JP5048602B2 - 一連の堆積技術を用いる耐火性金属層を堆積する方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００１年１０月１０日に出願された、”Method and Apparatus for Depositing Refractory Metal LayersEmploying Sequential Deposition Techniques”という名称の、係属中の米国特許出願第６０／３２８４５１号に関連し、この米国出願は、本願に参考として組み込まれる。
開示内容の背景
技術分野
本発明の実施形態は、半導体基板の処理に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、半導体基板上の耐火性金属層の堆積に関する。
背景技術
半導体処理産業は、より広い表面領域を有する基板上に堆積された層の均一性を高めつつ、大きい生産性歩留まりを得ようと努力し続けている。新しい材料との組合せにおいて、これらの同一ファクタは、また、基板単位面積当たりの回路の高集積を提供する。回路集積化が高まると、より高い均一性と、層の厚さに関するプロセス制御の必要性が増大する。その結果、層の特性にわたる制御を維持しつつ、費用効果的方法で基板上に層を堆積する為に様々な技術が開発されてきた。
化学気相堆積（ＣＶＤ）は、基板上に層を堆積する為に使われる、最も一般的な堆積処理の一つである。ＣＶＤは、均一な厚さの所望の層を生産する為に、基板温度と、処理チャンバ内に導入される前駆体の正確な制御を必要とする、磁束依存の堆積技術である。基板の大きさが増大し、十分な均一性を維持する為にチャンバ設計およびガス流量技術に複雑性を必要とするにつれて、これらの要求は、より重要になる。
ＣＶＤと比較して、優れたステップカバレージを示すＣＶＤ変形例は、周期的堆積である。周期的堆積は、原子層配向成長（ＡＬＥ）に基づき、化学吸着を使用し、基板表面上に反応性前駆体分子の飽和単一層を堆積する。これは、適切な反応性前駆体を交互に堆積チャンバに律動的に送ることにより達成される。反応性前駆体の各投入は、不活性ガスのパージにより分離され、基板上に均一層を形成する為に、以前に堆積された層に新たな原子層添加剤を提供する。周期は、所望の厚さまで層を形成する為に繰り返される。
十分なステップカバレージを提供しつつ、高堆積速度での被膜層の形成は、他方を得る為に一方を犠牲にすることを必要とする、相反する特性である。この相反性は、誘電層により分離された隣接した金属層を相互に接続するコンタクトを形成する間、隙間やバイアを覆う為に耐火性金属層が堆積されるとき、特に正しい。歴史的に、ＣＶＤ技術は、経済的かつ迅速にコンタクトを形成する為に、耐火性金属のような導電材を堆積する為に使用されてきた。半導体回路の集積度が増加するため、タングステンが、優れたステップカバレージに基づき使用されてきた。その結果、ＣＶＤ技術を使用するタングステンの堆積は、処理の高スループットのため、半導体処理においては広い適用を得ている。
しかし、伝統的なＣＶＤ法によるタングステンの堆積は、幾つかの不利益を伴う。例えば、半導体ウエハ上のタングステン層の包括的堆積は、４００℃以下の温度では時間の浪費である。タングステンの堆積速度は、堆積温度を（例えば、約５００℃から約５５０℃に）増加することにより改善可能である。しかし、この高い範囲内の温度は、形成される集積回路の下部の、構造的かつ動作的保全性を危うくする。タングステンの使用は、生産処理中のフォトリソグラフィステップを挫折させたが、これは、シリコン基板の耐火性の２０％以下の耐火性を有する、比較的粗い表面が生じるからである。さらに、タングステンは、均一に堆積するのが難しいことが見いだされた。貧弱な表面均一性は、通常、膜の抵抗を増加する。
そのため、周期的堆積技術を使用し良好な均一性を持つ導電層を堆積する改善技術が必要である。
発明の開示内容
本発明の実施形態は、基板表面上にタングステン層を形成する為の改善された方法を含む。一態様において、その方法は、処理チャンバ内に基板表面を位置決めするステップと、基板表面をホウ化物に晒すステップと、交互にタングステン含有化合物と、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＣｌ２Ｈ２）、その誘導体、更に、これらの組合せから成る群から選択された還元性ガスを律動的に送ることにより、核形成層を同一の処理チャンバ内で堆積するステップと、を含む。
他の態様において、その方法は、基板表面をホウ化物に晒すステップと、タングステン含有化合物とシランガスを交互に律動的に送ることにより、同一処理チャンバ内で核形成層を堆積するステップと、核形成層上にバルクタングステン堆積膜を形成するステップと、を含む。
また他の態様において、方法は、基板表面をホウ化物に晒すステップと、タングステン含有化合物とシランガスを交互に律動的に送ることにより、核形成層を堆積するステップと、核形成層上にバルクタングステン堆積膜を形成するステップと、を含む。バルクタングステン堆積膜は、周期的堆積、化学的気相堆積、又は、物理的気相堆積技術を使用して堆積可能である。
発明の詳細な説明
本発明の上記特徴が詳細に理解できる方法で、簡単に要約された本発明の、より具体的な説明は、実施形態を参照してもよく、その一部は、添付図面に示されている。しかし、添付図面は、本発明の典型的な実施形態だけを例示するにすぎず、よって、その範囲の限定に考慮されるべきではない。というのも、本発明は、他の同等の有効な実施形態をも許容するからである。
