勾配組成を有する最上層を備えた３層バリア層構造
【課題】電子移動の性能を改善しまたリソグラフィープロセスステップを有利にする目的で、バリア層のアルミニウムの｛１１１｝含有率を上げる。
【解決手段】ＩＭＰ技術を用いて（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を堆積する場合に、Ｔｉ又はＴｉＮX である第１層の厚さを約１００オングストローム以上、〜約５００オングストロームまで（表面形状の幾何関係がこの厚みの上限を制限する）までの範囲に厚くし、ＴｉＮの第２層を約１００オングストローム以上約８００オングストローム以下（好ましくは約６００オングストローム以下）の範囲に薄くし、ＴｉＮXの第３層の形成を制御してＴｉ含有率が約５０原子パーセントチタン（ストイキオメトリック）〜約１００原子パーセントチタンとなるようにすることにより、（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を改良することができる。第１層がＴｉＮXである場合は、Ｔｉの原子パーセントは少なくとも約４０パーセントである。
【解決手段】ＩＭＰ技術を用いて（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を堆積する場合に、Ｔｉ又はＴｉＮX である第１層の厚さを約１００オングストローム以上、〜約５００オングストロームまで（表面形状の幾何関係がこの厚みの上限を制限する）までの範囲に厚くし、ＴｉＮの第２層を約１００オングストローム以上約８００オングストローム以下（好ましくは約６００オングストローム以下）の範囲に薄くし、ＴｉＮXの第３層の形成を制御してＴｉ含有率が約５０原子パーセントチタン（ストイキオメトリック）〜約１００原子パーセントチタンとなるようにすることにより、（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を改良することができる。第１層がＴｉＮXである場合は、Ｔｉの原子パーセントは少なくとも約４０パーセントである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、｛１１１｝結晶配向アルミニウムの程度の高いアルミニウム充填を与えつつもアスペクト比の高いバイアをウォームアルミニウムで充填することを可能にする、特定の（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXの、バリア／ウェット層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
隣接し合うアルミニウムやシリコン等の材料の層と層の間の拡散を防止するためのバリア層として、窒化チタン層が半導体デバイス構造に用いられてきた。しかし、窒化チタンバリア層の表面上に堆積するアルミニウムの結晶配向は通常、多結晶であり、多結晶アルミニウムは電子移動に対する抵抗性が低い。
【０００３】
Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXスタック等の集積回路のインターコネクト（相互接続部）を形成する場合において、形成されたアルミニウムの｛１１１｝結晶配向の程度が高くない場合、アルミニウム層中のアルミニウム原子の電子移動が問題となる。アルミニウム原子の電子移動が生じれば、集積回路内にオープンサーキットが発生することがあるため、このような電子移動は抑制又は排除されるべきである。アルミニウムの電子移動は、充填されたバイアにおいても同様に生じることがあり、コンタクトの導電性を損ねてしまう。
【０００４】
１９９０年７月３１日発行のLuらへの米国特許第４、９４４，９６１号には、半導体ウエハ等の基板上にメタルやメタルアロイを部分的にイオンビームにより堆積するためのプロセスが記載されている。るつぼから気化したメタルはるつぼの出口でその一部がイオン化し、このイオン化した蒸気がバイアスの作用により基板に引き付けられる。基板温度を制御することにより、トレンチやバイア等のステップ状の表面を倣わずに（非共形に）覆うことができることが記載されている。高温を用いればステップ状の表面を平坦にできる。そこに与えられている実施例はアルミニウムの堆積のためのものであり、基板温度が約１５０℃〜約２００℃で非共形の堆積が遂行され、基板温度が約２５０℃〜約３５０℃で平坦化の堆積が遂行される。
【０００５】
S.M.Rossnagel及びJ.Hopwoodは、J. Vac. Sci.Technol. B. Vol. 12, No. 1,Jan/Feb 1994 の "Metal ion deposition fromionized magnetron sputteringdischarge"（イオン化マグネトロンスパッタリング放電からのメタルイオンの堆積）と題する論文において、従来のマグネトロンスパッタリングを、スパッタリングカソードと基板の間の領域で高密度の誘導結合ＲＦプラズマに組み合わせる技術を開示している。そこに与えられている実施例の１つは反応性スパッタリングを用いた窒化チタン膜の堆積のためのものであり、チタンカソードを用い、アルゴンガスと窒素ガスの混合ガスから生成したプラズマと組み合わせるものである。
【０００６】
１９９３年１１月１６日発行のChoらへの米国特許第５、２６２，３６１号には、シリコン（１１１）等の基板上に単結晶アルミニウム膜を形成するための方法が記載される。その目的は、アルミニウム（１１１）結晶配向を量的に増加させて、アルミニウムの電子移動に対する抵抗性を高めるというものである。温度約３００℃〜約４００℃でシリコンウエハ表面上に真空蒸着技術により、電気的に中性なアルミニウムが堆積される。
【０００７】
１９９６年８月６日発行のYamadaへの米国特許第５，５４３，３５７号には、半導体デバイスの製造方法であって、アルミニウムアロイ膜に対する下層として窒化チタン膜を用いて、このアルミニウムアロイ膜のデバイス特性の劣化を防ぐ技術が記載される。窒化チタン膜の厚みは、アルミニウムアロイ膜の厚さの１０％以下に設定され、厚くても２５ｎｍである。シリコンを含有しないアルミニウムアロイの場合では、チタン膜の厚みはアルミニウムアロイ膜の厚みの５％以下に設定される。アルミニウム膜の形成は、基板温度２００℃以下でスパッタリングプロセスにより行われ、アルミニウム膜又はアルミニウムアロイ膜がバイアホールを充填する際、アルミニウムが流動化するよう基板が加熱される。アルミニウム膜の形成及びこの流動化を行っている間の圧力は、１０-7トール以下である。窒化チタンバリア層を層間絶縁膜の上（又はこの絶縁膜の上に予め形成したチタン膜の上）に形成し、この窒化チタン膜の上にチタン膜を形成し、そしてこのチタン膜の上にアルミニウム膜を形成してもよい。窒化チタンバリア層の形成後に、窒素雰囲気下でハロゲンランプによりバリア層を約６００〜７００℃に加熱し、窒化していないチタンを窒化する。未窒化のチタンが層中に存在すれば窒化チタンバリア層はバリア層としてよくないと述べられている。
【０００８】
１９９６年１１月５日に発行のchenらの米国特許第５，５７１，７５２号には、集積回路のサブミクロン半導体層のパターニングの方法が開示される。具体例の１つでは、チタン又は窒化チタンがスパッタ堆積により厚さ約３００〜２０００オングストロームで形成され、これがコンタクト開口の底部に達する。このチタン又は窒化チタンの上には、高融点金属又は高融点金属シリサイドの共形な導電層が化学気相堆積（ＣＶＤ）により形成される。そして、この共形導電層の上に、第２の導電層（典型的にはアルミニウム）が形成される。このアルミニウムは、好ましくは約１００℃〜４００℃の温度にてスパッタされる。この方法では、アルミニウム膜にサイズの大きな粒子（グレイン）が形成されることを防止することにより、デバイス幾何設計を小さくする要請があるコンタクト開口を充填することが可能になると述べられている。
【０００９】
１９９５年８月７日に出願のXuらによる米国特許出願第０８／５１１，８２５号では、キャリア層として作用する窒化チタン含有バリア層を形成する方法を記載する。このキャリア層により、従来技術の方法よりも低い温度において、アスペクト比の高いバイア、ホールやトレンチ等のアパーチャを充填することができ、また、このキャリア層の上に堆積した導電膜を平坦化することができる。
【００１０】
１９９６年１１月２１日に出願のNganらによる米国特許出願第０８／７５３，２５１号では、コンタクトバイアの表面上に窒化チタン含有バリア層を生成する方法が記載される。ある特定のコンタクトの幾何関係に対して、窒化チタン万有バリア層の形成中にリアクタの圧力を下げれば、バイアの側壁上のバリア層の厚みは増加する。このことにより、アルミニウムの充填についてはバイアの側壁沿って移動することが容易となり、その結果、バイアの充填が良好になる。特に、バリア層がアルミニウムとわずかに反応してアルミニウムをバイアの側壁に沿って引き込むためには、バリア層を備えた窒化チタンには最小厚みと最小チタン含有率とが必要になる。
【００１１】
Nganによる出願中の米国特許出願(Attorney Docket No.1819)には、堆積した窒化チタンバリア層の結晶配向を制御するために用いることができる様々な処理技術が開示されている。更に、窒化チタンバリア層の｛２００｝結晶配向を増加させることにより、この層の抵抗率が上昇する。
【００１２】
「従来型のスパッタリングによる」窒化チタン含有膜ないし層は、アルゴン等の不活性ガスを窒素ガスと組み合わせて生成したプラズマにチタンターゲットを接触させることにより、基板上に堆積する。ターゲットからスパッタされたチタンの一部は、プラズマにより既に活性化している窒素ガスと反応して窒化チタンを生成し、この気相混合物が基板に接触して基板上に層を形成する。このような従来型のスパッタリングによる窒化チタン含有層はコンタクトバイアのホットアルミニウムフィル（充填）に対する濡れ層として作用することができるが、基板表面温度が約５００℃よりも低くては、一般に、バイアに良好な充填性を与えることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
低い温度でのアルミニウム充填を与えるため、Xuら（米国特許出願第０８／５１１，８２５号に記載）は、低い温度（例えば約３５０℃程度）でもアルミニウムがバリア層表面に流動することを可能にする、スムーズなキャリア層として作用する窒化チタン含有バリア層を生成する技術を開発した。Xuらに記載された典型的なバリア層は、３つの層の組み合わせであり、これは、バイア表面上に堆積したチタンの第１層（Ｔｉ）と、チタンの第１層の表面上に堆積した窒化チタンの第２層（ＴｉＮ）と、ＴｉＮの第２層の上に堆積したＴｉＮX層である。これら３層はイオンメタルプラズマ（ＩＭＰ）技術により抵抗率されるが、この技術については後述する。典型的な態様では、チタンの第１層は厚さ１００オングストローム〜２００オングストロームであり、ＴｉＮの第２層は厚さ８００オングストローム、ＴｉＮXの第３層は厚さ６０オングストロームである。直径０．２５μｍでアスペクト比が約５の穴を有するコンタクトバイアへ良好な充填が実現できたものの、アルミニウムの結晶配向は｛１１１｝の割合が低く、その結果、アルミニウムインターコネクトの電子移動（ＥＭ）性能が低くなる。更に、ナノスコープで測定したこのアルミニウムの反射率は、Ｓｉを参照値とした場合に約５０％未満であり、その後のリソグラフィーにおけるインデックスが非常に困難になる。従って、ＥＭ性能を改善しまたリソグラフィープロセスステップを有利にする目的で、アルミニウムの｛１１１｝含有率を上げることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、ＩＭＰ技術を用いて（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を堆積する場合に、Ｔｉ又はＴｉＮX である第１層の厚さを約１００オングストローム以上、〜約５００オングストロームまで（表面形状の幾何関係がこの厚みの上限を制限する）の範囲に厚くし、ＴｉＮの第２層を約１００オングストローム以上約８００オングストローム以下（好ましくは約６００オングストローム以下）の範囲に薄くし、ＴｉＮXの第３層の形成を制御してＴｉ含有率が約５０原子パーセントチタン（ストイキオメトリック）〜約１００原子パーセントチタンとなるようにすることにより、（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を改良することができる。第１層がＴｉＮXである場合は、Ｔｉの原子パーセントは少なくとも約４０パーセントである。この第１層は、１００原子パーセントチタンであることが好ましい。更に、ＴｉＮX第３層の形成が、ＴｉＮ第２層の形成の終了時に行われ、Ｔｉ含有率の勾配が、ストイキオメトリックなＴｉ含有率で始まりＴｉ含有率が約１００原子パーセントで終わるような勾配を示すことが好ましい。ＴｉＮX第３層の厚みは、約１５オングストローム〜約５００オングストロームであることが好ましく、１００原子パーセントＴｉの分の厚さが約１５オングストローム〜約３００オングストロームであることが好ましい。この優れた（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層により、アルミニウムインターコネクトやアルミニウムバイア充填部を堆積する際にこのアルミニウムが高い｛１１１｝結晶配向性を示すようにすることが可能となる。更に、このように得られたアルミニウム層は、４３６ｎｍでの反射率が１５０パーセント以上を示す。このような構造を有する（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層が表面形状のライン形成に用いられる場合は、サイズが約０．２５μｍでアスペクト比が６：１にもなる表面形状に対して、スパッタアルミニウムによりこの表面形状を完全に充填することが可能となる。
【００１５】
