(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気デバイスの製造において相互接続体を作成するために電気デバイスの表面を準備する方法であって、
処理容器（１２）の中に基板（１５）を配置する段階を有し、ここで基板（１５）は、その上に電気デバイス表面を有し、かつ処理容器（１２）は、電気デバイス表面の上に、ターゲットからの物理的蒸気による金属を蒸着するための装備を有し、かつ
容器（１２）の中にプラズマ（２３）を作成する段階を有し、
ターゲットよりスパッタリングされた金属の粒子をイオン化して、その金属のイオンを前記プラズマの中に作成する段階を有し、
電気デバイス表面に向けおよび電気デバイス表面上へ金属のイオンを加速する段階とを有し、更に
デバイス表面に向けおよびデバイス表面上への前記金属のイオンの前記加速により、電気デバイス表面が物理的にエッチングされ、それにより電気デバイス表面が金属イオン・プラズマのスパッタリングで清浄化されることを特徴とする前記方法。
【請求項２】
請求項１に記載された方法において、容器（１２）の中の前記表面の上に金属を沈着することにより容器（１２）の中のデバイス表面の上に金属の膜を作成する段階をさらに有する方法。
【請求項３】
請求項２に記載された方法において、前記表面の上に金属を沈着することにより該表面が被覆される前に金属のイオンが該表面から材料を除去するようにまたは該表面の上の材料を希釈するように処理パラメータが保持されることにより前記エッチングする段階が実行される方法。
【請求項４】
請求項２に記載された方法において、金属のイオンが最初に表面を清浄化するように処理パラメータを維持する段階と、その後金属イオンまたは中性金属粒子が前記表面の上に該金属の金属膜を成長させるように処理パラメータを変更することによって前記エッチングする段階および前記膜を作成する段階が実行される方法。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載された方法において、前記表面の上に金属をイオン化物理沈着することによって前記表面を被覆するために基板（１５）のデバイス表面に向かっておよびデバイス表面の上に金属のイオンを加速することにより容器（１２）の中のデバイス表面の上に金属の前記膜が作成される方法。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれか一項に記載された方法において、前記表面に金属が沈着される速度が金属イオンが表面にエッチングを行う速度よりも大きいように処理パラメータを維持することにより前記膜作成段階が行われる方法。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載された方法において、エッチングおよび物理蒸着の期間中各々の処理工程パラメータを有し、ここで処理工程パラメータは金属イオンのイオン濃度と金属イオンの照射エネルギとを含み、更に、前記エッチング段階で維持される金属イオンのイオン濃度と照射エネルギのレベルは、基板の上への金属の物理蒸着に対して保持される金属イオンのイオン濃度と照射エネルギのレベルに比べて高いレベルにある方法。
【請求項８】
請求項７に記載された方法において、前記エッチング段階において維持された速度から金属イオンの除去速度を小さくするために前記パラメータを変えることにより前記膜作成段階が実行される方法。
【請求項９】
請求項８に記載された方法において、前記処理工程パラメータが、基板バイアスと、プラズマ（２３）を形成するために加えられるプラズマ電力と、容器（１２）の中のガスの圧力と、金属の粒子の源泉であるスパッタリング・ターゲット（１６）に加えられるスパッタリング電力とをさらに含み、前記エッチング段階において維持された速度から金属イオンの除去速度を小さくするためにパラメータを変える前記段階が、基板（１５）のバイアスを小さくする段階と、プラズマ（２３）の中の金属イオンのイオン濃度を小さくする段階と、金属イオンのプラズマ（２３）を形成するために加えられる電力を小さくする段階と、容器（１２）の中のガスの圧力を低くする段階と、金属の源泉であるスパッタリング・ターゲット（１６）に加えられる電力を増大する段階とから成る群の中から選定された少なくとも１つの段階で実行される方法。
【請求項１０】
請求項２から請求項９のいずれか一項に記載された方法において、前記金属が前記容器の中のターゲットからスパッタされたチタンであり、デバイス表面をエッチングする前記段階がターゲットからスパッタされたチタンのイオンで形成されたプラズマ（２３）で実行される方法。
【請求項１１】
請求項２から請求項９のいずれか一項に記載された方法において、前記金属が前記容器の中のターゲットからスパッタされたタンタルであり、デバイス表面をエッチングする前記段階がターゲットからスパッタされたタンタルのイオンで形成されたプラズマ（２３）で実行される方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載された方法において、前記エッチング段階が、自然酸化物、水蒸気、および以前の処理工程での残留物から成る群の中から選定された汚染物と金属イオンとをプラズマ（２３）でもってデバイス表面から化学的に反応させる段階を含む方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載された方法において、前記電気デバイス表面が自然酸化物と水蒸気とから成る群の中から選定された汚染物をその上に有し、前記エッチング段階がデバイス表面から自然酸化物または水蒸気をプラズマ（２３）でもって除去する段階を含む方法。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載された方法において、容器（１２）の中に配置される前に汚染物にさらされることにより汚染された電気デバイス表面をその上に有する基板（１５）を、容器（１２）の中に配置する段階を前記基板を備える段階が含む方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載された方法において、前記エッチング段階が、金属のイオンをその上に進めることによりデバイス表面のコンタクトを清浄化する段階を含む方法。
