(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最初にチタン（Ｔｉ）層、次にオキシ窒化チタン（ＴｉＯＮ）障壁層、そして最後にアルミニウム（Ａｌ）層を有する、相互に連続する積層体を形成する方法において、当該オキシ窒化チタンを特定の方法で形成することにより、低抵抗率のオキシ窒化チタンを与え、かつ、続いて堆積されるアルミニウムに優れた結晶テクスチャーを与えるような積層体の形成方法であって、
コンタクト／バイアを有する基体を与え；
真空蒸着装置中で前記基体の表面に、Ｔｉである第一の導電層をスパッタリングし；
前記基体を前記真空蒸着装置から取り出すことなく、基体温度が４５０℃、窒素対酸素の流量比が１５：１から少なくとも２５：１の範囲で、アルゴン、窒素及び酸素雰囲気中でＴｉをスパッタリングすることにより、前記Ｔｉ層の上に、ＴｉＯＮである第二の導電性障壁層を形成し；そして
前記真空蒸着装置中で前記ＴｉＯＮ層の上にＡｌ層をスパッタリングし；
ここで、前記Ａｌ層と前記ＴｉＯＮである第二の導電性障壁層との境界面には実質的に酸素は存在しない、
工程からなる相互に連続する積層体を形成する方法。
【請求項２】
窒素の流量が１００ｓｃｃｍであり、酸素の流量が４ｓｃｃｍである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ｔｉである第一の導電層の堆積後であって、ＴｉＯＮである第二の導電性障壁層の堆積前、及び／又はＴｉＯＮである第二の導電性障壁層の堆積後の電力降下工程後であって、Ａｌ層堆積前に、アルゴン流を５秒間流し続け、当該アルゴン流を５秒間流し続ける間は、窒素と酸素はゼロに減ぜられた流量を有する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ＴｉＯＮである第二の導電性障壁層の堆積後であって、Ａｌ層堆積前に、酸素が４ｓｃｃｍの流量を有する間は、窒素は２５ｓｃｃｍに減ぜられた流量を有し、続いて、アルゴン流を５秒間流し続ける間は、酸素と窒素の流量をゼロに減ずる請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オキシ窒化チタン膜を形成する方法において、重なる金属層に改良されたテクスチャーを与えることができる表面性を有するオキシ窒化チタン膜形成方法を与える。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路（ＩＳ）の製造では、アルミニウムが充填用に選択される金属である。将来のＣｕ金属化(metalization,メタライゼーション）方式については、ＴｉＮもこの機能を果たすことができる。現在、Ａｌの基体中への拡散を防ぐため窒化チタン（ＴｉＮ）が用いられている。ＴｉＮは、後のＣＶＤ−タングステン工程のための接着層として、或は反射防止用被覆を製造するのにも用いられている。現在、チップの幾何学的形態が収縮する場合、接点／バイアの幾何学的形態は比較的小さいことが必要である。その小さい幾何学的形態に順応させるために、バイアの底部の障壁厚さを小さくして、一次伝導体により占められるバイアの面積を最大にすることが望ましい。Ａｌ充填剤を適用するために、ＩＣを高い温度で処理することも望ましい。
【０００３】
従来知られている一つの堆積方法は、スパッタリングである。スパッタリングでは、金属ターゲットのような材料のターゲットを真空室中に、一般に基体に相対して配置し、その基体にターゲット被覆材料の層又はプラグ(plug)が形成される。ターゲット近くの真空室中に作動ガスを導入し、電気的に励起して正に帯電したガスイオンを含むガスプラズマを発生されせる。ターゲットを負にバイアスし、正に帯電したプラズマ物質を負のターゲットに衝突させ、それによってターゲット物質を離脱、即ちターゲットを「スパッタリング」する。離脱即ちスパッタリングされた材料は基体表面上に堆積し、基体表面を覆って、露出基体表面に形成された全ての接点を満たす。
【０００４】
現在の方法はＴｉＮ障壁層をスパッタリングし、それが後工程の別の場所でのアニーリングを受け、Ａｌ充填剤適用のための充分な拡散障壁性を与える。ＴｉＯＮ膜は、別の場所での処理工程を必要とすることなく、ＴｉＮより優れた拡散障壁性を与えることが知られている。
