(57)【要約】【課題】１以上のアスペクト比を有する多層集積回路のビア、スルーホール又はトレンチにＡｌ電気コンタクトを形成する。【解決手段】スパッタチャンバと、堆積チャンバと、移送チャンバと、を備え、半導体基板上における薄膜層のアパーチャを充填する充填装置において、スパッタチャンバは、スパッタ堆積材料の供給源となるターゲットカソードと、半導体基板を支持するための基板位置決め部材と、ＤＣ電源装置を具備し、ターゲットカソードからスパッタされた種を生成するために使用される第１のプラズマ発生ユニットと、基板位置決め部材に接続された基板バイアスＲＦ電源装置と、ＲＦ電源装置を具備し、ターゲットカソードと基板位置決め部材との間に位置して、ターゲットカソードから前もってスパッタされた種をイオン化又は再イオン化するために使用される第２のプラズマ発生ユニットと、を具備する。【選択図】図２
2008261059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の薄膜層のアパーチャを充填するための装置において、
ａ）  前記アパーチャ表面の上に共形の薄膜層を形成するイオン化スパッタ堆積材料を供給するスパッタチャンバであって、スパッタ堆積材料ソースと、ガス供給部と、基板位置決め部材と、前記スパッタ堆積材料に衝突させるために使用する活性種を生産する第１のプラズマ発生ソースと、第二の誘導結合ＲＦプラズマ発生ソースと、を備え、該第二の誘導結合ＲＦプラズマ発生ソースは、前記スパッタ堆積材料ソースと前記基板の間に位置する該第二のプラズマ発生ソースによって発生されたプラズマを通過する、スパッタ堆積材料をイオン化するために使用されるスパッタチャンバと、
ｂ）  前記スパッタチャンバ内で前記アパーチャ上に形成された、前記共形の薄膜層の上に堆積するための材料ソースを提供する堆積チャンバと、
ｃ）  前記スパッタチャンバと前記堆積チャンバを相互接続している移送チャンバと、を備える装置。
【請求項２】
前記スパッタチャンバが、前記基板に前記イオン化スパッタ堆積材料を堆積する前に、少なくとも前記イオン化スパッタ堆積材料の一部と反応させるためにガスを前記スパッタチャンバに選択的に導入する反応ガスインレットを更に含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記スパッタ堆積チャンバが、
少なくとも１つのスパッタターゲットと、ガス入口と、前記スパッタ堆積材料を提供するために前記ターゲットに衝突する、前記第１のプラズマに前記ガスインレットから供給されるガスを変換するためのエネルギを供給するためのパワー源と、
を含む請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記スパッタ堆積チャンバが、
前記反応ガスインレットの少なくとも開口及び閉鎖をするためのバルブと、前記ターゲットのスパッタリング中に前記バルブを選択的に開閉するために連結されるシステムコントローラと、を更に含む請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記バルブは、前記ターゲットがスパッタされると、閉位置、次に開位置、そして次にまた閉位置で支持することができるバルブである請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記スパッタ堆積チャンバでの前記スパッタリングターゲットは、高融点金属を含む請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記スパッタ堆積チャンバでの前記スパッタリングターゲットは、チタンを含む請求項６記載の装置。
【請求項８】
窒素を提供するためのガス供給部を含む請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記第二のプラズマ発生ソースは、前記スパッタ堆積チャンバでプラズマ形成領域に延びた少なくとも一巻の導体を含む請求項８記載の装置。
【請求項１０】
基板バイアス電圧を提供するために前記スパッタ堆積チャンバで前記陽極に適用される電源を含む請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの薄膜層に形成されるコンタクト、ビア（ｖｉａ）及びその他のパス（ｐａｓｓ）に関し、更に薄膜層を通してパスを作るために、半導体又は他方式の基板上の１つ以上の薄膜層を貫通して延びるビア、穴又はトレンチのようなアパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ、開口）のライニング（ｌｉｎｉｎｇ）又は充填に関する。
【０００２】
本発明により、高アスペクト比のアパーチャ（即ち、１０００オングストローム程度の小ささの幅を有し且つ幅に対する高さの比が約１：０から約１２：０であるようなアパーチャ）の充填と従来技術の方法に比べて低い温度における堆積薄膜層の平坦化が可能となり、且つ、慣習的な従来技術の方法では、妥当な時間内でボイド（ｖｏｉｄ、空隙）の無い、アパーチャの充填と得られる薄膜層の平坦化とを実行し得ないような、いくつかの場合において、それらを可能とするものである。１つの副具体例では、本発明は、キャリア層と、キャリア層の構造と組成と、キャリア層を形成する方法と、そしてキャリア層を形成する方法を実施するのに用いる装置とに関し、それらの全てによって、集積回路デバイスの製造中における高アスペクト比の電気コンタクトの充填と堆積薄膜層の平坦化が可能となる。
【背景技術】
【０００３】
基板又はウェハ上における集積回路デバイスの製造中、薄膜層の、典型的には誘電性薄膜層の、穴、トレンチ又はビア（即ち、アパーチャ）を充填して、パスを、典型的には伝導性のパスを、薄膜層を貫通して作ることが必要となる。伝統的には、アパーチャの充填は、予め堆積した薄膜層、典型的にはそれを通るアパーチャを有する誘電性薄膜層、の上に充填材料の層を堆積することによって実施されてきた。例えば、コンタクトは、アルミニウムのような導体を誘電性層のアパーチャの中へ堆積させることにより誘電性層を通して作られる。アパーチャを充填するのに用いる材料がその上に堆積される材料と反応することがある場合、例えば、充填材料がアパーチャの底部にある材料と相互拡散して望ましくない品質の材料を生ずることがあるような場合、充填材料が堆積される前に障壁層をアパーチャに堆積させてアパーチャをライニングしなければならない。障壁層を堆積した後、伝導性材料をその上に堆積してコンタクトを形成する。その後のウェハ処理を可能にするため、アパーチャを充填するのに用いる伝導性材料を平坦化して、アパーチャを充填した表面上における比較的均一な厚い充填材料層の堆積の結果生ずる、薄膜層の露出部分の高さの顕著な変化を何れも低減しなければならない。
【０００４】
物理的気相堆積、即ち、"ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）"は、半導体デバイス製造において有用なアパーチャ充填の既知法の１つである。ＰＶＤでは、堆積材料から成るターゲットは、プラズマにさらされてプラズマからのイオンによってスパッタされる。ターゲットからスパッタされた材料は基板上に堆積する。その堆積材料は基板上に薄膜層を形成し、且つアパーチャを充填するのにも用いられる。平坦化された堆積薄膜層を与えるため、そしてアパーチャの充填を確実にするため、薄膜層は伝導性材料を"リフロー"させるために高温で堆積させることができ、これによってアパーチャを充填し、"平坦化した"層、即ち、比較的平坦な上表面をもつ層を作り出すのである。典型的には、リフローステップは、４８０℃以上のオーダの基板温度で実施する。
【０００５】
在来のスパッタリング法を使ってアパーチャの充填は、アパーチャのアスペクト比が大きくなるにつれ困難になってきた。穴の幅が穴の深さと等しい場合、即ち１：１のアスペクト比では、在来のスパッタ堆積技術によって穴の側面及び底部上にターゲット材料の共形堆積が確保でき且つ完全なアパーチャの充填が可能となり得る。しかしながら、１：１のアスペクト比を有するアパーチャに対しても、より低いリフロー温度でのアパーチャ充填を実施する必要性は存在する。より高いアスペクト比では、数値的には、約２：１以上のアスペクト比では、アパーチャ充填に在来のスパッタリング技術を使うのは問題が多い。その理由は、実質的に、アパーチャとスパッタの形状の結果である。ターゲットからスパッタされたターゲット粒子は直線経路を進む故、アパーチャの底部と側壁の下方部分は、基板の表面に沿って横方向へ進むようなスパッタ粒子からさえぎられる。高アスペクト比のアパーチャでは、スパッタ粒子で形成される堆積物は、アパーチャ開口部では極めて厚く、アパーチャ底部では極めて薄くなる傾向がある。スパッタされた粒子の堆積が継続されるにつれ、アパーチャ開口部に堆積する材料は、継続した堆積の間に連続して組み立てられる。この堆積物は、ターゲット材料をアパーチャ壁の底部からますます遮断することになるであろう。最後には、アパーチャ開口部で形成される層がアパーチャを完全に覆うことになり、アパーチャ中への以後の堆積材料の堆積が妨げられる。それ故、スパッタ堆積によって高アスペクト比のアパーチャを充填するには、代わりとなる方法を用いなければならない。