【請求項１６】
デバイス表面の上に汚染物を有する電気デバイス表面をその上に有する基板（１５）を、デバイス表面の上に沈着されるべき次の金属層を蒸着するために装着された処理容器（１２）の中に備える段階と、
前記容器（１２）の中に不活性ガスのプラズマ（２３）を作成する段階と、
その上に存在する可能性のある汚染物を前記デバイス表面から清浄化するために前記プラズマの中に形成された金属のイオンでもってデバイス表面を物理的にエッチングする段階と、
次に容器（１２）から基板（１５）を取り出すことなく前記表面の上に金属の蒸着を行うことにより容器（１２）の中で清浄化されたデバイス表面の上に金属の第１膜層を作成する段階と、
次に沈着された金属第１膜層の金属の不動態化された層を作成する段階と、
エッチング段階および膜作成段階が実行された容器（１２）からさらに別の沈着容器の中に基板（１５）を転送する段階と、
前記表面をさらに清浄化することなく表面の上の不動態化された金属第１膜層の上にさらに別の膜を沈着する段階とを有し、
デバイスを有する基板を汚染されている可能性のある雰囲気を通って転送する期間中に電気デバイスの表面を汚染から保護することと、前記第１膜層が物理蒸着によって作成されることと、前記基板が汚染されている可能性のある雰囲気を通ってさらに別の沈着容器に転送されることとを特徴とする、電気デバイスの表面を保護する方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載された方法において、前記金属がチタンであり、前記膜作成工程が、デバイス表面の上にチタンを沈着する段階とデバイス表面のチタンの上に窒化チタンの膜を沈着する段階とを有し、前記金属膜の上にさらに別の膜を沈着する前記段階が、前記窒化チタン膜の上にタングステンの化学蒸着を実行する段階を有する方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載された方法において、前記金属がチタンであり、前記膜作成工程が、デバイス表面の上にチタンを沈着する段階と、デバイス表面のチタンの上に窒化チタンの膜の物理蒸着または化学蒸着を実行する段階とを有し、前記金属膜の上にさらに別の膜を沈着する前記段階が、前記窒化チタン膜の上にアルミニウムの物理蒸着または化学蒸着を実行する段階を有する方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載された方法において、前記金属がタンタルであり、前記膜作成工程が、デバイス表面の上にタンタルを沈着する段階と、デバイス表面のタンタルの上にＴｉＮの膜の物理蒸着または化学蒸着を実行する段階とを有し、前記金属膜の上にさらに別の膜を沈着する前記段階が、前記窒化タンタルの上に銅の物理蒸着または化学蒸着を実行する段階を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、メタライゼーション（金属被覆）層の沈着の準備のために電気デバイスの表面を清浄化することと、その上にメタライゼーション層の最初の膜を沈着することとに関する。
【０００２】
（発明の背景）
半導体デバイスおよび集積回路の製造は、通常はシリコン・ウエハの形状である基板の上への導電体材料と絶縁体材料と半導電性材料との多数の層の被覆と選択的沈着と選択的沈着除去とを有している。製造工程は典型的には、１個または複数個の多重工程真空処理ツール(tool)の一連の処理容器の中で実行される複数個の一連の処理工程により、ウエハの上に一連の金属相互接続膜積層体を作成することを含む。これらの一連の種々の積層体の作成の間において、ウエハは典型的には真空処理ツールから取り出され、そしてそれにフォトレジスト・パターンが取り付けられる。このパターンが取り付けられた後、このパターンにより選択的に与えられる反応性エッチング処理工程が行われる。これらの処理工程により、溝および／またはホールが下側の積層体の上の絶縁体層を貫通して作成され、そして後で取り付けられる上側層のデバイスの導電体に接続されるはずの下側導電体の上の接触体（コンタクト）領域が露出される。このような層が取り付けられる前に、マスク層は除去される。
【０００３】
選択的エッチングの後、かつイオン注入工程をまた伴う第１金属層の場合、パターンに作成されたウエハが処理ツールの中に再び持ち込まれ、そしてこの処理ツールの中で導電体層のその次の積層体が取り付けられる。取り付けられるべき新しい積層体の最も下側の層は、通常、チタン、クロムまたはタンタルのような反応性の元素金属の層であるが、しかしまた金属の窒化物、ケイ化物または合金であることもできる。この最も下側の金属層の１つの機能は、下側の絶縁体の中のコンタクトホールの底部で、シリコンまたは金属のような露出した導電体層と接合または接触を行うことである。この接合は、下側の層と新しい積層体の新しい層の導電体との間の導電路の最初の膜部分を形成する役割を果たす。
【０００４】
けれども、メタライゼーション層が取り付けられる前に、先行する処理工程の期間中またはウエハが雰囲気の中を通ってツールからツールに転送された時に、コンタクトの上に特徴的に形成される自然酸化物およびその他の汚染物をウエハから除去して清浄化することが通常は必要である。このようなウエハがたとえ真空の中で転送されても、真空は完全な真空ではないので、原子または分子の汚染層がコンタクトの表面の上に露出される時間間隔に比例して形成されるのが通常である。このような汚染層は、もしそれが除去されないならば、メタライゼーション層の取り付けを妨害し、その結果通常は、コンタクトとメタライゼーション層との間の導電度を劣化させるであろう。
【０００５】
コンタクト表面の汚染物の問題点を処理する標準的な方式は、メタライゼーション工程を開始する直前に、ウエハに誘導的に結合したプラズマ（ＩＣＰ(inductively coupled plasma)）ソフト・スパッタ・エッチング段階を行うことである。このようなソフト・エッチング段階は、典型的には、新しい積層体が取り付けられる真空処理ツールの中にウエハを配置した後、このウエハをソフト・エッチング容器の中にまず転送することにより実行される。このソフト・エッチング容器の中には、不活性ガス、通常はアルゴン、のプラズマが作成される。次に、通常はウエハにバイアスを加えることにより、プラズマ・イオンがウエハに向かって電気的に加速される。スパッタリングによりコンタクトから除去された汚染材料は、処理容器の中全体にまたは縦横比の大きい特性を有する壁の上に再び分布する。この場合、汚染材料は次の電気的接触を妨げることはない。このようなソフト・スパッタ・エッチングは、均一で繰り返し可能な表面を得るという付加的な利点を有し、このことはＰＶＤ（物理蒸着）膜およびＣＶＤ（化学蒸着）膜の製造工程における沈着を容易にする。
