(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を被覆した誘電体への密着性を向上させたタンタルを基礎とする拡散バリア層上に、銅を基礎とする相互接続を形成する方法であって、
基板上の誘電層にシリコン層を形成する形成工程、
ＣＶＤによる、Ｔａ又はＴａＮｘから成るタンタルを基礎とする材料の拡散バリア層を、ハロゲン化タンタル気相反応物質と還元ガスとのガス混合物の化学反応によって、前記シリコン層の表面に成膜する成膜工程であり、
前記化学反応により副産物ハロゲン原子が生成され、
前記シリコン層によって、副産物ハロゲン原子の集中が前記誘電層と前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層との界面の近傍で起こることが防止される、
成膜工程、及び
前記拡散バリア層上に銅を基礎とする層を堆積することにより、前記銅を基礎とする相互接続を形成する工程、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層の成膜工程中に、前記シリコン層は前記誘電層の表面から取り除かれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
取り除かれたシリコン層からのシリコン原子が、前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層中に不純物として取込まれることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記シリコン層は、１ｎｍ乃至１０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ハロゲン化タンタルは五フッ化タンタル（ＴａＦ５）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記誘電体は、シリコンの酸化物、フッ化シリコンの酸化物、多孔質シリコンの酸化物、カーボンドープシリコンの酸化物、ポリマー、フッ化アモルファス炭素、タンタルの酸化物、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ジルコニウム鉛及びその組合せの群から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
ＣＶＤによる前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層の成膜工程はプラズマ励起ＣＶＤを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記還元ガスは水素含有還元ガスであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記還元ガスは更に窒素含有ガスを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記還元ガスは水素（Ｈ２）及び窒素（Ｎ２）の混合物であることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記還元ガスは水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）及びその組合せの群から選択されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記ガス混合物は更に不活性ガスを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記不活性ガスはアルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）及びその組合せの群から選択されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記基板は前記タンタルを基礎とする材料の成膜工程中は、２００℃乃至５００℃の温度に加熱されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記基板は前記タンタルを基礎とする材料の成膜工程中は、３５０℃の温度に加熱されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層は、気相反応物質を用いた熱ＣＶＤにより成膜されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記シリコン層の形成工程及び前記タンタルを基礎とする材料の層の成膜工程を、夫々の層が形成されるまで１つの反応室内から前記基板を取り除くことなく該室内で実行することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記シリコン層の形成工程はプラズマ励起ＣＶＤを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記プラズマ励起ＣＶＤは、シラン及び水素のガス混合物からプラズマを生成すること及びシリコン層を成膜する条件の下で前記プラズマに前記基板の表面を露出することを含むことを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