【０００６】
高アスペクト比のアパーチャを充填するのに用いてよいスパッタリングの１つの代替アプローチは、コヒーレント（干渉性）堆積であり、この場合、ターゲット材料の平行にされた（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）供給が、低温で、典型的には１５０℃以下で、基板の表面上に堆積されて基板上に材料の"種（ｓｅｅｄ）"層を形成する。種層を形成後、その基板を第二の、非コヒーレントスパッタリング室へ移し、基板を約４８０℃又はそれ以上の温度に維持しながら、基板上へ堆積されるスパッタ材料でアパーチャを充填する。この高温で、材料がリフローできるように基板上に堆積されることになり、これにより、１）アパーチャを充填し、２）平坦化薄膜層を生成する。リフロー技術によるアパーチャ充填と堆積薄膜層の平坦化に要する時間は、基板温度の関数である。基板温度が高ければ高いほど、アパーチャはより速く充填され且つ薄膜層はより速く平坦化される。しかし、基板が熱すぎると、種層が癒合して個々の小滴になって共形の薄膜層の形成を妨害するか、又は、先に堆積した材料が寸法変化するか、又は、熱的に劣化することになるであろう。深さが１．２μでアスペクト比がほぼ１：１のアパーチャを充填するのにリフロー技術が用いられ、且つアパーチャ充填材料としてアルミニウムが堆積される場合、約４８０℃の基板温度は、約３又は４分でアパーチャを充填して堆積層を平坦化することができる。０．５ミクロン又はそれ以下の幅のアパーチャでは、即ち、約２：１又はそれより高いアスペクト比を有する標準の１．２μの深さのアパーチャでは、リフロー法はその有効性が限定される。特に、コヒーレント堆積を用いてさえ、より高いアスペクト比の穴は時間がかかり過ぎて、許容できるリフロー温度では充填できない可能性がある。加えて、コリメーターが堆積材料の実質的な量をさえぎり、よってこれは収量とスループットを減少させることになる。
【０００７】
高アスペクト比のアパーチャを充填するもう１つの既知法は、ターゲットからスパッタされる堆積材料の少なくとも一部をイオン化してそのイオン化したターゲット材料を基板へ引き付けるものである。堆積材料をイオン化し且つそれを基板の方へ電気的に引き付けることにより、基板に到達する堆積材料は基板に垂直に進むことになろう。従って、堆積材料はアパーチャの底部に達し、アパーチャの壁の上部到達部に集まることはないであろう。
【０００８】
例えば、１９９３年１月１２日に特許されたＢａｒｎｅｓ等の米国特許第５，１７８，７３９号は、スパッタターゲット後部と基板との間に配置された中空の円筒状スパッタターゲットを含み、それら全てを真空チャンバに収容したスパッタ堆積システムを開示している。複数の磁石は、円筒ターゲットの内部表面近くに強力なプラズマ領域を作り出し、それによってターゲットからスパッタされる堆積材料の少なくとも一部をイオン化させるために該チャンバ外部に配置される。プラズマを維持させるために、ＲＦ電力がターゲットと基板との間に配置した内部ｒｆコイルを介して該チャンバ外部に誘導的に結合される。イオン化したスパッタ材料の方向とエネルギを制御するために基板は電気的にバイアスをかけられる。スパッタ堆積システムを使って作られたイオンは、プラズマ外装（ｓｈｅａｔｈ）を横切った後は低い拡散を有すると云われており、従って穴のような高アスペクト比のアパーチャを均一に充填できると云われている。（高アスペクト比の穴は、典型的には、１：１以上の高さ対幅比を有する穴（ビア）であると記述されている）。
【０００９】
イオン化堆積は、高アスペクト比の穴を充填する既知方法であるが、その技術は、在来法に比べて堆積速度が遅く、電力条件が大きく、且つその装置がより高価であるために、在来のスパッタリング技術より著しく高価になる。これらの諸制約条件にもかかわらず、当業者に信じられていることは、極めて高いアスペクト比の穴、即ちほぼ２：１以上の穴の充填は、イオン化堆積材料を使うことによってのみ達成でき、且つ在来のスパッタ堆積とリフローがその後に実施されるコヒーレント堆積法のような、他の技法は、ライン幅が減少し続けるにつれてデバイス製造者の要求を満足し得ないということである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、伝導性材料、典型的には金属又は金属合金で、最終的堆積物にボイドを形成させずに狭い高アスペクト比のアパーチャを充填して適当な集積回路の電気コンタクトを形成できるようにする手段を提供することにある。
【００１１】
金属又は金属合金の堆積は、好ましくは、４８０℃を下回る基板温度で実行され、結果的にその処理のための熱費が低くなる。さらにより好ましくは、金属又は金属合金のスパッタリングは、約３５０℃を多少下回る基板温度で実行し、基板温度を生ずるのに用いられる加熱素子の初期及び維持コスト並びにプロセスの熱費を軽減する。これらの比較的低い温度はまた、ＩＣ製造において、より低い熱分解又はクリープ温度を有するが回路設計者にとって有用な材料の使用を可能にするものである。何故なら、金属又は金属合金の堆積工程以前に基板上に堆積された堆積材料は、アパーチャを充填し且つ薄膜層を平坦化するのに本願発明の諸方法が用いられる時に従来技術のそれらよりも低い処理温度を経験することになるからである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は、集積回路デバイスの製造に有用な方法、装置及び構造を提供するものである。１つの様相では、本発明は、薄膜層を貫通して延びるアパーチャ中又は基板そのものの中にコンタクトを提供する。他の様相では、本発明は、アパーチャの充填と平坦化により１０００オングストローム程の小さい幅と約１：１から約１２：１間の範囲のアスペクト比とを有する集積回路の電気コンタクトを形成可能にするコーティング層に関する。更に別の様相では、そのコーティング層は、アパーチャの底部又は側面を形成する材料とアパーチャを充填するのに最終的に用いられる材料との間の相互拡散を防止する障壁層である。詳細には、本発明で作られる障壁層は、顕著なボイドを生じないで、アルミニウムのような、伝導性材料を使ってのアパーチャの充填を可能にするものであり、この場合、基板温度はリフロー中は３５０℃ほどの低温を下回る温度に維持される。電気コンタクトを充填するための好ましい伝導性材料は、金属及び金属合金である。最も好ましい金属及び金属合金には、例示のためであって限定するものではないが、アルミニウム、及びアルミニウムー銅、アルミニウムー銅ーシリコン、アルミニウムーシリコン、アルミニウムーゲルマニウム、アルミニウムーパラジウムーシリコンなどのアルミニウム合金の同一のリフロー温度範囲、即ち、その範囲内で材料が流れて平坦化薄膜層を生成する同一の温度範囲を有するその他の伝導性材料を含む。更に、限定はしないが、銅及び銅の合金を含む、より高いリフロー温度を有する他の材料も、本発明の諸技術を使ってアパーチャを充填するのに用いられ得るうる。本発明のキャリア層が用いられる場合、充填アパーチャと平坦化薄膜層を生成するため、伝導性材料を同時にスパッタし且つリフローするステップは、従来技術に比べ、比較的低い温度で、即ち、約４５０℃を下回る基板温度で、より好ましくは約４３０℃を下回る温度で、そして最も好ましくは約３５０℃から４００℃の範囲の温度で実行され得る。アルミニウムが穴を充填するのに用いられている伝導性材料である場合、３００℃程度の低い基板リフロー温度が考えられる。
【発明の効果】
【００１３】
１態様では、キャリア層は、スパッタ堆積の方法で形成されたものと見なしてよく、この場合、ターゲットからスパッタされる材料の少なくとも一部は、それが基板に到達する以前にイオン化して第二の材料と反応する。最も好ましい態様では、スパッタリングプラズマを生成するのに用いるガスは、ターゲットとガス原れるように、ターゲットからスパッタされる材料と反応する。
【００１４】
更に別の態様では、キャリア層は、ほぼ二乗和平方根（ｒｍｓ）が１５オングストロームより小さい表面粗さを有する滑らかな層と見なしてよい。
【００１５】
更に別の態様では、キャリア層は、その上に堆積される材料から成る層のフロー（流れ）をその上方で可能にすると特徴づけられ得る。
【００１６】
更に別の態様では、本発明は、アパーチャにコンタクトを形成する装置を提供し、この場合、アパーチャの側壁上にキャリア層を作るために第一チャンバが設けられ、且つそのキャリア層上への材料の堆積用として追加チャンバが設けられる。１つの配置構成では、第一チャンバはスパッタチャンバであり、これには、材料が基板に到達する以前にターゲットを出る材料の少なくとも一部をイオン化して、キャリア層を形成する材料の少なくとも一部がイオン化状態で堆積されることを保証するための装置が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ｉ．定義
