窒化チタン障壁層の形成方法及び窒化チタン障壁層を含む半導体デバイス
【課題】追従性が高く良好なステップ・カバレージ及び低い抵抗率を有する窒化チタン障壁層を形成する方法を提供する。
【解決手段】部分的に製作された電子デバイスに窒化チタン障壁層を形成する方法であって、前記部分的に製作された電子デバイスの上に第１の温度で、第１の抵抗率を有する第１の窒化チタンサブレーヤ４０を堆積させる工程と、前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に第２の温度で、第２の抵抗率を有する第２の窒化チタンサブレーヤ４２を堆積させる工程とを備えており、前記第２の温度は前記第１の温度よりも高く、第２の抵抗率は第１の抵抗率よりも低いことを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【解決手段】部分的に製作された電子デバイスに窒化チタン障壁層を形成する方法であって、前記部分的に製作された電子デバイスの上に第１の温度で、第１の抵抗率を有する第１の窒化チタンサブレーヤ４０を堆積させる工程と、前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に第２の温度で、第２の抵抗率を有する第２の窒化チタンサブレーヤ４２を堆積させる工程とを備えており、前記第２の温度は前記第１の温度よりも高く、第２の抵抗率は第１の抵抗率よりも低いことを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス、及び、半導体デバイスを構成する方法に関する。より詳細に言えば、本発明は、半導体デバイスに窒化チタン障壁層を堆積させる技術に関する。より明確に言えば、本発明は、低い抵抗率及び高い追従性を有する窒化チタン障壁層を提供する。
【背景技術】
【０００２】
窒化チタン障壁層は、エッチングにより貫通されたコンタクト・ホールすなわち接続孔(vias)を有しているＩＬＤ（層間絶縁膜）又はＩＭＤ（金属間絶縁膜）の如き二酸化ケイ素層又はガラス層の上に形成される。ＩＬＤの場合には、コンタクト・ホールは、単結晶シリコン又はケイ化物の基板のソース領域又はドレイン領域に接触する。場合によっては、コンタクト・ホールは、ポリシリコンゲート電極に接触することもできる。
【０００３】
窒化チタン障壁層は、少なくとも３つの目的で使用される。第一に、窒化チタン障壁層は、単結晶シリコン基板とコンタクト・ホールの中の金属との間の化学種の拡散を防止する。問題となる程の量の金属が金属接点からシリコン基板への経路を見い出した場合には、デバイスは破壊することになる。第二に、窒化チタンは、タングステン堆積プロセスの間のタングステンの接着を容易にする（タングステンをコンタクト・ホールに使用する場合）。この理由から、窒化チタン障壁層は、「接着」層と呼ばれることが多い。最後に、六フッ化タングステン（ＷＦ6）を用いてタングステンを堆積させる場合に、そのような六フッ化タングステンは、シリコン基板を腐食し、従って、半導体デバイスに損傷を与える可能性がある。窒化チタン障壁層は、ＷＦ6が上述の損傷を与える可能性のある単結晶シリコン基板に到達するのを防止する。
【０００４】
窒化チタンの堆積は、一般的に、ＭＯ−ＣＶＤと呼ばれることもある「有機金属化学的気相成長」反応によって生ずる。このプロセスは、有機チタン化合物を用いる。この有機チタン化合物は、基板上で熱分解して窒化チタンを形成する。通常は、気体状の反応混合物にアンモニアを加えて、還元剤として作用させる。多くの系においては、上記有機チタン化合物は、テトラキス（ジエチルアミド）チタン（ＴＤＥＡＴ）である。場合によっては、テトラキス（ジメチルアミド）チタン（ＴＤＭＡＴ）を代わりに用いることができる。
【０００５】
窒化チタン障壁層を追従性をもって且つ良好なステップ・カバレージ（段差被覆性）をもって堆積させることが重要である。追従性をもって堆積された層は、トレンチの頂部及び底部の水平面、並びに、トレンチの垂直な側壁の上でほぼ等しい厚さを有している。
【０００６】
ステップ・カバレージは、トレンチの底部の水平面における堆積膜すなわち堆積層の厚さのトレンチの直ぐ外側の頂部の水平面における堆積層の厚さに対する比として規定される。従って、例えば図１において、ステップ・カバレージは、下方の膜厚２の上方の膜厚４に対する比によって与えられる。図１においては、追従性を有する膜６（例えば、窒化チタン）が誘電層８の上に形成されており、一方、この誘電層は、半導体基板１０の上に形成されている。誘電層８は、この誘電層にエッチングされたコンタクト・ホール１２を有している。このコンタクト・ホール１２は、適正なアスペクト比を有している。このアスペクト比は、コンタクト・ホールの深さ（垂直方向の寸法）をその幅（コンタクト・ホールの頂部における開口の水平方向の広がり）で除した値として規定される。
