(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを形成する方法であって：
半導体デバイス基板上に第１絶縁膜を形成する段階であって、当該第１絶縁膜は開口を有する、ところの段階；
前記開口内に相互接続を形成する段階であって、当該相互接続は：
ＴａＳｉＮ層を化学蒸着によってデポジションする段階であって、該ＴａＳｉＮ層をデポジションする段階は３：１以上のアスペクト比を有する状態で５０％より大きなステップカバレージを有するＴａＳｉＮ層をデポジションする段階からなり、当該ＴａＳｉＮ層をデポジションする段階は：
化学蒸着（ＣＶＤ）反応装置内にタンタル有機前駆物質を導入する段階であって、当該タンタル有機前駆物質はエチルトリキス（ジエチルアミド）タンタルからなる段階；
前記ＣＶＤ反応装置内にアンモニアを導入する段階；
前記ＣＶＤ反応装置内に半導体ソースを導入する段階であって、当該半導体ソースはシランを含む段階；および
前記タンタル有機前駆物質とアンモニアと前記半導体ソースとを反応させて耐熱金属窒化物層または耐熱金属−半導体−窒化物層を形成する段階；および
前記ＴａＳｉＮ層の後に導電層を形成する段階；
を具備することを特徴とする半導体デバイスを形成する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、
前記ＴａＳｉＮ層を化学蒸着する段階は３５０〜４００℃の範囲内のウェハ温度で行われる、ところの方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法であって、
前記タンタル有機前駆物質を導入する段階が：
キャリアガスをアンプル内に毎分２００〜８００標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）の流量で流す段階；および
前記キャリアガスを前記タンタル有機前駆物質を通してバブリングする段階であって、前記アンプルは５０℃〜９０℃の範囲の温度を有するヒータを含み、前記タンタル有機前駆物質および前記キャリアガスは前記アンプルを介して前記ＣＶＤ反応装置内に導入される段階；
を具備する、ところの方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法であって、
前記タンタル有機前駆物質を導入する段階が：
キャリアガスをアンプル内に５０〜１５０毎分標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）の流量で流す段階；および
前記タンタル有機前駆物質によって前記キャリアガスをバブリングする段階であって、前記アンプルが５０℃〜９０℃の範囲の温度を有するヒータを含み、前記タンタル有機前駆物質および前記キャリアガスが前記アンプルを介して前記ＣＶＤ反応装置内に導入される段階；
を具備する、ところの方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に半導体デバイスの製造方法に関し、特に半導体デバイス上に拡散隔膜をデポジションする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
現代の半導体デバイスにおいては、200MHz以上のスピードが要求されている。次世代の半導体デバイスを形成するために、本質的に、銅（Cu）が配線のために要求される。銅を使用するにあたり問題の一つとしては、シリコン酸化膜を通して、簡単に拡散してしまうので、銅は、直接にシリコン酸化膜に接触させることができないことである。故に、典型的に従来技術においては、銅は、その全面を拡散隔膜によって覆われている。
【０００３】
銅の拡散隔膜は、シリコン窒化物および様々な耐熱（refractory）金属窒化物（TiN,TaN,WN,MoN）および耐熱シリコン窒化物（TiSiN,TaSiN,WSiN）または、耐熱金属ー半導体ー窒化物層のような、多くの材料から成り得る。これらの隔膜のうち、隔膜に有望なものを２つ示すならば、窒化タンタル（TaN）および窒化シリコンタンタル（TaSiN）である。しかし、一般に、スパッタリングは、側壁のステップカバレージが悪い。そのステップカバレージは、半導体デバイスの最も上にある表面上にデポジションされる層の厚さによって、除算せられるところの所定の表面上にデポジションされる層の割合で決定せられる。