部４８１近傍の別のスペース４８２に流入する。矢印４９１で示されたこの縁部パージ用の流れパターンは、ペデスタル３０４の垂直方向縁部４８１上，ウェハ３９０の裏側３９２上，及び上側リング４４０の下側部分４４３上への望ましくない成膜を防止するのに役立つ。
【００４１】
矢印４９２で示された底部パージ用の流れは、エッジリング組立体４００の上側リング４４０の細長い垂直部分４６０の周りを流れる第２のパージガスによって生成される。この底部パージ用ガス流は、チャンバ３００の底部を貫いて図３に示されたガス配管３０６により導入され、エッジリング組立体４００への不所望の成膜を最小にするのに役立つ。
【００４２】
この二重のパージ能力のため、洗浄と洗浄との間の時間が延びると共に、マイクロアーチング（micro-arching)及び微粒子汚染を防止することにより、チャンバ特性が劇的に向上する結果となる。
【００４３】
Ｔｉ / ＴｉＮプロセス
図５ａ〜図５ｅは、本発明の第１実施形態による集積回路デバイス製造の異なる段階における基板５０２の断面図を示している。一般に、基板５０２とは被膜処理が行なわれる任意の加工物を称しており、そして基板構造５００は、この基板５０２と共に前記基板５０２上に形成された他の材料層を表わすのに用いられる。特に、図５ａ〜図５ｅは、コンタクトホール，トレンチ又はバイア構造の内部へのライナー／バリアスタックの形成について例示している。図５ａは、基板５０２上に形成された上側の絶縁層５０３を示しており、前記絶縁層は、特にアルミニウム，シリコン，タングステン等から構成しうる。絶縁層５０３は、例えば、酸化物層のような誘電体である。コンタクトホール，トレンチ又はバイアに対応すると言って差し支えない開口５０５は、通常のリソグラフィック及びエッチング技術を使用して、下側の基板５０２の部分５０４が露出するように絶縁層５０３に形成される。その後、図５ｂに示すように、絶縁層５０３と基板５０２の露出した部分５０４との上に接着層もしくはライナー層５０６が形成される。通常、ライナー層５０６は、ＰＶＤ又はＣＶＤのような従来の成膜方法を使用して形成しうる、例えばＴｉ，Ｔａ，Ｗのような耐熱金属から構成しうる。例えば、Ｔｉのライナー層５０６は、ＩＭＰ ＰＶＤ，平行（collimated)スパッタリング，或いはロングスロー(long throw)スパッタリングのような任意のＰＶＤ技術を用いて、図１のＰＶＤチャンバ１０４において成膜されうる。ライナー層としてタンタル（Ｔａ）を堆積させる場合は、特に高アスペクト比という特徴のため、ＩＭＰ ＰＶＤプロセスが好適である。ＰＶＤで堆積した被膜はコンフォーカルではない性質があるため、バイア（開口）５０５の側壁５０５Ｓ上にある金属については、もしあっても、通常、殆どない。一般に、金属ライナー層５０６の厚さは、約５Å〜約１０００Åの範囲にあり、好ましくは約１００Åでよい。
【００４４】
図５ｃは、例えばＣＶＤ技術を用いる金属ライナー層５０６上への次のバリア層５０８の形成について示している。バリア層５０８は、適切な前駆物質を用いて堆積される、ＴｉＮ，窒化タンタル又は窒化タングステンのような金属窒化物から構成されうる。例えば、ＴｉＮからなる金属窒化物のバリア層５０８は、前駆物質としてのテトラキシジメチルアミノチタン（ＴＤＭＡＴ）からＴｘＺ或いはＨＰ ＴｘＺ ＣＶＤチャンバにおいて堆積されうる。別法として、ＴｉＮは、ＴｉＣｌ4及びＮＨ3間の反応のようなＴｉＣｌ4をベースとした反応から堆積させてもよい。
【００４５】
一実施形態において、金属窒化物のバリア層５０８は、例えば、約５Å〜約１０００Åの範囲にあり、好ましくは約６０Åである厚さｄ1まで堆積される。このように堆積した金属窒化物のバリア層５０８は、次いで、図５ｄに示すように、窒素含有プラズマ５５０に露出される。プラズマ５５０は、例えば、特にＮ2又はＮＨ3である窒素含有ガスから発生させうる。代表的なプロセス条件には、約１００〜３０００sccm、好ましくは約１００〜５００sccm、最も好ましくは約２００〜３００sccmの範囲にあるＮ2流量；約１ミリトル〜２５トル、好ましくは約１〜１０トル、最も好ましくは約１〜６トルの範囲にある圧力；及び室温〜約１０００℃の間の範囲、好ましくは約３００〜５００℃の範囲にある温度が含まれる。約１０ｗ〜約１００００ｗの範囲，好ましくは約６００〜２０００ｗの範囲，最も好ましくは７５０ｗのプラズマ電力を使用しうる。しかし、プロセス条件は、使用されるプロセス室の種々の形式に備えて改質しうる。
【００４６】
堆積したままのバリア層５０８は、中性もしくはイオン化，原子もしくは分子のような形で存在しうる異なる化学種のプラズマ５５０により改質される。特定の条件に左右されるが、プラズマ処理により、被膜密度，格子構造，被膜組成が変化することになる。従って、処理後の層５０９の厚さｄ1t(図５ｅに示す）は、堆積したままのバリア層５０８の厚さｄ1よりも薄いのが通例である。例えば、堆積したままのＴｉＮ層の厚さ６０Åは、密度を高くすると、プラズマ処理後には厚さ２０Åの層になりうる。
【００４７】
図５ｄに戻り参照すると、本発明は、バリア層５０８の全厚さｄ1だけでなくその下側にあるライナー層５０６の頂部５０６Ｔを処理する。これは、例えば、プラズマ処理時間の延長，ＲＦ電力の増大等のような異なるプロセスパラメータの組合せを用いることにより行うことができる。かかる「過度の処理」後（その結果は図５ｅに示されている）、処理後のバリア層５０９は、不完全処理の層と比較して、例えば、密度，化学組成，格子構造等のその被膜特性がより均一になる。
【００４８】
更に、金属窒化物のバリア層５０８が十分に薄いとき、即ち、プラズマ処理時間が十分に長いとき、界面５１５（堆積したままのライナー層５０６とバリア層５０８との間に形成される。図５ｄ参照。）に隣接する下側の金属ライナー層５０６の頂部もしくは外側部分５０６Ｔもプラズマにより修正もしくは改質される。このことは、プラズマ５５０からの活性化学種の幾分かがバリア層５０８を貫通し下側の金属ライナー層５０６まで達するときに起こる。プラズマ電力及び圧力条件を変えることによって、金属ライナー層５０６の側壁部分も処理もしくは改質をすることができる。かかる改質には、被膜組成又は格子構造の改質が含まれ、次にこの改質は、被膜応力，抵抗率及び密度に影響することになる。
【００４９】
例えば、図５ｅは、窒素含有プラズマによる過度の処理が残りの未処理金属ライナー層５０６上に薄い「窒化金属(nitrated metal)」層５０７を形成することになることを示している。これは、ニトロ化もしくは窒素スタッフィングとも呼ばれており、例えば、窒素がＴｉと結合するか、或いは窒素原子がＴｉ結晶粒界間に押し込まれる。プラズマによる過度の処理の後、界面５１５を横断する組成もしくは構造上の不連続性が減少すると共に、バリア／ライナースタック５３０がより低い層間ひずみを示す。
【００５０】
一般に、隣接する層５０６及び５０８間に適合するより好適な原子の格子構造は、層間ひずみを低減すると共に、層化の欠点或いは付着の問題を軽減する。例えば、ＰＶＤにより堆積した被膜（例えば、Ｔｉライナー層５０６）はより規則的になり引張応力を有する傾向があるが、一方、ＣＶＤにより堆積した層（例えば、前駆物質であるＴＤＭＡＴからのＴｉＮバリア層５０８）の中には、より非晶質もしくはアモルファスとなり圧縮応力を有する傾向がある。その後の処理中、異種材料層の熱膨張が異なるため、この層間ひずみは更に増大する。隣接する材料層の化学組成及び／又は微細構造を修正もしくは改質することによって、プラズマの過度処理の結果、バリア／ライナースタックが、強化された密着性，より強いバリアから中間層への拡散，及び次の処理中における化学的攻撃に対するより強い抵抗力のような改良された特性を有することになる。特に、バイア（開口）５０５の上角部５０５Ｃにおける被膜密着性が改善され、その結果として生ずるスタック５３０は、その後の金属堆積中や、化学機械研磨（ＣＭＰ）及び化学洗浄のような堆積後の処理中における化学的攻撃に対して影響を受けにくくなり、そして被膜はく離のような層化の欠点を最小にすることができる。
【００５１】
ＴｉＣｌ4/ＮＨ3の熱反応が金属窒化物バリア層５０８の堆積に使用される場合、堆積したままのＴｉＮ層は、１００％非晶質である代わりに、微結晶性の構造を有していてよい。その場合、プラズマ処理により、結晶粒の成長が促進されると共に、結晶方位に変化の可能性がある。更に、処理後の窒化物層も低いシート抵抗と高い被膜密度のため良好なバリア特性を示す。
【００５２】
別の実施形態において、窒素含有プラズマ５５０もまた、Ｎ2及びＨ2の混合物或いはＮＨ3から発生されるような水素を含んでいる。例えば、このようなプラズマは、ある程度の不純物を含有する金属窒化物バリア層５０８の処理に有用である。ＴｉＮ堆積のための前駆物質としてＴＤＭＡＴが使用される場合、堆積したままの金属窒化物バリア層５０８は、ある量の炭素及び水素不純物を含んでおり、時として窒化炭素チタン（ＴｉＣＮ）層と呼ばれる。堆積したままのＴｉＣＮ層が炭素及び水素不純物の双方を含むプラズマに図５ｄに示すようにさらされると、炭素及び水素不純物は窒素に置換され、これがＴｉＣＮ層５０８に導入される。プラズマからの水素は、炭素不純物と反応して揮発性炭化水素を形成し、これはＴｉＣＮ層５０８から取り除かれる。このようにして、プラズマ処理の結果、改良した微細構造のため炭素含有量が少なく且つ密度の高い純化したＴｉＮ層５０９が得られる。プラズマ中の窒素の存在に主として依存するＴｉＮ層５０９の高密度化はまた、より化学式どおりの(stoichiometric)ＴｉＮ層について一層容易に生起する。ＴｉＣｌ4/ＮＨ3反応からの堆積したままのＴｉＮ層５０８もまたプラズマ中の窒素の存在の恩恵を受けることに留意すべきである。その場合、堆積したままのＴｉＮ層５０８における塩素含有量は、水素との反応により低減させることができ、また、シート抵抗の減少も実現される。
【００５３】
Ｎ2/Ｈ2プラズマが使用される場合、Ｎ2は、約１００〜３０００ sccm，好ましくは約１００〜５００ sccm，最も好ましくは約２００〜３００ sccmの流量でチャンバに導入される。一方、Ｈ2は、約１５０〜４５００sccm，好ましくは約１５０〜７５０ sccm，最も好ましくは約３００〜４５０ sccmの流量で導入される。チャンバ圧力は、約１ミリトル〜２５トル，好ましくは約１〜１０トル，最も好ましくは約１〜約６トルの範囲に維持される。基板温度は、室温から約１０００℃，好ましくは約３００℃〜５００℃の範囲とすることができる。しかし、特定の流量及び圧力条件は使用される種々のプロセス室もしくはチャンバについて変更してよい。
【００５４】
或いは、Ｔｉ／ＴｉＮスタックの処理は、約０．１分〜１５００分の持続時間にわたり約３５０〜１１００℃の温度範囲で熱アニ−ルすることにより行ってもよい。
【００５５】
