(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法において、
ウェーハ表面を有する基板を、シャワーヘッドから離して反応室内に配置する段階と、
ハロゲン化チタンと水素を含むガス混合物から成る第一プラズマを室内に形成することによって、前記反応室内で、ウェーハ表面にチタンフィルムを析出させる段階と、
アンモニア、窒素、およびそれらの混合物から成る群から選択されたガスから成る第二プラズマを形成することによって、析出したチタンフィルムを前記反応室内で窒化する段階と、
ハロゲン化チタンと窒素源ガスを含むガス混合物を用いた熱ＣＶＤ法によって、前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルムを析出させる段階とを含み、
チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒化し、前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルムを析出させる前記全段階を通じて、ウェーハ表面を４２５℃〜７００℃の範囲の一定温度に維持し、前記反応室内の全ガス圧を一定の圧力に維持し、かつシャワーヘッド温度を一定の温度に維持することを特徴とするチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項２】
前記ウェーハ表面が、最低５００℃の一定温度に維持されることを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項３】
前記ウェーハ表面が、５５０℃〜７００℃の範囲の一定温度に維持されることを特徴とする請求項２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項４】
チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒化し、窒化チタンフィルムを析出させる各段階の間、前記反応室の内圧が１トール〜１０トールの一定の圧力であることを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項５】
前記一定の内圧が５トールであることを特徴とする請求項４に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項６】
シャワーヘッドが金属であり、チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒化し、窒化チタンフィルムを析出させる各段階が、４２５℃〜５００℃の範囲の一定シャワーヘッド温度で実行されることを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項７】
前記反応室の表面を洗浄した後、前記反応室の少なくとも１箇所の内表面を、予めＴｉＮで被覆する第一段階を含むことを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項８】
窒化チタンフィルムを析出させる段階が、４塩化チタンの減少状態で窒化チタンの第一厚さまで析出させる第一熱ＣＶＤ析出と、４塩化チタンの飽和状態で窒化チタンの最終厚さまで析出させる第二熱ＣＶＤ析出とを含むことを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項９】
ウェーハ表面がシリコンであり、チタンフィルムを析出させる段階の間、シリコンウェーハ表面と、析出したチタンフィルムとの間に珪化チタンの層を形成することを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項１０】
第一および第二プラズマが、ウェーハ表面の２５ｍｍ以内に形成されることを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項１１】
ハロゲン化チタンが４塩化チタンであることを特徴とする請求項１に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法。
【請求項１２】
チタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内でウェーハ表面に析出させる方法において、
表面を有する基板を、シャワーヘッドから離して反応室内に配置する段階と、
前記反応室内で、プラズマ化学蒸着によって、前記表面にチタンフィルムを析出させる段階と、
