多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法
【課題】素子回路線幅の超微細化、パターン縦横比の増加、および蒸着温度の低下にもかかわらず、膜特性、段差塗布性、大気／湿気露出に対する膜質変化に対する安定性の全てを満足させる多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供する。
【解決手段】基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化膜を形成し、前記第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成し、前記２段階によって形成された下部ＴｉＮ膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成することからなり、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度である。本発明によれば、基板上にＴｉＮ積層膜を形成することで、大気／湿気露出に対する安定性を向上させることができ、クラスタシステムの同一反応チャンバーまたは相違した反応チャンバーで容易に基板上にＴｉＮ積層膜を形成することができる。
【解決手段】基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化膜を形成し、前記第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成し、前記２段階によって形成された下部ＴｉＮ膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成することからなり、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度である。本発明によれば、基板上にＴｉＮ積層膜を形成することで、大気／湿気露出に対する安定性を向上させることができ、クラスタシステムの同一反応チャンバーまたは相違した反応チャンバーで容易に基板上にＴｉＮ積層膜を形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜蒸着方法、特に、多重積層金属窒化（ＴｉＮ）膜の蒸着方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程において、キャパシタの上部電極蒸着工程またはコンタクトバリアメタル蒸着工程は、半導体業界で進行されている回路線幅の超微細化の趨勢に従い、今後より低い温度での蒸着にもかかわらず、より良い段差塗布性を有しなければならない。このような金属窒化膜をより低い温度で蒸着することになると、様々な問題点を伴うことになり、高い比抵抗および不純物含有度、大気／湿気への露出に際して、急激な抵抗変化、結果的に高い比抵抗の金属窒化膜が覆われることによる素子特性の低下までつながる。このような金属窒化膜の代表的な例としてＴｉＮがある。これから、縦横比がもっと大きいパターンにもっと低い温度で比抵抗が高くなくて不純物も比較的少なく含有され、段差塗布性も低下しない蒸着方法の開発が半導体業界で次第に大きく要求される見込みである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、素子回路線幅の超微細化、パターン縦横比の増加、蒸着温度の低下にもかかわらず、膜特性、段差塗布性（step coverage）、大気／湿気露出による膜質変化に対する安定性を全て満足させる、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化膜を形成する段階；（ｂ）前記第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成する段階；および（ｃ）前記（ａ）、（ｂ）段階によって形成された下部金属窒化膜、例えばＴｉＮ膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成する段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供するものである。
【０００５】
前記ｎ番目膜の蒸着のための第１反応ガス（金属元素含み）／第２反応ガス（Ｎ元素含み）の比Ｋｎ（ｎ=１、２、３）はＫ２≧Ｋ１≧Ｋ３であることができる。
【０００６】
前記金属窒化膜は、第１反応ガスのＡｒと第２反応ガスのＡｒを互いに連通しないシャワーヘッドを通じて基板上に連続的に噴射しつつ、前記金属元素、例えばＴｉ元素を含む第１反応ガスと前記Ｎ元素を含む第２反応ガスとの同時噴射または交互的噴射により蒸着することができる。
【０００７】
第１下部金属窒化膜は、界面安定化と接着層(glue layer)の役目をし、第２下部金属窒化膜より少ない不純物を含み、小さな厚みに蒸着することができる。
第２下部金属窒化膜は、多重積層膜のなかで最も大きい厚みを形成し、バリアの役目をする膜であり、より低い温度で優れた段差塗布性を示しながら他の積層膜より早く蒸着することができる。
【０００８】
前記多重積層膜は、同一チャンバーで積層構造を形成することができる。
前記多重積層膜は、移送チャンバーに付設された他のチャンバーで積層構造を形成することができる。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度でＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；（ｂ）前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度でＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；及び（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供するものである。
【００１０】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)・ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することができる。
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することができる。
【００１１】
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することができる。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；（ｂ）前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；及び（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供する。
【００１３】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することができる。
【００１４】
前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さは、第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さより大きくすることができる。
【００１５】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することができる。
【００１６】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することができる。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；（ｂ）前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；及び（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供する。
