JP6200487B2 - 原子層堆積法の使用によるTiSiN薄層の形成方法 - Google Patents
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Description
デバイスを相互に接続するための配線材料と、最下層のように基板から拡散されるシリコンまたはSi含有層との間の相互拡散を防ぐために、一般に障壁金属が最下層と配線の間に配置される。そのような障壁金属は低い電気抵抗と高い耐食性を持つ金属材料でなければならない。現在配線材料として使われるアルミニウムやタングステン配線のように、上述した必要条件を満たすことができる障壁金属材料は、高融点の金属窒化物、例えば、Ti、W、およびMoであることができる。導電性と耐食性を持つTiまたはTiN薄膜が障壁金属材料として使用されている。
障壁金属としてのTi薄膜またはTiN薄膜は、一般に化学気相堆積法(CVD)に従って500℃〜700℃の高い温度範囲で形成される。TiまたはTiNは、高いアスペクト比を持つコンタクトホールまたはビアホールに効果的に埋め込まれ、配線材料であるアルミニウムまたはタングステンに対して良好な特性を持つ。
そこで、不純物の含有量が削減されたTiSiN薄膜を形成する方法が研究された。
Ti含有ガスを供給し、その後で不活性ガスを供給して過度に供給されたTi含有ガスを除去するプロセスと、N含有ガスを供給し、その後で不活性ガスを供給して残余の生成物を除去するプロセスとを、少なくとも1回繰り返すことによって基板上にTiN薄膜を形成する第2のプロセスがあることができる。
TiN薄膜上にSi含有ガスを供給し、その後で不活性ガスを供給して過度に供給されたSi含有ガスを除去するプロセスと、N含有ガスを供給し、その後で不活性ガスを供給して残余の生成物を除去するプロセスとを、少なくとも1回繰り返すことによってSiN薄膜を形成する第3のプロセスがあることができる。
前記第2と第3のプロセスを少なくとも1回繰り返すことによって、望ましい厚さを持つTiSiN薄膜を形成する第4のプロセスがあることができる。
TiSiN薄膜の形成に使用されるガスの分圧の範囲は、Ti含有ガスが9×10−3トール以下、Si含有ガスが1×10−3〜3×10−1トール、N含有ガスが7×10−3〜6×10−1トールであることができ、ガスの圧力範囲は500mトール〜5トールであることができ、形成されたTiSiN薄膜のSi含有量は20原子%以下であることができる。
Si含有ガスは、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4またはSi2H6であることができる。
N含有ガスは、NH3またはMMHであることができる。
予熱プロセスにおける予熱温度は400℃〜700℃であることができ、予熱圧力は0.5mトール〜5トールであることができる。
Ti含有ガスの分圧は、6×10−4トール以下であることができる。
Ti含有ガスの供給におけるバブラーの温度は、0℃〜15℃に維持される。
本方法によれば、Ti含有ガスの分圧は製造プロセスにおいて適切な範囲に制御される。同時に、製造された薄膜中のSi含有量は適切な値以下であるように制御される。それで、TiSiN薄膜を製造することの強みがある。
本発明の実施形態は、導体である最下層と最上層の間に拡散障壁層としてTiSiN薄膜を形成するための方法に関する。添付図面を参照して、実施形態が以下に詳細に記載される。
更に、シャワーヘッド3が反応炉の上部に設置されており、堆積のために必要なガスがシャワーヘッド3から供給される。シャワーヘッド3は、Ti含有ガス、Si含有ガス、およびN含有ガスを独立に供給するための内部独立パスを持ち、各ガスはシャワーヘッドから注入された後で混合される。
図3に示すように、Ti含有ガスはバブラー(bubbler)によって供給され、Ti含有ガスが望ましい蒸気温度を持つことができるように、サーモスタットを使うことによってバブラーの温度は0℃〜15℃の間に保たれることができる。マスフローメータによって供給される不活性ガスはサーモスタットによって保たれる所定の温度を持つコンテナに注入され、その不活性ガスは液相の化学物質から生成されるTi含有ガスとともに原子層堆積装置に供給される。
つまり、ウェハ搬送装置に運ばれたウェハがヒータ2の埋め込まれたサセプタ1の上に配置されるとき、ウェハは所定の時間、例えば、30秒から2分の間予熱される。0.5mトールから5トールまででArまたはN2のような不活性ガスを流しながら、望ましい温度になるまで、冷たいウェハは短時間予熱される。この場合、サセプタ1の温度は400℃から700℃の範囲に維持される。
