(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化チタン膜を基板上に形成する窒化チタン膜の形成方法において、
４塩化チタンを用いた熱化学気相成長法によって上記窒化チタン膜を上記基板上に堆積するステップと、
アンモニアガスと窒素ガスを含むグループから選択したガスから生成されるプラズマを上記窒化チタン膜に接触させることによって、該窒化チタン膜にアニール処理を５００℃以下で施すステップとを有する窒化チタン膜の形成方法。
【請求項２】
上記プラズマは、上記ガスにＲＦエネルギを供給することによって生成することを特徴とする請求の範囲第１項記載の窒化チタン膜の形成方法。
【請求項３】
上記ＲＦエネルギは、１００Ｗより大きいことを特徴とする請求の範囲第２項記載の窒化チタン膜の形成方法。
【請求項４】
上記プラズマによるアニール処理は、１５秒〜３００秒間継続されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の窒化チタン膜の形成方法。
【請求項５】
上記窒化チタン膜は、０〜１０００ｒｐｍの速度で回転されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の窒化チタン膜の形成方法。
【請求項６】
上記温度は、４００℃〜５００℃の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲第１項記載の窒化チタン膜の形成方法。
【請求項７】
上記アニール処理は、１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）〜１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）の圧力において行われることを特徴とする請求の範囲第１項記載の窒化チタン膜の形成方法。
【請求項８】
上記窒化チタン膜は、上記アニール処理中に回転され、
上記プラズマは、アンモニアのプラズマであり、
上記アンモニアのプラズマは、アンモニアガス流を少なくとも１００ＷのＲＦ電極（２２）に接触させることにより生成され、
上記窒化チタン膜は、１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）〜１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）の圧力下で、４００℃〜５００℃の温度に加熱されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の窒化チタン膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
背景技術
集積回路の製造において、基板表面に金属元素を含有する薄膜が形成される。これらの薄膜により、回路内及び集積回路の種々の素子間の導電性接続及びオーミックコンタクトが行われる。例えば、半導体ウェーハ上のコンタクトホール又はビアホールの露出した内壁面には、絶縁層を横切って内部接続用の導電性材料からなるプラグを形成するために、ウェーハ上の絶縁層を貫通して所望の薄膜を形成する必要がある。導体及び絶縁体としては、種々のものがあり、集積回路の様々な目的に合わせて選択される。それらとしては、チタン、窒化チタン、チタンタングステン合金、タングステン、アルミニウム、二酸化シリコン等がある。窒化チタンは、集積回路製造における様々な用途で用いられる。窒化チタンは、タングステン膜の接着層、全体的な内部接続及び拡散防止層として用いられる。窒化チタンは、接着層として用いる場合、コンタクトホール及びビアホールの充填材として用いられるタングステンを覆う用途において優れている。このプロセスにおいて、通常は、最初に、タングステンと下地層である絶縁体との接着性を高める作用がある材料の薄膜を堆積する。タングステンは、絶縁材料に接着しにくいため、この材料は、絶縁体に良く密着し、かつタングステンにも良く密着する性質のものでなければならない。これに適した材料としては、幾つかあるが、なかでも窒化チタンは、絶縁体とタングステンの両方に対する接着性が高く、抵抗率が非常に低く、タングステンをエッチングするために用いられる化学薬品に対する耐性を備える等の幾つかの優位な点がある。
また、窒化チタンは、拡散防止層として用いる場合、シリコンを透過させない膜としても機能するという利点を有する。また、窒化チタンは、他の材料よりも高い活性化エネルギを有する。例えば、銅を窒化チタンに拡散するための活性化エネルギは４．３ｅＶであり、一方銅を他の大部分の金属に拡散するための活性化エネルギは１ｅＶ〜２ｅＶのオーダであることが報告されている。窒化チタン層を形成するために典型的に用いられる幾つかの異なる方法がある。窒素雰囲気中でチタンを蒸着する方法、窒素／アルゴン混合気中でチタンを反応性スパッタリングする方法、アルゴン雰囲気中でターゲットから窒化チタンをスパッタリングする方法、チタンを堆積し、次の窒化工程において窒化チタンに化学変化させる方法、４塩化チタンとアンモニアを用いた熱化学気相成長反応等の方法がある。
