JPH06510089A - 低比抵抗窒化チタン膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 低比抵抗窒化チタン膜の製造方法 本出願は１９９１年８月１６日に出願された米国特許出願５ｅｒｉａｌ　Ｎ。

０７／７４６，６６７のＣＩＰに相当する。

〔発明の背景〕

本発明は、一般に低圧化学蒸着（ＬＰＧＶＤ）法により窒化チタン（ＴｉＮ）の 薄膜を上に付着させた半導体基体に関し、詳細には、そのような膜の比抵抗を減 少させるためにそのようなＴｉＮ膜の塩素含有量を低下させる方法に関する。

〔従来技術の説明〕

半導体工業では、半導体デバイスのための障壁金属として窒化チタン（ＴｉＮ） の薄膜を用いることはよく知られている。そのようなＴｉＮの薄膜は、化学蒸着 （ＣＶＤ）法を用いて付着させることかできる。障壁金属として、そのようなＴ ｉＮ薄膜は、アルミニウム配線層か下の半導体材料、殆と典型的には珪素である 材料に直接接触するのを防ぐために、アルミニウム配線層を形成する前に、半導 体接触領域上に付着させる。そのようなＴｉＮ膜は、半導体基体の表面上の凹凸 に対し、特にミクロン以下の接触層内で良好な覆いを与える。そのようなＴｉＮ 膜は、サリサイｈ’（ｓａｌｉｃｉｄｅ）に対する低い接触抵抗、少ない漏洩、 下の半導体基体に対する優れた接着性、及び大きな熱安定性も与える。そのよう なＴｉＮ膜は、後のタングステン膜に対する良好な接着も与える。

ツヤ−マン（Ｓｈｅｒｍａｎ）による「珪素デバイス技術のための拡散障壁とし てのＬＰＧＶＤ窒化チタンの成長及び性質」（Ｇｒｏｗｔｈ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐ ｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　［、ＰＣＶＤＴｉｔａｎｉｕｍ　Ｎ１ｔｒｉｄｅ　ａｓ　 ａ　ＤＩｆｕｓｉｏｎ　Ｂａｒｒｉｅｒ　ｆｏｒ　５ｉｌｉｃｏｎ　Ｄｅｖｉｃ ｅ　Ｔｅｃｈｎ盾撃盾■凵j （：Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒａｃｈｅｍ、　Ｓａｃ、、　Ｖｏｌ、　１３７．　Ｎｏ 、　６．　Ｊｕｎｅ　（１９９０））には、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣ〜７Ｄ）法を用 いて単一ウェーハ冷却壁反応器中で珪素基体上にＴｉＮ薄膜を付着させるための 方法か記載されている。

従って、本発明の目的は、面積抵抗の低下した珪素基体上に窒化チタン膜を形成 する方法を与えることである。

本発明の別の目的は、窒化チタン膜か減少した塩素含有量を有する場合の、珪素 基体上に窒化チタン膜を形成する方法を与えることである。

本発明の史に別な目的は、窒化チタン膜の付着に一般に用いられている流動ガス 或は装置を実質的に変えることなく行うことかできるそのような方法を与えるこ とである。

本発明のこれら及び他の目的は、その記述か進むにつれて当業者に一層明らかに なるであろう。

〔発明の概要〕

簡単に述へれば、本発明は、その好ましい態様によれば、化学蒸着により珪素基 体上に低い比抵抗の窒化チタン膜を形成する方法において、反応室中に珪素基体 を置き、その反応室中で前記珪素基体を加熱し、最初にＴ　ＩＣ１４ガス及びＮ Ｈ，ガスの両方を反応室に入れて前記珪素基体上に通し、前記珪素基体の表面上 に窒化チタンを付着させ、然る後、塩素と反応する水素含存ガスを前記反応室に 入れ前記珪素基体上に通し、付着した窒化チタン膜によって保持された残留塩素 原子と反応させてそれを除去しなから、Ｔ　Ｉ　ＣＩ　４ガスの流れを止める諸 工程からなる窒化チタン膜形成法に関する。

