JPH10199831A - 障壁層を形成する方法 - Google Patents

障壁層を形成する方法

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JPH10199831A JP9321638A JP32163897A JPH10199831A JP H10199831 A JPH10199831 A JP H10199831A JP 9321638 A JP9321638 A JP 9321638A JP 32163897 A JP32163897 A JP 32163897A JP H10199831 A JPH10199831 A JP H10199831A
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barrier layer
barrier
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oxygen
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 障壁層をより効果的に形成するための障壁層
を形成する方法を提供する。 【解決手段】 本発明は、窒化チタンの層を被着し、そ
の層の表面をその後に窒化することを含んでいる障壁層
を形成する。窒化チタン層は、窒化段階の前に酸素に露
出してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、障壁層を形成する
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の製造では、障壁層を被着す
ることがしばしば必要である。これは、チタンまたはチ
タン合金が多く用いられかつその目的は、一般に表面層
への良好な被着を行いかつ接続層と表面層の間の意図し
ないまたは望ましくない合金形成を回避すること、特に
接触接合を貫通するアルミ合金“スパイキング”を回避
することである。障壁層を酸素に露出することは、層の
機械的特性を改良することができるということが知られ
ているが、しかし出願人は、この酸素は、そのような層
の上に被着された場合にアルミニウムまたはその合金の
結晶粒界構造に対して有害であるということを知見し
た。
【０００３】米国特許第5,552,341 号公報は、後続アル
ミ層を改良すべく障壁層に対する代替処理を記述してお
り、それにより、水素化珪素を用いているプラズマ処理
によりシリレーション層(silylation layer)が障壁層の
表面上に形成される。障壁は、結晶粒界を詰め込むため
に既知の酸素処理によって改良される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来の技術における問題点に鑑み、より効率的に障壁層
を形成する方法を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、半
導体表面に障壁層を形成する方法であって、窒化チタン
の層を被着し、酸素に当該層を露出し、かつ少なくとも
酸化された層の表面で窒化する段階を含む方法によって
達成される。
【０００６】本発明の方法では、窒化段階は、窒素含有
プラズマを用いて行われるように構成してもよい。
【０００７】本発明の方法では、障壁層は、当該障壁層
の酸化された材料を窒化するために窒素の存在下でプラ
ズマ生成されたまたはＵ．Ｖ．水素原子に露出されるよ
うに構成してもよい。
【０００８】本発明の方法では、水素原子を用いて障壁
表面からの酸素除去を含みその後該層を窒化するように
構成してもよい。
【０００９】本発明の方法では、水素：窒素の比は、
１：１０と３：１の間であるように構成してもよい。
【００１０】本発明の方法では、水素はＮＨ３の形で供
給されるように構成してもよい。
【００１１】本発明の方法では、ＮＨ３は、窒化窒素の
少なくとも一部を供給するように構成してもよい。
【００１２】また、本発明の上記目的は、製品の表面上
に障壁層を形成する方法であって、窒化チタンの層を被
着しかつ該層の自由表面チタンが窒化チタンを形成すべ
く窒化されるように活性化された窒素に該層の表面をそ
の後に露出することを含む方法によって達成される。
【００１３】本発明の方法では、表面は、エネルギッシ
ュなＮＨ３に露出されるように構成してもよい。
【００１４】本発明の方法では、表面は、ＮＨ３プラズ