【０００７】
カバレージ（被覆）の追従性が不十分であるか、及び／又は、ステップ・カバレージ（段差被覆性）が低すぎると、半導体デバイスの故障を生じさせることがある。その理由は、窒化チタン障壁層は、その機能の中の一つを不適切に果たすからである。比較的小さいアスペクト比及び幅の広いトレンチを有するコンタクト・ホールに関しては、上述の問題は重要ではない。しかしながら、デバイス密度が増大し、これに応じてアスペクト比が大きくなるに連れて、追従性のある層を良好なステップ・カバレージをもって堆積させることが困難になる。一般的に言えば、窒化チタンのＭＯ−ＣＶＤに関しては、低い堆積温度が常に高いステップ・カバレージを与える。従って、窒化チタンのＭＯ−ＣＶＤは、堆積温度を約３００°Ｃよりも低い温度に維持した場合に、５：１程度のアスペクト比を有するコンタクト・ホールに良好なステップ・カバレージを与えることができる。
【０００８】
不運にして、低い温度で堆積した窒化チタン障壁層は、幾つかの問題点を有する。最も顕著な問題点は、窒化チタン障壁層の抵抗率が高く、一般的には、約１、２００μΩ−ｃｍであって、そのような高い抵抗率は、デバイス間の信号伝送を遅くすることによって、デバイス性能を低下させる。低い温度で堆積する窒化チタン障壁層の抵抗率を結果的に高くするメカニズムは決定的には確立されていないが、そのような窒化チタン障壁層は、高い温度で堆積する障壁層よりも高い多孔性を有しており、従って、高い酸素含有率を有することが観察されている。
【０００９】
窒化チタンの化学蒸着法（ＣＶＤ）は、酸素含有率が低い真空状態で実行される。しかしながら、酸素及び湿分は、デバイスが形成されてＣＶＤチャンバから取り出された後に、窒化チタン障壁層への経路を見い出すことができる。従って、低い温度で堆積する多孔性で低密度の窒化チタン障壁層は、高い温度で堆積する障壁層よりも、酸素及び湿分をよりしっかりと保持する可能性が高い。
【００１０】
いずれにしても、デバイス寸法が小さくなり、コンタクト・ホールが益々狭く且つ深くなるに連れて、窒化チタン障壁層を堆積させるための改善された技術が必要とされることが明らかになった。そのような改善された技術は、追従性があって良好なステップ・カバレージ及び低い抵抗率を有する窒化チタン障壁層を形成することができなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、追従性が高く良好なステップ・カバレージ及び低い抵抗率を有する窒化チタン障壁層を形成する方法を提供することである。この目的は、障壁層を二段階の堆積プロセスで堆積させることによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一つの特徴において、本発明は、窒化チタンから成る第１のサブレーヤを低い温度で堆積させ、その後、窒化チタンから成る第２のサブレーヤを高い温度で堆積させることによって、部分的に製作された電子デバイスに窒化チタン障壁層を形成する方法を提供する。一般的に、上記高い温度は、上記低い温度よりも約５０°Ｃだけ高い。好ましい実施例においては、上記低い温度は、約２００°Ｃと約３００°Ｃとの間である。より特定の実施例においては、上記低い温度は、約２５０°Ｃと約３００°Ｃとの間である。別の実施例においては、上記高い温度は、約３４０°Ｃと約５００°Ｃとの間である。より特定の実施例においては、上記高い温度は、約３４０°Ｃと約４００°Ｃとの間で変化する。
【００１３】
上記第１の窒化チタンサブレーヤは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。より特定の実施例においては、上記第１の窒化チタンサブレーヤは、約１００Åと約２００Åとの間の厚さを有している。上記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。より特定の実施例においては、上記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２０Åと約１００Åとの間の厚さを有している。
【００１４】