これらの異なる方法には、それぞれに特有の問題点が多くあり、特に、従来の熱化学気相成長プロセスに通常関係している問題、すなわち基板が高温に曝されることである。集積回路の素子レベルでは、集積回路内の電気素子の接合を形成するための半導体不純物は、浅く拡散される。不純物は、拡散工程において、先ず最初に熱を用いて拡散される。不純物は、集積回路が化学気相成長の間に高温にされるときにも拡散を続ける。集積回路内において内部の金属接続又は配線を行った後に、熱化学気相成長を行う場合には、温度は更に制限される。例えば、多くの集積回路は、内部接続用金属として、アルミニウムを使用している。しかしながら、アルミニウムを高温に曝すと、アルミニウムに種々の望ましくないボイド（void）やイックストリュージョン（extrusion）が発生する。したがって、内部接続用のアルミニウムを集積回路上に一旦堆積した後には、内部接続用のアルミニウムを曝すことができる最高温度は約５００℃であり、好ましい上限は４００℃である。
発明の名称「回転式サセプタリアクタを用いたプラズマエンハンス熱化学気相成長法による薄膜形成の方法及び装置」、国際特許公開番号ＷＯ−Ａ−９５／３３８６６号、ＷＯ−Ａ−９５／３３８６７号、優先日が１９９４年６月３日である２件の出願には、化学気相技術により、窒化チタンの薄膜の形成に適した回転式サセプタリアクタを用いた低温プラズマエンハンス熱化学気相成長法による薄膜形成の方法及び装置が記載されている。しかしながら、窒化チタンを、更なる用途に適したものにするためには、後処理が必要となることが多い。
また、ソリッドステートエレクトロニクス、ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１１の１３８７頁〜１３９１頁、日本特許公開番号Ｈ０２−３１０９１８号、Ｓ６３−２２９８１４号には、窒化チタンのスパッタ成膜及びそれに続くプラズマ処理が開示されている。
ヨーロッパ特許公開番号ＥＰ−Ａ−０７１１８４６号（本出願の優先日以降に公開された）には、４アリキル化チタンからの窒化チタンの化学気相成長及びそれに続くプラズマ処理が開示されている。
発明の開示
本発明の目的は、高温で成膜された窒化チタン膜に匹敵する性能を有する高品質な窒化チタン膜を形成するために、ウェーハ上に既にあるアルミニウムに適合する低温プロセスを提供することである。さらに、本発明の目的は、窒化チタン膜にアニール処理を５００℃以下に施すための化学気相成長プロセスを提供することである。
本発明によれば、窒化チタン膜は、温度が５００℃未満の回転式サセプタリアクタにおいて窒素含有ガスから生成されたプラズマにより、アニール処理が施される。特に、本発明は、例えばアンモニアガスのような窒素含有ガスから生成されたＲＦプラズマによって、窒化チタン膜に５００℃未満の温度でアニール処理を施す方法を提供する。この方法は、高温においてアニール処理が施された薄膜に比べて、相対的に抵抗率が低く、相対的に塩素含有度が低い薄膜を生成することができる。
本発明の目的及び利点を、図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明において用いられるリアクタの断面図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、窒化チタン膜が成膜された種々の異なる基板に対して利用することができる。窒化チタン膜は、４塩化チタンと窒化アンモニアを用いた化学気相成長反応により成膜される。窒化チタン膜形成の好ましい方法については、発明の名称「回転式サセプタリアクタを用いたプラズマエンハンス熱化学気相成長法による薄膜形成の方法及び装置」、国際特許公開番号ＷＯ−Ａ−９５／３３８６６号、ＷＯ−Ａ−９５／３３８６７号、優先日が１９９４年６月３日である２件の出願に、より詳細に記載されており、引用することによって本願に援用される。
プラズマエンハンス熱化学気相成長法に適した装置を、図１に示す。この図１は、本発明を実施するために用いることのできるＲＦシャワーヘッド／電極の具体的な構造を示す図である。化学気相成長（以下、ＣＶＤという。）装置２０は、ＲＦ供給ライン機構２４によってバイアスが印加されたＲＦシャワーヘッド／電極２２を備える。プラズマと反応ガスはシリンダ機構２６を通り、サセプタ３０上にある基板２８に送り出される。ＣＶＤ装置２０は、ケーシングカバー３２を有する筐体と、ＲＦ供給機構３４と、冷却ジャケット３７及び冷却液供給管を有するヒートパイプ機構３６と、シーリング機構４１を有するガス分配カバー３９とを備える。石英等の絶縁部材からなるシリンダ３８は、ＲＦ供給ライン機構２４を包囲している。
シリンダ３８は、例えばヘレアスアマーシル（Hereaus Amersil）から入手可能なQuartz T08-Eのような高品質の石英から形成されている。石英製のシリンダ３８は、ニッケル−２００のような導電性金属からなるシャワーヘッド／電極２２によって支えられている。環状の凹部４０がケーシングカバー３２内に形成されており、この凹部４２にシリンダ３８の上端部４２が取り付けられる。Ｏリング４３、４４は、階段状の凹部４０とシリンダ３８の境界面に配置され、そこにシールを形成している。シリンダ３８の下端部４６における環状の係合段部４８に、シャワーヘッド／電極２２の周縁部５０が取り付けられている。シリンダ３８の係合段部４８は、シャワーヘッド／電極２２の周縁部５０によって支えられている。シャワーヘッド／電極２２は、ＲＦライン管５４に、例えば溶接によって位置５５で取り付けられたステム５２を有し、一体型のＲＦライン５６を形成している。ＲＦライン５６は、その上端部でカラー５８によって、摩擦により支持されている。その結果、ＲＦライン５６は、シャワーヘッド／電極２２をサセプタ３０の上方に支持している。換言すると、シャワーヘッド／電極２２は、シリンダ３８の係合段部４８で当接するとともに、シリンダ３８を凹部４０内に保持することにより、シリンダ機構２６内のシリンダ３８を支持している。係合段部４８と、それに対応するシャワーヘッド／電極２２の周縁部５０に形成された同様の環状係合段部６０との間で、Ｏリング５８を圧縮し、圧縮されたＯリングによって、シャワーヘッド／電極２２の周縁部５０とシリンダ３８の係合段部４８の境界面が密閉される。ガスの暈（halo）、すなわちリング６２、６４は、シリンダ３８内に反応ガスを導入する。