マに露出されるように構成してもよい。
【００１５】本発明の方法では、窒化チタン層は、窒化
段階の前に酸素に露出されるように構成してもよい。
【００１６】本発明の方法では、表面は、窒化段階の前
に酸素アニールされるように構成してもよい。
【００１７】本発明の方法では、窒化チタン層の被着と
窒化段階の間で真空破壊を含むように構成してもよい。
【００１８】更に、本発明の上記目的は、製品に導電性
材料層を被着する方法であって、窒化チタンの障壁層を
最初に被着し、障壁層を再活性化し、かつ導電性材料を
被着する段階を含む方法によって達成される。
【００１９】本発明の方法では、障壁層は、物理蒸着を
用いて被着されるように構成してもよい。
【００２０】本発明の方法では、障壁層は、純チタン層
に被着されるように構成してもよい。
【００２１】本発明の方法では、障壁層は、ＮＨ３を用
いて再活性されるように構成してもよい。
【００２２】本発明の方法では、製品は、半導体ウェー
ハであるように構成してもよい。
【００２３】本発明の方法では、製品は、約３５０°Ｃ
以下の温度まで、障壁層への導電性層の被着の前に、予
熱によって除気されるように構成してもよい。
【００２４】
【作用】一形態から、本発明は、窒化チタンの層を被着
し、酸素に層を露出しかつ少なくとも酸化された層の表
面を窒化する段階を具備する半導体表面上に障壁層を形
成する方法として構成される。
【００２５】便宜上、この明細書において、障壁層のそ
のような処理は、それらが酸素を含むか否かに係わりな
く、再活性化する。
【００２６】窒化の段階は、プラズマを含有している窒
素で実行されうる。更にまたは代替的に、障壁層は、障
壁層の酸化された材料を窒化すべく窒素の存在下におけ
るプラズマ生成またはＵ．Ｖ．の水素原子に露出されう
る。代替的に、水素原子による酸素の除去及び窒化段階
は、逐次的に実行されるる。現行の装置では、少なくと
も、純窒素雰囲気において窒化することは、達成するこ
とが難しい。水素：窒素の比は、１：１０と３：１の間
でありうる。水素は、ＮＨ３の形で供給され、その場合
ＮＨ３は、少なくとも窒化窒素の一部を供給しうる。
【００２７】障壁層は、チタン及び窒素の原子を本質的
に含有するがしかし窒化チタンは、上下に走っている結
晶粒界を有する柱状結晶構造を形成する。窒化チタンが
物理的障壁として作用しているときに、これは、固有の
欠陥であるがしかし窒化チタンの形成中または酸素への
窒化チタンの露出中（例えば、空気への露出を通して）
に酸素の追加によってそれを緩和することができるとい
うことは、よく知られている。酸素は、結晶粒界を“詰
め込む”と言われる。
【００２８】それゆえに障壁特性を改良するために窒化
チタンに加えて酸素を有することが好ましいが、しかし
これは、最上部表面が酸素原子を含有するかどうかとい
う問題を与える。
【００２９】ＴｉＮ上の酸素汚染の効果は、一般の条件
下では、アルミニウムと密接触しかつそれと化学結合を
形成し、チタンの外側層に結合した酸素原子からなる、
酸化表面が存在するということであり、それにより、あ
る一定の処理における材料の流入または移動を抑制す
る。
【００３０】酸素の使用は、“酸素詰め込み”として知
られた処理により結晶粒界における拡散経路または欠陥
箇所を阻止することによって障壁を改良するために考え
られた。この酸素は、例えば、ある少量の酸素が存在す
ることがよく知られている窒素アニールまたは酸素プラ
ズマ処理またはそのようなものの処理段階の一部として
または大気への露出の二次的効果として障壁に到達しう
る。窒素は、アニール処理中に酸素に対する希釈剤とし
て本質的に作用しかつこの処理中に層と有用的に反応し
ない。
【００３１】障壁層の機械的特性における改良を行うた
めに非常に少量の酸素だけが必要である。酸化チタンが
不良導体であるために電気的特性は、必ずしも向上され
ない。また、アルミニウムがその表面に酸素を含有して
いる障壁に被着されるならば、アルミニウムの結晶構造
は、劣化する。
【００３２】更なる形態から本発明は、窒化チタンの層
を被着しかつ層の自由表面チタンが窒化チタンを形成す
べく窒化されるように活性化された窒素に該層の表面を
その後で露出することを含んでいる、例えば、半導体ウ
ェーハである、製品の表面に障壁層を形成する方法から
構成されている。
【００３３】表面は、エネルギッシュな（活性化した）
ＮＨ３、特にＮＨ３プラズマに露出されるのが好まし