一般に、プラズマ処理の効果は、未処理層の厚さ，処理時間及びプラズマ条件によって左右される。一定のプラズマ電力及び処理時間では、堆積被膜が薄ければ薄いほど、処理の効果は大きくなる。しかし、所定の被膜厚さについては、単に処理時間を長くすることは、必ずしも、最も有効なプロセスの選択ではないかもしれない。これは、２つの異なる被膜６０１及び６０３についてのシート抵抗（Ｒｓ）対プラズマ処理時間のグラフを示す図６を参照することにより、もっと良く理解できる。通常、被膜のシート抵抗は、同被膜の厚さ及び微細構造の双方により左右される。同じ厚さを有する２つに被膜については、より規則正しい微細構造はシート抵抗をより小さくする傾向がある。一方、被膜が同じ微細構造を有する場合には、薄い方の被膜は厚い方の被膜よりも大きなシート抵抗を有することになる。図６に示すように、シート抵抗Ｒｓは、同じ微細構造を有するが厚さｘ及びｙが異なる（ｘはｙより小さい）２つの被膜６０１及び６０３についての処理時間が長くなるにつれて減少する。厚い方の被膜６０３については、処理時間ｔyは、被膜が飽和に達するのに必要な時間、即ち、そのシート抵抗がほぼ限界値Ｒｓyに等しくなる時間であり、そして処理時間がｔyを越えても、シート抵抗が更に減少することにはならない。他方、薄い方の被膜６０１（厚さｘ）を完全に処理するのに必要な処理時間ｔx、即ちそのシート抵抗の限界値Ｒｓxに達するのに必要な時間はｔyよりも短い。被膜飽和のための処理時間は被膜厚さに対して必ずしも直線的ではないので、本発明は、追加のサイクルについて堆積及び処理のステップを繰り返すことにより厚い被膜６０３を一層効率的に形成することができる方法を提供する。例えば、構成成分である薄い被膜６０１を最初に堆積させ本発明によりプラズマ処理する。その後、相対的に厚い構成部分である第２のＴｉＮ被膜を処理した被膜６０１上に堆積させて、複合被膜を形成する。第２の構成成分の被膜の完全なプラズマ処理は比較的に短時間で行うことができる。このようにして、最終所望厚さの合成被膜が好適な被膜特性を備えて製造されうる。かかる被膜特性は、単一ステップの堆積及び処理手法を使用していては容易に達成されない。
【００５６】
図７ａ〜図７ｄは、追加のサイクルについて堆積及び処理のステップを繰り返すことにより合成バリア層を形成する別の実施形態を表わしている。図７ａは、前述した第１のプラズマ処理後の基板構造７００を例示する断面図である。金属窒化物から構成される第２のバリア層７０８は、その後、図７ｂに示すように、約５〜１０００Å，好ましくは６０Åの厚さｄ2まで処理後の層７０９上に堆積される。このバリア層７０８は層５０８に対して使用されるのとは異なるプロセス条件下で堆積させうるが、同じプロセス条件を使用するのが一般的である。しかる後、堆積したままの層７０８は、図７ｃに示すように、窒素含有プラズマ７５０にあてられる。第２のプラズマ処理は、第２のバリア層７０８の全厚さｄ2と第１のバリア層５０９の少なくとも頂部５０９Ｔとを確実に完全に処理するのに足る長い時間にわたり、行われる。図７ｄは、堆積したままの層７０８と比較して化学組成及び／又は格子構造が恐らく改質されている処理後のバリア層７０９を例示している。同様に、第１のバリア層５０９の頂部５０９Ｔは、第２の処理中に更に改質され、界面層７１０と表示しうる。このようにして、第１のバリア層５０９及び第２のバリア層７０９間の構造的な連続性が改善される。処理後のバリア層７０９及び５０９から構成される複合バリア層７２０は、プラズマ処理による被膜高密度化のため、厚さｄ1及びｄ2の合計よりも一般的に薄い厚さｄfを有している。更に、堆積，リソグラフィ，エッチング，注入等の処理ステップが次いでＩＣデバイスの製造を完了するため適宜行われる。
【００５７】
図８ａ〜図８ｆは、金属窒化物の堆積前に金属層８０６がプラズマ処理される本発明の別の実施形態を例示している。図８ａは、図５ａに示したもののような基板構造５００上に堆積されたこの金属層８０６を示している。例えばＴｉ，Ｔａ又はＷである金属層８０６は、ＰＶＤチャンバにおいて金属ターゲットをスパッタリングすることで堆積させてもよいし、或いはＣＶＤ技術により形成してもよい。図８ｂは、特にＮ2又はＮＨ3のような種々のガスを含みうる窒素含有プラズマ８５０にさらされている堆積されたままの金属層８０６を示している。処理中、プラズマ８５０からの活性化学種は、垂直の側壁を含め、金属層８０６の頂部もしくは外方部分８０６Ｔを衝撃する。このプラズマ工程の後、薄い金属窒化物の層８０７（即ち、窒化金属層）が図８ｃに示すように形成される。金属層８０６のプラズマ処理は、同金属層８０６の堆積のために使用した同じチャンバ内で行うことができる。プラズマは被膜処理もしくはアニ−ルの好ましい方法であるが、金属層８０６のニトロ化を容易にするため、熱アニ−ルも使用しうる。
【００５８】
別の方法として、金属層８０６のプラズマ処理は、次の金属窒化物の堆積に使用されるチャンバ内で行ってもよい。この場合、基板を予め整えるという付加的な利点を得ることができる。一般に、被膜堆積プロセスは温度依存性であり、そして単一ウェハの処理チャンバは「第１ウェハ（first wafer)」効果を示す。即ち、このチャンバの温度は、１つのバッチにおける第１ウェハが処理されつつあるときに、安定しないことがある。このようなことで、第１ウェハ上に堆積した被膜は、その後から処理されるウェハと比較して、若干異なる厚さ、即ち均一性を有しうる。しかし、金属層８０６のプラズマ処理が後からの金属窒化物堆積で使用されるようなものと同じＣＶＤチャンバにおいて行なわれる場合、第１ウェハを含め、同一バッチにおける各ウェハは、窒化物堆積の前に処理プラズマによってほぼ同一温度に加熱される。このようにウェハを予め調整することは、堆積した金属窒化物被膜のウェハ毎の再現性を改善するのに有効である。
【００５９】
図８ｃは、窒化金属層８０７上に厚さｔ1まで堆積されている金属窒化物層８０８を例示しており、同金属窒化物層は金属層８０６と同じ耐熱性金属で構成するのが好ましい。この厚さｔ1は約５〜１０００Åの範囲、好ましくは約６０Åとしてよい。窒化金属層８０７は、層間接続体として作用すると共に、未処理の金属層８０６と窒化層８０８との間に改善された格子整合を提供する。ある場合には、例えば、金属窒化物層８０８がＴｉＣｌ4及びＮＨ3間の反応からＴｉＮ堆積されるとき、このＴｉＮ層８０８もまた、窒化金属層８０７により「シード(seed)」化されうる。即ち、窒化物層８０８は窒化金属層８０７のものと類似する好適な結晶方位を有しうる。
【００６０】
図８ｄは、本発明に従ってプラズマ処理を受けつつある堆積したままの金属窒化物層８０８を示している。プラズマ８５２は、例えばＮ2又はＮＨ3から構成される窒素含有プラズマでよい。更に、金属窒化物層８０８の全体及びその下側にある窒化金属界面層８０７の少なくとも頂部８０７Ｔは、それらの格子構造及び／又は化学組成が改質されるように処理される。プラズマ処理からの格子構造整合の強化により、バリア／ライナー特性の向上した金属窒化物／金属スタック８３０（図８ｅに図示され、改質後の窒化物層８０９と、処理後の窒化金属部分８０７Ｔと、窒化金属層８０７と、未処理の金属層８０６とから構成されている。）になる。典型的には、被膜高密度化のため、処理後の窒化物層８０９が有する厚さはｔ1よりも小さい。所望により、例えば、処理時間を延長するか及び／又はプラズマ条件を変えることにより、プラズマ処理ステップを行って、下側金属層８０６の一部（窒化金属層８０７の近く）を更に処理してもよい。
【００６１】
特定の適用例に左右されるが、メタライゼイション計画の中で、窒化物／金属スタック８３０をバリア／ライナーとして使用してもよい。或いは、もっと厚い窒化物層が望まれれば、窒化物堆積及び処理ステップを追加のサイクルで繰り返して差し支えない。これは図８ｆに示されている。図８ｆにおいて、第２の窒化物層８１０は約５〜１０００Åの範囲、好ましくは約６０Åの厚さｔ2まで堆積されている。その後、堆積されたままの窒化物層８１０は、プラズマ８５２と同じでも異なっていてもよい窒素含有プラズマ８５４にさらされる。このプラズマ８５４は、第２の窒化物層８１０の全体及びその下側にある窒化物層８０９の頂部を処理するのに用いられる。この処理ステップの主な目的は、第２の窒化物層８１０及び第１の窒化物層８０９の間に改善された界面８２５を提供することである。所望最終厚さの複合窒化物層を生成するために追加の窒化物層を堆積させプラズマ処理してもよい。
【００６２】
一般に、複合層の反復堆積及び処理により複合層を形成するプロセスは、「ＮｘＤ」プロセスと表示することができる。ここで、Ｎは、堆積−処理サイクルの数であり、Ｄは、プラズマ処理後の構成成分層の厚さである。この解決策の利点の１つは、より薄い構成成分層がコンタクトホール５０５の側壁５０５Ｓに沿って堆積した部分も含めより完全な処理を可能にするので、より均一な特性を有する複合層が得られることである。
【００６３】
ＨＰ ＴｘＺチャンバにおける「２ｘ２０」プロセス
特定の一実施形態において、約４０Åの厚さを有する複合ＴｉＮ被膜もしくは層は、ＨＰ ＴｘＺチャンバにおいて行われる「２ｘ２０」プロセスで下側のＴｉ層上に形成される。このプロセスは、厚さ２０ÅのＴｉＮを形成する２つのサイクルを含んでいる。各サイクルは２つのステップを含み、第１のステップでＴｉＮを備える約６０Åの層を堆積させ、第２のステップでこの堆積した被膜をＮ2及び水素（Ｈ2）を含むプラズマ環境に露出させる。プラズマ処理の結果、代表的には約２０Åの厚さと約１５００オーム/平方のシート抵抗とを有する高密度化した被膜が得られる。前に説明した他の実施形態と同様に、この実施形態は、コンタクト及びバイアの段階に通常適用できる。
【００６４】
表１は、ＴｉＮの堆積及び処理の代表的な２ｘ２０プロセス配合表における幾つかの重要なステップを例示している。
適切なポンプ停止及びＨＰ ＴｘＺチャンバ内のガス流安定化の後、例えば、以前に堆積した密着層を有するもののようなウェハがペデスタル上に保持される。通常、裏側圧力の制御が可能であるから、約１．５トルの圧力差がプロセス配合表全体を通じてウェハの表裏間に維持されている。ヒータ温度は、縁部パージガス及び底部パージガスがそれぞれ約１５００sccm及び１０００sccmで流れている状態で、通常、約３６５℃に設定される。
【００６５】
また、不活性希釈剤(dilutant)及びキャリヤガスの流量も、ステップ＃１に示された第１のバリア層の堆積前に設定される。特にＮ2，Ａｒ，Ｈｅ及びＨ2のようなガスが希釈剤ガスとして使用するのに適しており、約１３００sccmの総流量を使用しうる。ＴＤＭＡＴは、約５０℃の温度でＨｅであるキャリヤガスをＴＤＭＡＴ収容バブラー(bubbler)もしくはアンプル(ampoule)に通すことにより、チャンバ内に導入される。或いは別の方法として、ＴＤＭＡＴの液体噴射を使用してもよい。ステップ＃１の後、例えば約６０ÅのＴｉＮ層がウェハ上に堆積する。
【００６６】