本発明の実施形態は、タングステン膜を堆積する為の改善されたプロセスを提供する。このプロセスは、周期的堆積技術を利用し、著しく改善された表面均一性と、著しく高められた生産処理能力を有するタングステン膜を提供する。一態様において、プロセスは、下にある基板表面を活性化する為にタングステン堆積の前にホウ化物ソーキングを含む。好ましくは、下にある表面は、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）に晒されるが、どんなボランも、その誘導体も同様の効果を達成すると考えられている。一般的に、ホウ化物ソーキングは、原位置で約５秒から約３０秒間、後のタングステン周期的堆積処理と同様の処理条件で生じ、それによって、生産処理能力は著しく高められる。
本願で使用されるように、「基板表面」は膜処理が実行される全ての基板表面を指す。例えば、基板表面は、適用例に依存するが、シリコン、シリコン酸化物、ドープされたシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、ガラス、サファイア、金属、金属窒化物、金属合金、他の導電性材料のような他の材料を含んでもよい。基板表面は、二酸化珪素、カーボンがドープされた二酸化珪素のような誘電材料を含んでもよい。
本願で使用されるように、「周期的堆積」は、基板表面上に単層の材料を堆積する為に２以上の反応性化合物を連続で導入することを指す。２以上の反応性化合物は、処理チャンバの反応領域に交互に導入される。各反応性化合物は、一定の時間遅れで分離され、各化合物を基板表面上で付着及び／又は反応させる。一態様において、第１前駆体又は化合物Ａは、第１時間遅れで反応領域に律動的に送られる。次に、第２前駆体又は化合物Ｂが、第２時間遅れで反応領域に律動的に送られる。各時間遅れ中、アルゴンのような不活性ガスが処理チャンバ内に導入され、反応領域を一掃するか、別の方法で、残留反応性化合物を反応領域から除去する。代替え的に、パージガスは、堆積処理を通じて連続的に流され、パージガスだけが、反応性化合物の律動間の時間遅れ中に流れてもよい。反応性化合物は、基板表面に所望の膜あるいは膜厚が形成されるまで、交互に律動的に送られる。
図１は、本発明の一実施形態に従った、改善されたタングステン膜を形成する為の処理シーケンス１００の例を示す。処理される基板は、最初に、周期的堆積を実行することができる処理チャンバ内にロードされ、処理条件が調整される（ステップ１１０）。その後、基板は、１以上のホウ化物又はその誘導体（ジボラン）に、約５秒から約３０秒間晒される（ステップ１２０）。ステップ１３０では、適当なキャリアガスを伴うタングステン含有化合物の適用量が処理チャンバ内に導入される。その後、不活性ガスの適用量が、処理チャンバ内に導入され（ステップ１４０）、残留しているタングステン含有化合物を一掃するか別の方法で除去する。次に、適当なキャリアガスを伴った還元性化合物の適用量が処理チャンバ内に導入される（ステップ１５０）。還元性化合物は、ホウ化物ソーキングステップ（ステップ１２０）用に使用されたガスと同一化合物でもよいが、代替え的に、還元性ガスは、生産処理能力の要求、デバイス用途に依存するが、別の化合物でもよい。不活性ガスの適用量は、その後、処理チャンバ内に導入され（ステップ１６０）、残留している還元性化合物を一掃するか、別の方法で除去する。
適当なキャリアガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、これらの組合せである。通常、ホウ化物は、キャリアガスとしてアルゴンを利用し、還元性化合物はキャリアガスとして水素を使用する。有用なパージガスは、アルゴン、ヘリウム、これらの組合せを含む。
本願で使用されているように、「適用量（pulse）」は、処理チャンバの反応領域内に間欠的に或いは不連続的に導入される一定量の特定化合物を指す。各適用量（pulse）における一定量の特定化合物は、適用量の継続期間に依存し、時間にわたって変化する。各適用量（pulse）の継続期間は、ファクターの数、例えば、使用される処理チャンバの容積、それに結合された真空システム、特定化合物の揮発性／反応性に依存して変化する。
ステップ１７０では、各堆積サイクル（ステップ１３０からステップ１６０）の後、特定の厚さを有するタングステンの核形成層が基板表面上に堆積される。普通、各堆積サイクルは、７オングストロームから８オングストロームの材料層を形成する。特定の装置要求に依存するが、連続した堆積サイクルは、所望の厚さを有するタングステン核形成層を堆積するのに必要かもしれない。このように、所望の厚さのタングステン膜が達成されるまで、堆積サイクル（ステップ１３０からステップ１６０）を繰り返すことができる。その後、ステップ１８０で表示されるように、所望の厚さが達成されると、処理は停止される。
適したタングステン含有化合物は、数ある中で、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）、タングステンヘキサカルボニル（Ｗ（ＣＯ）６）、更に、その組合せを含む。適した還元性化合物は、例えば、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＣｌ２Ｈ２）、ボラン（ＢＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、トリボラン（Ｂ３Ｈ９）、テトラボラン（Ｂ４Ｈ１２）、ペンタボラン（Ｂ５Ｈ１５）、ヘキサボラン（Ｂ６Ｈ１８）、ヘプタボラン（Ｂ７Ｈ２１）、オクタボラン（Ｂ８Ｈ２４）、ナノボラン（Ｂ９Ｈ２７）、デカボラン（Ｂ１０Ｈ３０）、更に、これらの組合せを含む。