い。ＴｉＮ層は、窒化段階の前に酸素に露出されかつ更
にまたは代替的に酸素アニールされうる。窒化チタン層
の被着と窒化段階の間に真空破壊が存在しうる。
【００３４】特に、更なる実験によって、アンモニア・
プラズマ処理による窒化が酸素露出が行われなかったと
しても障壁の機械的特性を改良するということが判明し
た。更に、酸化物が形成されないときに処理は、電気特
性に対して有害ではない。
【００３５】この結果は、予期されなかったもので従来
技術の教示とは反対である。
【００３６】アンモニア・プラズマ処理による窒化の更
なる改良は、上述した。
【００３７】出願人は、含まれる正確な機構に対してこ
の時点では仮設を立てることができるだけである。Ｔｉ
Ｎ障壁は、最上部に被着されたＴｉを有するＴｉＮ障壁
よりも強いということが観測された。可能な説明は、そ
れゆえに、ＴｉＮ障壁が遊離Ｔｉが存在することによっ
て弱められるということである。酸素露出は、遊離Ｔｉ
を結びつけてチタンの酸化物を形成する。窒素加熱処理
への障壁の露出または例えば、プラズマを含んでいる窒
素による、活性化された窒素露出は、“結晶粒界を詰め
込む”酸素によって先に教示されたようにではなく遊離
Ｔｉがチタン酸化物または窒化物またはＴｉＮとして結
合されるので、酸素処理として有効であるように思われ
る（その発明に対する従来技術の説明について、米国特
許第5,552,341 号公報の、例えば、第４コラム第２５行
目から第３１行目及び第６３行目から第６４行目を参照
のこと、第８コラム第２６行目から３１行目は、“詰め
込み効果を維持することができる”がその発明に対して
まだ必要であったような障壁における酸素の使用を示し
ている）。
【００３８】本発明は、窒化チタンの障壁層を最初に被
着し、障壁層を再活性化しかつ導電性層を被着すること
を含んでいる製品の上に、アルミニウム、アルミ合金ま
たは銅膜のような、導電性層を被着する方法も含む。
【００３９】障壁層は、物理蒸着を用いて被着されうる
しかつそれ自体を純チタン層上に敷設しうる。
【００４０】上記の一形態において示したように、酸素
を含有している障壁層は、少なくとも表面酸素原子を窒
素で置換することによって後続処理に対して適切になる
ようにすることができるということが見出された。
【００４１】これは、多数の方法で達成され、特に、窒
素及び水素含有プラズマの使用により達成された。可能
な機構の説明は、以下に示す。
【００４２】窒素含有プラズマの使用は、酸化された障
壁表面を有効的に窒化する、潜在的にイオン支援され
た、プラズマ生成スペシーズによってたぶん説明され
る。
【００４３】 ＴｉＯ２ ＋ Ｎ → ＴｉＮ ＋ Ｏ２ この反応は、６２５°Ｃ以上で多少有利であるだけであ
る。
【００４４】プラズマ−または紫外−生成された水素原
子の使用は、より化学的に有利でありかつイオン支援を
必要としない： ＴｉＯ２ ＋ ４Ｈ → ２Ｈ２０ ＋ Ｔｉ − ４
８５ＫＪ この反応が窒素存在下で実行されたならば、仕上げ障壁
層表面は、同時に窒化されるであろう。
【００４５】化学蒸着（ＣＶＤ）ＴｉＮは、物理蒸着
（ＰＶＤ）ＴｉＮよりも優れた特性を有する。しかしな
がら、ウェーハが金属被覆処理のためにＣＶＤ装置から
ＰＶＤ装置に移送されるときに真空破壊が存在しうる。
【００４６】表面の酸化チタンは、窒素と水素の両方及
び潜在的に他の構成要素を含んでいる単一ガスまたはガ
スの混合のいずれかからの水素原子及び窒素原子の存在
下で再窒化される。水素原子及び窒素原子の混合による
再窒化は、水素によるチタン酸化物の最初の還元、そし
て窒素とチタンの反応によって支配的に行われる。
【００４７】温度の上昇は、還元処理の水副産物が基板
表面を離れる速度を増大することによってたぶん反応速
度を増大しそれにより表面を再酸化することの可能性を
低減する ＴｉＮ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＴｉＯ２ ＋ １／２Ｎ２
＋ ２Ｈ２ これらの温度では水素原子は、それゆえにそれが窒素と
反応するようにチタンを利用可能にするような使用可能
反応である。従って、窒素含有雰囲気では水素原子濃度
がゼロから増大するときに窒化物への酸化チタンの変換
率が増大する。ある一定の温度及び圧力における所与の
体積中に固定数のガス分子が存在するように低減された
酸化チタンの窒化が速度制限反応になる地点に自然に到
達するであろう。