堆積したままのＴｉＮ層のプラズマ処理は、それぞれ約３００sccm及び４５０sccm の流量のＮ2及びＨ2を使用して、ステップ＃２において行われる。チャンバ圧力は約１．３トルに維持され、一方、約７５０ＷのＲＦ電力がシャワーヘッドに印加される。ＴｉＮ層をＮ2/Ｈ2プラズマに約２０秒露出した後、約２０Åの最終ＴｉＮ層が得られる。プラズマ処理ステップの間に加熱された水はステップ＃３において冷却され、その間に、ＴＤＭＡＴはチャンバに供給されない。第１及び第２のＴｉＮ堆積ステップの前に水をほぼ同じ温度に維持しておくことによって、第１及び第２のＴｉＮ層の厚さ再現性を保証することができる。
【００６７】
第２のＴｉＮ層はその後、好ましくステップ＃１と同じ条件下でステップ＃４において堆積され、次いで第２のプラズマ処理ステップ＃５が行われる。ステップ＃５の後、約４０Åの最終厚さを有するＴｉＮ層がウェハ上に形成され、そしてチャンバはウェハの取り出し前に例えばＮ２である不活性ガスでパージされる。
【００６８】
本発明の種々の実施形態は、任意のコンタクト及びバイアの段階に適用可能であることに加えて、ＣＶＤのＷ，Ａｌ，Ｃｕメタライゼイション計画において金属窒化物／金属スタックの形成に一般に適用しうる。本発明の金属窒化物／金属構造を形成する際、金属層は、特にシリコン，熱酸化物（thermal oxide)及びセラミックスを含め多種の異なる基板上に当該技術における通常の手段で形成されうる。更に、本発明のプロセスは、種々の材料からなる下側及び相互接続層の異なる組合せを有するパターン化された種々の基板に関して行うことができる。
【００６９】
当該技術における習熟した当業者は、本発明のプロセスの基本的性質及び所望の被膜特性を保持しながら、プロセスパラメータ又は設備の選択を変える必要を理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプロセスを遂行するのに適する多重チャンバ装置の概略平面図である。
【図２】本発明のプロセスを遂行するのに適する化学気相堆積チャンバの概略断面図である。
【図３】本発明のプロセスを遂行するためパージ能力を備えた化学気相堆積チャンバの概略断面図である。
【図４】図３のチャンバ内にあるペデスタル周りの拡大部分断面図である。
【図５ａ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｂ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｃ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｄ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｅ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図６】異なる材料層についてのプラズマ処理時間の関数としてのシート抵抗の線図を表わしている。
【図７ａ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図７ｂ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図７ｃ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図７ｄ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図８ａ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｂ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｃ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｄ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｅ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｆ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図９】本発明のプロセスを遂行するのに使用されるコンピュータプログラムの階層制御構造を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
１０２ ＣＶＤチャンバ（基板処理チャンバ）
１０４ ＰＶＤチャンバ（基板処理チャンバ）
１１８ 制御ソフトウエア
２００ ＴｘＺチャンバ（基板処理チャンバ）
２９０ 基板
３００ ＴｘＺチャンバ（基板処理チャンバ）
３９０ 基板
５０２ 基板
５０６ 金属のライナー層
５０６Ｔ ライナー層の頂部
５０７ 窒化金属層
５０８ 金属窒化物のバリア層
５０９ 処理後のバリア層
５０９Ｔ 処理後のバリア層の頂部
５１５ 界面
５５０ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
７０８ 第２のバリア層
７５０ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
８０６ 金属層
８０６Ｔ 金属層の頂部
８０７ 金属窒化物の層
８１０ 第２の窒化物層
８２５ 界面
８５０ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
８５２ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
８５４ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造のため基板を処理する方法に関するものである。特に、本発明は、金属窒化物／金属スタックの被膜特性を改善する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超大規模集積（ＶＬＳＩ）及び超々大規模集積（ＵＬＳＩ）の集積回路を製造する場合、多重レベルのメタライゼイション技術のプロセス能力及び信頼性に対して、次第に厳しくなる要求が出されている。タングステン（Ｗ）は、コンタクト及びバイアを含め、種々のレベルでメタライゼイション技術においてアルミニウム（Ａｌ）の代わりに登場してきている。
【０００３】
一体型バリア及びライナー構造は、金属導電層（Ｗ又はＡｌ）と下側の材料層との間に良好な密着性を与えると共に、下側の材料層への望ましくない金属拡散を防止するために、通常使用されている。これらのバリア及びライナー構造は、通常、特に例えば窒化チタン（ＴｉＮ）／チタン（Ｔｉ）のような耐熱金属窒化物／耐熱金属の組合せから構成される。
【０００４】
例えばチタン（Ｔｉ）は、シリコン（Ｓｉ）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とＡｌ又はＷから構成される金属層との間の接着剤もしくは接着層として使用されてきた。例えばＴｉＮからなるバリア層は、下側の基板への金属拡散を避けるために、金属堆積の前にＴｉ接着層上に堆積される。
【０００５】
窒化チタンは、物理蒸着（ＰＶＤ）と同様に化学気相堆積（ＣＶＤ）によっても堆積させることができる。しかし、ＣＶＤによるＴｉＮは、より規則的なＰＶＤによるＴｉ又はＴｉＮ層とは反対に、例えば、前駆物質としての有機金属チタンから堆積されるときに、非晶質構造を有しうる。この微細構造の差により、一体型のＣＶＤのＴｉＮ／ＰＶＤのＴｉスタックはＰＶＤのＴｉＮ／ＰＶＤのＴｉスタックよりも脆弱な層間結合をもつことになる。脆弱な層の密着性のほかに、ＴｉＮ及びＴｉ層間の構造的不連続性は、強い層間ひずみ及び界面欠陥という結果になる。かかるバリア／ライナー構造は、Ｗ堆積，化学洗浄及び化学機械研磨（ＣＭＰ）のような後に続く処理ステップにおける化学的及び／又は機械的攻撃を受けやすい。
【０００６】
更に、続いて堆積されるアルミニウムもＴｉＮ／Ｔｉスタックの格子もしくは微細構造における欠陥中に拡散して下側の材料層と反応することがある。
【０００７】
従って、金属間の拡散を防止し、層間の密着性を向上させると共に、多重レベルのメタライゼイションプロセス中における耐薬品性を向上させる金属層及び金属窒化物層間の界面構造の改善を可能とする方法もしくはプロセスに対する必要性が存在している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属もしくはメタル層上に窒化物層を形成する方法であり、その後に、この窒化物層を窒素含有環境に露出することによって窒化物層と下側の金属層の少なくとも一部との改質もしくは処理が行われる。
【０００９】
本発明の実施形態に従って形成される金属窒化物及び金属のスタック即ち積層体は、高い密着性，低い層間ひずみ及び低い抵抗率というような改善された特性を有している。このような構造は、例えば、０．１８μｍ以下の適用例についての種々のメタライゼイション技術ではバリア／ライナーの適用に適している。
【００１０】
窒素含有環境は、特に窒素（Ｎ2）又はアンモニア(ＮＨ3）のようなガスを含んでいてよい。或いは、窒素含有環境は、水素を含んでいてよい。金属窒化物／金属層の改質はプラズマ又は熱アニ−ル（thermal annealing)を使用して行うことができる。本発明の一実施形態においては、Ｎ2及び水素(Ｈ2）の混合物もしくはＮＨ3を含むガスから窒素含有プラズマを発生させている。
【００１１】
金属層は、チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ）又はそれらの組合せのような耐熱金属から構成してよく、物理蒸着（ＰＶＤ）又は化学気相堆積（ＣＶＤ）のどちらかにより堆積させることができる。金属窒化物層は下側の耐熱金属と同じ金属から構成するのが好ましい。
【００１２】
本発明の一実施形態において、窒化チタン（ＴｉＮ）は有機金属である前駆物質から堆積される。ＴｉＮの堆積後、ＴｉＮ層及びその下側のＴｉ層の双方は、活性の化学種がＴｉＮ層を貫いて下側のＴｉ層に到達するのに十分な長い時間にわたりスタックを窒素含有環境に露出することによって改質される。堆積したままのＴｉＮ層が窒素及び水素の双方を含む環境中で処理されると、その結果生ずるＴｉＮ層は、不純物含有量が減少し、シート抵抗が低くなっている。本発明によると、薄い窒化Ｔｉ層もまた処理後のＴｉＮ及びＴｉ層の間に形成される。この窒化Ｔｉ層は、Ｔｉ層の未処理部分と処理後のＴｉＮ層との間に良好な格子整合を与えると共に、バリア特性が改善され層間ひずみが低減された一体型ＴｉＮ／Ｔｉ構造になる。
【００１３】
別の実施形態においては、所望厚さの窒化物が得られるまで、追加のサイクルで比較的に薄い金属窒化物層を繰り返し堆積及び処理することにより、複合金属窒化物層が金属層上に形成される。各プラズマ処理ステップで上側の窒化物層全体と下側の材料層の頂部とが変更もしくは調整され、化学組成及び／又は格子構造が変化することになる。その結果、層の界面全域にわたり良好な格子整合が得られるため、密着性が増し且つ層間ひずみが減少することになる。
