(57)【要約】基板上に一つ以上の金属相互接続部を囲んでいる誘電体材料上にバリヤ層を選択的に堆積する方法が開示される。バリヤ層は、所定数の堆積サイクルを含む周期的堆積プロセスに続いてパージステップを用いて金属膜上に選択的に堆積させる。各堆積サイクルは、プロセスチャンバ内で基板上に形成された誘電体材料上に高融点金属含有前駆体と還元ガスを交互に吸着させる工程を含んでいる。
2005531918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体材料上にバリヤ層を選択的に形成する方法であって、
プロセス環境にさらされた金属形状が誘電体材料で囲まれた基板を準備するステップと、
周期的堆積プロセスを用いて該誘電体材料上にバリヤ層を形成するステップであって、該周期的堆積プロセスが所定数の堆積サイクルに続いてパージステップを含み、各堆積サイクルが該プロセス環境に高融点含有前駆体と還元ガスを交互に供給する工程を含んでいる、前記ステップと、
該バリヤ層の所望の厚さが形成されるまで該周期的プロセスを繰り返すステップと
を含む、前記方法。
【請求項２】
該所定数の堆積サイクルが、該誘電体材料上に該バリヤ層を形成し始めるが該さらされた金属形状上に該バリヤ層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数より少ないように選択される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
該高融点含有前駆体がタンタル含有前駆体である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
該タンタル含有前駆体が、ペンタキス（ジメチルアミド）タンタル（ＰＤＭＡＴ）、ペンタキス（ジエチルアミド）タンタル（ＰＤＥＡＴ）、ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）、t-ブチルアミノトリス（メチルエチルアミド）タンタル（ＴＢＴＭＥＴ）、t-ブチルアミノトリス（ジメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＭＴ）、ビス（シクロぺンタジエニル）タンタル三水素化物、ビス（メチルシクロペンタジエニル）タンタル三水素化物及びt-ブチルアミノトリス（ジエチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）からなる群より選ばれる、請求項３記載の方法。
【請求項５】
該タンタル含有前駆体がペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）である、請求項４記載の方法。
【請求項６】
該タンタル含有前駆体が、キャリアガスを約３０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）〜約１５００ｓｃｃｍで、該タンタル含有前駆体が内部にあるアンプルに流し込むことにより供給される、請求項３記載の方法。
【請求項７】
該タンタル含有前駆体が、キャリアガスを約１００ｓｃｃｍで、該タンタル含有前駆体が内部にあるアンプルに流し込むことにより供給される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
該タンタル含有前駆体が約５秒〜約５０秒の持続時間だけ供給される、請求項３記載の方法。
【請求項９】
該タングステン含有前駆体が約１５秒の持続時間だけ供給される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
該還元ガスが、アンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）、メチルヒドラジン（ＣＨ3Ｎ2Ｈ3）、ジメチルヒドラジン（Ｃ2Ｈ6Ｎ2Ｈ2）、t-ブチルヒドラジン（Ｃ4Ｈ9Ｎ2Ｈ3）、フェニルヒドラジン（Ｃ6Ｈ5Ｎ2Ｈ3）、2,2’-アゾイソブタン（（ＣＨ3)6Ｃ2Ｎ2）及びエチルアジド（Ｃ2Ｈ5Ｎ3）からなる群より選ばれる、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
該還元ガスがアンモニア（ＮＨ3）である、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
該還元ガスが約１５０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）〜約７００ｓｃｃｍで供給される、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
該還元ガスが約２５０ｓｃｃｍで供給される、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
該還元ガスが約３秒〜約４５秒の持続時間だけ供給される、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
該還元ガスが約５秒の持続時間だけ供給される、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
該パージステップが、パージガスを該プロセス環境に供給する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
該パージガスが、ヘリウム（Ｈe）、アルゴン（Ａr）、窒素（Ｎ2）、水素（Ｈ2）、及びその組合せからなる群より選ばれる、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
該パージガスが約１００ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍで供給される、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
該プロセス環境が約１５０℃〜約３５０℃の温度を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
