(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＮベース膜がＴｉと、Ｓｉと、Ｎの化合物で構成されるようにＴｉＮベース膜を半導体ウェーハ上に蒸着する方法において、上記半導体ウェーハをＴｉＣｌ４と、Ｈ２と、Ｎ２とに実質的に同時にさらす工程、並びに上記半導体ウェーハを窒素プラズマにさらし、上記のＴｉＣｌ４、Ｈ２、Ｎ２及びＳｉＨ４と、上記窒素プラズマとの組合せにより上記半導体ウェーハ上にＴｉＮベース膜を蒸着形成する工程を含んでなる、上記方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には半導体デバイスの製法、特定的にはＴｉＮをベースとする膜の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化チタン含有膜は普通コンタクト、ビア、トレンチ及び層間配線積層（interconnect stack) での拡散障壁として用いられる。かかる膜は化学蒸着（ＣＶＤ）タングステンの「接着」層として、ＣＶＤタングステン、ＣＶＤアルミニウムの核生成層としてコンタクト、ビア及びビア用のライナとして、コンデンサ電極として、及び反射防止膜としても用いられる。障壁層が良好であるには、ステップカバレッジが良好でコンタクト、ビア及びトレンチ底部でボイドのないプラッグ形成と充分な障壁厚を達成させること、拡散障壁の性質が良好で金属及びその他の材料の下層への拡散を防止すること、熱サイクル中は不活性であり隣接材料との反応性が低いこと、並びに低抵抗率、低コンタクト／ビア抵抗、低接合漏れ、等の電気的性質が受け入れられることが要件である。
【０００３】
現在、ＴｉＮベース障壁膜は、反応性スパッタリングを用いる物理気相蒸着法（ＰＶＤ）により形成する。この型式のスパッタリング法は照準線技術であり、ステップカバリッジの悪い膜ができる。最小構成寸法は縮小化の傾向にあり、コンタクト／ビア／トレンチのアスペクト比は増大化の傾向にあるので、等角写像膜(conformal films) 形成法は需要が高い。
【０００４】
ＣＶＤ法は、利点として良好なステップカバレッジが得られる可能性が高く、過去数年間ＴｉＮベース膜の製造で注目されてきている。現在、ＣＶＤ法では２型式が開発されている。一つは、テトラス（ジメチルアミノ）−チタン（ＴＤＭＡＴ）、テトラス（ジエチルアミノ）−チタン（ＴＤＥＡＴ）、等の金属有機（ＭＯ）前駆物質に基づくものであり、もう一つはＴｉＣｌ4 ／ＮＨ3 、等の無機前駆物質に基づくものである。ＭＯに基づく方法は、炭素含有量が高く、安定性の低い膜ができる。ＴｉＣｌ4 ／ＮＨ3 法は、高蒸着温度が必要となり、ＮＨ4 Ｃｌ塩生が関係する幾つかの問題がある。
【０００５】
ＴｉＳｉx Ｎy の先行技術ＣＶＤ法はＴｉ［Ｎ（Ｃ2 Ｈ5 ）2 ］4 ／ＮＨ3 ／ＳｉＨ4 化学薬品を用いる。この方法の欠点としては、Ｔｉ前駆物質とＮＨ3 とが気相反応であること、前駆物質としてのＴｉＣｌ4 を用いた膜に較べて形成膜は密度が低く、安定性が劣ること、及びＴｉＣｌ4 に較べて金属有機前駆物質の蒸気圧が低いことである。
【０００６】
ＣＶＤを用いて工具にＴｉＮ膜を蒸着させる方法が開発されている（Ｆ．Ｈ．Ｍ．サンダース(Sanders) とＧ．バースプイ(Verspui) ：プラズマ補助化学蒸着法によるＴｉＮ生長への温度の影響、１６１固体薄膜Ｌ８７−Ｌ９０（１９８８））。この方法は、Ｈ2 、Ｎ2 及びＴｉＣｌ4 の組合せをプラズマと一緒に用いて工具上にＴｉＮ層を形成させて、工具を防食するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、障壁用、ゲート誘電体用及びコンデンサ電極用の下記の長所がある窒化チタンベース膜の蒸着にある。