アンモニアと窒素、またはアンモニアと窒素の混合物から成る群から選択されたガスから成るプラズマを形成することによって、前記反応室内で、析出したチタンフィルムを窒化する段階と、
熱ＣＶＤ法によって、前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルムを析出させる段階とを含み、
前記反応室内で、チタンフィルムを析出させ、析出したチタンフィルムを窒化し、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンフィルムを析出させる全過程を通して、前記表面を最低５８０℃の一定の温度に維持し、前記反応室内の全ガス圧を１トール〜１０トールの範囲の一定の圧力に維持し、シャワーヘッド温度を最低約４２５℃の一定温度に維持することを特徴とするチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項１３】
シャワーヘッドが金属であり、その温度が４２５℃〜５００℃の範囲の一定温度に維持されることを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項１４】
シャワーヘッド温度が５００℃〜７００℃の範囲の一定温度に維持され、シャワーヘッドが５００℃を超える温度において耐腐食性である表面材料を含むことを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項１５】
前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンを析出させる段階が、
含窒素ガスを含むガス流でハロゲン化チタンが希釈されている第一流量のハロゲン化チタンを伴なうハロゲン化チタン減少状態における最初の段階で、熱ＣＶＤによって窒化チタンを析出させる段階と、
前記最初の段階による窒化チタンの析出に続いて、ハロゲン化チタンの流量を飽和状態の流量にまで増大させ、それによって、前記最初の段階において析出した窒化チタン上に窒化チタンを、第二段階で、析出させる段階とを含むことを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項１６】
前記反応室内で、窒化された析出チタンフィルム上に窒化チタンを析出させる段階が、
厚さ１００〜５００ÅのＴｉＮ層を形成すべく、流量８ｓｃｃｍの４塩化チタン流、流量８０ｓｃｃｍのアンモニア流、および圧力５トールの希釈剤として流速１リッター／分の窒素流を伴なうハロゲン化チタン減少ＣＶＤモードである最初の段階において、窒化チタンフィルムを析出させる段階と、
アンモニアと窒素との流量を一定に維持した、３０ｓｃｃｍの飽和状態にある流量まで４塩化チタンの流量を増大させ、もって、前記薄層の上に更にＴｉＮの層を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項１７】
ＴｉのＰＥＣＶＤが、ハロゲン化チタンと水素を含むガス混合物から成る第一プラズマを前記反応室内に形成する段階を含み、第一プラズマが基板表面の２５ｍｍ以内に形成されることを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項１８】
窒化の間、析出チタンフィルムの２５ｍｍ以内にプラズマが形成されることを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項１９】
基板表面の温度が７００℃を超えないことを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項２０】
前記反応室の表面を洗浄した後、室内表面の少なくとも一箇所を予めＴｉＮで被覆する最初の段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【請求項２１】
基板表面がシリコンであり、チタンフィルムを析出させる段階の間に、シリコン基板表面と析出されたチタンフィルムとの間に珪化チタンの層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載されたチタンフィルムと窒化チタンフィルムを含む積層を単一室内で基板表面に析出させる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、広義の概念で言えば、基板に被覆フィルムを施すための化学蒸着（ＣＶＤ）に係わり、特に、例えばチタンと窒化チタンから成る積層バリヤ層を半導体ウェーハ基板に施すためのＣＶＤに関するものである。