基板を被覆した誘電体への密着性を向上させたタンタルを基礎とする拡散バリア層上に、銅を基礎とするインターコネクトを形成する方法であって、
基板上の誘電層の上に犠牲シリコン層を形成する形成工程、
プラズマ励起ＣＶＤによる、Ｔａ又はＴａＮｘから成るタンタルを基礎とする材料の拡散バリア層を、ハロゲン化タンタル気相反応物質と還元ガスと不活性ガスとのガス混合物の化学反応によって、前記犠牲シリコン層の表面に成膜する成膜工程であり、
前記化学反応により副産物ハロゲン原子が生成され、
前記犠牲シリコン層によって、副産物ハロゲン原子の集中が前記誘電層と前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層との界面の近傍で起こることが防止される、
成膜工程、及び
前記拡散バリア層上に銅を基礎とする層を堆積することにより、前記銅を基礎とするインターコネクトを形成する工程、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層の成膜工程中に、前記犠牲シリコン層は前記誘電層の表面から取り除かれることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
取り除かれた犠牲シリコン層からのシリコン原子が、前記タンタルを基礎とする材料の拡散バリア層中に不純物として取込まれることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記犠牲シリコン層は、１ｎｍ乃至１０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
前記ハロゲン化タンタルは五フッ化タンタル（ＴａＦ５）であることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２５】
前記誘電体は、シリコンの酸化物、フッ化シリコンの酸化物、多孔質シリコンの酸化物、カーボンドープシリコンの酸化物、ポリマー、フッ化アモルファス炭素、タンタルの酸化物、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ジルコニウム鉛の群から選択されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２６】
前記還元ガスは水素含有還元ガスであることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２７】
前記還元ガスは更に窒素含有ガスを含むことを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記還元ガスは水素（Ｈ２）及び窒素（Ｎ２）の混合物であることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記還元ガスは水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）及びその組合せの群から選択されることを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
前記不活性ガスはアルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）及びその組合せの群から選択されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３１】
前記シリコン層の形成工程及び前記タンタルを基礎とする材料の層の成膜工程を、夫々の層が形成されるまで１つの反応室内から前記基板を取り除くことなく該室内で実行することを含む請求項２０記載の方法。
【請求項３２】
前記犠牲シリコン層の形成工程はＣＶＤプロセスを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３３】
前記ＣＶＤプロセスは、シラン及び水素のガス混合物からプラズマを生成すること及び前記犠牲シリコン層を成膜する条件の下で前記プラズマに前記基板の表面を露出することを含むことを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記ＣＶＤプロセスは、シラン及び水素のガス混合物の流体を生成すること及び前記犠牲シリコン層を成膜する条件の下で、前記流体に前記基板の加熱された表面を露出することを含むことを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
前記基板は、前記タンタルを基礎とする材料の成膜工程中は、２００℃乃至５００℃の温度に加熱されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３６】