別の実施例においては、上記窒化チタン障壁層は、有機チタン化合物、アンモニア及びキャリアガスから成る混合物のＭＯ−ＣＶＤ（有機金属化学的気相成長法）によって形成される。より特定の実施例においては、上記気体混合物の圧力は、約０．５トールと約８０トールとの間で変化する。別の実施例においては、通常はＴＤＥＡＴ（テトラキス（ジエチルアミド）チタン）又はＴＤＭＡＴ（テトラキス（ジメチルアミド）チタン）である上記有機チタン化合物の流量は、約０．１ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））と約１０ｓｃｃｍとの間で変化する。更に別の実施例においては、アンモニアの流量は、約３，０００ｓｃｃｍと約４０，０００ｓｃｃｍとの間である。
【００１５】
上記窒化チタン障壁層は、多段ＣＶＤ反応器の中で形成されるのが好ましい。部分的に製作された電子デバイスは、各段すなわち各ステージの間で移動され、これにより、上記第１及び第２の窒化チタンサブレーヤは各々、１又はそれ以上の異なるステージの中で形成される。別の実施例においては、上記多段ＣＶＤ反応器は、少なくとも６つの段すなわちステージを備えている。更に特定の実施例においては、上記多段ＣＶＤ反応器は、上記第２の窒化チタンサブレーヤを形成するための少なくとも１つの又は２つのステージを備えている。
【００１６】
更に別の特徴において、本発明は、高い抵抗率を有する窒化チタンから成る第１のサブレーヤを低い温度で堆積させ、その後、低い抵抗率を有する窒化チタンから成る第２のサブレーヤを高い温度で堆積させることによって形成される、窒化チタン障壁層を備える半導体デバイスを提供する。一般的に、そのようなデバイスは、上述の方法に従って形成される。
【００１７】
別の特徴において、本発明は、誘電層の上に形成された２つのサブレーヤを含む窒化チタン障壁層を備える半導体デバイスを提供する。この特徴においては、本デバイスは、適宜な方法によって形成することができる。誘電層の上に直接堆積される第１の窒化チタンサブレーヤは、第１の窒化チタン障壁層の上に堆積される第２の窒化チタン層よりも、高い抵抗率及び低い密度を有している。一実施例においては、上記第１の窒化チタンサブレーヤの抵抗率は、約２，０００μΩ−ｃｍと約１，６００μΩ−ｃｍとの間である。別の実施例においては、上記第２の窒化チタンサブレーヤの抵抗率は、約２００μΩ−ｃｍと約６００μΩ−ｃｍとの間である。別の実施例においては、上記窒化チタン障壁層の抵抗率は、約１，０００μΩ−ｃｍと約２００μΩ−ｃｍとの間である。更に別の実施例においては、上記第１の窒化チタンサブレーヤは、上記第２の窒化チタンサブレーヤよりも高い多孔性を有している。
【００１８】
上記第１の窒化チタンサブレーヤは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。上記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。
【００１９】
本発明の窒化チタン障壁層は、約３．５：１よりも大きいアスペクト比を有するバイア又はコンタクト・ホールに形成された場合に、特定の用途を見い出すことができる。本窒化チタン障壁層は、少なくとも６０％のステップ・カバレージを有しており、約８０％のステップ・カバレージを有するのが最も好ましい。
本発明の上記及び他の特徴並びに利点を図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、コンタクト・ホール又はバイアを有していて半導体基板の上に形成されている誘電層に設けられた追従性を有する障壁膜の断面図である。
【図２】図２は、ＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図３】図３は、ＩＬＤ層の上に低い温度で堆積された窒化チタンサブレーヤを備えるＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図４】図４は、低い温度で堆積された窒化チタンサブレーヤの上に高い温度で堆積された窒化チタンサブレーヤを備えるＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図５】図５は、ＩＬＤの上に堆積されてコンタクト・ホールを完全に充填している金属層を備えるＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図６】図６は、６つの台座を有する回転式ＣＶＤ反応器の平面図である。
【図７】図７は、３つのチャンバを有するＣＶＤ反応器の平面図である。
【図８】図８は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔ ＩＩ反応器を用いて半導体ウエーハを処理する場合に高温窒化チタン堆積プロセスの段数の増加が窒化チタン障壁層の抵抗率に与える影響を示している。
