(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ＴｉＮ層（５６）を付着させ、また第１ＴｉＮ層上に第２ＴｉＮ層（５８）を付着させることを含む基板（２２）のビア（６０）にＴｉＮプラグ（６１）を充填する方法であって、
０．１６μｍ未満の直径を有するビア（６０）が基板（２２）の酸化物層（３０）に形成されていること、
第１ＴｉＮ層（５６）が酸化物層（３０）上に８００Å以下の厚さに付着されてビアを充填するプラグを形成すること、
第２ＴｉＮ層（５８）がプラグ上に７００Å〜１２００Åの厚さに付着されて第１層をキャッピングすること、および
第１ＴｉＮ層（５６）が熱ＣＶＤによって付着され、第２ＴｉＮ層（５８）がプラズマＣＶＤによって付着されることを特徴とする方法。
【請求項２】
第１ＴｉＮ層の付着および第２ＴｉＮ層の付着が、６５０゜Ｃの温度で単一反応室（４６）において行われる請求項１に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は集積回路の形成に係わり、特に回路における小さな金属配線の製造方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
集積回路は電気デバイスにおける信号伝達経路を与える。半導体基板における集積回路（ＩＣ）はシリコンベース層に含まれる多数の能動トランジスタで構成される。このシリコンベース層上には金属が酸素と反応して形成された金属酸化物層が重ねられる。この金属は典型的にチタン、アルミニウムまたは銅である。
【０００３】
集積回路の容量を高めるために、基板のシリコンベースにおける１つの能動トランジスタと、基板のシリコンベースにおける他の能動トランジスタとの間に、金属「ワイヤー」による非常に多数の配線が形成される。回路の金属配線として集合的に知られた配線は、金属酸化物層に加工された貫通孔すなわちビアを通して形成される。シリコンベースと実質的に接触する金属配線のその部分はコンタクトとして知られている。金属酸化物層に加工されたこの穴すなわちビアの残りの部分は導電材料を充填され、これはコンタクトプラグと呼ばれる。
【０００４】
直径が約０．１６μｍを超えるビアは、まず第１にプラズマＣＶＤ（plasma enhanced chemical vapor deposition）によって約１００Åの厚さのチタン（Ｔｉ）層をシリコンベース層上に付着させることで典型的に充填される。Ｔｉ層はシリコン層および金属酸化物層の間の電気的接触を向上させる。
【０００５】
次ぎにこのＴｉ層の上に約５００Åの厚さの窒化チタン（ＴｉＮ）バリヤ層がＣＶＤにより、好ましくは低圧ＣＶＤによって付着される。ＴｉＮバリヤ層を形成する他の方法もあるが、低圧ＣＶＤが好ましい。これは、下地基板の表面形状を正確に再現する能力として定義される一致性を低圧ＣＶＤだけが与えるからであり、この一致性は大アスペクト比の微小構造における低壁および側壁を覆うのに不可欠だからである。ＴｉＮ層は、コンタクトにおいて金属酸化物層の金属がシリコン層の内部に拡散するのを抑制する拡散バリヤとして作用する。ＴｉＮは優れたコンタクトバリヤを形成するが、ＴｉＮがバリヤとして有効となるには約５００Åの厚さを有していなければならない。ＴｉＮの厚さが約５００Å未満であると、金属はシリコン内部に拡散してしまう。
【０００６】
ビアの寸法によっては、タングステン層もＣＶＤで付着され得る。ＴｉＮ層はタングステン層に必要とされる接着剤として作用する。何故なら、タングステンは金属酸化物に接着しないからである。タングステン層の絶対厚さは充填すべきビアの寸法に応じて変化し、その相対厚さはビア直径に対して約８０％である。タングステン層はＩＣにおける導電に重要とされる抵抗の小さな面積部分を形成する。
【０００７】
コンタクトプラグの表面は次ぎにエッチングまたは研磨される。こうして形成される平面化処理された面がＩＣの最良の金属配線、したがって最良の機能を得るために必要である。