前記基板は、前記タンタルを基礎とする材料の成膜工程中は、３５０℃の温度に加熱されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学気相成長、集積回路の製造に係り、特に、誘電体基板上に金属層を成膜する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路は、同一の電気的アクティブディバイスの配列及び半導体基板又はウエハ上の誘電絶縁領域を生成する複数のプロセスによって製造される。アクティブディバイスは、導電線または配線のマルチレベルの金属化（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）を含む接触構造により電気的に接続される。マルチレベルの金属化は、電気導体を含む材料の層を基板に連続的に成膜すること、前記成膜された層にパターン層を形成すること、及び配線を形成するために前記成膜された層の保護されない部分をエッチングすることから形成される。配線は、シリコンの酸化物のような電気的絶縁体の過層を成膜することにより、電気的に絶縁される。
【０００３】
銅の使用は、低コストで装置の性能及び密度を上げるため、配線の製造において、銅が急速にアルミニウムに取って代わっている。アルミニウムに対する銅の主な利点は、著しく低い電気抵抗率である。高導電率を有する材料によって電力の消費が少なくて済むため、銅配線を有する集積回路を著しく低い電力で動作させることができる。更に、銅の低抵抗率は、抵抗容量効果（Ｒ−Ｃ）と関係する信号伝搬中の遅延を減少する。銅のより高い導電率はまた、必要な相互接続（インターコネクト）階層数を減少させ、かなりの数の製造段階を除去し装置の歩留まりを向上させる。最後に、銅は、エレクトロマイグレーション及びアルミニウムを基礎とする金属配線に影響を与えるストレスマイグレーションの傾向が少ない。これら全ての理由から、銅の多層配線が集積回路の製造において現在望ましい。
【０００４】
銅を基礎とする配線にあっては、これらの明白な有利な材料特性がある一方で、シリコンの酸化物のような一般に使われる誘電体内での銅の著しい拡散性などを含むある一定の欠点を有する。銅の存在は、誘電体が、導電となり関連する誘電強度を減少することをひきおこす。更に、銅は、誘電層を通じてシリコン基板のような半導体基板中で電気的にアクティブな領域へ拡散することができる。銅は、反応性が高く、シリコン中での拡散が速く、装置の性能及び歩留まりに否定的な影響を与える深い電子トラップを生みだす不純物種としてシリコン中で作用する。
【０００５】
誘電体及び基板への銅の拡散を防ぐ一つの知られた方法として、銅の層と誘電体との界面にバリア層を設けることがある。例えば、銅の配線層とシリコンの酸化物のような誘電体との間に拡散バリアを形成するために、タンタル（Ｔａ）又は窒化タンタル（ＴａＮｘ）のようなタンタルを基礎とする金属のバリア層が、一般に成膜される。
【０００６】
タンタルを基礎とする拡散バリアを形成することにつき、種々の成膜及び成長技術がある。例えば、タンタル又は窒化タンタルのバリア層は、スパッタリングのような物理気相成長（ＰＶＤ）技術によって成膜される。しかしながら、表面被覆の結果は不十分及び不均一であり、特に、ビア、コンタクトホール、及びトレンチのような高アスペクト比を有する表面の特徴がある。スパッタされた材料は基板へ真っ直ぐ移動するため、スパッタ成膜によって形成された層は、基板の表面形状に一致することができない。ＰＶＤによって成膜された層は成膜物質の入射フラックスへの露出角を条件とした厚さを有し、そのため高アスペクト比の形状の底部及び側壁を効果的に被覆することができない。
【０００７】
化学気相成長（ＣＶＤ）プロセス、例えば熱ＣＶＤ及びプラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）は、ＰＶＤ以上の重要な効果を有し、タンタルを基礎とする材料の成膜方法である。特に、化学気相プロセスは、著しく改良された一致を有する層を合成することができ、そのため高アスペクト比の形状の底部及び側壁を材料層の厚さとほぼ均一の厚さで被覆される。
【０００８】
熱ＣＶＤは、高温プロセスであり、該プロセスにおいて、ハロゲンを基礎とする気相反応物質を含むガス状の反応物質が加熱された基板の上を通過する。ガス状の反応物質は、反応器の高温の雰囲気中で急速に分解し、加熱された基板上の固体の層を形成するために再結合する。プラズマ励起ＣＶＤは、ガス状の反応物質から反応性化学種を生成するためにプラズマを導入し、基板の表面上の望ましい層を成膜するために結合する。プラズマ励起ＣＶＤによるプラズマ励起は、その温度では促進されない熱ＣＶＤによる成膜の場合よりも著しく低い温度で成膜させるものである。
【０００９】