府述の水素含有ガスは、好ましくはＮＨ，ガスである。本発明の好ましい態様と して、反応室中へのＮＨ３ガスの最初の流れを、Ｔ　ＩＣＩａガスの流れを止め た後でも、珪素基体上に流し続け、付着後工程（ａ　ｐｏｓｔ　ｄｅｐｏｓｉｔ ｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ）として、窒化チタン成長工程か終わった時に付着窒化 チタン膜によって保持された残留塩素と水素ガスとを反応させる。水素原子は塩 素原子と反応し、ガス状成分を形成し、それは窒化チタン膜の表面から出て行く 。

〔図面の簡単な説明〕 第１図は、付着後にアルゴン不活性ガスを用いたアニール工程及び付着後にアン モニア（ＮＨ，）ガスを用いたアニール工程の両方についての、温度及び圧力の 成る範囲に亙って、付着窒化チタン層の面積抵抗を示す三次元的ブコツトである 。

〔好ましい態様についての詳細な説明〕本発明の好ましい態様として、窒化チタ ン膜を低圧化学蒸着（ＬＰＧＶＤ）法を用いて珪素基体上に付着させる。珪素ウ ェーハを反応室中に入れ、Ｔ　ｉ　Ｃｌ　ａガス及びＮＨ，ガスを珪素ウェーハ 状に通す。Ｔ　ｉ　Ｃｌ　４ガスとＮＨ３ガスとは反応して、珪素ウェーハの露 出表面上に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を付着する。

シカシ、Ｔ　ｉ　Ｃ１４カストＮＨｚガスカラ付着し７’＝ＬＰＣＶＤ法ＴｉＮ 膜は、その膜中に多量の塩素か含まれている。この塩素は粒子界面及び膜界面に 集中することか見出されている。残留する非結合塩素と反応させ、それを追い出 すためにＮＨ３ガスを用いることは、膜の塩素含有量を低下するのに効果的であ ることか本出願人により見出されている。本出願人は、水素ガスが塩素原子と反 応してＨＣＩガスを形成し、それか窒化チタン膜から運び去られるものと考えて いる。

残留非結合塩素と反応させ、それを追い出すためにＮＨ２ガスを用いる本発明の 方法は、付着後工程としてＴｉＮ成長工程か終わった時にその場で行うのか好ま しい。ＮＨ，ガスを使用することは、取り出せる全ての塩素を追い出すには至ら ないアルゴン又は窒素のような不活性ガスを使用した場合のような単純な拡散機 構とは異なっている。例えば、第１図では、付着後にアルゴンを用いたアニール 工程及び付着後にアンモニア（ＮＨｓ　）ガスを用いたアニール工程の両方につ いての、温度及び圧力の成る範囲に亙っての付着窒化チタン層の面積抵抗を示す プロットか示されている。第」図に示されているように、面積抵抗は、アンモニ アアニール工程を行なった場合、アルゴンアニール工程の場合と比較して常に低 い。本出願人は、不活性環境中ての標準的付着後アニーリング処理は、単に膜を 通る塩素の拡散を活性化するたけであるか、しかし、この拡散機構は結合塩素を 粒子界面から反応的に分離するものではないと考えている。

その場でのアンモニアアニール工程を用いると二つの目的か達成される。第一は 窒化チタン膜の塩素含有量を約２９６から０７９３へ減少させることかでき、そ れは膜の比抵抗を減少させる。第二に、面積抵抗の均一性か、約８％から４％に 改良される。

本発明を実施する場合、単一ウエーハＬＰＣＶＤ法ＴｉＮ反応器を用いるのか好 ましい。アニール工程中の反応器内の温度範囲は、６００°Ｃ〜７００°Ｃてあ り、６５０〜６８０°Ｃの温度範囲か好ましい。反応器内の好ましい圧力範囲は １１５ミリトール〜３００ミリトールである。好ましいガス流量範囲は、ＴｉＣ ｌ４ガスについてはｌＯ１０５ｃ、ＮＨ３ガスについては１０１００５ｅである 。ここて用語ｒｓｃｃｍＪ　とは、１分当たりの標準ｃｍ３を意味する。３０ｓ ｅｃｍの流量を有するアルゴンガスギヤリヤーを、反応器中に注入する前にＴ　 ｉＣ］＜ガス流路に添加し、反応室のガス注入マニホＡｌ’を通る流れをノ＼ラ ンスさせる。