【００１４】
必要に応じて、本発明の実施形態は、金属窒化物層の堆積前に、堆積したままの金属層を第１の窒素含有環境内で処理するステップを更に含んでいてよい。このような処理により、例えば、より薄い窒化金属層が形成されることとなり、これは、金属層の未処理部分と続いて堆積される金属窒化物層との間に良好な格子整合を提供する。このようにして、得られた金属窒化物／金属スタックは密着性が増し且つひずみが減少する。堆積したままの金属窒化物層は、希望により水素を含んでいてよい第２の窒素含有環境中で続いて処理される。プラズマ中で行なわれるのが好ましいこの処理によって、金属窒化物層と下側の窒化金属層の少なくとも一部とが改質され、被膜特性及び層間特性が改善されることになる。
【００１５】
本発明の教示するところは、添付図面に関連して以下の詳細な説明を考慮することにより容易に理解できるであろう。
【００１６】
理解を容易にするため、各図に共通の同一要素を表わすのに、可能な場合、同一参照数字を使用した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
概略
本発明は、金属層上に窒化物層を形成することにより窒化物／金属スタックを形成する方法であり、その後に、この窒化物層と金属層の一部とを窒素含有環境中で処理される。この方法は、窒化物／金属スタックの界面もしくは層間特性を改善する利点がある。前記方法は、例えば、メタライゼイション計画においてバリア／ライナー構造として金属窒化物／金属スタックを形成するのに使用することができる。
【００１８】
本発明の一実施形態において、耐熱金属層が基板構造上にＰＶＤによって形成され、その後、熱ＣＶＤによる金属窒化物層の堆積が行われる。次に、金属窒化物層は窒素含有環境に露出され、露出中に、金属窒化物層の厚さ全体が処理される結果、物理的及び化学的特性が改善されることになる。この処理は、プラズマ又は熱アニ−ルのどちらかを用いて行うことができるが、プラズマアニ−ルが通常好ましい。本発明の処理ステップは、下側の耐熱金属層も部分的に処理するのに十分な持続期間にわたり適用されるので、窒素（Ｎ）が下側の金属層の少なくとも頂部内に取り入れられることになる。従って、金属層と金属窒化物層との間の構造的不連続性が減少し、その結果、２層間の界面が改善される。
【００１９】
別の実施形態において、金属窒化物の堆積ステップ及びプラズマアニ−ルステップは、所望の厚さを有する複合窒化物層を形成するため、追加のサイクルで繰り返される。各プラズマ処理ステップが上の金属窒化物層と下側の層の頂部との双方を変えるので、各構成成分材料層の間に改善された層間構造を得ることができる。
【００２０】
或いは希望により、ＰＶＤ金属層のプラズマ処理は金属窒化物層の堆積前に行われ、その結果、ＰＶＤ金属層上に薄い窒化金属層が形成されることになる。続いて、金属窒化物層が窒化金属層上に堆積され、本発明に従ってプラズマ処理を受ける。金属窒化物層と下側の窒化金属層の頂部とはこうして改質され、後の処理ステップにおいて改善されたバリア特性と耐薬品性を示す。
【００２１】
装置
本発明のプロセスは、ＰＶＤチャンバ及びＣＶＤチャンバの双方を有する多重チャンバ式処理装置（例えば、クラスタツール）において、或いは別個の単一チャンバシステムにおいて実行することができる。多重チャンバ式処理装置を用いるのが好ましいが、その理由は、処理ステップ間での汚染を防止するために基板を真空環境内に保持しうるからである。クラスタツールの例には、ベクトラ・アイエムピー（Vectra IMP)，コヒーレント・アンド・スタンダード(Coherentand Standard)ＰＶＤチャンバ，ＴｘＺ又はＨＰ ＣＶＤチャンバのような処理チャンバと関連して使用されるＰ５０００，エンデュラ (Endura）プラットフォーム及びセンチュラ（Centura)プラットフォームが含まれる。これらのクラスタツールは、カリフォルニア洲サンタクララ所在のアプライド・マテリアルズ・インコーポレイテッド(Applied Materials, Inc.)から商業的に入手しうる。
【００２２】
図１は、本発明のＣＶＤ及びＰＶＤプロセスを遂行するのに適する例えばエンデュラ（Endura）システムである多重チャンバ式処理装置１００を概略的に示している。同様の多段真空ウェハ処理システムは、１９９３年２月１６日にテップマン(Tepman)等に発行された米国特許第５,１８６,７１８号「多段真空ウェハ処理システム及び方法(Staged-Vacuum Wafer Processing System and Method)」に開示されており、前記米国特許は参照によりこの明細書に組み込まれる。ここに示した処理装置１００の特定実施形態は、半導体基板のようなプレーナー基板を処理するのに適しており、本発明を説明するために提供されているが、本発明の範囲を限定するために用いられているのではない。前記処理装置１００は、例えばＣＶＤチャンバ１０２及びＰＶＤチャンバ１０４である、相互に接続されたプロセスチャンバもしくはプロセス室のクラスタを備えているのが一般的である。
【００２３】
コンピュータシステム
本発明のプロセスは、通常のコンピュータシステムで実行するコンピュータプログラム製品もしくはマイクロプロセッサコントローラを使用して実施することができる。図１に示すように、制御ユニット１１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１１２と、支援回路１１４と、関連の制御ソフトウエア１１８を含むメモリ１１６とを備えている。この制御ユニット１１０は、ウェハ搬送，ガス流量制御，温度制御，チャンバ排気等のウェハ処理に要求される種々のステップの自動制御のために使用される。制御ユニット１１０と処理装置１００の種々の構成要素との間の双方向通信は、図１に幾つかが例示されている種々の信号バス１２０と総称して呼ばれる種々の信号ケーブルを介して処理される。
【００２４】
プロセスを実施するためのコンピュータプログラムコードは、６８０００アセンブラ言語，Ｃ，Ｃ++，或いはパスカル(Pascal)のようなコンピュータにより読出し可能な任意の通常のプログラミング言語で書くことができる。このプログラムコードは、次いでコンピュータで使用可能な媒体に保存されるか或いは取り入れられる。
【００２５】
図９は、制御ユニット１１０の階層制御構造の例証的なブロック図を示している。利用者はプロセスセット及びプロセス室名をプロセス選択サブルーチン９４２に入力する。プロセスセットは、特定のプロセス室において特定プロセスを実行するのに必要なプロセスパラメータ又はレシピ（例えば、ガス流量，温度，圧力，・・・，等）の所定のセットである。
【００２６】
プロセスシーケンササブルーチン９４３は、プロセス選択サブルーチン９４２からの識別プロセス室及びプロセスパラメータのセットを受け付けると共に、種々のプロセス室の作動を制御するためのプログラムコードを備えている。好適には、このシーケンササブルーチン９４３は、（ｉ）プロセス室が使用中であるかどうかを決定するため前記プロセス室の作動を監視するステップと、（ii）使用中のプロセス室でどんなプロセスが行なわれているかを決定するステップと、(iii）プロセス室の利用可能性と遂行すべきプロセスの種類とに基づいて所望プロセスを実行するステップとを行う。
【００２７】
一旦シーケンササブルーチン９４３がどのプロセス室及びプロセスセットの組合せを次に実行すべきか決めたら、特定のプロセスセットパラメータがチャンバ管理サブルーチン９４４ａ〜９４４ｃに送られ、前記サブルーチンが異なるプロセス室における多重処理タスクを制御する。チャンバ管理サブルーチン９４４はまた、選択されたプロセスセットを果すのに必要な諸チャンバ構成要素の作動を制御する種々のチャンバ構成要素サブルーチン或いはプログラムコードモジュールを制御する。チャンバ構成要素サブルーチンの例には、基板位置決めサブルーチン９４５，プロセスガス制御サブルーチン９４６，圧力制御サブルーチン９４７，ヒータ制御サブルーチン９４８及びプラズマ制御サブルーチン９４９が含まれる。当業者なら容易に分かるように、プロセス室もしくはチャンバ１０２においてどんなプロセスの実行が要求されるのかに応じて、その他のチャンバ管理サブルーチンが含まれうる。
【００２８】
ＰＶＤチャンバ
ＰＶＤチャンバ１０４は同ＰＶＤチャンバ１０４内の金属ターゲットからのスパッタリングにより、例えばチタン（Ｔｉ）である金属層を堆積させるのに使用される。例えばモデル・ベクトラ・アイエムピー(Model Vectra IMP)であるＰＶＤチャンバの詳細は１９９９年１１月１日に出願され普通に譲渡された「重気体スパッタリングによるＩＭＰ技術(IMP Technology with Heavy Gas Sputtering)」と題する米国特許出願（出願人整理番号：３４９５）に開示されており、同米国特許出願の内容は参照によりこの明細書に組み込まれる。スパッタリングプロセス中に、アルゴン（Ａｒ）又はキセノン（Ｘｅ）のような不活性ガスがプロセス室もしくはチャンバ１０４に導入される。ＤＣバイアス電流は、チャンバシールドを接地してスパッタリングターゲットに印加される。ＲＦバイアス電流は基板支持体に印加される。プラズマは、約１００〜２００００Ｗ，特に一般的には約１００〜１００００ＷのＤＣ電圧をスパッタリングターゲットに印加することにより、不活性ガスから発生する。このプラズマによりスパッタリングターゲットからターゲット材料がスパッタリングされて、基板表面上に堆積される。このプロセス室１０４は、堆積した金属層を処理するプラズマのためにも使用することができる。例えば、金属層が堆積した後、窒素（Ｎ2）又はその他の窒素含有ガスをプロセス室に導入すると共に、約１０〜１００００Ｗ或いはもっと一般的には約６００〜２０００ＷのＲＦ電力を印加することによって、窒素含有プラズマを発生させうる。
【００２９】
ＣＶＤチャンバ
ａ．ＴｘＺチャンバ
図２は、本発明のプロセスを遂行するのに適するＣＶＤプラズマ反応器１０２の一例の概略断面図を示している。この特別な反応器であるＴｘＺチャンバ２００は、カリフォルニア洲サンタクララ所在のアプライド・マテリアルズ・インコーポレイテッド（Applied Materials, Inc.)から商業的に入手しうる。このチャンバの詳細は、例えば、１９９８年１２月８日に発行され通常のように譲渡された「化学気相堆積室における熱浮動ペデスタルカラー(Thermally Floating PedestalCollar in a Chemical Vapor Deposition Chamber）」と題する米国特許第５,８４６，３３２号、及び１９９９年１１月３０日に発行され通常のように譲渡された「スループット及び歩留りを向上させる基板処理の方法(Method for SubstrateProcessing with Improved Throughput and Yield)」と題する米国特許第５，９９３，９１６号に開示されており、これらの米国特許は参照によりこの明細書に組み込まれる。ＴｘＺチャンバ２００は、ポンプ輸送チャンネル２０８を介する真空ポンプ２８０への接続により減圧環境において作動するのに適応している。前記ＴｘＺチャンバ２００は、チャンバ本体部２０２と、処理すべき基板２９０を支持するペデスタル２０４とを備えている。基板２９０は、スリットバルブ２０６を介してチャンバ２００に出入りするよう搬送されると共に、位置決めリング２１２によりペデスタル２０２上の中心に置かれる。適当なロボット式搬送アセンブリは、１９９０年８月２８日に発行され通常のように譲渡された「多重チャンバ一体型プロセスシステム（Multi-chamber Integrated Process System)」と題する米国特許第４,９５１,６０１号に記載されており、その全開示内容は参照によりこの明細書に組み込まれる。