【図９】図９は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔ ＩＩ反応器を用いて半導体ウエーハを処理する場合に高温窒化チタン堆積プロセスの段数の増加が窒化チタン障壁層のステップ・カバレージに与える影響を示している。
【図１０】図１０は、直径が０．３５μｍのコンタクト・ホールを有する０．２５μｍの集積回路に異なる温度で堆積された種々の窒化チタン障壁層の抵抗率を比較したものである。
【図１１】図１１は、直径が０．４０μｍのコンタクト・ホールを有する０．２５μｍの集積回路に異なる温度で堆積された種々の窒化チタン障壁層の抵抗率を比較したものである。
【符号の説明】
【００２１】
２０ 半導体基板
２２ ソース
２４ ドレイン
２６ ＩＬＤ層
３６、３８ コンタクト・ホール（バイア）
４０ 低温で堆積された窒化チタンサブレーヤ
４２ 高温で堆積された窒化チタンサブレーヤ
４４ 金属層
【発明の実施するための形態】
【００２２】
本発明の特定の実施例を図２乃至図５を参照して説明する。図２は、部分的に製作されたｎ形又はｐ形のＭＯＳ、あるいは、ＣＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。このデバイスは、半導体基板２０を備えており、この半導体基板の上にソース２２及びドレイン２４が形成されている。半導体のソース領域及びドレイン領域は、一般的に、デバイスのチャンネル付近に薄くドープされた領域を有している。部分的に製作されたデバイスは、ゲート電極２８とゲート酸化物３２とを備えており、これらゲート電極及びゲート酸化物をスペーサ３４ａ、３４ｂが跨いでいる。部分的に製作された半導体デバイスは、ＩＬＤ層（層間絶縁膜）２６と、フィールド酸化物領域４０とを備えている。上記ＩＬＤ層は、酸化物、及び、ホウ素・リンケイ酸ガラスの如きガラスのような通常の誘電材料から構成されている。最後に、部分的に製作された半導体デバイスは、コンタクト・ホール又はバイア３６、３８を備えている。これらコンタクト・ホール（接続孔）又はバイアは、ＩＬＤ層２６を通ってソース２２及びドレイン２４までそれぞれ下方にエッチングされている。一般的に、コンタクト・ホール３６、３８は、約２：１のアスペクト比を有しており、最近の集積回路ではより大きなアスペクト比を有している。図２に示す構造を通常のフロント・エンド集積回路プロセスによって形成することができることは、当業者には理解されよう。
【００２３】
図３は、誘電層２６の上に窒化チタンサブレーヤ４０を低い温度で堆積させた後の本発明の部分的に製作されたＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。窒化チタンサブレーヤ４０は、誘電層２６の水平方向及び垂直方向の輪郭を覆っている。窒化チタンサブレーヤ４０は、追従性をもってコンタクト・ホール３６、３８を良好なステップ・カバレージ（段差被覆性）で覆っていることに注意する必要がある。一般的に、上記サブレーヤの目的は、大きなアスペクト比を有するコンタクト・ホール又はバイアの中に堆積された時に、窒化チタン障壁層全体が追従性及び良好なステップ・カバレージを有するようにすることである。例えば、サブレーヤ４０は、バイア又はコンタクト・ホールの幅が約０．５μｍよりも小さく、アスペクト比が約２：１よりも大きい場合に、特に有用である。
【００２４】
窒化チタンサブレーヤ４０は、約２００°Ｃと約３００°Ｃとの間の温度で堆積されるのが好ましい。上記温度は、約２５０°Ｃと約３００°Ｃとの間であるのがより好ましく、約２８０°Ｃであるのが最も好ましい。上述の温度で堆積された窒化チタンサブレーヤは、一般的に、良好なステップ・カバレージ（約７０％よりも大きい）を有するが、少なくともＣＶＤの環境から取り出した後には高い抵抗率を有する。窒化チタンサブレーヤ４０の厚さは、約５０Åと約６００Åとの間であるのが好ましく、そのような厚さは、約１００Åと約２００Åとの間であるのがより好ましく、また、約１５０Åと約２００Åとの間であるのが最も好ましい。
【００２５】
図４は、低温の窒化チタンサブレーヤ４０の上に窒化チタンサブレーヤ４２が高い温度で堆積した後の本発明の部分的に製作されたＣＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。窒化チタンサブレーヤ４２は、低温の窒化チタンサブレーヤ４０の水平方向及び垂直方向の輪郭を覆っている。サブレーヤ４２は、サブレーヤ４０のステップ・カバレージ程の良好なステップ・カバレージを有していないが、一般的には、その堆積温度が高いので低い抵抗率を有している。
【００２６】