【００４８】それゆえに、窒素原子存在下において窒化
チタンに対する酸化チタンの直接反応を可能にするもの
より低い温度で実行した場合にこの処理に対する水素及
び窒素原子の最適混合が存在する。より多くの水素及び
窒素が、反応される基板表面におけるガスの固定体積中
に存在するので、水素及び窒素の両方を含んでいるガス
分子の使用は、二つの個別ガスの混合よりも好ましいで
あろう。
【００４９】同じ体積における例として、完全に分離さ
れる場合： Ｎ２ ＋Ｈ２ →２Ｎ ＋ ２Ｈ ＮＨ３ ＋ ＮＨ３ → ２Ｎ ＋ ６Ｈ 更に、プラズマではアンモニアのような窒素含有ガス
は、窒素分子よりも窒素原子のより準備が整っている源
でありうるということがよく知られている。また、蒸気
としてのＮＨ３は、エネルギッシュな衝撃下において水
素または窒素分離している窒素及び水素原子よりも容易
に基板に“くっつき”それゆえに要求された表面反応を
促進するものと思われる。
【００５０】実験結果は、１０：１まで水素ガス濃度へ
の窒素分子を増加することが窒化率を増加するというも
のであるが、この率は、その１：３窒素対水素原子内容
を有するアンモニアの使用以下である。これは、たぶん
窒素分子から生成された窒素原子が率制限要因だからで
あろう。
【００５１】窒化の率が低減するある一定の点を越えて
水素中の窒素分子の濃度がさらに増大されてもアンモニ
アのような窒素と水素の混合物からのものと同じ率では
まだないということも観測された。可能な説明は、酸化
チタン還元がここで制限要因であるということである。
おそらく水素分子が窒素分子中であまりにも薄められた
ので水素原子が形成されるときに、多数の未反応窒素分
子の存在によりそれとじかにあまり接触しないように基
板表面と反応することからそれが物理的に除外される。
【００５２】
【発明の実施の形態】
【００５３】
【実施例】本発明は、種々の方法で実行されうるしかつ
特定の例がここで説明される。
【００５４】実験１ 障壁及びアルミ合金層は、シリコン・ウェーハにホール
を含んでいる先に被着された酸化珪素層上に被着され
た。それゆえにホールは、障壁層にシリコン・ウェーハ
を露出する。種々の処理が結果図１に示されるようにマ
トリックスで実行された。
【００５５】次いで各障壁は、過度の熱応力によって破
壊するまで試験された。試験結果は、酸化珪素及び被着
された障壁及びアルミ合金層をエッチングしかつシリコ
ン表面を検査することによって得られる。アルミニウム
が障壁をスパイクしたならばそれは、酸化珪素層のホー
ルがあったところのシリコン・ウェーハにおけるその存
在によって証明される。
【００５６】この実験では、何の改良も望まれない“制
御”処理に加えて、種々の酸素露出技術は、障壁層をプ
ラズマ処理するためにアンモニア（ＮＨ３）の使用の前
に実行された。ＮＨ３は、適当な窒素含有ガスとして選
択されが窒素を障壁層と反応させるのに適切な条件にお
ける純窒素または他の窒素含有ガスが用いられうる。酸
素露出技術は、 大気に製品を露出すること（真空破壊） 酸素アニール（熱処理） 酸素のトレース量を含んでいる窒素アニール（熱処理） 酸素プラズマ から構成され、ウェーハが既知の“酸素詰め込み”効果
による最高の障壁特性を示すことが望まれる窒素含有プ
ラズマまたは他の活性化された窒素処理、例えば、アン
モニア・プラズマ処理で処理される前にこれらがＴｉＮ
上で実行される。
【００５７】しかしながら、図１から分かるようにアン
モニア・プラズマは、シリコン・ウェーハの酸素処理な
しで、熱応力の６５時間後に最高の障壁性能を供給した
しかつこの性能は、酸素プラズマ及びアンモニア・プラ
ズマ処理が後続する大気露出を付与された（２４時間熱
応力後の）ウェーハのそれに類似していた。後者は、上
記したように、電気的にあまり適切でない。
【００５８】処理チャンバからの酸素の欠如が試験され
かつ分析の感度の限界であることが証明された。あらゆ
る場合、両方の酸素露出（真空破壊及び酸素プラズマ）
は、いずれも個々に更なる酸素露出がより良い障壁を生
ずるという期待に導く使用を越えて両方の組合せを有す
る期待された傾向に従う。従って、酸素の存在のトレー
スがあったとしても“ＮＨ３プラズマ”ウェーハは、大
気破壊、酸素プラズマ、酸素アニールまたは窒素（トレ
ース酸素を有する）アニールによる大量の酸素に露出し
たものより劣るということが期待される。
【００５９】実験詳細 一般手順 ホールを伴うＳｉＯ２層を有するシリコン・ウェーハ断