Ｔ　ｉ　Ｃ］　ａガスとＮＨ，ガスとを二つの異なった組の注入器口を通って注 入し、そのようなガスか反応室中に注入される前にガスマニホノ叶内でそれらガ スか混合しないようにする。

好ましい態様として、ＴｉＮ膜の付着は６０秒間行われ、次にアンモニアによる アニールを６０秒間行う。アニール時間か長くなる程、比抵抗の向上は一層よく なる。勿論アンモニアによるアニール時間は、一つには温度に依存する。６５０ 〜６８０°Ｃの範囲内のアニール温度ては、アニール時間は３０〜９０秒の範囲 にある。低い温度では同し比抵抗を生しさせるのに長いアニール時間か必要であ る。付着工程とアニール上程とを同し温度で行う場合か最も多いか、反応室は付 着工程後退速に上昇させ、アニール時間を３０〜４５秒に短縮する。

付着工程中のＴ　ｉ　ＣＩ　ａガスに対するＮＨ３ガスの％を単に増大すると、 塩素原子か窒化チタン膜内に保持される傾向を減少することか本出願人により理 論化されていた。しかし、本出願人より行われた実験はこれか正しいことを示し てはいなかった。

窒化チタン膜の比抵抗を減少させることにより、下の珪素と上の金属配線不・ソ ］・ワークとの間の直列抵抗か減少する。また、窒化チタン膜の面積抵抗を一層 均一にすることにより、半導体ウェーッλ上の実用回路の歩留まりか上昇し、そ れによってそのような回路の製造コストか低下する。

もし望むならば、付着後のアンモニアによるアニール工程を、窒化チタン膜の付 着工程か行われたＬＰＧＶＤ反応処理室とは異なった処理室内で行なってもよい 。この方法は、膜付着工程及び付着後アニール工程をクラスター（ｃｌｕｓｔｅ ｒ）装置の別々の処理室で行う場合に育用であり、そのクラスター装置は、制御 された無酸素真空環境中の基体を膜付着ＬＰＧＶＤ処理室に移動し、然る後、そ の膜付着ＬＰＣＶＤ室から付着後のアンモニアによるアニール処理室へ移動し、 次にその付着後アンモニアによるアニール処理室から更に処理する場所、カセッ ト中への保存、等△、順次移動させる中心に位置する基体移送区画を存する。別 々の後アニール処理室内の温度は、膜付着ＬＰＣＶＤ室と同じ温度でもよく、或 はそれより高いか又は低い異なった温度でもよい。

別法として、膜形成工程後、基体をＬＰＧＶＤ処理室から取り出し、ＬＰＣＶＤ 室とは物理的に分離していて、無酸素制御雰囲気及び（又は）真空中で基体を移 送する区画によってそれとは連結されていない独立した付着後アニール処理室へ 、通常の制御していない酸素含有空気雰囲気条件下で移してもよい。上述の０聾 のクラスター装置を用いてた場合、独立した付着後アニール室中の温度は、膜形 成ＬＰＣＶＤ室中の温度とは、それより高いか又は低く、異なっていてもよい。