詳細な説明の前置きとして、本明細書並びに前出の特許請求の範囲に用いられるように、名詞は、別途その前後関係が明示されない限り、複数対象を含む、ということを留意すべきである。従って、例えば、用語"半導体"は、半導体の動作特性を有することが知られている様々な各種材料を意味し、"プラズマ"と引用する場合は、ｒｆグロー放電によって励起されるガスもしくはガス反応物群が包含され、"コンタクト材質"という表現は、アルミニウム、アルミニウム合金群、及びここに記述した温度範囲以上でスパッタさせることができる融点を有するその他の伝導性材料を包含する。
【００１８】
本発明の記述にとって特に重要な特殊専門用語を以下に定義する。
【００１９】
用語"アルミニウム"は、半導体工業において代表的に用いられる種類のアルミニウムの合金を含む。該合金には、例えば、アルミニウムー銅合金、及びアルミニウムー銅ーシリコン合金がある。
【００２０】
用語"アスペクト比"（ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ）は、電気コンタクトがその中に設けられることになる特定の開口の最大の幅寸法に対する高さ（深さ）寸法の比を指す。例えば、典型的に多重層を通して円筒形状で延びるビア開口は高さと直径を有しており、そのアスペクト比は、円筒の高さを直径で割ったものになる。トレンチのアスペクト比は、トレンチの開口部の所のトレンチの幅でトレンチの高さを割ったものとなる。
【００２１】
用語"伝統的スパッタリング"は、基板上に薄膜層を形成する１つの方法であって、この場合、ターゲットをスパッタしそしてターゲットから放出される材料をターゲットと基板間に通過させて基板上に薄膜層を形成するもので、且つ材料が基板に到達する以前にターゲットから放出されるターゲット材料の実質的部分をイオン化する手段が何ら設けられない方法を指す。伝統的スパッタリングを実施できるよう構成された装置の１つが米国特許第５，３２０，７２８号に開示されており、その開示を参考として本明細書に引用する。前述の伝統的スパッタリング構成では、イオン化されるターゲット材料の割合は、ターゲットからスパッタされるものの１０％未満、より典型的には１％未満である。
【００２２】
ＩＩ．具体例序文
本発明に従い、アパーチャが１：１又はそれ以上のアスペクト比を有する場合、且つアパーチャにコンタクト又はビアを形成するために在来技術の４８０℃又はそれ以上のオーダの（基板の）リフロー温度を実質的に下回るリフロー温度で導体の堆積が実施される場合において、伝統的な、即ち、非イオン化、非コヒーレント堆積技術を使って、導体を、特にアルミニウム（及びアルミニウム合金）を薄膜層又は基板中の（トレンチ、ビア又はスルーホールのような）アパーチャ中に堆積させ得ることが明らかにされた。このことは、導体が堆積される以前に高アスペクト比のアパーチャの壁の上にキャリア層を形成することにより可能となる。このキャリア層はアパーチャを充填するのに用いられる堆積材料のフロー又は移動を高め、よって、従来技術のスパッタ及びリフロー技術では妥当な時間で充填できなかったアパーチャに在来のスパッタ及びリフロー技術を用いてアパーチャの充填を可能にするものである、ということを出願人は知得した。事実、これは、４分の間で３９０℃の基板リフロー温度でほぼ５．０のアスペクト比を有する僅かに０．２５μ幅（底部で０．１５μ）のアパーチャにおいて達成されたもので、これは在来のスパッタリング技術では実行できないとこれまで考えられていたことである。特に、本発明は、キャリア層の上にアルミニウムのスパッタ堆積を施して高アスペクト比の穴にコンタクトを形成し、よってアパーチャにコンタクトを作ることを可能にするもので、これらは在来のスパッタリング技術を使って充填するには非実用的でありもしくは不可能であると思われたものであり、又、スパッタされた伝導性材料束がイオン化され次いで基板の方へ電気的に引き付けられる場合だけ充填できると考えられていたものである。本発明には、キャリア層で可能になるような高アスペクト比のアパーチャに形成されたコンタクトと、キャリア層を形成する処理を含むコンタクト形成処理法と、更にコンタクトとキャリア層とを作るのに用いられる装置とが包含される。
【００２３】
ＩＩＩ．具体例
本発明は、薄膜層におけるアパーチャにコンタクト、ビア又は他の構造を設けるために新規な装置と新規な方法とを用いるものである。その方法と装置は、高アスペクト比の穴に、コリメーターを必要とせず、またイオン化状態のアパーチャ充填材料（典型的には、導体）を供給する必要もなく、コンタクト、ビア又は他の類似構造を設けるのに用いることができる。その方法と装置はまた、その上に堆積される充填材料をもってアパーチャの側壁上に堆積されるキャリア層をも与える。１つの特定の具体例では、材料がターゲットからスパッタされ、且つそれが基板上に堆積される以前に、少なくとも部分的にイオン化される（１０乃至１００％のイオン化）、キャリア層はイオン化堆積技術を使って堆積される。好ましくは、キャリア層の一部は非反応ターゲット材料から構成され且つキャリア層の残部は、基板上に堆積される以前に、既にガスと反応させられたターゲット材料から構成される。出願人が見い出したことは、該キャリア層は、従来技術で用いられたそれらより低いリフロー温度で、且つ平行化した種層を必要とせずに、高アスペクト比の穴の充填を容易化するということである。
【００２４】
Ａ．代表的アパーチャ
コンタクトを形成するためにここに記述された諸技術を使って充填されるビア、トレンチ又は穴のようなアパーチャの説明として、図１はキャリア層１００を含むアパーチャ１１３の略図を示す。例としての図のアパーチャ１１３は、シリコンベース１００上の二酸化シリコン薄膜層１１１を通して形成された。アパーチャ１１３は、二酸化シリコン薄膜層１１１を通してシリコンベース１１０までドライエッチングにより作られたを。
【００２５】
Ｂ．本発明のコンタクト
最初に図１を参照して説明すると、そこには、高アスペクト比のアパーチャ１１３に、特に約５：１（１．２μ高さで．２５μ幅）のアスペクト比を有するアパーチャ１１３に形成された好例のコンタクト１１８が示されている。コンタクトには少なくとも次の２つの副要素が含まれる。即ちキャリア層；及びキャリア層が堆積された後に残っているアパーチャ容積部分を充填するためにキャリア層上に堆積された伝導性材料である。ここに記述したコンタクトの具体例では、キャリア層は、ターゲットからの材料をスパッタし、それを基板上に堆積し、スパッタした材料の一部をそれが基板上に堆積される以前にターゲットと基板間の空間に維持されているガスとを反応させ、そしてまた、ターゲットからスパッタされた材料の少なくとも一部をそれが基板上に堆積される以前にイオン化することにより形成される。典型的コンタクトの伝導性材料は、低温にてキャリア層上に種層を堆積させ、その後続いて同一チャンバで伝導性材料の堆積を行い、一方、同時に行うリフロープロセスは、４分間３９０℃の基板温度で加熱することにより実行されるが、伝導性材料を含むターゲットの伝統的スパッタリングで生成した。
【００２６】
図１に示したコンタクトに関する特定の具体例では、アルミニウムが伝導性材料として使われ、伝統的スパッタリング技術を用いてキャリア層上に堆積される。コンタクトを形成するため、アパーチャは下層にある基板領域まで延びて、そのベース１１１の所でシリコン基板の露出部分を包含する。シリコンとアルミニウム間の相互拡散を防ぐため、キャリア層も障壁層として機能する。コンタクトの具体例では、障壁層は、もし望まれるなら、単一のチャンバで形成されてよい３つの下層から作る。第一下層１１２は、二酸化シリコン層１１１とシリコンベース１１０の両表面上に堆積される以前にターゲットからスパッタされそして部分的にイオン化（１０乃至１００％イオン化）されたチタンの下層であり、第二の下層１１４は、第一下層１１２上に堆積される以前に部分的にイオン化され且つ窒素と反応して窒化チタンを生成するスパッタされたチタンの層であり、そして第三下層１１６は、スパッタされたチタンと部分的イオン化状態（１０乃至１００％イオン化）で堆積された窒化チタンとの両方から構成される層である。チタン層１１２を堆積後、ケイ化チタンの薄層１２４は導体と下層基板との間に障壁層を設けるために高温アニーリングでビア１１３の底面に形成され得る。しかし、本発明のキャリア層は、ケイ化チタンを生成させるためにキャリア層をアニールしなくても障壁層として働くことになろう。
【００２７】