【００１８】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することができる。
【００１９】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することができる。
【００２０】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することができる。
【００２１】
前記上部ＴｉＮ膜は、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスの流量よりＮ元素を含む第２反応ガスの流量を少なくとも１０倍以上維持しながら蒸着することができる。
【００２２】
前記Ｔｉ元素を含む第１反応ガスはＴｉＣｌ４であり、前記Ｎ元素を含む第２反応ガスはＮＨ３であることができる。
【００２３】
前記第１蒸着速度は５０〜５５Å／分、前記第２蒸着速度は５０〜５００Å／分、前記第３蒸着速度は５Å／分以下であることができる。
【００２４】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、電極間誘電膜と電極物質との間にバリア膜として使われるか、あるいはメタルコンタクト形成工程においてＴｉ膜上にバリア膜として蒸着することができる。
【００２５】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、第１金属窒化膜の厚み（Ｔ１）、第２金属窒化膜の厚み（Ｔ２）、第３金属窒化膜の厚み（Ｔ３）が、（Ｔ２）＞（Ｔ１）＞（Ｔ３）であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、素子回路線幅の超微細化、パターン縦横比の増加、蒸着温度の低下にもかかわらず、膜特性、段差塗布性（step coverage）、大気／湿気露出による膜質変化に対する安定性を全て満足させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２８】
本発明の最も核心となる薄膜蒸着方法を図１〜図４に示し、本発明の具現のための薄膜蒸着装置の概念を図５および図６に示す。また、本発明が具体的に適用される半導体素子における具体的な応用例を図７および図８に示す。
【００２９】
図１は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を包括的に説明するための工程図である。
【００３０】
半導体素子の金属窒化膜蒸着工程において、低温でより小さい縦横比を有するパターンに蒸着するとき、特性低下または段差塗布性、および大気／湿気露出に対する安定性を最大限高めるための方法の一つを提示する。
【００３１】
その基本原理は金属窒化膜を三段階に分けて蒸着することであり、第１段階では、基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化（ＴｉＮ）膜を形成し（Ｓ１０１）、第２段階では、基板上に形成された第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成し（Ｓ１０２）、第３段階では、前記第１下部金属窒化膜と第２下部金属窒化膜からなった下部金属窒化膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成する（Ｓ１０３）。
【００３２】
前記第１〜第３段階で形成する窒化膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度である。
【００３３】
最初の二つの段階（Ｓ１０１、Ｓ１０２）の薄膜を下部金属窒化膜と定義し、第３段階（Ｓ１０３）の薄膜を上部金属窒化膜と定義する。前記上部金属窒化膜は、三つの段階の薄膜のなかで最も小さい厚みおよび遅い蒸着速度を有するが、最も高いＮ−ｒｉｃｈ膜であり、バリア性と大気／湿気露出に対する全体膜の保護の役目をする。
【００３４】
図７および図８は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜蒸着の実施形態を示すもので、図７はキャパシタ電極への応用例、図８はコンタクトバリアメタルへの応用例を示す。
第１下部金属窒化膜１は、蒸着速度を二番目に遅く、厚みを二番目に薄くするが、直後に蒸着する第２下部金属窒化膜２よりは純度が高いようにして、前記金属窒化膜が全体的に下部膜との安定的な接触を誘導し、第２下部金属窒化膜（２）に対する接着層の役目をするようにする。第１下部金属窒化膜１の役目と上部金属窒化膜３の役目を先に説明した。つぎに、第２下部金属窒化膜２の役目を説明する。通常、金属窒化膜の役目はなによりもバリア特性にある。
【００３５】
図７においては、誘電膜と上部電極IIとの間に蒸着することにより、キャパシタの漏洩電流をさらに少なくして静電容量の向上をもたらすようにし、図８においては、上部の金属と下部のシリコンが反応することを防ぐ役目を前記金属窒化膜が担当することになる。
一例として、電極間誘電物質としてアルミナを使用するとき、デザインルールがさらに狭小になるにもかかわらず、素子の動作信頼性を確保するための容易な方法の一つは前記アルミナ上にＴｉＮのような金属窒化膜を蒸着することである。また、第２下部金属窒化膜２の役目を説明すると、バリア特性のためには、最小限の厚み蒸着が必要である。これは、デザインルールおよび多くの具体的な素子の必要条件によって違うが、一定厚み以上に蒸着することがバリア膜の必須条件であると理解することができる。
したがって、第２下部金属窒化膜２が３重積層膜を形成するにあって、最も大きな厚みを形成するので、実質的なバリア役目を担当する膜である。前記第２下部金属窒化膜２の役目は定義したが、より低い温度で段差塗布性をよくしつつ、より早く前記第２下部金属窒化膜２を蒸着することがＣｏＯ減少のための方法である。もちろん、前記方法は工程の１ステップの追加、ＴｉＮ蒸着設備の具備等のような費用上昇要因を伴うことになることは不可避なＣｏＯ（Ｃｏｓｔ ｏｆ Ｏｗｎｅｒｓｈｉｐ）上昇の要因となる。
【００３６】
図２〜図４は、図１の基本原理を中心として、代表的なＴｉＮ膜の例として具体的な発明の実施形態を示す。
【００３７】
図２は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の一実施形態を示す工程図である。
図２においては、第１下部金属窒化膜１としてＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着し（Ｓ２０１）、第２下部金属窒化膜２としてＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する（Ｓ２０２）。
【００３８】
まず、前述した膜の役目を充実するために、図５に示すような薄膜蒸着装置を用いる。
図５は本発明によるＴｉＮ積層膜の蒸着方法を説明するための反応チャンバーの一実施形態を示すものである。
反応チャンバー５００内のシャワーヘッド５１０を通じて噴射される第１反応ガスＴｉＣｌ４と第２反応ガスＮＨ４の混合によって基板５２０上に下部ＴｉＮ膜を先に形成する。
その後、所定の時間が経った後、前記下部ＴｉＮ膜上に大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量が多く含まれた上部ＴｉＮ膜を形成する（Ｓ２０３）。
【００３９】