【００３０】
処理の間、基板２９０は、ガス入口２４４からのプロセスガスの流れがチャンバ２００内の処理ゾーン２５０に流入するのを許容するため非常に多くの通路２４２を含んだガス分配面板、即ちシャワーヘッド２４０に接近して配置されている。プロセスガスが加熱された基板２９０のところで反応するときに、この基板２９０の表面上に被膜の堆積が起こる。どんな過剰のプロセスガス及び副生物もポンプ輸送プレナム２７０に接続された環状のポンプ輸送チャンネル２０８を介してチャンバ２００外にポンプで実質的に排出される。
【００３１】
図２のＣＶＤチャンバ２００は２つのモード、即ち熱モード及びプラズマ増速モードで作動することができる。熱モードにおいては、電源２１４がペデスタル２０４の抵抗ヒータ２０５に電力を供給する。ペデスタル２０４、そして基板２９０は、ＣＶＤ反応を熱的に活性化するのに十分な高温に維持される。プラズマ増速モードにおいては、ＲＦ源２１６からのＲＦ電力が、上側電極としてのシャワーヘッド２４０に印加される。このシャワーヘッド２４０は、代表的には非導電性セラミックから形成される環状の絶縁リング２６４によりチャンバ２００の残部から電気的に絶縁されている。ＲＦ源２１６によって十分な電圧及び電力が印加されて、処理ゾーン２５０内にプロセスガスからプラズマが発生される。チャンバ２００は、種々のチャンバ構成要素に対する望ましくない堆積を最小にするように設計されている。例えば、位置決めリング２１２はペデスタル２０４よりも低い温度に維持されているので、位置決めリング上への被膜堆積は最小にすることができる。
【００３２】
ＣＶＤチャンバ２００は、有機金属前駆物質（例えば、テトラキス（ジアルキルアミノ）チタン化合物）又はテトラハロゲン化チタンを含め、異なる前駆ガスでの熱又はプラズマ増速ＣＶＤプロセスのために使用することができる。
【００３３】
例えば、テトラキス(ジアルキルアミノ)チタン化合物，Ｔｉ(Ｎ（ＣＨ3)2）4，或いはＴＤＭＡＴのような有機金属前駆物質は、シャワーヘッド２４０からチャンバ２００内に噴射される。ペデスタル２０４が基板２９０を少なくとも約１００℃，好ましくは約３００℃〜５００℃の温度に維持している間、チャンバ圧力は約０．０１トル〜約５０トルの範囲内に維持される。ＴＤＭＡＴの熱分解により基板２９０上に導電性のコンフォーマルなＴｉＮ層が堆積する結果となる。
【００３４】
ｂ．ＨＰ ＴｘＺチャンバ
代替手段として、本発明のＣＶＤプロセスは、図３に断面図で示したＨＰ ＴｘＺチャンバ３００において実施可能である。標準のＴｘＺチャンバとは異なって、ＨＰ ＴｘＺチャンバ３００のウェハ用ヒータペデスタル３０４は、パージリング／エッジリング組立体３８０を備えていて、パージガスがウェハ用ヒータペデスタル３０４の底部及び縁部回りに流れるのを許容すると共に、望ましくない堆積物もしくは付着物がこれらの領域に集積するのを防止する。パージリング組立体の詳細は、１９９９年２月９日に出願された「パージリングを有するウェハペデスタル(Wafer Pedestal with a Purge Ring)」と題する米国特許願第０９/２４７.６７３号に開示されており、通常のように譲渡されたこの米国特許願は参照によりこの明細書に組み込まれる。本発明のプロセスにとって特に重要な幾つかの特徴について以下に簡単に述べる。
【００３５】
ＴｘＺチャンバと同様に、ウェハ３９０のような基板が真空チャックによりペデスタル３０４上に保持されている。しかし、ＴｘＺチャンバとは違って、ウェハ３９０の裏面，即ち裏側３９２に裏側ガス圧力を希望により確立することができる。これは、三方弁３６４を介して真空ポンプ３６２及びガス供給源３６６の双方に接続された真空配管３０６により行われる。制御ユニット３２０は、三方弁３６４，真空ポンプ３６２及び裏側ガス供給源３６６を制御することにより、適切な裏側ガス流量及び圧力を維持する。この実施形態においては、裏側ガスの使用により、加熱されたペデスタル３０４とウェハ３９０との間の熱伝導が向上する。ペデスタルの温度制御は、フィードバック制御ループにより行われる。即ち、このフィードバック制御ループにおいては、ペデスタル３０４の温度が同ペデスタル３０４の内部にある温度計３７２により連続的に監視され、ヒータ電源３７３の電流出力の調整が制御ユニット３２０により行われる。ウェハの温度制御が改善される結果、堆積被膜における均一性がより高くなる。
【００３６】
洗浄プロセス及び堆積後のアニ−ルプロセスの間、シャワーヘッド３４０は、チャンバ洗浄もしくは基板処理のため適切なプロセスガスからプラズマが発生できるように、接地されたチャンバ本体部３１０に関してＲＦバイアスされる。
【００３７】
図４は、ペデスタル３０４回りの拡大部分断面図を示している。パージリング／エッジリング組立体３８０は、ペデスタル３０４の周囲を囲んで配置されたパージリング４８０と、このパージリング４８０上にある着脱自在のエッジリング組立体４００とを備えている。
【００３８】
ペデスタル３０４の内部には、パージガス導入のために幾つかの水平チャンネル４５６がある。真空配管３６０に接続されたその他のチャンネル４５９は、基板もしくはウェハ３９０に裏側ガスを供給すると共に、真空チャッキングのため、ペデスタル３０４のウェハ支持面４５１に設けられている。パージリング４８０はペデスタル３０４と共に、ペデスタル３０４の頂部３０４Ｔに位置した垂直方向縁部４８１の回りにパージガスを流すように案内する。
【００３９】
上側リング４４０，中間リング４３０及び下側リング４２０を備えるエッジリング組立体４００は、洗浄及び保守を容易にするため簡単に取り外しできる。同エッジリング組立体は、上側リング４４０がパージリング４８０よりも低い温度に維持されるように設計されており、また、エッジリング構成要素への望ましくない堆積を最少にすることができる。
【００４０】
ウェハ処理の間、チャンネル４５６からの第１のパージガスがチャンネル４８６を経由してスペース４８４に入る。このパージガスはその後、パージリング４８０にある多数の小孔４８５を経て、ペデスタル３０４の垂直方向縁部４８１近傍の別のスペース４８２に流入する。矢印４９１で示されたこの縁部パージ用の流れパターンは、ペデスタル３０４の垂直方向縁部４８１上，ウェハ３９０の裏側３９２上，及び上側リング４４０の下側部分４４３上への望ましくない成膜を防止するのに役立つ。
【００４１】
矢印４９２で示された底部パージ用の流れは、エッジリング組立体４００の上側リング４４０の細長い垂直部分４６０の周りを流れる第２のパージガスによって生成される。この底部パージ用ガス流は、チャンバ３００の底部を貫いて図３に示されたガス配管３０６により導入され、エッジリング組立体４００への不所望の成膜を最小にするのに役立つ。
【００４２】
この二重のパージ能力のため、洗浄と洗浄との間の時間が延びると共に、マイクロアーチング（micro-arching)及び微粒子汚染を防止することにより、チャンバ特性が劇的に向上する結果となる。
【００４３】
Ｔｉ / ＴｉＮプロセス
図５ａ〜図５ｅは、本発明の第１実施形態による集積回路デバイス製造の異なる段階における基板５０２の断面図を示している。一般に、基板５０２とは被膜処理が行なわれる任意の加工物を称しており、そして基板構造５００は、この基板５０２と共に前記基板５０２上に形成された他の材料層を表わすのに用いられる。特に、図５ａ〜図５ｅは、コンタクトホール，トレンチ又はバイア構造の内部へのライナー／バリアスタックの形成について例示している。図５ａは、基板５０２上に形成された上側の絶縁層５０３を示しており、前記絶縁層は、特にアルミニウム，シリコン，タングステン等から構成しうる。絶縁層５０３は、例えば、酸化物層のような誘電体である。コンタクトホール，トレンチ又はバイアに対応すると言って差し支えない開口５０５は、通常のリソグラフィック及びエッチング技術を使用して、下側の基板５０２の部分５０４が露出するように絶縁層５０３に形成される。その後、図５ｂに示すように、絶縁層５０３と基板５０２の露出した部分５０４との上に接着層もしくはライナー層５０６が形成される。通常、ライナー層５０６は、ＰＶＤ又はＣＶＤのような従来の成膜方法を使用して形成しうる、例えばＴｉ，Ｔａ，Ｗのような耐熱金属から構成しうる。例えば、Ｔｉのライナー層５０６は、ＩＭＰ ＰＶＤ，平行（collimated)スパッタリング，或いはロングスロー(long throw)スパッタリングのような任意のＰＶＤ技術を用いて、図１のＰＶＤチャンバ１０４において成膜されうる。ライナー層としてタンタル（Ｔａ）を堆積させる場合は、特に高アスペクト比という特徴のため、ＩＭＰ ＰＶＤプロセスが好適である。ＰＶＤで堆積した被膜はコンフォーカルではない性質があるため、バイア（開口）５０５の側壁５０５Ｓ上にある金属については、もしあっても、通常、殆どない。一般に、金属ライナー層５０６の厚さは、約５Å〜約１０００Åの範囲にあり、好ましくは約１００Åでよい。
【００４４】
図５ｃは、例えばＣＶＤ技術を用いる金属ライナー層５０６上への次のバリア層５０８の形成について示している。バリア層５０８は、適切な前駆物質を用いて堆積される、ＴｉＮ，窒化タンタル又は窒化タングステンのような金属窒化物から構成されうる。例えば、ＴｉＮからなる金属窒化物のバリア層５０８は、前駆物質としてのテトラキシジメチルアミノチタン（ＴＤＭＡＴ）からＴｘＺ或いはＨＰ ＴｘＺ ＣＶＤチャンバにおいて堆積されうる。別法として、ＴｉＮは、ＴｉＣｌ4及びＮＨ3間の反応のようなＴｉＣｌ4をベースとした反応から堆積させてもよい。
【００４５】
一実施形態において、金属窒化物のバリア層５０８は、例えば、約５Å〜約１０００Åの範囲にあり、好ましくは約６０Åである厚さｄ1まで堆積される。このように堆積した金属窒化物のバリア層５０８は、次いで、図５ｄに示すように、窒素含有プラズマ５５０に露出される。プラズマ５５０は、例えば、特にＮ2又はＮＨ3である窒素含有ガスから発生させうる。代表的なプロセス条件には、約１００〜３０００sccm、好ましくは約１００〜５００sccm、最も好ましくは約２００〜３００sccmの範囲にあるＮ2流量；約１ミリトル〜２５トル、好ましくは約１〜１０トル、最も好ましくは約１〜６トルの範囲にある圧力；及び室温〜約１０００℃の間の範囲、好ましくは約３００〜５００℃の範囲にある温度が含まれる。約１０ｗ〜約１００００ｗの範囲，好ましくは約６００〜２０００ｗの範囲，最も好ましくは７５０ｗのプラズマ電力を使用しうる。しかし、プロセス条件は、使用されるプロセス室の種々の形式に備えて改質しうる。