【０００６】
アルゴン・ソフト・エッチングは理想的な清浄化工程ではない。それは、アルゴン・ソフト・エッチングはスパッタリングにより生ずる汚染物を物理的に除去するだけによって清浄化を行うからである。このようなスパッタリングは、機械的スパッタリング作用または電荷の蓄積のいずれかにより、清浄化されるべき構造体または下側のデバイス構造体に損傷を与えることがある。さらに、アルゴンは化学的に不活性であり、したがって、ウエハ表面から清浄化されるべきである自然酸化物およびその他の汚染材料と反応せず、またこれらを化学的に分解することはない。
【０００７】
ソフト・エッチング・プラズマに反応性のガスを付加することは、ソフト・エッチング清浄化の期間中にコンタクトから汚染物を除去するのを助けるが、しかし他の点で全体的に好ましくないことが分かった。それは特に、これらのガスは処理領域の外に拡散する傾向があり、そして処理ツールの他の部分の汚染する傾向があるからである。さらに、水素のような反応性の成分は並んで配置されているデバイス構造体に損傷を与えることがある。それは、水素および通常用いられる他の反応性成分はウエハを通して容易に拡散するからである。
【０００８】
それに加えて、ソフト・エッチングされたばかりの新鮮な表面は、通常のアウトガスおよびＣＶＤ処理モジュールから生ずるガスからの水蒸気および酸素のようなガスにより、処理ツールの中で再び汚染されることがある。さらに、また別のエッチング・モジュールおよび別の沈着モジュールが必要であるので、製造コストが高くなりそして処理装置が大型になる。
【０００９】
したがって、酸化物およびその他の汚染物が、積層体の最も下側の層または作成されるべき他の相互コンタクトの上で接触する表面のメタライゼーションを妨げることがないような、例えばこのような表面のメタライゼーションの前に水蒸気またはその他の材料でさもないと酸化または汚染される傾向がある積層体内の層に接触する表面のメタライゼーションを妨げることがないような、さらに効率的でそしてさらにコストの安い処理工程が要請されている。
ＥＰＡ-0536664号は、相互接続体の作成のために電気デバイスの表面を準備する方法をまた開示している。デバイス表面は、ＣＦ4のようなガスでもってプラズマ清浄化される。その後に、金属膜がＣＶＤを用いて沈着される。
出願中日本国特許出願番号第8-176823号は、基板の上にＰＣＶＤにより耐熱性の金属薄膜を作成する方法を開示している。基板は、最初にプラズマ処理されて自然酸化物膜が除去される。その後、金属の窒化物が沈着され、そしてその上に配線層を付加することができる。
米国特許第 4925542号は、プラズマを作成しそしてそれが金属の粒子をイオン化して金属イオンを作成することにより、相互接続体を作成するための電気デバイスの表面を準備する方法を開示している。金属イオンは次にデバイス表面に向け並びにデバイス表面に加速される。
【００１０】
（発明の要約）
本発明の主要な目的は、半導体ウエハの表面をそのメタライゼーションの前に清浄化する方法を得ることである。この方法により、ソフト・スパッタリング処理工程またはハード・エッチング処理工程を用いる先行技術の処理工程シーケンスの欠点が解決され、そしてそうでなければ利点であるであろうエッチングをベースとする事前清浄化を避けることができる。本発明のさらに特別の目的は、半導体ウエハのコンタクトをメタライゼーションのために清浄化する改良された方法を得ることである。本発明のなおさらに別の目的は、半導体ウエハの処理工程の効率を改良しおよびコストを低減することである。
【００１１】
本発明の原理に従い、メタライゼーションのためにコンタクトおよびその他の表面を清浄化することが原位置で実行される、すなわち、清浄化工程と被覆工程との間でウエハを容器から取り出すことなく、そして好ましくは容器に雰囲気を導入することなく、次のメタライゼーション工程において金属の沈着に用いられるのと同じ容器の中でコンタクトおよびその他の表面の清浄化が実行される。この清浄化は、アルゴンのような不活性ガスのイオンでもってソフト・スパッタ・エッチングすることにより実行される。この清浄化は、メタライゼーション工程において沈着される材料のイオンを含有するプラズマを用いることにより実行されることが好ましい。
【００１２】
さらに本発明の原理に従い、メタライゼーションのためにコンタクトまたはその他の表面を清浄化することが、コンタクトのメタライゼーションのために用いられるのと少なくとも部分的に同じ材料によって作成されたプラズマを用いて実行され、そして清浄化とメタライゼーションとが同じ容器の中で行われることが好ましい。この容器は、その中でメタライゼーションがイオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ(ionized physical vapor deposition) ）により実行されるＩＰＶＤ容器であることが好ましい。
【００１３】
さらに本発明の原理に従い、基板、特にその上にメタライゼーションが行われるコンタクトまたはその他の表面、の清浄化が実行され、そして次にメタライゼーション材料の層を沈着することによりこれらの表面にふたがかぶせられる。例えば、アルゴン・イオンまたはアルゴンおよびチタンのイオンでコンタクトにソフト・スパッタ・エッチングが行われ、そしてその直後にＩＰＶＤのようなチタンの沈着が行われる。この後、ＣＶＤモジュールの転送容器の雰囲気や外部の雰囲気または汚染が生ずる可能性のあるその他の雰囲気のような潜在的に汚染された環境に基板がさらされる前に、ＴｉＮの沈着をまた行うことができる。
【００１４】