該プロセス環境が約２００℃の温度を含んでいる、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
該プロセス環境が約１００torrまでの圧力を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項２２】
該プロセス環境が約０.５torrの圧力を含んでいる、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
誘電体材料上に窒化タンタルバリヤ層を選択的に形成する方法であって、
プロセス環境にさらされた金属形状が誘電体材料で囲まれている基板を準備するステップと、
周期的堆積プロセスを用いて該誘電体材料上に窒化タンタルバリヤ層を形成するステップであって、該周期的堆積プロセスが所定数の堆積サイクルに続いてパージステップを含み、各堆積サイクルが該プロセス環境にタンタル含有前駆体と還元ガスを交互に供給する工程を含んでいる、前記ステップと、
該窒化タンタルバリヤ層の所望の厚さが形成されるまで該周期的プロセスを繰り返すステップと
を含む、前記方法。
【請求項２４】
該所定数の堆積サイクルが、該誘電体材料上に該窒化タンタルバリヤ層を形成し始めるが該さらされた金属形状上に該窒化タンタルバリヤ層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数より少ないように選択される、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
該タンタル含有前駆体が、ペンタキス（ジメチルアミド）タンタル（ＰＤＭＡＴ）、ペンタキス（ジエチルアミド）タンタル（ＰＤＥＡＴ）、ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）、t-ブチルアミノトリス（メチルエチルアミド）タンタル（ＴＢＴＭＥＴ）、t-ブチルアミノトリス（ジメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＭＴ）、ビス（シクロぺンタジエニル）タンタル三水素化物、ビス（メチルシクロペンタジエニル）タンタル三水素化物及びt-ブチルアミノトリス（ジエチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）からなる群より選ばれる、請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
該タンタル含有前駆体がペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）である、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
該タンタル含有前駆体が、キャリアガスを約３０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）〜約１５００ｓｃｃｍで、該タンタル含有前駆体が内部にあるアンプルに流し込むことにより供給される、請求項２３記載の方法。
【請求項２８】
該タンタル含有前駆体が、キャリアガスを約１００ｓｃｃｍで、該タンタル含有前駆体が内部にあるアンプルに流し込むことにより供給される、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
該タンタル含有前駆体が約５秒〜約５０秒の持続時間だけ供給される、請求項２３記載の方法。
【請求項３０】
該タンタル含有前駆体が約１５秒の持続時間だけ供給される、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
該還元ガスが、アンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）、メチルヒドラジン（ＣＨ3Ｎ2Ｈ3）、ジメチルヒドラジン（Ｃ2Ｈ6Ｎ2Ｈ2）、t-ブチルヒドラジン（Ｃ4Ｈ9Ｎ2Ｈ3）、フェニルヒドラジン（Ｃ6Ｈ5Ｎ2Ｈ3）、2,2’-アゾイソブタン（（ＣＨ3)6Ｃ2Ｎ2）及びエチルアジド（Ｃ2Ｈ5Ｎ3）からなる群より選ばれる、請求項２３記載の方法。
【請求項３２】
該還元ガスがアンモニア（ＮＨ3）である、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
該還元ガスが約１５０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）〜約７００ｓｃｃｍで供給される、請求項２３記載の方法。
【請求項３４】
該還元ガスが約２５０ｓｃｃｍで供給される、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
該還元ガスが約３秒〜約４５秒の持続時間だけ供給される、請求項２３記載の方法。
【請求項３６】
該還元ガスが約５秒の持続時間だけ供給される、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
該パージステップが、パージガスを該プロセス環境に供給する工程を含む、請求項２３記載の方法。
【請求項３８】
該パージガスが、ヘリウム（Ｈe）、アルゴン（Ａr）、窒素（Ｎ2）、水素（Ｈ2）、及びその組合せからなる群より選ばれる、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
該パージガスが約１００ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍで供給される、請求項３７記載の方法。
【請求項４０】
該プロセス環境が約１５０℃〜約３５０℃の温度を含んでいる、請求項２３記載の方法。
【請求項４１】
該プロセス環境が約２００℃の温度を含んでいる、請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
該プロセス環境が約１００torrまでの圧力を含んでいる、請求項２３記載の方法。
【請求項４３】
該プロセス環境が約０.５torrの圧力を含んでいる、請求項４２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