ＴｉＮX第３層の堆積は、基板温度が約５０℃〜約５００℃（好ましくは約２００℃）で行われる。デバイス構造体がインターコネクトである場合は、ＴｉＮX第３層の堆積は、圧力約５ｍＴ〜約４０ｍＴで行うことが可能である。デバイス表面形状がバイアである場合は、ＴｉＮX第３層の堆積は、より低い圧力約５ｍＴ〜約１０ｍＴ（好ましくは約１０ｍＴ）にて行う方がよい。次いで、アルミニウム充填物が、基板温度約３５０℃〜約５００℃（好ましくは約４００℃）で堆積される。このアルミニウムの堆積は、低い圧力約１ｍＴ〜約４ｍＴ（好ましくは約２ｍＴ）で行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の開示内容は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の構造体及びこの構造体の形成方法に関するものである。このＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層構造体によれば、この上に堆積するアルミニウム層が、｛１１１｝結晶配向の含有率が高くなり反射率が約１５０％よりも高くなる。更に、このバリア層により、サイズが約０．２５μｍでアスペクト比が５：１以上の表面形状に対して、「ウォームアルミニウム」でバイアを充填することが可能になる。
【００１７】
（１．定義）
詳細な説明に入る前に、明細書及び特許請求の範囲の記載においては、特に明記した場合を除いて、単数で示されているものには複数も含まれることとする。従って、例えば、「半導体」なる語には半導体の特性を有することが知られている種々多様な材料が含まれるものであり、「プラズマ」にはＲＦグロー放電により活性化したガスないしガス反応物が含まれ、「コンタクト材料」には、ここに記載される温度範囲においてスパッタすることが可能となるような融点を有する導電材料、例えばアルミニウム、アルミニウムアロイやその他の導電材料が含まれる。
【００１８】
本発明を説明するに当たり特に重要な語を以下に定義する。
【００１９】
「ＡＦＭ」(Atomic Force Microscope)なる語は、膜表面粗さの測定に通常用いられる技術のことであり、マイクロプローブを膜表面に接触させて膜の端から端まで走査し、このマイクロプローブの機械運動をデジタル信号に変換してこれをプロットするものである。一連のプロットを編集して、その編集結果から表面粗さを算出する。
【００２０】
「アルミニウム」なる語には、半導体産業で通常一般に用いられるタイプのアルミニウムのアロイが含まれる。このアロイには、例えば、アルミニウム−銅アロイやアルミニウム−銅−シリコンアロイが含まれる。ここに記載される好ましい具体例では、銅約０．５％を有するアルミニウムに対して用いられている。
【００２１】
「アスペクト比」なる語は、電気接触部が配置される開口の高さ寸法と幅寸法の比のことをいう。例えば典型例としては、多数の層を貫いて管状に伸びるバイア開口は高さと直径を有しているが、この場合アスペクト比はこの管状部の高さを直径で除したものである。トレンチのアスペクト比は、トレンチの高さをその底部における最小行程幅で除したものである。
【００２２】
「表面形状」なる語は、基板表面の立体形状を形成するコンタクト、バイア、ホール、トレンチその他の構造体のことをいう。
【００２３】
「スパッタイオン堆積」なる語及び「イオンメタルプラズマ（ＩＭＰ）」なる語は、スパッタ堆積（好ましくはマグネトロンスパッタリング：ターゲットの裏側にマグネットアレイが配置される）のことをいう。高密度誘導結合ＲＦプラズマをスパッタリングカソードと基板支持電極の間に配置することにより、スパッタ放出物の少なくとも一部が基板表面に到達する時点でイオンの形態になっている。
【００２４】
「反応性イオン堆積」又は「反応性イオンメタルプラズマ（ＩＭＰ）」なる語は、イオン堆積スパッタリングにおいて、スパッタリング工程中に反応性ガスを供給して、これをスパッタされたイオン化材料と反応させ、反応性ガスの元素を含むスパッタイオン堆積化合物を生成するものをいう。
【００２５】
「反射率」なる語は、Ｓｉを参照としてナノスコープにより測定された反射率をいう。
【００２６】
「ＳＥＭ」なる語は、走査電子顕微鏡のことをいう。
【００２７】
「従来型のスパッタリング」なる語は、基板上に膜層を形成する方法であって、ターゲットをスパッタしターゲットからスパッタされた材料がターゲットと基板の間を通過して基板上に膜層を形成するものであり、ターゲットからスパッタされた材料の大部分を基板到達前にイオン化させるための手段を有していないものをいう。このような従来型のスパッタリングのための装置構成の１つが、米国特許第５，３２０，７２８号に開示されている。このような従来型のスパッタリングの構成においては、ターゲットからスパッタされたターゲット材料の中でイオン化された分のパーセンテージは１０％未満であり、更に典型的には１％未満である。
【００２８】
「ウォームアルミニウム」なる語は、従来型のスパッタリング技術を用い、アルミニウム形成中の基板温度を約３５０℃〜約４５０℃にして形成したアルミニウムをいう。
【００２９】
「ＸＰＳ(X-ray Photoelectron Spectroscopy)」なる語は、Ｘ線光電子分光（ＥＳＣＡ:ElectronSpecroscopy for Chemical Analysisとしても知られている）のことをいい、Ｘ線ビームを被検体に照射する技術である。被検体の原子組成及びこれに対応する各元素の結合エネルギーの特性である光電子が放出され、これを電子エネルギーアナライザにより検出する。測定された光電子の運動エネルギーを、感度係数を用いて、被検体中の元素組成の原子パーセントに変換する。被検体表面の原子パーセント組成の検出に加えて、厚さプロファイルにより、被検体の厚さ方向の組成の情報も得ることができる。このケースでは、被検体の物質が、アルゴンイオン等の不活性ガスイオンを用いて増加的にスパッタされる。これら各増分についてＸＰＳ分析が行われる。
【００３０】
「ＸＲＤ(X-Ray Diffraction):Ｘ線回折」なる語は、結晶配向の測定に通常用いられる技術のことをいい、被測定材料に特定の波長の放射を通過させ、この通過の際に当該材料により生じた放射の回折を測定するものである。回折パターンを表すマップを作成し、このマップを基に結晶配向を計算する。
【００３１】
（２．本発明を実施するための装置）
本発明の方法を遂行することができる装置としては、アプライドマテリアルズ社のエンデュラ統合型処理システムが挙げられる。このプロセスシステムを特に図面には示さないが、図１に示される処理要素は、上記の統合型処理システムに含まれる低圧プロセスチャンバの１つの内部で動作させることが可能なものである。上記のシステムは米国特許第５，１８６，７１８号及び米国特許第５，２３６，８６８号に開示されている。図１に示されるように、表面がスムーズで抵抗率の低い本発明の窒化チタンバリア層を形成するための低圧プロセスチャンバは、標準的なスパッタマグネット１１０（スパッタリングプラズマを閉じ込めてスパッタリング速度の上昇を可能にするための）と、約２４ｋＷの電力レベルで動作が可能なスパッタリングターゲットカソード１１２とを採用している。
【００３２】
（第１例）
本発明のＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を形成するには、直径１４インチ（３５．５ｃｍ）のチタンターゲットカソードが用いられ、このカソードに対して約４ｋＷ〜約８ｋＷの範囲のＤＣ電力が印加される。直径８インチ（２０．３ｃｍ）のシリコンウエハを含む基板１１８が、ターゲットカソード１１２から約５．５インチ（１４ｃｍ）の距離で配置される。巻き数が少なくとも１巻き〜１０巻き（好ましくは約１〜３巻き）のコイル１１４に対してＲＦ電力を約１００ｋＨｚ〜約６０ＭＨｚ（好ましくは約２ＭＨｚ）の範囲及び約０．５ｋＷ〜約６ｋＷ（好ましくは約１．５ｋＷ〜約４．０ｋＷ）の範囲のワット数で印加することにより、高密度誘導結合ＲＦプラズマが、ターゲットカソード１１２と基板１１８の間に生成する。典型的には、このコイルは水冷が可能なメタルの管から作製され、直径は約０．１２５インチ（０．３２ｃｍ）である。しかし、所望の機能を与えるシートやリボンその他の形態から作製されてもよい。コイル１１４はターゲット１１２と基板１１８の間のプラズマ領域を包囲している。典型的には、基板１１８又は基板支持体１２０に０〜約−３００ＶのＤＣの基板バイアス電圧を印加して（好ましくは約１００Ｗ）、プラズマからのイオンを基板に引き付けるＤＣ自己バイアスを発生させてもよい。
【００３３】
窒化チタンバリア層の形成のための好ましい装置では、プラズマに誘導結合してスパッタ材料をイオン化するためにコイルを用いているが、チタンのイオン化のための他の手段も考慮できる。例えば、米国特許第４，９１１，８１４号に図示及び記載されるようなＥＣＲソースや、米国特許第４，９９０，２２９号に図示されるようなヘリコンタイプのカップリングデバイスが具体的に考慮される。イオン化パーセンテージが１０〜１００％の堆積粒子のイオン化流を供給できるその他の同様の装置であれば、本発明に有用なものとして考慮される。チタン原子をイオン化して窒素イオンと反応させ窒化チタンを形成するためのチタン原子の形成用の好ましい装置はスパッタリングの技術を用いて形成されることが好ましいが、チタン原子を形成するための他の手段を考慮することもできる。例えば、米国特許第４，９４４，９６１号に記載されるような、るつぼ内でメタルやメタルアロイを気化させるための技術等のチタン気化技術が具体的に考慮される。
【００３４】
（３．（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の構造）
我々は、スムーズな窒化チタン含有バリア層を作製することを可能にしたが、それは、表面形状サイズが約０．２５μｍでアスペクト比が５：１以上である集積回路のバイア、スルーホールやトレンチ内に、電気コンタクトを製造することが可能になることが示されたものである。本発明のスムーズなバリア層によれば、アスペクト比の高い導電コンタクトの形成が可能になることに加えて、電気コンタクト材料（アルミニウム等）とその下の半導体基板材料（シリコン等）の間の相互拡散を防止する拡散バリアが与えられる。
【００３５】
スムーズなバリア層の構造体は、３層のスタックを備えている。更に好ましい態様では、第１層（シリコンや二酸化シリコン等の基板の上に直接形成する層）は、イオン堆積によるチタン（Ｔｉ）である。この第１層の上に形成する第２層は、イオン堆積による窒化チタン（ＴｉＮ）である。この第２層の上に形成する第３層は、イオン堆積によるＴｉＮXの層であり、この層の組成は、約５０原子％チタン〜約１００原子％チタンの間で変化する。好ましくは、チタン濃度は、ほぼストイキオメトリックなＴｉＮから純粋なＴｉへの勾配上にある。ＴｉＮXの表面がその上に次いで堆積するウォームアルミニウムと反応する可能性を低減するためには、この層の表面のＴｉ濃度を制御することが必要である。ＴｉＮX層の最適なＴｉの含有率は、その適用対象が水平な導電インターコネクトであるか、あるいはアスペクト比の高いバイアであるかによるだろう。アスペクト比の高いバイアでは、バイア内へアルミニウムを充填するための熱力学的引力を与えるために、ＴｉＮX層のＴｉ含有率は高いことが必要である。しかし、Ｔｉの含有率が高すぎる場合は、ＴｉＡｌ3が生成することとなり、デバイスの性能に悪影響を与える。アスペクト比が高いバイアに適用する場合で、ＴｉＮX層のチタン含有率が原子濃度で約５０％〜約１００％Ｔｉの勾配上にある場合は、ウォームアルミニウムをバイア内に完全に充填する方法で引き込むに十分なＴｉ上面の厚みは約１５オングストロームである一方、純粋なＴｉ上面の厚みが約３００オングストロームを越えればＴｉＡｌ3の生成量が有害な程度になることを、我々は見出した。
【００３６】
このスムーズなバリア層構造体の上に、電気コンタクト層ないし導電層を形成する。ここに説明するコンタクト層ないし導電層は、銅を約０．５重量％含むアルミニウムであるが、他の導電材料を用いても、ここに記載した本発明のスムーズなバリア層の利益を得るものである。この次に形成する導電材料の結晶学的な｛１１１｝含有率とその反射率については、ここに記載されるコンセプトを用いて調製することが可能である。ウォームアルミニウムについて、この開示内容における好ましい具体例では、アルミニウムの形成はスパッタリング以外の方法、例えばエバポレーション等の方法で行うことが可能である。アルミニウムをＩＭＰで形成する場合は、バイアの充填に対して、バイア側壁上に高い共形性を与える点で利点を与えるが、従来型のスパッタリングによるアルミニウムの方が、アルミニウム形成の方法としてコストが小さいため好ましい。従来型のスパッタリングにより、ウォームアルミニウム（約３５０℃〜約４５０℃）として形成されるアルミニウムについては、アルミニウムの形成は圧力約０．５ｍＴ〜約５０ｍＴで行われることが好ましく、この圧力は好ましくは約１ｍＴ〜３０ｍＴ、更に好ましくは約１ｍＴ〜約４ｍＴである。アルミニウムの厚みは、用途に依存する。
【００３７】
図２は、本発明のスムーズなバリア層構造体２００を有するトレンチ又はバイア２１３を模式的に示す。この構造体２００は、シリコンベース２１０とその上に二酸化シリコン層２１１とを備える半導体基板上に形成される。バイア又はトレンチ２１３は、二酸化シリコン層２１１を貫通してシリコンベース２１０に至るまでドライエッチングを行うことにより、形成される。この構造体２００はＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXの３層を備える。チタンの第１層は、イオン堆積スパッタリングにより、二酸化シリコン層２１１及びシリコンベース２１０の両方の表面上に形成される。第２層は反応性イオン堆積スパッタリングによる窒化チタン層２１４として、第１のチタン層２１２の上に堆積される。第３の反応性イオン堆積スパッタリングによる窒化チタン含有層２１６は、窒化チタン層２１４の上に堆積される（チタン層２１２のイオンスパッタリングにおいては、通常、高温アニールにおいてバイア２１３の底部に珪化チタンの薄い層２２４が形成される。）。その後、構造体２００には導電層２１９が充填される。バイアないしトレンチ２１３のアスペクト比は、寸法２２２対寸法２２０によって例示され、およそ２０：１であり、寸法２２０は約０．２５μｍであった。
【００３８】