タンタルを基礎とする材料は、化学気相成長プロセスにより形成することができ、五フッ化タンタル（ＴａＦ５）のようなハロゲン化タンタル及び水素（Ｈ２）やアンモニア（ＮＨ３）のような還元ガスという気相反応物質に対して基板の加熱表面を露出する。水素が還元ガスとして使われる場合はタンタル金属が成膜され、アンモニアや他の窒素含有ガスが還元ガスとして使われる場合は窒化タンタルが成膜される。化学気相成長プロセスにより成膜される層は、金属ハロゲン化合物気相反応物質の還元からの副産物として発生する低レベルのハロゲン原子を、不純物として取込む。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
誘電体上にあるタンタルを基礎とする層の化学気相成長の一つの欠点は、誘電体と金属層の界面にある残余のハロゲン原子の強められた集中の存在である。特に、界面のハロゲンは、下にある誘電体へのタンタルを基礎とする金属層の密着性の低下と関係があることが分かっている。そのため、金属層の層間剥離が、実質的により起こりやすくなる。図１は、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）深度断面であり、シリコンの酸化物にＰＥＣＶＤにより２０ｎｍのタンタル層を成膜することに続いて金属／絶縁物の界面にトラップされたフッ素の高レベルを示す。トラップされたフッ素のレベルは、５原子パーセントに近くなりうる。
【００１１】
このように、成膜方法にあっては、本来は関係の無いハロゲン原子が、化学気相成長プロセスにより成膜されるタンタルを基礎とする層と下にある層との界面に蓄積されることを防止すること、及びタンタルを基礎とする層の上方に引続いて成膜される銅層の特性を著しく変更することなくそのように出来ることの必要性がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板を被覆した誘電体への吸着を向上させるタンタルを基礎とする層の成膜方法であって、基板上の誘電層に所定の厚さを有するシリコンの層を形成し、ＣＶＤによるタンタルを基礎とする層をタンタルハロゲン気相反応物質と還元ガスのガス混合物の化学反応によってシリコン層の表面に成膜することを含み、副産物ハロゲン原子は化学反応により生成され、前記シリコン層は、タンタルを基礎とする材料及び誘電体の吸着に十分な副産物ハロゲン原子の集中が誘電層とタンタルを基礎とする層の界面の近傍で起こることを防止することを特徴とする方法によって上記課題を解決する。
【００１３】
本発明によれば、タンタル又は窒化タンタルのようなタンタルを基礎とする金属層についての熱ＣＶＤ又はプラズマ励起ＣＶＤのような化学気相成長（ＣＶＤ）の前に、シリコンの薄い層が、誘電被覆半導体基板上に成膜される。シリコンの薄い層は、ハロゲン原子が、金属の薄い層と誘電体との界面に蓄積されること防止する。そのため、タンタルを基礎とする金属層は、誘電体への吸着を著しく改善する。金属層が成膜されるように、シリコンの薄い層は、誘電体から実質的に取り除かれる犠牲的層であってもよい。そのため、金属／誘電体の界面の電気特性は、実質的に変化することなく残ったままとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施例では、シリコン層と金属層が、プラズマ励起ＣＶＤを用いて半導体基板の誘電被覆部上に成膜される。しかしながら、本発明は、
本発明の要旨及び範囲を越えない範囲で、熱ＣＶＤのような他のＣＶＤプロセスを用いた金属層の成膜に用いられてもよい。
【００１５】
本発明の使用にあっては、特別な装置に限定されないが、望ましい装置はプラズマ励起ＣＶＤを実施する図２で示す反応器２０である。本発明でのＣＶＤ法は、反応物質ガスを予め混合し又は混合せずに、半導体基板上に厚い又は薄い膜の層を成膜するために当業者が選択する様々なＣＶＤ反応器、例えば、熱い壁の反応器、冷たい壁の反応器、プラズマ励起反応器、及び回転サセプター反応器で、実施することができる。
【００１６】
反応器２０は、反応スペース２４及び基板を支持する反応スペース２４中のサセプター２６に接する室内筺体２２を含む。サセプター２６は、約２００℃と約８００℃との間の温度に基板２８を選択的に加熱することができる図示しない加熱要素を含む。ガス‐分散シャワーヘッド３６は、シャワーヘッド３６の下面３９が基板２８の上面２９に対向するように基板２８の上の空間に吊るされている。シャワーヘッド３６は、室内筺体２２の上部壁３２から下方へ延在している円筒状部品３４に支持されている。円筒状部品３４の内面は、筺体カバー４６とシャワーヘッド３６との間に延在している一般的な垂直流動導管４４を備える。
【００１７】
還元ガス及び気相反応物質は、供給路５６、５８を通じて同心円状のガスリング５０、５２によって流動導管４４へ導入される。典型的には、供給路５６、５８中のプロセスガスの流れは、図示しない真空測定装置と接続されている図示しない流量計量装置によって調整される。夫々のリング５０、５２中の穴５４のスペースをあけた配列は、流動導管４４中でガスが均等に分散するようされており、還元ガス及び気相が混合反応する。プロセスガスの混合物は、基板２８の上面２９を越えてガスの均一の流れを与えるように位置づけられた穴６３の配列を通じて流動導管４４を空にする。プロセスガスの混合物は同時に穴６３を通じて導入されるが、プロセススペース２４は、図示しない真空ポンプによりポート５３を通じて積極的に内部が排気され、あるｍＴｏｒｒ真空圧が維持される。
