JPH07321068A - 金属配線形成方法及びこれに使用されるスパッタリング装置 - Google Patents
金属配線形成方法及びこれに使用されるスパッタリング装置Info
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Abstract
用されるスパッタリング装置を提供する。 【構成】 シリコン基板111上に500〜800℃の
高温でチタン膜とチタン窒化膜を炭化珪素チャック10
0を設けたスパッタチャンバ内で連続的に蒸着する。高
速ヒーティングアップ/ダウンが可能な炭化珪素(Si
C)材質のチャック100を使用して高温で拡散防止膜
の形成工程を進行する。したがって、工程を単純化させ
ると同時にコンタクト抵抗を減少させることができ、良
質の金属薄膜の形成が可能である。
Description
配線形成方法及び装置に係り、特に500〜800℃の
高温で拡散防止膜及び金属層を形成する金属配線形成方
法とこれに使用されるスパッタリング装置に関する。
ンルールが1μm に接近する1Mビット水準に至るよう
になって材料自体の低抵抗、加工性の良好さ、シリコン
酸化膜との密着性などの長所のために広く使用されてき
たアルミニウムはその限界に達するようになった。高集
積化による配線の微細化のため発生される問題点、例え
ば、高い電流密度により発生する電気マイグレーション
(electro-migration)現象や、シリコンがアルミニウム
内へ溶解して浅い不純物接合部の短絡を招来するジャン
クションスパイキング(juction spiking)、コンタクト
開口部でオーミックコンタクト(ohmic contact)領域が
さらに縮小することによるコンタクト抵抗の増加などは
アルミニウム配線の信頼性を下げ、半導体素子の速度遅
延を誘発するようになった。このような問題点を解決す
るために耐火金属を拡散防止膜として使用する方法が提
案された。
の一例を説明するための断面図である。
に絶縁膜、例えば、酸化膜12を形成し写真食刻工程で
前記酸化膜12を食刻してコンタクトホールを形成す
る。次に、前記コンタクトホールと前記酸化膜12の上
にスパッタリング方法でオーミック層、例えばチタン膜
14を形成する。参照符号aと指定された部分は図8A
に示す。ここで、コンタクトホール内部の前記シリコン
基板10とチタン膜14の境界面に示された厚い線は図
8Aの参照符号13番層を示し、これは非晶質TiSi
x 層を示す。
に拡散防止膜、例えば、チタン窒化膜16をスパッタリ
ング方法で形成する。ここで、参照符号bと指定された
部分は図9Aに示す。次いで、チタン窒化膜16が形成
された前記結果物に対して窒素雰囲気の炉でアニーリン
グ工程を進行する。この際、前記炉の温度は400〜4
50℃に維持することが望ましい。
の上に金属、例えば、アルミニウムをスパッタリング方
法で蒸着して金属層18を形成する。ここで、コンタク
トホール内部の前記チタン窒化膜16と金属層18の境
界面に示された厚い線は図10Aの参照符号17の層を
示し、これはチタン窒化膜16の酸化により形成された
TiON層を示す。
点以下の高温で熱処理してリフロー(reflow) させる。
したがって、コンタクトを気孔なしに埋没する配線層1
9が形成される。参照符号cと指定された部分は10A
に示す。
うな問題点が発生する。第1に、スパッタリングでチタ
ン/チタン窒化膜を連続的に蒸着した後、窒素雰囲気の
拡散炉でアニーリングし再びアルミニウムを蒸着するの
で工程が複雑である。第2に、スパッタリングが低い温
度、約200℃以下で施されるのでチタンとシリコンと
の反応が十分でなくてチタン膜とシリコン基板との間に
非晶質のTiSix 層が形成される。したがって、低いコン
タクト抵抗を得ることが困難である。第3に、アニーリ
ングが大気雰囲気で施されるのでチタン窒化膜が酸化さ
れる。このため、コンタクト抵抗が増加することは勿
論、後続工程である金属蒸着時良質の金属層を得ること
が難しい。
目的は従来のスパッタリング方法による前述した問題点
を解決して、工程が単純でコンタクト抵抗が減少された
良質の金属層を得る金属配線形成方法を提供することで
ある。
した金属配線形成装置を提供することである。
めに本発明は、チタンを500〜800℃の温度でスパ
ッタリング方法で蒸着してチタン膜を形成する段階及び
前記チタン膜上にチタン窒化物を500〜800℃の温
度でスパッタリング方法で連続的に蒸着してチタン窒化
膜を形成する段階とを具備することを特徴とする金属配
線形成方法を提供する。