図１の周期的堆積処理は、通常、約１トルから約９０トルの圧力で、約２００℃から約４００℃の温度で生じる。ホウ化物ソーキングステップ（ステップ１２０）は、通常、約１トル、約３５０℃で、約１０秒から約１分間、実行される。一態様において、ジボランは水素と共に導入され、それぞれが約３００ｓｃｃｍから約２０００ｓｃｃｍの流量を有する。ジボランと水素ガスは、１：１の体積比で導入されるのが好ましい。ステップ１３０において、タングステン含有化合物は、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）であるのが好ましく、約５ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍのレートで、約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍのアルゴンと共に導入される。ステップ１５０において、還元性化合物は、ジボラン又はシランであるのが好ましく、約５ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍのレートで、約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの水素と共に導入される。不活性ガス（好ましくはアルゴン）の適用量（pulse）は、ステップ１４０、１６０で、通常、約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍのレートで導入される。各処理ステップ（ステップ１２０からステップ１６０）は、約３０秒間続く。
図２は、上述された実施形態に従って、タングステン層を堆積する為に使用される処理チャンバ１６の例の、概略の部分的横断面図を示す。このような処理チャンバ１６は、カリフォルニア州サンタクララ市に所在するアプライドマテリアルズ社から利用可能であり、簡単な説明が続く。より詳細な説明は、２００１年１２月１２日に出願された”Lid Assembly For A Processing System To Facilitate SequentialDeposition Techniques”という名称の、共通に譲渡された米国特許出願第１０／０１６３００号で見つけられるが、この内容は本願に参考のため組み込まれる。
図２を参照すると、処理チャンバ１６は、チャンバ本体１４，ガス分配用リッドアセンブリ２０、熱制御型基板支持部材４６を含む。熱制御型基板支持部材４６は、支持軸４８Ａに連結されたウエハ支持用ペデスタル４８を含む。熱制御型基板支持部材４６は、チャンバ本体１４内で垂直に移動され、支持用ペデスタル４８とリッドアセンブリ２０との間の距離は制御可能である。支持用ペデスタル４８の為の昇降機構の一例は、”Self-Aligning Lift Mechanism”という名称で、Selyutin等に１９９９年９月１４日に発行された、米国特許第５９５１７７６号に詳細に説明されており、この開示内容の全てが参考として本願に組み込まれる。
支持用ペデスタル４８は、その温度をモニタする為に使用可能な埋め込み型熱電対５０Ａを含む。例えば、熱電対５０Ａからの信号は、フィードバックループ内で使用可能であり、加熱素子５２Ａに対する電源５２により印加される電力を制御する。加熱素子５２Ａは、抵抗加熱素子、または、温度を制御する為に利用されるペデスタル４８の内部に配置あるいは接触して配置された他の熱伝達装置でもよい。オプションとして、支持用ペデスタル４８は、熱伝達用流体（図示せず）を使用して加熱されてもよい。
支持用ペデスタル４８は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３又はアルミナ）を含む処理−互換材料から形成可能であり、また、真空を用いて上部に基板４９を保持するように構成可能、すなわち、支持用ペデスタル４８は真空チャックでもよい。真空チャックを使用すると、支持用ペデスタル４８は、複数の真空ホール（図示せず）を含み、真空ホールは、支持用シャフト４８Ａを介して真空源と流体連通して配置される。
チャンバ本体１４は、ライナアセンブリ５４を含み、ライナアセンブリ５４は、円筒部分と平坦部分を有する。円筒部分と平坦部分は、アルミナ、セラミック等のような適した材料から形成可能である。円筒部分は、支持用ペデスタル４８を囲む。円筒部分は、また、ハウジング１４の側壁１４Ｂ内に配置されたスリットバルブ開口４４に整列するアパーチャ６０を含み、基板のチャンバ１６からの出し入れを許容する。
ライナアセンブリ５４の平坦部分は、側方に円筒部分まで伸び、チャンバ本体１４のチャンバ底１４Ａに対して配置されている。ライナアセンブリ５４は、ライナアセンブリ５４の円筒部分及び平坦部分の両方とチャンバ本体１４との間にチャンバチャネル５８を画成する。特に、チャネル５８の第１部分は、ライナアセンブリ５４の平坦部分とチャンバ底１４Ａとの間で画成されている。チャネル５８の第２部分は、チャンバ本体１４の側壁１４Ｂとライナアセンブリ５４の円筒部分との間で画成されている。パージガスは、チャネル５８内に導入され、チャンバ壁に対する不要堆積を最小にし、チャンバ壁とライナアセンブリ５４との間の熱伝達のレートを制御する。
チャンバ本体１４は、また、その側壁１４Ｂに沿って配置されたポンピングチャネル６２を含む。ポンピングチャネル６２は、複数のアパーチャを含み、その一つが第１アパーチャ６２Ａとして示されている。ポンピングチャネル６２は、導管６６によりポンプシステム１８に結合されている第２アパーチャ６２Ｂを含む。スロットルバルブ１８Ａは、ポンピングチャネル６２とポンプシステム１８との間に結合されている。ポンピングチャネル６２、スロットルバルブ１８Ａ、ポンプシステム１８は、処理チャンバ１６からのガス流の量を制御する。チャンバ１６と連通しているアパーチャ６２Ａの大きさ、数、位置は、上部に基板が配置された支持用ペデスタル４８の上方でリッドアセンブリ２０を出るガスの均一な流れを達成するように構成される。