【００１８】
シャワーヘッド３６は、カバー４６を通じて延在しているＲＦ給送線部品４０によって高周波（ＲＦ）電源３８に作動的に接続される。ＲＦ電源３８は、選択的にバイアス電力をシャワーヘッド３６へ印加し、電力供給された電極として機能する。電気的絶縁材料から形成される絶縁体リング６２は、反応器２０の残余を電気的に絶縁するためにシリンダー３４及びシャワーヘッド３６を分離する。サセプター２６は、相補的に平行で、シャワーヘッド３６と反対に電気的にアースされた電極を備え、その結果、高周波場が、その間の反応スペース２４の部分内に存在する。ＲＦ電源３８は、約４０ｋＨｚと約１６ＭＨｚとの間の周波数、典型的には、ＩＳＭ（工業、化学、医療）標準周波数の１３．５６ＭＨｚで動作し、約１００ワット乃至約１０００ワットの電力、典型的には２５０ワットの電力をシャワーヘッド３６へ供給する。
【００１９】
シャワーヘッド３６とサセプター２６との間に課されるＲＦ場は、シャワーヘッド３６と基板２８との間の反応スペース２４の部分でプラズマを起こすべくガス混合プロセスの原子と容量的に結合する。気相反応物質のラジカルは、面２９で発生する化学反応の還元ガスと結合し、ガス及び他のプロセスパラメータの特性に依存する成分を有する固体層の厚さを順次増加させて成膜する。化学反応からの揮発性の副産物又は廃棄系ガスは、反応スペース２４からポート５３を通じ、余分な還元ガス及び余分な気相反応物質とともに排気される。反応スペース２４のプラズマは、ＲＦエネルギーの誘導結合又は電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ）のような他の方法によって生成されてもよい。
【００２０】
ＰＥＣＶＤによって基板２８の上にタンタルを基礎とする材料の層を成膜するために、ハロゲン化タンタルや五フッ化タンタル（ＴａＦ５）のような気相反応物質、水素（Ｈ２）やアンモニア（ＮＨ３）のような水素含有還元ガス、及びアルゴン（Ａｒ）やキセノン（Ｘｅ）のような高分子重不活性ガスを含むプロセスガスの混合物がシャワーヘッド３６を通じて反応スペース２４へ供給される。タンタル（Ｔａ）の層を成膜する場合は、気相の反応物質供給レートは、約５００乃至約５０００標準立法センチメートル（ｓｃｃｍ）の範囲、例えば約２０００ｓｃｃｍの水素含有ガスの著しいモル超過を伴って、毎分約２乃至１００ｓｃｃｍであり、例えば、２０ｓｃｃｍである。一般的には、水素含有還元ガスの供給レートは、気相反応の供給レートよりも大きい約５乃至約１００のファクタとなる。不活性ガスは、約５０乃至約１０００ｓｃｃｍ、例えば約３００ｓｃｃｍの供給レートで導入される。ガス混合物の不活性温度は、約２００℃乃至５００にされ、１つの実施例では約３５０℃である。反応スペース２４の操作真空圧は、約２００ｍＴｏｒｒ乃至約１０Ｔｏｒｒの範囲で、例えば約２Ｔｏｒｒに維持される。
【００２１】
プロセスガスは、供給路５６、５８を通じて供給され、導管４４中に均等に混合する。プロセスガスの混合物はシャワーヘッド３６中の穴６３の配列を通じて導管４４を出て、ガス混合物は、ＲＦ発電機３８のＲＦ場によってエネルギーを与えられる。シャワーヘッド３６と基板２８との間のプロセススペース２４中にプラズマを生成するに十分なＲＦ電力量、即ち、約１００ワット乃至と約１０００ワットの電力、望ましくは約２５０ワットの電力が、望ましくは約１３．５６ＭＨｚの周波数で印加される。アルゴンイオンのような大量の不活性ガスイオンが、プラズマを起こし維持させるのに役立つ。基板２８は、約２００℃乃至約５００℃へ加熱され、例えば約３５０℃に加熱される。五ハロゲン化タンタルのような気相反応物質の活性化ラジカルは、加熱された基板２８の上を均等に流れ、タンタルのようなタンタルを基礎とする材料の固体層を表面２９上に成膜するために水素のような還元ガスと反応する。タンタルを基礎とする材料の成膜レートは、圧力、ガス供給レート、温度、及びＲＦ電力量のようなプロセスパラメータに因る。所定の組のプロセスパラメータに対し、反応時間は成膜された層の厚さをコントロールする。
【００２２】
アンモニアが還元ガスとして用いられる実施例においては、窒化タンタル（ＴａＮｘ）が、上述した条件と近似したプラズマ励起ＣＶＤ条件の下で、基板２８の表面２９上に成膜される。窒化タンタルの化学量論は、還元ガスの気相反応物質に対する比などのプロセスパラメータを変化させることにより連続的に変化され、パラメータｘを０から約２の範囲内にしうることが理解される。窒素及び水素の双方を含む他の還元ガス、例えば窒素（Ｎ２）と水素（Ｈ２）の混合ガスが、窒化タンタル（ＴａＮＸ）を成膜するために使われる。
【００２３】
反応器２０は、基板２８の表面上にタンタルを基礎とする層のみを成膜することに限定されない。例えば、シリコンの層が、基板２８上にシリコンを成膜するに好適なプロセスパラメータのセットの下、噴射リング５０、５２を通じて、シラン（ＳｉＨ４）及び水素を導入することによって基板２８上に成膜される。
