JPH11121452A - 活性窒素を使用して窒化膜を形成するアニール方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンモニアを使用する必要もなく、酸素を絶
えず排除する必要もない、簡単なプロセスおよび装置に
よって、窒化膜を形成するアニール方法を提供する。 【解決手段】基板１２上に膜状の窒化物を形成する材料
を形成した後、窒素活性化室２０で発生した、活性窒素
の雰囲気中で窒化物を組成する材料膜に対するアニール
を加熱ランプ１６で行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
おいて窒化膜を形成するアニール方法に関し、特に、活
性窒素を利用して半導体集積回路中に窒化膜を形成する
アニール方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造技術において、窒
化膜、特に、窒化チタン膜を使用することは周知のこと
となっている。集積回路を形成する時には、窒化チタン
膜が集積回路中の付着促進膜またはバリヤ膜として最も
多く採用されている。付着促進膜とする場合には、窒化
チタン膜をタングステン膜全体のパッドとして形成して
から、集積回路中の導電コンタクトおよび相互接続用の
プラグを形成するためのタングステン膜を形成する。バ
リヤ膜とする場合は、窒化チタン膜をアルミニウムを含
んだ導体金属膜とドーピングされたシリコン膜またはシ
リコン基板との間に挟み、上下２層の間におけるバリヤ
膜とすることにより、アルミニウムを含んだ導体金属膜
とドーピングされたシリコン膜またはシリコン基板との
間で材料が異なることによって発生する相互拡散あるい
はスパイキング（spiking ）を回避することができる。

【０００３】集積回路技術の発展にともなって、集積回
路素子が次第にスケールダウンし、如何にして新しい集
積回路において均一で緻密な窒化膜（例えば、窒化チタ
ン膜）を形成し、付着性およびバリヤ性などの特性を十
分に発揮させるかが増々重要な課題となってきている。
従来において、窒化チタン膜などの窒化膜の形成には、
いくつかの方法があるが、短時間アニール（ＲＴＡ）が
特によく用いられ、効果が直接的である。この方法にお
いては、まず半導体基板上に金属窒化膜を形成する金属
膜を形成するとともに、アニールにより金属窒化膜を形
成していた。もしも、この金属窒化膜を形成する金属で
金属シリサイド膜を形成できれば、例えばチタン金属膜
のような金属膜を半導体基板の表面に直接形成し、所定
の製造条件において短時間アニールを行うことで金属窒
化膜を形成するだけでなく、同時に金属シリサイド膜を
形成して、金属窒化膜と基板間に金属シリサイド膜を介
在させることが可能となり、このような金属シリサイド
膜／金属窒化膜という複合膜こそが理想的なものと言え
る。なぜなら、金属窒化膜には付着性の促進ならびにバ
リヤの形成という特性がある上に、金属シリサイド膜に
はコンタクト抵抗を低下させるという特性があるからで
ある。具体例をあげてみれば、Nulmanがアメリカ特許第
５，０４３，３００号で開示した多段温度の単一ステッ
プによる短時間アニール方法においては、窒素中でチタ
ン金属を用いて、半導体基板上の窒化チタン膜の下にケ
イ化チタン膜を形成するものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Nulmanが開示した短時
間アニール法は、集積回路の半導体基板上に窒化チタン
膜を形成することができるものの、Nulmanも指摘するよ
うに、窒化チタン膜の形成は容易ではない。特に、チタ
ンを利用して窒化チタンを形成する場合には、いかなる
場合においても酸素が出現してはならないとNulmanは言
う（第６コラムの第７〜２８行ならびに第７コラムの第
４〜１６行を参照）。従って、Nulmanの発明において
は、さらに複雑な方法あるいは装置を提供して、酸素を
含んだ周辺ガスを窒素ガス内部から排除しなければなら
なかった。そこで、Filipiakのアメリカ特許第５，１８
８，９７９号においては、酸素を完全に排除する必要が
なく、窒素ガスも使用せずに、予熱したアンモニアを窒
素の供給源として、窒化チタンを含む高密度の窒化膜を
形成する短時間アニール法を開示していた。