キャリア層は、いったん堆積されると、伝導性材料が充填できるようアパーチャ内部に内部容積部分１１７を残して、約８００オングストロームの厚さをもつ共形層を与える。コンタクト１００の残余容積部分１１７は、次いで、２分間３９０℃から１０分間３５０℃の順で比較的低い基板温度でリフロー処理を行いながら、伝統的な、即ち、非イオン化スパッタアルミニウム（又はアルミニウム合金）堆積操作によって充填される。極めて高いアスペクト比のアパーチャは、導体のスパッタ源のイオン化堆積によってのみ充填し得るという従来技術の提言とは反対に、出願人は、ここに記述したようにキャリア層を用いれば、在来のスパッタ技術によりアパーチャ充填材料を堆積し且つ高アスペクト比のアパーチャ中に流し込んでコンタクト、ビア等を形成できるということを見い出した。それ故、このキャリア層を採用することにより、従来の方法でスパッタしたアルミニウム層を用いてアパーチャの残余容積を充填してコンタクトを作ってもよい。スパッタしたアルミニウムのイオン化堆積に要する装置が、スパッタ材料の標準的な、即ち、伝統的な堆積に要するそれよりはるかに高価であるという理由から、この処理は望ましいものである。更に、キャリア又は障壁層によって、従来技術のそれらより実質的に低いリフロー温度でアパーチャ中に従来法でスパッタしたアルミニウム層の堆積が可能となる。
【００２８】
Ｃ．本発明のキャリア層
１．キャリア層の１具体例
本発明のキャリア層は、コンタクトに関して上述したように、障壁層として用いてよく、又は、障壁層が不要な場合に導体のような充填材料で高アスペクト比のアパーチャの充填を促進するのに用いてもよい。何れの場合においても、キャリア層により、従来法に比べて低い温度のリフロー処理において及び／又はより速い充填・平坦化時間で高アスペクト比を有するアパーチャを充填材料で充填することが可能となる。キャリア層は、多くの方法で特色付けてよい。特性に関する何れかの特性を満足するキャリア層により、従来法に比べて低い温度と速いリフロー時間で高アスペクト比のアパーチャの充填が可能となると考えられる。１つの特性では、キャリア層は、滑らかな層、即ち、従来法と比べて低い表面粗さを有する露出表面をもつ層である。該平滑層の１つは、稠密円柱障壁層材料の構造を含み、この場合、円柱は、アパーチャ壁に対して実質的に垂直に配置される。別の特性において、キャリア層はぬれ効果を有する。即ち、その上の材料、アルミニウム及びその合金を含む特定材料のフローを助長する。更に別の特性において、キャリア層は、スパッタ粒子のイオン化され、部分的に反応性の堆積という処理によってアパーチャの壁面と底部とに材料を堆積させることにより形成されるもので、即ち、ここでは、ターゲットからスパッタされる材料は少なくとも一部分イオン化され、部分的にガスと反応し、そしてそのイオン化され部分的に反応した材料は、基板支持体上に印加された電界の維持による等の方法で、基板の方へ向けられる。
【００２９】
ビア、トレンチ、及びスルーホールのようなアパーチャをライニングするための、本発明のキャリア層構造の１具体例は、イオン化されスパッタされた耐熱性金属の層を基板上に堆積し、続いて基板上に耐熱性金属化合物の第二の層を堆積させるためスパッタされた耐熱性金属を反応雰囲気においてイオン化堆積し、続いて耐熱性金属化合物を生成させ且つイオン化された耐熱性金属によって部分的に基板上に第三の層を形成するため予めガスと反応させられたイオン化された耐熱性金属から部分的に構成される層を堆積することにより、達成されるものである。第三の層は、ターゲットがスパッタされる時に、ターゲットと基板間の領域にスパッタされた耐熱性金属と反応するガスを維持することによって生成された、ある割合の耐熱性金属化合物を含有してよく、好ましくは、第三層において生成された最高濃度の耐熱性金属化合物を第二層に隣り合わせ、結果的に、第三層の外表面の方へ（化合物の濃度の少ない）耐熱性金属の濃度を増やす。この第三層の組成をもたらす既知法の１つは、チャンバを有毒化（ｐｏｉｓｏｎｅｄ）モードに維持することである。即ち、この場合、反応性ガスの量が、スパッタされた材料とガスとの間の完全な反応を確保するのに要する量を超え、そしてスパッタリングを継続させるためにアルゴン（又は他の非反応性種）の供給を維持しながら反応性ガスの供給を遮断することである。残留している反応性ガスはスパッタされた材料と反応し、その結果、有効量の反応性ガスは、化合物を生成するのに使われるので、減少することになる。好ましくは、ガスをプラズマ状態に保持する電力は、全ての反応性ガスが反応する前に切られ、よって、キャリア層の最外表面は、純粋な形のスパッタ材料と、スパッタ材料と反応性ガスから成る化合物とを両方とも含む。キャリア層が堆積されてしまえば、電気コンタクト、即ち、一般には金属化層は、ターゲットからのアルミニウムのような伝導性材料のスパッタリングにより及び在来のスパッタリングとリフロー技術を使ってそれを平滑な障壁層構造の第三の層の上に堆積することによって得ることができる。図１のキャリア層の具体例では、キャリア層は、３つの層：Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮｘを含む。制限無しでＴａＮとＴａを含む、他の耐熱性金属及び耐熱性金属化合物によって本発明の諸利点を実現できる、ということは出願人も信じているところである。加えて、本発明の好ましい実施では、キャリア層が多重の下層を含み、この場合、各下層は同一の金属ベースから構成されること、即ち、ＴｉがＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮｘのベース金属であることが想定されているが、多重レベルのキャリア層の個々の層は、各層のベース金属として異なった材料から構成されてもよいと出願人は思う。多層キャリア層を形成するのに、Ｔｉのような、単一ベース金属を使用する主な利点の１つは、キャリア層全体を単一チャンバにおいて連続処理で堆積できる、ということである。
【００３０】
例示したコンタクト１１８のキャリア又は障壁層は３つの異なった下層を設けられているが、最外層はまさしく、即ち特定例においてＴｉとＴｉＮから形成されたＴｉＮｘ層（ｘは、その層のＴｉＮの重量による割合を反映する）、又はＴｉＮ層はまさしく、本発明の高度のアパーチャ充填特性を実現できるものと出願人は思う。
【００３１】
２．キャリア層の特性
キャリア層の１つの特性はその微細構造にあることを出願人は見い出した。標準の反応性スパッタリング法を使って生成された耐熱性金属又は金属合金の微細構造のため、リフロー操作を受けるスパッタアルミニウムが高アスペクト比のアパーチャ中へ難なく流れ込みそしてそれを充填することはない。このことは、従来法でスパッタされた耐熱性金属化合物の表面形状並びにぬれ性の欠如に起因するものと思われる。しかし、本発明のキャリア層の１つの特性は、比較的滑らかな表面であり、そのオングストローム単位の表面粗さは、従来技術の、伝統的にスパッタされた障壁層（約４０−５０オングストローム）のほぼ三分の一（約１５オングストローム）である。この比較的平滑な層によって、従来の伝統的にスパッタした障壁層と比較して、より低い温度で、且つ集積回路製造の時間的制約の範囲内で、即ち、ほぼ５分で、高アスペクト比の穴を充填することが可能となることが見い出された。事実、本発明のキャリア層は、アスペクト比が５：１で幅が約２５００オングストロームのアパーチャのアルミニウム導体による充填を可能にしており、これは、従来法に従う限り妥当な時間内では不可能なことである。これらの諸性質を有するアパーチャ中に伝統的スパッタリング法を使ってアルミニウムをスパッタ堆積させると、そのスパッタしたアルミニウムは許容し難いボイドで一杯になった。そのボイドを除去するためにアルミニウムをリフローしようと試みたが、高温においてすら成功しなかった。
【００３２】
キャリア層の別の特性は、その方位がアパーチャ壁に垂直な全体に縦のグレン構造を有する、堆積材料の複数の稠密結晶性又は顆粒状堆積物のそれである。キャリア層が伝統的スパッタリング法を使って堆積される場合における従来技術の構造では、同様のグレン又は結晶性構造が形成されるが、それらの方位はアパーチャ壁に垂直ではなく、且つその端面は上方に面し一連の鋸歯エッジを生ずる。これらのエッジが、従来技術では、アパーチャ壁の下方への導体のフローを阻止するものと思われる。
【００３３】
キャリア層の更に別の特性としては、それによって、そこを通過する導体材料のフローを助長するぬれ層が形成されることである。特に、その層は、そこを通過する導体材料のフローを助長して、アパーチャのボイドフリー堆積を可能にするものと出願人は考える。
【００３４】
これらの諸特性の各々は、本明細書に記述したようなイオン化堆積技法を使って３層、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮｘ層を形成することにより実現できるものである。
【００３５】
Ｄ．方法
本発明のコンタクト構造は、先ず、キャリア層をアパーチャの壁及び底部上に堆積し、その後、伝統的スパッタ技術を使って充填材料を堆積させ且つアパーチャ充填のためその材料をリフローしてアパーチャを充填することにより、ビア、スルーホース、又はトレンチのようなアパーチャ内部に作られる。アパーチャをライニングするのに用いられるキャリア層は、イオン化堆積法によって、好ましくは、スパッタ材料束をイオン化することにより生成される。キャリア層は、好ましくは、イオン化スパッタした耐熱性金属の少なくとも１層から構成され、それは、部分的にガスと反応して薄膜層（１００オングストローム又はそれ未満）の状態で耐熱性金属と耐熱性金属化合物とから成る薄膜層を形成する。議論上の目的で、従ってそれによって制限されるものではないが、本発明は、ここでは、耐熱性金属としてチタンを且つ耐熱性金属化合物として窒化チタンを用いて説明する。１具体例では、その構造は、図１に示し且つ上述した方式の３層構造である。