タン窒化膜を大気中に露出させず、金属を蒸着して金属
層を形成する工程をさらに具備することができ、前記金
属層は前記チタン/チタン窒化膜を形成した同一なチャ
ンバ内で連続的に形成することもできる。また、前記金
属層は500〜800℃の温度でスパッタリングするこ
とが望ましい。
グロー放電された原子によりスパッタされるソース物質
よりなるターゲットと、前記ターゲットに接着された第
1電極と、ウェハを保持する炭化珪素よりなるチャック
と、前記チャックに接着された第2電極と、グロー放電
に使用される不活性ガス注入のための不活性ガスインジ
ェクタと、反応性スパッタリングに使用されるガス注入
のための反応性ガスインジェクタとを具備するスパッタ
チャンバとを有することを特徴とするスパッタリング装
置を提供する。
パッタリング装置は前処理チャンバをさらに具備し、前
記前処理チャンバはハロゲンランプよりなる加熱装置を
具備する。
偏差に維持し、前記第1電極は陰極であり、第2電極は
陽極であることが望ましい。前記反応性ガスインジェク
タはリング型であり、前記リング型インジェクタはイン
ジェクタ噴射孔の大きさ及び角度を調整しうることが望
ましい。
珪素(SiC)材質のチャックを使用して高温で拡散防
止膜の形成工程を進行して、工程を単純化させると同時
にコンタクト抵抗を減少させることができ、良質の金属
薄膜を形成させうる。
説明する。
す。シリコン基板20の上に絶縁膜、例えば、酸化膜2
2を成長させ、前記酸化膜22の上にフォトレジストを
塗布しこれを露光及び現像してフォトレジストパターン
(図示せず)を形成する。次いで、前記フォトレジスト
パターンを食刻マスクとして使用し前記酸化膜22を食
刻することによりコンタクトホールを形成する。前記コ
ンタクトホールと前記酸化膜22の上にオーミック層を
形成するために、チタンをスパッタリング方法で蒸着し
てチタン膜24を形成する。この際、スパッタリングは
500〜800℃で施し、望ましくは580℃の温度で
施す。参照符号dと指定された部分は図8Bに示されて
いる。ここで、コンタクトホール内部の前記シリコン基
板20とチタン膜24の境界面に示された厚い線は図8
Bの参照符号23の層を示し、これは多結晶TiSix 層を
示す。
示す。前記チタン膜24の上に連続して拡散防止膜、例
えば、チタン窒化膜26をスパッタリングで形成する。
この際、スパッタリングは前記チタン膜24の形成時と
同様に500〜800℃で施し、望ましくは580℃の
温度で施す。参照符号eと指定された部分が図9Bに示
されている。
前記拡散防止膜26の上に金属、例えば、アルミニウム
をスパッタリング方法で蒸着して金属層28を形成す
る。この際、前記拡散防止膜26の形成後基板が大気中
に露出されないように真空下で前記基板をアルミニウム
蒸着チャンバへ移動することが望ましい。また、前記ス
パッタリングは500〜800℃の温度で施す。参照符
号fと指定された部分が図10Bに示されている。一
方、場合によって、前記金属層は前記チタン/チタン窒
化膜を形成した同一なチャンバ内で連続的に形成する場
合もある。
方法に従って形成されたコンタクトホール部分を示した
断面図である。
により形成されたコンタクトホールの断面を、図8B、
図9B及び図10Bは本発明により形成されたコンタク
トホールの断面を示したものである。続けて紹介される
図8Aないし図10Bにおいて、同一な物質は前記図1
ないし図7における同一な参照符号を使用した。
成後のコンタクトホールの断面を示したものである。従
来には低温で膜の形成工程が進行されるのでチタンと基
板のシリコンが反応して非晶質TiSix 層13が形成
され、その上部に非晶質チタン膜14が形成される。こ
の非晶質層はコンタクト抵抗の増加を招来する。反面、
本発明によれば、高温で膜の形成工程が進行されるので
シリコン基板20とチタン膜24との間には低い抵抗を
有する多結晶TiSix 層23が形成され前記チタン膜
24もまた多結晶シリコン状態で形成される。この際、
前記多結晶TiSix 層23は前記非晶質TiSix 層
13より厚く形成され、シリコン基板20の一部厚さを
含むように形成される。
の形成後のコンタクトホールの断面を示したものであ
る。従来の方法によれば、前記チタン窒化膜16は非晶
質状態のチタン膜14の上に形成されるので、層状構造
(columnar structure)を有するようになる。しかし、本
発明によれば、多結晶状態のチタン膜24の上にチタン
窒化膜26が形成されるので、良質のグレイン(grain)
構造を有するチタン窒化膜26の形成が可能である。