本発明の長所は、標準的ＰＶＤで形成したＴｉＮベース膜よりもステップカバレッジが良いこと、膜蒸着にＴｉＣｌ4 を用いること（ＴｉＣｌ4 はＭＯ前駆物質よりも蒸気圧が高く、安価である）、ＭＯＣＶＤで形成した膜よりも本発明で形成した膜の純度、密度及び安定性が高いこと、ＮＨ4 Ｃｌ塩の生成が極めて少ないこと、標準的方法よりも蒸着温度が低いこと、並びにＳｉ／Ｎ原子比、Ｂ／Ｎ原子比の制御に自由度があることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、半導体ウェーハをＴｉＣｌ4 と、Ｈ2 と、Ｎ2 とに実質的に同時にさらす工程、並びに上記半導体ウェーハをプラズマにさらして、上記のＴｉＣｌ4 、Ｈ2 及びＮ2 と、上記プラズマとの組合せにより上記半導体ウェーハ上にＴｉＮベース膜を蒸着形成する工程を含む、ＴｉＮベース膜を半導体ウェーハ上に蒸着する方法によって達成される。上記課題の達成は、上記半導体ウェーハを更にＳｉＨ4 にさらして半導体ウェーハ上にＴｉＳｉx Ｎy 膜を形成すること、また、上記半導体ウェーハを更にＢ2 Ｈ6 にさらして半導体ウェーハ上にＴｉＮx Ｂy 層を形成することをも含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様は、ＴｉＮベース膜の新規形成を中心として展開するもので、図１、図２及び図３に示すように、本発明の新規のＴｉＮベース膜は、コンタクト／ビア／トレンチ用のライナ、導電性ゲート構造の下層をなす拡散障壁／接着層又は蓄積コンデンサー用の電極（複数）を形成するのに用いられる。
【００１０】
本発明の一実施態様は、ＴｉＮ層の新規な化学気相蒸着法である。本発明のこの実施態様はＴｉＣｌ4 、Ｎ2 及びＨ2 をプラズマと一緒に用い、ＴｉＮ層を形成するもので、この反応は次の様に進む。
【００１１】
【化１】
0004169383.tif 000002
【００１２】
具体的には、ウェーハをプラズマ室内に挿入し、ＴｉＣｌ4 と、Ｎ2 と、Ｈ2 とをプラズマ（好ましくは窒素プラズマ）を室内に生成させながら室内に圧送する。これらのガスとプラズマとの組合せでウェーハ上へのＴｉＮ膜の化学蒸着が生ずる。上記のように、（先行技術の溶液を劣化させた）有害な塩は何等生成しない。好ましくは、上記反応は、下記条件下でプラズマ反応器（又は高密度プラズマ反応器）内で起る。
ＴｉＣｌ4 流量：約２０〜１００ｓｃｃｍ（Ｎ2 を担体ガスとして用いる）；
Ｎ2 流量：約２００〜５００ｓｃｃｍ；
Ｈ2 流量：約３００〜５５０ｓｃｃｍ；
ウェーハ保持体温度：約３５０°〜５００℃；
全圧：約０．５〜１．５Ｔｏｒｒ；
電極間隔：約５００〜７５０ミル；
ＲＦ電力密度：約１〜２．５Ｗ／ｃｍ2 ；及び
蒸着時間：約１０〜６０秒（好ましくは約２５秒）。
本発明のこの実施態様では、約１０〜３０ｎｍの層が形成する。
【００１３】
本発明の他の実施態様は、ＴｉＮ層の新規な化学気相法に関連する。本発明のこの実施態様はＣＶＤ法と、ＴｉＣｌ4 、Ｎ2 、ＳｉＨ4 及びＨ2 をプラズマと一緒に用いてＴｉＳｉx Ｎy 層を形成させる。
この反応は次の様に進む。
【００１４】
【化２】
0004169383.tif 000003
【００１５】
具体的には、ウェーハをプラズマ室内に挿入し、ＴｉＣｌ4 、Ｎ2 、ＳｉＨ4 及びＨ2 を、プラズマ（好ましくは窒素プラズマ）を室内で生成させながら室内に圧送する。これらのガスとプラズマとの組合せでウェーハ上にＴｉＳｉx Ｎy の化学蒸着が生ずる。上記のように、（先行技術の溶液を劣化させた）有害な塩は何等生成しない。好ましくは、上記反応は、プラズマ反応器（又は高密度プラズマ反応器）内で起る。好ましくは、下記反応条件が用いられる。
ＴｉＣｌ4 流量：約２０〜１００ｓｃｃｍ（Ｎ2 を担体ガスとして用いる）；
ＳｉＨ4 流量：約２〜１０ｓｃｃｍ；
Ｎ2 流量：約２００〜５００ｓｃｃｍ；
Ｈ2 流量：約３００〜５５０ｓｃｃｍ；
ウェーハ保持体温度：約３５０°〜５００℃；
全圧：約０．５〜１．５Ｔｏｒｒ；
電極間隔：約５００〜７５０ミル；
ＲＦ電力密度：約１〜２．５Ｗ／ｃｍ2 ；及び
蒸着時間：約１０〜６０秒（好ましくは約１０〜３０秒）。
本発明のこの実施態様では、約１０〜３０ｎｍの層が形成する。
【００１６】
本発明の他の実施態様はＴｉＮ層の新規な化学気相蒸着法に関連する。本発明のこの実施態様は、ＣＶＤ法を用い、しかもＴｉＣｌ4 、Ｎ2 、Ｂ2 Ｈ6 及びＨ2 をプラズマと一緒に用いてＴｉＳｉx Ｎy 層を形成する。