【０００２】
集積回路（ＩＣ）の形成では、金属元素を含む薄膜（薄いフィルム）が、半導体ウェーハのような基板の表面に被着される。薄膜は、回路中およびＩＣの各種装置間に導電およびオーム接続を行うために被着される。例えば、所望の薄膜が半導体ウェーハの接点孔または貫通孔（ｖｉａ  ｈｏｌｅ）の露出面に施され、ウェーハ上の絶縁層を貫通する薄膜（フィルム）が、絶縁層間を横切る相互接続を行うための導電材料から成るプラグ（栓体）となる。
【０００３】
金属薄膜を被着させる公知方法の一つが化学蒸着（ＣＶＤ）であり、その方法で、各種析出物すなわち反応ガス間の化学反応を利用して基板表面に薄膜が析出せしめられる。ＣＶＤでは、反応室内の基板の近くに反応ガスがポンプ送りされ、そのガスが基板表面で反応して１または複数の反応副産物を生じ、基板上に薄膜が形成される。析出後まで残された反応副産物は反応室から排除される。ＣＶＤはフィルム（膜）を析出させるための有効な技術であるが、従来の多くのＣＶＤ法は基本的に熱プロセスであり、必要な反応を得るために５００℃または１０００℃を超える温度が必要である。そのような析出温度は、高温がＩＣを形成する電気装置のその他の状態と複数層に影響を与えるが故に、ＩＣ製造に実際に採用するには高過ぎることが多い。この理由から、反応温度を下げるためにＣＶＤ法で使用されている一つの手法は、１または複数の反応ガスをイオン化することである。この技術は、一般に、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）と呼ばれている。効率的なＰＥＣＶＤ方法が米国特許第５９７５９１２号「低温プラズマによる集積回路の形成」（この特許も本出願人に譲渡された）（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）で説明されている。米国特許第５９７５９１２号は、低温（＜５００℃）ＰＥＣＶＤによる、ＴｉおよびＴｉＮフィルムの単一室処理法を開示している。いずれも、その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する米国特許第５５６７２４３号および米国特許第５７１６８７０号に、ハードウェアの設計と、ＰＥＣＶＤによるＴｉフィルムの析出方法とについて記載されている。
【０００４】
多くの場合、アルミニウムまたはタングステンのような金属導電体の析出前に、窒化チタン・バリアー層が必要である。窒化チタンは、化学蒸着によって析出させることができる。化学蒸着の反応物質と副産物（特に、４塩化チタン）は、チタン接点層をエッチングするように働く。したがって、窒化チタン化学蒸着の前にチタンの窒化を行なわなければならない。したがって、チタンフィルムと、チタンフィルムの窒化層と、その上の窒化チタンとを含む積層が、下位の基板または導電体と上位層金属との間に形成される。
【０００５】
チタン付与と窒化は、従来、ＰＥＣＶＤによって行なわれている。窒化チタンの析出は、従来、熱ＣＶＤによるものである。ＰＥＣＶＤ反応と熱ＣＶＤ反応は、異なるプロセス・パラメータ（工程要因）を含み、異なるプロセス機器を必要とする。その結果、代表的なＴｉ、窒化ＴｉおよびＴｉＮの積層を製造するための一連のプロセス（工程）は、２つの別体モジュールで行われ、該モジュールは、半導体ウェーハ処理集合工具の共通真空搬送モジュールに連結されることが多い。この一連のプロセスは、以下の処理工程に伴なう、かなりの総計時間を含む：
すなわち、先ず、各ウェーハをＰＥＣＶＤモジュールへ搬送し、Ｔｉ−ＰＥＣＶＤのためにモジュール内の処理条件を安定化させ、次に、Ｔｉを析出させ、析出したＴｉ層を窒化させた後、モジュールをポンピングし、ＴｉＮ層の析出のために搬送モジュールを通して熱ＣＶＤモジュールにウェーハを搬送し、熱ＣＶＤによるＴｉＮ析出のためにモジュール内の処理条件を安定化し、次いで、熱ＣＶＤ−ＴｉＮモジュールからウェーハを除去する。
【０００６】