従来のスパッタリングでは、アルミニウムは基板２００上に約５００℃の基板温度でスパッタされていた。場合によっては、５００℃で残りのアルミニウムの堆積を行う前に、基板温度５０℃でコールドアルミニウム核形成層を堆積していた。ＩＭＰを用いて得られたバリア層構造体２００の側壁の表面が改善されることにより、コールドアルミニウム核形成層を用いる必要を排除することにより、必要なアルミニウム堆積チャンバが１つだけとすることができるようになった。更に、約３５０℃〜約４５０℃の温度でのウォームアルミニウムの堆積が実現可能になった。本発明の特殊なバリア層構造体２００を用いる場合は、｛１１１｝結晶配向の高いアルミニウムが得られるという更なる利点がある。更に、アスペクト比が非常に高いバイアにも充填することが可能となる。
【００３９】
（第２例）
アルミニウムの結晶学的な｛１１１｝含有率を十分高くして電子移動を防止するような、バイアへのアルミニウム充填を行うために、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層２００の構造を以下のように調節した。
【００４０】
イオン堆積スパッタリングによるＴｉの第１層２１２の厚みを約３００オングストローム、反応性イオン堆積スパッタリングによるＴｉＮの第２層２１４の厚みを約２５０オングストローム、反応性イオン堆積スパッタリングによるＴｉＮXの第３層２１６の厚みを約２５０オングストロームとした。ＴｉＮX層２１６の組成は、５０原子％Ｔｉから始まり、層２１６の表面に向かうにつれ、約１００原子％Ｔｉに向かって変化する。
【００４１】
アルミニウムのスパッタリングは、従来型のスパッタリングを用い、温度約４００℃、圧力約２ｍＴでバイア２１３の表面の上に行われた。アルミニウム充填物の結晶学的｛１１１｝含有率は、約１００％であった（ＸＲＤカーブには｛２００｝がみられなかった）。更に、アルミニウム表面の反射率は約１９９％であった。
【００４２】
図３（ａ）〜３（ｄ）には、フラットな二酸化シリコン表面の上に形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面の上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブを示す。
【００４３】
図３（ａ）は、上述の技術を用いて作製したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３１０であり、Ｔｉ第１層の厚みが約１００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚みが約８００オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚みが約１５０オングストロームである。このバリア層の作製中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度２００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比（この電力比については後ほど詳細に説明する）約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、各層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上へのスパッタリングは、従来型のスパッタリングを用い基板温度が約４００℃、圧力が約２ｍＴで行われた。上述の電力比は、スパッタリングターゲットへ印加するＤＣ電力を、イオン形成装置（コイル）へのＲＦ電力で除したものをいい、一例を挙げれば、スパッタリングターゲットへ７ｋＷ、ＲＦコイルへ２ｋＷの場合は、電力比が３．５である。
【００４４】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３１２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３１４で示したＸＲＤカーブ３１０により示されるように、アルミニウムの結晶配向のアルミニウム含有率は、所望の｛１１１｝結晶配向３１６と、不要な｛２００｝結晶配向３１９（拡大が３１８で示される）の両方を有している。ピーク高さが約３０００程度の弱い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの多結晶性が高い性質を示している。不要な｛２００｝結晶配向のアルミニウムが存在することが、ＴｉＮ層の厚さが８００オングストロームであることに寄与している。
【００４５】
図３（ｂ）は、上述の技術を用いて形成したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３２０であり、Ｔｉ第１層の厚さは１００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚さは約２５０オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚さは約１５０オングストロームであった。このバリア層の製造中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度２００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、各層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムが従来型のスパッタリング技術を用いて、基板温度が約４００℃、圧力約２ｍＴでＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上にスパッタされた。
【００４６】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３２２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３２４で示したＸＲＤカーブ３２０により示されるように、アルミニウムの結晶配向は、所望の｛１１１｝結晶配向のみに限られ、不要な｛２００｝結晶配向（拡大が３２８で示される）は含まれない。ピーク高さが約１４０００もの強い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの｛１１１｝含有率の程度が高いことを示している。
【００４７】
図３（ｂ）に示されるＸＲＤカーブを有するアルミニウムの堆積を可能にするバリア層構造体は、本発明の更に好ましい具体例の１つである。
【００４８】
図３（ｃ）は、上述の技術を用いて形成したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３３０であり、Ｔｉ第１層の厚さは１００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚さは約２５０オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚さは約１５０オングストロームであった。このバリア層の製造中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度４００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、各層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムが従来型のスパッタリング技術を用いて、基板温度が約４００℃、圧力約２ｍＴでＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上にスパッタされた。
【００４９】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３３２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３３４で示したＸＲＤカーブ３３０により示されるように、アルミニウムの結晶配向のアルミニウム含有率は、所望の｛１１１｝結晶配向３３６と、不要な｛２００｝結晶配向３３９（拡大が３３８で示される）の両方を有している。ピーク高さが約３２程度の非常に弱い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの多結晶性の程度が図３（ａ）に例示されるアルミニウム層よりも更に高いことを示している。このことは、アルミニウムの｛２００｝結晶配向成分のピーク高さが更に大きくなっていることによっても支持されている。不要な｛２００｝結晶配向のアルミニウムが存在することが、３つのバリア層それぞれに対して堆積温度が４００℃であることに寄与している。
【００５０】
図３（ｄ）は、上述の技術を用いて形成したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３４０であり、Ｔｉ第１層の厚さは３００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚さは約２５０オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚さは約１５０オングストロームであった。このバリア層の製造中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度２００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、Ｔｉ層及びＴｉＮ層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴ、ＴｉＮX層の形成中では１０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムが従来型のスパッタリング技術を用いて、基板温度が約４００℃、圧力約２ｍＴでＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上にスパッタされた。
【００５１】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３４２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３４４で示したＸＲＤカーブ３４０により示されるように、アルミニウムの結晶配向のアルミニウム含有率は、アルミニウムの結晶配向は、所望の｛１１１｝結晶配向３４６のみに限られ、不要な｛２００｝結晶配向（拡大が３３８で示される）は含まれない。ピーク高さが約２７０００もの非常に強い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの｛１１１｝含有率の程度が高いことを示している（図３（ｂ）に例示される、ＴｉＮX層を３０ｍＴで堆積した本発明の他の好ましい具体例について得られたような非常に高い程度）。図３（ｄ）に示されるＸＲＤカーブを有するアルミニウムの堆積を可能にするバリア層構造体は、本発明の更に好ましい具体例の１つである。
【００５２】
図４は、上述のアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体の４層の３つ及び別の構造体１つの反射率を例示する。特に、棒グラフ４００は、ｙ軸にパーセント反射率（Ｓｉを参照とした）をとり４１０で示す。ｘ軸上のそれぞれの棒（バー）は、異なるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体を表している。
【００５３】
バー４１２は、図３（ｂ）で示されるＸＲＤカーブで例示されるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体のアルミニウム層の反射率を示す。バー４１４は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体の上に堆積したアルミニウム層の反射率を示すが、このとき、アルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体全体の形成に用いる方法は図３（ｂ）の構造体全体の製造に用いた方法と同じであるが、Ｔｉの厚さが３００オングストロームであった。バー４１６は、図３（ａ）のＸＲＤカーブに例示されるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体のアルミニウム層の反射率を示す。バー４１８は、図３（ｃ）のＸＲＤカーブに例示されるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体のアルミニウム層の反射率を示す。
【００５４】
図４は、アルミニウムの｛１１１｝結晶配向が高いことが、アルミニウムの反射率の高さに直接相関することを示す。
【００５５】
第３層ＴｉＮXの組成の勾配を変えることにより、反射率を更に向上させること（そしてこれに付随してアルミニウム層の表面粗さを小さくすること）が可能となる。ＴｉＮXの堆積のステップの最後に堆積させるピュアなＴｉの厚みを増やすことにより、反射率が向上し表面のスムーズさが高くなったアルミニウムをえることができることを我々は見出した。特に、反射率は約２１０％から約２２０％に上がり、表面粗さ（ＡＦＭを用いて測定）は７８オングストロームから４７オングストロームへと小さくなった。
【００５６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ＴｉＮXの堆積の最後におけるＴｉの厚みを変えたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブを示す。バリア層構造体の形成は、上述の技術を用いて行われた。特に、それぞれの場合において第１のＴｉ層の厚さを３００オングストローム、第２のＴｉＮ層の厚さを２５０オングストロームとした。全てのバリア層の堆積を、基板温度約２００℃、プロセスチャンバ圧力１０ｍＴで行った。
【００５７】