高温の窒化チタンサブレーヤ４２は、約３４０°Ｃと約５００°Ｃとの間の温度で堆積される。この温度は、約３４０°Ｃと約４００°Ｃとの間であるのが好ましく、約３５０°Ｃであるのが最も好ましい。窒化チタンサブレーヤ４２の厚さは、約２０Åと約２００Åとの間であり、約２０Åと約１００Åとの間であるのがより好ましく、約４０Åと約５０Åとの間であるのが最も好ましい。
【００２７】
低温のサブレーヤ４０及び高温のサブレーヤ４２から成る窒化チタン障壁層の抵抗率は、約１，０００μΩ−ｃｍと約２００μΩ−ｃｍとの間で変化することができる。低温のサブレーヤ４０は、更に高い抵抗率を有することができ、その値は、約１０，０００μΩ−ｃｍと約１，２００μΩ−ｃｍとの間である。低温のサブレーヤ４０は、コンタクト・ホール３６、３８のアスペクト比が約３．５：１よりも大きい場合に、約７５％と約９５％との間のステップ・カバレージを有している。高温のサブレーヤ４２は、より低いステップ・カバレージを有することができ、その値は、コンタクト・ホール３６、３８のアスペクト比が約３．５：１よりも大きい場合に、約２０％と約１０％との間である。複合型の窒化チタン障壁層のステップ・カバレージは、コンタクト・ホール３６、３８のアスペクト比が約３．５：１よりも大きい場合に、約８０％と約２５％との間で変化する。
【００２８】
図５は、窒化チタン障壁層の上に金属層４４が堆積された後の本発明の部分的に製作されたＣＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。金属層４４は、コンタクト・ホール３６、３８を完全に充填すると共に、ＩＬＤ層２６を覆っている。金属層４４は、半導体デバイスに使用可能な種々の材料から選択されており、タングステンのＣＶＤ（化学蒸着法）、アルミニウムのＣＶＤ、銅のＣＶＤ、アルミニウムの強制充填、アルミニウムのスパッタリング法（ＰＶＤ）、及び、アルミニウムの金属イオンプラズマ法（ＩＭＰ）の如き種々のプロセスによって形成することができる。
【００２９】
図６は、本発明に使用される６つのステーションを有する回転式ＣＶＤ反応器５０（ＣｏｎｎｅｃｔＩＩ）の概念的な平面図であり、この反応器は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．（カリフォルニア州（９５１３４）Ｓａｎ ＪｏｓｅのＮｏｒｔｈ Ｓｔｒｅｅｔ３９７０）から入手可能である。各々の小さい円５２は、個々の半導体ウエーハが設けられる台座を示している。半導体ウエーハは、反応器に入れられて特定の台座の上に設けられる。この台座は、６つのステーションを通って回転される。各々のステーションは、別個のシャワーヘッドと、独立して制御可能な台座温度とを有している。また、ウエーハが各々のステーションに滞留する時間も、独立して変えることができる。
【００３０】
好ましい実施例においては、６つのステーションを有する回転式ＣＶＤ反応器の個々のシャワーヘッドを出る気体混合物は、同じ組成、同じ流量及び同じ圧力を有している。しかしながら、各々のステーションにおける滞留時間及び温度は独立して変えることができる。低温の窒化チタンの堆積は、一般的に、最初の３３つ又は４つのステーションで生じ、一方高温の窒化チタンの堆積は、最後の１つ又は２つのステーションに限定されるのが好ましい。
【００３１】
図７は、本発明に使用することのできる別の反応器の構造６０を示している。この反応器は、３つの孤立したチャンバ６２、６４、６６と、半導体ウエーハを一つのチャンバから次のチャンバへ移動させるための搬送ステーション６８とを備えている。図７は、３つの別個の単一ウエーハステーションを備えた反応器を示しているが、２又はそれ以上のウエーハステーションを備えた反応器を本発明に使用することができる。好ましい実施例においては、半導体ウエーハは、最初に第１の単一ウエーハステーション６２の中に挿入され、このウエーハステーションにおいて、低温の窒化チタンの堆積が行われる。ウエーハは、最終的に搬送ステーション６８を通って最後の単一ウエーハステーション６６へ移動し、このウエーハステーションにおいて、高温の窒化チタンの堆積が行われる。中間のステーション６４において、高温、低温又は中間温度の窒化チタンの堆積を行わせることができる。従って、異なる温度で堆積する３又はそれ以上のサブレーヤから成る窒化チタン障壁層も本発明の範囲内である。
【００３２】