前記上部ＴｉＮ膜は、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスの流量より窒素（Ｎ）元素を含む第２反応ガスの流量を少なくとも１０倍以上維持し、前記窒素（Ｎ）元素を含む第２反応ガスを持続的に基板５２０上に噴射しながらＴｉ元素を含む第１反応ガスの基板５２０上への流れをオン／オフして蒸着する。
したがって、前記第１下部金属窒化膜１のＡＬＤ ＴｉＮ膜と、第２下部金属窒化膜２のＣＶＤ ＴｉＮ膜とを１チャンバーで蒸着する場合、ウェーハブロックの温度は固定した状態で、ＡＬＤ ＴｉＮ膜の蒸着時には、第１工程間隔、簡単に言って、工程間隔を十分に狭めて蒸着することにより、ファジー効率を最大限高めて、一層充実なＡＬＤ薄膜を蒸着し、ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する時には、第２工程間隔、すなわち、ＡＬＤ ＴｉＮ膜の蒸着時よりずっと大きく工程間隔を広げることにより、ＣＶＤ工程特有のＬａ分ａｒガスフローが基板上に適用されるように誘導する。ＡＬＤ ＴｉＮ膜の蒸着時とは異なり、ＣＶＤ ＴｉＮ膜の蒸着時、段差塗布性または膜の均一度の面で広い工程間隔が有利である。
【００４０】
また、前記第１下部金属窒化膜１のＡＬＤ ＴｉＮ膜と第２下部金属窒化膜１のＣＶＤ ＴｉＮ膜の蒸着を相違するチャンバーで行うこともできる。この場合、素子によって、ＡＬＤ ＴｉＮ膜１の蒸着段階とＣＶＤ ＴｉＮ膜２の蒸着段階のウェーハブロック温度を互いに異なるようにすることが有利である。
【００４１】
この際、図６に示すようなクラスタツールシステムで移送チャンバー６００に付設された反応チャンバー（Ａ）６０１でＡＬＤ ＴｉＮ膜１を蒸着し、移送チャンバー６００によって移送された反応チャンバー（Ｂ）６０２でＣＶＤ ＴｉＮ膜２の蒸着を行うことが可能である。もちろん、この時、ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する反応チャンバー（Ａ）６０１のウェーハブロック温度とＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する反応チャンバー（Ｂ）６０２のウェーハブロック温度は差がある。
【００４２】
図３は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の他の実施形態を示す工程図である。
図３においては、第１下部金属窒化膜１としてＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着し（Ｓ３０１）、第２下部金属窒化膜２としてＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する（Ｓ３０２）。すなわち、第１下部金属窒化膜１と第２下部金属窒化膜２を共にＡＬＤ方法で蒸着する場合である。
その後、所定の時間が経った後、前記下部ＴｉＮ膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を形成する（Ｓ３０３）。
実際に、本発明で説明する第２下部金属窒化膜２のＡＬＤ ＴｉＮ膜は、厳密な意味で言うと、一度に一つの単原子層を形成する正確なＡＬＤ蒸着メカニズムのみを意味せず、少なくともＴｉＮ単原子層の１倍以上になる反応、すなわち、ある程度のＣＶＤ反応を含むＡＬＤ蒸着反応までも含む。しかし、反応ガス移送システム内でのバルブ制御方法は、第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜１の蒸着時の形態と違わない。このような第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜２は、第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜２をＡＬＤ形態に蒸着することにおいて、ＡＬＤ方法で蒸着するよりはずっと早い蒸着速度を持たせることにより、純粋なＣＶＤ蒸着法を選ぶ時よりは蒸着速度では損害を被るが、膜の段差塗布性または膜の純度の面で利得を得る。
【００４３】
図４は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法のさらに他の実施形態を示す工程図である。
図４においては、第１下部金属窒化膜１としてＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着し（Ｓ４０１）、第２下部金属窒化膜２としてもＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する（Ｓ４０２）。すなわち、第１下部金属窒化膜１と第２下部金属窒化膜２を共にＣＶＤ方法で蒸着する場合である。
その後、所定の時間が経った後、前記下部ＴｉＮ膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を形成する（Ｓ４０３）。
【００４４】
図４に示すものは、これまで説明した発明の実施形態のなかで、縦横比または回路線幅のデザインルールにおいて最も余裕がある場合に適用することが望ましい。すなわち、非常に高い特性よりは高い生産性を有する薄膜蒸着が要求される場合である。
一方、図１〜図４で説明したように、本発明において、全ての実施形態は図５に示すような工程間隔の調整が可能な設備によってさらに効果的に行え、前記全ての実施形態において、金属窒化膜は第１工程ガスのＡｒと第２工程ガスのＡｒを互いに連通しないシャワーヘッドを通じて基板上に連続的に噴射しつつ、前記Ｔｉ元素を含む第１反応ガスと前記Ｎ元素を含む第２反応ガスの同時噴射または交互的噴射により蒸着する。
【００４５】
前述したように、本発明において、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスはＴｉＣｌ４であり、前記Ｎ元素を含む第２反応ガスはＮＨ３であり、本発明で適用される第１蒸着速度は５０〜５５Å／分、第２蒸着速度は５０〜５００Å／分、第３蒸着速度は５Å／分以下である。
【００４６】
また、本発明による３重積層構造の金属窒化膜は、電極間誘電膜と電極物質との間にバリア膜として使われるか、またはメタルコンタクト工程においてＴｉ膜上に形成するバリア膜として蒸着され、第１金属窒化膜の厚み（Ｔ１）、第２金属窒化膜の厚み（Ｔ２）、第３金属窒化膜の厚み（Ｔ３）は、（Ｔ２）＞（Ｔ１）＞（Ｔ３）を維持することが望ましい。
【００４７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、素子回路線幅の超微細化、パターン縦横比の増加、蒸着温度の低下にもかかわらず、膜特性、段差塗布性、大気／湿気露出による膜質変化に対する安定性を全て満足させる、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を説明するための工程図である。
【図２】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の実施形態を示す工程図である。
【図３】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の他実施形態を示す工程図である。
【図４】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法のさらに他の実施形態を示す工程図である。
【図５】本発明によるＴｉＮ積層膜を蒸着する方法を説明するために提供される反応チャンバーを示す図である。
【図６】本発明によるＴｉＮ積層膜を蒸着する方法を説明するために提供されるクラスタシステムを示す図である。
【図７】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜蒸着の実施形態を示すもので、キャパシタ電極への応用例を示す図である。