[0001]本出願は、２００１年１２月２１日に出願された米国仮特許出願第６０/３４２,３０７号の恩典を主張し、その開示内容は本明細書に全体で援用されている。
【発明の背景】
【０００２】
1.発明の分野
[0002]本発明の実施形態は、一般的には、バリヤ層形成方法に関する。
【０００３】
2.関連技術の説明
[0003]集積回路は、シングルチップ上に何百万という素子（例えば、トランジスタ、キャパシタ、レジスタ）を含むことができる複雑なデバイスへ発展してきた。チップ設計の発展には、より高速な回路でより高い回路密度が絶えず必要とされる。より高い回路密度の要求には、集積回路素子の寸法の縮小化が必要である。
【０００４】
[0004]集積回路素子の寸法が縮小する（例えば、サブミクロン寸法）につれて、そのような素子を製造するために用いられる材料は電気的性能に寄与する。例えば、低抵抗率の金属相互接続部（例えば、アルミニウム（Ａl）、銅（Ｃu））によって、集積回路上の素子間の導電路が設けられる。
【０００５】
[0005]図１を参照すると、金属相互接続部２は、典型的にはバルク絶縁材料４によって相互に電気的に分離している。隣接した金属相互接続部２間の距離及び/又はバルク絶縁材料４の厚さがサブミクロン寸法であるとき、容量結合がその相互接続部２の間で生じる。隣接した金属相互接続部２間の容量結合によって、クロストーク及び/又は抵抗-キャパシタンス（ＲＣ）遅延が生じてしまい、集積回路の性能全体を低下させる。
【０００６】
[0006]隣接した金属相互接続部間の容量結合をできるだけ少なくするために、低誘電率バルク絶縁材料４（例えば、約３.５未満の誘電率）が用いられる。低誘電率バルク絶縁材料の例としては、特に、二酸化シリコン（ＳiＯ2）、ケイ素塩ガラス、有機ケイ酸塩ガラスが挙げられる。
【０００７】
[0007]更に、バリヤ層６は、バルク絶縁材料４から金属相互接続部２をしばしば分離する。バリヤ層６は、金属の金属相互接続部２からバルク絶縁材料４への拡散を最少にする。金属相互接続部２からバルク絶縁材料４への金属の拡散は、そのような拡散が集積回路の電気的性能（例えば、クロストーク及び/又はＲＣ遅延）に影響することがあり、作用不能にもし得ることから望ましくない。バリヤ材料の例としては、特に、チタン（Ｔi）、タンタル（Ｔa）又はタングステン（Ｗ）ような高融点金属、特に、窒化チタン（ＴiＮ）、窒化タンタル（ＴaＮ）又は窒化タングステン（ＷＮ）のような高融点金属窒化物が挙げられる。
【０００８】
[0008]バリヤ材料は、典型的には、物理気相堆積（ＰＶＤ）技術及び/又は化学気相堆積（ＣＶＤ）技術を用いて堆積される。そのような技術によって、金属相互接続部２や絶縁材料４を含んでいる相互接続部構造の全表面上にバリヤ材料が堆積する。しかしながら、相互接続構造の寸法がサブクウォーターミクロンである場合、金属相互接続部２上のバリヤ材料の堆積は、デバイスの電気的性質を低下させてしまう相互接続構造の抵抗率を上げる傾向がある。
【０００９】
[0009]従って、絶縁材料上にバリヤ層を選択的に堆積させる方法が求められている。
【発明の概要】
【００１０】
[0010]基板上に一つ以上の金属相互接続部を囲んでいる誘電体材料上にバリヤ層を選択的に堆積させる方法が記載される。バリヤ層は、例えば、窒化タンタル（ＴaＮ）の高融点金属窒化物を含むことができる。バリヤ層は、所定数の堆積サイクルを含む周期的堆積プロセスに続いてパージステップを用いて金属膜上に選択的に堆積される。
【００１１】
[0011]周期的堆積プロセスにおいて、それぞれの堆積サイクルは、プロセスチャンバ内で基板上に形成される誘電体材料上に高融点金属含有前駆体と還元ガスを交互に吸着させる工程を含んでいる。高融点金属含有前駆体と還元ガスは、反応して誘電体材料上にバリヤ層を形成する。所定数の堆積サイクルが完了した後、プロセスチャンバは高融点金属含有前駆体と還元ガスの双方をパージする。所定数の堆積サイクルに続いてプロセスチャンバパージを行うこの堆積順序は、バリヤ層の所望の厚さが得られるまで繰り返すことができる。
【００１２】
[0012]所定数の堆積サイクルは、異なる種類の材料層上にバリヤ材料を堆積し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数の差を利用するように選択される。従って、所定数の堆積サイクルは、誘電体材料上にバリヤ材料を堆積し始めるように有利に選択されるが、金属相互接続部上にそのようなバリヤ材料を堆積し始めるために必要とされる堆積サイクルの数より少ない。そのようにして、バリヤ材料は、いかなる金属相互接続部上にも堆積されることなく誘電体材料上にだけ堆積される。
【００１３】
[0013]バリヤ層の選択的堆積は、集積回路製造プロセスと適合する。一集積回路製造プロセスにおいて、バリヤ層はダマシン構造に用いられる。そのような実施形態の場合、好ましいプロセス順序には、バイアが金属形状を通って画成された基板上に一つ以上の誘電体材料層を設ける工程が含まれている。バリヤ層は周期的堆積プロセスを用いて誘電体材料上に選択的に堆積され、所定数の堆積サイクルのそれぞれが高融点金属含有前駆体と還元ガスを誘電体材料上に交互に吸着させる工程を含み、プロセスチャンバパージステップが続けられる。周期的堆積プロセスは、バリヤ層の所望の厚さが得られるまで繰り返される。バリヤ層が誘電体材料上に選択的に堆積された後、バイアを導電材料で充填することによりダマシン構造が完成する。
【００１４】
[0014]本発明の上記特徴が得られる方法が詳細に理解され得るように、上で簡単に纏められた本発明は、添付の図面に示されるその実施形態によって更に具体的に説明することができる。
【００１５】
[0015]しかしながら、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すので、その範囲を限定するものとみなされるべきでなく、本発明は他の同等に有効な実施形態を許容することができることは留意すべきである。
【好適実施形態の詳細説明】
【００１６】