使用する反応器の構造に関係無く、本発明の方法は、特定の窒化チタン堆積条件を必要とする。窒化チタン障壁層のサブレーヤが、ＭＯ−ＣＶＤによって形成される場合には、通常はＴＤＥＡＴ又はＴＤＭＡＴである有機チタン化合物、一般的にはヘリウムであるキャリアガス、及び、アンモニアから成る混合物を用いる。好ましい実施例においては、上記気体混合物の圧力は、約０．５トールと約８０トールとの間で変化し、そのような圧力は、約３０トールであるのが最も好ましい。アンモニアの流量は、約３，０００ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））と約４０，０００ｓｃｃｍとの間であるのが好ましく、そのような流量は、約２０，０００ｓｃｃｍであるのが最も好ましい。有機チタン化合物（ＴＤＥＡＴ又はＴＤＭＡＴ）の流量は、約０．１ｓｃｃｍと１．０ｓｃｃｍとの間であるのが好ましく、そのような流量は、約０．２ｓｃｃｍであるのが最も好ましい。
【００３３】
例以下に述べる例は、本発明の特徴を単に示す目的で挙げるものであって、いかなる意味においても本発明の範囲を限定するものと考えてはならない。
【００３４】
例 １
図８及び図９は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔ ＩＩ反応器を用いて半導体ウエーハを処理する場合に、高温の窒化チタンを堆積させる工程の数の増加が、窒化チタン障壁層の抵抗率及びステップ・カバレージに与える影響をそれぞれ示している。これらグラフに示すデータは、１．３μｍの深さ及び０．３７μｍの幅を有していてアスペクト比が約３．５：１であるケイ化物ドープされた単結晶シリコン上に窒化チタンを２つのサブレーヤとして堆積させることによって得たものである。単数又は複数の低温のサブレーヤは、約３００°Ｃで堆積され、また、単数又は複数の高温のサブレーヤは、約４００°Ｃで堆積された。基板が各々のステーションに滞留した時間は、約１６秒であった。
【００３５】
図８及び図９は、高温の堆積工程の数を一つにした場合にステップ・カバレージと低い抵抗率との間に最適のバランスが得られることを示している。最適のバランスである理由は、抵抗率は、約１，９００μΩ−ｃｍから約８００μΩ−ｃｍまで十分に低下し、一方、ステップ・カバレージは、約７５％から約７０％まで僅かしか減少していないからである。２つの高温の堆積工程も、ステップ・カバレージと抵抗率との間の良好なバランスを有しており、その理由は、抵抗率は、約６５０μΩ−ｃｍまで低下し、一方、ステップ・カバレージは、依然として約６０％であるからである。しかしながら、高温の堆積工程の数が２よりも多い場合には、ステップ・カバレージが急激に減少し、抵抗率の減少と見合わない。従って、高温の堆積工程の数が１又は２の場合に、低い抵抗率を有する追従性の高い窒化チタン障壁層を得ることができる。
【００３６】
例 ２
図１０及び図１１は、０．２５μｍの集積回路のゲートソース及びドレインを覆うケイ化コバルト（ＣｏＳｉ2）層の上に異なる温度で堆積された種々の窒化チタン障壁層の抵抗率を直接比較している。図１０においては、コンタクト・ホールの幅は、０．３５μｍであり、図１１においては、コンタクト・ホールの幅は、０．４μｍである。図１０及び図１１から分かるように、本発明の方法によって形成された２つの部分から成るチタン障壁層（正方形）の抵抗率は、３４０°Ｃ（円形）又は３５０°Ｃ（三角形）で堆積された高温の窒化チタン障壁層に比較して、ほんの僅かしか劣っていない。更に、グラフには示していないが、低温の窒化チタン障壁層は、本発明によって形成された材料に比較して、かなり悪い抵抗率を有している。
【００３７】
図１０及び図１１に示すデータを得るために使用した窒化チタンは、以下のようにして堆積された。
正方形（□）： 堆積温度＝２８０°Ｃ（下方の層）、堆積温度＝３４０°Ｃ（上方の層）、圧力＝６０トール。
円形（〇）： 堆積温度＝３４０°Ｃ、圧力＝６０トール。
三角形（△）：堆積温度＝３５０°Ｃ、圧力＝３０トール。
【００３８】
図１０及び図１１のグラフの軸は以下の通りである。
【００３９】
ケルビンＰ＋接触抵抗＝集積回路の単一のトランジスタのゲートと第１の金属を通って基板に至るソース又はドレインとの間の個々の接触抵抗（Ω）。この測定は、与えられた集積回路のＭＯＳデバイスに関してだけ行った。
【００４０】
累積確率＝関連する抵抗の測定値よりも低い接触抵抗の測定値の割合。これらの例においては、約５０個のダイを上述のようにして測定した。各々のダイの抵抗の測定値は、他のダイの測定値から幾分変化した。この分布は、累積確率の軸に示されている。例えば、０．５の累積確率に関連する抵抗は、残りの抵抗の読取り値の５０％がそれよりも低いところに存在する抵抗である。同様に、０．９９の累積確率に関連する抵抗の測定値は、残りの抵抗の読取り値の９９％がそれよりも低いところに存在する抵抗である。
【００４１】
結 言