【００３６】
先に述べたように、キャリア層を形成するためイオン化スパッタしたチタンの堆積によって、この場合は、イオン化スパッタしたチタンの一部が窒素と反応することになるが、従来技術の障壁層からみて比較的滑らかな表面を有する表面がアパーチャ内に作られ、これによってその後スパッタされるアルミニウムで障壁層の表面を濡らし且つその表面上を流すことができる。事実、驚いたことには、アルミニウムは、側壁の表面上を滑り続けるように流れて、最初にスパッタしたアルミニム内部に捕捉されたボイドを何れも、従来技術のリフロー温度を著しく下回る温度で、徐々に充填する。ＴｉＮｘ層又はＴｉＮ層は、それだけでここで記述したリフロー及び充填の増進を来すと思うが、出願人は、最も好ましいキャリア層は、Ｔｉのベース層と、その上のＴｉＮ層と、更に最終のＴｉＮｘ層から構成されると考える。
【００３７】
上述の諸方法は、図５に示すような種類の低圧処理システム５００において特に都合よく実施されるものである。平滑な障壁層構造の付加操作は、図２に示す構造を有する）１つの個別低圧チャンバ５１０で実施され、一方、アルミニウムのスパッタリングは、（図２に示すチャンバと類似構造であるが、コイル２１４が無く且つ基板空間により接近してターゲットを有し、且つ基板と支持体部材間にガスを保持した基板支持体と接触して電気ヒータのような基板加熱用装置を有する）別の個別低圧チャンバ５１２で実施され、その後の処理は、更に別の個別低圧チャンバ５１３で実行される。本発明を実施するための支持体部材のヒータとガス流の構成の具体例の１つは、米国特許第５，２２８，５０１号に開示されており、ここに参考として十分編入されている。中央低圧チャンバ５１４は、個々の低圧チャンバを連結するもので、１つの個別低圧チャンバから他への製作品（ワークピース）の搬送には、ロボット（表示せず）が用いられる。
【００３８】
本発明のキャリア層に関する１つの製造法には、スパッタ材料の束を供給することと、スパッタ材料をイオン化することと、スパッタ材料の束の一部分をガスと反応させてそれが基板上に堆積される以前に化合物を生成することと、基板支持部材上にバイアスをかけてイオンを基板に引き付けて同時にスパッタ材料を堆積することと、その後で充填材料を基板上に堆積し且つ充填材料をリフローしてアパーチャを充填すること、から成る諸ステップが含まれる。好ましくは、充填材料は２段階で堆積する、充填材料の種層をほぼ１５０℃を下回る温度で堆積し、そして残りの充填材料は、基板を高温の"リフロー"温度に加熱し、その後その温度に維持しながら、堆積する。キャリア層の堆積は、第一チャンバで実施し、そして充填材料の堆積は、追加チャンバで実施する。
【００３９】
図１に示すようなキャリア層の３層構造を実現するためには、好ましくは、３つの下層全ては、単一チャンバ中で連続処理で堆積する。これは、チタン素地のキャリア層の場合、チタンターゲットをスパッタリングすることと、チタンの少なくとも一部分（１０％から１００％）をそれが基板上に堆積される以前にイオン化することと、イオン化したターゲット材料を基板の方へ引き付け且つそれをもって第一の下層を形成することと、その後、スパッタリングとイオン化が継続するように十分な量の反応ガス、好ましくは窒素、をチャンバ中へ導入して、それによってターゲットからスパッタされる材料の全てをガスと反応させて基板上にＴｉＮの複合薄膜層を形成することと、次いで、ベースターゲット、好ましくは、Ｔｉと、反応生成物、好ましくは、ＴｉＮとの両方から構成される薄膜層を基板上に形成するために、そのままターゲットをスパッタリングし且つそのスパッタターゲット材料をイオン化しながら、チャンバへの反応ガスのフローを停止すること、から成る諸ステップを実施することにより達成してよい。いったんＴｉ／ＴｉＮの下層（以後ＴｉＮｘ）が十分な厚さまで形成されてしまえば、システムへの電力を切ってスパッタリング処理を停止する。
【００４０】
適当な組成と厚みをもつキャリア層を基板上に堆積した後、基板を在来のスパッタリングチャンバへ移し、ここで、従来型のスパッタ堆積及びリフロー技術を使って充填材料をキャリア層上に堆積するが、低温での種層の形成それに続く高温でのリフローは、単一チャンバで実施してよい。
【００４１】
Ｅ．発明を実施するための装置
本発明の方法をその中で実施してよい処理システムは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）の５５００型集中処理システム（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）である。この処理システムは、図には特に示さないが、図２に示すその処理要素は、該集中処理システム内部に含まれている１つの低圧処理チャンバの中で操作できるものである。そのシステムはまた、米国特許第５，１８６，７１８号と５，２３６，８６８号に提示・説明されており、その開示は参考としてここに引用する。図２を参照して、本発明の平滑障壁層を形成するための１つの低圧処理チャンバには、（スパッタリング用プラズマを閉じ込めてスパッタリング速度を増すための）スパッタ磁石２１０と、約２４ｋＷ未満の電力値で動作するスパッタリングターゲットカソード２１２が採用されている。特殊な、Ｔｉ素地のキャリア層を形成するためのチタンのターゲットカソードは、直径１４インチ（３５．５ｃｍ）であり、このカソードに約３ｋＷから約５ｋＷまでの範囲にわたってＤＣ電力を印加した。直径８インチ（２０．３ｃｍ）のシリコンウェハから成る基板をターゲットカソード２１２から約５インチ（１２．７ｃｍ）の距離を離して配置した。高密度の、誘導結合のｒｆプラズマは、ｒｆ電力２１３を約１ＭＨｚから１３．６ＭＨｚまでの範囲にわたってターゲットと基板間のプラズマ領域を取り囲んでいる直径０．１２５インチ（０．３２ｃｍ）の水冷式金属配管２１４の（好ましくは４巻きを越える）多重巻きコイルに印加することにより、ターゲットカソード２１２と基板２１８間の領域に発生させた。５０〜８００ｋＨｚのオーダの、比較的低周波数のバイアスを基板２１８又は支持部材に印加する。生ずるセルフバイアスによって、プラズマからのイオンが基板の方へ引き付けられる。
【００４２】
キャリア層を形成するための好ましい装置は、プラズマを誘導結合し且つスパッタ材料をイオン化するのにコイルを使用するが、材料をイオン化するために他の装置も考えられる。例えば、米国特許第４，９１１，８１４号に提示・説明され、ここに参考として引用したような、ＥＣＲ源、又は米国特許第４，９９０，２２９号に提示・説明され、ここに参考として引用したような、ヘリコン方式の連結装置もとりわけ想定されるものである。同様に、１０から１００％のイオン化比率を有する堆積粒子のイオン化した流れを供給するであろうところの他の装置も、発明実施に有用であると考えられる。
【実施例】
【００４３】
ＩＶ．実施例
Ａ．実施例
Ａ  イオン化させ、部分的に背景ガスと反応させた窒化チタン／チタン層について、直径８インチ（２０．３ｃｍ）の基板の表面上で、分当たり約３００オングストロームという堆積速度を得るために、２ＭＨｚのｒｆ電力１．５ＫＷをコイル２１４に印加し、一方、５ＫＷのＤＣ電力をチタンターゲットカソード２１２へ加え、且つ３５０ｋＨｚのＡＣバイアス９０Ｗを基板プラテン電極２２０に加え、その結果、７０ＶのＤ．Ｃ．バイアスを生じた。スパッタ材料のスパッタリングとイオン化は、チャンバ圧力が約２０ｍＴから約３０ｍＴの範囲の処理チャンバで実施した。分当たり約３００オングストロームの堆積速度を得るために、スパッタ材料のスパッタリングとイオン化は、約３０ｍＴで実施した。この圧力は、ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社の５５００型集中処理システムにおいて約１０ｓｃｃｍのアルゴン送込み速度及び７０ｓｃｃｍの窒素送込み速度に対応した。処理チャンバにおける基板の温度は、約５０℃であった。
【００４４】
Ｂ．実施例
直径８インチ（２０．３ｃｍ）の基板の表面上で、イオン化チタンの分当たり約１２００オングストロームという堆積速度を得るために、２ＭＨｚのｒｆ電力１．５ＫＷをコイル２１４に印加し、一方、５ＫＷのＤＣ電力をチタンターゲットカソード２１２へ加え、且つ３５０ｋＨｚで１２０Ｗの低周波数バイアスを基板プラテン電極２２０に加え、その結果、４５ＶのＤ．Ｃ．バイアスを生じた。スパッタリングとイオン化は、チャンバ圧力が約２０ｍＴから約３０ｍＴアルゴンの範囲の処理チャンバで実施した。分当たり約１２００オングストロームの堆積速度を得るために、スパッタリングとイオン化は、約２０ｍＴで実施した。この圧力は、ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社の５５００型集中処理システムにおいて約４５ｓｃｃｍのアルゴン送込み速度に対応した。処理チャンバにおける基板の温度は、約５０℃であった。