【００２４】
配線の製作のために、タンタルや窒化タンタルのようなタンタルを基礎とする材料の層が、銅導電層と基板の表面上の誘電層との間の拡散バリアとして一般に使われる。集積回路の分野では知られている典型的な絶縁物は、タンタルの酸化物、シリコンの酸化物、フッ化シリコンの酸化物、多孔質シリコンの酸化物、及びカーボンドープシリコンの酸化物のような酸化物；キセロゲル、エアロゲル、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、及び水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）のようなポリマー；フッ化アモルファスカーボン（ＣＦＸ）；チタン酸ストロンチウムバリウム（ＢＳＴ）；及びチタン酸ジルコニウム鉛（ＰＺＴ）を含む。周知の如く、エアロゲル及びキセロゲルは、低誘電率を有する多孔質ポリマー類であり、ＣＦＸは約４原子パーセントフッ素を含有するアモルファスカーボンである。基板２８は、金属化、接点、絶縁層等のパターン化された領域を有する基板と同様に、シリコン、ガリウムのヒ化物、又はテトラエチルオルトシリケイト（ＴＥＯＳ）を含み集積回路の製作に使われることが如何なる典型的な基板であってもよい。
【００２５】
例えば、反応器２０のようなプラズマ励起ＣＶＤシステムのような金属ハロゲン化合物の気相反応物質を使うＣＶＤによって成膜されたタンタルを基礎とする金属の層は、たいてい不純物として残余のハロゲン原子を含む。気相反応物質として五フッ化タンタルを用いた典型的なＣＶＤプロセスのために、タンタルを基礎とする層中のフッ素の残余レベルは、約０．５原子パーセントとなる。最も顕著には、５原子パーセントと同じぐらいの高いフッ素濃度が、絶縁体と金属層の間の界面にトラップされる。
【００２６】
界面のフッ素濃度は、層の最初の成長過程の間での界面への界面副産物のフッ素原子のトラップ又は成膜層中の残余のフッ素の拡散からの結果によるものである。タンタル層の成長の最初のステージの間、固体のタンタルは、以下の化学反応に従い、誘電体上に核化される。
【００２７】
【数１】
0004423408.tif 000002
この核化段階において、基板の表面の殆どは、露出された誘電体から成り、わずかな表面のみがタンタル原子核で被覆されている。一つの可能なメカニズムでは、図３に示したように、ガス状のフッ化水素（ＨＦ）、即ち成膜反応の副産物が、極の性質により、絶縁層の表面に付着しトラップされる。タンタル層が継続的になるように、タンタル核の成長は、付着したフッ化水素を被覆する。他のメカニズムでは、タンタル金属層中にトラップされた残余のフッ素が、金属／誘電体の界面に拡散しトラップされる。
【００２８】
これらは金属／誘電体の界面にフッ素がトラップされるための２つの可能なメカニズムの例であるが、他のメカニズム又はメカニズムの組合せであってもよい。本発明は、上述の２つの可能なメカニズムには限定されない。フッ素トラップの正確なメカニズムにかかわらず、界面に励起されたフッ素濃度は、誘電体へのタンタルを基礎とする金属の弱いボンディング力と関連する。フッ素トラップを特に述べたが、臭素（Ｂｒ）又は塩素（Ｃｌ）のような他のハロゲンも、金属／誘電体の界面にトラップされる。これらの場合、臭素及び塩素は、それぞれ気相反応物質五臭化タンタル及び五塩化タンタルを元とするものである。
【００２９】
本発明の１つの実施例では、タンタルや窒化タンタルのようなタンタルを基礎とする層がシリコンの薄い層の上に成膜される場合は、タンタルを基礎とする層の誘電体への密着性が改良される。シリコンの介在層は、タンタルを基礎とする層の成膜の前に誘電物の表面に成膜される。反応器２０に実質的に近似しているプラズマ励起ＣＶＤ反応器が用いられる実施例では、シリコン層の典型的な成膜条件は、基板温度が約２００℃乃至約５００℃、例えば約３５０℃であること、シラン流量が約２０ｓｃｃｍ乃至約５００ｓｃｃｍ、例えば約１００ｓｃｃｍであること、水素流量が約２０ｓｃｃｍ乃至約５００ｓｃｃｍ、例えば約９００ｓｃｃｍであること、反応器の真空圧が約２００ｍＴｏｒｒ乃至約１０Ｔｏｒｒで、例えば約１．５Ｔｏｒｒであること、及びＲＦ電力が、約１００ワット乃至約１０００ワットで、例えば約２５０ワットであることである。しかしながら、的確なシリコン層の厚さをもたらす如何なる成膜条件のセットが満足されるので、シリコン層を成膜するための厳格なプロセス条件は重要ではない。成膜されたシリコン層の厚さは約１ｎｍ乃至約１０ｎｍである。本発明の要旨及び範囲を逸脱せずに、例えばＰＶＤ等、ＣＶＤプロセス以外の方法によって本発明のシリコン層が成膜できることは当業者にとって明らかである。しかしながら、複数のプロセス室間での移送中又はＣＶＤ反応器中でタンタルを基礎とする金属の層の成膜を待っている間に、シリコンが酸化することは許されない。
【００３０】