本発明をその理解を容易にするために幾分詳細に説明したが、請求の範囲に記載の範囲内で一定の変形及び変更を行うことができることは明らかであろう。例えば、本明細書は、窒化チタン障壁層の説明に限定されているが、化学的又は物理的に同様な他の障壁層材料（例えば、窒化シリコンタンタル）に応用することができない理由は原則的にない。従って、上述の実施例は、限定的なものではなく例示的なものと考えるべきであって、本発明は、上述の細部に限定されるのではなく、請求の範囲に記載の範囲内で変更することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス、及び、半導体デバイスを構成する方法に関する。より詳細に言えば、本発明は、半導体デバイスに窒化チタン障壁層を堆積させる技術に関する。より明確に言えば、本発明は、低い抵抗率及び高い追従性を有する窒化チタン障壁層を提供する。
【背景技術】
【０００２】
窒化チタン障壁層は、エッチングにより貫通されたコンタクト・ホールすなわち接続孔(vias)を有しているＩＬＤ（層間絶縁膜）又はＩＭＤ（金属間絶縁膜）の如き二酸化ケイ素層又はガラス層の上に形成される。ＩＬＤの場合には、コンタクト・ホールは、単結晶シリコン又はケイ化物の基板のソース領域又はドレイン領域に接触する。場合によっては、コンタクト・ホールは、ポリシリコンゲート電極に接触することもできる。
【０００３】
窒化チタン障壁層は、少なくとも３つの目的で使用される。第一に、窒化チタン障壁層は、単結晶シリコン基板とコンタクト・ホールの中の金属との間の化学種の拡散を防止する。問題となる程の量の金属が金属接点からシリコン基板への経路を見い出した場合には、デバイスは破壊することになる。第二に、窒化チタンは、タングステン堆積プロセスの間のタングステンの接着を容易にする（タングステンをコンタクト・ホールに使用する場合）。この理由から、窒化チタン障壁層は、「接着」層と呼ばれることが多い。最後に、六フッ化タングステン（ＷＦ6）を用いてタングステンを堆積させる場合に、そのような六フッ化タングステンは、シリコン基板を腐食し、従って、半導体デバイスに損傷を与える可能性がある。窒化チタン障壁層は、ＷＦ6が上述の損傷を与える可能性のある単結晶シリコン基板に到達するのを防止する。
【０００４】
窒化チタンの堆積は、一般的に、ＭＯ−ＣＶＤと呼ばれることもある「有機金属化学的気相成長」反応によって生ずる。このプロセスは、有機チタン化合物を用いる。この有機チタン化合物は、基板上で熱分解して窒化チタンを形成する。通常は、気体状の反応混合物にアンモニアを加えて、還元剤として作用させる。多くの系においては、上記有機チタン化合物は、テトラキス（ジエチルアミド）チタン（ＴＤＥＡＴ）である。場合によっては、テトラキス（ジメチルアミド）チタン（ＴＤＭＡＴ）を代わりに用いることができる。
【０００５】
窒化チタン障壁層を追従性をもって且つ良好なステップ・カバレージ（段差被覆性）をもって堆積させることが重要である。追従性をもって堆積された層は、トレンチの頂部及び底部の水平面、並びに、トレンチの垂直な側壁の上でほぼ等しい厚さを有している。
【０００６】
ステップ・カバレージは、トレンチの底部の水平面における堆積膜すなわち堆積層の厚さのトレンチの直ぐ外側の頂部の水平面における堆積層の厚さに対する比として規定される。従って、例えば図１において、ステップ・カバレージは、下方の膜厚２の上方の膜厚４に対する比によって与えられる。図１においては、追従性を有する膜６（例えば、窒化チタン）が誘電層８の上に形成されており、一方、この誘電層は、半導体基板１０の上に形成されている。誘電層８は、この誘電層にエッチングされたコンタクト・ホール１２を有している。このコンタクト・ホール１２は、適正なアスペクト比を有している。このアスペクト比は、コンタクト・ホールの深さ（垂直方向の寸法）をその幅（コンタクト・ホールの頂部における開口の水平方向の広がり）で除した値として規定される。
【０００７】
カバレージ（被覆）の追従性が不十分であるか、及び／又は、ステップ・カバレージ（段差被覆性）が低すぎると、半導体デバイスの故障を生じさせることがある。その理由は、窒化チタン障壁層は、その機能の中の一つを不適切に果たすからである。比較的小さいアスペクト比及び幅の広いトレンチを有するコンタクト・ホールに関しては、上述の問題は重要ではない。しかしながら、デバイス密度が増大し、これに応じてアスペクト比が大きくなるに連れて、追従性のある層を良好なステップ・カバレージをもって堆積させることが困難になる。一般的に言えば、窒化チタンのＭＯ−ＣＶＤに関しては、低い堆積温度が常に高いステップ・カバレージを与える。従って、窒化チタンのＭＯ−ＣＶＤは、堆積温度を約３００°Ｃよりも低い温度に維持した場合に、５：１程度のアスペクト比を有するコンタクト・ホールに良好なステップ・カバレージを与えることができる。
【０００８】