スパッタされた窒化タンタル（TaN）および窒化シリコンタンタル（TaSiN）の場合、0.35ミクロンのビアのステップカバレージは、アスぺクト比3：1において、5％〜20％の範囲内であり得る。このように、低いステップカバレージでは、隔膜材料が、深い開口の側面および底面に沿った効果的な拡散隔膜たる充分な厚さにならないというおそれが高くなる。しかし、開口の壁に沿って充分な物質を得る試みにおいて、最も上の表面においては、ずっと厚い層がデポジションされる。このことは、相互接続の抵抗を増加させるので、好ましくない。化学的蒸着（CVD）が、窒化タンタルを形成するのに使用されている。TaNの前躯体（precursorsz）は、五塩化タンタル（TaCl5）のようなハロゲン化タンタルなら成り得る。ハロゲン化の問題は、ハロゲン化物が銅と反応し、相互接続の侵食を引き起こす。他の前駆物質としては、ペンタ・ジメチルアミド・タンタル（penta［dimethylamido］tantalum(Ta(NMe2)5)）がある。この前躯体た、窒化タンタル（TaN）をデポジションするために使用される場合、実際形成する構成物は、Ta3N5の絶縁層である。絶縁物が上側相互接続層と下側相互接続層との間の電気的接触を防止するので、絶縁物はコンタクト開口またはビア開口に使用することができない。
【０００４】
さらに他の既知の前駆物質としては、テルブチリミド・トリス・ジエチルアミド  タンタル［(TBTDET),Ta=NBu(NEt２)３］がある。この構成物は、TaNを形成するのに使用し得る。しかし、この前躯体に伴う問題がある。特に、600℃より高温のデポジション温度が、超低抵抗膜をデポジションするのに必要とされる。このような、バック−エンドのメタライゼーションでの高温は、低比誘電率誘電体（low-k dielectrics）にとって、非両立的であり、そのバック−エンド材料の間の熱的非整合性のために、高い応力も有し得る。TBTDET前躯体の他の問題は、その層内に含まれる炭素（C）が多過ぎることである。一般に、この構成物は、約25atomic%の炭素を有する。炭素の含有比率が比較的高いと、その層の抵抗値が高くなり、膜の密度がより低下し、同じくらいの厚さの他の物質より拡散隔膜の効果を低下させる結果となる。600℃より低い温度でTBTDETを使用してデポジションする場合、TaNの抵抗は、約12000マイクロohm-cmである。そのような高抵抗を有する膜（好適には、約1000マイクロohm-cmより低い）は、効果的な相互接続構造を形成するのには、使用できない。
【０００５】
窒化シリコンチタン（TiSiN）のCVDは、四塩化チタン（TiCl4）を使用して、実際になされる。この化合物もまた、好ましくない。なぜなら、TiSiNの形成において、相互接続に使用される銅および他の材料の侵食の原因となる塩素が再び、存在することになるからである。
【０００６】
故に、理想的な抵抗値に比較的適合し、低いウェハの温度で良い隔膜の質を形成し得る有機性前駆物質を使用して、TaNまたはTaSiNをデポジションする必要性がある。
【０００７】
【好適実施例の詳細な説明】
耐熱金属窒化物および耐熱窒化シリコン金属が、金属有機化学デポジション（metal organic chemical deposition）を使用して形成される。より詳細には、窒化タンタル（TaN）が、エチルトリキス（ジエチルアミド）（Ethyltrikis(Diethylamido)）タンタル［(ETDET),(Et2N)3Ta=NEt］およびアンモニア（NH3）を使用し、化学蒸着（CVD）によって形成され得る。シラン（SiH4）のような半導体ソースの含有物によって、窒化シリコンタンタル（TaSiN）層も形成し得る。これらの両方の層は、その膜内において比較的量の少ない炭素（C）しか含まず、500℃よりも低いウェハ温度で形成され得る。故に、本発明の実施例は、比較的望ましく、かなり良い拡散隔膜の膜質を有する窒化タンタル（TaN）または窒化シリコンタンタル（TaSiN）を形成するのに使用され得る。
【０００８】
この実施例に使用されるとおり、化学蒸着は、スパッタデポジションと区別すべきデポジション方法の一方式である。本質的に、スパッタデポジションは物理的方式により、それによって層は、ターゲットへ方向付けられるプラズマの作用によりウェハ上にデポジションされる。その材料は、ターゲットから成長し、実質的に垂直方向へ向かって、ウェハへデポジションされる。一方、化学蒸着は、ウェハの露出している表面に沿って層を形成するように、基板の表面で、若しくはその付近で起こる化学反応である。