つまり、Ti含有ガスが0.4〜60秒の範囲で所定の時間基板に供給され、その後、過度に供給されたTiCl4ガスを除去するためにのみ、不活性ガスが0.4〜60秒の範囲で所定の時間供給される。続いて、N含有ガスが0.4〜60秒の範囲で所定の時間供給され、不活性ガスが0.4〜60秒の範囲で所定の時間供給され、残余の生成物を除去する。その結果、TiN薄膜が形成される。そのプロセスはx回繰り返され、望ましい厚さを持つTiN薄膜が形成される。
Ti含有ガスはTiCl4,TDMATまたはTDEATであってよい。N含有ガスはNH3またはMMHであってよい。不活性ガスはアルゴンまたは窒素であってよい。
つまり、上述したプロセスで形成されたTiN薄膜上にSi含有ガスが供給され、過度に供給されたSi含有ガスを除去するために、不活性ガスが0.4〜60秒の範囲で所定の時間供給される。N含有ガスが0.4〜60秒の範囲で所定の時間供給され、SiN薄膜を形成し、残余の生成物を除去をするために不活性ガスが0.4〜60秒の範囲で所定の時間供給される。そのプロセスがy回繰り返され、望ましい厚さを持つSiN薄膜が結果的に形成される。
上述したプロセスでは、Si含有ガスはSiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4、またはSi2H6であってよい。N含有ガスも上記と同様である。
図5は、これらのプロセスを示す図である。
つまり、Ti含有ガスの分圧の範囲は9×10−3トール、望ましくは6×10−4トール以下であることができる。Si含有ガスの分圧の範囲は1×10−3〜3×10−1トールの範囲であることができ、N含有ガスの分圧の範囲は7×10−3〜6×10−1トールの範囲であることができる。圧力の範囲は500mトール〜5トールであることができる。
上述したように、障壁金属としてのTiSiN薄膜は、塩化物のような不純物をより少なく含み、比較的低い抵抗を持つことが必要とされ、これらは金属の最下層と金属の最上層の間での反応を抑圧するために、TiSiN薄膜の適用範囲に基づいて異なることができる。
それを考慮すると、本発明はTi含有ガスの分圧を9×10−3トール以下、望ましくは6×10−4トール以下に制限する。そのような範囲内で、有効に低い抵抗を持つTiSiN薄膜を得ることができる。
更に、製造プロセスで形成されたTiSiN薄膜のSi含有量が原子の20%以下であり、そのような範囲で低い抵抗が保証されることができることを本発明は必要とする。
[第1の実施形態]
本実施形態では、形成されたTiSiN薄膜のSiの含有量が調整される。表1は、TiSiN薄膜のSiの含有量を調整するための4つの方法と、4つの方法の各々に従って堆積されたTiSiN薄膜の中のSiの含有量に関して実行されたRBS解析の結果を示す。
第1の方法はDCS供給時間に比例してSi含有量を増加させるための方法である。第2の方法はDCS供給流に比例してSi含有量を増加させるための方法である。第3の方法は、TiN堆積回数(x回)/SiN堆積回数(y回)に反比例してSi含有量を増加させるための方法である。
表2は、堆積条件に従うTiSiN薄膜の中のCl含有量を示す。
図6(a)と6(b)は、本発明に従って製造されたTiSiN薄膜におけるSi含有量についてのXRD解析結果を示す。特に、図6(a)は4%のSi含有量を持つTiSiN薄膜に関して実行されたXRD解析の結果を示す。 図6(a)は、TiN(111)、TiN(200)、およびTiN(220)方向の結晶性を持つ結晶TiSiN薄膜を示す。図6(b)は、20%のSi含有量を持つTiSiN薄膜に関して実行されたXRD解析の結果としてアモルファスTiSiN薄膜を示す。従って、TiSiN薄膜の中でSi含有量が増加するにつれて、結晶TiSiN薄膜はアモルファスTiSiN薄膜に変えられる。
一方、図7(a)と7(b)は、図6(a)と6(b)で解析されたXRD試料のTEM解析の結果を示し、それらはTiSiN薄膜の結晶性に関するXRD結果をSi含有量についてサポートする。
本発明に係るTiSiN薄膜は、厚さに従って同じSi含有量を持つように、または異なるSi含有量を持つように堆積されることができる。次の表3から表5は、含有量に違いを付けるための方法を示すプロセス条件である。図8は、そのようなプロセス条件に基づいて製造されたTiSiN薄膜を示す断面図である。
TiSiN薄膜の厚さに基づくSi含有量の組み合わせは次の通りである。
TiSiN_1=TiSiN_2=TiSiN_3;
TiSiN_1≠TiSiN_2≠TiSiN_3;
TiSiN_1=TiSiN_2≠TiSiN_3;
TiSiN_1≠TiSiN_2≠TiSiN_3.