片からなる試験断片は、異なる障壁条件を用いかつ除気
及びアルミニウム・ステップを一定に維持することによ
ってそれらの上に被着された障壁層を有していた。制御
断片は、機械の連続性を調べるために常に走らされてい
た。断片は、障壁に応力を与えるためにファーネス・ベ
ークの範囲の対象となっていた。最後に、被着された層
及びＳｉＯ２が除去され、かつシリコン基板がスパイキ
ングの兆候のために検査された。 ウェーハ及び試験構成 ８．５μｍの間隙を有する直径１．３μｍ、深さ０．９
μｍのホールの大きなアレイを含んでいる試験ウェーハ
（１００ｍｍ）が全ての試験に用いられた。ウェーハ
は、壊されかつ約２ｃｍ×１ｃｍの断片またはスプリッ
トがシリコン・キャリヤの裏に用いられた。
【００６０】手順詳細 全てのウェーハは、次のように同じ除気及びアルミニウ
ム・ステップを受け取った： 除気： ５分、３ｋＷ Ａｌ： ４５秒 埋め戻し冷却、１μｍ、６ｋＷ，２００℃制御障壁 制御障壁は、大きなホール・サイズによりＴｉ及びＴｉ
Ｎの薄い層を有する。 Ｔｉ： １００Å、６ｋＷ、４００℃、２０ ｓｃｃｍ
Ａｒ ＴｉＮ： ３００Å、１２ｋＷ、４００℃、２０ ｓｃ
ｃｍ Ａｒ、７０ ｓｃｃｍ Ｎ２、６００Ｗバイアス シャター： １２ｋＷ、１５秒、１００ ｓｃｃｍ Ａ
ｒ障壁スプリット 図１（結果部分）は、障壁スプリットを識別する。試験
された障壁スプリットは、別々に及び組合せにより、ア
ンモニア・プラズマ、大気露出、酸素プラズマ、窒素及
び酸素ファーネス・アニールによって処理され、良好な
障壁性能を生むことが期待された。
【００６１】障壁に応力を与えるためのファーネス・ベ
ーク 各ランからの断片は、破壊され、かつスパイキングを誘
導し障壁スプリットの相対的な強度を決定するために時
間の長さを変えるように５２５°Ｃのファーネス温度の
対象にされた。
【００６２】デ・プロセッシング スパイキングの程度は、被着及び絶縁の層を除去しかつ
シリコン基板を検査することによって確立することがで
きる。スパイキングは、正方形または長方形の形状のホ
ールとして表れる。スパイキングが発生しなかったなら
ば、ホールの円形ベースだけを見ることができる。
【００６３】エッチング手順 １． Ａｌを除去すべく ５分 ＫＯＨ ２． ＴｉＮをアタックすべく ５分 バッファされたＨＦ １０％ ３． ＴｉＮを除去すべく ２時間 Ｈ２Ｏ２ ４． ＳｉＯ２を除去すべく １時間 バッファされたＨＦ １０％ ５． ウェーハを洗浄すべく １分 プロパン−２−ｏｌ光学的手順 デ・プロセスされた断片は、干渉コントラスト・モード
を用いて光学顕微鏡の下で検査された。一般的なホール
の領域の写真が撮られかつスパイクしたホールの割合い
（％スパイキング）が写真から測定された。
【００６４】結果 図１は、窒素雰囲気において５２５°Ｃでベークされた
後に見られた％スパイキング及び施された処理による各
スプリットを示す。図１から分かるようにこのスプリッ
トは、６５時間施された全ての他のスプリットとは異な
り、２４時間のベークが施されただけなので、酸素ファ
ーネス処理がもとのＮＨ３プラズマよりも良いかどうか
を決定するために更なる作業が必要である。結果は、障
壁強度の順に示されている。
【００６５】結果の説明 障壁スプリットは、よく知られた“結晶粒界詰め込み”
の従来技術に等しい標準窒素ファーネス・アニール処理
（残留酸素を含む）よりも強いか弱いとしてグループ化
することができる。
【００６６】Ｎ２ファーネスよりも強い Ｔｉ／ＴｉＮ／ＮＨ３ プラズマ Ｔｉ／ＴｉＮ／真空破壊／Ｏ２ファーネス／ＮＨ３ プ
ラズマ Ｔｉ／ＴｉＮ／真空破壊／ＮＨ３ プラズマ Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｏ２プラズマ／ＮＨ３ プラズマＮ２ファーネスよりも弱い Ｔｉ／ＴｉＮ Ｔｉ／ＮＨ３ プラズマ Ｔｉ／ＮＨ３ プラズマ／ＴｉＮ これらの結果から次の観測がなされうる： （ａ）強い障壁スプリットは、ポストＴｉＮ ＮＨ３プ
ラズマ処理を有する。
【００６７】（ｂ）ＮＨ３プラズマは、ＮＨ３プラズマ
との組合せにおいてＯ２ファーネス処理に匹敵する。
【００６８】ＴｉＮ ＮＨ３プラズマで処理されたウェ
ーハのＳＥＭ分析 ３００Å Ｔｉ／７５０Å ＴｉＮ障壁を有するより高
いアスペクト比ホール（２：１）を有するウェーハは、
ＮＨ３プラズマ処理によるＴｉＮにおける構成的変化を
比較するために用いられた。