【００４６】
堆積したままのバリア層５０８は、中性もしくはイオン化，原子もしくは分子のような形で存在しうる異なる化学種のプラズマ５５０により改質される。特定の条件に左右されるが、プラズマ処理により、被膜密度，格子構造，被膜組成が変化することになる。従って、処理後の層５０９の厚さｄ1t(図５ｅに示す）は、堆積したままのバリア層５０８の厚さｄ1よりも薄いのが通例である。例えば、堆積したままのＴｉＮ層の厚さ６０Åは、密度を高くすると、プラズマ処理後には厚さ２０Åの層になりうる。
【００４７】
図５ｄに戻り参照すると、本発明は、バリア層５０８の全厚さｄ1だけでなくその下側にあるライナー層５０６の頂部５０６Ｔを処理する。これは、例えば、プラズマ処理時間の延長，ＲＦ電力の増大等のような異なるプロセスパラメータの組合せを用いることにより行うことができる。かかる「過度の処理」後（その結果は図５ｅに示されている）、処理後のバリア層５０９は、不完全処理の層と比較して、例えば、密度，化学組成，格子構造等のその被膜特性がより均一になる。
【００４８】
更に、金属窒化物のバリア層５０８が十分に薄いとき、即ち、プラズマ処理時間が十分に長いとき、界面５１５（堆積したままのライナー層５０６とバリア層５０８との間に形成される。図５ｄ参照。）に隣接する下側の金属ライナー層５０６の頂部もしくは外側部分５０６Ｔもプラズマにより修正もしくは改質される。このことは、プラズマ５５０からの活性化学種の幾分かがバリア層５０８を貫通し下側の金属ライナー層５０６まで達するときに起こる。プラズマ電力及び圧力条件を変えることによって、金属ライナー層５０６の側壁部分も処理もしくは改質をすることができる。かかる改質には、被膜組成又は格子構造の改質が含まれ、次にこの改質は、被膜応力，抵抗率及び密度に影響することになる。
【００４９】
例えば、図５ｅは、窒素含有プラズマによる過度の処理が残りの未処理金属ライナー層５０６上に薄い「窒化金属(nitrated metal)」層５０７を形成することになることを示している。これは、ニトロ化もしくは窒素スタッフィングとも呼ばれており、例えば、窒素がＴｉと結合するか、或いは窒素原子がＴｉ結晶粒界間に押し込まれる。プラズマによる過度の処理の後、界面５１５を横断する組成もしくは構造上の不連続性が減少すると共に、バリア／ライナースタック５３０がより低い層間ひずみを示す。
【００５０】
一般に、隣接する層５０６及び５０８間に適合するより好適な原子の格子構造は、層間ひずみを低減すると共に、層化の欠点或いは付着の問題を軽減する。例えば、ＰＶＤにより堆積した被膜（例えば、Ｔｉライナー層５０６）はより規則的になり引張応力を有する傾向があるが、一方、ＣＶＤにより堆積した層（例えば、前駆物質であるＴＤＭＡＴからのＴｉＮバリア層５０８）の中には、より非晶質もしくはアモルファスとなり圧縮応力を有する傾向がある。その後の処理中、異種材料層の熱膨張が異なるため、この層間ひずみは更に増大する。隣接する材料層の化学組成及び／又は微細構造を修正もしくは改質することによって、プラズマの過度処理の結果、バリア／ライナースタックが、強化された密着性，より強いバリアから中間層への拡散，及び次の処理中における化学的攻撃に対するより強い抵抗力のような改良された特性を有することになる。特に、バイア（開口）５０５の上角部５０５Ｃにおける被膜密着性が改善され、その結果として生ずるスタック５３０は、その後の金属堆積中や、化学機械研磨（ＣＭＰ）及び化学洗浄のような堆積後の処理中における化学的攻撃に対して影響を受けにくくなり、そして被膜はく離のような層化の欠点を最小にすることができる。
【００５１】
ＴｉＣｌ4/ＮＨ3の熱反応が金属窒化物バリア層５０８の堆積に使用される場合、堆積したままのＴｉＮ層は、１００％非晶質である代わりに、微結晶性の構造を有していてよい。その場合、プラズマ処理により、結晶粒の成長が促進されると共に、結晶方位に変化の可能性がある。更に、処理後の窒化物層も低いシート抵抗と高い被膜密度のため良好なバリア特性を示す。
【００５２】
別の実施形態において、窒素含有プラズマ５５０もまた、Ｎ2及びＨ2の混合物或いはＮＨ3から発生されるような水素を含んでいる。例えば、このようなプラズマは、ある程度の不純物を含有する金属窒化物バリア層５０８の処理に有用である。ＴｉＮ堆積のための前駆物質としてＴＤＭＡＴが使用される場合、堆積したままの金属窒化物バリア層５０８は、ある量の炭素及び水素不純物を含んでおり、時として窒化炭素チタン（ＴｉＣＮ）層と呼ばれる。堆積したままのＴｉＣＮ層が炭素及び水素不純物の双方を含むプラズマに図５ｄに示すようにさらされると、炭素及び水素不純物は窒素に置換され、これがＴｉＣＮ層５０８に導入される。プラズマからの水素は、炭素不純物と反応して揮発性炭化水素を形成し、これはＴｉＣＮ層５０８から取り除かれる。このようにして、プラズマ処理の結果、改良した微細構造のため炭素含有量が少なく且つ密度の高い純化したＴｉＮ層５０９が得られる。プラズマ中の窒素の存在に主として依存するＴｉＮ層５０９の高密度化はまた、より化学式どおりの(stoichiometric)ＴｉＮ層について一層容易に生起する。ＴｉＣｌ4/ＮＨ3反応からの堆積したままのＴｉＮ層５０８もまたプラズマ中の窒素の存在の恩恵を受けることに留意すべきである。その場合、堆積したままのＴｉＮ層５０８における塩素含有量は、水素との反応により低減させることができ、また、シート抵抗の減少も実現される。
【００５３】
Ｎ2/Ｈ2プラズマが使用される場合、Ｎ2は、約１００〜３０００ sccm，好ましくは約１００〜５００ sccm，最も好ましくは約２００〜３００ sccmの流量でチャンバに導入される。一方、Ｈ2は、約１５０〜４５００sccm，好ましくは約１５０〜７５０ sccm，最も好ましくは約３００〜４５０ sccmの流量で導入される。チャンバ圧力は、約１ミリトル〜２５トル，好ましくは約１〜１０トル，最も好ましくは約１〜約６トルの範囲に維持される。基板温度は、室温から約１０００℃，好ましくは約３００℃〜５００℃の範囲とすることができる。しかし、特定の流量及び圧力条件は使用される種々のプロセス室もしくはチャンバについて変更してよい。
【００５４】
或いは、Ｔｉ／ＴｉＮスタックの処理は、約０．１分〜１５００分の持続時間にわたり約３５０〜１１００℃の温度範囲で熱アニ−ルすることにより行ってもよい。
【００５５】
一般に、プラズマ処理の効果は、未処理層の厚さ，処理時間及びプラズマ条件によって左右される。一定のプラズマ電力及び処理時間では、堆積被膜が薄ければ薄いほど、処理の効果は大きくなる。しかし、所定の被膜厚さについては、単に処理時間を長くすることは、必ずしも、最も有効なプロセスの選択ではないかもしれない。これは、２つの異なる被膜６０１及び６０３についてのシート抵抗（Ｒｓ）対プラズマ処理時間のグラフを示す図６を参照することにより、もっと良く理解できる。通常、被膜のシート抵抗は、同被膜の厚さ及び微細構造の双方により左右される。同じ厚さを有する２つに被膜については、より規則正しい微細構造はシート抵抗をより小さくする傾向がある。一方、被膜が同じ微細構造を有する場合には、薄い方の被膜は厚い方の被膜よりも大きなシート抵抗を有することになる。図６に示すように、シート抵抗Ｒｓは、同じ微細構造を有するが厚さｘ及びｙが異なる（ｘはｙより小さい）２つの被膜６０１及び６０３についての処理時間が長くなるにつれて減少する。厚い方の被膜６０３については、処理時間ｔyは、被膜が飽和に達するのに必要な時間、即ち、そのシート抵抗がほぼ限界値Ｒｓyに等しくなる時間であり、そして処理時間がｔyを越えても、シート抵抗が更に減少することにはならない。他方、薄い方の被膜６０１（厚さｘ）を完全に処理するのに必要な処理時間ｔx、即ちそのシート抵抗の限界値Ｒｓxに達するのに必要な時間はｔyよりも短い。被膜飽和のための処理時間は被膜厚さに対して必ずしも直線的ではないので、本発明は、追加のサイクルについて堆積及び処理のステップを繰り返すことにより厚い被膜６０３を一層効率的に形成することができる方法を提供する。例えば、構成成分である薄い被膜６０１を最初に堆積させ本発明によりプラズマ処理する。その後、相対的に厚い構成部分である第２のＴｉＮ被膜を処理した被膜６０１上に堆積させて、複合被膜を形成する。第２の構成成分の被膜の完全なプラズマ処理は比較的に短時間で行うことができる。このようにして、最終所望厚さの合成被膜が好適な被膜特性を備えて製造されうる。かかる被膜特性は、単一ステップの堆積及び処理手法を使用していては容易に達成されない。
【００５６】
図７ａ〜図７ｄは、追加のサイクルについて堆積及び処理のステップを繰り返すことにより合成バリア層を形成する別の実施形態を表わしている。図７ａは、前述した第１のプラズマ処理後の基板構造７００を例示する断面図である。金属窒化物から構成される第２のバリア層７０８は、その後、図７ｂに示すように、約５〜１０００Å，好ましくは６０Åの厚さｄ2まで処理後の層７０９上に堆積される。このバリア層７０８は層５０８に対して使用されるのとは異なるプロセス条件下で堆積させうるが、同じプロセス条件を使用するのが一般的である。しかる後、堆積したままの層７０８は、図７ｃに示すように、窒素含有プラズマ７５０にあてられる。第２のプラズマ処理は、第２のバリア層７０８の全厚さｄ2と第１のバリア層５０９の少なくとも頂部５０９Ｔとを確実に完全に処理するのに足る長い時間にわたり、行われる。図７ｄは、堆積したままの層７０８と比較して化学組成及び／又は格子構造が恐らく改質されている処理後のバリア層７０９を例示している。同様に、第１のバリア層５０９の頂部５０９Ｔは、第２の処理中に更に改質され、界面層７１０と表示しうる。このようにして、第１のバリア層５０９及び第２のバリア層７０９間の構造的な連続性が改善される。処理後のバリア層７０９及び５０９から構成される複合バリア層７２０は、プラズマ処理による被膜高密度化のため、厚さｄ1及びｄ2の合計よりも一般的に薄い厚さｄfを有している。更に、堆積，リソグラフィ，エッチング，注入等の処理ステップが次いでＩＣデバイスの製造を完了するため適宜行われる。
【００５７】