【０００８】
トランジスタ密度は増大し続けており、増大した配線数を受入れるためにコンタクトプラグの直径は縮小されねばならない。しかしながら約０．１６μｍ未満の直径のビアに関しては、コンタクトプラグのメタライゼーション層の抵抗はＴｉＮ拡散バリヤ層で支配されている。拡散バリヤとして耐久性のある性能を得るためにＴｉＮバリヤ層は約５００Åに保持されなければならないので、タングステンを充填されるコンタクトプラグの部分は減少されなければならない。したがって、タングステンによるコンタクトプラグの引き続く充填は、コンタクトプラグの全体抵抗に重要な影響を与えることのない余計な工程段階となる。したがって、ＴｉＮおよびタングステンを充填するのでなく、ＴｉＮコンタクトプラグを充填できれば、ＩＣ形成における１つの工程段階は省略することができ、製造効率を高めることができる。それ故に、ＣＶＤによりＴｉＮコンタクトプラグを形成し、また集積回路の形成においてコンタクトプラグのタングステン層を排除する方法が必要とされる。
【０００９】
しかしながらＣＶＤにより付着されたＴｉＮ薄膜は比較的大きな応力を有している。単位面積当たりの力で測って大きな応力を有する薄膜は、強い内部分散力すなわちその薄膜が外力を受けたときの体積または形状の変化に抗する力成分を有する。この大きな応力は付着できる最大薄膜厚さを制限する。典型的に、ＣＶＤにより通常の第１レベル酸化物上に付着されるＴｉＮ薄膜の最大厚さは約８００Åである。約８００Åより厚いＴｉＮ薄膜は、薄膜の内部応力によって亀裂を生じ始める。ビアを充填するのに必要な薄膜の厚さは、ビアプラグの直径の一般に約８０％であると決められてきた。この「８０％の定め」の理由は、付着薄膜がコンタクトプラグでビア体積部分を充填するだけでなく、コンタクトプラグ上方の「凹み」も充填しなければならないことにある。ビア充填時に形成されるＴｉＮの窪みとして定義されるこの「凹み」は、プラグの上にさらにＴｉＮを付着してキャッピング層を形成することで解消される。したがって、ＣＶＤによる通常のＴｉＮ付着によって充填できる最大コンタクトプラグ直径の計算は、８００Åを８０％で割って行われ、約１０００Åすなわち約０．１μｍの最大コンタクト直径を得る。約０．１６μｍを超える直径のコンタクトプラグに関しては、ＣＶＤで付着されるＴｉＮ薄膜で充填することは、ビアの充填を不完全なものとなし、ＩＣの作動を最良でなくする。
【００１０】
それ故に、約０．１６μｍ未満のビアにＣＶＤで付着されるＴｉＮコンタクトプラグを充填し、タングステンキャッピング層を使用せずにキャッピングする方法が必要となる。
英国特許第２３０６７７７号は、半導体デバイスに金属ワイヤーを形成する方法を記載しており、この方法はＣＶＤによって半導体デバイスのコンタクトホールに複数のＴｉＮ層を付着させることを含む。各々のＴｉＮ層は小さい抵抗を与えるためにプラズマ処理され、また厚さは１００〜１０００Åである。
Ｍｅｉ他による「低圧ＣＶＤにより成長されるＴｉＮ薄膜の特徴付け」スィン・ソリッド・フィルム、第３０８−３０９巻、第１−４号、１９９７年１０月３１日、第５９４〜５９８頁は、底部に０．０５μｍ、頂部に０．１μｍのＴｉＮプラグを形成するために、低圧ＣＶＤによって一致したＴｉＮ薄膜を付着させる単一段階を記載している。この薄膜の厚さは１３５ｎｍであった。
【００１１】
（発明の概要）
このために、本発明の基本により、ＣＶＤで付着されたＴｉＮコンタクトプラグでビアを充填し、タングステンキャッピング層を使用せずにそのプラグをキャッピングする方法が開示される。
【００１２】
本発明はまた約０．１６μｍ未満のビアにＣＶＤで付着されるＴｉＮ層を完璧に充填する方法に関する。
【００１３】
特に本発明は、ＴｉＮ層のＣＶＤによって集積回路のビアにコンタクトプラグを形成し、タングステン層を付着させずにプラグをキャッピングする方法に関する。本発明はまた直径が約０．１６μｍ未満のビアにＴｉＮコンタクトプラグを充填する方法に関する。
【００１４】