図５（ａ）は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブ５１０を示すものであり、このときＴｉＮXの堆積時間を約１５秒間としＴｉＮX層の厚さが約１８０オングストロームであった。回折強度をｙ軸にとり５１２で示し、２θをｘ軸にとり５１４で示す。カーブ５１０は、強度が約２８０００と強い｛１１１｝アルミニウム結晶配向ピーク５１６を示し、｛２００｝結晶配向の存在は検出されなかった。このアルミニウム表面の反射率は、約２１０％であり、ＡＦＭ表面粗さは約７８オングストロームである。
【００５８】
図５（ｂ）は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブ５２０を示すものであり、このときＴｉＮXの堆積時間を約３０秒間としＴｉＮX層の厚さが約３６０オングストロームであった。回折強度をｙ軸にとり５２２で示し、２θをｘ軸にとり５２４で示す。カーブ５２０は、強度が約３９０００と強い｛１１１｝アルミニウム結晶配向ピーク５２６を示し、｛２００｝結晶配向の存在は検出されなかった。このアルミニウム表面の反射率は、約２２０％であり、ＡＦＭ表面粗さは約４７オングストロームである。
【００５９】
（４．バリア層及びアルミニウムの形成の方法）
ここに説明する好ましい具体例の製造を行うための装置は、前出のエンデュラ統合型処理システムであり、図１に示される部品は、この統合型処理システムの中に含まれる低圧プロセスチャンバの１つの中にある。
【００６０】
（第３例）
以下の説明は、アスペクト比が約５：１で表面形状サイズが０．２５μｍのバイアの表面上にＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を形成することに関する。
【００６１】
図２に示されるように、バイアの形成は、二酸化シリコン層２１１を貫通してシリコンベースに至るまでドライエッチングを行うことによって形成された。構造体２００はＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXの３層を備えていた。チタンの第１層は、イオン堆積スパッタリング（ＩＭＰスパッタリング）により、二酸化シリコン層２１１及びシリコンベース２１０の両方の表面上に形成された。第２層は反応性イオン堆積スパッタリング（反応性ＩＭＰ）による窒化チタン層２１４として、第１のチタン層２１２の上に堆積された。第３の反応性イオン堆積スパッタリングによる窒化チタン含有層２１６は、窒化チタン層２１４の上に堆積された（チタン層２１２のイオンスパッタリングにおいては、通常、高温アニールにおいてバイア２１３の底部に珪化チタンの薄い層２２４が形成される。）。その後、構造体２００には導電層２１９が充填された。
【００６２】
直径８インチ（２０．３ｃｍ）の基板の表面上へＴｉをイオン堆積スパッタリングする際毎分約７００オングストロームの速度を得るため、チタンターゲットカソード１１２にＤＣ電力４ｋＷを印加しつつ、２ＭＨｚ（２．５ｋＷにほぼ等しい）のＲＦ電力をコイル１１４に印加し、また基板支持プラーテン１２０に約１００ワットのＤＣバイアスを印加した。Ｔｉの堆積工程は約３０ｍＴで行われた。この圧力は、アルゴン供給流量約６５ｓｃｃｍに相当するものである。基板表面の温度は約２００℃であった。
【００６３】
Ｔｉ第１層の表面上へＴｉＮを反応性イオン堆積スパッタリングする際毎分約２５０オングストロームの速度を得るため、チタンターゲットカソード１１２にＤＣ電力５ｋＷを印加しつつ、２ＭＨｚ（２．５ｋＷにほぼ等しい）のＲＦ電力をコイル１１４に印加し、また基板支持プラーテン１２０に約１００ワットのＤＣバイアスを印加した。Ｔｉの堆積工程は約３０ｍＴで行われた。この圧力は、アプライドマテリアルズ社のエンデュラ統合型処理システムにおいてアルゴン供給流量約１０ｓｃｃｍ及び窒素供給流量約７０ｓｃｃｍに相当するものである。基板表面の温度は約２００℃であった。
【００６４】
ＴｉＮ第２層の表面上へＴｉＮXを反応性イオン堆積スパッタリングする際毎分約６００オングストロームの速度を得るため、プロセス条件をＴｉＮ第２層で決めた条件で設定したが、ＴｉＮX層のスパッタリングの最初では、窒素ガスのプロセスチャンバへの流入を止めた。ＴｉＮの堆積工程中にチタンターゲットが窒化するため、窒素ガスの流量を止めた後のある限られた時間中にＴｉＮが生成し続ける。典型的には、チャンバへの窒素ガスの流入を止めた以外はＴｉＮ堆積について言及された操作条件の下では、ターゲットの窒化した部分は、５〜１０秒以内にスパッタされてなくなる。ＴｉＮ第２層が厚くなれば、ターゲットの窒化部分がスパッタされてなくなるまでの時間が長くなる。この特別な例においては、プロセスチャンバへの窒素ガスの流入を止めた後、ＴｉＮX層の堆積は約１５秒間行われた。
【００６５】
次いで、従来型のスパッタリングの技術を用い、基板温度が約４００℃、圧力が約２ｍＴで、バイア表面上にアルミニウム層を６０００オングストロームスパッタした。上述のように作製したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXのバリア／ウェット層を用いて、コンタクトバイアに対して完全に充填する（顕微鏡写真ではボイドはほぼゼロであった）ことが実現された。
【００６６】
（５．バリア層構造体におけるそれぞれの層の組成）
図６（ａ）〜（ｃ）は、３つのバリア層の原子組成を示すものであり、分析は上層から行われ、先ずＴｉＮX第３層、次にＴｉＮ第２層、そしてシリコン酸化物基板上のＴｉ第１層で行われた。
【００６７】
図６（ａ）のグラフ６１０は、ＸＰＳ分析プロセス中にバリア層がスパッタされて飛ばされる際の、当該バリア層の組成を例示している。アルゴンイオンを用いスパッタされる材料の原子組成をｙ軸にとり６１２で示し、単位は原子パーセントである。分析プロセスの時間をｘ軸にとり６１４で示し、単位は秒である。カーブ６１６は被分析対象の層のＴｉ含有率を示し、カーブ６１８は被分析対象の層のＮ含有率を示している。カーブ６２０は、分析プロセスのスパッタリング中に基板にクレーターが発生した結果生じた酸素を示している。カーブ６２２も、分析技術の結果生じた珪素を示している。
【００６８】
グラフ６１０は、Ｔｉの厚さが１００オングストローム、ＴｉＮの厚さが約２５０オングストローム、ＴｉＮXの厚さが約１００オングストロームのバリア層を表しており、これは、堆積プロセスチャンバへの窒素ガス流入を停止した後ＴｉＮX層の堆積を８秒間行ったものである。
【００６９】
図６（ｂ）のグラフ６３０は、図６（ａ）について説明した分析技術を用いて得られた第２のバリア層の組成を示す。被分析層の原子組成をｙ軸にとり６３２で示し、単位は原子パーセントである。分析プロセスの時間をｘ軸にとり６３４で示し、単位は秒である。カーブ６３６は被分析層のＴｉ含有率を示し、カーブ６３８は被分析対象の層のＮ含有率を示している。カーブ６４０は分析の結果生じた酸素を、カーブ６４２は分析の結果生じた珪素を示している。
【００７０】
グラフ６３０は、Ｔｉの厚さが２００オングストローム、ＴｉＮの厚さが約５００オングストローム、ＴｉＮXの厚さが約１００オングストロームのバリア層を表しており、これは、堆積プロセスチャンバへの窒素ガス流入を停止した後ＴｉＮX層の堆積を８秒間行ったものである。
【００７１】
図６（ｃ）のグラフ６５０は、図６（ａ）について説明した分析技術を用いて得られた第３のバリア層の組成を示す。被分析層の原子組成をｙ軸にとり６５２で示し、単位は原子パーセントである。分析プロセスの時間をｘ軸にとり６５４で示し、単位は秒である。カーブ６５６は被分析層のＴｉ含有率を示し、カーブ６５８は被分析対象の層のＮ含有率を示している。カーブ６６０は分析の結果生じた酸素を、カーブ６６２は分析の結果生じた珪素を示している。
【００７２】
グラフ６５０は、Ｔｉの厚さが２００オングストローム、ＴｉＮの厚さが約２５０オングストローム、ＴｉＮXの厚さが約２５０オングストロームのバリア層を表しており、これは、堆積プロセスチャンバへの窒素ガス流入を停止した後ＴｉＮX層の堆積を２０秒間行ったものである。
【００７３】
これらの構造体は、１つのＴｉスパッタリングターゲットを用いて単一のプロセスチャンバにより得ることが可能であり、連続プロセスで作製可能である。これらバリア層の作製が容易であることは、これらバリア層の機能が優れていることと合わせて、半導体デバイスの作製においてこれらバリア層を非常に魅力的なものにする。特に、このバリア層の構造及びここに開示した製造法を用いれば、電子移動の問題を低減する｛１１１｝アルミニウム結晶配向が高いアルミニウム含有層の形成を可能にする。更に、このバリア層の構造及びここに開示した製造法を用いれば、リソグラフィーのインデクシングにおいて有用な反射率の高いアルミニウム含有層を形成することが可能となる。
【００７４】
上記した好ましい具体例は、本発明の範囲を限定する意図はなく、いわゆる当業者は本発明の開示内容に鑑みて、これら具体例を本発明の特許請求の範囲の特定事項に対応して拡大できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】イオンメンタルプラズマ（ＩＭＰ）により強化された物理気相堆積工程を行うことが可能なプロセスチャンバの部品の模式的線図である。
【図２】本発明で開示の方法及び装置を用いて、アスペクト比の高い倍２１３の中に形成された導電コンタクト２１８の模式的な製図である。
【図３】図３（ａ）は、Xuらによる米国特許出願第０８／５１１，８２５号に記載された種類のＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸ線回折（ＸＲＤ）カーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜の｛１１１｝結晶配向含有率が望まれるよりも低く、また、反射率も約５０％未満である（Ｓｉを参照にしてナノスコープで測定）ことが示されている。図３（ｂ）は、ここに記載した第１の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は高い｛１１１｝含有率と１９５％もの反射率を有していることが示される。図３（ｃ）は、バリア層の堆積中の基板温度をかなり高くしたこと以外は図３（ｂ）に例示されるバリア層の生成に用いたと同じ好ましい具体例の方法を用いてＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜の｛１１１｝結晶配向含有率が望まれるよりも低く、また、反射率も約５０％未満であることが示されている。図３（ｄ）は、ここに記載した第２の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は高い｛１１１｝含有率と２１０％もの反射率を有していることが示される。
【図４】ここに記載した第１具体例及び第２具体例の構造を有しその方法で形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜の相対的な反射率を、従来技術の構造を有し従来技術の方法で作製されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜の反射率と比較する棒グラフである。
【図５】図５（ａ）は、ここに記載した第３の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は、ＡＦＭ表面形状粗さ（ｒｍｓ）約７８オングストロームを示している。図５（ｂ）は、ここに記載した第４の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は、ＡＦＭ表面形状粗さ（ｒｍｓ）約４７オングストロームを示している。
【図６】図６（ａ）は、断面厚さが、Ｔｉが１００オングストローム、ＴｉＮが２５０オングストローム、ＴｉＮXが１００オングストロームのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の原子組成プロファイルを示すグラフである。図６（ｂ）は、断面厚さが、Ｔｉが２００オングストローム、ＴｉＮが５００オングストローム、ＴｉＮXが１００オングストロームのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の原子組成プロファイルを示すグラフである。図６（ｃ）は、断面厚さが、Ｔｉが２００オングストローム、ＴｉＮが２５０オングストローム、ＴｉＮXが２５０オングストロームのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の原子組成プロファイルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
２００…バリア層構造体、２１０…シリコンベース、２１１…二酸化珪素層、２１３…トレンチ又はバイア。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、｛１１１｝結晶配向アルミニウムの程度の高いアルミニウム充填を与えつつもアスペクト比の高いバイアをウォームアルミニウムで充填することを可能にする、特定の（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXの、バリア／ウェット層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
隣接し合うアルミニウムやシリコン等の材料の層と層の間の拡散を防止するためのバリア層として、窒化チタン層が半導体デバイス構造に用いられてきた。しかし、窒化チタンバリア層の表面上に堆積するアルミニウムの結晶配向は通常、多結晶であり、多結晶アルミニウムは電子移動に対する抵抗性が低い。
【０００３】
Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXスタック等の集積回路のインターコネクト（相互接続部）を形成する場合において、形成されたアルミニウムの｛１１１｝結晶配向の程度が高くない場合、アルミニウム層中のアルミニウム原子の電子移動が問題となる。アルミニウム原子の電子移動が生じれば、集積回路内にオープンサーキットが発生することがあるため、このような電子移動は抑制又は排除されるべきである。アルミニウムの電子移動は、充填されたバイアにおいても同様に生じることがあり、コンタクトの導電性を損ねてしまう。