この反応は次の様に進む。
【００１７】
【化３】
0004169383.tif 000004
【００１８】
具体的には、ウェーハをプラズマ室内に挿入し、ＴｉＣｌ4 、Ｎ2 、Ｂ2 Ｈ6 及びＨ2 を、プラズマ（好ましくは窒素プラズマ）を室内で生成しながら室内に圧送する。これらのガスとプラズマとの組合せで、ウェーハ上にＴｉＮx Ｂy の化学蒸着が生ずる。上記のように、（先行技術の溶液を劣化させた）有害な塩は何等生成しない。好ましくは、上記の反応は、Ｎ2 プラズマを用いて、プラズマ反応器（又は高密度プラズマ反応器）内で起る。好ましくは、下記の反応条件が用いられる。
ＴｉＣｌ4 流量：約２０〜１００ｓｃｃｍ（Ｎ2 を担体ガスとして用いる）；
１０％Ｂ2 Ｈ6 ／９０％Ｎ2 流量：約２０〜１００ｓｃｃｍ；
Ｎ2 流量：約１５０〜４５０ｓｃｃｍ；
Ｈ2 流量：約３００〜５５０ｓｃｃｍ；
ウェーハ保持体温度：約３５０°〜５００℃；
全圧：約０．５〜１．５Ｔｏｒｒ；
電極間隔：約５００〜７５０ミル；
ＲＦ電力密度：約１〜２．５Ｗ／ｃｍ2 ；及び
蒸着時間：約１０〜６０秒（好ましくは約２５秒）。
本発明のこの実施態様では、約１０〜３０ｎｍの層が形成する。
【００１９】
好ましくは、本発明のこれらの実施態様は、好ましくはＲＦプラズマ電力印加電極を用いてプラズマＣＶＤ反応器内で実施する。ウェーハを反応器内に導入し、基板保持体を所定蒸着温度（３００°〜５５０℃）に加熱したのち、所要反応物質を反応器内に流入し、流入を約５〜１０秒で安定させる。流入が安定したあとの反応器内の全圧は、好ましくは０．５〜５Ｔｏｒｒの範囲とする。ＲＦ電力を次いで印加する。好ましい電力密度は約０．５〜２．５Ｗ／ｃｍ2 である。この工程の持続時間は、膜の所望厚さで決める。ＴｉＣｌ4 とＳｉＨ4 又はＢ2 Ｈ5 の流入を停止させてから、Ｈ2 ／Ｎ2 の流入とＲＦ電力の印加を好ましくは更に数秒持続して、残留Ｔｉ、Ｓｉ又はＢ前駆物質の反応を完全にする。
【００２０】
本発明の上記実施態様はいろいろな多くの仕方で実施できる。図１は直接蓄積コンデンサに接続したコンタクトを示しているが、本発明の実施態様はどんなコンタクト／ビア／トレンチの形成にも用いられる。図１は半導体デバイスの断面図である。具体的には、図１は本発明のＴｉＮをベースとするライナで内張りしたコンタクト／ビア／トレンチ２０を示す。ライナ２は、本発明の第１の実施態様で形成したＴｉＮ、本発明の第２の実施態様で形成したＴｉＳｉx Ｎy 又は本発明の第３の実施態様で形成したＴｉＮｉx Ｂy から成るものでよい。これらのライナはいずれも拡散障壁として有用であり、ビア／コンタクト／トレンチ金属３（好ましくは、タングステン、アルミニウム、銅又はこれらの任意の組合せ）のシリコン、シリサイド又は誘電材料（例えばＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ＳＯＧ、ＨＳＱ、エーロゲル、キセロゲル又は他の任意の酸化物若しくは窒化物系材料）との拡散／反応を防止する。更に、本発明で形成したライナは、タングステン・メタリゼイションとアルミニウム・リフローの密着を促進する。更に、本発明で形成したライナは、標準ＭＯＣＶＤ法よりも抵抗率が低くなり、従って、本発明を用いるコンタクト／ビア／トレンチはコンタクト／ビア抵抗が低くなる。ダマシン法又は別の他の方法と併用して本発明を上記のようにしてコンタクト／ビア／トレンチの形状に対して用いてもよい。更に、本発明はアルミニウム、銅、タングステン又は他の任意のメタリゼイションの型式に対しても使用できる。本発明は加圧埋め込み法でも使用できる。
【００２１】