プロセス・パラメータの違いが、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ法と熱ＣＶＤ−ＴｉＮ法を同一モジュール内で統合するすることを妨げている。低温では、シャワーヘッドから剥がれ易いＴｉＣｌXＨYフィルムが形成されるが故に、従来、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉにおけるシャワーヘッド温度は、最低４２５℃であるが、高温では、ＰＥＣＶＤ反応装置内でのプラズマ形成、温度制御、およびその他の理由から好ましい金属シャワーヘッドの、塩素腐食を生じるが故に、シャワーヘッド温度が５００℃以下である。他方、ＴｉＮ析出で用いられる熱ＣＶＤ反応装置においては、低温でＮＨ4Ｃｌ凝縮が生じるため、シャワーヘッド温度が、通常、最低１５０℃であり、また、高温でシャワーヘッド上にＴｉＮの析出が生じるため、シャワーヘッド温度は２５０℃以下である。また、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ反応と熱ＣＶＤ反応とでは、通常、ウェーハ温度と室内圧力も相違する。温度と圧力の周期的変化は、反応装置部品からの析出物の過度の剥離を引き起し、装置稼動中（ｉｎ−ｓｉｔｕ）の清掃および装置停止中（ｅｘ−ｓｉｔｕ）の清掃を頻繁に必要とし、そのため生産性が低下し、総計時間（特に、プロセス・パラメータの変化から回復するための安定化時間）を増大させる。
【０００７】
ＴｉＮの熱ＣＶＤによって生じるＴｉＮフィルムの特性と析出効率とが好ましい利点であったが、同一反応装置内でのＴｉとＴｉＮの析出を、Ｔｉ析出だけでなく、ＴｉＮ析出をもＰＥＣＶＤ法で行うことが提案された。
斯様に、とりわけ、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ法と熱ＣＶＤ−ＴｉＮ法を用いて、更に効率良く、有効に、Ｔｉ、窒化チタンおよびＴｉＮの積層を析出させるための需要が存在する。
【０００８】
本発明によれば、チタンと窒化チタンとを単一室内で連続して析出させるＣＶＤ法（特に、ＰＥＣＶＤ法によってＴｉを析出させ、次いで窒化させ、熱ＣＶＤ法によってＴｉＮを析出させるＣＶＤ法）が提供される。この目的のために、また本発明の原理によれば、４ハロゲン化ガスと水素ガスのプラズマを基板表面近くに形成することにより反応室内の基板表面上にチタンフィルムが析出せしめられ、次いで、析出したチタンフィルムが、アンモニアガス、窒素ガス、またはアンモニアガスと窒素ガスの混合物等の含窒素ガスのプラズマによって同じ反応室内で窒化され、さらに、同じ反応室内で熱ＣＶＤによって、窒化処理されたチタンフィルム上に、窒化チタンフィルムが析出せしめられる。
【０００９】
本発明の好適形態によれば、基板温度と、シャワーヘッド温度と、反応室の内圧とが、Ｔｉ析出、Ｔｉ窒化、ＴｉＮ析出の各プロセスを通じてほぼ一定に維持される。このことによって、剥離と、パーティクル発生の蓋然性が低下し、プロセス・パラメータ変更に伴う総計時間が減少する。本発明の単一室工程は、ＴｉＮの析出を下層のチタン析出処理および窒化処理と統合することによって処理量を増大させる。
【００１０】
本発明の一好適例では、処理工程を通じて、チタンが同一室内のシリコンと反応する最低温度よりも高く、且つ４塩化チタンがシリコンをエッチングする最高温度よりも低く、基板温度を維持するのが好ましい。例えば、基板温度が、処理工程を通じて最低約５００℃、約７００℃以下に維持される。より好適には、基板温度が、最適な余裕をもって最低約５８０℃に選択される。シャワーヘッド温度は、不安定なチタン化合物がシャワーヘッドから剥離しないように、処理工程を通じて、最低約４２５℃、処理温度以下の約７００℃に維持するのが好ましい。金属シャワーヘッドについては、より好適には、シャワーヘッド温度が、金属の腐食を回避するために約５００℃を超えない温度に維持される。室内圧力は、処理工程を通じて約１トール〜１０トールに維持するのが好ましい。かくして、単一反応室内で実行される統合されたチタンおよび窒化チタン析出工程が提供される。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
効率的なＰＥＣＶＤ方法が米国特許第５９７５９１２号「低温プラズマによる集積回路の形成」（本出願人に譲渡された）（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）で説明されている。米国特許第５９７５９１２号は、低温（＜５００℃）ＰＥＣＶＤによる、ＴｉおよびＴｉＮフィルムの単一室処理法を開示している。いずれも、その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する米国特許第５５６７２４３号および米国特許第５７１６８７０号に、ハードウェアの設計と、ＰＥＣＶＤによるＴｉフィルムの析出方法とについて記載されている。