図８ａ〜図８ｆは、金属窒化物の堆積前に金属層８０６がプラズマ処理される本発明の別の実施形態を例示している。図８ａは、図５ａに示したもののような基板構造５００上に堆積されたこの金属層８０６を示している。例えばＴｉ，Ｔａ又はＷである金属層８０６は、ＰＶＤチャンバにおいて金属ターゲットをスパッタリングすることで堆積させてもよいし、或いはＣＶＤ技術により形成してもよい。図８ｂは、特にＮ2又はＮＨ3のような種々のガスを含みうる窒素含有プラズマ８５０にさらされている堆積されたままの金属層８０６を示している。処理中、プラズマ８５０からの活性化学種は、垂直の側壁を含め、金属層８０６の頂部もしくは外方部分８０６Ｔを衝撃する。このプラズマ工程の後、薄い金属窒化物の層８０７（即ち、窒化金属層）が図８ｃに示すように形成される。金属層８０６のプラズマ処理は、同金属層８０６の堆積のために使用した同じチャンバ内で行うことができる。プラズマは被膜処理もしくはアニ−ルの好ましい方法であるが、金属層８０６のニトロ化を容易にするため、熱アニ−ルも使用しうる。
【００５８】
別の方法として、金属層８０６のプラズマ処理は、次の金属窒化物の堆積に使用されるチャンバ内で行ってもよい。この場合、基板を予め整えるという付加的な利点を得ることができる。一般に、被膜堆積プロセスは温度依存性であり、そして単一ウェハの処理チャンバは「第１ウェハ（first wafer)」効果を示す。即ち、このチャンバの温度は、１つのバッチにおける第１ウェハが処理されつつあるときに、安定しないことがある。このようなことで、第１ウェハ上に堆積した被膜は、その後から処理されるウェハと比較して、若干異なる厚さ、即ち均一性を有しうる。しかし、金属層８０６のプラズマ処理が後からの金属窒化物堆積で使用されるようなものと同じＣＶＤチャンバにおいて行なわれる場合、第１ウェハを含め、同一バッチにおける各ウェハは、窒化物堆積の前に処理プラズマによってほぼ同一温度に加熱される。このようにウェハを予め調整することは、堆積した金属窒化物被膜のウェハ毎の再現性を改善するのに有効である。
【００５９】
図８ｃは、窒化金属層８０７上に厚さｔ1まで堆積されている金属窒化物層８０８を例示しており、同金属窒化物層は金属層８０６と同じ耐熱性金属で構成するのが好ましい。この厚さｔ1は約５〜１０００Åの範囲、好ましくは約６０Åとしてよい。窒化金属層８０７は、層間接続体として作用すると共に、未処理の金属層８０６と窒化層８０８との間に改善された格子整合を提供する。ある場合には、例えば、金属窒化物層８０８がＴｉＣｌ4及びＮＨ3間の反応からＴｉＮ堆積されるとき、このＴｉＮ層８０８もまた、窒化金属層８０７により「シード(seed)」化されうる。即ち、窒化物層８０８は窒化金属層８０７のものと類似する好適な結晶方位を有しうる。
【００６０】
図８ｄは、本発明に従ってプラズマ処理を受けつつある堆積したままの金属窒化物層８０８を示している。プラズマ８５２は、例えばＮ2又はＮＨ3から構成される窒素含有プラズマでよい。更に、金属窒化物層８０８の全体及びその下側にある窒化金属界面層８０７の少なくとも頂部８０７Ｔは、それらの格子構造及び／又は化学組成が改質されるように処理される。プラズマ処理からの格子構造整合の強化により、バリア／ライナー特性の向上した金属窒化物／金属スタック８３０（図８ｅに図示され、改質後の窒化物層８０９と、処理後の窒化金属部分８０７Ｔと、窒化金属層８０７と、未処理の金属層８０６とから構成されている。）になる。典型的には、被膜高密度化のため、処理後の窒化物層８０９が有する厚さはｔ1よりも小さい。所望により、例えば、処理時間を延長するか及び／又はプラズマ条件を変えることにより、プラズマ処理ステップを行って、下側金属層８０６の一部（窒化金属層８０７の近く）を更に処理してもよい。
【００６１】
特定の適用例に左右されるが、メタライゼイション計画の中で、窒化物／金属スタック８３０をバリア／ライナーとして使用してもよい。或いは、もっと厚い窒化物層が望まれれば、窒化物堆積及び処理ステップを追加のサイクルで繰り返して差し支えない。これは図８ｆに示されている。図８ｆにおいて、第２の窒化物層８１０は約５〜１０００Åの範囲、好ましくは約６０Åの厚さｔ2まで堆積されている。その後、堆積されたままの窒化物層８１０は、プラズマ８５２と同じでも異なっていてもよい窒素含有プラズマ８５４にさらされる。このプラズマ８５４は、第２の窒化物層８１０の全体及びその下側にある窒化物層８０９の頂部を処理するのに用いられる。この処理ステップの主な目的は、第２の窒化物層８１０及び第１の窒化物層８０９の間に改善された界面８２５を提供することである。所望最終厚さの複合窒化物層を生成するために追加の窒化物層を堆積させプラズマ処理してもよい。
【００６２】
一般に、複合層の反復堆積及び処理により複合層を形成するプロセスは、「ＮｘＤ」プロセスと表示することができる。ここで、Ｎは、堆積−処理サイクルの数であり、Ｄは、プラズマ処理後の構成成分層の厚さである。この解決策の利点の１つは、より薄い構成成分層がコンタクトホール５０５の側壁５０５Ｓに沿って堆積した部分も含めより完全な処理を可能にするので、より均一な特性を有する複合層が得られることである。
【００６３】
ＨＰ ＴｘＺチャンバにおける「２ｘ２０」プロセス
特定の一実施形態において、約４０Åの厚さを有する複合ＴｉＮ被膜もしくは層は、ＨＰ ＴｘＺチャンバにおいて行われる「２ｘ２０」プロセスで下側のＴｉ層上に形成される。このプロセスは、厚さ２０ÅのＴｉＮを形成する２つのサイクルを含んでいる。各サイクルは２つのステップを含み、第１のステップでＴｉＮを備える約６０Åの層を堆積させ、第２のステップでこの堆積した被膜をＮ2及び水素（Ｈ2）を含むプラズマ環境に露出させる。プラズマ処理の結果、代表的には約２０Åの厚さと約１５００オーム/平方のシート抵抗とを有する高密度化した被膜が得られる。前に説明した他の実施形態と同様に、この実施形態は、コンタクト及びバイアの段階に通常適用できる。
【００６４】
表１は、ＴｉＮの堆積及び処理の代表的な２ｘ２０プロセス配合表における幾つかの重要なステップを例示している。
【００６５】
また、不活性希釈剤(dilutant)及びキャリヤガスの流量も、ステップ＃１に示された第１のバリア層の堆積前に設定される。特にＮ2，Ａｒ，Ｈｅ及びＨ2のようなガスが希釈剤ガスとして使用するのに適しており、約１３００sccmの総流量を使用しうる。ＴＤＭＡＴは、約５０℃の温度でＨｅであるキャリヤガスをＴＤＭＡＴ収容バブラー(bubbler)もしくはアンプル(ampoule)に通すことにより、チャンバ内に導入される。或いは別の方法として、ＴＤＭＡＴの液体噴射を使用してもよい。ステップ＃１の後、例えば約６０ÅのＴｉＮ層がウェハ上に堆積する。
【００６６】
堆積したままのＴｉＮ層のプラズマ処理は、それぞれ約３００sccm及び４５０sccm の流量のＮ2及びＨ2を使用して、ステップ＃２において行われる。チャンバ圧力は約１．３トルに維持され、一方、約７５０ＷのＲＦ電力がシャワーヘッドに印加される。ＴｉＮ層をＮ2/Ｈ2プラズマに約２０秒露出した後、約２０Åの最終ＴｉＮ層が得られる。プラズマ処理ステップの間に加熱された水はステップ＃３において冷却され、その間に、ＴＤＭＡＴはチャンバに供給されない。第１及び第２のＴｉＮ堆積ステップの前に水をほぼ同じ温度に維持しておくことによって、第１及び第２のＴｉＮ層の厚さ再現性を保証することができる。
【００６７】
第２のＴｉＮ層はその後、好ましくステップ＃１と同じ条件下でステップ＃４において堆積され、次いで第２のプラズマ処理ステップ＃５が行われる。ステップ＃５の後、約４０Åの最終厚さを有するＴｉＮ層がウェハ上に形成され、そしてチャンバはウェハの取り出し前に例えばＮ２である不活性ガスでパージされる。
【００６８】
本発明の種々の実施形態は、任意のコンタクト及びバイアの段階に適用可能であることに加えて、ＣＶＤのＷ，Ａｌ，Ｃｕメタライゼイション計画において金属窒化物／金属スタックの形成に一般に適用しうる。本発明の金属窒化物／金属構造を形成する際、金属層は、特にシリコン，熱酸化物（thermal oxide)及びセラミックスを含め多種の異なる基板上に当該技術における通常の手段で形成されうる。更に、本発明のプロセスは、種々の材料からなる下側及び相互接続層の異なる組合せを有するパターン化された種々の基板に関して行うことができる。
【００６９】
当該技術における習熟した当業者は、本発明のプロセスの基本的性質及び所望の被膜特性を保持しながら、プロセスパラメータ又は設備の選択を変える必要を理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプロセスを遂行するのに適する多重チャンバ装置の概略平面図である。
【図２】本発明のプロセスを遂行するのに適する化学気相堆積チャンバの概略断面図である。
【図３】本発明のプロセスを遂行するためパージ能力を備えた化学気相堆積チャンバの概略断面図である。
【図４】図３のチャンバ内にあるペデスタル周りの拡大部分断面図である。
【図５ａ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｂ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｃ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｄ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図５ｅ】本発明の一実施形態による処理の各段階にある基板構造の概略部分断面図である。
【図６】異なる材料層についてのプラズマ処理時間の関数としてのシート抵抗の線図を表わしている。
【図７ａ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図７ｂ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図７ｃ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図７ｄ】本発明の別の実施形態による複合金属窒化物／金属スタックの形成について説明する基板の概略部分断面図である。
【図８ａ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｂ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｃ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｄ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｅ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図８ｆ】本発明の別の実施形態を例示する基板構造の概略部分断面図である。
【図９】本発明のプロセスを遂行するのに使用されるコンピュータプログラムの階層制御構造を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
１０２ ＣＶＤチャンバ（基板処理チャンバ）
１０４ ＰＶＤチャンバ（基板処理チャンバ）
１１８ 制御ソフトウエア
２００ ＴｘＺチャンバ（基板処理チャンバ）