TiSiN_1、TiSiN_2、およびTiSiN_3の厚さは、2Åと100Åの間で調整可能である。
異なる量のTiCl4、Ar、NH3、およびArが、予熱された基板にそれぞれ10秒、40秒、60秒、および40秒の間連続して供給される。そのプロセスが14回繰り返され、TiN薄膜が形成される。DCS、Ar、NH3、Arが、形成されたTiN薄膜の上にそれぞれ8秒、40秒、60秒、および40秒の間連続して供給される。そのプロセスが2回繰り返され、最終的にTiSiN薄膜が形成される。そのプロセスが5回繰り返され、TiSiN薄膜が堆積される。
この例では、サセプタの温度は670℃であり、堆積圧力は2トールである。TiSiN薄膜の形成に使用されるガスの分圧は、DCSが0.1トールであり、NH3が0.58トールである。
予熱された基板上に、TiCl4が10秒間、Arが40秒間、NH3が60秒間、およびArが40秒間連続して供給される。そのプロセスが14回繰り返され、TiN薄膜が形成される。形成されたTiN薄膜上に、DCSがx秒間(0.4<x<30秒)、Arが40秒間、NH3が60秒間、およびArが40秒間連続して供給される。そのプロセスが2回繰り返され、最終的にTiSiN薄膜が形成される。そのプロセスが5回繰り返され、TiSiN薄膜が堆積される。
この例では、サセプタの温度は670℃であり、堆積圧力は1トールである。また、TiSiN薄膜の形成に使用されるガスの分圧は、TiCl4が5×10−4トールであり、DCSが0.1トールであり、NH3が0.58トールである。
Claims (7)
- 原子層堆積法に従って基板上にTiSiN薄膜を形成するための方法であって、
チャンバーに基板を配置した後、ArまたはN2を含有する不活性ガスをチャンバーに供給している間に、基板を予熱する第1のプロセスと、
所定の時間Ti含有ガスを供給し、その後で所定の時間不活性ガスを供給することによって過度に供給されたTi含有ガスを除去し、その後で所定の時間N含有ガスを供給し、その後で所定の時間不活性ガスを供給して過度に供給された残余の生成物を除去する第1のステップを有し、基板上にTiN薄膜を形成する第2のプロセスと、
所定の時間TiN薄膜上にSi含有ガスを供給し、その後で所定の時間不活性ガスを供給することによって過度に供給されたSi含有ガスを除去し、その後で所定の時間N含有ガスを供給し、その後で不活性ガスを供給して残余の生成物を除去する第2のステップを有し、SiN薄膜を形成する第3のプロセスと、
前記第2と第3のプロセスを少なくとも1回繰り返すことによって、望ましい厚さを持つTiSiN薄膜を形成する第4のプロセスと、
を備え、
TiSiN薄膜の形成に使用されるガスの分圧の範囲は、Ti含有ガスが9×10−3トール以下、Si含有ガスが1×10−3〜3×10−1トール、N含有ガスが7×10−3〜6×10−1トールであり、ガスの圧力範囲は500mトール〜5トールであり、形成されたTiSiN薄膜のSi含有量は20原子%以下であり、
前記第2のプロセスにおいて、前記第1のステップが前記第3のプロセスに先だって少なくとも1回繰り返され、
前記第3のプロセスにおいて、前記第2のステップが前記第4のプロセスに先だって少なくとも1回繰り返される、
ことを特徴とするTiSiN薄膜形成方法。 - Ti含有ガスが、TiCl4、TDMATまたはTDEATであることを特徴とする請求項1に記載のTiSiN薄膜形成方法。
- Si含有ガスが、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4またはSi2H6であることを特徴とする請求項1または2に記載のTiSiN薄膜形成方法。
- N含有ガスが、NH3またはMMHであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のTiSiN薄膜形成方法。
- 予熱プロセスにおける予熱温度が400℃〜700℃であり、予熱圧力が0.5mトール〜5トールであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のTiSiN薄膜形成方法。
- Ti含有ガスの分圧が、6×10−4トール以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のTiSiN薄膜形成方法。
- Ti含有ガスの供給におけるバブラーの温度が、0℃〜15℃に維持されることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のTiSiN薄膜形成方法。
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