【０００９】
窒化タンタル（TaN）および窒化シリコンタンタル（TaSiN）が、それぞれETDET/NH3およびETDET/NH3を使用して形成される。一般にTaNにとって、デポジションは、5〜15Torrの範囲の圧力でCVD反応装置内で、起こる。デポジション温度の監視は、温度が監視されている場所に依存する。もし、そのヒータブロックでの温度（heater block temperature）が監視されている場合、一般にその温度は、約400〜480℃の範囲にある。もし、そのウェハ温度が測定されている場合、典型的には、その温度は、約350〜400℃の範囲にある。
【００１０】
そのETDETは、アンプルを介してバブリングされたキャリアガス（carrier gas）として、ヘリウム（He）が使用のために導入される。そのヘリウム（He）の流量率は、200〜800sccmの範囲にある。そのアンプルのためのヒータボックスの温度は、約80℃で維持される。一般に、ヒータボックスの温度は、約50〜90℃の範囲内に維持される得る。そのアンプル内のETDETの温度は、ヒータボックスの温度よりも低く、約10℃である。アンモニア（NH3）が、約200〜500sccmの範囲の流量率で導入され、一般に、約150〜200オングストローム／minuteの割合のデポジションをもたらす。そのデポジション速度も、また反応装置の配置（reactor confugration）に依存する。これらのパラメータを使用することにより、15％よりも少ない、一般的には、1％以下の炭素（C）しか含まない窒化タンタル膜が、デポジションされ得る。隔膜層として使用される場合、TaN層は通常、基板の露出表面に沿って約200〜300オングストロームの範囲の厚さにデポジションされ、一般に、3：1のアスペクト比を有する開口の底表面において、50％よりも大きいステップカバレージを有する。
【００１１】
アンモニアを流すことにより、全温度範囲に亘ってデポジションが促進することが観察されている。アンモニアを流さないと、高温のウェハ温度においてすら、デポジションされないか、またはデポジションは制限される。このことは、アンモニア（NH3）なしのデポジションについて報告している文書にて報告されているとおり、TaNをデポジションするために使用される前駆物質（TBTDET）とは対照的である。
【００１２】
典型的に、CVDシステムにおいては、その開口の底に層をデポジションすることは、より困難である。故に、その底でのステップカバレージは、その膜の最も薄い部分の良い指標になる。TaNもまた、金属および酸化物の両方の表面に、非常に良い付着性を有することがわかっている。このことは、相互接続工程にそのTiN層を取り入れるために、重要である。半導体基板内のドーピング済み領域またはゲート電極のようなシリコンを含有する層への（電気的または物理的な）コンタクトを施すために、そのTiN層を使用するべきであり、チタンは、TaNとシリコン（Si）との間にデポジションされ、良いオーミックコンタクトを形成し得る。チタンが無ければ、ｐ＋シリコンとTaNとの間の仕事関数の違いのために、TaNとｐ＋シリコンとの間の抵抗値が比較的高くなる。
【００１３】
TaSiNのデポジションパラメータは、以下に記述したことを除けば、同様である。圧力は、代表的には、約0.1〜1Torrの範囲である。その流量率は、次のようにわずかに変化する：ヘリウム（He）は、前記TaNのアンプルと同じ条件で、約50〜150sccmの割合で流し；アンモニア（NH3）は、約150〜300sccmの割合で流し；シラン（SiH4）は、約1〜10sccmの割合で流す。これらのパラメータにより、TaNとほぼ同一の炭素含有比率および付着性で、約150〜250オングストローム／minuteの速度でデポジションされる。
【００１４】
シリコンソースおよびTaN前駆物質のために、異なるソースガスが使用され得る。好適には、ジシラン（Si2H6）またはいくつかの他のシリコンガスが使用され得る。さらに、ソースガスは、同じように作用するゲルマニウムのような他の半導体ソースを含むと考えられる。しかし、気相反応が存在しないという確信のもとに、注意を要する。また、デポジションのウェハ温度は、前記の問題のために、500℃を超えてはならず、典型的には、400℃よりも低くなくてはならない。一般に、エチル基が二基付随して窒素に結合したものは、エチル［(Et2N)3Ta=NEt］基またはメチル［(Et2N)3Ta=NMe］基のいずれかに結合し得る。そのアンプルのためのキャリアガスは、ヘリウム（He）、アルゴン（Ar）、窒素（N2）または水素（H2）を含み得る。