基板の表面は、イオン化された金属で最初に照射されることが好ましい。この照射は、基板の表面、特にコンタクトまたはメタライズされる他の表面、に正味のエッチングが起こるエネルギ・レベルで行われることが好ましい。次に、表面の上に材料が正味に成長するようにイオンのエネルギ・レベルを小さくして、イオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）工程により同じ金属の膜が沈着されることが好ましい。
【００１５】
本発明の１つの好ましい実施例に従い、メタライゼーションのために清浄化されるべき表面がＩＰＶＤ容器の中でチタン・イオンで照射される。このチタンはチタン・ターゲットをアルゴン・プラズマでスパッタリングすることにより作成される。この時、ターゲット表面から放出されたチタン粒子は、例えば高密度の誘導的に結合したプラズマ（ＩＣＰ(inductvely coupled plasma) ）または電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ(electron cyclotron resonance)）プラズマをスパッタされたチタン粒子が通ることにより、イオン化される。材料イオン化プラズマを発生するこれらの方法は好ましいけれども、プラズマを発生するヘリカル法、ホロー陰極法および多数の他の方法を用いることもまたできる。この時、基板を負電位に電気的にバイアスすることにより、イオン化されたチタン原子および他のイオン化されスパッタされたチタン粒子は基板に向かって加速される。
【００１６】
本発明の好ましい実施例では、粒子は最初は比較的に高いイオン濃度と比較的に高い照射エネルギで基板に向かって進み、それにより基板の表面で正味のエッチング効果が達成される。このエッチングにより、基板がＩＰＶＤ容器の中に転送される前または転送される期間中に、基板の上に堆積されることがある自然酸化物、水およびその他の汚染物が除去される。好ましくはチタン・イオンでエッチングが行われた後、バイアス電圧を小さくするなどでチタン・イオンのエネルギが減少され、それにより基板の表面の上にチタン膜の正味の沈着が行われる。またはそれとは異なって、ＩＣＰ電力またはＡｒ圧力を減少させる段階を含む他の方法により、または金属スパッタリング陰極電力を増加することにより、Ｔｉイオン濃度を減少させることができる。ウエハの事前清浄化と第１金属膜の沈着との組み合わせを実行するために、チタンのイオン化ＰＶＤが効果的に用いられる。
【００１７】
本発明の好ましい実施例に従い、高エネルギのチタン金属原子は表面汚染物のスパッタ清浄化と表面汚染物との反応とを同時に行う。この工程は次のような事実の利点を有する。すなわち、中性のアルゴンとは異なってチタンは、酸化物と反応しそして酸化物を化学的に還元し、そして酸素に対して高い溶解度を膜として有する。さらに、アルゴン原子よりも大きな原子質量を有するチタン原子は、縦横比の大きなホールの底部のコンタクトを清浄化するのに特に効果的である。その理由は、チタン原子は気相衝突により散乱されることが少なく、したがってウエハの表面に垂直方向にその進行方向がさらによく整合するからである。
【００１８】
本発明のさらに別の利点は、ウエハに加えるバイアス電圧を制御することによりまたは他の技術を用いることにより、金属を用いての清浄化とその金属を用いての被覆とが重なるすなわち同時に起こるように、金属のイオンをウエハに進めることを実現することができることである。例えば、バイアス電圧の変化を小さくするまたはなくすることにより、そしてむしろ清浄化される対象物の粗さに適切な清浄化速度と被覆速度とをバランスさせる電圧を用いることにより、チタンまたは窒化チタンでもって効果的な清浄化および被覆を達成することができる。けれども、前記で説明した方式の清浄化とそして次の被覆とのシーケンスは大部分の応用に対して本発明の利点を効果的に引き出し、そして簡単である点で好ましい。
【００１９】
本発明は、ＩＰＶＤ法と、1997年４月21日受付の出願中米国特許出願シリアル番号第08/837,551号、第08/844,756号および第08/844,757号と1997年５月22日受付の出願中米国特許出願シリアル番号第08/861,958号のいずれかに開示されている装置とに従い実行されることが好ましい。これらのすべての出願中米国特許の内容は参考として本発明の中に取り込まれている。ＩＰＶＤ容器は、基板の清浄化と基板の最初の被覆との両方に対して、チタンのような金属、窒化チタン、タンタルまたは他の金属または基板と上側に予定されている材料とに両立する化合物とを用いることができる。ＩＰＶＤ容器は、クラスタ・ツール(cluster tool)の１つの処理モジュールとして備えられることが好ましく、およびツールの転送モジュールに連結されて配置されることが好ましい。この転送モジュールにはまた、タングステン、アルミニウムまたは銅のようなメタライゼーション層を取り付けるために、ＣＶＤモジュールのような処理モジュールが連結される。
【００２０】
窒化チタン膜はいったん沈着されると、酸素または水蒸気との反応に対して耐性を有し、そしてアルゴン・プラズマでソフト・エッチング清浄化されただけのコンタクトよりも全体的にはるかに安定である。それに加えて、チタン膜はこのような物質にさらされた時の不利な効果を緩衝する大きな受容力を有する。その結果、ウエハは汚染をさらに受ける可能性が低い状態で、ウエハをツールからＣＶＤ装置の転送モジュールを通って転送することができる。ＣＶＤ反応器の転送モジュールは、ウエハが取り付けられるＣＶＤ処理容器から一定レベルの汚染物を取り込むことが多い。このような転送容器の中にしばしば見いだされる汚染物は、例えば、ＴｉＣｌ4、ＮＨ3、ＮＦ3、Ｈ2、およびテトラキス・ジメチル・アミノ・チタン（ＴＤＭＡＴ(tetrakis di-methy amino titaniumu) ）のようなＭＯＣＶＤ前駆物質を含む。ウエハがＣＶＤツールの転送容器を通って転送される時、ＴｉＮのようなＩＰＶＤ拡散障壁体は例えばこのような物質による汚染に対して耐性を有することができる。
【００２１】
Ｔｉイオン清浄化と同じ容器の中で実行される最初のＴｉ膜沈着とその後のＴｉＮ沈着とを組み合わせると、したがって積層体間の応用に対してもまた積層体内の応用に対しても本発明は有用である。例えば本発明に従い、Ｔｉイオンで清浄化されそして被覆されたウエハの転送は、アルゴンのソフト・エッチングで清浄化されたウエハの場合よりも転送容器の中で汚染を受ける可能性が低く、クラスタ・ツールの転送容器からタングステンを沈着するためのＣＶＤモジュールの中に効果的に転送することができる。