リッドアセンブリは、リッドプレート２０Ａを含み、リッドプレート２０Ａは、上部にガスマニホールド３４が取り付けられている。リッドプレート２０Ａは、閉鎖位置のとき、チャンバ本体１４の上部に流体密シールを提供する。ガスマニホールド３４は、（一つしか示されていないが）複数の制御バルブ３２を含み、約１秒未満のバルブ開閉サイクルで急速かつ高精度のガス流を提供するが、一実施形態では約０．１秒未満である。バルブ３２は、表面が取り付けられた、電子制御された、バルブである。利用可能なバルブの一つは、部品番号ＦＲ−２１−６．３５ ＵＧＦ−ＡＰＤとして、日本のフジキンから入手可能である。実質的に同一速度、精度で動作する他のバルブも使用可能である。
リッドアセンブリ２０は、複数のガス源６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃを含み、各々は、一連の導管（図示せず）を介してバルブ３２の一つと流体連通しており、一連の導管は、チャンバ本体１４，リッドアセンブリ２０、ガスマニホールド３４を介して形成されている。
処理チャンバ１６は、更に反応領域７５を含み、反応領域７５は、リッドアセンブリ２０が閉鎖位置のとき、チャンバ本体１４内に形成される。一般的に、反応領域７５は、内部に配置されたウエハ１０２と流体連通している。そのため、反応領域７５は、リッドアセンブリ２０内の各バルブ３２の下流側容積、支持用ペデスタル４８とリッドプレート２０の下面との間の容積を含む。より具体的には、反応領域７５は、各バルブ３２の出口と基板４９の上面との間の容積を含む。
コントローラ７０は、処理チャンバ１６の様々な構成部品の動作を調節する。コントローラ７０は、ＲＡＭ７４、ハードディスクドライブ７６のようなメモリとデータ通信状態にあるプロセッサを含み、少なくともポンプシステム１８、電源５２、バルブ３２と連通状態にある。
ソフトウェアルーチンは、処理レシピやシーケンスを始める為に実行される。ソフトウェアルーチンは、実行されるとき、汎用コンピュータを、チャンバ処理が実行されるようにチャンバ動作を制御する特別処理用コンピュータに変化させる。例えば、ソフトウェアルーチンは、本発明に従って、処理シーケンスの実行の為に電子制御バルブの駆動を精度良く制御する為に使用可能である。代替え的に、ソフトウェアルーチンは、集積回路専用アプリケーションとしてハードウェアで、或いは、他のタイプのハードウェア機能、または、ソフトウェア及びハードウェアの組合せで、実行可能である。

処理の統合

前述されたようなタングステン核形成層は、優れた膜特性で特徴部を形成する為に伝統的なバルク充填技術を用いて統合されたとき、特別な有用性を示した。統合スキームは、バルク充填化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）処理を用いた周期的堆積核形成を含んでもよい。そのような統合スキームを実行できる統合処理システムは、Endula SL（登録商標）、Centura（登録商標）、Producer（登録商標）処理システムを含み、各々はカリフォルニア州サンタクララ市に所在するアプライドマテリアルズ社から利用可能である。これらの、どのシステムでも、核形成層を堆積する為に少なくとも一つの周期的堆積チャンバ、バルク充填の為に少なくとも一つのＣＶＤチャンバ又はＰＶＤチャンバを含むように構成可能である。
図３は、マルチチャンバ処理システム３００の一例の概略平面図である。同様のマルチチャンバ処理システムは、１９９３年２月１６日に発行された”Stage Vacuum Wafer Processing System and Method”という名称の、米国特許第５１８６７１８号に開示され、これは、本願に参考として組み込まれる。システム３００は、一般的に、基板をシステム３００の内外に移動する為にロードロックチャンバ３０２、３０４を含む。通常、システム３００が真空下にあるので、ロードロックチャンバ３０２、３０４は、システム３００に導入される基板を「ポンプダウン」可能である。第１ロボット３１０は、基板をロードロックチャンバ３０２、３０４と１以上の基板処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８（４つが図示）の第１組との間で移送可能である。各処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８は、周期的層堆積、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、エッチング、予備洗浄、脱ガス、オリエンテーション、他の基板処理のような多くの基板処理動作を実行するように必要な装備を施すことができる。第１ロボット３１０は、また、基板を１以上の移送チャンバ３２２、３２４に／から移送する。
移送チャンバ３２２、３２４は、超高真空条件を維持しつつ、システム３００内で基板を移送させる。第２ロボット３３０は、基板を移送チャンバ３２２、３２４と、１以上の処理チャンバ３３２、３３４、３３６、３３８の第２組との間で移送可能である。処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８と同様に、処理チャンバ３３２、３３４、３３６、３３８は、例えば、周期的堆積、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、エッチング、予備洗浄、脱ガス、オリエンテーションのような様々な基板処理動作を実行するように必要な装備を施すことができる。処理チャンバ３１２、３１４、３１６、３１８、３３２、３３４、３３６、３３８のいずれも、当該システム３００により実行される特定処理に必要でなければ、システム３００から取り外すことができる。