【００４５】
Ｖ．キャリア層のステップカバレージ
図３は、印加電力と処理チャンバの圧力の関数として、イオン堆積式スパッタ化チタン及び窒化チタンに関して達成されたボトムカバレージ（ｂｏｔｔｏｍｃｏｖｅｒａｇｅ）の％を示すものである。パーセントのボトムカバレージは、スルーホールの底面におけるチタン又はその結果生じた窒化チタンのイオン化スパッタ堆積の厚さをスルーホールを囲んでいる基板の上表面上に堆積された材料の厚さのパーセントとして指すものである。従って、もしボトムカバレージが５０％なら、スルーホール底面における層の厚さは、基板の上表面上の層厚の５０％である。スパッタ粒子のイオン化堆積法を使って得られるボトムカバレージは、標準のスパッタリング法を使って達成されるものより１０倍以上大きいことが立証されている。ボトムカバレージのこの著しい上昇は、スルーホールの壁の平滑度の驚くべき上昇を伴い、これによってアルミニウムは予想外の容易さで壁の上を流れることができ、最終のコンタクト構造にボイド領域が存在しないホールの急速充填を実現できるのである。
【００４６】
図３に提示したデータは、スルーホールの底面の所で０．２５μの直径を有し且つアスペクト比が約５：１（５．０）のスルーホールに関するものである。印加した電力の作用は、ターゲットカソードのＤＣ電力に対する誘導コイルのＲＦ電力の比として計算し、その比に支持電極のＤＣバイアスを掛けた。
【００４７】
ＶＩ．０．２５ミクロンのアパーチャ用処理ウインドウ
図４は、約５のアスペクト比を有する直径０．２５μのスルーホールのアルミニウム充填を実現できるアルミニウムスパッタリングについての時間温度条件を示す。スルーホールは、シリコンウェハ基板上に堆積させた二酸化シリコン層約１．２μ厚をドライエッチングして作製した。次いで、本発明の３層Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉｘのイオン化スパッタ材料構造体を（下層のシリコン基板を含む）スルーホール上に加えた。
【００４８】
図４に表したスルーホールは、スルーホールを含んでいる基板の表面上に加えられた厚さ約２００オングストローム堆積のイオン化スパッタ材料の第一層でライニングした。典型的には、ホール底面でのチタン層の厚さは約１４０オングストロームで、これはスルーホールを囲んでいる基板の上表面上の２００オングストローム厚の堆積の約７０％であった（ボトムカバレージは約７０％であった）。続いて、窒化チタンの第二層約８００オングストロームをイオン化させ且つ窒素と反応させた後チタン層の表面上に堆積した。典型的には、窒化チタン層の厚さは、約５４０オングストロームで、これは基板の上表面上の８００オングストローム厚の堆積の約６５−７０％であった。最後に、前述のイオン化堆積法と反応性処理法を使って、チタンの第三層を窒化チタン層の表面上に堆積した。典型的には、ホール底面での第三層の厚さは約６０オングストロームで、これは基板の上表面上のチタン層の約６０％であった。第三層の形成は、同一の処理チャンバで、第二層形成用窒素ガス流の終止直後に開始されたので、第三層は、重量で約１０％の窒化チタンを包含しており、これは、主に、第三層の最初に形成された部分の方に集中していた。好ましくは、チタン層の全ては、同一チャンバで順次堆積させる。本発明の構造体の好ましい具体例に習ってライニングしたスルーホールは、次いで、従来法でスパッタしたアルミニウムで充填した。詳細には、アルミニウムは、約０．５％の銅と約９９．５％のアルミニウムから成るターゲットからスパッタさせ、結果的に銅の存在がアルミニウム薄膜のエレクトロマイグレーションに対する抵抗性を高めた。最初に、約２，０００オングストローム厚のコールド・スパッタアルミニウムを３層構造上に付加した。約１５０℃以下の基板温度で付加したこのコールド・スパッタアルミニウム層は、３層構造のチタン層にうまく付着する"種"層をもたらすものである。次いで、アルミニウムのコンタクト塊（バルク）を図４のグラフ上で特定した温度でスパッタリングを実施して堆積した。アルミニウムは、熟練した当業者に周知の在来法を使って、同一のターゲットから且つ基板支持体をそのターゲットからコールド堆積法の場合と同じ距離に保持しながらスパッタさせた。Ｄ．Ｃ．電力は、図４で特定した時間で８０００オングストローム層を与えるよう調整した。スパッタリングは、約０．５ｍＴから約２ｍＴまでのアルゴン圧力範囲にわたって処理チャンバで実施した。これは、ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社の５５００型集中処理システムにおいて約３５ｓｃｃｍのアルゴン送込み速度に対応した。
【００４９】
図４のグラフ上のチェック領域４１０は、従来技術の障壁形成法を使ってスパッタアルミニウムを金属化処理中に付加し得る条件範囲を表すものである。これらの条件は、いくつかの用途には有用であるが、０．２５μの幅と１以上のアスペクト比を有するスルーホールの充填を可能にするものではない。図４のグラフ上の（チェック領域４１０の下層にある領域を含む）斜線領域４１２は、０．２５μの幅と５．０のアスペクト比を有するスルーホールの充填を達成するために、アルミニウムを本発明の平滑な障壁層上にスパッタし得る条件範囲を表すものである。有効な低温処理ウインドウによって、アルミニウムのスパッタリング処理中の電力消費を軽減させ、且つリフローでコンタクトを充填するのに使ってよい有効な材料の拡大ができるよう、基板加熱に比較的長寿命の低温加熱素子を使って温度を下げることは可能である。
【００５０】
断面走査電子顕微鏡法を使って、スルーホールが充填され且つボイドフリーが達成されたことを確認。
【００５１】
ＶＩＩ．諸代替法
本発明の最も好ましい具体例では、導体層は、低温において導体材料の"種"層をスパッタ堆積させ、且つその後高温においてアパーチャの残り部分をスパッタ堆積導体で充填することにより与えられたが、アパーチャの充填は、基板をその直径より遠くターゲットから離して行う長行程スパッタリング法と、それに続く、通常のスパッタ堆積法、即ち、ターゲット対基板の間隔２乃至５ｃｍにおけるスパッタターゲット材料のイオン化堆積又はその他の方法によるような、他の手段で実現してもよい。しかし、ここに記述したようなイオン化スパッタ材料の堆積で施されるライニングは、最大の利点、即ち、導体が在来のスパッタリングで与えられる場合のホール充填の可能性の大幅な改善をもたらすことを発明者は見い出した。特に、イオン化スパッタリングによって実施されたライニングにより、従来のスパッタリング法でアパーチャの充填が可能となり、それは、典型的に、イオン化スパッタリング法又は長行程スパッタリング法のそれの少なくとも２倍の堆積速度を有するものである。それ故、発明は、図５のラインに沿ってクラスタ・ツールを設けることにより最大利点まで利用でき、この場合、少なくとも１つの堆積チャンバはキャリア層を生成し、他のチャンバ群が導体材料を与える。コンタクトとキャリア層、コンタクトとキャリア層を形成する装置、及びコンタクトとキャリア層を形成する方法は全て、物理的蒸気堆積法によるキャリア層の生成に関連して記述されているが、本明細書に記述した諸方法を使って作ったキャリア層の１つ以上の特性を有するキャリア層は、何れも、伝統的スパッタリング法による高アスペクト比のホールの充填を可能にする上で有用であることを、出願人は提起するものである。従って、本発明のキャリア層並びにコンタクトは、そのキャリア層がここに記述した１つ以上の性質又は特性を有する場合、キャリア層又はキャリア層上のスパッタ堆積コンタクトの何れをも包含するものと、広義に解釈されるべきである。
【００５２】
上述の好ましい具体例は、本発明の範囲を限定しようとするものではなく、本開示の観点において熟練した当業者は、前出の発明の請求範囲の主題の内容に対応すべく前述の諸具体例を拡大してよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の方法と装置を使って、高アスペクト比のビア１１３の内部に形成した伝導性コンタクト１１８の略図である。
【図２】発明を実施する上で有用なスパッタリング装置２００の略図である。
【図３】図１に示したような方式のビアのボトムカバレージのパーセントをグラフ的に図解した図である。ここで用いるボトムカバレージのパーセントは、ビアの上方最上面上に堆積された層の厚さの％としてビアの底表面上に堆積された層の厚さを指す。ボトムカバレージのパーセントは、スパッタリングチャンバの圧力の関数として、及びＤＣ電力（図２で２１３）ｘＤＣバイアス（図２で２２２）に対するｒｆ電力（図２で２１６）の比の関数として示される。