【００１５】
ＣＶＤによるTaNのデポジションに続いて、そのTaN膜はその場でプラズマ処理され、そのデポジション膜の抵抗の削減を可能にする。異なるガス（アルゴン、水素、窒素、シランおよびアンモニアを個別にまたはそれらの組合せを含む）は、プラズマ処理に使用され得る。例えば、一般に、アルゴンの使用により、２またはそれ以上の要素により、そのTaN膜の抵抗の削減を可能にする。一般に、他のガスは、アルゴン（不可欠なものではないが）との組合せにより最適に作用する。シランの使用により、そのTaN膜にSiが取り込まれることを可能にし、このようにしてマトリックス状にTaSiNを形成し得る。この方法により、該膜内のSiからNの比率に亘る制御を可能にする。そのガスの流量は100〜1000sccmの範囲にし；圧力の範囲は100mTorr〜15Torrの範囲にし；プラズマのパワーは100〜2000Wattsにし得る。プラズマ処理はまた、断続的に成され得る。即ち、デポジション／プラズマ／デポジションのステップにてできる。さらに、プラズマの代わりに、SiH4による膜の熱的アニールも、その膜にSiを取り込ませるために、使用され得る。その工程は、デポジション段階の後、熱せられたウェハ上に流すSiH4を流すことを含む。プラズマがない場合を除けば、プラズマに似たアニール条件が使用され得る。
【００１６】
本発明の実施例は、化学的蒸着される材料を使用し形成される２つのレベルの相互接続の次の実施例により、より良く理解される。図１には、相互接続が形成される前の半導体デバイス基板１０の一部分の断面図が示されている。半導体デバイス基板１０は、単結晶半導体ウェハ、セミコンダクターオンーインシュレイティングウェハ（SOI）または半導体デバイスを形成するために使用される他の任意の基板である。フィールド絶縁領域１２が、半導体デバイス基板１０上に形成される。ドーピング済み領域１４は、トランジスタのソース／ドレイン領域であり、フィールド絶縁領域１２に隣接して基板１０内にもたらされる。ゲート誘電体層２２およびゲート電極２４が、基板１０上およびドーピング済み領域１４上を覆う。中間誘電体層２６が、半導体デバイス基板１０上にデポジションされる。中間誘電体層２６は、ドーピングされていないシリコン酸化膜、ドーピングされているシリコン酸化膜またはドーピングされていないシリコン酸化膜とドーピングされているシリコン酸化膜との結合、を含み得る。実施例としては、ドーピングされていないシリコン酸化膜が、ボロホスホシリケイト（BPSG）層によって、被覆される。層２６の平坦化の後、開口２８が、中間誘電体層２６を介して形成され、ドーピング済み領域１４に届く。図１に図示されるとおり、開口２８は、コンタクト部分を含み、そのコンタクト部分は、ドーピング済み領域１４にコンタクトする部分は比較的狭く、相互接続トレンチ（そこに、相互接続が形成される）の部分は比較的幅広い。図１の実施例としては、そのコンタクト部分は、そのトレンチと比較して3：1のアスペクト比を有する。これは、一般に従来技術であるインレイド相互接続を形成するためのデュアル・ダマスク・プロセス（dual damascene process）の一実施例である。
【００１７】
次に、コンタクトおよび相互接続を形成するために使用される材料が、中間誘電体層２６上および開口２８の内側に、デポジションされる。図３に示されるとおり、部分的に完成されたデバイスが図示され、チタンから成る層３２または他の耐熱材料が形成され、ドーピング済み領域１４とコンタクトする。一般に、この層は、約100〜400オングストロームの範囲の厚さを有する。次に、TaNまたはTaSiN層３４が、層３２上に形成される。窒化タンタル層３４またはTaSiN層３４は、前記デポジションのパラメータを使用して形成される。その層の厚さは、約200〜300オングストロームの範囲である。導電層３６が、開口の内側の残存部分に形成され、かつTaSiN層３４を覆っている。代表的に、導電層３６は、銅（Cu）、アリミニウム（Al）、タングステン（W）などを含む。この実施例においては、導電層３６は銅である。次に、部分的に完成されたデバイスが、中間誘電体層２６の上を覆う層３２、３４、３６の部分を除去するために、研磨される。これにより、図３に示すように、コンタクト部分および相互接続４４、４２のための相互接続部分を形成する。