一つのアレンジメントにおいて、各処理チャンバ３３２、３３８は、周期的堆積チャンバであって、核形成層を堆積する為に適合されたものでもよく、各処理チャンバ３３４、３３６は、周期的堆積用チャンバ、化学的気相堆積用チャンバ、又は、物理的気相堆積用チャンバであって、バルク充填材堆積層を形成するように適合されたものでもよく、各処理チャンバ３１２，３１４は、物理的気相堆積用チャンバ、化学的気相堆積用チャンバ、または周期的堆積チャンバであって、誘電層を堆積するように適合されたものでもよく、各処理チャンバ３１６、３１８は、相互接続特徴部の為のアパーチャ又は開口をエッチングする為に必要な装備を施されたエッチング用チャンバでもよい。システム３００の、この特別なアレンジメントは、本発明を例示する為に提供されており、本発明の範囲を限定する為に使用されるものではない。
他の統合システムは、バルク充填材堆積と核形成堆積を単一チャンバ内に含んでもよい。周期的堆積モードと従来のＣＶＤモードの両方で動作するように構成されたチャンバが使用可能である。そのようなチャンバの一例は、２００１年１２月１２日に出願された米国特許出願第１０／０１６３００号に説明されており、これは、本願に参考として組み込まれている。
他の統合スキームにおいて、１以上の周期的堆積核形成用チャンバが第１処理システムに統合され、１以上のバルク層堆積用チャンバが第２処理システムに統合されている。この構成において、基板は、最初に第１処理システムで処理され、ここで、核形成層が基板上に堆積される。その後、基板は第２処理システムに移送され、ここで、バルク堆積が生じる。
代替え的に、複数のステーションを単一チャンバ内に有するカルーゼル型バッチ処理システムを適合可能であり、核形成とバルク層堆積を単一処理システムに統合する。このような処理システムにおいて、アルゴンガスカーテンのようなパージガスカーテンが、各ステーションでマイクロ又はミニ環境を作る各ステーションの間で、設定可能である。基板は、システムに順次ロードされ、その後、各ステーションを介して回転され、各ステーションで少なくとも一部で処理される。例えば、基板は、第１ステーションで周期的堆積核形成ステップ、その後、後のステーションの各々で部分的なバルク充填用ＣＶＤステップに晒される。代替え的に、核形成は、２以上のステーションで生じ、バルク充填は、１以上のステーションで生じてもよい。また更に、核形成層とバルク層は、別個のカルーゼル型システムで堆積されてもよい。核プラテンは、温度制御され、各ステーションで少なくとも幾つかの処理制御を提供する。しかし、処理圧力は、通常、ステーション間で同一のままであり、これは、ステーションが単一チャンバ内に収容されているからである。不活性ガスカーテンのため、各ステーションで存在するミクロ又はミニ環境において、ある程度の圧力制御は利用可能である。
統合スキームに拘わらず、核形成層は、通常、約１０オングストロームから約２００オングストロームの範囲の厚さまで堆積され、バルク充填材は、約１０００オングストロームから約１００００オングストロームの間の厚さを有する。しかし、これらの膜の厚さは、所定適用例における特徴部の大きさやアスペクト比に依存して変更可能である。したがって、膜は、所定の適用例の幾何学的形状に適合する適切な大きさになっている。以下は、本願で説明された実施形態に従って堆積された核形成層から利益を得ることができる幾つかの例示的な幾何学的形状、適用例である。以下の説明は、例示する為であり、本発明の使用を限定する意図はない。
タングステン金属ゲート
図４は、本願で説明された実施形態に従って堆積された核形成層を利用する例示的な金属酸化物ゲート装置４００の横断面図を示す。装置４００は、一般的に、スペーサ４１６により囲まれた、晒されたゲート４１０、基板表面４１２内に形成されたシリコンソース／ドレイン領域４２０を含む。スペーサ４１６は、通常、二酸化珪素のような酸化物、または、窒化ケイ素のような窒化物を含む。
金属ゲート４１０は、酸化物層４１１、ポリシリコン層４１４、窒化チタンバリア層４１５、タングステン層４２２を含む。酸化物層４１１は、ポリシリコン層４１４から基板４１２を分離する。酸化物層４１１とポリシリコン層４１４は、従来の堆積技術を用いて堆積される。
窒化チタンバリア層４１５は、ポリシリコン層４１４上に堆積される。窒化チタンバリア層４１５は、ＰＶＤチタン層を堆積し、その後、ＣＶＤ窒化チタン層を堆積することにより形成された二層スタックであってもよい。チタンバリア層４１５は、また、周期的堆積技術を用いて堆積されてもよく、そのような処理は、”Chamber Hardware Design for Titanium Nitride Atomic LayerDeposition”という名称で、２００１年１２月２１日に出願された係属中の米国特許出願第１０／０３２２９３号に示され、説明され、これは、本願に参考として組み込まれる。
核形成層４１７は、その後、周期的にバリア層４１５上に堆積されるが、その前に前述したようにジボランソーキング処理で基板表面の処置がある。一態様によると、核形成層４１７は、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）とジボラン（Ｂ２Ｈ６）を交互に律動的に送るステップを使用して周期的に堆積される。タングステン六フッ化物（ＷＦ６）は、約１０ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍのレート（例えば、約２０ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍ）で約３０秒間、律動的に送られる。キャリアガス（例えば、アルゴン）は、タングステン六フッ化物と共に、約２５０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍのレート（例えば、約５００ｓｃｃｍから約７５０ｓｃｃｍ）で提供される。ジボラン（Ｂ２Ｈ６）は、約５ｓｃｃｍから約１５０ｓｃｃｍのレート（例えば、約５ｓｃｃｍから約２５ｓｃｃｍ）で、約３０秒間、律動的に送られる。キャリアガス（例えば、水素）は、約２５０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍのレート（約５００ｓｃｃｍから約７５０ｓｃｃｍ）でジボランと共に提供される。基板は、約２５０℃から約３５０℃の温度で、約１トルから約１０トルのチャンバ圧で維持される。タングステン六フッ化物とジボランの適用量（pulse）間に、アルゴンが約３０秒間、律動的に送られ、処理チャンバから反応性化合物を一掃するか、別の方法で除外する。