【０００５】
その場でのＴｉＯＮ拡散障壁を使用することは、別の場所でのアニーリング工程を除くことが出来るため、製造生産性が高くなる。別の場所でのアニーリング工程に関連した装置が不要になるため、資本コストも減少する。既知のＴｉＯＮ膜は生産性を改善し、コストを減少するが、それらは後で堆積するＡｌ又はＣｕのような相互接続金属の結晶構造を劣化することが知られている。同様に、Ａｌ相互接続部を堆積する前に大気に曝すことによるＴｉＮ障壁表面の酸化が、Ａｌのテクスチャーを劣化させることが知られている。アルミニウムの劣化は、電気移動寿命を減少させるため、相互接続信頼性を低下すると考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、後工程で堆積するＡｌの繊維テクスチャーの劣化を起こすことなく、別の場所でのアニーリング工程に対する必要性を無くすことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スパッタリング工程中Ｔｉを窒化し、ガス混合物にＯを添加することにより、後工程で堆積するＡｌの繊維テクスチャーの劣化を起こすことなく、他の場所でのアニーリング工程の必要性を無くすものである。膜は、高窒素低酸素雰囲気中で、高い基体温度でスパッタリングする。拡散障壁層の性質の主要な改良は、内部粒状拡散障壁を酸化することなく、粒子界面へ低レベルの酸素が取り込まれた場合に起きると考えられる。本発明は、スパッタリング室内の酸素流量に比較して大きな窒素流量を用い、高い堆積温度を用いてオキシ窒化チタンの粒子の酸素含有量を最小にする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
繊維テクスチャーは、極点図法により決定されるＸ線回折（ＸＲＤ）測定の一つの型である。極点図測定では、Ｘ線源と検出器とを、試料中の特定の結晶面から回折されたＸ線を検出するように固定する。極点図測定のための典型的な装置を図２に示す。極点図測定装置８は、第一ステージ１２上に取付けた試料１０を有する。第一ステージ１２は、第二ステージ１４上に回転可能に取付けられている。第二ステージ１４は第二ステージトラック１６の回りに回転する。第二ステージトラック１６は基盤１８の上に取付けられている。第一ステージ１２の回転は角度βを決定し、第二ステージトラック１６の回りの第二ステージ１４の動きは角度φを決定する。各位置（φ、β）で、Ｘ線源２０から放出されたＸ線が試料１０に当たり、回折してＸ線検出器２２によって感知される。第二ステージ１４の運動により試料は角度φについて９０°まで次第に傾く。各増大した傾斜角度で試料を第一ステージ１２の回転により角度βについて方位角として回転する。βが０°の所で回折した信号は、試料表面１０に平行な粒子について検出される。第一ステージ１２を角度βだけ回転することにより、試料１０の表面に対してβ0 に傾斜した粒子を検出することができる。各データ点（φ、β）で得られたデータは、全体積に亙って粒子配向についての情報を与える。もし極点図が方位角的に対称性を示す場合、任意の半径に沿った回折強度をプロットしたものは、繊維テクスチャープロットとして言及する。
【０００９】
図３Ａは極点図であり、図３Ｂは、（１１１）配向結晶面からのＡｌについての対応する繊維テクスチャープロットである。極点図、図３Ａ及び繊維テクスチャープロット、図３Ｂの両方の成分は、（２００）配向粒子の（１１１）面からの回折強度を示している。繊維テクスチャープロット中の曲線とバックグランドレベルとの間の積分面積を用いて、基体に垂直な（１１１）及び（２００）粒子の体積分率を決定し、夫々１１１及び２００体積分率と呼ぶが、これらの粒子は、この方向に対してランダムに配向している。傾斜角の関数としての（１１１）ピークの強度は、基体に垂直な粒子傾斜の分布を与える。
【００１０】