その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する米国特許出願第０９／０６３１９６号「Ｔｉ−ＰＥＣＶＤ室を不動態化し、調整する方法と、それによって処理する方法」（本出願人に譲渡され、出願係属中である）は、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉモジュールにおける価値ある／安定したＰＥＣＶＤ−Ｔｉ製造工程の工程流パラメータ（要因）を開示している。その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する米国特許出願第０８／９１４６７３号「統合されたＣＶＤ−Ｔｉ／ＴｉＮウェーハ処理の間のＴｉＣｌエッチバック処理の利用」（本出願人に譲渡され、出願係属中である）は、ＣＶＤ−ＴｉＮ析出に先立って、チタンフィルムをエッチングして酸化物表面を除去する方法を開示している。この方法は、続くＣＶＤ−ＴｉＮ処理の間におけるＴｉＣｌ4の高い局所圧力によるチタンフィルムの腐食のような問題を排除する。いずれも、その全記載内容を引用によって本明細書に援用する米国特許第５２７９８５７号および米国特許第５３０８６５５号は、アンモニア焼鈍により、ＣＶＤ−ＴｉＮフィルムの抵抗を減少させる方法を開示している。米国特許出願第０９／９４０７７９号「ＣＶＤおよびＰＥＣＶＤ反応における反応ガスの早期混合を防止する装置と方法」（本出願人に譲渡され、出願係属中である）（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）には、二つの反応ガスを混合せずにＣＶＤ室に導入するシャワーヘッド構造が開示されている。米国特許出願第０９／１５３１２８号「ＰＥＣＶＤ室において電極を電気的隔離する装置」（本出願人に譲渡され、出願係属中である）（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）には、ＲＦ電力面と接地面との間に置かれた絶縁体上に導電路が形成されないようにする構造が開示されている。その全記載内容を引用によって本明細書に援用する米国特許第５５９３５１１号は、チタン層の低温窒化を開示している。
【００１２】
図１は、本発明で使用するＣＶＤ反応装置（リアクター）の一例を示す。類似の構造が、米国特許第５６４７９１１号（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）に示されている。反応装置２０は、反応空間すなわち析出空間を画成する析出室ハウジング２２を有する。反応装置２０、とりわけハウジング２２内の反応空間２４は、脱気によって選択的に種々の異なる内圧にすることができる。これら圧力は、ＴｉおよびＴｉＮのＣＶＤ反応の場合、一般に、０．２トール〜２０トールの範囲にある。基板２８を保持する受容器２６が軸３０に結合されている。受容器２６に支持された基板２８を、工程を実行するために必要な温度に受容器２６が加熱できるように、加熱要素（図示せず）によって受容器２６も加熱される。通常、この温度は、最低約５００℃、本明細書で説明する処理工程の場合、約５８０°〜７００℃の範囲が好適である。
【００１３】
ハウジング２２の頂壁３２から下方に、ガス撒布シャワーヘッド３６に取り付けられたシリンダー組立体３４が延びている。シャワーヘッド３６は基板２８の上位に組立体３４によって懸吊されている。シリンダー組立体３４は、ハウジング頂壁３２に形成された開口４２と組み合わせ関係の下で、ハウジングカバー４６とシャワーヘッド３６との間に延びる概ね鉛直の流路４４を形成している。シャワーヘッド３６は、１９９７年９月３０日出願の米国特許出願第０９／９４０７７９号「ＣＶＤおよびＰＥＣＶＤ反応における反応ガスの早期混合を防止する装置と方法」（その全記載内容を、引用によって本明細書に援用する）で説明された形式の後混合型シャワーヘッドが好ましい。シャワーヘッド３６は、カバー４６を貫通して伸長する適切なＲＦ供給ラインによってＲＦ電力源３８に連結されている。密封構造４９が、供給ライン組立体４０の周囲の開口を密封している。ＲＦ供給ライン４０は、望ましくない熱を消散させるための熱管（ヒートパイプ）（図示せず）を含むことができる。かくして、シャワーヘッドは、例えばチタンの析出や窒化のためのプラズマＣＶＤ用電極およびガス導入部材として、または、窒化チタン析出用のガス分散シャワーヘッドとして使用される。
【００１４】