２９０ 基板
３００ ＴｘＺチャンバ（基板処理チャンバ）
３９０ 基板
５０２ 基板
５０６ 金属のライナー層
５０６Ｔ ライナー層の頂部
５０７ 窒化金属層
５０８ 金属窒化物のバリア層
５０９ 処理後のバリア層
５０９Ｔ 処理後のバリア層の頂部
５１５ 界面
５５０ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
７０８ 第２のバリア層
７５０ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
８０６ 金属層
８０６Ｔ 金属層の頂部
８０７ 金属窒化物の層
８１０ 第２の窒化物層
８２５ 界面
８５０ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
８５２ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
８５４ 窒素含有プラズマ（窒素含有環境）
Claims (16)
- 基板を処理する方法であって、
（ａ）金属層上に窒化物層を堆積させて前記窒化物層及び前記金属層間に界面を形成するステップと、
（ｂ）窒素含有環境を提供するステップと、
（ｃ）前記窒化物層を前記窒素含有環境に露出することにより前記窒化物層と前記界面の下方にある前記金属層の一部とを改質するステップであって、前記金属層はチタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）又はそれらの組み合わせを含み、前記窒化物層は窒化チタン，窒化タンタル、窒化タングステン又はそれらの組み合わせを含み、前記改質は被膜密度、格子構造又は被膜組成の変化を含む、ステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）の後、前記改質後の窒化物層上に窒化物層を堆積して窒化物間の界面を形成するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）における前記堆積した窒化物層と前記ステップ（ｃ）からの前記改質された窒化物層の一部とを、前記堆積した窒化物層を窒素含有環境に露出することにより改質するステップと、を含み、
前記改質ステップ（ｅ）は、前記ステップ（ｄ）による前記窒化物間の界面全域における微細構造の不整合を減少させることを含む、方法。 - 基板を処理する方法であって、
（ａ）金属層上に窒化物層を堆積させて前記窒化物層及び前記金属層間に界面を形成するステップと、
（ｂ）窒素含有プラズマを提供するステップと、
（ｃ）前記窒化物層を前記窒素含有プラズマに露出することにより、前記窒化物層と前記界面の下方にある前記金属層の一部とを改質するステップであって、前記金属層はチタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）又はそれらの組み合わせを含み、前記窒化物層は窒化チタン，窒化タンタル、窒化タングステン又はそれらの組み合わせを含み、前記改質は被膜密度、格子構造又は被膜組成の変化を含む、ステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）の後、前記改質後の窒化物層上に窒化物層を堆積して窒化物−窒化物間の界面を形成するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）における前記堆積した窒化物層と前記ステップ（ｃ）からの前記改質された窒化物層の一部とを、前記堆積した窒化物層を窒素含有プラズマに露出することにより改質するステップと、を含み、
前記改質ステップ（ｅ）は、前記ステップ（ｄ）による前記窒化物間の界面全域における微細構造の不整合を減少させることを含む、方法。 - 基板を処理する方法であって、
（ａ）金属層上に第１の窒化物層を堆積させて前記第１の窒化物層及び前記金属層間に第１の界面を形成するステップであって、前記金属層はチタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）又はそれらの組み合わせを含み、前記第１の窒化物層は窒化チタン，窒化タンタル、窒化タングステン又はそれらの組み合わせを含む、ステップと、
（ｂ）第１の窒素含有環境を提供するステップと、
（ｃ）前記第１の窒化物層を前記第１の窒素含有環境に露出することにより前記ステップ（ａ）の前記第１の窒化物層と前記ステップ（ａ）の前記金属層の一部とを改質し、窒素が前記第１の界面近傍にある前記金属層の前記一部に補給されるステップであって、前記改質は被膜密度、格子構造又は被膜組成の変化を含む、ステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）の後、前記第１の窒化物層上に第２の窒化物層を堆積させて、前記第１の窒化物層及び前記第２の窒化物層間に第２の界面を形成するステップであって、前記第２の窒化物層は窒化チタン，窒化タンタル、窒化タングステン又はそれらの組み合わせを含む、ステップと、
（ｅ）第２の窒素含有環境を提供するステップと、
（ｆ）前記第２の窒化物層を前記第２の窒素含有環境に露出することにより前記第２の窒化物層と前記第２の界面近傍にある前記第１の窒化物層の一部とを改質するステップであって、前記改質は被膜密度、格子構造又は被膜組成の変化を含む、ステップと、
を含む基板処理の方法。 - 前記改質ステップ（ｃ）は、前記金属層及び前記第１の窒化物層間の前記第１の界面全域における微細構造の不整合を減少させることを含む、請求項３に記載の方法。
- 前記ステップ（ａ）の前記第１の窒化物層は炭素又は塩素を更に含み、前記改質ステップ（ｃ）は前記第１の窒化物層から炭素又は塩素を減少させることを含む、請求項３に記載の方法。
- 前記ステップ（ａ）の前記金属層はＴｉ，Ｔａ又はＷを含み、前記第１の窒化物層はＴｉＮ，ＴａＮ又はＷＮを含む、請求項３に記載の方法。
- 前記第１の窒素含有環境及び前記第２の窒素含有環境は水素を更に含む、請求項３に記載の方法。
- 前記改質ステップ（ｆ）は、前記第１の窒化物層及び前記第２の窒化物層間に形成される前記第２の界面全域における微細構造の不整合を減少させることを含む、請求項３に記載の方法。
- 前記第１の窒素含有環境は第１のプラズマであり、前記第２の窒素含有環境は第２のプラズマである、請求項３に記載の方法。
- 基板を処理する方法であって、
（ａ）基板上に金属層を形成するステップであって、前記金属層はチタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）又はそれらの組み合わせを含む、ステップと、
（ｂ）前記金属層の頂部から窒化金属層を形成するため前記金属層を第１の窒素含有環境に露出するステップと、
（ｃ）前記窒化金属層上に窒化物層を堆積させて前記窒化物層及び前記窒化金属層間に界面を形成するステップであって、前記窒化物層は窒化チタン，窒化タンタル、窒化タングステン又はそれらの組み合わせを含む、ステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）の前記窒化物層を第２の窒素含有環境に露出することにより前記窒化物層と前記第１の界面近傍にある前記窒化金属層の一部とを改質するステップであって、前記改質は被膜密度、格子構造又は被膜組成の変化を含む、ステップと、
を含む基板処理の方法。 - 更に、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）の後、改質した後の前記窒化物層上に窒化物層を堆積して窒化物間の界面を形成するステップと、
（ｆ）窒素含有プラズマを形成するステップと、
（ｇ）前記窒化物間の界面を、前記ステップ（ｅ）の前記堆積した窒化物層を前記ステップ（ｆ）の前記窒素含有プラズマに露出することにより改質するステップと、
を含む、請求項１０に記載の方法。 - 前記改質ステップ（ｇ）は、前記窒化物間の界面全域における微細構造の不整合を減少させることを含む、請求項１１に記載の方法。
- ソフトウエアルーチンを含むコンピュータ読取り可能媒体であって、前記ソフトウエアルーチンが実行されるときに、汎用コンピュータにより基板処理チャンバを制御する際に、
（ａ）金属層上に第１の窒化物層を堆積させて前記第１の窒化物層及び前記金属層間に第１の界面を形成するステップであって、前記金属層はチタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）又はそれらの組み合わせを含み、前記第１の窒化物層は窒化チタン，窒化タンタル、窒化タングステン又はそれらの組み合わせを含む、ステップと、
（ｂ）第１の窒素含有環境を提供するステップと、
（ｃ）前記第１の窒化物層を前記第１の窒素含有環境に露出することにより前記ステップ（ａ）の前記第１の窒化物層と前記ステップ（ａ）の前記金属層の一部とを改質し、窒素が前記第１の界面近傍にある前記金属層の前記一部に補給されるステップであって、前記改質は被膜密度、格子構造又は被膜組成の変化を含む、ステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）の後、前記第１の窒化物層上に第２の窒化物層を堆積させて、前記第１の窒化物層及び前記第２の窒化物層間に第２の界面を形成するステップであって、前記第２の窒化物層は窒化チタン，窒化タンタル、窒化タングステン又はそれらの組み合わせを含む、ステップと、
（ｅ）第２の窒素含有環境を提供するステップと、
（ｆ）前記第２の窒化物層を前記第２の窒素含有環境に露出することにより前記第２の窒化物層と前記第２の界面近傍にある前記第１の窒化物層の一部とを改質するステップであって、前記改質は被膜密度、格子構造又は被膜組成の変化を含む、ステップと、
を含む方法を使用する、コンピュータ読取り可能媒体。 - 前記ステップ（ａ）の前記第１の窒化物層は炭素又は塩素を更に含み、前記改質ステップ（ｃ）は前記第１の窒化物層から炭素又は塩素を減少させることを含む、請求項１３に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
- 前記方法の前記改質ステップ（ｃ）及び（ｆ）は、前記第１及び第２の界面全域における微細構造不整合を減少させることを含む、請求項１３に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
- 前記ステップ（ａ）の前記金属層はチタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ）又はタングステン（Ｗ）を含み、前記ステップ（ａ）の前記第１の窒化物層は前記金属層と同じ金属の窒化金属を含む、請求項１３に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
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