【０００５】Filipiakは、短時間アニール法において、
予熱したアンモニアを利用し、窒化チタンによるバリヤ
膜を非常に効率よく形成していたが、もしもアンモニア
のような危険なガスを利用することなく、同様に集積回
路中に窒化チタンのような金属窒化膜を形成することが
できる別な短時間アニール法があれば、より理想的であ
る。これが、本発明の１つの課題である。

【０００６】また、化学気相堆積（ＣＶＤ）法によっ
て、集積回路中に窒化チタン膜を形成する方法が開示さ
れている。具体例をあげれば、Sandhuなどはアメリカ特
許第５，４４６，８２４号において、テトラキス（tetr
akis）- ジアルキルチタンアミダーゼを出発材料とし
て、集積回路中に窒化チタン膜を形成する化学気相堆積
法を開示していた。ほかに、Kauffmanなどはアメリカ特
許第５，４１６，０４５号において、四塩化チタンを出
発材料として、集積回路中に窒化チタン膜を形成する類
似の化学気相堆積法を開示していた。集積回路中に化学
気相堆積法を利用して形成した窒化チタン膜は、一般に
必要な特性を備えたものであるけれども、Sandhu等にし
てもKauffman等にしても、酸素を排除する問題に触れて
いなかった。

【０００７】さらに、Moslehi がアメリカ特許第５，４
４６，８２４号において開示したランプ加熱によるジグ
は、半導体基板ウェハーの処理が非常に均一なものとな
っていた。しかしながら、同様に、Moslehi が開示した
装置においても、酸素を排除する問題を解決するもので
はなかった。

【０００８】そこで、本発明の第１の目的は、絶えず酸
素を排除する必要がなく、窒化物を形成する材料を利用
して、集積回路中に窒化チタンなどの窒化膜を形成する
アニール方法を提供することにある。

【０００９】本発明の第２の目的は、アンモニアを使用
する必要がなく、窒化物を形成する材料を利用して、集
積回路中に窒化チタンなどの窒化膜を形成するアニール
方法を提供することにある。

【００１０】本発明の第３の目的は、以上のような目的
に基づいて、製造に使用することができるアニール方法
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記したような課題を解
決するために、本発明は、窒化物を形成する材料を利用
して、集積回路中に窒化膜を形成するアニール方法を提
供するものである。本発明の方法では、まず基板を準備
してから、基板上に膜状の窒化物を形成するのに必要な
材料を形成する。この膜状の窒化物を形成するのに必要
な材料が、活性窒素の雰囲気に晒され、最終的には、ア
ニール法によりアニールされて、窒化膜を形成するもの
である。

【００１２】本発明の作用を簡単に説明すると、本発明
が提供するアニール方法は、窒化物を形成する材料を利
用して集積回路中に窒化チタンなどの窒化膜を形成する
時に、アンモニアを使用する必要も、絶えず酸素を排除
する必要もないものである。本発明の方法においては、
高度に活性化された窒素を出発材料とし、アンモニアを
使用することなく、必要な窒化膜を形成できる。活性窒
素の活性は予熱したアンモニアと同様に、膜状の窒化物
を形成するのに必要な材料から窒化チタンなどの窒化膜
を形成することができ、しかも窒化膜を形成する時に絶
えず酸素を排除する必要がない。

【００１３】なお、本発明のアニール方法は、十分に製
造において使用できるものである。後述の実施の形態で
説明する通り、集積回路産業において、現在のいくつか
の方法により活性窒素の雰囲気を作り出すことができる
ので、十分に実施可能なものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る好適な実施の
形態を図面に基づいて説明する。本発明のアニール方法
は、窒化物を形成する材料を利用して集積回路中に窒化
チタンなどの窒化膜を形成する時に、アンモニアを使用
する必要も、絶えず酸素を排除する必要もないものであ
る。前記した目的を達成するために、膜状の窒化物を形
成する材料を基板上において活性窒素の雰囲気に晒す。
この膜状の窒化物を形成する材料を活性窒素の雰囲気に
おいてアニールすると、基板上に窒化チタンなどを含む
窒化膜が形成される。