シャワーヘッド３６は、ＰＥＣＶＤ技術のためのＲＦ電極として作用するように、ＲＦエネルギーでバイアスされている。ＲＦ電極の近接した間隔と、その結果としての濃縮プラズマとは、ＰＥＣＶＤ（特に、チタン含有フィルムのＰＥＣＶＤ）にとって極めて有効である。ＲＦ電力源３８は、ＲＦ供給ライン組立体４０を介してシャワーヘッド３６をバイアスし、シャワーヘッドがＲＦ電極として働く。したがって、接地された受容器２６が別の平行電極を形成する。好適には、ＲＦ電界はシャワーヘッド３６と受容器２６との間に形成される。バイアスされたシャワーヘッド３６によって形成されるＲＦ電界は、孔６４を通って供給されるプラズマガスを励起し、その結果、シャワーヘッド／電極の上位の流動空間４４内ではなく、シャワーヘッド３６の直下にプラズマが形成される。ＲＦラインをシリンダー組立体３４とハウジング２２から絶縁するために、絶縁スリーブがＲＦ供給ライン組立体４０内で使用され、シャワーヘッド３６をシリンダー組立体３４から分離するために、石英絶縁リング６２が使用されている。受容器２６を回転させて、プラズマガス流を均一化し、均一な析出を行なうことができる。
【００１５】
ＴｉＣｌ4等の反応ガスが、リング５０と５２を通じて導入される。リング５０と５２から出るガス流は、ガスがシャワーヘッド３６へと流れるに従って、流れ空間４４の長さ内で発達する。反応ガスのガス粒子は、シャワーヘッド３６と受容器２６によって形成されたＲＦ電界で励起される。したがって、励起された反応ガスの粒子、および、プラズマガスの遊離基とイオンのガス混合物が基板２８の上位であって基板に近接して濃縮される。シリンダー組立体３４の寸法は、シャワーヘッド３６と基板２８の間隔が、好適には２５ｍｍ、より好適には約２０ｍｍであるように定められる。
【００１６】
ＰＥＣＶＤ−Ｔｉ反応と窒化反応は、周波数に特に敏感というわけではないが、ＰＥＣＶＤ用のシャワーヘッド３６に加えられるＲＦエネルギーの周波数は、例えば４５０ＫＨｚ〜１３．５６ＫＨｚの範囲が適当であることが判っている。シャワーヘッド３６を基板２８に近接して使用することにより、大きい密度のガス遊離基とイオンを有する濃縮プラズマが基板面２９の近くに形成される。
余分なガスは孔５３を通じて反応空間２４から排除される。受容器２６の周囲のガス流を均一にするために邪魔板２７を設けてもよい。
【００１７】
反応装置２０は、チタン、窒化チタン、珪化チタンのプラズマ化学蒸着に使用され、また、窒化チタンを形成するため、既に析出しているチタンフィルムの焼鈍に使用される。前記反応装置２０と、以下に述べる処理条件とを用いて、チタンの析出、窒化、窒化チタンの析出が、反応装置２０の単一室内で連続的に行なわれる。
【００１８】
基板２８は、シリコンまたは２酸化シリコンを含む通常のＩＣ基板を含み、金属導体、接点、絶縁層等で被覆または局部的に被覆された基板でもよい。一観点において、本発明は、シリコン上への析出にとりわけ有用である。
【００１９】
チタンフィルムを析出させるため、４塩化チタンのようなハロゲン化チタンガスが水素と共に加えられる。この反応において、４塩化チタンの流量は水素ガスの顕著に過剰な流量を伴って２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ（通常、約５ｓｃｃｍ）である。一般に、水素ガス流量は４塩化チタン流量の１０〜５００倍、例えば３００倍である。アルゴンも使用可能であり、その場合、水素ガスの一部が免除される。これら混合ガスのガス入口温度またはシャワーヘッド温度は約４２５℃〜５００℃であり、基板が最低約５００℃〜約７００℃の温度、好適には約５８０℃に加熱される。反応室の圧力は、約０．２トール〜約２０トール、通常、約１．０トール〜１０トールである。２０トールを超える圧力では、プラズマが形成されないだろう。
【００２０】
ＲＦ電極は約１００ワットと、装置が破壊される約５キロワットの最大電力との間で操作される。しかし、実際の目的のためには約３５０ワットで十分である。ＲＦ電極の周波数は３３ＭＨZ〜５５ＫＨZに設定され、４５０ＫＨZも許容される。この周波数は連邦通信協会によって決められた周波数であり、多くの機器がこの周波数に設定されている。しかし、本反応に最適のものではない。
【００２１】
ハロゲン化チタンと水素ガスとの混合ガスがシリンダー組立体３４内に噴射され、ＲＦ電極／シャワーヘッド３６を通過する。プラズマが形成され、かつチタンが形成されて基板２８上に析出する。水素はハロゲンすなわち塩素と反応し塩化水素を形成し、塩化水素は排出される。反応は継続し、チタンフィルムが所望厚さに達するまでチタンフィルムが析出される。この厚さは希望する用途に応じて約２０オングストロームから約２０００オングストロームにまで変化する。
【００２２】
所望により、基板表面２９上、接点孔または貫通孔（バイア）内に珪化チタン層を形成してもよい。珪化チタンの形成には、ハロゲン化チタンガス、好適には４塩化チタンがシランと反応され、珪化チタンと塩化水素を形成する。アルゴンまたはヘリウムのような不活性ガスが、必要に応じ圧力維持のために導入される。