本発明のある見地によればＴｉＮコンタクトプラグは２段階工程で付着され、これによればビアを充填するために約８００Åの厚さの第１ＴｉＮ層がＣＶＤによって付着され、また第１層の上に小さな応力のキャッピング層を形成するために約７００Å〜約１２００Åの厚さの第２ＴｉＮ層がプラズマＣＶＤ（plasma enhanced ＣＶＤ）によって付着される。ＴｉＮコンタクトプラグはこれに代えて単一段階で付着させることができ、これによれば約１５００Å〜約２０００Åの厚さのＴｉＮ層が熱ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤによって付着される。
【００１５】
前述の説明により、ＣＶＤによりＴｉＮコンタクトプラグを形成し、タングステンのキャッピング層を使用せずにそのコンタクトプラグをキャッピングする方法、および直径で約０．１６μｍ未満のビアを充填する方法が提供される。ＣＶＤにより形成されるＴｉＮ薄膜は、下地形状に１００％一致する。１００％一致する薄膜が有利である。何故なら、ＩＣの最適機能を可能にする下地基板の表面形状を正確に再現するからである。したがって、この方法は大アスペクト比の構造部分を完璧に充填するのに使用される。本発明のこれらのおよび他の目的および利点は、添付図面およびその説明から明白となるに違いない。
【００１６】
（図面の詳細な説明）
図１を参照すれば、本発明の譲受人に譲渡され、本明細書でその全体を援用する「ＣＶＤおよびプラズマＣＶＤされる薄膜の低温付着方法および装置」と題する米国特許第５６２８８２９号に記載された方法のような、化学蒸着（ＣＶＤ）の方法がＴｉＮ付着に使用される。要約すれば、また図１を参照すれば、半導体基板２２のサセプタ２０は、処理するために基板２２を支持している。基板２２は約１．２ｍｍの厚さの金属酸化物層３０を有する。この金属はチタン、アルミニウムまたは銅とされる。酸化物層３０上には上面３３を有するＴｉＮ薄膜３２が位置している。酸化物層３０はシリコンベース３４上に支持されている。
【００１７】
図２を参照すれば、ＣＶＤの反応器４５は反応室４６を含み、この反応室は処理空間４８を内部に有する。サセプタ２０上に基板２２を収容して示される反応室４６の内部では、ＣＶＤの反応ガスが処理空間４８内に導入される。前記米国特許第５６２８８２９号に同様に開示されているガス導入システムがＣＶＤ処理のためのガスの適当な流れおよび分配を与える。一般にガス導入システムは、平坦シャワーヘッド５０のようなガス散布部材を反応室４６内に含む。シャワーヘッド５０は流入する反応ガスを反応室４６の処理空間４８内で分散させ、サセプタ２０および基板２２の付近のガスの均一な分散および流れを保証する。均一なガスの分散および流れは、均一且つ効率的な付着処理、濃密なプラズマ、および均一な薄膜付着を得るために望ましい。サセプタ２０および基板２２をプラズマに露出させる装置５１は、前記米国特許第５６２８８２９号記載された形式とすることができる。この装置５１は、シャワーヘッド５０に取付けられた４５０ｋＨｚを発生することのできる無線周波数（radio frequency）発生器５２を含むことが好ましい。
【００１８】
図３を参照すれば、２段階工程によって付着されたＴｉＮ薄膜３２は、第１ＴｉＮ層５６および第２ＴｉＮ層５８で構成される。酸化物層３０上の最初のＴｉＮ５６の付着は熱ＣＶＤによって行われ、約８００Åの厚さの第１ＴｉＮ層５６が形成される。この最初の付着は、酸化物層３０の壁７２で定義されるビア６０の体積部分にＴｉＮプラグ６１を充填し、酸化物層３０の表面上に付着させる。本発明の方法を使用してＴｉＮを充填されるビア６０は約０．１６μｍ未満、好ましくは約０．１０μｍ未満の直径を有する。
【００１９】