【０００４】
１９９０年７月３１日発行のLuらへの米国特許第４、９４４，９６１号には、半導体ウエハ等の基板上にメタルやメタルアロイを部分的にイオンビームにより堆積するためのプロセスが記載されている。るつぼから気化したメタルはるつぼの出口でその一部がイオン化し、このイオン化した蒸気がバイアスの作用により基板に引き付けられる。基板温度を制御することにより、トレンチやバイア等のステップ状の表面を倣わずに（非共形に）覆うことができることが記載されている。高温を用いればステップ状の表面を平坦にできる。そこに与えられている実施例はアルミニウムの堆積のためのものであり、基板温度が約１５０℃〜約２００℃で非共形の堆積が遂行され、基板温度が約２５０℃〜約３５０℃で平坦化の堆積が遂行される。
【０００５】
S.M.Rossnagel及びJ.Hopwoodは、J. Vac. Sci.Technol. B. Vol. 12, No. 1,Jan/Feb 1994 の "Metal ion deposition fromionized magnetron sputteringdischarge"（イオン化マグネトロンスパッタリング放電からのメタルイオンの堆積）と題する論文において、従来のマグネトロンスパッタリングを、スパッタリングカソードと基板の間の領域で高密度の誘導結合ＲＦプラズマに組み合わせる技術を開示している。そこに与えられている実施例の１つは反応性スパッタリングを用いた窒化チタン膜の堆積のためのものであり、チタンカソードを用い、アルゴンガスと窒素ガスの混合ガスから生成したプラズマと組み合わせるものである。
【０００６】
１９９３年１１月１６日発行のChoらへの米国特許第５、２６２，３６１号には、シリコン（１１１）等の基板上に単結晶アルミニウム膜を形成するための方法が記載される。その目的は、アルミニウム（１１１）結晶配向を量的に増加させて、アルミニウムの電子移動に対する抵抗性を高めるというものである。温度約３００℃〜約４００℃でシリコンウエハ表面上に真空蒸着技術により、電気的に中性なアルミニウムが堆積される。
【０００７】
１９９６年８月６日発行のYamadaへの米国特許第５，５４３，３５７号には、半導体デバイスの製造方法であって、アルミニウムアロイ膜に対する下層として窒化チタン膜を用いて、このアルミニウムアロイ膜のデバイス特性の劣化を防ぐ技術が記載される。窒化チタン膜の厚みは、アルミニウムアロイ膜の厚さの１０％以下に設定され、厚くても２５ｎｍである。シリコンを含有しないアルミニウムアロイの場合では、チタン膜の厚みはアルミニウムアロイ膜の厚みの５％以下に設定される。アルミニウム膜の形成は、基板温度２００℃以下でスパッタリングプロセスにより行われ、アルミニウム膜又はアルミニウムアロイ膜がバイアホールを充填する際、アルミニウムが流動化するよう基板が加熱される。アルミニウム膜の形成及びこの流動化を行っている間の圧力は、１０-7トール以下である。窒化チタンバリア層を層間絶縁膜の上（又はこの絶縁膜の上に予め形成したチタン膜の上）に形成し、この窒化チタン膜の上にチタン膜を形成し、そしてこのチタン膜の上にアルミニウム膜を形成してもよい。窒化チタンバリア層の形成後に、窒素雰囲気下でハロゲンランプによりバリア層を約６００〜７００℃に加熱し、窒化していないチタンを窒化する。未窒化のチタンが層中に存在すれば窒化チタンバリア層はバリア層としてよくないと述べられている。
【０００８】
１９９６年１１月５日に発行のchenらの米国特許第５，５７１，７５２号には、集積回路のサブミクロン半導体層のパターニングの方法が開示される。具体例の１つでは、チタン又は窒化チタンがスパッタ堆積により厚さ約３００〜２０００オングストロームで形成され、これがコンタクト開口の底部に達する。このチタン又は窒化チタンの上には、高融点金属又は高融点金属シリサイドの共形な導電層が化学気相堆積（ＣＶＤ）により形成される。そして、この共形導電層の上に、第２の導電層（典型的にはアルミニウム）が形成される。このアルミニウムは、好ましくは約１００℃〜４００℃の温度にてスパッタされる。この方法では、アルミニウム膜にサイズの大きな粒子（グレイン）が形成されることを防止することにより、デバイス幾何設計を小さくする要請があるコンタクト開口を充填することが可能になると述べられている。
【０００９】
１９９５年８月７日に出願のXuらによる米国特許出願第０８／５１１，８２５号では、キャリア層として作用する窒化チタン含有バリア層を形成する方法を記載する。このキャリア層により、従来技術の方法よりも低い温度において、アスペクト比の高いバイア、ホールやトレンチ等のアパーチャを充填することができ、また、このキャリア層の上に堆積した導電膜を平坦化することができる。
【００１０】
１９９６年１１月２１日に出願のNganらによる米国特許出願第０８／７５３，２５１号では、コンタクトバイアの表面上に窒化チタン含有バリア層を生成する方法が記載される。ある特定のコンタクトの幾何関係に対して、窒化チタン万有バリア層の形成中にリアクタの圧力を下げれば、バイアの側壁上のバリア層の厚みは増加する。このことにより、アルミニウムの充填についてはバイアの側壁沿って移動することが容易となり、その結果、バイアの充填が良好になる。特に、バリア層がアルミニウムとわずかに反応してアルミニウムをバイアの側壁に沿って引き込むためには、バリア層を備えた窒化チタンには最小厚みと最小チタン含有率とが必要になる。
【００１１】
Nganによる出願中の米国特許出願(Attorney Docket No.1819)には、堆積した窒化チタンバリア層の結晶配向を制御するために用いることができる様々な処理技術が開示されている。更に、窒化チタンバリア層の｛２００｝結晶配向を増加させることにより、この層の抵抗率が上昇する。
【００１２】
「従来型のスパッタリングによる」窒化チタン含有膜ないし層は、アルゴン等の不活性ガスを窒素ガスと組み合わせて生成したプラズマにチタンターゲットを接触させることにより、基板上に堆積する。ターゲットからスパッタされたチタンの一部は、プラズマにより既に活性化している窒素ガスと反応して窒化チタンを生成し、この気相混合物が基板に接触して基板上に層を形成する。このような従来型のスパッタリングによる窒化チタン含有層はコンタクトバイアのホットアルミニウムフィル（充填）に対する濡れ層として作用することができるが、基板表面温度が約５００℃よりも低くては、一般に、バイアに良好な充填性を与えることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
低い温度でのアルミニウム充填を与えるため、Xuら（米国特許出願第０８／５１１，８２５号に記載）は、低い温度（例えば約３５０℃程度）でもアルミニウムがバリア層表面に流動することを可能にする、スムーズなキャリア層として作用する窒化チタン含有バリア層を生成する技術を開発した。Xuらに記載された典型的なバリア層は、３つの層の組み合わせであり、これは、バイア表面上に堆積したチタンの第１層（Ｔｉ）と、チタンの第１層の表面上に堆積した窒化チタンの第２層（ＴｉＮ）と、ＴｉＮの第２層の上に堆積したＴｉＮX層である。これら３層はイオンメタルプラズマ（ＩＭＰ）技術により抵抗率されるが、この技術については後述する。典型的な態様では、チタンの第１層は厚さ１００オングストローム〜２００オングストロームであり、ＴｉＮの第２層は厚さ８００オングストローム、ＴｉＮXの第３層は厚さ６０オングストロームである。直径０．２５μｍでアスペクト比が約５の穴を有するコンタクトバイアへ良好な充填が実現できたものの、アルミニウムの結晶配向は｛１１１｝の割合が低く、その結果、アルミニウムインターコネクトの電子移動（ＥＭ）性能が低くなる。更に、ナノスコープで測定したこのアルミニウムの反射率は、Ｓｉを参照値とした場合に約５０％未満であり、その後のリソグラフィーにおけるインデックスが非常に困難になる。従って、ＥＭ性能を改善しまたリソグラフィープロセスステップを有利にする目的で、アルミニウムの｛１１１｝含有率を上げることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、ＩＭＰ技術を用いて（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を堆積する場合に、Ｔｉ又はＴｉＮX である第１層の厚さを約１００オングストローム以上、〜約５００オングストロームまで（表面形状の幾何関係がこの厚みの上限を制限する）の範囲に厚くし、ＴｉＮの第２層を約１００オングストローム以上約８００オングストローム以下（好ましくは約６００オングストローム以下）の範囲に薄くし、ＴｉＮXの第３層の形成を制御してＴｉ含有率が約５０原子パーセントチタン（ストイキオメトリック）〜約１００原子パーセントチタンとなるようにすることにより、（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を改良することができる。第１層がＴｉＮXである場合は、Ｔｉの原子パーセントは少なくとも約４０パーセントである。この第１層は、１００原子パーセントチタンであることが好ましい。更に、ＴｉＮX第３層の形成が、ＴｉＮ第２層の形成の終了時に行われ、Ｔｉ含有率の勾配が、ストイキオメトリックなＴｉ含有率で始まりＴｉ含有率が約１００原子パーセントで終わるような勾配を示すことが好ましい。ＴｉＮX第３層の厚みは、約１５オングストローム〜約５００オングストロームであることが好ましく、１００原子パーセントＴｉの分の厚さが約１５オングストローム〜約３００オングストロームであることが好ましい。この優れた（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層により、アルミニウムインターコネクトやアルミニウムバイア充填部を堆積する際にこのアルミニウムが高い｛１１１｝結晶配向性を示すようにすることが可能となる。更に、このように得られたアルミニウム層は、４３６ｎｍでの反射率が１５０パーセント以上を示す。このような構造を有する（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層が表面形状のライン形成に用いられる場合は、サイズが約０．２５μｍでアスペクト比が６：１にもなる表面形状に対して、スパッタアルミニウムによりこの表面形状を完全に充填することが可能となる。
【００１５】
ＴｉＮX第３層の堆積は、基板温度が約５０℃〜約５００℃（好ましくは約２００℃）で行われる。デバイス構造体がインターコネクトである場合は、ＴｉＮX第３層の堆積は、圧力約５ｍＴ〜約４０ｍＴで行うことが可能である。デバイス表面形状がバイアである場合は、ＴｉＮX第３層の堆積は、より低い圧力約５ｍＴ〜約１０ｍＴ（好ましくは約１０ｍＴ）にて行う方がよい。次いで、アルミニウム充填物が、基板温度約３５０℃〜約５００℃（好ましくは約４００℃）で堆積される。このアルミニウムの堆積は、低い圧力約１ｍＴ〜約４ｍＴ（好ましくは約２ｍＴ）で行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の開示内容は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の構造体及びこの構造体の形成方法に関するものである。このＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層構造体によれば、この上に堆積するアルミニウム層が、｛１１１｝結晶配向の含有率が高くなり反射率が約１５０％よりも高くなる。更に、このバリア層により、サイズが約０．２５μｍでアスペクト比が５：１以上の表面形状に対して、「ウォームアルミニウム」でバイアを充填することが可能になる。
【００１７】
（１．定義）
詳細な説明に入る前に、明細書及び特許請求の範囲の記載においては、特に明記した場合を除いて、単数で示されているものには複数も含まれることとする。従って、例えば、「半導体」なる語には半導体の特性を有することが知られている種々多様な材料が含まれるものであり、「プラズマ」にはＲＦグロー放電により活性化したガスないしガス反応物が含まれ、「コンタクト材料」には、ここに記載される温度範囲においてスパッタすることが可能となるような融点を有する導電材料、例えばアルミニウム、アルミニウムアロイやその他の導電材料が含まれる。
【００１８】
本発明を説明するに当たり特に重要な語を以下に定義する。
【００１９】
「ＡＦＭ」(Atomic Force Microscope)なる語は、膜表面粗さの測定に通常用いられる技術のことであり、マイクロプローブを膜表面に接触させて膜の端から端まで走査し、このマイクロプローブの機械運動をデジタル信号に変換してこれをプロットするものである。一連のプロットを編集して、その編集結果から表面粗さを算出する。
【００２０】
「アルミニウム」なる語には、半導体産業で通常一般に用いられるタイプのアルミニウムのアロイが含まれる。このアロイには、例えば、アルミニウム−銅アロイやアルミニウム−銅−シリコンアロイが含まれる。ここに記載される好ましい具体例では、銅約０．５％を有するアルミニウムに対して用いられている。
【００２１】
「アスペクト比」なる語は、電気接触部が配置される開口の高さ寸法と幅寸法の比のことをいう。例えば典型例としては、多数の層を貫いて管状に伸びるバイア開口は高さと直径を有しているが、この場合アスペクト比はこの管状部の高さを直径で除したものである。トレンチのアスペクト比は、トレンチの高さをその底部における最小行程幅で除したものである。
【００２２】
「表面形状」なる語は、基板表面の立体形状を形成するコンタクト、バイア、ホール、トレンチその他の構造体のことをいう。
【００２３】
「スパッタイオン堆積」なる語及び「イオンメタルプラズマ（ＩＭＰ）」なる語は、スパッタ堆積（好ましくはマグネトロンスパッタリング：ターゲットの裏側にマグネットアレイが配置される）のことをいう。高密度誘導結合ＲＦプラズマをスパッタリングカソードと基板支持電極の間に配置することにより、スパッタ放出物の少なくとも一部が基板表面に到達する時点でイオンの形態になっている。