Microelectronics, vol. 225, page 21 に記載の1991 MRS Symp. on Mat. Rel. でのＤ．Ｂ．クノール(Knorr）その他による前の研究では、薄膜結晶配向と、繊維テクスチャーと、電気移動（ＥＭ）信頼性との間の関係を示している。ＸＲＤ繊維テクスチャーと、２２５°でのＥＭ・メトリクス・ＥＭ試験温度(EM Metrics EM Test Temperature)との相関関係を表Ｉに示す。
【００１１】
【表１】
0003732010.tif 000002
【００１２】
試料１及び２は、ほぼ等しいランダム体積分率及び平均粒径を有する。従って、試料１及び２は、損傷までの平均時間（ｔ50）及び損傷分布標準偏差（σ）が、１１１繊維テクスチャーピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）に依存することを示している。１１１繊維テクスチャーピークのＦＷＨＭが増大すると、ｔ50が減少し、σが増大する。試料２及び３は、ｔ50及びσもランダム体積分率に依存することを示している。これらの試料は等しい平均粒径及びＦＷＨＭ  １１１を有する。ランダム体積分率が増大すると、ｔ50が減少し、σが増大する。従って、損傷までの平均時間を改良するためには、Ａｌ体積分率１１１が大きく、ＦＷＨＭが低いことが望ましいことが決定されている。
【００１３】
表IIに記載したように、図４は、１５０℃で堆積したＴｉＮ試料；１５０℃で堆積した（Ｅ）ＴｉＯＮ試料（ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＴｉＯＮ、酸素含有量の多いＴｉＯＮ）；４５０℃で堆積したＴｉＮ試料；及び４５０℃で堆積したＴｉＯＮ試料についてのＡｌ  １１１極点図データを示している。極点図Ａは、１５０℃（ＴｉＮ）で処理したウエーハ１についてのＸＲＤ  Ａｌ  １１１極点図を示す。極点図Ｂは、１５０℃（（Ｅ）ＴｉＯＮ）で処理したウエーハ６についてのＸＲＤ  Ａｌ  １１１極点図を示している。極点図Ｃは、４５０℃（ＴｉＮ）で処理したウエーハ１１についてのＸＲＤ  Ａｌ  １１１極点図を示している。極点図Ｄは、４５０℃（ＴｉＯＮ）で処理したウエーハ１３についてのＸＲＤ  Ａｌ  １１１極点図を示している。
【００１４】
３５０ｎｍの厚さのＡｌ層を、下のＴｉ（４０ｎｍ）−障壁（７５ｎｍ）層上に堆積した。Ｔｉ及びＴｉＯＮは、同じ室内で４５０℃の温度で堆積した。Ａｌ堆積温度は２００℃であった。積層体堆積中真空の破れはなかった。Ａｌ堆積後、各積層を窒素中１時間４５０℃で炉中でアニーリングした。
【００１５】
表IIは、これらの試料についてのデータ換算の結果を要約したものである。表IIのデータに基づき、４５０℃ＴｉＯＮ上に堆積したＡｌは良好であるか、又は４５０℃ＴｉＮよりも良好なテクスチャーを有し、１５０℃（Ｅ）ＴｉＯＮ上に堆積したＡｌは、１５０℃ＴｉＮ及び４５０℃ＴｉＮ及びＴｉＯＮ試料上に堆積したＡｌのものに比較して劣ったテクスチャーを有することが明らかである。
【００１６】
【表２】
0003732010.tif 000003
【００１７】
図５は、窒素中で１時間４５０℃でアニーリングした後のＴｉ（４０ｎｍ）−ＴｉＯＮ（７５ｎｍ）／Ａｌ（３５０ｎｍ）積層体のオージェ電子分光器（ＡＥＳ）深度プロフィル(depth profile）を示している。Ｔｉ及びＴｉＯＮは、同じ室内で４５０℃の温度で堆積した。後のＡｌ堆積は、２００℃で行なった。積層体堆積中、真空の破れはなかった。図５から分かるように、ＴｉＯＮ膜中の酸素含有量は、ＴｉＯＮ−Ｔｉ界面の所を除き、ＡＥＳ検出器で最低限になっている。Ｔｉ膜なかには、幾らかの酸素も存在するように見える。
【００１８】
図６は、窒素中１時間４５０℃で炉アニーリングした後の、Ｔｉ（４０ｎｍ）−（Ｅ）ＴｉＯＮ（７５ｎｍ）／ＡｌＣｕ  ０．５％（３５０ｎｍ）積層体のＡＥＳ深度プロフィルである。Ｔｉ及び（Ｅ）ＴｉＯＮは、同じ室内で１５０℃の温度で堆積した。後のＡｌ堆積は、２００℃の温度で行なった。積層体堆積中、真空の破れはなかった。図６から明らかなように、図５のＡｌ−ＴｉＯＮ界面には酸素が存在していないのに対して、Ａｌ−（Ｅ）ＴｉＯＮ界面にはかなりの量の酸素が存在する。
【００１９】