【００２３】
前記により析出したチタンフィルムは、次に同じ反応装置２０内で窒化される。この反応において、基板２８の表面２９上に析出したチタンフィルムが、アンモニアおよび／または窒素のプラズマのような含窒素プラズマに曝される。アンモニアは良好な反応性のために好まれる。プラズマは、単に窒化ガスを高温、低圧のＲＦ電極に曝すことにより形成される。好適にはアンモニアガスまたは窒素ガスのような窒化ガスの流量は約１０ｓｃｃｍ〜約５０００ｓｃｃｍである。好適にはＲＦ周波数は約５８０ＫＨｚであろう。反応温度すなわち基板温度は最低約５００℃、好適には最低約５８０℃である。窒化物の場合の好適基板温度はチタンフィルムを析出させるときの温度と同じである、すなわち、実質的にはプロセスの間で基板温度が変化することはない。窒化チタン析出の間、シャワーヘッドは好適には約４２５℃〜５００℃の温度に維持され、チタンフィルム析出に使用されるシャワーヘッド温度と同じであることが好ましい。
【００２４】
反応室の内部圧力は窒化処理の間大気圧以下である必要があるが、通常、約０．２トール〜約２０トールであり、好適には１トール〜１０トールである。好適には、チタン窒化処理中の反応室内部圧力はチタンフィルム析出時の圧力と同じであり、プロセスの間で圧力が変化することはない。窒化反応において、反応時間は約１秒〜１００秒の間で変えてよいが、約３０秒〜５０秒が好適である。
【００２５】
例えば、４塩化チタンまたは他のハロゲン化チタンを、アンモニアガスまたは窒素ガスと水素ガスとの混合ガスと反応させることにより、窒化チタンが、窒化され析出したチタンフィルム上に熱ＣＶＤにより析出され、その際副産物として窒化チタンと塩化水素が生じる。ハロゲン化チタンの流量は好適には約０．５〜５０ｓｃｃｍである。窒素源ガスの流量は約５０〜約５０００ｓｃｃｍである。反応温度または基板温度は最低約５８０℃であり、好適にはチタンフィルムを析出させチタンフィルムを窒化させる基板温度と同じであり、プロセスの間において実質的な基板温度の変化は存在しない。窒化チタン析出中、シャワーヘッドは約４２５℃〜約５００℃の温度に維持され、好適にはチタンフィルムを析出させチタンフィルムを窒化させるときの基板温度と同じである。シャワーヘッド上にＴｉＮが析出することを防止しようとする従来の熱ＣＶＤ−ＴｉＮ析出プロセスにおいて使用される低温とは異なり、高い温度は、シャワーヘッド上のＴｉＮ析出を許し、チタン窒化処理とＴｉＮ析出とのプロセス状態を共にもたらすＴｉＮ析出を使用しており、反応装置をより安定にする。一定温度の使用が、温度サイクリングに伴って起こる粒子生成を防止する。シャワーヘッドが高温反応ガスと腐食反応を行うことを防止するためシャワーヘッドにセラミックまたは他の耐腐食被覆を施すことにより、５８０℃または５９０℃、さらに６５０℃または７００℃のシャワーヘッド温度が利用可能である。
【００２６】
ＴｉＮの熱ＣＶＤの間、反応室の内部圧力は約０．２トール〜２０トールに維持され、約１トール〜１０トールが好適である。好適には、反応室の内部圧力は、チタンフィルムを析出させチタンフィルムを窒化させるために使用される圧力と同じ一定圧力に維持され、したがって処理工程の間、本質的な圧力変化は存在しない。
【００２７】
このように、本発明に従えば、多数の層が単一反応室内において基板上に析出される。先ずチタン層が基板上に析出され、ついでチタンを窒化するためアンモニアまたは窒素のプラズマ焼鈍が行われる。つぎに、窒化チタン層が上述した手順にしたがって析出される。基板温度、シャワーヘッド温度と内部圧力とはほぼ一定の値に維持されていることが有利である。プロセスの間、温度、圧力の変化を回避することにより薄片化、粒子生成の蓋然性が減少する。パラメータの変化を回避することはさらに、ポンピングと排出のための時間と、他のパラメータ変化オーバーヘッドとを消滅させ、特に、プロセス・パラメータ変化に起因する安定化時間を除去または減少させることにより単一室の使用を容易にしている。また、２つの室を１つの室に置き換えることにより、２つの一室統合Ｔｉ／ＴｉＮプロセス・モジュールが、２つのウェーハを違った室で同時に処理することにより２倍の数のウェーハを処理するように使用できる。これはさらに、２つの室において順次行われるプロセスに関連したオーバーヘッドを省略することにより、処理量を増加させている。本発明の単一室プロセスはさらに、プロセス全体を通して単一セットのパラメータを使用することを可能にしている。
【００２８】