他の態様において、核形成層４１７は、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）とシラン（ＳｉＨ４）を交互に律動的に送るステップを使用して周期的に堆積される。タングステン六フッ化物（ＷＦ６）は、前述したように、アルゴンと共に約３０秒間、律動的に送られる。シラン（ＳｉＨ４）は、約１０ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍのレート（例えば、５０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍ）で、約３０秒間、律動的に送られる。キャリアガス（例えば、水素）は、シランと共に約２５０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍのレート（例えば、３００ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍ）で提供される。アルゴンは、約３００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍのレート（例えば、約５００ｓｃｃｍから約７５０ｓｃｃｍ）で、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）の適用量とシラン（ＳｉＨ４）の適用量との間の約３０秒間、律動的に送られる。基板は、約３００℃から約４００℃の温度で、約１トルから約１０トルまでのチャンバ圧で維持される。
ホウ化物ソーキング処置を有することなく、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）とジボランの交互の適用量により形成される核形成層は、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）とシランの交互の適用量により形成される核形成層より利点がある。ジボラン膜は、集積膜に対し低応力を示し、核形成層の接合面でフッ素含有量が少ない。ジボラン膜のアモルファス特性は、また、使用される核形成層の厚さを薄くしつつ、良好なバリア特性を維持することができる。しかし、ホウ化物ソーキング処置の後、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）とシランの交互の適用量により形成される核形成層は、前述したように、ジボラン堆積がシラン堆積に対して有する利点をなくす。そのため、核形成層４１７は、ジボランソーキングに続き、タングステン六フッ化物（ＷＦ６）とシランの交互の適用量を使用して形成されるのが好ましい。
タングステンバルク充填材４２２は、その後、タングステン核形成層４１７上に堆積される。いかなる金属堆積処理（従来の化学的気相堆積または物理的気相堆積）が使用可能であっても、タングステンバルク充填材４２２は、交互にタングステン含有化合物と還元性ガスを吸着することにより、堆積可能である。周期的堆積技術を使用したタングステン堆積の、より詳細な説明は、”Lid Assembly For A Processing System To Facilitate SequentialDeposition Techniques”という名称で、２００１年１２月１２日に出願され、共通に譲渡された米国特許出願第１０／０１６３００、”Deposition Of Tungsten Films For Dynamic Random Access Memory(DRAM) Application”という名称で２００２年２月２０日に出願され、共通に譲渡された米国特許第（不知）で見つけることができ、これらは、両方とも本願に参考として組み込まれる。
堆積後、結果として生じる構造体４００の頂部は平坦化されてもよい。化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置（例えば、カリフォルニア州サンタクララ市に所在するアプライドマテリアルズ社から使用可能なMirra（商標）システム）が使用されてもよい。例えば、タングステンバルク充填材４２２の一部は、頂部から除去され、十分に平坦面が残る。オプションとして、基板の中間面が、上述した後の層の堆積間に平坦化されてもよい。
論理装置
図５は、トレンチ型コンデンサ５３０の頂部付近にトランジスタ５２０が位置決めされた従来のＤＲＡＭ装置の横断面図である。ＤＲＡＭ装置５１０に対するアクセストランジスタ５２０は、トレンチ型コンデンサ５３０の頂部付近に位置決めされている。アクセストランジスタ５２０は、ソース領域５２２、ゲート領域５２４、ドレイン領域５２６を有するｎ−ｐ−ｎ型トランジスタを備えるのが好ましい。アクセストランジスタ５２０のゲート領域５２４は、Ｐ＋基板を覆ってＰ−がドープされた、シリコンエピタキシャル層である。アクセストランジスタ５２０のソース領域５２２は、ゲート領域５２４の第１側部に堆積された、Ｎ＋がドープされた材料であり、ドレイン領域５２６は、ゲート領域５２４の第２側部（ソース領域の反対側）に堆積された、Ｎ＋がドープされた材料である。