測定可能な酸素含有量を無くすためには、Ｏ−Ｔｉ反応速度を遅くしなければならず、未反応酸素は膜から拡散して出て行くか、又は膜表面から脱着することができなければならず、さもないと最終的には膜中のチタンに結合した窒素と置き換わるであろう。チタン結合の窒素による飽和は、２５：１の窒素対酸素流量比により達成されている。２５：１の比が有効であることは知られているが、約１５：１よりも大きなＮ対Ｏ比でも、ＴｉをＯよりも優先的にＮと反応させ、本発明のオキシ窒化チタン層を形成することができると考えられている。４５０℃の堆積温度での酸素の易動性についての証拠は、障壁−Ｔｉ界面での酸素の濃度及び障壁本体中に酸素が存在しないことから知ることができる。
【００２０】
図７は、窒素中１時間４５０℃で炉アニーリングした後のＴｉ（４０ｎｍ）−障壁（７５ｎｍ）／Ａｌ  ０．５％Ｃｕ（３５０ｎｍ）積層体のシート抵抗の変化を、障壁堆積温度の関数として示している。Ｔｉ及び障壁の堆積は、真空を破ることなく行なった。全ての積層体に対しＡｌ体積温度は２００℃であった。ＴｉＯＮ膜は、常にＴｉＮ膜よりも小さなシート抵抗変化を有し、４５０℃の堆積温度で最良の性能を有することに注意されたい。
【００２１】
図８Ａ〜図８Ｃは、Ｔｉ（２５ｎｍ）−障壁（１００ｎｍ）／Ａｌ  ０．５％Ｃｕ（７５ｎｍ）／ＴｉＮ（４５ｎｍ）積層体の漏洩電流を示している。図８Ａ〜図８Ｃでは実験データの上限及び下限は、水平線で示されている。２５番目〜７５番目の百分位数が矩形の中に含まれており、１０番目〜９０番目の百分位数は、その矩形に付けた垂直棒内に含まれており、残りのデータは点で示してある。或る組みのデータ、例えば、図８ＡのスプリットＡでは、２５番目〜７５番目の百分位数の広がりが余りにも狭いため、矩形は水平線のように見える。１ｅ−９より大きな漏洩電流を有する試料は商業的に使用することができず、スクラップにされている。図８Ａ〜図８Ｃから分かるように、炉アニーリングしたＴｉＮ及び空気に露出したＴｉＮには多量のスクラップが存在するが、本発明の（Ｅ）ＴｉＯＮ中には本質的にスクラップは存在しない。
【００２２】
スプリットＡは、堆積したままの積層体についてのデータを示し、スプリットＢ〜Ｅは、夫々２時間４５０℃でアニーリングした積層体についてのデータを示し、スプリットＦ〜Ｉは、夫々２時間５００℃でアニーリングした積層体についてのデータを示している。積層体は、０．７×１．０μｍシャンパングラス形状物上に堆積し、その形状物の垂直（８５°よりも大きな器壁角度を有する）部分は、０．４μｍの高さを持っていた。障壁のための堆積温度は図８Ａ及び図８Ｃでは３００℃であり、図８Ｂでは４５０℃であった。炉アニーリングは、約５％の水素を含む主に窒素である形成ガス中で２５分間４００℃で行なった。Ａｌ堆積温度は全てのスプリットについて３００℃であった。アニーリングは、４５０℃で２時間ずつ４回のサイクル及び５００℃で２時間ずつ４回のサイクルからなっていた。これらの図中のデータは、４５０℃ＴｉＯＮは、その場での４５０℃及び炉アニーリングした両方のＴｉＯＮよりも性能が優れていることを示している。
【００２３】
ＴｉＮに酸素を添加すると、拡散障壁としての膜の性能を改良することが認められている。図７は、ＴｉＯＮが評価した全ての障壁堆積温度でのＴｉＮよりも優れた障壁性能を示すことを示している。図８Ａ及び図８Ｃも、空気露出及び炉アニーリングしたＴｉＯＮ及び４５０℃ＴｉＯＮ障壁を有するＴｉ−障壁／Ａｌ／ＴｉＮ積層体の漏洩電流評価の結果を示している。堆積したままの積層体及びアニーリングした後のものについて電気的評価を行なった。
【００２４】
図６から明らかなように、Ａｌ−ＴｉＯＮ界面と比較して、Ａｌ−（Ｅ）ＴｉＯＮ界面にはかなりの濃度の酸素が存在する。最終的堆積段階中、酸素の流量を増大することにより、（Ｅ）ＴｉＯＮが形成される。図４、５及び６及び表IIは、堆積中ＴｉＮ層中に酸素を含有させると、後で堆積したＡｌのテクスチャー劣化に相関関係を有することを示す。障壁堆積温度は、１５０℃ＴｉＮ上に堆積したＡｌが、表IIに示すように、４５０℃障壁層上に堆積したＡｌよりも配向減少がほんの僅かしかないと言う意味で、重要な因子であるとは考えられない。
【００２５】