熱ＣＶＤのための反応ガスは、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）およびアンモニア（ＮＨ3）である。アルゴン（Ａｒ）はキャリアガスとして使用される。基板２２を支持し、それと密接に熱接触しているサセプタ２０の温度範囲は約５００〜７００゜Ｃであり、６５０゜Ｃ付近が好ましい。熱で付着されるＴｉＮ層５６は、１００％一致した形状の段階被覆（step coverage）をビア６０の側壁７２から成長させる。この段被覆は、ビア６０の側面または基板２２の頂面における薄膜の成長厚さ（run thickness）に対する基板２２のビア６０の底面における薄膜の厚さの比率として定義される。したがって、熱で付着されるＴｉＮ層５６は、直径が０．１６μｍ未満のビア６０を完全に充填する。
【００２０】
酸化物層３０上の第１ＴｉＮ層５６の最初の付着が行われた後、小さな応力の第２ＴｉＮ層５８が第１層５６上に付着される。単位面積当たりの力で測って小さな応力を有する薄膜は、弱い内部分散力を、すなわちその薄膜が外力を受けたときの体積または形状の変化に抗する力成分を有する。この小さな応力のＴｉＮ層５８はビア６０の直径の約８０％の厚さを有する。典型的に約０．１６μｍ未満のビア６０については、小さな応力のＴｉＮ層５８は約７００Å〜約１２００Åの厚さである。この小さな応力のＴｉＮ層５８はプラズマＣＶＤによって付着されるのが好ましい。
【００２１】
プラズマＣＶＤは２つの代替方法で行える。その第１の方法は、上流側に離れた位置でのプラズマ発生を使用する。このプラズマは回転するサセプタ２０によって基板２２へ向けて押し下げられ、基板２２へ向かって移動するときに消滅して、優勢な活性化されたガス基（gas radicals）が存在するようにされる。このガス基は未励起反応ガスと結合し、ＣＶＤ法によって薄膜層５８を基板２２上に付着させる。回転するサセプタ２０の押圧作用はガス粒子の再循環および衝突を最少限に抑えて、有効な割合の基を生み出す。前述したプラズマＣＶＤの方法は、本発明の譲受人に譲渡され、本明細書でその全体を援用する「回転サセプタを使用した低温度プラズマＣＶＤによる薄膜の製造装置」と題する米国特許第５５６７２４３号に記載されている。
【００２２】
第２の方法は、これも米国特許第５５６７２４３号に記載されているが、基板表面の極く近くに集中したプラズマを発生させる無線周波数シャワーヘッド５０を使用する。ガスの全て、すなわちプラズマおよび反応ガスの両方は、無線周波数シャワーヘッド５０の電極を通されて励起される。サセプタ２０は他方の電極として作用するので、無線周波数シャワーヘッド５０およびサセプタ２０は平行なプレート電極構造を形成する。無線周波数電極の方法によれば、基板２２におけるＣＶＤに使用されたプラズマガスは、表面反応にエネルギーを与えるイオンおよび基（radicals）の両方の混合気を含む。
【００２３】
さらに詳しくは、一方のＣＶＤ処理は、基板２２の上流側に各種の励起されたガス粒子を含むガスプラズマを発生させるためにプラズマ源を使用しており、ガス粒子には帯電されたイオンおよび励起された電荷的に中性の基、ならびに遊離基が含まれる。励起されたプラズマガス粒子および優勢な励起された基粒子は、結合して中性の分子を形成する前に、表面へ運ばれる。励起された基は１以上の反応ガスと化学反応して基板２２上に薄膜３２を形成する。励起された基は表面反応にエネルギーを与え、これにより従来のＣＶＤ法に比べてかなり低い温度でＣＶＤが使用できるようになる。
【００２４】
１種以上の反応ガスが基板２２の表面３３の上方の付着空間に導入され、活性化されたガス基と混合される。回転するサセプタ２０の下方へ向かう押圧作用は、それと同時に基および反応ガスの混合気を基板２２の表面３３へ向けて引く。表面３３においては、基および反応ガスの混合気は基板２２の中央から半径方向外方へ向かって実質的に均一な層流パターンにて流れ、励起された基は表面反応域で反応ガス粒子と反応して、基板２２上に薄膜３２が付着されることになる。
【００２５】
活性化された基は表面反応にエネルギーを供給し、これにより基板２２の表面で化学反応を生じるのに必要とされる熱エネルギーのような必要エネルギーを減少させる。それ故に、従来のＣＶＤ処理で必要とされる温度よりかなり低い温度で付着が行われる。例えば、プラズマＣＶＤを使用したチタン含有層の付着は、従来の幾つかの熱ＣＶＤ処理の場合の１０００゜Ｃに対して６００゜Ｃ以下で遂行される。