[0024]図２は、本明細書に記載される実施形態に従って周期的堆積プロセスを行うために使用し得るプロセスチャンバ３６を示す断面略図である。プロセスチャンバ３６は、一般的には、基板を支持するために用いられている（図示されていない）ウエハ支持ペデスタル１４８を収容している。ウエハ支持ペデスタル１４８は、変位メカニズム１４８aを用いてプロセスチャンバ３６の内部で垂直方向に移動可能である。
【００１７】
[0025]個々のプロセスによっては、基板は堆積の前に或いは堆積中に所望のある温度に加熱することができる。例えば、ウエハ支持ペデスタル１４８は、埋め込まれたヒータ要素１５２aを用いて加熱することができる。ウエハ支持ペデスタル１４８は、ＡＣ電源１５２からヒータ要素１５２aへ電流を加えることにより抵抗加熱することができる。基板（図示せず）は、ペデスタル１４８によって加熱される。或いは、ウエハ支持ペデスタル１４８は、例えば、ランプ（図示せず）の放射ヒータを用いて加熱することができる。
【００１８】
[0026]熱電対のような温度センサ１５０aも、従来の方法でペデスタル１４８の温度をモニターするためにウエハ支持ペデスタル１４８に埋め込まれている。加熱素子１５２aに対してＡＣ電源１５２を制御するために計測温度がフィードバックループに用いられ、基板温度が具体的なプロセス適用に適した所望の温度で維持又は制御し得る。
【００１９】
[0027]真空ポンプ１１８は、プロセスチャンバ３６を排気するとともにプロセスチャンバ３６内部の圧力を維持するために用いられる。処理ガスがプロセスチャンバ３６へ導入されるガスマニホールド１３４は、ウエハ支持ペデスタル１４８の上に位置する。ガスマニホールド１３４は、種々のプロセスガスをプロセスチャンバ３６に制御し供給するガスパネル１１１に接続されている。
【００２０】
[0028]ガスマニホールド１３４へのガス流量の適切な制御と調節は、マスフローコントローラ（図示されていない）とマイクロプロセッサコントローラ１５４によって行われる。ガスマニホールド１３４は、処理ガスがプロセスチャンバ３６に導入され且つ一様に配分されることを可能にする。更に、ガスマニホールド１３４は、マニホールド内であらゆる反応性ガスの凝縮を防止するために加熱されてもよい。
【００２１】
[0029]ガスマニホールド１３４は、複数の電子制御バルブ（図示されていない）を含んでいる。本明細書に用いられる電子制御バルブは、約１〜２秒未満、更に好ましくは約０.１秒未満のバルブの開閉サイクルにより迅速且つ正確なガス流量をプロセスチャンバに供給できるあらゆる制御バルブを意味する。
【００２２】
[0030]マイクロプロセッサコントローラ１５４は、様々なチャンバとサブプロセッサを制御するために産業設定において使用し得る汎用コンピュータプロセッサ（ＣＰＵ）の任意の形式の一つであってもよい。コンピュータは、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、フロッピーディスクドライブ、ハードディスク、又はローカル又はリモートの他のあらゆる形のディジタル記憶装置のような適当なあらゆるメモリ１７２を用いることができる。従来の方法でプロセッサを支持するために様々な支援回路１７３をＣＰＵに結合することができる。必要とされるソフトウェアルーチンは、メモリに保存されても遠く離れて置かれた二次ＣＰＵによって実行されてもよい。
【００２３】
[0031]ソフトウェアルーチンは、プロセスレシピ又はシーケンスを開始するために実行される。ソフトウェアルーチンは、実行されるとき、汎用コンピュータでチャンバ操作を制御してチャンバプロセスが行われる特定のプロセスコンピュータへ変換する。例えば、ソフトウェアルーチンは、本発明のプロセスシーケンスを実行するために電子制御バルブの活性化を正確に制御するために用いることができる。或いは、ソフトウェアルーチンは、アプリケーション特定の集積回路又はハードウェア実行としてのハードウェア、又はソフトウェア又はハードウェアの組合せで実行することができる。
【００２４】
誘電体層上の選択的バリヤ層堆積
[0032]基板上に形成された誘導体体層上にバリヤ層を選択的に堆積する方法が記載される。バリヤ層は、例えば、特に窒化タンタル（ＴaＮ）の高融点窒化金属を含むことができる。バリヤ層は、所定数の堆積サイクルを含む周期的堆積プロセスに続いてパージステップを用いて誘電体層上に選択的に堆積される。
【００２５】
[0033]周期的堆積プロセスにおいては、それぞれの堆積サイクルは、プロセスチャンバ内で基板上に形成された誘電体層上に高融点金属含有前駆体と還元ガスを交互に吸着させる工程を含んでいる。高融点金属含有前駆体と還元ガスは反応して金属膜上にバリヤ層を形成する。所定数の堆積サイクルが完了した後、プロセスチャンバは高融点金属含有前駆体と還元ガスの双方がパージされる。所定数の堆積サイクルに続いてプロセスチャンバパージを行うこの堆積順序は、所望の厚さのバリヤ層が得られるまで繰り返すことができる。
【００２６】
[0034]所定数の堆積サイクルは、異なった種類の材料層上にバリヤ材料を堆積し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数の差を利用するように選択される。従って、所定数の堆積サイクルは、誘電体層上にバリヤ材料を堆積し始めるように有利に選択されるが、それに隣接した金属膜上にそのようなバリヤ材料を堆積し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数より少ない。
【００２７】
[0035]図３は、一定のキャリアガスフローを使って誘電体層上のバリヤ層を選択的に堆積するのに用いられる種々のステップを詳述した本発明のプロセスシーケンス２００を示すものである。これらのステップは、上記図２と同様のプロセスチャンバ内で行われてもよい。ステップ２０２に示されるように、基板はプロセスチャンバへ導入される。基板は、例えば、その上に一つ以上の銅形状が誘電体材料層で囲まれたシリコン基板であってもよい。プロセスチャンバ条件、例えば、温度や圧力は、誘電体材料層上のバリヤ材料の選択的堆積を高めるとともに金属膜上のバリヤ材料の堆積を防ぐために調節される。
【００２８】