【００２４】
「反応性イオン堆積」又は「反応性イオンメタルプラズマ（ＩＭＰ）」なる語は、イオン堆積スパッタリングにおいて、スパッタリング工程中に反応性ガスを供給して、これをスパッタされたイオン化材料と反応させ、反応性ガスの元素を含むスパッタイオン堆積化合物を生成するものをいう。
【００２５】
「反射率」なる語は、Ｓｉを参照としてナノスコープにより測定された反射率をいう。
【００２６】
「ＳＥＭ」なる語は、走査電子顕微鏡のことをいう。
【００２７】
「従来型のスパッタリング」なる語は、基板上に膜層を形成する方法であって、ターゲットをスパッタしターゲットからスパッタされた材料がターゲットと基板の間を通過して基板上に膜層を形成するものであり、ターゲットからスパッタされた材料の大部分を基板到達前にイオン化させるための手段を有していないものをいう。このような従来型のスパッタリングのための装置構成の１つが、米国特許第５，３２０，７２８号に開示されている。このような従来型のスパッタリングの構成においては、ターゲットからスパッタされたターゲット材料の中でイオン化された分のパーセンテージは１０％未満であり、更に典型的には１％未満である。
【００２８】
「ウォームアルミニウム」なる語は、従来型のスパッタリング技術を用い、アルミニウム形成中の基板温度を約３５０℃〜約４５０℃にして形成したアルミニウムをいう。
【００２９】
「ＸＰＳ(X-ray Photoelectron Spectroscopy)」なる語は、Ｘ線光電子分光（ＥＳＣＡ:ElectronSpecroscopy for Chemical Analysisとしても知られている）のことをいい、Ｘ線ビームを被検体に照射する技術である。被検体の原子組成及びこれに対応する各元素の結合エネルギーの特性である光電子が放出され、これを電子エネルギーアナライザにより検出する。測定された光電子の運動エネルギーを、感度係数を用いて、被検体中の元素組成の原子パーセントに変換する。被検体表面の原子パーセント組成の検出に加えて、厚さプロファイルにより、被検体の厚さ方向の組成の情報も得ることができる。このケースでは、被検体の物質が、アルゴンイオン等の不活性ガスイオンを用いて増加的にスパッタされる。これら各増分についてＸＰＳ分析が行われる。
【００３０】
「ＸＲＤ(X-Ray Diffraction):Ｘ線回折」なる語は、結晶配向の測定に通常用いられる技術のことをいい、被測定材料に特定の波長の放射を通過させ、この通過の際に当該材料により生じた放射の回折を測定するものである。回折パターンを表すマップを作成し、このマップを基に結晶配向を計算する。
【００３１】
（２．本発明を実施するための装置）
本発明の方法を遂行することができる装置としては、アプライドマテリアルズ社のエンデュラ統合型処理システムが挙げられる。このプロセスシステムを特に図面には示さないが、図１に示される処理要素は、上記の統合型処理システムに含まれる低圧プロセスチャンバの１つの内部で動作させることが可能なものである。上記のシステムは米国特許第５，１８６，７１８号及び米国特許第５，２３６，８６８号に開示されている。図１に示されるように、表面がスムーズで抵抗率の低い本発明の窒化チタンバリア層を形成するための低圧プロセスチャンバは、標準的なスパッタマグネット１１０（スパッタリングプラズマを閉じ込めてスパッタリング速度の上昇を可能にするための）と、約２４ｋＷの電力レベルで動作が可能なスパッタリングターゲットカソード１１２とを採用している。
【００３２】
（第１例）
本発明のＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を形成するには、直径１４インチ（３５．５ｃｍ）のチタンターゲットカソードが用いられ、このカソードに対して約４ｋＷ〜約８ｋＷの範囲のＤＣ電力が印加される。直径８インチ（２０．３ｃｍ）のシリコンウエハを含む基板１１８が、ターゲットカソード１１２から約５．５インチ（１４ｃｍ）の距離で配置される。巻き数が少なくとも１巻き〜１０巻き（好ましくは約１〜３巻き）のコイル１１４に対してＲＦ電力を約１００ｋＨｚ〜約６０ＭＨｚ（好ましくは約２ＭＨｚ）の範囲及び約０．５ｋＷ〜約６ｋＷ（好ましくは約１．５ｋＷ〜約４．０ｋＷ）の範囲のワット数で印加することにより、高密度誘導結合ＲＦプラズマが、ターゲットカソード１１２と基板１１８の間に生成する。典型的には、このコイルは水冷が可能なメタルの管から作製され、直径は約０．１２５インチ（０．３２ｃｍ）である。しかし、所望の機能を与えるシートやリボンその他の形態から作製されてもよい。コイル１１４はターゲット１１２と基板１１８の間のプラズマ領域を包囲している。典型的には、基板１１８又は基板支持体１２０に０〜約−３００ＶのＤＣの基板バイアス電圧を印加して（好ましくは約１００Ｗ）、プラズマからのイオンを基板に引き付けるＤＣ自己バイアスを発生させてもよい。
【００３３】
窒化チタンバリア層の形成のための好ましい装置では、プラズマに誘導結合してスパッタ材料をイオン化するためにコイルを用いているが、チタンのイオン化のための他の手段も考慮できる。例えば、米国特許第４，９１１，８１４号に図示及び記載されるようなＥＣＲソースや、米国特許第４，９９０，２２９号に図示されるようなヘリコンタイプのカップリングデバイスが具体的に考慮される。イオン化パーセンテージが１０〜１００％の堆積粒子のイオン化流を供給できるその他の同様の装置であれば、本発明に有用なものとして考慮される。チタン原子をイオン化して窒素イオンと反応させ窒化チタンを形成するためのチタン原子の形成用の好ましい装置はスパッタリングの技術を用いて形成されることが好ましいが、チタン原子を形成するための他の手段を考慮することもできる。例えば、米国特許第４，９４４，９６１号に記載されるような、るつぼ内でメタルやメタルアロイを気化させるための技術等のチタン気化技術が具体的に考慮される。
【００３４】
（３．（Ｔｉ又はＴｉＮX）／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の構造）
我々は、スムーズな窒化チタン含有バリア層を作製することを可能にしたが、それは、表面形状サイズが約０．２５μｍでアスペクト比が５：１以上である集積回路のバイア、スルーホールやトレンチ内に、電気コンタクトを製造することが可能になることが示されたものである。本発明のスムーズなバリア層によれば、アスペクト比の高い導電コンタクトの形成が可能になることに加えて、電気コンタクト材料（アルミニウム等）とその下の半導体基板材料（シリコン等）の間の相互拡散を防止する拡散バリアが与えられる。
【００３５】
スムーズなバリア層の構造体は、３層のスタックを備えている。更に好ましい態様では、第１層（シリコンや二酸化シリコン等の基板の上に直接形成する層）は、イオン堆積によるチタン（Ｔｉ）である。この第１層の上に形成する第２層は、イオン堆積による窒化チタン（ＴｉＮ）である。この第２層の上に形成する第３層は、イオン堆積によるＴｉＮXの層であり、この層の組成は、約５０原子％チタン〜約１００原子％チタンの間で変化する。好ましくは、チタン濃度は、ほぼストイキオメトリックなＴｉＮから純粋なＴｉへの勾配上にある。ＴｉＮXの表面がその上に次いで堆積するウォームアルミニウムと反応する可能性を低減するためには、この層の表面のＴｉ濃度を制御することが必要である。ＴｉＮX層の最適なＴｉの含有率は、その適用対象が水平な導電インターコネクトであるか、あるいはアスペクト比の高いバイアであるかによるだろう。アスペクト比の高いバイアでは、バイア内へアルミニウムを充填するための熱力学的引力を与えるために、ＴｉＮX層のＴｉ含有率は高いことが必要である。しかし、Ｔｉの含有率が高すぎる場合は、ＴｉＡｌ3が生成することとなり、デバイスの性能に悪影響を与える。アスペクト比が高いバイアに適用する場合で、ＴｉＮX層のチタン含有率が原子濃度で約５０％〜約１００％Ｔｉの勾配上にある場合は、ウォームアルミニウムをバイア内に完全に充填する方法で引き込むに十分なＴｉ上面の厚みは約１５オングストロームである一方、純粋なＴｉ上面の厚みが約３００オングストロームを越えればＴｉＡｌ3の生成量が有害な程度になることを、我々は見出した。
【００３６】
このスムーズなバリア層構造体の上に、電気コンタクト層ないし導電層を形成する。ここに説明するコンタクト層ないし導電層は、銅を約０．５重量％含むアルミニウムであるが、他の導電材料を用いても、ここに記載した本発明のスムーズなバリア層の利益を得るものである。この次に形成する導電材料の結晶学的な｛１１１｝含有率とその反射率については、ここに記載されるコンセプトを用いて調製することが可能である。ウォームアルミニウムについて、この開示内容における好ましい具体例では、アルミニウムの形成はスパッタリング以外の方法、例えばエバポレーション等の方法で行うことが可能である。アルミニウムをＩＭＰで形成する場合は、バイアの充填に対して、バイア側壁上に高い共形性を与える点で利点を与えるが、従来型のスパッタリングによるアルミニウムの方が、アルミニウム形成の方法としてコストが小さいため好ましい。従来型のスパッタリングにより、ウォームアルミニウム（約３５０℃〜約４５０℃）として形成されるアルミニウムについては、アルミニウムの形成は圧力約０．５ｍＴ〜約５０ｍＴで行われることが好ましく、この圧力は好ましくは約１ｍＴ〜３０ｍＴ、更に好ましくは約１ｍＴ〜約４ｍＴである。アルミニウムの厚みは、用途に依存する。
【００３７】
図２は、本発明のスムーズなバリア層構造体２００を有するトレンチ又はバイア２１３を模式的に示す。この構造体２００は、シリコンベース２１０とその上に二酸化シリコン層２１１とを備える半導体基板上に形成される。バイア又はトレンチ２１３は、二酸化シリコン層２１１を貫通してシリコンベース２１０に至るまでドライエッチングを行うことにより、形成される。この構造体２００はＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXの３層を備える。チタンの第１層は、イオン堆積スパッタリングにより、二酸化シリコン層２１１及びシリコンベース２１０の両方の表面上に形成される。第２層は反応性イオン堆積スパッタリングによる窒化チタン層２１４として、第１のチタン層２１２の上に堆積される。第３の反応性イオン堆積スパッタリングによる窒化チタン含有層２１６は、窒化チタン層２１４の上に堆積される（チタン層２１２のイオンスパッタリングにおいては、通常、高温アニールにおいてバイア２１３の底部に珪化チタンの薄い層２２４が形成される。）。その後、構造体２００には導電層２１９が充填される。バイアないしトレンチ２１３のアスペクト比は、寸法２２２対寸法２２０によって例示され、およそ２０：１であり、寸法２２０は約０．２５μｍであった。
【００３８】
従来のスパッタリングでは、アルミニウムは基板２００上に約５００℃の基板温度でスパッタされていた。場合によっては、５００℃で残りのアルミニウムの堆積を行う前に、基板温度５０℃でコールドアルミニウム核形成層を堆積していた。ＩＭＰを用いて得られたバリア層構造体２００の側壁の表面が改善されることにより、コールドアルミニウム核形成層を用いる必要を排除することにより、必要なアルミニウム堆積チャンバが１つだけとすることができるようになった。更に、約３５０℃〜約４５０℃の温度でのウォームアルミニウムの堆積が実現可能になった。本発明の特殊なバリア層構造体２００を用いる場合は、｛１１１｝結晶配向の高いアルミニウムが得られるという更なる利点がある。更に、アスペクト比が非常に高いバイアにも充填することが可能となる。
【００３９】
（第２例）
アルミニウムの結晶学的な｛１１１｝含有率を十分高くして電子移動を防止するような、バイアへのアルミニウム充填を行うために、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層２００の構造を以下のように調節した。
【００４０】
イオン堆積スパッタリングによるＴｉの第１層２１２の厚みを約３００オングストローム、反応性イオン堆積スパッタリングによるＴｉＮの第２層２１４の厚みを約２５０オングストローム、反応性イオン堆積スパッタリングによるＴｉＮXの第３層２１６の厚みを約２５０オングストロームとした。ＴｉＮX層２１６の組成は、５０原子％Ｔｉから始まり、層２１６の表面に向かうにつれ、約１００原子％Ｔｉに向かって変化する。
【００４１】
アルミニウムのスパッタリングは、従来型のスパッタリングを用い、温度約４００℃、圧力約２ｍＴでバイア２１３の表面の上に行われた。アルミニウム充填物の結晶学的｛１１１｝含有率は、約１００％であった（ＸＲＤカーブには｛２００｝がみられなかった）。更に、アルミニウム表面の反射率は約１９９％であった。
【００４２】
図３（ａ）〜３（ｄ）には、フラットな二酸化シリコン表面の上に形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面の上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブを示す。
【００４３】
図３（ａ）は、上述の技術を用いて作製したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３１０であり、Ｔｉ第１層の厚みが約１００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚みが約８００オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚みが約１５０オングストロームである。このバリア層の作製中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度２００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比（この電力比については後ほど詳細に説明する）約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、各層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上へのスパッタリングは、従来型のスパッタリングを用い基板温度が約４００℃、圧力が約２ｍＴで行われた。上述の電力比は、スパッタリングターゲットへ印加するＤＣ電力を、イオン形成装置（コイル）へのＲＦ電力で除したものをいい、一例を挙げれば、スパッタリングターゲットへ７ｋＷ、ＲＦコイルへ２ｋＷの場合は、電力比が３．５である。