形成後のコンタクトホールの断面を示す。従来の方法に
よれば、アニーリング時前記チタン窒化膜16が大気中
に露出されてチタン窒化膜16が酸化される。これによ
り、チタン窒化膜16の一部厚さを含む非晶質形態のT
iON酸化物層17がチタン窒化膜16の上に形成され
てコンタクト抵抗が増加される。一方、前記非晶質形態
のTiON層17の上に金属を蒸着するようになるので
金属層19、例えば、アルミニウム層形成時、良質のア
ルミニウム層を得ることが困難である。しかしながら、
本発明によれば、チタン窒化膜26の蒸着後空気中に露
出されなく前記基板がアルミニウム蒸着チャンバに移動
されるのでチタン窒化膜26の酸化を防止することがで
き、そのために良質のグレイン構造を有するアルミニウ
ム層の形成が可能である。また、高温でアルミニウムが
蒸着されるのでアルミニウム蒸着後、リフロー工程を経
る従来の方法に比して工程の単純化を誘導することがで
き、製造経費を節減することもできる。
/チタン窒化膜の形成は大部分の従来のスパッタリング
装置としては不可能である。従来のスパッタリング装置
は一般的にウェハ加熱時、アルゴン(Ar)ガスをウェ
ハの背面に流入し加熱することによりウェハを加熱する
ガス伝導方式を使用している。このような方法は、ウェ
ハが均一な温度分布を有し得る長所を持ているが、次の
ような問題点を有している。第1に、ウェハを間接的に
加熱するので650℃以上の高温で加熱しない(実際に
は装備の限界のため500℃以上に加熱することは不可
能である)。第2に、加熱と冷し(以下、ランプアップ
/ダウン(ramp-up/down) とする)の速度が遅いので高
温工程時処理量(throughput) が減少すると同時に膜の
特性か低下される。第3に、前記アルゴンの一部がチャ
ンバ内に流出されて形成される膜内にアルゴン原子が含
まれ、これにより膜の特性が低下される。
熱方式があるが、この方式はウェハ内の温度の均一性を
維持することが困難である。
を示した概略図である。
を説明すれば、参照符号100はウェハを保持する炭化
珪素材質より作ったジャック(以下、炭化珪素チャック
とする)を、111はシリコン基板を、112はグロー
放電された原子によりスパッタされるソース物質よりな
るターゲットを、113はグロー放電に使用される不活
性ガス注入のための不活性ガスインジェクタ、114は
反応性スパッタリングに使用されるガス注入のための反
応性ガスインジェクタ、115は前記ターゲットに接着
された第1電極(陰極)、116は前記炭化珪素チャッ
クに接着された第2電極(陽極)を示す。
ハ上にチタン窒化膜を形成する過程を説明する。
された真空チャンバ内に不活性ガス、例えばアルゴンを
不活性ガスインジェクタ113を通じて注入させる。注
入された前記アルゴンは電極に印加された高電圧により
プラズマ状態、即ち、Ar+イオンとなってマイナス
(−)電圧が印加されている電極115に誘導される。
したがって、前記Ar+ イオンは前記チタンターゲット
112と衝突し、これによりチタンが前記チタンターゲ
ット112から分離される。チタンターゲットから分離
された前記チタンは半導体基板111側へ移動し、反応
性ガスインジェクタ114から注入される窒素と反応し
て前記シリコン基板111の上にチタン窒化膜を形成す
る。
は従来のスパッタリング装置とは異なり炭化珪素チャッ
ク100をウェハの背面に装着してウェハを加熱する方
法を使用する。この方法は、前記炭化珪素チャックを使
用することにより次のような長所を有する。第1に、1
200℃の高温を±3℃の誤差で均一に維持することが
できる。したがって、従来の高温工程における温度の不
均一により発生される膜厚さの不均一を解決しうる。第
2に、加熱温度のラップアップ/ダウンが迅速で処理量
を増加させうる。たとえば、分当たり200〜300℃
のランプアップが可能であり、分当たり50〜100℃
のランプダウンが可能である。第3に、アルゴンガスを
使用しない加熱方式を採用しているので、膜の形成時膜
内に残存するようになるアルゴンの量を極減させること
ができる。したがって、良質の膜形成が可能である。
は、真空装置で全体の真空を乱しなくてウェハを出し入
れるための一般的な予備排気室、即ち、前処理チャンバ
(一名、load-lock chamber)内にハロゲンランプを具備
する。前記ハロゲンランプを利用して膜の蒸着前に瞬間
的にウェハの表面を加熱することにより、ウェハ表面に
存する水分を取り除く。これにより、良質の膜を形成す
ることができる。
は、チタン窒化膜の形成時使用される反応性気体インジ