【００１５】本発明の方法により、集積回路中に窒化膜
を形成して、バリヤ膜あるいは付着促進膜とすることが
できるが、これらに限定されるものではなく、本発明の
方法は、種々な集積回路において窒化膜を形成すること
ができるものであり、例えばダイナミック・ランダムア
クセスメモリＤＲＡＭ）集積回路、スタティク・ランダ
ムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）集積回路、特定用途集積
回路（ＡＳＩＣ）または電界効果型トランジスタ（ＦＥ
Ｔ）、バイポーラトランジスタおよびバイポーラ相補型
金属酸化物半導体トランジスタ（ＢｉＣＭＯＳ）を含む
集積回路に適用することができる。

【００１６】本発明の実施の形態において形成される窒
化チタン膜は、集積回路においてバリヤ膜または付着促
進膜となるものであるが、当業者であれば理解できるよ
うに、本発明の方法は、その他の窒化膜を形成すること
もできるし、前記した他の集積回路においても使用する
ことができる。窒化膜を形成できる材料としては、チタ
ン、アルミニウム、シリコン、ハフニウム、ジルコニウ
ム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロムを上げるこ
とができ、これらの１つまたは複数を選択して使用す
る。本発明により窒化膜を形成する場合、これらの材料
膜の厚さは、約１０〜２０００Åの範囲であることが望
ましい。

【００１７】図１ないし図３を参照して３種類の実施の
形態を説明すると、反応室１０には基板１２を収容する
が、該基板１２はいずれの実施の形態でもプラットホー
ム１４上に載置される。基板１２上には、やがてアニー
ル処理が行われる膜状の窒化物を形成する材料が形成さ
れている。反応室１０には、更に加熱ランプ１６があっ
てアニール時に基板１２を加熱することができる。この
加熱ランプ１６または他の同等な熱源は、基板１２の温
度を１００〜１３００℃に上げることができるものであ
ることが望ましい。なぜなら、本発明のアニール方法に
より窒化膜を形成する時に、アニール温度を１００〜１
３００℃とするからである。それぞれの反応室１０には
ノズル１８が設けられ、そのサイズは、反応室１０の窒
素フローが毎分約１０００〜５００００立方センチメー
トル（sccm）の理想状態となるように設定されている。
反応室１０のノズル１８に連通しているのは窒素活性化
室２０であり、反応室１０の外部に位置している。

【００１８】図１ないし図３において、各実施の形態の
最も重要な差異は、窒素活性化室２０において活性窒素
を形成する方法にある。図１では、高周波プラズマと窒
素活性化室２０とが結合されて活性窒素が形成される。
高周波発生器２２が接続されると、窒素活性化室２０に
おいて高周波プラズマを形成する。図２では、紫外線照
射源２４により窒素活性化室２０およびノズル１８の窒
素を活性窒素とする。図３では、窒素活性化室２０とマ
イクロ波放電源２６とが結合されて、窒素活性化室２０
およびノズル１８の窒素を活性窒素とする。図示してい
ないが、高周波プラズマまたはマイクロ波プラズマ以外
のプラズマを窒素活性化室２０と組み合わせることで活
性窒素とすることができる。そのようなプラズマとして
は、電子サイクロトン共鳴（ＥＣＲ）プラズマがある。

【００１９】同様に、当業者であれば分かるように、そ
の他の多くの方法と装置によって活性窒素を形成するこ
とができるのであり、一定濃度の活性窒素を提供できる
ものであればよい。その他の方法としては、レーザ活性
化法および放電活性化法がある。

【００２０】活性窒素の特性は、無機材料分野において
参考資料を探し出すことができる。例えば、Cottonなど
がAdvanced Inorganic Chemistry : A Comprehensive T
ext,Interscience Publishers(New York : 1972), p.34
6 で説明しているように、適当な条件において、放電方
式により気体分子状態の窒素を非常に活発な窒素（つま
り活性窒素）にすることができる。Cottonも説明してい
るように、活性窒素の活性は窒素原子が存在する基底状
態（4S）によるので、反応室を適切に絶縁して、活性窒
素の再結合を制限するならば、このような窒素原子は相
当に長い寿命を保つことができる。最後に、Cottonが指
摘するように、活性窒素の窒素フローは持続的に黄色い
コロナを発生させる。本発明を実施する時には、この黄
色いコロナから窒素活性化室２０および反応室１０中の
活性窒素濃度をモニタすることができる。