【００２６】
第１ＴｉＮ層５６と第２の小さい応力のＴｉＮ層５８との合計と定義されるＴｉＮ薄膜３２の全体の厚さは、約１５００Å〜約２０００Åである。コンタクトプラグ６１の形成においてＴｉＮ薄膜３２を付着させるこの２段階処理シーケンス（sequence）は、約６５０゜Ｃの温度の固定サセプタ２０を使用して図２に示すような単一反応室４６内で行うことができる。
【００２７】
代替実施例において、また図４を参照すれば、コンタクトプラグ６１を形成するのに単一段階処理が使用される。ＴｉＮ薄膜３２は約１５００Å〜約２０００Åの単一のＴｉＮ層６４で構成される。このＴｉＮ層６４は約６５０゜Ｃの温度の固定サセプタ２０による熱ＣＶＤを使用して基板２２の酸化物層３０上に付着される。この結果、１００％の一致性を有するＴｉＮ薄膜３２が形成され、これは一方で酸化物層３０の壁面に接着され、また一方でビア６０を完全に充填する。しかしながらこの技術の欠点は、微小割れ６６が形成されることである。ＴｉＮ薄膜３２の表面３３に現れる微小割れ６６は、抵抗値を増大させるほど大きい表面材料の不連続部として定義される。微小割れはしたがってＩＣの性能を最良でなくする。
【００２８】
さらに他の代替実施例において、また図５Ａおよび図５Ｂを参照すれば、ビア６０はプラズマＣＶＤによって単一層６７として付着されたＴｉＮ薄膜３２のコンタクトプラグ６１を充填される。形成されたＴｉＮ薄膜３２は約１５００Å〜約２０００Åの厚さである。薄膜３２は小さな応力を有し、それ故に図４に見られるような微小亀裂６６は実質的に存在しない。しかしながら、熱ＣＶＤのためのサセプタ２０の温度が約６００゜Ｃのときに一致性は約８０％であり、熱ＣＶＤのためのサセプタ２０の温度が約４００゜Ｃのときに一致性は約６０％である。これは、鍵穴のような穴７０が生じて、ビア６０内にコンタクトプラグ６１を形成するために付着されたＴｉＮがビア６０を完全に充填せず、ＴｉＮを埋め込まれない「鍵穴」７０がそのまま残されるので望ましくない。鍵穴７０の形成は、ビア６０が実質的に垂直な壁７２、すなわちベースに対して実質的に直角な壁を有するときに生じる。傾斜壁７４を有するビア６０では鍵穴７０の形成は解消される。ビア６０の特定の直径および深さによってこの傾斜度は変化するが、底部におけるビア６０の直径Ｄを割って計算された面積部分を段階被覆により充填するようにＴｉＮを付着させることで、全てのプラズマＣＶＤ反応でビア６０が完全に充填され、鍵穴７０の形成が解消される。
【００２９】
使用において、本発明は直径が約０．１６μｍ未満のビア６０の体積部分にＴｉＮだけでなるコンタクトプラグ６１を充填し、タングステンキャッピング層を必要とせずにコンタクトプラグ６１をキャッピングする有効且つ効率的な方法を提供する。
【００３０】
本発明は実施例を説明して示され、また図示実施例はかなり詳細に説明されたが、付随的な利点および変更は当業者に容易に明白となるであろう。例えば、プラズマＣＶＤ処理したＴｉＮは、低圧ＣＶＤ処理したＴｉＮを不完全に充填された傾斜壁７４を有するビア６０を、完全に充填するのに使用できる。これは約０．１６μｍを超える大きなビア６０の充填を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  サセプタおよび基板の概略図である。
【図２】  ＣＶＤのための反応室の概略横断面図である。
【図３】  ２段階法により形成されたコンタクトプラグの概略図である。
【図４】  １段階法により形成されたコンタクトプラグの概略図である。
【図５】  ＡおよびＢは代替の１段階法により形成されたコンタクトプラグの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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