ソース領域５２２とドレイン領域５２４は、タングステンプラグ５６０に接続可能である。各タングステンプラグ５６０は、チタンライナ５６２、タングステン核形成層５６４、バルクタングステン充填材５６６を含む。チタンライナ５６２は、ＰＶＤチタンに続くＣＶＤ窒化チタンを備える二層スタックでもよい。タングステン核形成層５６４は、前述したように、周期的堆積技術を使用して形成される。タングステンバルク充填材５６６は、どんな堆積技術を使用しても堆積可能である。
トレンチ型コンデンサ５３０は、一般的に、第１電極５３２、第２電極５３４、それらの間に配置された誘電材料５３６を含む。Ｐ＋基板は、トレンチ型コンデンサ５３０の第１電極５３２として機能し、グランド結合部５４１に接続されている。トレンチ５３８は、Ｐ＋基板内に形成され、重くドープされたＮ＋ポリシリコンで充填され、Ｎ＋ポリシリコンは、トレンチ型コンデンサ５３０の第２電極５３４として機能する。誘電材料５３６は、第１電極５３２（すなわち、Ｐ＋基板）、第２電極５３４（すなわち、Ｎ＋ポリシリコン）の間に配置される。
トレンチ型コンデンサ５３０は、また、誘電材料５３６と第１電極５３２との間に配置された第１窒化タングステンバリア層５４０を含む。第２タングステン窒化物バリア層５４２は、誘電材料５３６と第２電極５３４との間に配置されるのが好ましい。代替え的に、バリア層５４０、５４２は、組合せ膜（Ｗ／ＷＮ）である。
前述したＤＲＡＭ装置は、ｎ−ｐ−ｎ型トランジスタ、第１電極としてのＰ＋基板、コンデンサの第２電極としてのＮ＋ポリシリコンを利用するが、ＤＲＡＭ装置を形成する為に、他のトランジスタ設計、電極用材料は本発明により企図されている。また、他の装置（クラウン型コンデンサ）も本発明により企図されている。
チタン層（Ｔｉ）は、２００ｍｍ基板表面上に、約２０Åの厚さまで、基板ＰＶＤにより堆積された。窒化チタン（ＴｉＮ）層は、原子層堆積（ＡＬＤ）処理を使用して、約８０Åの厚さまで、Ｔｉ層上に堆積され、Ｔｉ／ＴｉＮバリア層を形成した。基板表面は、その後、以下の条件で、ジボランソーキングに晒された。

圧力：約１トル
温度：約３５０℃
流量：１５００ｓｃｃｍのＢ２Ｈ６、１５００ｓｃｃｍのＨ２
持続期間：約１０秒間

次に、タングステン核形成層は、前述した周期的堆積技術を使用して、バリア層上に形成された。核形成層の厚さは、約１００Åであった。最後に、バルクタングステン層が、ＣＶＤを使用して約２５００Åの厚さまで核形成層上に堆積された。結果として生じたタングステンバルク充填材は、約２％未満の均一なバラツキを示した。
比較実施例
チタン（Ｔｉ）層は、２００ｍｍ基板表面に、約２０Åの厚さまで、ＰＶＤにより堆積された。窒化チタン（ＴｉＮ）層は、原子層堆積（ＡＬＤ）処理を使用して、約８０Åの厚さまで、Ｔｉ層上に堆積され、Ｔｉ／ＴｉＮバリア層を形成した。基板表面は、その後、以下の条件で、シランソーキングに晒された。

圧力：約９０トル
温度：約３００℃
流量：１００ｓｃｃｍのＳｉＨ４、５００ｓｃｃｍのＨ２
持続期間：約６０秒間

次に、タングステン核形成層は、前述した周期的堆積技術を使用して、バリア層上に形成された。核形成層の厚さは、約１００Åであった。最後に、バルクタングステン層が、ＣＶＤを使用して約２５００Åの厚さまで核形成層上に堆積された。結果として生じたタングステンバルク充填材は、約５％未満の均一なバラツキを示した。
上記実施例で示されたように、ホウ化物ソーキング処理を使用して堆積されたタングステン膜は、シランソーキング処理を使用して堆積されたタングステン膜と比較すると、改善された表面均一性を示した。さらに、ホウ化物ソーキング処理は、少なくともシランソーキングより６倍速いが、これには、シランソーキング処置に必要な９０トルまで処理チャンバを加圧する為のダウンタイムは考慮していない。したがって、本発明のホウ化物ソーキング処置は、改善された膜均一性、著しく高いプロダクト処理能力を示す。
前述は本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他の、更なる実施形態は、本発明の基本的範囲から逸脱することなく、案出可能であり、本発明の範囲は、別添の請求の範囲により決定される。
図１は、本願に説明された一実施形態に従って、周期的堆積技術を使用してタングステン層の形成の為の処理シーケンスを例示する。 図２は、本願に説明された周期的堆積技術を実施する為に有用な処理チャンバの概略横断面図である。 統合された処理用プラットフォームの例を示す。 本発明の実施形態に従って形成された金属酸化物ゲート装置例の概略横断面図を示す。 図５は、本発明の実施形態に従って形成された従来のＤＲＡＭの横断面図を示す。
符号の説明
１４…チャンバ本体、１４Ａ…チャンバ底、１４Ｂ…側壁、１６…処理チャンバ、１８…ポンプシステム、１８Ａ…スロットルバルブ、２０…リッドアセンブリ、２０Ａ…リッドプレート、３２…バルブ、３４…ガスマニホールド、４４…開口、４６…基板支持部材、４８…支持用ペデスタル、４８Ａ…支持用シャフト、４９…基板、５０Ａ…熱電対、５２…電源、５２Ａ…加熱素子、５４…ライナアセンブリ、５８…チャネル、６０…アパーチャ、６２…ポンピングチャネル、６２Ａ…アパーチャ、６２Ｂ…、６６…導管、６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ…ガス源、７０…コントローラ、７２…プロセッサ、７４…ＲＡＭ、７５…反応領域、７６…ハードディスクドライブ、３００…システム、３０２、３０４…ロードロック用チャンバ、３１０…第１ロボット、３１２、３１４、３１６、３１８…処理用チャンバ、３２２、３２４…移送用チャンバ、３３０…第２ロボット、３３２、３３４、３３６、３３８…処理用チャンバ、５１０…、５２０…アクセストランジスタ、５２４…ゲート領域、５２６…ドレイン領域、５３０…トレンチ型コンデンサ、５３２…第１電極、５３４…第２電極、５３６…誘電材料、５３８…トレンチ、５４０…バリア層、５４１…グランド結合部、５４２…バリア層、５６０…タングステンプラグ、５６２…チタンライナ、５６４…タングステン核形成層、５６６…タングステン充填。