[0036]一定のキャリアガスフローが所望される一実施形態においては、キャリアガス流はステップ２０４で示されるようにプロセスチャンバ内に設定される。キャリアガスは、プロセスチャンバから揮発性反応種及び/又は副産物を除去するためにパージガスとしても働くように選択することができる。キャリアガス、例えば、特に、ヘリウム（Ｈe）、アルゴン（Ａr）、窒素（Ｎ2）、水素（Ｈ2）、又はその組合せを用いることができる。
【００２９】
[0037]ステップ２０６を参照すると、キャリアガス流はプロセスチャンバ内に設定された後、高融点金属含有前駆体のパルスがキャリアガス流に加えられる。本明細書に用いられるパルスという用語は、プロセスチャンバへ又はキャリアガス流へ注入された材料の用量を意味する。パルスは、高融点金属含有前駆体の一回の注入、又は数回の短い連続注入を含んでもよい。高融点金属含有前駆体のパルスは、所定の時間間隔の間続ける。バリヤ層が窒化タンタル（ＴaＮ）を含む場合、適したタンタル含有前駆体には、例えば、特に、ペンタキス（ジメチルアミド）タンタル（ＰＤＭＡＴ）、ペンタキス（ジエチルアミド）タンタル（ＰＤＥＡＴ）、ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）、t-ブチルアミノトリス（メチルエチルアミド）タンタル（ＴＢＴＭＥＴ）、t-ブチルアミノトリス（ジメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＭＴ）、ビス（シクロぺンタジエニル）タンタル三水素化物、ビス（メチルシクロペンタジエニル）タンタル三水素化物又はt-ブチルアミノトリス（ジエチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）が含まれてもよい。
【００３０】
[0038]高融点金属含有前駆体のパルスの時間間隔は、多くの要因、例えば、用いられるプロセスチャンバの体積容量、それに結合した真空システム、用いられる反応種の揮発性/反応性よって変わる。一般に、プロセス条件は、高融点金属含有前駆体の少なくとも単一層が、隣接した金属膜上に高融点金属含有前駆体を吸着せずに、誘電体層上に吸着されるように有利に選択される。その後、プロセスチャンバに残っている過剰量の高融点金属含有前駆体が、真空システムと組み合わせて一定のキャリアガス流によってそこから除去することができる。
【００３１】
[0039]ステップ２０８においては、過剰量の高融点金属含有前駆体が、続いて供給されるプロセスガスとの共反応又はパーティクル形成を防止するためにキャリアガス流によってプロセスチャンバから十分に除去された後に、還元ガスのパルスがキャリアガス流に加えられる。バリヤ層が窒化タンタル（ＴaＮ）を含む場合、適切な還元ガスには、例えば、特に、アンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）、メチルヒドラジン（ＣＨ3Ｎ2Ｈ3）、ジメチルヒドラジン（Ｃ2Ｈ6Ｎ2Ｈ2）、t-ブチルヒドラジン（Ｃ4Ｈ9Ｎ2Ｈ3）、フェニルヒドラジン（Ｃ6Ｈ5Ｎ2Ｈ3）、2,2’-アゾイソブタン（（ＣＨ3)6Ｃ2Ｎ2）、エチルアジド（Ｃ2Ｈ5Ｎ3）が含まれる。
【００３２】
[0040]還元ガスのパルスも、所定の時間間隔の間続ける。一般に、還元ガスのパルスの時間間隔は、すでに誘電体層上に吸着された高融点金属含有前駆体との反応に十分な量の還元ガスを供給するのに十分長くなければならない。その後、過剰量の還元ガスは、真空システムと組み合わせてキャリアガス流によってプロセスチャンバから流される。
【００３３】
[0041]ステップ２０４〜ステップ２０８は、バリヤ層のための堆積サイクルの一実施形態を含んでいる。そのような実施形態の場合、パルシングと非パルシングの期間を交互にすることによりモジュレートしたプロセスチャンバへ一定のキャリアガスフローが供給され、パルシング時間はキャリアガス流とともに高融点金属含有前駆体と還元ガスの間で交互にあり、非パルシング時間にはキャリアガス流のみが含まれる。
【００３４】
[0042]高融点金属含有前駆体と還元ガスの各々の、パルスの時間間隔は、持続時間が同じであってもよい。即ち、高融点金属含有前駆体のパルスの持続時間は、還元ガスのパルスの持続時間と同じであってもよい。そのような実施形態の場合、高融点金属含有前駆体の時間間隔（Ｔ1）は、還元ガスの時間間隔（Ｔ2）と等しい。
【００３５】
[0043]或いは、高融点金属含有前駆体と還元ガスの各々の、パルスの時間間隔は、持続時間が異なってもよい。即ち、高融点金属含有前駆体のパルスの持続時間は、還元ガスのパルスの持続時間より短くても長くてもよい。そのような実施形態の場合、高融点金属含有前駆体の時間間隔（Ｔ1）は、還元ガスの時間間隔（Ｔ2）と異なっている。
【００３６】
[0044]更に、高融点金属含有前駆体と還元ガスの各々の、パルスの間の非パルシング時間は、持続時間が同じであってもよい。即ち、高融点金属含有前駆体の各パルスと、還元ガスの各パルスとの間の非パルシング時間の持続時間は、同じでもよい。そのような実施形態の場合、高融点金属含有前駆体のパルスと還元ガスのパルスとの間の非パルシングの時間間隔（Ｔ3）は、還元ガスのパルスと高融点金属含有前駆体のパルスとの間の非パルシングの時間間隔（Ｔ4）と等しい。非パルシングの時間間隔の間、一定のキャリアガス流だけがプロセスチャンバに供給される。
【００３７】
[0045]或いは、高融点金属含有前駆体と還元ガスの各々の、パルスの間の非パルシング時間は持続時間が異なってもよい。即ち、高融点金属含有前駆体の各パルスと還元ガスの各パルスとの間の非パルシング時間の持続時間は、還元ガスの各パルスと高融点金属含有前駆体の各パルスとの間の非パルシング時間の持続時間より短くても長くてもよい。そのような実施形態の場合、高融点金属含有前駆体のパルスと還元ガスのパルスとの間の非パルシングの時間間隔（Ｔ3）は、還元ガスのパルスと高融点金属含有前駆体のパルスとの間の非パルシングの時間間隔（Ｔ4）とは異なっている。非パルシングの時間の間、一定のキャリアガス流だけがプロセスチャンバに供給される。
【００３８】