【図８】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法のさらに他の実施形態を示すもので、コンタクトバリアメタルへの応用例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第１下部金属窒化膜
２ 第２下部金属窒化膜
３ 上部金属窒化膜
５００ 反応チャンバー
５１０ シャワーヘッド
５２０ 基板
６００ 移送チャンバー
６０１ 反応チャンバーＡ
６０２ 反応チャンバーＢ
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜蒸着方法、特に、多重積層金属窒化（ＴｉＮ）膜の蒸着方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程において、キャパシタの上部電極蒸着工程またはコンタクトバリアメタル蒸着工程は、半導体業界で進行されている回路線幅の超微細化の趨勢に従い、今後より低い温度での蒸着にもかかわらず、より良い段差塗布性を有しなければならない。このような金属窒化膜をより低い温度で蒸着することになると、様々な問題点を伴うことになり、高い比抵抗および不純物含有度、大気／湿気への露出に際して、急激な抵抗変化、結果的に高い比抵抗の金属窒化膜が覆われることによる素子特性の低下までつながる。このような金属窒化膜の代表的な例としてＴｉＮがある。これから、縦横比がもっと大きいパターンにもっと低い温度で比抵抗が高くなくて不純物も比較的少なく含有され、段差塗布性も低下しない蒸着方法の開発が半導体業界で次第に大きく要求される見込みである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、素子回路線幅の超微細化、パターン縦横比の増加、蒸着温度の低下にもかかわらず、膜特性、段差塗布性（step coverage）、大気／湿気露出による膜質変化に対する安定性を全て満足させる、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化膜を形成する段階；（ｂ）前記第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成する段階；および（ｃ）前記（ａ）、（ｂ）段階によって形成された下部金属窒化膜、例えばＴｉＮ膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成する段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供するものである。
【０００５】
前記ｎ番目膜の蒸着のための第１反応ガス（金属元素含み）／第２反応ガス（Ｎ元素含み）の比Ｋｎ（ｎ=１、２、３）はＫ２≧Ｋ１≧Ｋ３であることができる。
【０００６】
前記金属窒化膜は、第１反応ガスのＡｒと第２反応ガスのＡｒを互いに連通しないシャワーヘッドを通じて基板上に連続的に噴射しつつ、前記金属元素、例えばＴｉ元素を含む第１反応ガスと前記Ｎ元素を含む第２反応ガスとの同時噴射または交互的噴射により蒸着することができる。
【０００７】
第１下部金属窒化膜は、界面安定化と接着層(glue layer)の役目をし、第２下部金属窒化膜より少ない不純物を含み、小さな厚みに蒸着することができる。
第２下部金属窒化膜は、多重積層膜のなかで最も大きい厚みを形成し、バリアの役目をする膜であり、より低い温度で優れた段差塗布性を示しながら他の積層膜より早く蒸着することができる。
【０００８】
前記多重積層膜は、同一チャンバーで積層構造を形成することができる。
前記多重積層膜は、移送チャンバーに付設された他のチャンバーで積層構造を形成することができる。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度でＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；（ｂ）前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度でＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；及び（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供するものである。
【００１０】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)・ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することができる。
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することができる。
【００１１】
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することができる。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；（ｂ）前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；及び（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供する。
【００１３】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することができる。
【００１４】
前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さは、第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さより大きくすることができる。
【００１５】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することができる。
【００１６】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することができる。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明は、基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；（ｂ）前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；及び（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を提供する。
【００１８】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することができる。
【００１９】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することができる。
【００２０】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することができる。
【００２１】
前記上部ＴｉＮ膜は、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスの流量よりＮ元素を含む第２反応ガスの流量を少なくとも１０倍以上維持しながら蒸着することができる。
【００２２】
前記Ｔｉ元素を含む第１反応ガスはＴｉＣｌ４であり、前記Ｎ元素を含む第２反応ガスはＮＨ３であることができる。
【００２３】
前記第１蒸着速度は５０〜５５Å／分、前記第２蒸着速度は５０〜５００Å／分、前記第３蒸着速度は５Å／分以下であることができる。
【００２４】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、電極間誘電膜と電極物質との間にバリア膜として使われるか、あるいはメタルコンタクト形成工程においてＴｉ膜上にバリア膜として蒸着することができる。