【図４】スルーホールが、本発明の３層の最も好ましい具体例のキャリア層構造（Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮｘ）で予めライニングされた場合における、約５のアスペクト比を有する直径０．２５μのスルーホールのアルミニウム充填を実現できるアルミニウムスパッタリングについての時間温度条件の範囲をグラフ的に示した図である。
【図５】システム内に複数の個別低圧処理チャンバを有するマルチチャンバ式低圧処理システムの略図を示した図である。集積回路デバイスがその上に形成されることになる基板から成る製作物（ワークピース）は、低圧環境に収容したまま１つの個別チャンバからロボットを使用して（図示しない）他へ移すことができる。
【符号の説明】
【００５４】
１１０…シリコンベース、１１１…二酸化シリコン層、１１２…第一下層、１１３…アパーチャ、１１４…第二下層、１１６…第三下層、２００…スパッタリング装置、２１０…スパッタ磁石、２１２…ターゲットカソード、２１３…ｒｆ電力、２１４…コイル水冷式金属配管、２１８…基板、２２０…基板プラテン電極、５００…低圧処理システム、５１０、５１２、５１３…個別低圧チャンバ、５１４…中央低圧チャンバ。
【図１】
2008261059.tif 000003
【図２】
2008261059.tif 000004
【図３】
2008261059.tif 000005
【図４】
2008261059.tif 000006
【図５】
2008261059.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月16日(2008.7.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタチャンバと、堆積チャンバと、移送チャンバと、を備え、半導体基板上の薄膜層のアパーチャを充填するための充填装置において、
ａ）  前記スパッタチャンバは、
第１のスパッタ堆積材料の供給源となる第１のターゲットカソードと、
前記半導体基板を支持するための第１の基板位置決め部材と、
第１のＤＣ電源装置を具備し、前記第１のターゲットカソードからスパッタされた種を生成するために使用される第１のプラズマ発生ユニットと、
前記第１の基板位置決め部材に接続された基板バイアスＲＦ電源装置と、
ＲＦ電源装置を具備し、前記第１のターゲットカソードと前記第１の基板位置決め部材との間に位置して、前記第１のターゲットカソードから前もってスパッタされた種をイオン化又は再イオン化するために使用される第２のプラズマ発生ユニットと、
を具備し、
ｂ）  前記堆積チャンバは、
第２のスパッタ堆積材料の供給源となる第２のターゲットカソードと、
前記半導体基板を支持するための第２の基板位置決め部材と、
第２のＤＣ電源を具備し、前記第２のターゲットカソードからスパッタされた種を生成するために使用される第３のプラズマ発生ユニットと、
を具備し、
ｃ）  前記移送チャンバは、前記スパッタチャンバから前記堆積チャンバに前記半導体基板の移送を許容できるように前記スパッタチャンバと前記堆積チャンバを相互接続する、
充填装置。
【請求項２】
前記第１のスパッタ堆積材料が前記半導体基板に堆積する前に前記ターゲットカソードからスパッタされた種の少なくとも一部と反応ガスが反応するように、前記スパッタチャンバは前記スパッタチャンバに反応ガスを選択的に導入するためのガス入口を含む請求項１記載の充填装置。
【請求項３】
前記スパッタチャンバは、前記ガス入口の少なくとも開口及び閉鎖をするためのバルブと、前記第１のターゲットカソードのスパッタリング中に前記バルブを選択的に開閉するために連結されるシステムコントローラと、を更に含む請求項２記載の充填装置。
【請求項４】
前記システムコントローラは、前記第１のターゲットカソードがスパッタされると、閉位置、次に開位置、そして次にまた閉位置に前記バルブを制御する請求項３記載の充填装置。
【請求項５】
前記スパッタチャンバの前記第１のターゲットカソードは、耐熱性金属を含む請求項１記載の充填装置。
【請求項６】
前記スパッタチャンバの前記第１のターゲットカソードは、チタンを含む請求項５記載の充填装置。
【請求項７】
前記スパッタチャンバが、窒素を提供するためのガス供給部を含む請求項６記載の充填装置。
【請求項８】
前記第２のプラズマ発生ユニットは、前記スパッタチャンバでプラズマ形成領域に延びた少なくとも一巻の導体を含む請求項７記載の充填装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本願発明は、集積回路デバイスの製造に有用な方法、装置及び構造を提供するものである。１つの様相では、本発明は、薄膜層を貫通して延びるアパーチャ中又は基板そのものの中にコンタクトを提供する。他の様相では、本発明は、アパーチャの充填と平坦化により１０００オングストローム程の小さい幅と約１：１から約１２：１間の範囲のアスペクト比とを有する集積回路の電気コンタクトを形成可能にするコーティング層に関する。更に別の様相では、そのコーティング層は、アパーチャの底部又は側面を形成する材料とアパーチャを充填するのに最終的に用いられる材料との間の相互拡散を防止する障壁層である。詳細には、本発明で作られる障壁層は、顕著なボイドを生じないで、アルミニウムのような、伝導性材料を使ってのアパーチャの充填を可能にするものであり、この場合、基板温度はリフロー中は３５０℃ほどの低温を下回る温度に維持される。電気コンタクトを充填するための好ましい伝導性材料は、金属及び金属合金である。最も好ましい金属及び金属合金には、例示のためであって限定するものではないが、アルミニウム、及びアルミニウム−銅、アルミニウム−銅−シリコン、アルミニウム−シリコン、アルミニウム−ゲルマニウム、アルミニウム−パラジウム−シリコンなどのアルミニウム合金の同一のリフロー温度範囲、即ち、その範囲内で材料が流れて平坦化薄膜層を生成する同一の温度範囲を有するその他の伝導性材料を含む。更に、限定はしないが、銅及び銅の合金を含む、より高いリフロー温度を有する他の材料も、本発明の諸技術を使ってアパーチャを充填するのに用いられ得る。本発明のキャリア層が用いられる場合、充填アパーチャと平坦化薄膜層を生成するため、伝導性材料を同時にスパッタし且つリフローするステップは、従来技術に比べ、比較的低い温度で、即ち、約４５０℃を下回る基板温度で、より好ましくは約４３０℃を下回る温度で、そして最も好ましくは約３５０℃から４００℃の範囲の温度で実行され得る。アルミニウムが穴を充填するのに用いられている伝導性材料である場合、３００℃程度の低い基板リフロー温度が考えられる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
１態様では、キャリア層は、スパッタ堆積の方法で形成されたものと見なしてよく、この場合、ターゲットからスパッタされる材料の少なくとも一部は、それが基板に到達する以前にイオン化して第二の材料と反応する。最も好ましい態様では、スパッタリングプラズマを生成するのに用いるガスは、少なくとも一部分は、ターゲットとガス原子とを含む化合物によってキャリア層が形成されるように、ターゲットからスパッタされる材料と反応する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
用語"アルミニウム"は、半導体工業において代表的に用いられる種類のアルミニウムの合金を含む。該合金には、例えば、アルミニウム−銅合金、及びアルミニウム−銅−シリコン合金がある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
Ａ．代表的アパーチャ
コンタクトを形成するためにここに記述された諸技術を使って充填されるビア、トレンチ又は穴のようなアパーチャの説明として、図１はキャリア層１００を含むアパーチャ１１３の略図を示す。例としての図のアパーチャ１１３は、シリコンベース１００上の二酸化シリコン薄膜層１１１を通して形成された。アパーチャ１１３は、二酸化シリコン薄膜層１１１を通してシリコンベース１１０までドライエッチングにより作られた。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
図１に示すようなキャリア層の３層構造を実現するためには、好ましくは、３つの下層全ては、単一チャンバ中で連続処理で堆積する。これは、チタン素地のキャリア層の場合、チタンターゲットをスパッタリングすることと、チタンの少なくとも一部分（１０％から１００％）をそれが基板上に堆積される以前にイオン化することと、イオン化したターゲット材料を基板の方へ引き付け且つそれをもって第一の下層を形成することと、その後、スパッタリングとイオン化が継続するように十分な量の反応ガス、好ましくは窒素、をチャンバ中へ導入して、それによってターゲットからスパッタされる材料の全てをガスと反応させて基板上にＴｉＮの複合薄膜層を形成することと、次いで、ベースターゲット、好ましくは、Ｔｉと、反応生成物、好ましくは、ＴｉＮとの両方から構成される薄膜層を基板上に形成するために、そのままターゲットをスパッタリングし且つそのスパッタターゲット材料をイオン化しながら、チャンバへの反応ガスのフローを停止すること、から成る諸ステップを実施することにより達成してよい。いったんＴｉ／ＴｉＮの下層（以後ＴｉＮｘ）が十分な厚さまで形成されてしまえば、システムへの電力を切ってスパッタリング処理を停止する。このような処理は、スパッタリングを行うチャンバにおいて、反応ガス入口の開口及び閉鎖をするためのバルブと、ターゲットのスパッタリング中にバルブを選択的に開閉するために連結されるシステムコントローラとによって行うことができる。また、バルブは、ターゲットがスパッタされると、閉位置、次に開位置、そして次にまた閉位置で支持することができるようにされている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