本発明の他の具体例では、統合接点金属化プロセスが、先ずチタンをシリコン面上にＰＥＣＶＤにより析出させることにより行われ、その間に珪化チタンの層がシリコン表面とチタンフィルムとの間に形成される。チタン析出の後、アンモニアまたは窒素のプラズマ焼鈍が行われ、窒化された珪化チタンが形成される。最後に、窒化チタン層が同じ反応室内で熱ＣＶＤにより析出される。
【００２９】
窒化チタンを窒化チタンフィルムまたは窒化された珪化チタン上に析出させた後、銅、アルミニウム、タングステンのような低い抵抗の金属層が析出される。しかし、この最後の析出は一般にスパッター析出技術を用いた別室を必要とする。普通に使用されているスパッター析出室がここでも使用されよう。スパッター析出方法は当業者にはよく知られている。
【００３０】
本発明の或る具体例では、窒化チタンフィルムまたは窒化された珪化チタンフィルム上に窒化チタンフィルムを析出させるとき、窒化チタンが２段階で析出する。最初の段階で、４塩化チタンが少ない状態、例えば、４塩化チタンの流量は約８ｓｃｃｍ、アンモニアの流量は約８０ｓｃｃｍ、希釈された窒素の流量は約１リッター／分、圧力は約１トールの状態で析出する。例えば、約５０〜５００Åの窒化チタンの薄い層が析出した後、アンモニアと窒素の流量がほぼ一定のまま４塩化チタンの流量が飽和領域例えば約３０ｓｃｃｍに変更される。窒化チタンは所望厚さに析出される。
【００３１】
チタン析出、窒化、窒化チタン析出の間に、ＴｉＮ（Ｃｌ４）フィルムが、例えばウェーハ領域の外側のシャワーヘッド、絶縁体、受容器表面のような高温の室内表面に析出される。一定のプロセス・パラメータを使用した単一室における統合プロセスをにおいては、反応装置を洗浄することなしに数百のウェーハが処理できることが判っている。数百または１千のウェーハ処理の後、反応装置の稼動状態での洗浄が定期的に行われ、また、より稀に湿式洗浄が行われる。プロセス室の湿式または稼動状態での洗浄の後に、ウェーハ製造プロセスを続行する前に、室内表面を予備被覆する必要がある。２つの室が使用される従来方法では、２つの違った予備被覆プロセスが行われて来た。チタン析出室においては、室内表面を約３８００ÅのＴｉＮで被覆するため、チタンのＰＥＣＶＤとそれに続くアンモニア焼鈍を含む予備被覆プロセスが行われる。ＴｉＮ析出室においては予備被覆プロセスは、室内表面を約５０００ÅのＴｉＮで被覆するＴｉＮのＣＶＤから成っている。２つの予備被覆プロセスは基本的には室内表面における同じフィルムを生成しているから、いずれかのプロセスが、本発明の単一室の室内表面を予備被覆するために使用出来よう。最も好適とされる室の予備被覆または調整が、引用によってその全記載内容を本明細書に援用する、１９９８年４月２０日に出願された係属中の米国特許出願第０９／０６３１９６号「Ｔｉ−ＰＥＣＶＤプロセス室に化学反応を不活性にし安定化する方法と、組合わされたＴｉ−ＰＥＣＶＤ／ＴｉＮＣＶＤプロセスの方法と装置」（熱ＣＶＤ窒化チタン予備被覆プロセスを伴う）で説明されている。
【００３２】
本発明の好適例は、プロセス統合を最適にし洗浄回数を減らすため、基板温度、シャワーヘッド温度、および圧力を単一室Ｔｉ／ＴｉＮ析出のプロセスを通して一定に維持することを含むが、本発明の特徴は、単一室統合Ｔｉ／ＴｉＮプロセスが、ＴｉのＰＥＣＶＤと、プラズマ窒化と、ＴｉＮの熱ＣＶＤを使用して行われることである。かかるプロセスにおいては、約１５０℃〜２５０℃の温度範囲の低いシャワーヘッド温度がＴｉＮの熱ＣＶＤの際に使用されるが、これは室内表面の洗浄がより頻繁に必要にはなるが、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉにより析出されたフィルムが低いシャワーヘッド温度においては不完全にしか付着しないからである。したがって、頻繁な洗浄を避けるために、ＰＥＣＶＤ−Ｔｉで使用する場合と同じ高いシャワーヘッド温度を使用することが有利である。
【００３３】
以上、具体例を示して本発明の詳細を説明したが、これは特許請求の範囲を具体的に限定することを意図するものではない。他の利点、変形は当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、特定の細目、代表的装置および方法、図示例に限定されるものではない。したがって、本発明の要旨から逸脱することなく、これら細目の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に使用される析出室の一部欠截側面図である。
【図１】
0003782938.tif 000002