【００２５】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、第１金属窒化膜の厚み（Ｔ１）、第２金属窒化膜の厚み（Ｔ２）、第３金属窒化膜の厚み（Ｔ３）が、（Ｔ２）＞（Ｔ１）＞（Ｔ３）であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、素子回路線幅の超微細化、パターン縦横比の増加、蒸着温度の低下にもかかわらず、膜特性、段差塗布性（step coverage）、大気／湿気露出による膜質変化に対する安定性を全て満足させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２８】
本発明の最も核心となる薄膜蒸着方法を図１〜図４に示し、本発明の具現のための薄膜蒸着装置の概念を図５および図６に示す。また、本発明が具体的に適用される半導体素子における具体的な応用例を図７および図８に示す。
【００２９】
図１は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を包括的に説明するための工程図である。
【００３０】
半導体素子の金属窒化膜蒸着工程において、低温でより小さい縦横比を有するパターンに蒸着するとき、特性低下または段差塗布性、および大気／湿気露出に対する安定性を最大限高めるための方法の一つを提示する。
【００３１】
その基本原理は金属窒化膜を三段階に分けて蒸着することであり、第１段階では、基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化（ＴｉＮ）膜を形成し（Ｓ１０１）、第２段階では、基板上に形成された第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成し（Ｓ１０２）、第３段階では、前記第１下部金属窒化膜と第２下部金属窒化膜からなった下部金属窒化膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成する（Ｓ１０３）。
【００３２】
前記第１〜第３段階で形成する窒化膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度である。
【００３３】
最初の二つの段階（Ｓ１０１、Ｓ１０２）の薄膜を下部金属窒化膜と定義し、第３段階（Ｓ１０３）の薄膜を上部金属窒化膜と定義する。前記上部金属窒化膜は、三つの段階の薄膜のなかで最も小さい厚みおよび遅い蒸着速度を有するが、最も高いＮ−ｒｉｃｈ膜であり、バリア性と大気／湿気露出に対する全体膜の保護の役目をする。
【００３４】
図７および図８は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜蒸着の実施形態を示すもので、図７はキャパシタ電極への応用例、図８はコンタクトバリアメタルへの応用例を示す。
第１下部金属窒化膜１は、蒸着速度を二番目に遅く、厚みを二番目に薄くするが、直後に蒸着する第２下部金属窒化膜２よりは純度が高いようにして、前記金属窒化膜が全体的に下部膜との安定的な接触を誘導し、第２下部金属窒化膜（２）に対する接着層の役目をするようにする。第１下部金属窒化膜１の役目と上部金属窒化膜３の役目を先に説明した。つぎに、第２下部金属窒化膜２の役目を説明する。通常、金属窒化膜の役目はなによりもバリア特性にある。
【００３５】
図７においては、誘電膜と上部電極IIとの間に蒸着することにより、キャパシタの漏洩電流をさらに少なくして静電容量の向上をもたらすようにし、図８においては、上部の金属と下部のシリコンが反応することを防ぐ役目を前記金属窒化膜が担当することになる。
一例として、電極間誘電物質としてアルミナを使用するとき、デザインルールがさらに狭小になるにもかかわらず、素子の動作信頼性を確保するための容易な方法の一つは前記アルミナ上にＴｉＮのような金属窒化膜を蒸着することである。また、第２下部金属窒化膜２の役目を説明すると、バリア特性のためには、最小限の厚み蒸着が必要である。これは、デザインルールおよび多くの具体的な素子の必要条件によって違うが、一定厚み以上に蒸着することがバリア膜の必須条件であると理解することができる。
したがって、第２下部金属窒化膜２が３重積層膜を形成するにあって、最も大きな厚みを形成するので、実質的なバリア役目を担当する膜である。前記第２下部金属窒化膜２の役目は定義したが、より低い温度で段差塗布性をよくしつつ、より早く前記第２下部金属窒化膜２を蒸着することがＣｏＯ減少のための方法である。もちろん、前記方法は工程の１ステップの追加、ＴｉＮ蒸着設備の具備等のような費用上昇要因を伴うことになることは不可避なＣｏＯ（Ｃｏｓｔ ｏｆ Ｏｗｎｅｒｓｈｉｐ）上昇の要因となる。
【００３６】
図２〜図４は、図１の基本原理を中心として、代表的なＴｉＮ膜の例として具体的な発明の実施形態を示す。
【００３７】
図２は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の一実施形態を示す工程図である。
図２においては、第１下部金属窒化膜１としてＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着し（Ｓ２０１）、第２下部金属窒化膜２としてＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する（Ｓ２０２）。
【００３８】
まず、前述した膜の役目を充実するために、図５に示すような薄膜蒸着装置を用いる。
図５は本発明によるＴｉＮ積層膜の蒸着方法を説明するための反応チャンバーの一実施形態を示すものである。
反応チャンバー５００内のシャワーヘッド５１０を通じて噴射される第１反応ガスＴｉＣｌ４と第２反応ガスＮＨ４の混合によって基板５２０上に下部ＴｉＮ膜を先に形成する。
その後、所定の時間が経った後、前記下部ＴｉＮ膜上に大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量が多く含まれた上部ＴｉＮ膜を形成する（Ｓ２０３）。
【００３９】
前記上部ＴｉＮ膜は、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスの流量より窒素（Ｎ）元素を含む第２反応ガスの流量を少なくとも１０倍以上維持し、前記窒素（Ｎ）元素を含む第２反応ガスを持続的に基板５２０上に噴射しながらＴｉ元素を含む第１反応ガスの基板５２０上への流れをオン／オフして蒸着する。
したがって、前記第１下部金属窒化膜１のＡＬＤ ＴｉＮ膜と、第２下部金属窒化膜２のＣＶＤ ＴｉＮ膜とを１チャンバーで蒸着する場合、ウェーハブロックの温度は固定した状態で、ＡＬＤ ＴｉＮ膜の蒸着時には、第１工程間隔、簡単に言って、工程間隔を十分に狭めて蒸着することにより、ファジー効率を最大限高めて、一層充実なＡＬＤ薄膜を蒸着し、ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する時には、第２工程間隔、すなわち、ＡＬＤ ＴｉＮ膜の蒸着時よりずっと大きく工程間隔を広げることにより、ＣＶＤ工程特有のＬａ分ａｒガスフローが基板上に適用されるように誘導する。ＡＬＤ ＴｉＮ膜の蒸着時とは異なり、ＣＶＤ ＴｉＮ膜の蒸着時、段差塗布性または膜の均一度の面で広い工程間隔が有利である。
【００４０】
また、前記第１下部金属窒化膜１のＡＬＤ ＴｉＮ膜と第２下部金属窒化膜１のＣＶＤ ＴｉＮ膜の蒸着を相違するチャンバーで行うこともできる。この場合、素子によって、ＡＬＤ ＴｉＮ膜１の蒸着段階とＣＶＤ ＴｉＮ膜２の蒸着段階のウェーハブロック温度を互いに異なるようにすることが有利である。
【００４１】