【００２２】
同様に、ＩＰＶＤ清浄化および沈着された金属窒化物またはタンタルのような他の金属を本発明でもって同じように用いることができる。例えば、銅の沈着のためにツールの転送容器を通ってツールのＣＶＤモジュールにウエハを転送する前に、Ｔａイオン清浄化およびＩＰＶＤによるＴａおよびＴａＮ沈着を処理ツールのＩＰＶＤモジュールの中のウエハの上で実行することができる。
【００２３】
本発明の場合、優秀な清浄化工程および汚染防止工程が得られるだけでなく、清浄化工程と最初の金属膜沈着工程との両方が１つのＩＰＶＤモジュールの中で実行され、一方ソフト・エッチング・モジュールを必要としない。その結果、処理効率が増大し、装置のコストが低減し、そして装置の設置面積が減少する。それに代わって空いた処理ステーションは、処理量を増加するためにまたは付加的な構成要素を有する膜積層体を沈着するために、また別の処理モジュールを設置することができる。
【００２４】
本発明のこれらの目的およびその他の目的および利点は、本発明の好ましい実施例についての下記の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
【００２５】
（好ましい実施例の詳細な説明）
図１は、半導体ウエハ３の上の積層体を単純化して示した横断面図である。半導体ウエハ３の上には絶縁体層５があり、そしてそれを貫通するホール４が示されている。ホール４により、ホール４の底の導電体６が露出される。導電体６は、その上にこれから取り付けられる上側導電体との相互接続を行ための導電体である。ホール４が作成された後、ウエハ３は典型的には、汚染ガスを含有する雰囲気または転移モジュールのいずれかを通って、モジュール１０（図２）のような処理モジュールに転送されるであろう。この転移の期間中、典型的には汚染層７が形成されるであろう。この層７は、上側層との受入れ可能な相互コンタクトを取り付ける前に除去されなければならない。
【００２６】
図１Ａは同じホール４を示している。ホール４は、新しい積層体の導電体との相互接続のために下側導電体６を露出するように、清浄化工程により汚染層７を除去した後においてウエハ３の絶縁体層５を貫通している。図１Ｂは、ウエハ３の絶縁体層５を貫通するホール４の底に、清浄化されたコンタクト６を示している。図１Ｂは次の被覆層８が取り付けられた後の図である。この被覆層は、チタンのような金属の層または窒化チタン（ＴｉＮ）の層であることができる。この窒化チタン（ＴｉＮ）層は、通常は、チタン金属層のすぐ上に取り付けられる。このような被覆層は典型的には、次の処理工程においてタングステンのような次の金属層を取り付ける前の障壁層として用いられる。この次の金属層は、導電体６と相互接続を行ってホール４の中でコンタクトを形成する上側積層体の導電体としての役割を果たすであろう。
【００２７】
図２は、本発明の原理に従う事前清浄化モジュール１０の概要図である。モジュール１０は、図示されているようなおよび例えば1997年４月21日受付けの出願中の米国特許出願シリアル番号第08/844,756号に開示されたイオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）装置である。この米国特許の内容は参考として本発明の中に取り込まれている。モジュール１０は、容器１２の中に閉じ込められた真空気密の処理スペース１１を有する。その上に取り付けられた半導体ウエハ１５を支持するウエハ保持体またはサセプタ１４が、容器１２の１つの端部に取り付けられる。ウエハ１５が保持体１４に取り付けられた時、ターゲット１６に平行に対面する。ターゲット１６は、例えばチタン金属といったスパッタ被覆材料で作成される。処理スペース１１は全体的に円筒形のスペースである。処理スペース１１は超高真空に保たれ、そして処理の期間中アルゴンのような処理ガスで満たされる。処理スペース１１は、窒素のようないくつかの他のガスを含むことができる。スペース１１は容器１２の中の保持体１４とターゲット１６との間に配置される。
【００２８】
ターゲット１６は、基板ホールダ１４と反対側の端部の容器１２の中に取り付けられた陰極組立体１７の一部分である。陰極組立体１７はターゲット・ホールダ１８を有し、そしてこのターゲット・ホールダ１８にターゲット１６が固定される。磁石構造体１９は典型的には、保持体１４とは反対側のターゲット・ホールダ１８の後ろに備えられる。ターゲット１６の周縁に、ダーク・スペース遮蔽体（図示されていない）をまた備えることができる。陰極組立体１７が当業者には周知であるように電気的に負電位に付勢される時、陰極組立体１７により容器１２の中に放出された電子を捕獲する閉じた磁気トンネルをターゲット１６の表面２１の上に生ずるような磁石を、磁石構造体１９が有することが好ましい。磁石パック１９は、当業者には周知の多数のマクネトロン・スパッタリング組立体のいずれかの永久磁石または電磁石であることができ、固定された磁石または回転する磁石またはそうでなければ移動する磁石を含むことが可能である。しかし、この磁石は米国特許第 5,130,005号に開示されている磁石であることが好ましい。この米国特許第 5,130,005号の内容は参考として本発明の中に取り込まれている。磁石パック１９によって作成される磁気トンネルは、磁石パック１９が回転する時、ターゲット１６の表面２１の上を掃引するプラズマ２３を捕獲しそして整形する。
【００２９】
電気エネルギの電源２０が陰極組立体１７と容器１２の壁との間に接続される。容器１２の壁は通常はアースされ、そしてこのシステムの陽極としての役割を果たす。電源２０は直流電源であることが好ましく、そして一定のままであることとまたはパルス動作をすることとの間で切り替えることができる。陰極組立体１７は容器１２の壁から絶縁される。電源２０は、ＲＦフィルタ２２を通して、陰極組立体１７に接続されることが好ましい。バイアス電源すなわちバイアス発生器２７が備えられ、そして整合回路網２８を通して基板ホールダ１４に接続される。バイアス電源２７は、ホールダ１４に取り付けられたウエハ１５にバイアス電圧を供給する。