【００２１】本発明を利用して集積回路中に窒化チタン
のバリヤ膜を形成するステップを図４ないし図７を参照
して説明する。図４は、製造初期の集積回路を示すもの
で、半導体基板３０の内部とその表面には１対の分離領
域３２ａ，３２ｂが形成され、この分離領域３２ａ，３
２ｂ以外の半導体基板３０上はアクティブ領域となって
いる。半導体技術においては、種々な極性および各種不
純物濃度または結晶方位を採用することができるが、こ
の応用例について言えば、半導体基板３０は＜１００＞
のシリコン半導体基板であって、既にＮまたはＰ型のド
ーピングがなされてるものが望ましい。同様に、半導体
技術においては分離領域成長法および分離領域堆積／形
成法を含む多くの異なる方法により半導体基板上に分離
領域を形成することができるが、この応用例について言
えば、分離領域の熱成長法を用いて半導体基板３０の内
部および表面に酸化シリコンを形成し、分離領域３２
ａ，３２ｂとすることが望ましい。

【００２２】図４において、半導体基板３０のアクティ
ブ領域には他の構成素子があり、それらが一体となって
電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を構成している。そ
れらには、ゲート誘電膜３４、ゲート３６、ソース／ド
レイン３８ａ，３８ｂがあり、このような電界効果型ト
ランジスタ（ＦＥＴ）の構成素子は、従来技術による電
界効果型トランジスタの製造方法ならびに材料により形
成することができる。一般的に、ゲート誘電膜３４を形
成する時には、まず半導体基板３０のアクティブ領域に
熱酸化により全体を被覆するゲート誘電膜を形成してか
ら、パターンニングによってゲート誘電膜３４を形成す
る。同様にゲート３６を形成する時には、全体を被覆し
た酸化膜上の全面に先ず多結晶シリコンまたは多結晶シ
リコン化合物からなるゲート材料膜を形成してから、パ
ターニングによりゲート３６を形成する。ソース／ドレ
イン３８ａ，３８ｂを形成する時には、ゲート誘電膜３
４およびゲート３６をマスクとして、適当な極性の不純
物を半導体基板３０のアクティブ領域に注入するのが望
ましい。

【００２３】図４に示すように、アクティブ領域を含む
半導体基板３０上に平坦なプリメタル誘電膜（pre-meta
l dielectric = PMD）４０ａ，４０ｂ，４０ｃをパター
ン形成する。これらのプリメタル誘電膜４０ａ，４０
ｂ，４０ｃは、従来技術の方法および材料によりプラズ
マ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法を利用して均等な酸化
シリコン誘電膜を形成してから、化学機械研磨法または
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるエッチバック
法で平坦化し、公知のプラズマエッチングによりパター
ニングすることにより形成される。このプリメタル誘電
膜４０ａ，４０ｂ，４０ｃの孔径、幅、アスペクト比が
従来技術の範囲内にあれば、本発明の方法を使用するこ
とができる。一般的に、プリメタル誘電膜４０ａ，４０
ｂ，４０ｃの孔径および幅は約４０００〜８０００Åの
範囲、アスペクト比は約１：１〜６：１である。

【００２４】図４に示すように、プリメタル誘電膜４０
ａ，４０ｂ，４０ｃの表面に窒化物の形成に必要な材料
膜４２を形成し、ソース／ドレイン３８ａ，３８ｂにも
接触させる。この窒化物の形成に必要な材料膜４２とし
ては、この応用例ではチタン金属膜が望ましいが、アル
ミニウム、シリコン、ハフニウム、ジルコニウム、バナ
ジウム、ニオブ、タンタル、クロムも使用可能である。
材料膜４２を形成する方法には、熱蒸着法、電子線蒸着
法、物理気相堆積（ＰＶＤ）スパッタリング法、化学気
相堆積（ＣＶＤ）法など多くあるが、よく使われる物理
気相堆積スパッタリング法を用いてチタン金属膜を形成
することが望ましい。また、このチタン金属からなる材
料膜４２の厚さは、約２００〜２０００Åであることが
望ましい。