【００４４】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３１２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３１４で示したＸＲＤカーブ３１０により示されるように、アルミニウムの結晶配向のアルミニウム含有率は、所望の｛１１１｝結晶配向３１６と、不要な｛２００｝結晶配向３１９（拡大が３１８で示される）の両方を有している。ピーク高さが約３０００程度の弱い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの多結晶性が高い性質を示している。不要な｛２００｝結晶配向のアルミニウムが存在することが、ＴｉＮ層の厚さが８００オングストロームであることに寄与している。
【００４５】
図３（ｂ）は、上述の技術を用いて形成したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３２０であり、Ｔｉ第１層の厚さは１００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚さは約２５０オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚さは約１５０オングストロームであった。このバリア層の製造中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度２００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、各層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムが従来型のスパッタリング技術を用いて、基板温度が約４００℃、圧力約２ｍＴでＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上にスパッタされた。
【００４６】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３２２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３２４で示したＸＲＤカーブ３２０により示されるように、アルミニウムの結晶配向は、所望の｛１１１｝結晶配向のみに限られ、不要な｛２００｝結晶配向（拡大が３２８で示される）は含まれない。ピーク高さが約１４０００もの強い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの｛１１１｝含有率の程度が高いことを示している。
【００４７】
図３（ｂ）に示されるＸＲＤカーブを有するアルミニウムの堆積を可能にするバリア層構造体は、本発明の更に好ましい具体例の１つである。
【００４８】
図３（ｃ）は、上述の技術を用いて形成したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３３０であり、Ｔｉ第１層の厚さは１００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚さは約２５０オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚さは約１５０オングストロームであった。このバリア層の製造中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度４００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、各層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムが従来型のスパッタリング技術を用いて、基板温度が約４００℃、圧力約２ｍＴでＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上にスパッタされた。
【００４９】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３３２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３３４で示したＸＲＤカーブ３３０により示されるように、アルミニウムの結晶配向のアルミニウム含有率は、所望の｛１１１｝結晶配向３３６と、不要な｛２００｝結晶配向３３９（拡大が３３８で示される）の両方を有している。ピーク高さが約３２程度の非常に弱い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの多結晶性の程度が図３（ａ）に例示されるアルミニウム層よりも更に高いことを示している。このことは、アルミニウムの｛２００｝結晶配向成分のピーク高さが更に大きくなっていることによっても支持されている。不要な｛２００｝結晶配向のアルミニウムが存在することが、３つのバリア層それぞれに対して堆積温度が４００℃であることに寄与している。
【００５０】
図３（ｄ）は、上述の技術を用いて形成したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムのＸＲＤカーブ３４０であり、Ｔｉ第１層の厚さは３００オングストローム、ＴｉＮ第２層の厚さは約２５０オングストローム、ＴｉＮX第３層の厚さは約１５０オングストロームであった。このバリア層の製造中に用いたプロセス条件には、各層の形成中の基板（ウエハ）温度２００℃、ＤＣ／ＲＦ電力比約３．３、基板へのバイアス約１００Ｗ、Ｔｉ層及びＴｉＮ層の形成中のプロセスチャンバ圧力約３０ｍＴ、ＴｉＮX層の形成中では１０ｍＴが含まれていた。ウォームアルミニウムが従来型のスパッタリング技術を用いて、基板温度が約４００℃、圧力約２ｍＴでＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上にスパッタされた。
【００５１】
回折強度を任意の単位でｙ軸にとり３４２で示し２θ（入射角の倍）を「度」でｘ軸にとり３４４で示したＸＲＤカーブ３４０により示されるように、アルミニウムの結晶配向のアルミニウム含有率は、アルミニウムの結晶配向は、所望の｛１１１｝結晶配向３４６のみに限られ、不要な｛２００｝結晶配向（拡大が３３８で示される）は含まれない。ピーク高さが約２７０００もの非常に強い｛１１１｝結晶配向の信号が更に、ウォーム堆積したこのアルミニウムの｛１１１｝含有率の程度が高いことを示している（図３（ｂ）に例示される、ＴｉＮX層を３０ｍＴで堆積した本発明の他の好ましい具体例について得られたような非常に高い程度）。図３（ｄ）に示されるＸＲＤカーブを有するアルミニウムの堆積を可能にするバリア層構造体は、本発明の更に好ましい具体例の１つである。
【００５２】
図４は、上述のアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体の４層の３つ及び別の構造体１つの反射率を例示する。特に、棒グラフ４００は、ｙ軸にパーセント反射率（Ｓｉを参照とした）をとり４１０で示す。ｘ軸上のそれぞれの棒（バー）は、異なるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体を表している。
【００５３】
バー４１２は、図３（ｂ）で示されるＸＲＤカーブで例示されるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体のアルミニウム層の反射率を示す。バー４１４は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体の上に堆積したアルミニウム層の反射率を示すが、このとき、アルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体全体の形成に用いる方法は図３（ｂ）の構造体全体の製造に用いた方法と同じであるが、Ｔｉの厚さが３００オングストロームであった。バー４１６は、図３（ａ）のＸＲＤカーブに例示されるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体のアルミニウム層の反射率を示す。バー４１８は、図３（ｃ）のＸＲＤカーブに例示されるアルミニウム／Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮX構造体のアルミニウム層の反射率を示す。
【００５４】
図４は、アルミニウムの｛１１１｝結晶配向が高いことが、アルミニウムの反射率の高さに直接相関することを示す。
【００５５】
第３層ＴｉＮXの組成の勾配を変えることにより、反射率を更に向上させること（そしてこれに付随してアルミニウム層の表面粗さを小さくすること）が可能となる。ＴｉＮXの堆積のステップの最後に堆積させるピュアなＴｉの厚みを増やすことにより、反射率が向上し表面のスムーズさが高くなったアルミニウムをえることができることを我々は見出した。特に、反射率は約２１０％から約２２０％に上がり、表面粗さ（ＡＦＭを用いて測定）は７８オングストロームから４７オングストロームへと小さくなった。
【００５６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ＴｉＮXの堆積の最後におけるＴｉの厚みを変えたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブを示す。バリア層構造体の形成は、上述の技術を用いて行われた。特に、それぞれの場合において第１のＴｉ層の厚さを３００オングストローム、第２のＴｉＮ層の厚さを２５０オングストロームとした。全てのバリア層の堆積を、基板温度約２００℃、プロセスチャンバ圧力１０ｍＴで行った。
【００５７】
図５（ａ）は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブ５１０を示すものであり、このときＴｉＮXの堆積時間を約１５秒間としＴｉＮX層の厚さが約１８０オングストロームであった。回折強度をｙ軸にとり５１２で示し、２θをｘ軸にとり５１４で示す。カーブ５１０は、強度が約２８０００と強い｛１１１｝アルミニウム結晶配向ピーク５１６を示し、｛２００｝結晶配向の存在は検出されなかった。このアルミニウム表面の反射率は、約２１０％であり、ＡＦＭ表面粗さは約７８オングストロームである。
【００５８】
図５（ｂ）は、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の表面上に形成したウォームアルミニウムについてのＸＲＤカーブ５２０を示すものであり、このときＴｉＮXの堆積時間を約３０秒間としＴｉＮX層の厚さが約３６０オングストロームであった。回折強度をｙ軸にとり５２２で示し、２θをｘ軸にとり５２４で示す。カーブ５２０は、強度が約３９０００と強い｛１１１｝アルミニウム結晶配向ピーク５２６を示し、｛２００｝結晶配向の存在は検出されなかった。このアルミニウム表面の反射率は、約２２０％であり、ＡＦＭ表面粗さは約４７オングストロームである。
【００５９】
（４．バリア層及びアルミニウムの形成の方法）
ここに説明する好ましい具体例の製造を行うための装置は、前出のエンデュラ統合型処理システムであり、図１に示される部品は、この統合型処理システムの中に含まれる低圧プロセスチャンバの１つの中にある。
【００６０】
（第３例）
以下の説明は、アスペクト比が約５：１で表面形状サイズが０．２５μｍのバイアの表面上にＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層を形成することに関する。
【００６１】
図２に示されるように、バイアの形成は、二酸化シリコン層２１１を貫通してシリコンベースに至るまでドライエッチングを行うことによって形成された。構造体２００はＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXの３層を備えていた。チタンの第１層は、イオン堆積スパッタリング（ＩＭＰスパッタリング）により、二酸化シリコン層２１１及びシリコンベース２１０の両方の表面上に形成された。第２層は反応性イオン堆積スパッタリング（反応性ＩＭＰ）による窒化チタン層２１４として、第１のチタン層２１２の上に堆積された。第３の反応性イオン堆積スパッタリングによる窒化チタン含有層２１６は、窒化チタン層２１４の上に堆積された（チタン層２１２のイオンスパッタリングにおいては、通常、高温アニールにおいてバイア２１３の底部に珪化チタンの薄い層２２４が形成される。）。その後、構造体２００には導電層２１９が充填された。
【００６２】
直径８インチ（２０．３ｃｍ）の基板の表面上へＴｉをイオン堆積スパッタリングする際毎分約７００オングストロームの速度を得るため、チタンターゲットカソード１１２にＤＣ電力４ｋＷを印加しつつ、２ＭＨｚ（２．５ｋＷにほぼ等しい）のＲＦ電力をコイル１１４に印加し、また基板支持プラーテン１２０に約１００ワットのＤＣバイアスを印加した。Ｔｉの堆積工程は約３０ｍＴで行われた。この圧力は、アルゴン供給流量約６５ｓｃｃｍに相当するものである。基板表面の温度は約２００℃であった。
【００６３】
Ｔｉ第１層の表面上へＴｉＮを反応性イオン堆積スパッタリングする際毎分約２５０オングストロームの速度を得るため、チタンターゲットカソード１１２にＤＣ電力５ｋＷを印加しつつ、２ＭＨｚ（２．５ｋＷにほぼ等しい）のＲＦ電力をコイル１１４に印加し、また基板支持プラーテン１２０に約１００ワットのＤＣバイアスを印加した。Ｔｉの堆積工程は約３０ｍＴで行われた。この圧力は、アプライドマテリアルズ社のエンデュラ統合型処理システムにおいてアルゴン供給流量約１０ｓｃｃｍ及び窒素供給流量約７０ｓｃｃｍに相当するものである。基板表面の温度は約２００℃であった。
【００６４】