基板２８は、例えばシャワーヘッド／電極２２から約６．３５×１０-3ｍ（０．２５インチ）〜０．１０２ｍ（４インチ）の距離に配置される。この距離は、活性化イオンが基板２８に衝突するのに適したものとしなければならない。
一般的に、反応ガスは、リング６２、６４を介して導入される。これらの反応ガスはシリンダ３８を通過し、ガスがシャワーヘッド／電極２２を通過する際にプラズマが生成される。これらのプラズマは基板２８に衝突する。
窒化チタンは、このＣＶＤ装置２０や他の周知の装置によって、基板２８であるウェーハ上に約４００℃の温度で熱的に堆積される。例えば、窒化チタン層は、ＴｉＣｌ4、アンモニアガス（ＮＨ3）、窒素ガス（Ｎ2）を用いて堆積することができる。ＴｉＮ薄膜を生成するには、他にも周知の方法及びパラメータがある。
窒化チタン膜には、例えば図１に示すＣＶＤ装置２０を用い、例えば好ましくは高周波エネルギを利用して例えば窒素ガス又はアンモニアガス等の窒素含有ガスから生成されたプラズマによって、プラズマエンハンスアニール処理が施される。プラズマエンハンスアニール処理を行うためには、サセプタ３０の温度を約４００℃〜約５００℃の範囲内とし、また、リアクタ圧力を約６７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）〜約１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）、好ましくは６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）に維持しなければならない。窒素含有ガスとしては、アンモニアガス、又は窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスのどちらを用いてもかまわない。流量は、比較的広範囲に変化させることができる。流量は、大まかには約１０００ｓｃｃｍ〜約１００００ｓｃｃｍとし、好ましくな約５０００ｓｃｃｍとする。窒化チタン膜上のプラズマの均一性を向上させるためには、サセプタ３０を回転させることが望ましい。回転数は、高くすることも可能であるが、１００ｒｐｍあれば十分である。
ＲＦ電極パワーは、プラズマを安定させるのに足りるものでなくてはならないが、著しく高くする必要はない。したがって、ＲＦ電極パワーは、少なくとも１００Ｗ以上であり、その上限は、通常、半導体が破壊されるパワーまでである。本発明の場合、効果が発揮される周波数は、４５０ＫＨｚ前後〜２６ＭＨｚ以上の範囲内である。
アニール処理は、１５秒〜３００秒以上の範囲内で継続され、通常は約６０秒間で十分と考えられる。
本発明に基づいて生成される窒化チタン膜の品質を検証するために、４塩化チタンガス、アンモニアガス、窒素ガスを反応ガスとして使用した熱化学気相成長を行い、窒化チタン膜を成膜させた。反応条件は表１の通りである。
0003740508.tif 000002
次に、プラズマアニールによって、この窒化チタン膜にアニール処理を施した。このとき、アンモニアガスの流量は５０００ｓｃｃｍであり、ＲＦ電極パワーの設定は４５０ＫＨｚにおいて７５０ワットであり、圧力は６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）であり、回転数は１００ｒｐｍであり、処理時間は１２０秒である。サセプタの温度は４６７℃に維持され、ウェーハの温度は４５０℃となり、その結果、抵抗率が３６３μΩｃｍ、塩素含有率が４．５％の薄膜が形成された。下記表２に示す条件下において熱的なアニール処理を施した形成した同様の薄膜は、抵抗率が１０００μΩｃｍ以上、塩素含有率が５．０％の薄膜であった。
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このようにしてアニール処理を施した薄膜の抵抗率は、一般的には１０００μΩｃｍ以上であり、また、その塩素含有率は少なくとも５．０％であった。
したがって、本発明を適用することによって、熱的なアニール処理が施された薄膜よりも抵抗率及び塩素含有率が低い、より高品質の薄膜が形成される。それと同時に、本発明は、温度を常に５００℃以下に維持しているので、アルミニウム層を有する集積回路に適し、集積回路内に熱化学気相成長により成膜された窒化チタン膜の性能を向上させることができる。このことにより、熱化学気相成長成膜により成膜された窒化チタン膜の全体的な用途を極めて広くすることができる。
以上、本発明を好ましい実施例を含めて説明したが、本発明は請求の範囲のみによって限定されるものである。
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