【００２５】図５に示すように、図４に示した集積回路
の表面上に活性窒素４４を充満させる。この活性窒素４
４の雰囲気は、窒素活性化室中で形成することが望まし
く、図１〜図３の窒素活性化室２０および反応室１０を
採用することができるが、他の方式であってもよい。そ
の他の非活性ガスもキャリアガスとすることができる
が、材料膜４２をとりまく活性窒素４４の雰囲気におい
ては、窒素をキャリアガスとすることが望ましく、その
トータルな気圧を１０〜７６０トルとすることが望まし
い。一般に、活性窒素４４の濃度はキャリア窒素ガスの
濃度より小さいことが望ましいが、材料膜４２において
充分に反応が行われる濃度でなければならない。そし
て、窒素活性化室および反応室において活性窒素を維持
するのに必要な気圧は、従来のプラズマ窒化法の圧力よ
りもはるかに大きいことに注意しなければならない。な
ぜなら、従来技術では相当に低い気圧においてプラズマ
放電を維持しなければならなかったからで、それと比較
すると、本発明の装置はより簡単なものとすることがで
きる。

【００２６】図６に示すように、活性窒素４４の雰囲気
中で半導体基板３０が加熱４６され、材料膜４２および
活性窒素４４を反応させ、窒化膜４８（窒化チタンから
なることが望ましい）を形成する。この際、加熱４６プ
ロセスは、図１〜図３に示した反応室１０の加熱ランプ
４６で行うが、半導体基板３０の温度をアニールに必要
な１００〜１３００℃に上昇させることができるもので
あれば、他の方法であってもよい。半導体基板３０の加
熱４６プロセスを経て窒化膜４８（望ましくは窒化チタ
ン膜）を形成するが、この方法によればアンモニアを用
いる必要も、絶えず酸素を排除する必要もない。

【００２７】最後に図７に示すように、パターン形成さ
れたプリメタル誘電膜（ＰＭＤ）４０ａ，４０ｂ，４０
ｃのホール内に１対の導電性コンタクトプラグ５０ａ，
５０ｂが形成され、その下が窒化膜４８ａ，４８ｂとな
る。通常、コンタクトプラグ５０ａ，５０ｂはタングス
テン金属により形成することが望ましいが、多結晶シリ
コンを用いてもよい。コンタクトプラグ５０ａ，５０ｂ
を形成する時には、平坦なプリメタル誘電膜４０ａ，４
０ｂ，４０ｃをエッチングストップ膜として、図６中の
窒化膜４８が図７の窒化膜４８ａ，４８ｂとなるように
形成し、コンタクトプラグ５０ａ，５０ｂの付着促進膜
とする。もしもコンタクトプラグ５０ａ，５０ｂがアル
ミニウムを含む導電性金属であれば、窒化チタンよりな
る窒化膜４８ａ，４８ｂがバリヤ膜となって、半導体基
板３０のソース／ドレイン３８ａ，３８ｂとコンタクト
プラグ５０ａ，５０ｂとの間で相互拡散およびスパイク
リングが発生することを抑制することができる。

【００２８】当業者であれば分かるように、図４〜図７
には示してないが、もし図７の構造上に他の導電膜また
は他のコンタクトプラグを形成する場合、本発明の方法
により導電膜の上方あるいは下方に金属窒化膜を形成し
てバリヤ膜または付着促進膜とすることができる。その
際に形成される金属窒化膜も窒化チタン膜であることが
望ましい。

【００２９】本発明は、好適な実施の形態および応用例
により上記のごとく詳細に開示されたが、これらは、当
業者であれば理解できるように、本発明に係る方法を限
定するためのものではない。本発明の技術思想および範
囲において、方法、材料、構造、寸法など多くの形式上
ならびに細部における各種の変更がなされ得るものであ
るから、それらは、当然、本発明の技術思想および範囲
に含まれるものである。