【００６９】ＮＨ３プラズマを有する及び有さないＴｉ
ＮのＳＥＭ分析は、フィールド領域における自明な構成
的変化を示さない。
【００７０】ホールの壁にはＡｌ／ＴｉＮインターフェ
イスにおける違いが存在する。ＮＨ３プラズマがない場
合には大きな結晶粒子がホール壁の近くに見られる（図
２）。これらの結晶粒子は、ＴＥＭを用いて前に分析さ
れた。結晶粒子は、ＴｉＡｌ３でありうる。ＮＨ３プラ
ズマ処理ウェーハに対してＡｌ／ＴｉＮインターフェイ
スは、よく画定されておりかつ結晶粒子はまったく見ら
れない（図３）。
【００７１】障壁強化に対する機構 結果は、ＴｉＮ層におけるＴｉが障壁の弱体化の原因で
ありうるということを５提示している。
【００７２】ファーネス処理は、酸化チタンまたは窒化
チタンを形成することによって自由Ｔｉを不活性化する
効果がある。
【００７３】ＮＨ３プラズマ障壁によって処理されたＴ
ｉＮが酸素処理とＮＨ３プラズマの組合せのそれに強度
において匹敵するという事実は、それは、柱状構造にお
ける空格子の詰め込みよりも障壁を弱体化することに、
より大きな効果を有する自由Ｔｉの存在であるというこ
とを提示する。先の研究は、Ｔｉ／ＴｉＮ障壁に被着さ
れたＴｉが障壁の強度を低下させるということを示し
た。
【００７４】実験ＩＩ 実験Ｉが幅１．２μｍ×深さ０．８μｍの接触構造を有
するウェーハ上で繰り返された。１０ｎｍＴｉ、２０ｎ
ｍＴｉＮ及び１００ｎｍＡｌ ０．５％ ｃｕからなる
金属スタックが被着された。次いでウェーハは、５００
°Ｃで４時間ベークされ、Ｓｉにデプロセスされ、かつ
＞１０，０００ホールの光学的検査を終了した。結果
は、次の通り：プロセス ％スパイキング もとのＮＨ３プラズマ ≦１ Ｏ２ファーネス（４５０°Ｃ／４５分）＋ＮＨ３プラズマ ５ Ｎ２ファーネス（４５０°Ｃ／４５分） ３０ もとのＮ２プラズマ ３５ 出願人は、再活性化処理の一つの驚くべき効果は、しっ
かりとテキスチャされたアルミニウムまたはアルミ合金
＜１１１＞膜をシードすることであろうということをさ
らに確立した。アルミ合金のそのようなタイト・テキス
チャリングは、改良されたエレクトロマイグレーション
と通常関連付けられるが、歴史的に窒化チタン障壁への
これらのアルミ合金膜の被着は、タイト・テキスチャリ
ングを結果として生じていないし、事実、それらは、チ
タンだけに被着されたような膜のほぼ２．５倍ぐらい乏
しい。
【００７５】これまでの試験は、この改良が障壁が物理
蒸着によって被着されたところで特に劇的であるという
ことを提示する。
【００７６】障壁が上記のように処理されたならば驚く
ことにウェーハの予熱は、熱い必要がないということが
更に見出された。
【００７７】先に一つのガス雰囲気（例えば、大気）に
あった製品を真空または別のガス状雰囲気の中に配置す
ることは、ガス及び蒸気が表面から離れて真空または新
たなガス雰囲気に入るときに製品を“除気”させる。
【００７８】特定の方法において反応性、または非反応
性となるように選択された減圧ガス雰囲気からなる部分
的真空において実行されるときに、この除気は、プラズ
マ処理において特に望ましくない。
【００７９】除気が、存在する全てのガスの大きな部分
を占めるかまたは真空排気速度を増大することなく低圧
を達成不能となりまたは増大した排気速度を要求しそれ
ゆえに高価となるので、処理圧力が低くなれば、処理に
対する除気は、より潜在的に有害となる。
【００８０】特に、スパッタリング処理は、不活性低圧
ガス雰囲気、一般的にアルゴンを用いて実行される。ア
ルゴン・ガスは、一般に適当な負電圧を電極に印加する
ことによってフロー放電においてイオン化され、それゆ
えに、負電位の影響下でその上にターゲット材料が配置
される電極表面に衝突するイオンの“フィードストッ
ク”を供給する。ターゲット材料は、アルゴン・プラズ
マ雰囲気を通ってイオン衝突によって放出されかつ都合
よく近傍に配置された製品にスパッタされる。
【００８１】それが相対的に重いイオンを有する最も商
業的に魅力的な不活性ガスなので、アルゴンがしばしば
選択される。
【００８２】しかしながら、潜在的に反応性ガスが存在
するかアルゴン雰囲気において蒸気が存在するならば、
それらは、また、グロー放電によってイオン化され、反
応性になり、かつ雰囲気ガスを通るフライト中の、ター
ゲット表面または別の表面のいずれかで、スパッタされ
た材料と反応する。
【００８３】注意深く選択した場合、この処理は、“反