Claims (21)

  1. 基板表面上に耐火性金属層を形成する方法であって：
    基板上に堆積されたバリア層を処理チャンバ内でソーキング処理に晒すステップと；
    前記基板を前記処理チャンバ内で第１及び第２の反応性ガスに連続的に晒すことにより、耐火性金属核形成層を前記バリア層上に形成するステップと；
    気相堆積処理を採用することにより、バルク堆積層を前記耐火性金属核形成層上に形成して、前記第１及び第２の反応性ガスの１つに含まれる耐火性金属をバルク堆積するステップと；
    を備え、前記耐火性金属核形成層を形成するステップは、前記基板を前記第１の反応性ガスに晒した後、該基板を前記第２の反応性ガスに晒す前に、パージガスを前記処理チャンバに導入するステップを更に備える、前記方法。
  2. 前記ソーキング処理は、前記バリア層をジボランに晒すステップを含む、請求項１記載の方法。
  3. 前記ソーキング処理は、前記バリア層をシランに晒すステップを含む、請求項１記載の方法。
  4. 前記バリア層は、チタン又は窒化チタンを含む、請求項１記載の方法。
  5. 前記耐火性金属核形成層を形成するステップは、次いで前記処理チャンバをポンピングしてガスを取り除くことにより、前記処理チャンバから前記第１の反応性ガスをパージするステップを更に備える、請求項１記載の方法。
  6. 前記耐火性金属核形成層を形成するステップは、ジボランと耐火性金属化合物との交互の層を、前記基板上に形成するステップを備える、請求項１記載の方法。
  7. 前記耐火性金属核形成層は、１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する、請求項１記載の方法。
  8. 前記バルク堆積層は、化学的気相堆積処理又は物理的気相堆積処理を採用して堆積される、請求項１記載の方法。
  9. 基板表面上にタングステン含有材料を形成する方法であって：
    基板上に堆積されたバリア層を処理チャンバ内でソーキング処理に晒すステップと；
    原子層堆積処理の間、前記基板を前記処理チャンバ内で処理ガス及びタングステン含有ガスに連続的に晒すことにより、タングステン含有核形成層を形成するステップであって、前記処理ガスがホウ素含有ガス及び窒素含有ガスを含むステップと；
    化学的気相堆積処理の間、前記基板を、前記タングステン含有ガス及び反応性前駆体ガスを含む堆積ガスに晒すことにより、前記タングステン含有核形成層の上にタングステンバルク層を形成するステップと；
    を備え、前記タングステン含有核形成層を形成するステップは、前記原子層堆積処理の間、該基板を前記タングステン含有ガスに晒す前、前記基板を前記反応性ガスに晒した後に、パージガスを前記処理チャンバに導入するステップを更に備える、前記方法。
  10. 前記タングステン含有ガスはタングステン六フッ化物を含み、前記ホウ素含有ガスはジボランを含み、前記窒素含有ガスは二窒素を含む、請求項９記載の方法。
  11. 前記タングステン含有核形成層は、前記基板上に堆積されたシリコン含有層の上に堆積される、請求項９記載の方法。
  12. 前記タングステン含有核形成層は、１０Å〜１００Åの範囲内の厚さを有する、請求項９記載の方法。
  13. 前記反応性前駆体ガスは、シラン、水素、アルゴン、及びこれらの組合せからなる群から選ばれるガスを含む、請求項９記載の方法。
  14. 前記ソーキング処理は、前記バリア層をジボランに晒すステップを含む、請求項９記載の方法。
  15. 前記ソーキング処理は、前記バリア層をシランに晒すステップを含む、請求項９記載の方法。
  16. 前記バリア層は、チタン又は窒化チタンを含む、請求項９記載の方法。
  17. 基板表面上にタングステン含有材料を形成する方法であって：
    基板上に堆積されたバリア層を処理チャンバ内でソーキング処理に晒すステップと；
    原子層堆積処理の間、前記基板をタングステン含有ガス、ジボラン、及び窒素含有ガスに連続的に晒すことにより、タングステン核形成層を前記バリア層上に形成するステップと；
    化学的気相堆積処理の間、前記基板を、前記タングステン含有ガス及び反応性前駆体ガスを含む堆積ガスに晒すことにより、前記タングステン核形成層の上にタングステンバルク層を形成するステップと；
    を備え、前記タングステン含有核形成層を形成するステップは、前記原子層堆積処理の間、該基板をジボラン及び前記窒素含有ガスに晒す前、前記基板を前記タングステン含有ガスに晒した後に、パージガスを前記処理チャンバに導入するステップを更に備える、前記方法。
  18. 前記ソーキング処理は、前記バリア層をジボランに晒すステップを含む、請求項１７記載の方法。
  19. 前記ソーキング処理は、前記バリア層をシランに晒すステップを含む、請求項１７記載の方法。
  20. 前記タングステン含有ガスはタングステン六フッ化物を含み、前記窒素含有ガスは二窒素を含む、請求項１７記載の方法。
  21. 前記反応性前駆体ガスは、シラン、水素、アルゴン、及びこれらの組合せからなる群から選ばれるガスを含む、請求項１７記載の方法。
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