【００３０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
アニール方法は、アンモニアを使用する必要もなく、酸
素を絶えず排除する必要もない、簡単なプロセスおよび
装置によって、窒化膜を形成することができるととも
に、窒化膜を窒化チタン膜とする場合、バリヤ膜または
付着促進膜として顕著な効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態を示す断面図。

【図２】本発明に係る第２の実施の形態を示す断面図。

【図３】本発明に係る第３の実施の形態を示す断面図。

【図４】本発明の方法により窒化チタン膜を形成する工
程を示す断面図。

【図５】本発明の方法により窒化チタン膜を形成する工
程を示す断面図。

【図６】本発明の方法により窒化チタン膜を形成する工
程を示す断面図。

【図７】本発明の方法により窒化チタン膜上にコンタク
トプラグを形成する工程を示す断面図。

【符号の説明】

１０ 反応室 １２ 基板 １４ プラットホーム １６ 加熱ランプ １８ ノズル ２０ 窒素活性化室 ２２ 高周波発生器 ２４ 紫外線照射源 ２６ マイクロ波放電源

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を準備するステップと、 前記基板上に膜状の窒化物を形成する材料を形成するス
   テップと、 活性窒素の雰囲気中で前記窒化物を形成する材料膜に対
   するアニールを行って、窒化膜を形成するステップとを
   具備することを特徴とする活性窒素を使用して窒化膜を
   形成するアニール方法。
2. 【請求項２】 前記膜状の窒化物を形成する材料は、チ
   タン、アルミニウム、シリコン、ハフニウム、ジルコニ
   ウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロムのうちか
   ら単一材料または複合材料を選択することを特徴とする
   請求項１記載の活性窒素を使用して窒化膜を形成するア
   ニール方法。
3. 【請求項３】 前記膜状の窒化物を形成する材料は、そ
   の厚さが約１０〜２０００Åであることを特徴とする請
   求項１または２記載の活性窒素を使用して窒化膜を形成
   するアニール方法。
4. 【請求項４】 基板を準備するステップと、 前記基板上にチタン金属膜を形成するステップと、 活性窒素の雰囲気中で前記チタン金属膜に対するアニー
   ルを行って、窒化膜を形成するステップとを具備するこ
   とを特徴とする活性窒素を使用して窒化膜を形成するア
   ニール方法。
5. 【請求項５】 半導体素子が形成された半導体基板を準
   備するステップと、 前記半導体基板上にチタン金属膜を形成するステップ
   と、 活性窒素の雰囲気において、前記チタン金属膜に対する
   アニールを行って、窒化チタンバリヤ膜を形成するステ
   ップとを具備することを特徴とする活性窒素を使用して
   窒化膜を形成するアニール方法。
6. 【請求項６】 前記活性窒素の雰囲気は、窒素雰囲気に
   おいて形成されることを特徴とする請求項１，４，５の
   いずれか１項記載の活性窒素を使用して窒化膜を形成す
   るアニール方法。
7. 【請求項７】 前記活性窒素の雰囲気は、窒素雰囲気に
   おいて放電により形成されることを特徴とする請求項６
   記載の活性窒素を使用して窒化膜を形成するアニール方
   法。
8. 【請求項８】 前記活性窒素の雰囲気は、窒素雰囲気に
   おいてプラズマ励起により形成されることを特徴とする
   請求項６記載の活性窒素を使用して窒化膜を形成するア
   ニール方法。
9. 【請求項９】 前記活性窒素の雰囲気は、窒素雰囲気で
   紫外線照射により形成されることを特徴とする請求項６
   記載の活性窒素を使用して窒化膜を形成するアニール方
   法。
10. 【請求項１０】 前記アニールは、前記基板を加熱する
    温度を約１００〜１３００℃以上として行われることを
    特徴とする請求項１，４，５のいずれか１項記載の活性
    窒素を使用して窒化膜を形成するアニール方法。
11. 【請求項１１】 前記チタン金属膜は、その厚さが約２
    ００〜２０００Åであることを特徴とする請求項４また
    は５記載の活性窒素を使用して窒化膜を形成するアニー
    ル方法。