[0046]更に、各堆積サイクルの高融点金属含有前駆体と還元ガスの各パルスと、その間の非パルシング時間の時間間隔は、持続時間が同じであってもよい。例えば、第一堆積サイクル（Ｃ1）においては、高融点金属含有前駆体のパルスの時間間隔（Ｔ1）は、続いての堆積サイクル（Ｃ2…ＣＮ）における高融点金属含有前駆体のパルスの時間間隔（Ｔ1）の持続時間と同じであってもよい。同様に、第一堆積サイクル（Ｃ1）における還元ガスの各パルスの持続時間と、高融点金属含有前駆体と還元ガスとのパルスの間の非パルシング時間期間は、それぞれ続いての堆積サイクル（Ｃ２…ＣＮ）における還元ガスの各パルスと、金属含有前駆体と還元ガスとのパルスの間の、非パルシング期間の持続時間と同じであってもよい。
【００３９】
[0047]或いは、バリヤ層堆積プロセスの一つ以上の堆積サイクルについて、高融点金属含有前駆体と還元ガスの少なくとも一つのパルスと、その間の非パルシング時間の時間間隔は、持続時間が異なってもよい。例えば、第一堆積サイクル（Ｃ1）においては、高融点金属含有前駆体のパルスの時間間隔（Ｔ1）は、続いての堆積サイクル（Ｃ2…ＣＮ）における高融点金属含有前駆体のパルスの時間間隔（Ｔ1）より長くても短くてもよい。同様に、堆積サイクル（Ｃ1）における還元ガスの一つ以上のパルス又は高融点金属含有前駆体と還元ガスとのパルス間の非パルシング時間の持続時間も、それぞれ続いての堆積サイクル（Ｃ２…ＣＮ）における還元ガスの対応するパルスの持続時間又は高融点金属含有前駆体と還元ガスとのパルス間の非パルシング時間より長くても短くてもよい。
【００４０】
[0048]ステップ２１０を参照すると、各堆積サイクル（ステップ２０４〜２０８）の後に行われる堆積サイクルの総数が決定される。所定数の堆積サイクルが行われなかった場合には、ステップ２０４〜２０８はそのような所定数の堆積サイクルが完了するまで繰り返される。しかしながら、所定数の堆積サイクルが完了した場合には、プロセスチャンバは、ステップ２１２で示されるように、高融点金属含有前駆体と還元ガスの双方をパージする。プロセスチャンバは、キャリアガス流を用いてパージすることができる。プロセスチャンバがパージされた後、所望の厚さのバリヤ層がステップ２１４で示されるように得られるか又はステップ２１６で示されるように終了されるまで堆積サイクル（ステップ２０３〜２０８）の所定数を更に行うことができる。
【００４１】
[0049]具体的なバリヤ材料の場合、所定数の堆積サイクルは、わずかな第一堆積サイクルの範囲内で誘電体層上にバリヤ物質を堆積し始めるように選択されるが、隣接した金属膜上にそのようなバリヤ物質を堆積し始めに必要とされる堆積サイクルの数より少ない。堆積サイクルの数を、隣接した金属膜上のバリヤ材料の堆積し始めるのに必要とされる数より少なく且つプロセスチャンバをパージするより少ない所定の数に制限すると、誘電体層上にだけバリヤ材料の選択的堆積が可能になる。
【００４２】
[0050]図４について記載される代替的プロセスシーケンスにおいては、バリヤ層堆積サイクルは、高融点金属含有前駆体、還元ガス、キャリアガスの各々の別個のパルスを含むことができる。そのような実施形態の場合、バリヤ層堆積順序３００には、基板をプロセスチャンバへ導入するステップ（ステップ３０２）と、キャリアガスのパルスをプロセスチャンバへ供給するステップ（ステップ３０４）と、高融点金属含有前駆体のパルスをプロセスチャンバへ供給するステップ（ステップ３０６）と、プロセスチャンバにキャリアガスのパルスを供給するステップ（ステップ３０８）と、還元ガスのパルスをプロセスチャンバへ供給するステップと、還元ガスのパルスをプロセスチャンバへ供給するステップ（ステップ３１０）と、所定数の堆積サイクルが行われるまでステップ３０４〜ステップ３１０を繰り返すステップとが含まれている。所定数の堆積サイクルが完了したとき、プロセスチャンバは、金属含有前駆体と還元ガスの双方がパージされる（ステップ３１４）。プロセスチャンバがパージされた後、バリヤ層の所望の厚さが得られる（ステップ３１６）まで、又は終了する（ステップ３１８）まで、所定数の堆積サイクル（ステップ３０４〜ステップ３１０）を更に行うことができる。
【００４３】
[0051]高融点金属含有前駆体、還元ガス、キャリアガスの各パルスの時間間隔は、上記図３について記載された持続時間と同じでも異なってもよい。或いは、バリヤ層堆積プロセスの一つ以上の堆積サイクルにおいて、高融点金属含有前駆体、還元ガス、キャリアガスの、一つ以上のパルスの対応する時間間隔の持続時間は異なってもよい。
【００４４】
[0052]図３〜図４においては、バリヤ層堆積サイクルは、高融点金属含有前駆体のパルスから始まり、還元ガスのパルスが続いて示されている。或いは、バリヤ層堆積サイクルは、還元ガスのパルスから始まり、高融点金属含有パルスが続けられてもよい。更に、パルスはガスの一回の注入、又は数回の短い連続注入を含むことができる。
【００４５】
[0053]銅形状に隣接している酸化シリコン誘電材料上に窒化タンタルバリヤ層を選択的に形成する一具体的堆積サイクルは、上記図２と同様のプロセスチャンバにペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）のパルスとアンモニア（ＮＨ3）のパルスを連続して供給するステップを含んでいる。そのような堆積サイクルの場合、アルゴンは、適当なフローコントロールバルブ、例えば、電子フローコントロールバルブに、約１００ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）〜約１０００ｓｃｃｍ、好ましくは約５００ｓｃｃｍの流量で供給することができ、その後、約５秒〜約２５秒、好ましくは約１５秒間パルスをかけることができる。ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）は、適当なフローコントロールバルブ、例えば、電子フローコントロールバルブに、水素（Ｈ2）を約３０ｓｃｃｍ〜約１５００ｓｃｃｍ、好ましくは約１００ｓｃｃｍの流量で液体ＰＥＭＡＴを含有アするンプルに約５０℃〜約９５℃の温度で流し込むことにより供給することができ、その後、約５秒〜約５０秒間、好ましくは約１５秒間パルスをかけることができる。アルゴンは、約１００ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍの流量、好ましくは約５００ｓｃｃｍで供給され、その後、約５秒〜約２５秒間、好ましくは約１５秒間パルスをかける。アンモニア（ＮＨ3）は、適当なフローコントロールバルブ、例えば、電子フローコントロールバルブに約１５０ｓｃｃｍ〜約７００ｓｃｃｍの流量、好ましくは約２５０ｓｃｃｍで供給することができ、その後、約３秒〜約４５秒間、好ましくは約５秒間パルスをかける。基板は、約１５０℃〜約３５℃の温度で、好ましくは２００℃で、チャンバ圧は約４０torr、好ましくは約０.５torrで維持することができる。