図２は、本発明の実施態様で形成した層を用いた記憶デバイス（好ましくはＤＲＡＭ）用蓄積コンデンサの断面図である。頂部電極２６及び／又は蓄積ノード２２は、本発明の実施態様を用いて形成したＴｉＮ、ＴｉＳｉx Ｎy 又はＴｉＮｉx Ｂy から成る。本発明の実施態様を用いて形成した頂部と底部電極は、ＭＯＣＶＤ膜よりも質量密度が高くなり、洩れ電流は低下する。好ましくは、誘電層２４は蓄積ノード２２上に形成する。誘電層２４は酸化物、窒化物又はこれら２種の組合せ（例えば、酸化物−窒化物−酸化物積層又は酸化物−窒化物積層又はオキシ窒化物）から成る。更に、誘電層２４は五酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）、チタン酸バリウム・ストロンチウム又は略してＢＳＴ（Ｂａ1-x Ｓｒx ＴｉＯ3 ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、タンタル酸ストロンチウム・ビスマス又は略してＳＢＴ及びチタン酸鉛ジルコニウム又は略してＰＺＴ（Ｐｂ1-x Ｚｒx ＴｉＯ3 ）から成るものでもよい。高誘電率材料（例えばＫ≧−２０）の使用が好ましい。例えば、約４００℃で蒸着した厚さ１５ｎｍのＴａ2 Ｏ5 膜を使用できる。
【００２２】
図３は、ゲート構造１４の１部を形成するのに本発明を用いる半導体の断面図である。ゲート構造１４は、多結晶シリコン（好ましくは、ドーピング処理したもの）、シリサイド化多結晶シリコン又は金属を用いて形成できる。しかし、積層（好ましくは、多結晶シリコン−金属積層、更に好ましくは、多結晶シリコン−タン積層）を用いるとゲート構造のシート抵抗が低下し、従ってデバイスはＲＣ定数が低下する（従って性能は向上する）。しかし、タングステンと多結晶シリコンとの反応を防止するために拡散障壁が必要となる。更に、タングステン層とゲート絶縁体５との密着を向上させるために、タングステンをベースとするゲート構造では密着促進剤が必要となる。具体的には、本発明の実施態様を用いて形成したＴｉＮ、ＴｉＳｉx Ｎy 又はＴｉＮx Ｂy 層をゲート構造１４の多結晶シリコン部とゲート１４の上層タングステン部との間に、又はゲート絶縁体５（好ましくは酸化物、窒化物又はこれらの組合せ）と好ましくはタングステンから成るゲート構造１４との間に用いる。
【００２３】
本発明を実施態様を参照しながら記載したが、上記の記載は限定を目的とするものではない。本発明の上記の実施態様及び他の実施態様のいろいろな改変と組合せが上記から当業者にとって容易と考えられる。従って、請求項はこのような改変又は実施態様を含むものである。
【００２４】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
（１）  ＴｉＮベース膜を半導体ウェーハ上に蒸着する方法において、上記半導体ウェーハをＴｉＣｌ4 と、Ｈ2 と、Ｎ2 とに実質的に同時にさらす工程、及び上記半導体ウェーハをプラズマにさらし、上記のＴｉＣｌ4 、Ｈ2 及びＮ2 と、上記プラズマとの組合せにより上記半導体ウェーハ上にＴｉＮベース膜を蒸着形成する工程を含む、上記方法。
（２）  半導体ウェーハを更にＳｉＨ4 にさらして半導体基板上にＴｉＳｉx Ｎy 層を形成させる、第１項記載の方法。
（３）  半導体ウェーハを更にＢ2 Ｈ6 にさらして半導体ウェーハ上にＴｉＮx Ｂy 層を形成させる、第１項記載の方法。
（４）  本発明の一実施態様は、半導体ウェーハをＴｉＣｌ4 と、Ｈ2 と、Ｎ2 とに実質的に同時にさらす工程、並びに上記半導体ウェーハをプラズマにさらして、上記ＴｉＣｌ4 、Ｈ2 及びＮ2 と、上記プラズマとの組合により上記半導体ウェーハ上にＴｉＮベース膜を蒸着形成する工程とから成る、ＴｉＮベース膜を半導体ウェーハ上に蒸着する方法である。本発明の別の実施態様は、上記の半導体ウェーハを更にＳｉＨ4 にさらして半導体ウェーハ上にＴｉＳｉx Ｎy 膜を形成することを含む。本発明の他の実施態様は、上記半導体ウェーハを更にＢ2 Ｈ6 にさらして半導体ウェーハ上にＴｉＮx Ｂy 層を形成することを含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様を用いて製造したコンタクト／ビア／トレンチの断面図である。
【図２】本発明の一実施態様を用いて製造したＤＲＡＭコンデンサ構造の断面図である。
【図３】本発明の一実施態様を用いて製造した半導体デバイスの断面図である。
【図１】
0004169383.tif 000005
【図２】
0004169383.tif 000006
【図３】
0004169383.tif 000007