【００３０】
電源２０からの電力はターゲット１６に負電位を供給する。この負電位は、プラズマ２３からの正イオンをターゲット１６の表面２１に向けて加速する。プラズマ２３からのこの正イオンがターゲット１６の表面２１に衝突すると、ターゲット１６の表面２１から電子が放出される。これらの電子は磁石パック１９により発生された磁界によりターゲット１６の表面２１の上に捕獲される。この捕獲は最終的に、これらの電子がターゲット１６の表面２１のすぐ近傍の処理ガスの原子に衝突しそしてそれをイオン化し、そしてターゲット表面２１に隣接してプラズマ２３を形成するまで続く。この主要なプラズマ２３は、負に帯電した表面２１に向かって加速されるガスの正イオンの源泉になる。表面２１に向かって加速された正イオンは、ターゲット１６から被覆材料の粒子を放出させる。
【００３１】
ターゲット表面２１と基板保持体１４との間のスペース１１は、２つの部分を形成すると考えることができる。その１つの部分は、主としてプラズマ２３によって占められる部分である。この部分は、ターゲット１６のスパッタリング表面２１の上に必要な腐食パターンを生ずるように整形される。一方、スペース１１の第２の部分は、プラズマ２３と保持体１４の上の基板１５との間に存在する残りの容積部分２６である。ターゲット１６からスパッタされた材料の粒子は全体的に電気的に中性な粒子として発生し、そしてこれらの粒子はスペース１１の中を運動量だけでもって伝搬する。従来のスパッタリング装置では、プラズマ２３の中を通過する中性スパッタ粒子は大幅にはイオン化されない。それは、プラズマ２３はターゲット表面２１の近くの小さな容積を占めており、そして着目する動作圧力では中性スパッタ粒子とプラズマ２３の粒子との間では衝突がほとんどないからである。このようにして中性スパッタ粒子は大部分が中性でプラズマ２３を出て行き、そして基板１５の上に薄膜として沈着するまで中性のままである。
【００３２】
ＩＰＶＤにより基板１５の上にターゲット材料の膜を沈着するために、スパッタされた粒子が容積部分２６を通過する時にイオン化され、したがってターゲット１６からスパッタされた例えばチタン金属の粒子のような粒子は、電荷を生ずる。帯電がいったん起こると、これらの粒子を電気的に加速することができ、またはそうでなければ容器の軸に平行で基板１５の表面に垂直な経路に沿って電気的および磁気的に進めることができる。スペース１１の中のスパッタされた粒子の飛行中のイオン化は、容器１２を取り囲みそして好ましくは容器１２の外側に配置されたＲＦコイル３０から容積部分２６の中にＲＦエネルギを誘導的に結合することにより実行される。コイル３０は螺旋型コイル組立体の形状であることが好ましい。ただし、螺旋型以外のコイル構造体をもまた用いることができる。コイル３０は容積部分２６の中の処理ガスにエネルギを誘導的に結合し、スペース２６を全体的に満たす誘導的に結合したプラズマ（ＩＣＰ(inductively coupled plasma)）が作成される。ＲＦ発生器３２が整合回路網３３を通してコイル３０に接続され、それによりコイル３０にエネルギが供給されて容積部分２６の中にプラズマが作成される。ＲＦ発生器３２は、０．２ＭＨｚから６０ＭＨｚまでの範囲内で動作することが好ましく、例えば２ＭＨｚで動作する。
【００３３】
アルゴンおよび窒素のような処理ガス４０の源泉が、流量制御デバイス４１を通して容器１１に連結される。高真空ポンプ３９がまた容器１２に連結され、それによりこの容器をミリトル領域またはミリトル未満の領域の真空にまで排気を行う。５ミリトル（０．６６Ｎ／ｍ2）から３０ミリトル（３．９９９Ｎ／ｍ2）の領域内の圧力、例えば１０ミリトル（１．３３３Ｎ／ｍ2）の圧力、が好ましい。ポンプ３９は、毎秒５標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ(standard cubic centimeter) ）から１００または１５０ｓｃｃｍまでの範囲内であることが好ましい処理ガスの流量率で超高真空を保持する。
【００３４】
コイル３０とスペース１１との間の容器１２の壁に、保護誘電体窓６０が備えられる。窓６０は、コイル３０の周りの磁界が容積部分２６の中に到達することを妨げない石英またはその他の材料のような真空と両立する誘電体材料で作成される。窓６０は、容器１２の壁に真空気密を保つように取り付けられる。窓６０は電気的には絶縁体で磁気的には透過性の材料の単一円柱型部品であることが好ましいが、しかし閉じた構造体である電気的に絶縁体の窓の形状の全体的に円柱型の保護構造体を形成するように配置された、セグメントの材料を接合して作成することもできる。コイル３０は、窓６０の外側で容器１２のまわりを取り巻いて配置されることが好ましい。導電体金属の囲い体６１がコイル３０の外側を覆う。囲い体６１は密封された空洞６２を形成する。囲い体６１はコイル３０を分離し、そしてまた電磁エネルギがコイル３０から放射されることを防止しおよび容器１２の中から容器１２の外に放射されることを防止する。コイル３０が付勢される時、プラズマの形成が空洞６２の中のガスによって保持されないならば、囲い体６１の中のスペース６２は外側の雰囲気と連絡している可能性があり、または雰囲気圧または低圧の不活性ガスで満たされている可能性がある。
【００３５】
窓６０それ自身は電気的に導電体ではないが、ターゲット１６からスパッタされた導電体材料の被覆体を累積することは可能である。窓６０の内部または表面が導電性を有することにより、容器のまわりの方位方向の電流の誘起が維持される。この電流は、コイル３０から容積部分２６の中のプラズマへのエネルギのＲＦ結合の有効性を減少させるまたは相殺する、またはそうでなくても結合の有効性を損なう。窓６０の上の被覆体のこのような導電度、特に方位方向（円周方向）すなわち容器１２のまわり方向の導電度は誘導的に結合した短絡回路を生じ、エネルギの全部または大部分を容積部分２６の中に誘導的に結合するのを無効にすることができる。
【００３６】