層を堆積する工程は表III に示してある。工程１は、不活性（アルゴン）雰囲気中で行ったＴｉ堆積工程である。工程２は、ガス流を用いるが、電力を適用せずに行うアイドル(idle)工程である。工程３はＡｒ、Ｎ2 及びＯ2 の種々の流れを用いて行った一次障壁堆積工程である。種々のガス流は表IVに示してある。Ａｒを使用することが示してあるが、Ｔｉと反応しないどのような希釈ガスを用いてもよい。工程４は、後のターゲット清浄化工程で用いる電力までシャッター電力を低下するための電力降下工程である。工程５は清浄化工程である。各ウエーハは、堆積前のスパッタエッチング工程及び堆積後の１ＫＷターゲット清浄化工程（工程５）が行われた。１ＫＷターゲット清浄化工程は良好なＡｌテクスチャーを生成させるのに本質的なものではなく、それはどのような障壁性にも影響を与えない。
【００２６】
表III 中、ｘ、ｚ、ａ、ｂ及びｃは変数である。特定のアルゴン、窒素及び酸素ガス流、及び温度及びスロットルの使用が表IVに記載してある。ウエーハ８〜１３については、障壁層の堆積後に冷却工程を行い、全てのＡｌ堆積は２００℃で行なった。冷却工程は、０  ＫＷで、１００ｓｃｃｍのＡｒ流を２４秒間流し、次に１５ＫＷで、１００ｓｃｃｍのＡｒ流を２１秒間流す工程を含み、バックプレーン（ＢＰ）ガスを用いた。ＢＰガスは、堆積中試料を取付ける工程の間に流し、ウエーハとステージとの間の熱をガス伝導法を用いて移動させる。
【００２７】
【表３】
0003732010.tif 000004
【００２８】
【表４】
0003732010.tif 000005
【００２９】
本発明を種々の態様を記述することにより例示し、これらの態様をかなり詳細に記述してきたが、本出願人は特許請求の範囲をそのような詳細な点に何等限定するつもりはない。当業者には付加的利点及び修正は容易に分かるであろう。従って、一層広い態様としての発明は、特定の詳細な点、代表的装置及び方法、例示し、説明した実施例に限定されるものではない。従って、本出願人の一般的発明の概念の本質又は範囲から離れることなく、そのような詳細な点から変更を行うことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、及び促進堆積ＴｉＯＮ〔（Ｅ）ＴｉＯＮ〕のウエーハ抵抗率を、堆積温度の関数として示すグラフである。
【図２】Ｘ線回折極点図測定装置の模式的図である。
【図３】図３中、図３Ａは、（１１１）結晶面からのＡｌについての極点図測定の三次元的グラフデータを示す図であり、図３Ｂは、図３Ａのデータに相当する繊維テクスチャープロットを示す図である。
【図４】１５０℃及び４５０℃でのＴｉＮ、ＴｉＯＮ、及び促進堆積ＴｉＯＮについてのＸ線回折極点図を示す図である。
【図５】Ｔｉ（４０ｎｍ）−ＴｉＯＮ（７５ｎｍ）−ＡｌＣｕ  ０．５％（３５０ｎｍ）積層体のＡＥＳ深度プロフィルの図である。
【図６】Ｔｉ（４０ｎｍ）−（Ｅ）ＴｉＯＮ（７５ｎｍ）−ＡｌＣｕ  ０．５％（３５０ｎｍ）積層体のＡＥＳ深度プロフィルの図である。
【図７】Ｔｉ（４０ｎｍ）−障壁（７５ｎｍ）−ＡｌＣｕ  ０．５％（３５０ｎｍ）積層体の、アニーリング後のシート抵抗の変化を、障壁堆積温度の関数として示すグラフである。
【図８】図８中、図８Ａ〜図８Ｃは、Ｔｉ（２５ｎｍ）−障壁（１００ｎｍ）−ＡｌＣｕ  ０．５％（７５ｎｍ）−ＴｉＮ（４５ｎｍ）積層体の漏洩電流を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  試料
１２  第一ステージ
１４  第二ステージ
１６  第二ステージトラック
１８  基盤
２０  Ｘ線源
２２  検出器
【図１】
0003732010.tif 000006
【図２】
0003732010.tif 000007
【図３】
0003732010.tif 000008
【図４】
0003732010.tif 000009
【図５】
0003732010.tif 000010
【図６】
0003732010.tif 000011
【図７】
0003732010.tif 000012
【図８】
0003732010.tif 000013