ＴｉＮ第２層の表面上へＴｉＮXを反応性イオン堆積スパッタリングする際毎分約６００オングストロームの速度を得るため、プロセス条件をＴｉＮ第２層で決めた条件で設定したが、ＴｉＮX層のスパッタリングの最初では、窒素ガスのプロセスチャンバへの流入を止めた。ＴｉＮの堆積工程中にチタンターゲットが窒化するため、窒素ガスの流量を止めた後のある限られた時間中にＴｉＮが生成し続ける。典型的には、チャンバへの窒素ガスの流入を止めた以外はＴｉＮ堆積について言及された操作条件の下では、ターゲットの窒化した部分は、５〜１０秒以内にスパッタされてなくなる。ＴｉＮ第２層が厚くなれば、ターゲットの窒化部分がスパッタされてなくなるまでの時間が長くなる。この特別な例においては、プロセスチャンバへの窒素ガスの流入を止めた後、ＴｉＮX層の堆積は約１５秒間行われた。
【００６５】
次いで、従来型のスパッタリングの技術を用い、基板温度が約４００℃、圧力が約２ｍＴで、バイア表面上にアルミニウム層を６０００オングストロームスパッタした。上述のように作製したＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXのバリア／ウェット層を用いて、コンタクトバイアに対して完全に充填する（顕微鏡写真ではボイドはほぼゼロであった）ことが実現された。
【００６６】
（５．バリア層構造体におけるそれぞれの層の組成）
図６（ａ）〜（ｃ）は、３つのバリア層の原子組成を示すものであり、分析は上層から行われ、先ずＴｉＮX第３層、次にＴｉＮ第２層、そしてシリコン酸化物基板上のＴｉ第１層で行われた。
【００６７】
図６（ａ）のグラフ６１０は、ＸＰＳ分析プロセス中にバリア層がスパッタされて飛ばされる際の、当該バリア層の組成を例示している。アルゴンイオンを用いスパッタされる材料の原子組成をｙ軸にとり６１２で示し、単位は原子パーセントである。分析プロセスの時間をｘ軸にとり６１４で示し、単位は秒である。カーブ６１６は被分析対象の層のＴｉ含有率を示し、カーブ６１８は被分析対象の層のＮ含有率を示している。カーブ６２０は、分析プロセスのスパッタリング中に基板にクレーターが発生した結果生じた酸素を示している。カーブ６２２も、分析技術の結果生じた珪素を示している。
【００６８】
グラフ６１０は、Ｔｉの厚さが１００オングストローム、ＴｉＮの厚さが約２５０オングストローム、ＴｉＮXの厚さが約１００オングストロームのバリア層を表しており、これは、堆積プロセスチャンバへの窒素ガス流入を停止した後ＴｉＮX層の堆積を８秒間行ったものである。
【００６９】
図６（ｂ）のグラフ６３０は、図６（ａ）について説明した分析技術を用いて得られた第２のバリア層の組成を示す。被分析層の原子組成をｙ軸にとり６３２で示し、単位は原子パーセントである。分析プロセスの時間をｘ軸にとり６３４で示し、単位は秒である。カーブ６３６は被分析層のＴｉ含有率を示し、カーブ６３８は被分析対象の層のＮ含有率を示している。カーブ６４０は分析の結果生じた酸素を、カーブ６４２は分析の結果生じた珪素を示している。
【００７０】
グラフ６３０は、Ｔｉの厚さが２００オングストローム、ＴｉＮの厚さが約５００オングストローム、ＴｉＮXの厚さが約１００オングストロームのバリア層を表しており、これは、堆積プロセスチャンバへの窒素ガス流入を停止した後ＴｉＮX層の堆積を８秒間行ったものである。
【００７１】
図６（ｃ）のグラフ６５０は、図６（ａ）について説明した分析技術を用いて得られた第３のバリア層の組成を示す。被分析層の原子組成をｙ軸にとり６５２で示し、単位は原子パーセントである。分析プロセスの時間をｘ軸にとり６５４で示し、単位は秒である。カーブ６５６は被分析層のＴｉ含有率を示し、カーブ６５８は被分析対象の層のＮ含有率を示している。カーブ６６０は分析の結果生じた酸素を、カーブ６６２は分析の結果生じた珪素を示している。
【００７２】
グラフ６５０は、Ｔｉの厚さが２００オングストローム、ＴｉＮの厚さが約２５０オングストローム、ＴｉＮXの厚さが約２５０オングストロームのバリア層を表しており、これは、堆積プロセスチャンバへの窒素ガス流入を停止した後ＴｉＮX層の堆積を２０秒間行ったものである。
【００７３】
これらの構造体は、１つのＴｉスパッタリングターゲットを用いて単一のプロセスチャンバにより得ることが可能であり、連続プロセスで作製可能である。これらバリア層の作製が容易であることは、これらバリア層の機能が優れていることと合わせて、半導体デバイスの作製においてこれらバリア層を非常に魅力的なものにする。特に、このバリア層の構造及びここに開示した製造法を用いれば、電子移動の問題を低減する｛１１１｝アルミニウム結晶配向が高いアルミニウム含有層の形成を可能にする。更に、このバリア層の構造及びここに開示した製造法を用いれば、リソグラフィーのインデクシングにおいて有用な反射率の高いアルミニウム含有層を形成することが可能となる。
【００７４】
上記した好ましい具体例は、本発明の範囲を限定する意図はなく、いわゆる当業者は本発明の開示内容に鑑みて、これら具体例を本発明の特許請求の範囲の特定事項に対応して拡大できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】イオンメンタルプラズマ（ＩＭＰ）により強化された物理気相堆積工程を行うことが可能なプロセスチャンバの部品の模式的線図である。
【図２】本発明で開示の方法及び装置を用いて、アスペクト比の高い倍２１３の中に形成された導電コンタクト２１８の模式的な製図である。
【図３】図３（ａ）は、Xuらによる米国特許出願第０８／５１１，８２５号に記載された種類のＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸ線回折（ＸＲＤ）カーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜の｛１１１｝結晶配向含有率が望まれるよりも低く、また、反射率も約５０％未満である（Ｓｉを参照にしてナノスコープで測定）ことが示されている。図３（ｂ）は、ここに記載した第１の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は高い｛１１１｝含有率と１９５％もの反射率を有していることが示される。図３（ｃ）は、バリア層の堆積中の基板温度をかなり高くしたこと以外は図３（ｂ）に例示されるバリア層の生成に用いたと同じ好ましい具体例の方法を用いてＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜の｛１１１｝結晶配向含有率が望まれるよりも低く、また、反射率も約５０％未満であることが示されている。図３（ｄ）は、ここに記載した第２の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は高い｛１１１｝含有率と２１０％もの反射率を有していることが示される。
【図４】ここに記載した第１具体例及び第２具体例の構造を有しその方法で形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜の相対的な反射率を、従来技術の構造を有し従来技術の方法で作製されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜の反射率と比較する棒グラフである。
【図５】図５（ａ）は、ここに記載した第３の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は、ＡＦＭ表面形状粗さ（ｒｍｓ）約７８オングストロームを示している。図５（ｂ）は、ここに記載した第４の好ましい具体例を用いて形成されたＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の上に堆積されたアルミニウム膜のＸＲＤカーブを示すグラフであり、このアルミニウム膜は、ＡＦＭ表面形状粗さ（ｒｍｓ）約４７オングストロームを示している。
【図６】図６（ａ）は、断面厚さが、Ｔｉが１００オングストローム、ＴｉＮが２５０オングストローム、ＴｉＮXが１００オングストロームのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の原子組成プロファイルを示すグラフである。図６（ｂ）は、断面厚さが、Ｔｉが２００オングストローム、ＴｉＮが５００オングストローム、ＴｉＮXが１００オングストロームのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の原子組成プロファイルを示すグラフである。図６（ｃ）は、断面厚さが、Ｔｉが２００オングストローム、ＴｉＮが２５０オングストローム、ＴｉＮXが２５０オングストロームのＴｉ／ＴｉＮ／ＴｉＮXバリア層の原子組成プロファイルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
２００…バリア層構造体、２１０…シリコンベース、２１１…二酸化珪素層、２１３…トレンチ又はバイア。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）約１００オングストローム〜約５００オングストロームの厚さを有する、Ｔｉ又はＴｉＮＸの第１層と、
ｂ）前記第１層の上に直接形成され、約１００オングストローム〜約８００オングストロームの厚さを有するＴｉＮの第２層と、
ｃ）前記第２層の上に直接形成され、約１５オングストローム〜約５００オングストロームの厚さを有するＴｉＮＸの第３層と
を備え、
前記第３層のＴｉ含有率が、約５０原子パーセント〜約１００原子パーセントであり、且つ、該Ｔｉ含有率が、前記第２層と接する開始部分が約５０原子パーセントであり前記第３層の表面を成す終了部分が約１００原子パーセントである勾配に従う前記構造を有する、バリア層。
【請求項２】
前記第１層がＴｉＮＸである場合において、前記第１層のＴｉ含有率が少なくとも４０原子パーセントである請求項１に記載のバリア層。
【請求項３】
前記第２層の厚さが、約５００オングストローム以下である請求項１に記載のバリア層。
【請求項４】
前記第３層の厚さが約４００オングストローム以下である請求項３に記載のバリア層。
【請求項５】
前記第３層においてＴｉ含有率が１００原子パーセントである前記終了部分の厚みが約１５オングストローム〜約３００オングストロームである請求項１に記載のバリア層。
【請求項６】
前記第３層は、該第３層の前記表面に直接形成されたアルミニウム含有導電層によって覆われている、請求項１に記載のバリア層。
【請求項７】
前記アルミニウム含有導電層のアルミニウム含有率が、少なくとも９０原子パーセントである請求項６に記載のバリア層。
【請求項８】
前記アルミニウム含有導電層は、Ｓｉを参照とした反射率が１５０パーセントを越える反射率を示す請求項７に記載のバリア層。
【請求項９】
前記アルミニウム含有導電層における結晶学的な｛１１１｝含有率は、前記アルミニウム含有導電層における電子移動を低減する程度の含有率である請求項６に記載のバリア層。
【請求項１０】
前記第３層は、該第３層の前記表面に直接形成された銅含有導電層によって覆われている、請求項１に記載のバリア層。
【請求項１】
ａ）約１００オングストローム〜約５００オングストロームの厚さを有する、Ｔｉ又はＴｉＮＸの第１層と、
ｂ）前記第１層の上に直接形成され、約１００オングストローム〜約８００オングストロームの厚さを有するＴｉＮの第２層と、
ｃ）前記第２層の上に直接形成され、約１５オングストローム〜約５００オングストロームの厚さを有するＴｉＮＸの第３層と
を備え、
前記第３層のＴｉ含有率が、約５０原子パーセント〜約１００原子パーセントであり、且つ、該Ｔｉ含有率が、前記第２層と接する開始部分が約５０原子パーセントであり前記第３層の表面を成す終了部分が約１００原子パーセントである勾配に従う前記構造を有する、バリア層。
【請求項２】
前記第１層がＴｉＮＸである場合において、前記第１層のＴｉ含有率が少なくとも４０原子パーセントである請求項１に記載のバリア層。
【請求項３】
前記第２層の厚さが、約５００オングストローム以下である請求項１に記載のバリア層。
【請求項４】
前記第３層の厚さが約４００オングストローム以下である請求項３に記載のバリア層。
【請求項５】
前記第３層においてＴｉ含有率が１００原子パーセントである前記終了部分の厚みが約１５オングストローム〜約３００オングストロームである請求項１に記載のバリア層。
【請求項６】
前記第３層は、該第３層の前記表面に直接形成されたアルミニウム含有導電層によって覆われている、請求項１に記載のバリア層。
【請求項７】
前記アルミニウム含有導電層のアルミニウム含有率が、少なくとも９０原子パーセントである請求項６に記載のバリア層。
【請求項８】
前記アルミニウム含有導電層は、Ｓｉを参照とした反射率が１５０パーセントを越える反射率を示す請求項７に記載のバリア層。
【請求項９】
前記アルミニウム含有導電層における結晶学的な｛１１１｝含有率は、前記アルミニウム含有導電層における電子移動を低減する程度の含有率である請求項６に記載のバリア層。
【請求項１０】
前記第３層は、該第３層の前記表面に直接形成された銅含有導電層によって覆われている、請求項１に記載のバリア層。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２１６３５（Ｐ２００９−２１６３５Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−２６５３７１（Ｐ２００８−２６５３７１）
【出願日】平成２０年１０月１４日（２００８．１０．１４）
【分割の表示】特願平１０−１２２６２３の分割
【原出願日】平成１０年３月２７日（１９９８．３．２７）
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６５３７１（Ｐ２００８−２６５３７１）
【出願日】平成２０年１０月１４日（２００８．１０．１４）
【分割の表示】特願平１０−１２２６２３の分割
【原出願日】平成１０年３月２７日（１９９８．３．２７）
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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