窓６０の上に導電性のスパッタ材料がこのように堆積するのを防止するために、スペース１１と窓６０との間で窓６０の内側表面のすぐ近くにスリット付き円筒型遮蔽体７０が備えられる。遮蔽体７０はターゲット１６からスパッタされる材料に対して窓６０を遮蔽し、そしてターゲット１６の表面２１の上のすべての点と窓６０との間を直接に見通せるすべての視線をブロックすることが好ましい。さらに本発明の好ましい実施例に従い、遮蔽体７０は容器１２の軸に平行な縦方向のスリットをその中に有する。渦電流を遮断する形状の１個または複数個のスリットを有する遮蔽体をまた用いることができる。遮蔽体７０のスリットは、容器１２のまわりの遮蔽体７０の中の円周方向の経路を実質的に遮断する。このことにより、遮蔽体７０の中の方位方向すなわち円周方向の誘導が防止される。
【００３７】
それに加えて遮蔽体７０は、コイル３０の軸方向に延長され、そしてコイル３０から磁界の有効軸方向の実質的に全体に達して延長された軸を有する。遮蔽体７０は、プラズマ誘起直流電位を遮蔽体７０から除去するために、直流フィルタ７１を通して接続される。その結果、導電体である遮蔽体７０は容器１２の軸に平行であるＲＦプラズマの中の電界を効果的に抑制し、コイル３０を容積部分２６から容量的に遮蔽するこのような軸電界の発生を防止する。そしてそれにより、コイル３０から容積部分２６にエネルギが効率的に結合しないようにする。遮蔽体７０は、ターゲット１６の表面２１の面の背後から窓６０およびコイル３０を越えて軸方向に延長されることが好ましい。この構造体の場合、遮蔽体７０はプラズマの中の軸電界をさらに効果的に短絡し、それによりコイル３０からプラズマ２６の中へのエネルギの誘導的結合を増強する。
【００３８】
本発明の好ましい実施例はまた、遮蔽体７０と窓６０との間の間隔距離が小さいために、コイル３０から容積部分２６へのエネルギを高い効率で結合する。この間隔距離はガスの中の原子または分子の平均自由行程または容器１２の中のプラズマの最小拡散長よりも大きくないことが好ましい距離に保持される。遮蔽体と窓との間のこの小さな間隔距離は、他の発明の提案とは異なっている。他の発明の提案では、非導電性の構造体を保護する窓またはコイルに隣接してプラズマが形成されることを許し、および備えられているすべての遮蔽構造体の背後にプラズマが形成されることを許している。このような方法は、スパッタされた粒子がその中を通り抜ける容積領域の中への、コイルまたは他のプラズマ生成電極からのエネルギのパーセントを減少させる傾向があり、それにより有効なプラズマが縮小し、したがってスパッタされた材料のイオン化効率が減少する。装置１０では、約５ミリトルないし３０ミリトルの範囲の処理ガス圧力がチタンのＩＰＶＤのために用いられるであろうことが意図されている。このような圧力でのアルゴン・ガスの平均自由行程は、それぞれ、７ｍｍから１．０ｍｍである。その結果、窓６０から遮蔽体７０までの好ましい間隔距離は約１．０ｍｍないし１０ｍｍである。
【００３９】
他方、遮蔽体７０のスリットの幅は約１５ｍｍより大きく作成されることが好ましい。スリットのこの幅は、スパッタされた材料がスリットを通過する結果として、スリットに隣接する遮蔽体７０の端部の上または窓６０の上に沈着するかも知れないスパッタされた材料を清浄化するために、スリットの中でプラズマが形成されることを可能にするためには十分に広い。スリットの中で形成されるこのようなプラズマはスリットの近傍の窓６０の近くで広がり、そしてスリットの位置の窓６０の上に沈着する材料を再びスパッタリングすることにより持続的に除去するであろう。
【００４０】
イオン化されスパッタされた粒子の指向性を達成するために、基板１５の上にターゲット１６からのチタンのような金属のＩＰＶＤに対してモジュール１０が用いられる時、正にイオン化されスパッタされた粒子を基板表面に向かっておよび基板表面の上に加速するための力を得るために、バイアス電源２７でもってプラズマに対して基板１５を負にバイアスすることにより、基板ホールダ１４の正面のスペース２６のＩＣ−プラズマの中に電位勾配を保持することができる。この電源２７はＲＦ発生器であることが好ましい。このＲＦ発生器は約０．２ＭＨｚから８０ＭＨｚまでの範囲内で動作する、例えば１３．５６ＭＨｚで動作する。このようなチタンＩＰＶＤ処理工程の場合、電源２０によりターゲット１６に加えられる陰極電力は５００ワットから５０００ワットまでの範囲内にある。直径が１２インチのターゲットの場合、この電力は典型的には１．５キロワットである。発生器３２により加えられるＩＣＰ電力は２５０ワットから５０００ワットまでの範囲内にあることが好ましく、典型的には２．５キロワットである。基板１５のバイアスは２０負電圧から１００負電圧までの範囲内にあることが好ましく、典型的には−４０ボルトである。
【００４１】
ターゲット１６に対して電源２０を消勢することにより、およびガス源４０からアルゴンだけを容器１２の中に導入し、ＲＦ発生器３０からコイル６０に加えられたエネルギでスペース２６の中にＩＣ−プラズマを発生させることにより、ＩＣＰソフト・エッチング清浄化モジュールとしてモジュール１０を用いることができる。バイアス電源すなわち発生器２７により加えられるバイアスによって、スペース２６の中のプラズマの中に生じたアルゴン・イオンを基板１５に向けて加速することができる。これらのイオンは基板１５の表面に衝突し、基板１５の表面を清浄化を行うであろう。このような処理工程を用いて、図１に示された状態にあるコンタクトを清浄化して、図１Ａに示されたような清浄化されたコンタクトを得ることができる。
【００４２】
本発明の１つの好ましい実施例に従い、モジュール１０が動作することによりウエハ１５のプラズマによる事前清浄化が実行される。そのように動作することにより、金属例えばチタンのＩＰＶＤのために前記で説明したのと同様なモードでモジュール１０が動作する。このような動作では、アルゴン・ガスは容器１２の中で約１０ミリトルに保持されそして発生器３２からのＩＣＰ電力は３．５ワットに増加されるが、一方、発生器２７により基板１５に加えられる基板バイアスは負の５０ボルトから１００ボルトに増加される。約５００ワットから１５００ワットの低い電力が、電源２０によりターゲット１６に加えられる。
【００４３】