シリコン層を成膜した後に、タンタルを基礎とする材料、例えばタンタル又は窒化タンタルの層が成膜される。ある実施例では、反応器２０に実質的に近似したプラズマ励起ＣＶＤ反応器が用いられ、典型的なタンタル層の成膜条件は、基板温度が約２００℃乃至約５００℃、例えば約３５０℃であること、五フッ化タンタルの流体レートが約５ｓｃｃｍ乃至約１００ｓｃｃｍ、例えば約２０ｓｃｃｍであること、水素の流体レートが約５００ｓｃｃｍ乃至約５０００ｓｃｃｍ、例えば約２０００ｓｃｃｍであること、アルゴンの流体レートが約５０ｓｃｃｍ乃至約１０００ｓｃｃｍ、例えば約３００ｓｃｃｍであること、反応器の真空圧が約２００ｍＴｏｒｒ乃至約１０Ｔｏｒｒで、例えば約２Ｔｏｒｒであること、及びＲＦ電力が、約１００ワット乃至約１０００ワットで、例えば約２５０ワットであることである。アンモニア又は他の窒素含有ガスを還元ガスとして使用する例外はあるものの、実質的に類似した成膜条件が窒化タンタルの成膜に使用される。
【００３１】
タンタルを基礎とする層の厚さは、銅の拡散が、引き続く高温プロセスの間に金属化層から誘電層へ銅が拡散することを防ぐことを満足しなければならず、例えば、約１０ｎｍ乃至約４０ｎｍであってもよい。タンタルを基礎とする層の成膜の後に、引き続き誘電材料及び銅の金属化の層を成膜することによって、銅の配線は完了する。
【００３２】
プラズマ励起ＣＶＤを用いた例を特に説明したが、本発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、タンタルや窒化タンタルのようなタンタルを基礎とする材料の層が、熱ＣＶＤのような他のＣＶＤによって成膜されてもよい。熱ＣＶＤによってタンタルを基礎とする層を準備するために、五ハロゲン化タンタルのような金属ハロゲン化合物気相反応物質及び水素やアンモニアのような還元ガスが反応器に導入され、約２５０℃乃至約８００℃の温度に加熱された基板の表面の上を通過する。
【００３３】
シリコンの酸化を防止するために、シリコン及びタンタルを基礎とする金属の層は、同じ反応室内で、短時間に連続的に成膜されてもよい。薄いシリコン層が分離された室内で成膜される場合は、基板は、真空状況の下、望ましくは１０‐７Ｔｏｒｒよりも低い高真空レベルで、タンタルを基礎とする金属層を成膜するために準備された反応器へ移されなければならない。このような状況下でさえも、基板の移送は、真空中の残余の酸素の部分的低圧のためゆっくりと発生するシリコンの酸化を防止すべく、急速にされなければならない。
【００３４】
本発明の別の実施例では、薄いシリコンの層は、タンタルを基礎とする層の成膜プロセスの間に実質的に取り除かれる犠牲層となる。成膜された層は回路の電気的導電部中にあり、シリコンはタンタルを基礎とする材料よりもずっと高い電気抵抗を有するので、全電気抵抗を最小とするためにシリコン層を取り除かれてもよい。
【００３５】
タンタルフッ化気相反応物質を用いたタンタルの成膜に関する本発明の実施例に関し、犠牲シリコン層が取り除かれ、フッ素ピークが除去されるメカニズムが関連あるようである。第一の可能性あるメカニズムでは、水酸化フッ化シリコン（ＳｉＨ３Ｆ）のような揮発性副産物を形成するために、シリコンが水素の存在中で五フッ化タンタルと反応してもよい。水酸化フッ化シリコンは、図４に示すように、非常に高い蒸気圧を有する。従って、誘電物の表面上で形成する水酸化フッ化シリコンは蒸発し、超過のフッ素及びシリコンを取り除くために表面から進化する。このメカニズムを表した一般的な反応式は以下の通りである。
【００３６】
【数２】
0004423408.tif 000003
第二の可能性あるメカニズムでは、タンタルは、式１で示したように一般的に受け入れられる反応で成膜されると仮定される。誘電物に水酸化フッ化副産物が吸着するように、水酸化フッ化副産物は、シリコンに吸着する。しかしながら、シリコンへの吸着の場合は、水酸化フッ化物が、以下の反応式に従いシリコンと反応する。
【００３７】
【数３】
0004423408.tif 000004
水酸化フッ化シリコン（ＳｉＨ３Ｆ）は、高揮発性のためにシリコンの表面から容易に離脱し、そのため界面の超過のフッ素及びシリコン内層からのシリコンが同時に取り除かれる。
【００３８】
そうしなければ金属／誘電体の界面にトラップされるフッ素の離脱のため及び犠牲シリコン層の取り除きのための２つの可能性あるメカニズムの例があるが、他のメカニズムやメカニズムの組合せも可能である。本発明は、前記２つの可能性あるメカニズムに限定されない。本発明は、フッ素についてのメカニズムに限定されず、臭素及び塩素のような他のハロゲンを含む。
【００３９】
犠牲シリコン層からの幾つかの残余のシリコンは、タンタルを基礎とする層の成膜に引き続いて界面に残っていてもよい。この残余のシリコンは、高温ＣＶＤプロセスの残余及び半導体基板を加熱する引続くプロセスステップの間に、タンタルを基礎とする層へ拡散しがちである。タンタル金属又は窒化タンタル層中の不純物としてのシリコンの存在が、拡散バリアとしてタンタルを基礎とする層の性能を向上させるものとして知られている。
[例１]