面積抵抗（Ω／スクエアー）

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．化学蒸着により珪素基体上に低い比抵抗の窒化チタン膜を形成する方法にお いて、 ａ．珪素基体を反応室中に入れ、 ｂ．前記珪素基体を前記反応室内て加熱し、ｃ．ＴｉＣｌ４ガスの両方を前記反 応室に入れて前記珪素基体上に通し、前記珪素基体の表面上に窒化チタンを付着 させ、ｄ．工程ｃに続き、ＴｉＣｌ４ガスの流れを止め、一方ＮＨ３ガスの流れ は継続して反応室中に入れて前記珪素基体上に通し、付着した窒化チタン膜によ り保持された残留塩素と反応させる、 諸工程を組合せてなる窒化チタン膜形成法。
2. ２．工程ｃ及びｄ中の室内の温度か実質的に同じである、請求項１に記載の方法 。
3. ３．工程ｃ及びｄ中の室内の温度か、約６００〜７００℃の範囲内にある、請求 項１に記載の方法。
4. ４．工程ｄ中の反応室内の温度か、約６５０〜６８０℃の範囲内にある、請求項 １に記載の方法。
5. ５．工程ｄ中の反応室内の圧力が、約１１５ミリトール〜３００ミリトールの範 囲内にある、請求項１に記載の方法。
6. ６．反応室中に入れた基体珪素上のＮＨ３ガスの流れを、ＴｉＣｌ４ガスの流れ を止めた後、約３０秒から９０秒間継続する、請求項１に記載の方法。
7. ７．化学蒸着により珪素基体上に低い比抵抗の窒化チタン膜を形成する方法にお いて、 ａ．珪素基体を反応室中に入れ、 ｂ．前記珪素基体を前記反応室内で加熱し、ｃ．ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスの 両方を前記反応室に入れて前記珪素基体上に通し、前記珪素基体の表面上に窒化 チタンを付着させ、ｄ．工程ｃに続き、塩素と反応する水素含有ガスを反応室中 に入れて前記珪素基体上に通し、付着した窒化チタン膜により保持された残留塩 素と反応させながら、ＴｉＣｌ４ガスの流れを止める、諸工程を組合せてなる窒 化チタン膜形成法。
8. ８．水素含有ガスがＮＨ３ガスである、請求項７に記載の方法。
9. ９．化学蒸着により珪素基体上に低い比抵抗の窒化チタン膜を形成する方法にお いて、 ａ．珪素基体を反応室中に入れ、 ｂ．前記珪素基体を反応室内て加熱し、ｃ．前記珪素基体体上にＴｉＣｌ４ガス 及びそれと反応する少なくとも−種類の他のガスを通すことにより、前記珪素基 体上に窒化チタンを付着させ、ｄ．ＴｉＣｌ４ガスの流れを止め、そしてｅ．Ｎ Ｈ３ガスを反応室中に入れて前記珪素基体上に通し、付着した窒化チタン膜によ り保持された残留塩素と反応させる、諸工程を組合せてなる窒化チタン膜製造方 法。
10. １０．工程ｅ中の反応室内の温度が、約６００〜７００℃の範囲内にある、請求 項９に記載の方法。
11. １１．工程ｅ中の反応室内の圧力が、約１１５ミリトール〜３００ミリトールの 範囲内にある、請求項９に記載の方法。
12. １２．ＴｉＣｌ４ガスの流れを止めた後、工程ｅで、ＮＨ３ガスを反応室中に入 れて基体珪素上に約３０秒から９０秒間通す、請求項９に記載の方法。
13. １３．工程ｅ中の反応室内の温度が、約６５０〜６８０℃の範囲内にある、請求 項９に記載の方法。
14. １４．化学蒸着により珪素基体上に低い比抵抗の窒化チタン膜を形成する方法に おいて、 ａ．珪素基体を反応室中に入れ、 ｂ．窒化チタンの付着に続き、前記珪素基体上にＮＨ３ガスを通し、付着した窒 化チタン膜により保持された残留塩素と反応させる、諸工程を組合せて有する窒 化チタン膜製造方法。
15. １５．工程ａ及びｂを、同じ処理室内で、それら工程の間でそこから基体を取り 出すことなく行う、請求項１４に記載の方法。
16. １６．工程ａ及びｂを異なった処理室内で行い、基体をそれら異なった処理室の 間で、それら異なった処理室を連結する真空に維持された移送室を通って移動さ せる、請求項１４に記載の方法。
17. １７．移送室を、異なった処理室の間で基体を移動させる間、実質的に酸素を含 まない状態に維持する、請求項１６に記載の方法。
18. １８．工程ａ及びｂを、異なった処理室内で行い、基体を空気雰囲気中で異なっ た処理室の間て移動させる、請求項１４に記載の方法。