この際、図６に示すようなクラスタツールシステムで移送チャンバー６００に付設された反応チャンバー（Ａ）６０１でＡＬＤ ＴｉＮ膜１を蒸着し、移送チャンバー６００によって移送された反応チャンバー（Ｂ）６０２でＣＶＤ ＴｉＮ膜２の蒸着を行うことが可能である。もちろん、この時、ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する反応チャンバー（Ａ）６０１のウェーハブロック温度とＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する反応チャンバー（Ｂ）６０２のウェーハブロック温度は差がある。
【００４２】
図３は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の他の実施形態を示す工程図である。
図３においては、第１下部金属窒化膜１としてＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着し（Ｓ３０１）、第２下部金属窒化膜２としてＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する（Ｓ３０２）。すなわち、第１下部金属窒化膜１と第２下部金属窒化膜２を共にＡＬＤ方法で蒸着する場合である。
その後、所定の時間が経った後、前記下部ＴｉＮ膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を形成する（Ｓ３０３）。
実際に、本発明で説明する第２下部金属窒化膜２のＡＬＤ ＴｉＮ膜は、厳密な意味で言うと、一度に一つの単原子層を形成する正確なＡＬＤ蒸着メカニズムのみを意味せず、少なくともＴｉＮ単原子層の１倍以上になる反応、すなわち、ある程度のＣＶＤ反応を含むＡＬＤ蒸着反応までも含む。しかし、反応ガス移送システム内でのバルブ制御方法は、第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜１の蒸着時の形態と違わない。このような第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜２は、第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜２をＡＬＤ形態に蒸着することにおいて、ＡＬＤ方法で蒸着するよりはずっと早い蒸着速度を持たせることにより、純粋なＣＶＤ蒸着法を選ぶ時よりは蒸着速度では損害を被るが、膜の段差塗布性または膜の純度の面で利得を得る。
【００４３】
図４は本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法のさらに他の実施形態を示す工程図である。
図４においては、第１下部金属窒化膜１としてＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着し（Ｓ４０１）、第２下部金属窒化膜２としてもＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する（Ｓ４０２）。すなわち、第１下部金属窒化膜１と第２下部金属窒化膜２を共にＣＶＤ方法で蒸着する場合である。
その後、所定の時間が経った後、前記下部ＴｉＮ膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を形成する（Ｓ４０３）。
【００４４】
図４に示すものは、これまで説明した発明の実施形態のなかで、縦横比または回路線幅のデザインルールにおいて最も余裕がある場合に適用することが望ましい。すなわち、非常に高い特性よりは高い生産性を有する薄膜蒸着が要求される場合である。
一方、図１〜図４で説明したように、本発明において、全ての実施形態は図５に示すような工程間隔の調整が可能な設備によってさらに効果的に行え、前記全ての実施形態において、金属窒化膜は第１工程ガスのＡｒと第２工程ガスのＡｒを互いに連通しないシャワーヘッドを通じて基板上に連続的に噴射しつつ、前記Ｔｉ元素を含む第１反応ガスと前記Ｎ元素を含む第２反応ガスの同時噴射または交互的噴射により蒸着する。
【００４５】
前述したように、本発明において、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスはＴｉＣｌ４であり、前記Ｎ元素を含む第２反応ガスはＮＨ３であり、本発明で適用される第１蒸着速度は５０〜５５Å／分、第２蒸着速度は５０〜５００Å／分、第３蒸着速度は５Å／分以下である。
【００４６】
また、本発明による３重積層構造の金属窒化膜は、電極間誘電膜と電極物質との間にバリア膜として使われるか、またはメタルコンタクト工程においてＴｉ膜上に形成するバリア膜として蒸着され、第１金属窒化膜の厚み（Ｔ１）、第２金属窒化膜の厚み（Ｔ２）、第３金属窒化膜の厚み（Ｔ３）は、（Ｔ２）＞（Ｔ１）＞（Ｔ３）を維持することが望ましい。
【００４７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、素子回路線幅の超微細化、パターン縦横比の増加、蒸着温度の低下にもかかわらず、膜特性、段差塗布性、大気／湿気露出による膜質変化に対する安定性を全て満足させる、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法を説明するための工程図である。
【図２】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の実施形態を示す工程図である。
【図３】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法の他実施形態を示す工程図である。
【図４】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法のさらに他の実施形態を示す工程図である。
【図５】本発明によるＴｉＮ積層膜を蒸着する方法を説明するために提供される反応チャンバーを示す図である。
【図６】本発明によるＴｉＮ積層膜を蒸着する方法を説明するために提供されるクラスタシステムを示す図である。
【図７】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜蒸着の実施形態を示すもので、キャパシタ電極への応用例を示す図である。
【図８】本発明による多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法のさらに他の実施形態を示すもので、コンタクトバリアメタルへの応用例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第１下部金属窒化膜
２ 第２下部金属窒化膜
３ 上部金属窒化膜
５００ 反応チャンバー
５１０ シャワーヘッド
５２０ 基板
６００ 移送チャンバー
６０１ 反応チャンバーＡ
６０２ 反応チャンバーＢ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化膜を形成する段階；
（ｂ）前記第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成する段階；および
（ｃ）前記（ａ）、（ｂ）段階によって形成された下部金属窒化膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成する段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項２】
前記ｎ番目膜の蒸着のための第１反応ガス（金属元素含有）／第２反応ガス（Ｎ元素含有）の比Ｋｎ（ｎ=１、２、３）はＫ２≧Ｋ１≧Ｋ３であることを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項３】