応性スパッタリング”として知られておりかつ窒素が不
活性スパッタリング・フィードストックに加えられた窒
化チタンのような材料をスパッタするために用いられ
る。しかしながら、これが、制御されていない方法で行
われると、水蒸気、窒素、酸素および他の大気の構成要
素に従って、望ましくない酸化物、窒化物及び他の材料
がターゲット材料との反応によって製品に被着されるか
または形成される。それが抵抗率を増大するので、これ
は、アルミニウム及びその合金に対して特に望ましくな
い。従って、スパッタリング処理に対して除気は、望ま
しくない。
【００８４】除気の主源は、それらが先に大気または他
のガス環境（例えば、乾性窒素）にあった処理チャンバ
に連続的に配置されるように、製品それ自体である。除
気は、時間がかかる処理でありかつこの処理の高速化が
望ましい。この処理を高速化するためのよく知られた方
法は、熱及びＵＶであり、加熱が実用的に一般に採り入
れられている。熱が高い程脱気が速い。
【００８５】しかしながら、ウェーハは、熱予算を有し
かつ予熱によるこの使用は、有利に回避することができ
る。
【００８６】出願人によって見出されたものは、再活性
化された障壁層を有するウェーハが多数の処理に対して
低い予熱温度を必要とするということである。いままで
に行われた実験ではアンモニア・プラズマが再活性化の
ために用いられていた。
【００８７】この結果が達成される理由は正確には分か
らないが、全ての場合においてウェーハが予熱の後でか
つスパッタリングの前に“スパッタ・エッチング”処理
の一部としてアルゴン（不活性）プラズマの対象となる
ので、それは単にプラズマ“コンディショニング”また
はウェーハ表面のエネルギッシュな衝突の結果でありえ
ない。アンモニア・プラズマ処理は、スパッタ・エッチ
ング処理への追加でありかつその前である。
【００８８】予熱温度における低減は、バイアへの基礎
を成している金属の上方押し出しをも除去すべきであ
る。
【００８９】それゆえにある実験において予熱温度は、
再活性化段階がＴｉ／ＴｉＮ被着の後に含まれるなら
ば、５５０°Ｃから３５０°Ｃに低減された。
【００９０】
【発明の効果】本発明の方法は、半導体表面に障壁層を
形成する方法であって、窒化チタンの層を被着し、酸素
に当該層を露出し、かつ少なくとも酸化された層の表面
で窒化する段階を具備するので、より効率的に障壁層を
形成することができる。
【００９１】本発明の方法は、製品の表面上に障壁層を
形成する方法であって、窒化チタンの層を被着しかつ該
層の自由表面チタンが窒化チタンを形成すべく窒化され
るように活性化された窒素に該層の表面をその後に露出
することを含むので、より効率的に障壁層を形成するこ
とができる。
【００９２】本発明の方法は、製品に導電性材料層を被
着する方法であって、窒化チタンの障壁層を最初に被着
し、障壁層を再活性化し、かつ導電性材料を被着する段
階を具備するので、より効率的に障壁層を形成すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験１に関する結果の図表である。
【図２】一つの処理によるバイア充填のＳＥＭを示す図
である。
【図３】別の処理によるバイア充填のＳＥＭを示す図で
ある。
フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９７１５２８２．１ (32)優先日 1997年７月22日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (72)発明者 マーク グリーム マーティン ハリス イギリス国 グウェント エヌピー６ １ エスジー ニューポート カーレオン ロ ーマン リーチ ６ (72)発明者 キース エドワード ブカナン イギリス国 マンマスシャー エヌピー５ ４ティーティー ホワイトブルック マ ナー ブルック カッティージ （番地な し)

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体表面に障壁層を形成する方法であ
    って、 窒化チタンの層を被着し、当該層を酸素に露出し、かつ
    少なくとも前記酸化された層の表面で窒化する段階を含
    むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記窒化段階は、窒素含有プラズマを用