【００４６】
[0054]所定数の堆積サイクルが行われた後、プロセスチャンバは、それにキャリアガスのフローを供給することによりパージされる。ガス、例えば、特に、アルゴン（Ａr）、ヘリウム（Ｈe）、窒素（Ｎ2）又は水素（Ｈ2）を用いることができる。プロセスチャンバは、ガスフローを約１００ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍ、好ましくは約５００ｓｃｃｍで約２分までの持続時間、好ましくは約１分間供給することによってパージすることができる。
【００４７】
[0055]図５は、銅上に窒化タンタル層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数と誘電体酸化物上に窒化タンタル層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数との比較を示すプロットである。各堆積サイクルは、約２２５℃の基板温度、約０.５torrの堆積チャンバ圧、約１５秒間パルスがかけられる水素（Ｈ2）を含む約１００ｓｃｃｍのペンタキス（エチルメチルアミド）タンタルフロー、約５秒間パルスがかけられる２５０ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ3）フロー、ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）の各パルスとアンモニア（ＮＨ3）の各パルスの間に約５秒間パルスがかけられる約５００ｓｃｃｍのアルゴン（Ａr）フローで行った。
【００４８】
[0056]図５Ａを参照すると、窒化タンタル（ＴaＮ）は、ライン４００で示されるように第１堆積サイクルで酸化シリコン上に堆積し始める。窒化タンタル（ＴaＮ）は、ライン４０５で示されるように第５堆積サイクルでフッ化ケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ）上に堆積し始める。しかしながら、窒化タンタルは、ライン４１０で示されるように第１４堆積サイクルで銅上に堆積し始める。そのようにして、上記図５Ａに示されたプロセス条件の場合、銅上に堆積せずに酸化シリコンか又はフッ化ケイ酸塩ガラス上の窒化タンタル（ＴaＮ）の選択的堆積は、１３の堆積サイクルが完了するたびにプロセスチャンバがパージされることを必要とする。
【００４９】
[0057]材料層上に窒化タンタル（ＴaＮ）層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数は、基板温度の関数として変動してもよい。例えば、窒化タンタル（ＴaＮ）層は、２００℃の基板温度で酸化シリコンと銅の双方の上に形成された。各堆積サイクルは、約０.５トルの堆積チャンバ圧、約１５秒間パルスがかけられる水素（Ｈ2）を含む約１００ｓｃｃｍのペンタキス（エチルメチルアミド）タンタルフロー、約５秒間パルスがかけられる２５０ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ3）フロー、ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）の各パルスとアンモニア（ＮＨ3）の各パルスの間で約１５秒間パルスがかけられる約５００ｓｃｃｍのアルゴン（Ａr）フローで行われた。
【００５０】
[0058]図５Ｂを参照すると、ライン４００（図５Ａ）で示されるように基板温度が約２２５℃であるときの一堆積サイクルと比較して、ライン４１５で示されるように約２００℃の基板温度で酸化シリコン上に窒化タンタル（ＴaＮ）を形成し始めるのに約５堆積サイクルが必要であった。対照的に、ライン４１０（図５Ａ）で示されるように基板温度が約２２５℃であるときの１４の堆積サイクルと比較して、ライン４２０で示されるように約２００度の基板温度で銅上に窒化タンタル（ＴaＮ）層を形成し始めるのに約４０堆積サイクルが必要であった。
【００５１】
[0059]酸化シリコン上に窒化タンタル（ＴaＮ）層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数は、プロセスチャンバ圧の関数として変動してもよい。例えば、窒化タンタル（ＴaＮ）層は、０.５torr、１torr、２torr、６torrのプロセスチャンバ圧で酸化シリコン上に形成された。各堆積サイクルは、約２１０℃の基板温度、約１５秒間パルスがかけられる水素（Ｈ2）を含む約１００ｓｃｃｍのペンタキス（エチルメチルアミド）タンタルフロー、約５秒間パルスがかけられる２５０ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ３）フロー、ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）の各パルスとアンモニア（ＮＨ3）の各パルスの間に約１５秒間パルスがかけられる約５００ｓｃｃｍのアルゴン（Ａr）フローで行った。
【００５２】
[0060]図５Ｃを参照すると、ライン４４０、ライン４３５、ライン４３０でそれぞれ示されるように０.５torr、１torr、２torrのプロセスチャンバ圧で酸化シリコン上に窒化タンタル（ＴaＮ）層を形成し始めるのに約８堆積サイクルが必要であった。対照的に、ライン４２５で示されるように６torrのプロセスチャンバ圧で酸化シリコン上に窒化タンタル（ＴａＮ）層を形成し始めるのに約２堆積サイクルが必要であった。