Ｅ．発明を実施するための装置
本発明の方法をその中で実施してよい処理システムは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社（ＳａｎｔａＣｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）の５５００型集中処理システム（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）である。この処理システムは、図には特に示さないが、図２に示すその処理要素は、該集中処理システム内部に含まれている１つの低圧処理チャンバの中で操作できるものである。そのシステムはまた、米国特許第５，１８６，７１８号と５，２３６，８６８号に提示・説明されており、その開示は参考としてここに引用する。図２を参照して、本発明の平滑障壁層を形成するための１つの低圧処理チャンバには、（スパッタリング用プラズマを閉じ込めてスパッタリング速度を増すための）スパッタ磁石２１０と、約２４ｋＷ未満の電力値で動作するスパッタリングターゲットカソード２１２が採用されている。特殊な、Ｔｉ素地のキャリア層を形成するためのチタンのターゲットカソードは、直径１４インチ（３５．５ｃｍ）であり、このカソードに約３ｋＷから約５ｋＷまでの範囲にわたってＤＣ電力を印加した。直径８インチ（２０．３ｃｍ）のシリコンウェハから成る基板をターゲットカソード２１２から約５インチ（１２．７ｃｍ）の距離を離して配置した。高密度の、誘導結合のｒｆプラズマは、ｒｆ電力２１６を約１ＭＨｚから１３．６ＭＨｚまでの範囲にわたってターゲットと基板間のプラズマ領域を取り囲んでいる直径０．１２５インチ（０．３２ｃｍ）の水冷式金属配管２１４の（好ましくは４巻きを越える）多重巻きコイルに印加することにより、ターゲットカソード２１２と基板２１８間の領域に発生させた。５０〜８００ｋＨｚのオーダの、比較的低周波数のバイアスを基板２１８又は支持部材に印加する。生ずるセルフバイアスによって、プラズマからのイオンが基板の方へ引き付けられる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
ＩＶ．実施例
Ａ．実施例Ａ
イオン化させ、部分的に背景ガスと反応させた窒化チタン／チタン層について、直径８インチ（２０．３ｃｍ）の基板の表面上で、分当たり約３００オングストロームという堆積速度を得るために、２ＭＨｚのｒｆ電力１．５ＫＷをコイル２１４に印加し、一方、５ＫＷのＤＣ電力をチタンターゲットカソード２１２へ加え、且つ３５０ｋＨｚのＡＣバイアス９０Ｗを基板プラテン電極２２０に加え、その結果、７０ＶのＤ．Ｃ．バイアスを生じた。スパッタ材料のスパッタリングとイオン化は、チャンバ圧力が約２０ｍＴから約３０ｍＴの範囲の処理チャンバで実施した。分当たり約３００オングストロームの堆積速度を得るために、スパッタ材料のスパッタリングとイオン化は、約３０ｍＴで実施した。この圧力は、ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社の５５００型集中処理システムにおいて約１０ｓｃｃｍのアルゴン送込み速度及び７０ｓｃｃｍの窒素送込み速度に対応した。処理チャンバにおける基板の温度は、約５０℃であった。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
Ｂ．実施例Ｂ
直径８インチ（２０．３ｃｍ）の基板の表面上で、イオン化チタンの分当たり約１２００オングストロームという堆積速度を得るために、２ＭＨｚのｒｆ電力１．５ＫＷをコイル２１４に印加し、一方、５ＫＷのＤＣ電力をチタンターゲットカソード２１２へ加え、且つ３５０ｋＨｚで１２０Ｗの低周波数バイアスを基板プラテン電極２２０に加え、その結果、４５ＶのＤ．Ｃ．バイアスを生じた。スパッタリングとイオン化は、チャンバ圧力が約２０ｍＴから約３０ｍＴアルゴンの範囲の処理チャンバで実施した。分当たり約１２００オングストロームの堆積速度を得るために、スパッタリングとイオン化は、約２０ｍＴで実施した。この圧力は、ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社の５５００型集中処理システムにおいて約４５ｓｃｃｍのアルゴン送込み速度に対応した。処理チャンバにおける基板の温度は、約５０℃であった。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
Ｖ．キャリア層のステップカバレージ
図３は、印加電力と処理チャンバの圧力の関数として、イオン堆積式スパッタ化チタン及び窒化チタンに関して達成されたボトムカバレージ（ｂｏｔｔｏｍｃｏｖｅｒａｇｅ）の％を示すものである。パーセントのボトムカバレージは、スルーホールの底面におけるチタン又はその結果生じた窒化チタンのイオン化スパッタ堆積の厚さをスルーホールを囲んでいる基板の上表面上に堆積された材料の厚さのパーセントとして指すものである。従って、もしボトムカバレージが５０％なら、スルーホール底面における層の厚さは、基板の上表面上の層厚の５０％である。スパッタ粒子のイオン化堆積法を使って得られるボトムカバレージは、標準のスパッタリング法を使って達成されるものより１０倍以上大きいことが立証されている。ボトムカバレージのこの著しい上昇は、スルーホールの壁の平滑度の驚くべき上昇を伴い、これによってアルミニウムは予想外の容易さで壁の上を流れることができ、最終のコンタクト構造にボイド領域が存在しないホールの急速充填を実現できるのである。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
断面走査電子顕微鏡法を使って、スルーホールが充填され且つボイドフリーが達成されたことを確認した。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
【図１】本発明の方法と装置を使って、高アスペクト比のビア１１３の内部に形成した伝導性コンタクト１１８の略図である。
【図２】発明を実施する上で有用なスパッタリング装置２００の略図である。
【図３】図１に示したような方式のビアのボトムカバレージのパーセントをグラフ的に図解した図である。ここで用いるボトムカバレージのパーセントは、ビアの上方最上面上に堆積された層の厚さの％としてビアの底表面上に堆積された層の厚さを指す。ボトムカバレージのパーセントは、スパッタリングチャンバの圧力の関数として、及びＤＣ電力（図２で２１３）に対するＲＦ電力（図２で２１６）の比にＤＣバイアス（図２で２２２）を掛けた関数として示される。
【図４】スルーホールが、本発明の３層の最も好ましい具体例のキャリア層構造（Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮｘ）で予めライニングされた場合における、約５のアスペクト比を有する直径０．２５μのスルーホールのアルミニウム充填を実現できるアルミニウムスパッタリングについての時間温度条件の範囲をグラフ的に示した図である。
【図５】システム内に複数の個別低圧処理チャンバを有するマルチチャンバ式低圧処理システムの略図を示した図である。集積回路デバイスがその上に形成されることになる基板から成る製作物（ワークピース）は、低圧環境に収容したまま１つの個別チャンバからロボットを使用して（図示しない）他へ移すことができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
１１０…シリコンベース、１１１…二酸化シリコン層、１１２…第一下層、１１３…アパーチャ、１１４…第二下層、１１６…第三下層、２００…スパッタリング装置、２１０…スパッタ磁石、２１２…ターゲットカソード、２１３…ＤＣ電力、２１４…コイル水冷式金属配管、２１８…基板、２２０…基板プラテン電極、５００…低圧処理システム、５１０、５１２、５１３…個別低圧チャンバ、５１４…中央低圧チャンバ。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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