ェクタ114を既存のチュブ型からリング型に変換し
た。従来のチュブ型はウェハの水平方向に窒素ガスが噴
射されるのて位置による噴射量が不均一である。これに
より、均一な組成比を有するチタン窒化膜を形成するこ
とが困難で、これはウェハの大きさが大口径化するにつ
れてさらにひどくなる。
ジェクタ114を示したものである。図面で見られるよ
うに本発明によるリング型の反応性気体シンジェクタ1
14によれば、噴射口200の大きさ及び角度の調節が
可能なので均一な膜の組成比を有するチタン窒化膜の形
成が可能である。
化珪素よりなるチャックをスパッタリング装置内に設け
て500〜800℃の高温で拡散防止膜及び金属層を形
成することにより、工程を単純化させコンタクト抵抗を
減少させて良質の金属層を得ることができる。かつ、従
来の高温工程で温度の不均一による膜厚さの不均一を解
決することができ、温度のランプアップ/ダウンが迅速
で処理量を増加させることができ、アルゴンガスを使用
しない加熱方式を採用しているので良質の膜形成が可能
である。また、リング型の反応性ガスインジェクタを使
用することにより、組成が均一な膜を形成しうる。
多くの変形が本発明が属した記述的な思想内で当分野で
の通常の知識を持つ者により可能なことは明白である。
めの断面図である。
めの断面図である。
めの断面図である。
めの断面図である。
説明するための断面図である。
説明するための断面図である。
説明するための断面図である。
配線の差異点を説明するためのコンタクト部位の比較断
面図である。
配線の差異点を説明するためのコンタクト部位の比較断
面図である。
属配線の差異点を説明するためのコンタクト部位の比較
断面図である。
概略図である。
した概略図である。
16 チタン窒化膜、18 金属層、19 配線層、2
0 シリコン基板、22 酸化膜、24 チタン膜、2
6チタン窒化膜、28 金属層、100 ジャック、1
11 シリコン基板、112 ターゲット、113 不
活性ガスインジェクタ、114 反応性ガスインジェク
タ、115 第1電極、116 第2電極、200 噴
射口
Claims (12)
- 【請求項1】 チタンを500〜800℃の温度でスパ
ッタリング方法で蒸着してチタン膜を形成する段階と、 前記チタン膜上にチタン窒化物を500〜800℃の温
度でスパッタリング方法で連続的に蒸着してチタン窒化
膜を形成する段階とを具備することを特徴とする金属配
線形成方法。 - 【請求項2】 前記チタン窒化膜を大気中に露出させ
ず、前記チタン窒化膜上に金属を蒸着して金属層を形成
する工程をさらに具備することを特徴とする請求項1記
載の金属配線形成方法。 - 【請求項3】 前記チタン/チタン窒化膜を形成した同
一なチャンバ内で前記金属層を連続的に形成することを
特徴とする請求項2記載の金属配線形成方法。 - 【請求項4】 前記金属層を500〜800℃の温度で
スパッタリングすることを特徴とする請求項3記載の金
属配線形成方法。 - 【請求項5】 グロー放電された原子によりスパッタさ
れるソース物質よりなるターゲットと、 前記ターゲットに接着された第1電極と、 ウェハを保持する炭化珪素よりなるチャックと、 前記チャックに接着された第2電極と、 グロー放電に使用される不活性ガス注入のための不活性
ガスインジェクタと、 反応性スパッタリングに使用されるガス注入のための反
応性ガスインジェクタとを具備するスパッタチャンバと
を有することを特徴とするスパッタリング装置。 - 【請求項6】 前記スパッタリング装置は前処理チャン
バをさらに具備することを特徴とする請求項5記載のス
パッタリング装置。 - 【請求項7】 前記前処理チャンバは加熱装置を具備す
ることを特徴とする請求項6記載のスパッタリング装
置。 - 【請求項8】 前記加熱装置はハロゲンランプであるこ
とを特徴とする請求項7記載のスパッタリング装置。 - 【請求項9】 前記炭化珪素よりなるチャックは120
0℃の温度を±3℃の温度偏差内に維持することを特徴
とする請求項5記載のスパッタリング装置。 - 【請求項10】 前記第1電極は陰極であり、前記第2
電極は陽極であることを特徴とする請求項5記載のスパ
ッタリング装置。 - 【請求項11】 前記反応性ガスインジェクタはリング
型であることを特徴とする請求項5記載のスパッタリン
グ装置。 - 【請求項12】 前記リング型インジェクタはインジェ
クタ噴射孔の大きさ及び角度を調整しうることを特徴と
する請求項11記載のスパッタリング装置。
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