【００１８】
第２中間誘電体層５６が、相互接続４２、４４および第１中間誘電体層２６上にデポジションされ、パターニングされる。図４、５には、パターニング後の第２中間誘電体層の上面図および断面図がそれぞれ示されている。第２中間誘電体層５６は、ドーピング済みの、またはドーピングされていない酸化膜を含む。そのパターニングは、ビア開口５２および相互接続トレンチ５４を形成する。他のビア開口および相互接続トレンチも形成されているが、図４、５には図示していない。
【００１９】
図６には、TaNまたはTaSiN層６４が、前記のデポジション技術の一つを使用してデポジションされる。層６４は、下側相互接続４２にコンタクトする。層６４は、約200〜300オングストロームの班員お厚さを有し、層３６に似た材料を使用して第２導電層６６によって被覆される。次に、相互接続トレンチの外側の第２中間誘電体層上を覆う層６４、６６の一部分が、図６に図示される構造を与えるために、研磨により除去される。層６４、６６の結合により、半導体デバイスのためのビットライン６２が形成される。図７に示すとおり、第２レベル相互接続上に亘るパッシベーション層７２をデポジションした後、実質的に完成されたデバイス７０が形成される。他の実施例においては、他の絶縁層および相互接続レベルが形成されるが、図示していない。
【００２０】
本発明の実施例には、多くの利益がある。TaNまたはTaSiNを形成するCVD反応装置は、約500℃よりも低い（代表的には400℃より低い）ウェハ温度で施される。故に、その工程は、低比誘電率誘電体と結合し、その膜内に高い応力を誘発しない。炭素含有量は15atomic%より低く、代表的には1atomic%またはそれより低い。故に、その膜は、多孔性ではなく、かつ前駆物質としてTBTDETを使用するのに比較して、より良質な拡散隔膜である。炭素を削減することにより、従来のTBTDETの使用に比較して、少なくともオーダーの大きさとして、より低いCVD TaN膜の抵抗値になる。さらに、この実施例の他の効果は、既存のプロセスフローに比較的簡単に組込み得ることである。
【００２１】
このように、本発明に従って、半導体デバイスの製造のために拡散隔膜をデポジションする方法を提供する。その方法は、前記の効果のすべてに適合する。本発明が、所定の実施例に関して図示され、記述してきたが、本発明は、それらの実施例に制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板内のドーピング済み領域へ、中間誘電体層内に開口を形成した後の半導体デバイス基板の一部分の断面図。
【図２】本発明の実施例に従った、相互接続を形成に必要とされる物質を形成した後の、図１に示したの断面図。
【図３】基板内のドーピング済み領域へのインレイド相互接続を形成した後の図２に示した基板の断面図。
【図４】中間誘電体層およびその層内に開口を形成した後の図３の基板の上面図。
【図５】下側相互接続への開口を示した図４の基板の断面図。
【図６】下側相互接続レベルへの相互接続を形成した後の図５の基板の断面図。
【図７】実質的に完成したデバイスを形成した後の図６の基板の断面図。
【符号の説明】
１０  半導体デバイス基板
１２  フィールド絶縁領域
１４  ドーピング済み領域
２２  ゲート誘電体層
２４  ゲート電極
２６  中間誘電体層
２８  開口
３２  チタンから成る層
３４  窒化タンタル
３６  層導電層
４２  相互接続、
４４  コンタクト部分
５２  ビア開口
５６  中間誘電体層
６４  第２中間誘電体層上を覆う層
６６  第２導電層
７０  実質的に完成されたデバイス
７２  パッシベーション層
【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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【図６】
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【図７】
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