前記金属窒化膜は、第１反応ガスのＡｒと第２反応ガスのＡｒを互いに連通しないシャワーヘッドを通じて基板上に連続的に噴射しつつ、前記金属元素を含む第１反応ガスと前記Ｎ元素を含む第２反応ガスとの同時噴射または交互的噴射により蒸着することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項４】
第１下部金属窒化膜は、第２下部金属窒化膜より少ない不純物を含み、小さな厚みに蒸着することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項５】
第２下部金属窒化膜は、多重積層膜のなかで最も大きい厚みを形成し、バリアの役目をする膜であり、より低い温度で優れた段差塗布性を示し他の積層膜より早く蒸着することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項６】
前記多重積層膜は、同一チャンバーで積層構造を形成することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項７】
前記多重積層膜は、移送チャンバーに付設された他のチャンバーで積層構造を形成することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項８】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度でＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；
（ｂ）前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度でＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；および
（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項９】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１０】
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１１】
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１２】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；
（ｂ）前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；および
（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項１３】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項１２に記載の蒸着方法。
【請求項１４】
前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さは、第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さより大きいことを特徴とする、請求項１３に記載の蒸着方法。
【請求項１５】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することを特徴とする、請求項１３に記載の蒸着方法。
【請求項１６】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することを特徴とする、請求項１３に記載の蒸着方法。
【請求項１７】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；
（ｂ）前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；および
（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項１８】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項１７に記載の蒸着方法。
【請求項１９】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することを特徴とする、請求項１８に記載の蒸着方法。
【請求項２０】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することを特徴とする、請求項１８に記載の蒸着方法。
【請求項２１】
前記上部ＴｉＮ膜は、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスの流量よりＮ元素を含む第２反応ガスの流量を少なくとも１０倍以上維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【請求項２２】
前記Ｔｉ元素を含む第１反応ガスはＴｉＣｌ４であり、前記Ｎ元素を含む第２反応ガスはＮＨ３であることを特徴とする、請求項２１に記載の蒸着方法。
【請求項２３】
前記第１蒸着速度は５０〜５５Å／分、前記第２蒸着速度は５０〜５００Å／分、前記第３蒸着速度は５Å／分以下であることを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【請求項２４】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、電極間誘電膜と電極物質との間にバリア膜として使われるか、あるいはメタルコンタクト形成工程においてＴｉ膜上にバリア膜として蒸着することを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【請求項２５】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、第１金属窒化膜の厚み（Ｔ１）、第２金属窒化膜の厚み（Ｔ２）、第３金属窒化膜の厚み（Ｔ３）が、（Ｔ２）＞（Ｔ１）＞（Ｔ３）であることを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【請求項１】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１下部金属窒化膜を形成する段階；
（ｂ）前記第１下部金属窒化膜上に第２蒸着速度で第２下部金属窒化膜を形成する段階；および
（ｃ）前記（ａ）、（ｂ）段階によって形成された下部金属窒化膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部金属窒化膜を第３蒸着速度で形成する段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項２】
前記ｎ番目膜の蒸着のための第１反応ガス（金属元素含有）／第２反応ガス（Ｎ元素含有）の比Ｋｎ（ｎ=１、２、３）はＫ２≧Ｋ１≧Ｋ３であることを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項３】
前記金属窒化膜は、第１反応ガスのＡｒと第２反応ガスのＡｒを互いに連通しないシャワーヘッドを通じて基板上に連続的に噴射しつつ、前記金属元素を含む第１反応ガスと前記Ｎ元素を含む第２反応ガスとの同時噴射または交互的噴射により蒸着することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項４】
第１下部金属窒化膜は、第２下部金属窒化膜より少ない不純物を含み、小さな厚みに蒸着することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項５】
第２下部金属窒化膜は、多重積層膜のなかで最も大きい厚みを形成し、バリアの役目をする膜であり、より低い温度で優れた段差塗布性を示し他の積層膜より早く蒸着することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項６】