    いて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記障壁層は、当該障壁層の酸化された
    材料を窒化するために窒素の存在下でプラズマ生成され
    たまたはＵ．Ｖ．水素原子に露出されることを特徴とす
    る請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 水素原子を用いて障壁表面からの酸素除
    去を含みその後該層を窒化することを特徴とする請求項
    １または請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 水素：窒素の比は、１：１０と３：１の
    間であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  6. 【請求項６】 水素は、ＮＨ３の形で供給されることを
    特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載
    の方法。
  7. 【請求項７】 ＮＨ３は、窒化窒素の少なくとも一部を
    供給することを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 製品の表面上に障壁層を形成する方法で
    あって、窒化チタンの層を被着しかつ該層の自由表面チ
    タンが窒化チタンを形成すべく窒化されるように活性化
    された窒素に該層の表面をその後に露出することを含む
    ことを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 前記表面は、エネルギッシュなＮＨ３に
    露出することを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記表面は、ＮＨ３プラズマに露出す
    ることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記窒化チタン層は、前記窒化段階の
    前に酸素に露出することを特徴とする請求項８から請求
    項１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記表面は、前記窒化段階の前に酸素
    アニールすることを特徴とする請求項８から請求項１１
    のいずれか一項に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 窒化チタン層の被着と前記窒化段階の
    間で真空破壊を含むことを特徴とする請求項８から請求
    項１０のいずれか一項に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 製品に導電性材料層を被着する方法で
    あって、窒化チタンの障壁層を最初に被着し、前記障壁
    層を再活性化し、かつ前記導電性材料を被着する段階を
    具備することを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】 前記障壁層は、物理蒸着を用いて被着
    することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記障壁層は、純チタン層に被着する
    ことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の
    方法。
  17. 【請求項１７】 前記障壁層は、ＮＨ３を用いて再活性
    することを特徴とする請求項１４から請求項１６のいず
    れか一項に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記製品は、半導体ウェーハであるこ
    とを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか一
    項に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記製品は、約３５０°Ｃ以下の温度
    まで、前記障壁層への導電性層の被着の前に、予熱によ
    って除気することを特徴とする請求項１８に記載の方
    法。
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