モジュール２０がこのように動作する結果、チタンがターゲット１６からスパッタされ、そしてアルゴン・ガスの原子と一緒にスペース２６のＩＣＰの中でイオン化される。チタン・イオンおよびアルゴン・イオンは、基板に加えられたバイアス電圧により基板１５に向って加速される。基板１５を照射するイオンに含まれる重いチタン・イオンは基板表面から自然酸化物および水蒸気に対する清浄化を増強し、そしてまた汚染物と反応して表面の上の酸化物を還元しおよびチタン膜の中に酸素を溶解する。ターゲット電力のパラメータであるＩＣＰ電力および基板バイアスは、材料が表面から除去されるようにまたは表面がチタンで被覆される前に希釈されるようにバランスが保持され、それにより全体的なエッチング作用が実行される。このエッチング作用は約２０秒の時間間隔の間実行されるであろう。コンタクト６の清浄化の間のこのイオン化金属エッチング作用は、図１Ｃに示されているように、コンタクト６の表面に金属原子９がある程度沈着されるという結果が生ずるであろう。
【００４４】
さらに本発明の好ましい実施例に従い、エッチングの時間間隔が完了した時、モジュール１０の中のパラメータは、基板１５の上へのターゲット材料のＩＰＶＤに対して用いられる典型的なパラメータに向けてさらに調整される。例えば、陰極電力が約１．５キロワットに増加され、および基板バイアスが約−４０ボルトに減少され、そしてＩＣＰ電力が約２５００ワットに減少される。このようにパラメータを設定することにより、基板１５の上にチタンの薄膜が正味に沈着されるという結果が得られる。この沈着は、例えば約３０秒の時間間隔の間実行される。このようなＴｉ−ＩＰＶＤ清浄化工程を用いて、図１Ｃに示されたような清浄化されおよびＴｉで被覆されたコンタクトを得るために、図１に示された状態にあるコンタクトを清浄化することができる。この場合、下側の導電体６が清浄化され、そして下側の導電体６はその表面の上にチタンの少量の最初の沈着体９を有する。これらは薄膜８でさらに被覆される。薄膜８は、例えばチタン金属であることができ、またはチタン金属とその後に行われるＴｉＮの層であることができる。
【００４５】
さらに本発明の好ましい実施例に従い、次にチタン元素の膜の上の基板１５の上に窒化チタン（ＴｉＮ）の薄膜が沈着される。基板の上に作成されるべき次の層がＣＶＤされたタングステンの層である場合、このことは特に好ましい。容器１２の中に窒素を導入することにより、モジュール１０の中にこのようなＴｉＮ層を作成することができる。次に、基板表面のガスの中の窒素と基板１５に衝突または沈着するチタンとの間の反応をシュミレーションするために、プラズマ７５のようなプラズマを基板の表面に隣接して形成するように、基板１５を熱的に付勢するまたは基板１５をバイアスすることによるような、ＴｉＮの反応性スパッタリング沈着の従来の方法に従い、この窒素が基板の上のチタンと反応することができる。またはそれとは異なって、モジュール１０の中にチタンを沈着した後、反応性スパッタリングまたはＣＶＤ処理工程によりＴｉＮ沈着のための容器にウエハ１５をモジュール１０から転送することにより、基板１５の上にＴｉＮの膜を沈着することができる。
【００４６】
さらに本発明の好ましい実施例に従い、チタンの清浄化工程および沈着工程の後、およびもし存在するならばさらにＴｉＮの沈着の後、タングステンまたはアルミニウムの沈着に対するようなまた別の処理工程のために、ウエハがまた別のツールに転送される、または同じツールの転送容器を通ってＣＶＤ容器のような処理容器に転送される。
【００４７】
例えば図３は、前記で説明した方法の一定の実施例を実行するための半導体ウエハ処理クラスタ・ツール１００の概要図である。ツール１００は真空転送モジュール１０３を有することが好ましい。真空転送モジュール１０３には１個または２個のロードロック・モジュール(loadlock module) １０１、１０２が取り付けられる。ロードロック・モジュール１０１、１０２は、その中に従来のロボット転送アーム１０４を有する転送モジュール１０３の２つの位置に連結される。転送モジュール１０３は、それに処理モジュール１０５、１０６および１０７が取り付けられている３個の付加的な位置を有するとして示されている。処理モジュール１０５、１０６および１０７のいずれも、特定目的のための事前清浄化モジュールである必要はない。３個のこのような付加的な位置だけが示されているが、さらに多数個の位置を備えることができる、またはそれに取り付けられた他の処理モジュールに基板を転送するためのまた別の転送モジュールを１つの位置に連結することができる。
【００４８】
本発明の１つの好ましい実施例に従いモジュール１０４は、前記の図２に関連して示されそして説明された好ましい形式のプラズマ事前清浄化およびプラズマ・ベースの沈着の組合せモジュールである。モジュール１０５は、プラズマ事前清浄化および第１金属層沈着モジュールとして、ツール１００のプログラムされたシーケンスで動作するように制御される。付加されたモジュール１０６およびモジュール１０７は、例えば両方共沈着モジュールであることができる。モジュール１０６は、例えば、半導体デバイス製造において一般的であるタングステンまたはその他の金属のような、第２の膜の沈着のためのＣＶＤモジュールであることができる。次の容器１０８は、また別の材料のＰＶＤのために装着することができる。この付加的容器１０８は、そうでなければ転送モジュール１０３に取り付けることができない容器であることができる。それは、本発明では省略されている特定目的の事前清浄化モジュールによってその位置が通常は占められるであろうからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  清浄化の前の典型的な状態における電気コンタクトの横断面図である。
【図１Ａ】  清浄化の後におけるコンタクトの図１と同様の図である。
【図１Ｂ】  被覆の後における清浄化された電気コンタクトの図１および図１Ａと同様の図である。
【図１Ｃ】  チタンのような金属のイオンを含有するプラズマでの清浄化を行った後におけるコンタクトの図１Ａと同様の図である。
【図２】  本発明の１つの実施例に従って用いるためのＩＰＶＤスパッタリング装置および事前清浄化モジュールの正面概要図である。
【図３】  本発明の１つの実施例に従う半導体ウエハ処理クラスタ・ツールの平面図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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