前記多重積層膜は、同一チャンバーで積層構造を形成することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項７】
前記多重積層膜は、移送チャンバーに付設された他のチャンバーで積層構造を形成することを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項８】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度でＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；
（ｂ）前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度でＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；および
（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項９】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１０】
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１１】
前記ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１２】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；
（ｂ）前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；および
（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項１３】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項１２に記載の蒸着方法。
【請求項１４】
前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さは、第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜のサイクル当たり蒸着原子層の高さより大きいことを特徴とする、請求項１３に記載の蒸着方法。
【請求項１５】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することを特徴とする、請求項１３に記載の蒸着方法。
【請求項１６】
前記第１ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＡＬＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することを特徴とする、請求項１３に記載の蒸着方法。
【請求項１７】
基板上に相違する蒸着速度を有する多重金属窒化膜を形成する方法において、
（ａ）基板上に第１蒸着速度で第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着する段階；
（ｂ）前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜上に第２蒸着速度で第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜を蒸着して下部ＴｉＮ膜を形成する段階；および
（ｃ）前記下部ＴｉＮ積層膜上に、大気／湿気露出に対する安定性を向上させるために、窒素（Ｎ）含有量の多い上部ＴｉＮ膜を第３蒸着速度で積層させる段階；を含み、
前記ｎ番目膜の蒸着速度は、第２蒸着速度≧第１蒸着速度≧第３蒸着速度であることを特徴とする、多重積層膜構造の金属窒化膜の蒸着方法。
【請求項１８】
シャワーヘッド底部からヒーター表面までの距離を工程間隔と定義すると、前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔を維持しながら蒸着され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は第１工程間隔と同一であるかまたはそれより大きい第２工程間隔を維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項１７に記載の蒸着方法。
【請求項１９】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜および前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は同一反応チャンバーで蒸着することを特徴とする、請求項１８に記載の蒸着方法。
【請求項２０】
前記第１ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第１反応チャンバーで第１温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成され、前記第２ＣＶＤ ＴｉＮ膜は、移送チャンバーに付設された第２反応チャンバーで第１温度より高い第２温度で維持されるウェーハブロック上に基板が配置された後に形成することを特徴とする、請求項１８に記載の蒸着方法。
【請求項２１】
前記上部ＴｉＮ膜は、Ｔｉ元素を含む第１反応ガスの流量よりＮ元素を含む第２反応ガスの流量を少なくとも１０倍以上維持しながら蒸着することを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【請求項２２】
前記Ｔｉ元素を含む第１反応ガスはＴｉＣｌ４であり、前記Ｎ元素を含む第２反応ガスはＮＨ３であることを特徴とする、請求項２１に記載の蒸着方法。
【請求項２３】
前記第１蒸着速度は５０〜５５Å／分、前記第２蒸着速度は５０〜５００Å／分、前記第３蒸着速度は５Å／分以下であることを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【請求項２４】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、電極間誘電膜と電極物質との間にバリア膜として使われるか、あるいはメタルコンタクト形成工程においてＴｉ膜上にバリア膜として蒸着することを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【請求項２５】
前記多重積層膜構造の金属窒化膜は、第１金属窒化膜の厚み（Ｔ１）、第２金属窒化膜の厚み（Ｔ２）、第３金属窒化膜の厚み（Ｔ３）が、（Ｔ２）＞（Ｔ１）＞（Ｔ３）であることを特徴とする、請求項１、８、１２または１７のいずれか１項に記載の蒸着方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−５７１８０（Ｐ２００６−５７１８０Ａ）
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３７８２７（Ｐ２００５−２３７８２７）
【出願日】平成１７年８月１８日（２００５．８．１８）
【出願人】（５０５３１１７９９）アイピーエス・リミテッド (4)
【氏名又は名称原語表記】ＩＰＳ Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１８日（２００５．８．１８）
【出願人】（５０５３１１７９９）アイピーエス・リミテッド (4)
【氏名又は名称原語表記】ＩＰＳ Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
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