集積回路製造プロセス
[0061]図６Ａ〜図６Ｃは、誘電体材料上に形成された窒化タンタルバリヤ層を組込んでいる集積回路製造順序の異なる段階での基板５００を示す断面略図である。個々の処理段階によっては、基板５００は、シリコン基板又は基板５００上に形成された他の材料層に対応してもよい。図６Ａは、例えば、導電リード５０１が誘電体材料５０２で囲まれたその上に形成された基板５００を示す断面図である。導電リード５０１は、金属（例えば、アルミニウム（Ａl）又は銅（Ｃu））であってもよい。誘電体材料５０２は、酸化物（例えば、酸化シリコン）であってもよい。
【００５３】
[0062]図６Ａは、基板５００がシリコンであり、その上に銅リード５０１が形成されている一実施形態を示している。銅リード５０１の厚さは約５,０００オングストローム〜約２ミクロンであり、製造される構造のサイズに左右される。誘電材料５０２は、銅リード５０１を囲んでいる。誘電材料５０２は、低誘電率酸化シリコン層であってもよい。誘電材料５０２の厚さは、約５ミクロンまでであってもよい。
【００５４】
[0063]バイア５０３は、誘電材料５０２において銅リード５０１まで画成されている。バイアは慣用のリソグラフィやエッチング技術を用いて誘電材料５０２において画成されている。
【００５５】
[0064]図６Ｂを参照すると、窒化タンタルバリヤ層５０５は、バイア５０３の側壁を含む誘電材料５０２上に選択的に形成されている。窒化タンタルバリヤ層５０５は、上記図３〜図４に記載されたプロセスパラメータに従って形成されてもよい。タンタル窒化バリヤ層５０５の厚さは、約５０オングストローム〜約５００オングストロームでなければならない。
【００５６】
[0065]その後、図６Ｃを参照すると、バイア５０３は、アルミニウム（Ａl）、銅（Ｃu）、タングステン（Ｗ）、又はその組合せのような導電材料５０６で充填される。好ましくは、銅（Ｃu）がその抵抗率が低いために（約１.７/ｃｍの抵抗率）バイア５０３を充填するために用いられる。導電材料５０６は、化学気相堆積（ＣＶＤ）技術、物理気相堆積（ＰＶＤ）技術、電気めっき技術、又はその組合せを用いて堆積することができる。
[0066]バイア５０３の側壁を含む導電材料５０２上に窒化タンタルバリヤ層５０５を形成すると、バイア５０３が続いて導電材料５０６で充填された場合に、そのような誘電材料への金属マイグレーションが有利に阻止される。更に、バイア５０３の側壁上だけバリヤ層５０５が選択的に堆積すると、銅リード５０１上に堆積されたバリヤ材料５０５が生じる相互接続構造の抵抗率全体に対するあらゆる増大が最小になる。
【００５７】
[0067]上記は、本発明の公的実施形態に関するが、発明の他の多くの実施形態もその基本的な範囲から逸脱することなく講じることができ、その範囲は次の特許請求の範囲によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】金属相互接続部とバルク絶縁材料双方の上に形成されたバリヤ層を含む金属相互接続構造を示す断面図である。
【図２】本明細書に記載される周期的堆積プロセスを行うために使用し得るプロセスチャンバを示す断面略図である。
【図３】本明細書に記載される一実施形態に従って周期的堆積プロセスを用いて誘電体材料上にバリヤ層を選択的に堆積させる工程を組込んでいるプロセスシーケンスを示す図である。
【図４】本明細書に記載される代替的実施形態に従って周期的堆積プロセスを用いて誘電体材料上にバリヤ層を選択的に堆積させる工程を組込んでいるプロセスシーケンスを示す図である。
【図５】図５Ａは、誘電体材料上に窒化タンタル層を形成し始めるのに必要とされる堆積プロセスの数と銅上に窒化タンタル層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数との比較を示すグラフである。図５Ｂは、約２００℃の温度で酸化シリコンと銅の双方の上に窒化タンタル層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数を示すグラフである。図５Ｃは、プロセスチャンバ圧の関数として酸化シリコン上に窒化タンタル層を形成し始めるのに必要とされる堆積サイクルの数を示すグラフである。
【図６】図６Ａ〜図６Ｃは、相互接続部の製造プロセスの異なる段階での基板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
２…金属相互接続部、４…バルク絶縁材料、６…バリヤ層、３６…プロセスチャンバ、１１１…ガスパネル、１１８…真空ポンプ、１３４…ガスマニホールド、１４８…ウエハ支持ペデスタル、１５０a…温度センサ、１５２…ＡＣ電源、１５２a…ヒータ要素、１５４…マイクロプロセッサコントローラ、１７２…メモリ、１７３…支援回路、１７４…ＣＰＵ、２００…プロセスシーケンス、２０２、２０３、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４…ステップ、３００…バリヤ層堆積順序、３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８…ステップ、４００…線、４０５、４１０、４２５、４４０、４３０、４３５…線、５００…基板、５０１…導電リード、５０２…誘電体材料、５０３…バイア、５０５…バリヤ層、５０６…導電材料
【図１】
2005531918.tif 000003
【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】
2005531918.tif 000008
【図５Ｃ】
2005531918.tif 000009
【図６Ａ】
2005531918.tif 000010
【図６Ｂ】
2005531918.tif 000011
【図６Ｃ】
2005531918.tif 000012
【国際調査報告】
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2005531918.tif 000014
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