反応容器２０に類似した反応器を用いて、名目上２０ｎｍの厚さを有するタンタル層が、プラズマ励起ＣＶＤによって、成膜前に表面から取り除かれた自然酸化膜を有する露出したシリコン基板上に成膜される。自然酸化膜は、例えば、プロセススペース２４中の本来の場所のプラズマエッチングによって取り除かれてもよい。成膜条件として、基板温度が約３５０℃であること、五フッ化タンタルの流体レートが約２０ｓｃｃｍであること、水素の流体レートが約２０００ｓｃｃｍであること、アルゴンの流体レートが約３００ｓｃｃｍであること、反応器の真空圧が約２Ｔｏｒｒであること、及びＲＦ電力が、１３．６ＭＨｚの周波数で約２５０ワットであることが含まれる。
【００４０】
図５は、プラズマ励起ＣＶＤによってシリコン基板上にこの２０ｎｍのタンタル層を成膜するためのＳＩＭＳ要素深度断面を示す。バルク（ｂｕｌｋ）シリコン上に直接成膜されるタンタルは、薄いシリコンの層の上に成膜されるタンタルに類似した機械的及び化学的特性を有するものと予想される。シリコン／タンタル界面では、フッ素のレベルはタンタル層中の濃度を越えて著しく高められない。シリコン上に成膜されたタンタル層は、図１に示すようにフッ素の集中が界面で起こるシリコン酸化物で被覆された表面に成膜されたタンタル層と比較して、向上した密着性を有することがわかった。従って、密着性の向上は、界面のフッ素の減少に関連する。
【００４１】
本発明は、実施例の記載によって説明されたが、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の範囲で本発明の範囲が定まるものである。当業者にとって明らかな効果及び変更を含むものである。例えば、シリコンの薄い層が、タンタルでない金属ハロゲン化合物気相化学物質を用いるＣＶＤ中に、ハロゲン原子が金属層と下にある誘電体との界面に蓄積することを防止するために使われてもよい。本発明は明細書に記載されている実施例、装置、方法、及び図示された例に限定されるものではない。従って、本発明の範囲及び要旨を越えない範囲でそのような例を越えるものであってもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、半導体基板の誘電体で被覆された部分上にタンタルを基礎とする層を成膜する方法を提供するものであり、かかる層は誘電体への強化された密着性を有するものである。本発明によれば、化学気相成長（ＣＶＤ）によるタンタルを基礎とする物質のスーパージェイスント（ｓｕｐｅｒｊａｃｅｎｔ）層を形成する前に、約１ｎｍ乃至約１０ｎｍの所定の厚さを有するシリコンの薄い層が誘電体上に形成される。例示をすれば、タンタルを基礎とする層は、五フッ化タンタルのようなハロゲン化タンタルの気相反応物質を用いてプラズマ励起ＣＶＤ又は熱ＣＶＤのような如何なるＣＶＤ法によって形成されるタンタル又は窒化タンタルを有してもよい。シリコン層は、タンタルを基礎とする金属層及び誘電体材料の間の界面での副産物ハロゲン原子の著しい蓄積を防止する。その結果、シリコン層は、タンタルを基礎とする金属層と、金属／誘電体の界面のハロゲン原子の著しい集中が無いことに関連する誘電体との密着性を強める。
【００４３】
ある実施例では、シリコン層は、犠牲的な層であり、かかる層はタンタルを基礎とする金属層のＣＶＤの間の誘電体の表面から実質的に取り除かれる。その結果、介在するシリコン層はもはや存在しないので、金属／誘電体の界面の特性は、介在するシリコン層によって影響を受けることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンの薄い介在層を備えることなくシリコンの酸化物層上に成膜されたタンタル層のＳＩＭＳ深度断面を示す図である。
【図２】本発明の方法を実施するために使用される反応器の部分的な断面における側面図である。
【図３】タンタルを基礎とする層のＣＶＤの最初の段階において、誘電体の表面上へのフッ化水素の吸着を示す図である。
【図４】温度機能として水酸化フッ化シリコン（ＳｉＨ３Ｆ）の蒸気圧をグラフで示す図である。
【図５】本発明の実施例によるシリコンの薄い介在層とともにシリコンの酸化物層上に成膜されたタンタルの薄い層のＳＩＭＳ深度断面を示す図である。
【符号の説明】
２０        反応器
２２        室内筺体
２４        反応スペース
２６        サセプター
２８        基板
２９        上面
３２        上部壁
３４        円筒状部品
３６        シャワーヘッド
３８        高周波電源
３９        下面
４０        ＲＦ給送線部品
４４        流動導管
４６        筺体カバー
５０、５２  ガスリング
５３        ポート
５４        穴
５６、５８  供給路
６２        絶縁体リング
６３        穴
【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５】
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