不運にして、低い温度で堆積した窒化チタン障壁層は、幾つかの問題点を有する。最も顕著な問題点は、窒化チタン障壁層の抵抗率が高く、一般的には、約１、２００μΩ−ｃｍであって、そのような高い抵抗率は、デバイス間の信号伝送を遅くすることによって、デバイス性能を低下させる。低い温度で堆積する窒化チタン障壁層の抵抗率を結果的に高くするメカニズムは決定的には確立されていないが、そのような窒化チタン障壁層は、高い温度で堆積する障壁層よりも高い多孔性を有しており、従って、高い酸素含有率を有することが観察されている。
【０００９】
窒化チタンの化学蒸着法（ＣＶＤ）は、酸素含有率が低い真空状態で実行される。しかしながら、酸素及び湿分は、デバイスが形成されてＣＶＤチャンバから取り出された後に、窒化チタン障壁層への経路を見い出すことができる。従って、低い温度で堆積する多孔性で低密度の窒化チタン障壁層は、高い温度で堆積する障壁層よりも、酸素及び湿分をよりしっかりと保持する可能性が高い。
【００１０】
いずれにしても、デバイス寸法が小さくなり、コンタクト・ホールが益々狭く且つ深くなるに連れて、窒化チタン障壁層を堆積させるための改善された技術が必要とされることが明らかになった。そのような改善された技術は、追従性があって良好なステップ・カバレージ及び低い抵抗率を有する窒化チタン障壁層を形成することができなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、追従性が高く良好なステップ・カバレージ及び低い抵抗率を有する窒化チタン障壁層を形成する方法を提供することである。この目的は、障壁層を二段階の堆積プロセスで堆積させることによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一つの特徴において、本発明は、窒化チタンから成る第１のサブレーヤを低い温度で堆積させ、その後、窒化チタンから成る第２のサブレーヤを高い温度で堆積させることによって、部分的に製作された電子デバイスに窒化チタン障壁層を形成する方法を提供する。一般的に、上記高い温度は、上記低い温度よりも約５０°Ｃだけ高い。好ましい実施例においては、上記低い温度は、約２００°Ｃと約３００°Ｃとの間である。より特定の実施例においては、上記低い温度は、約２５０°Ｃと約３００°Ｃとの間である。別の実施例においては、上記高い温度は、約３４０°Ｃと約５００°Ｃとの間である。より特定の実施例においては、上記高い温度は、約３４０°Ｃと約４００°Ｃとの間で変化する。
【００１３】
上記第１の窒化チタンサブレーヤは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。より特定の実施例においては、上記第１の窒化チタンサブレーヤは、約１００Åと約２００Åとの間の厚さを有している。上記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。より特定の実施例においては、上記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２０Åと約１００Åとの間の厚さを有している。
【００１４】
別の実施例においては、上記窒化チタン障壁層は、有機チタン化合物、アンモニア及びキャリアガスから成る混合物のＭＯ−ＣＶＤ（有機金属化学的気相成長法）によって形成される。より特定の実施例においては、上記気体混合物の圧力は、約０．５トールと約８０トールとの間で変化する。別の実施例においては、通常はＴＤＥＡＴ（テトラキス（ジエチルアミド）チタン）又はＴＤＭＡＴ（テトラキス（ジメチルアミド）チタン）である上記有機チタン化合物の流量は、約０．１ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））と約１０ｓｃｃｍとの間で変化する。更に別の実施例においては、アンモニアの流量は、約３，０００ｓｃｃｍと約４０，０００ｓｃｃｍとの間である。
【００１５】
上記窒化チタン障壁層は、多段ＣＶＤ反応器の中で形成されるのが好ましい。部分的に製作された電子デバイスは、各段すなわち各ステージの間で移動され、これにより、上記第１及び第２の窒化チタンサブレーヤは各々、１又はそれ以上の異なるステージの中で形成される。別の実施例においては、上記多段ＣＶＤ反応器は、少なくとも６つの段すなわちステージを備えている。更に特定の実施例においては、上記多段ＣＶＤ反応器は、上記第２の窒化チタンサブレーヤを形成するための少なくとも１つの又は２つのステージを備えている。
【００１６】
更に別の特徴において、本発明は、高い抵抗率を有する窒化チタンから成る第１のサブレーヤを低い温度で堆積させ、その後、低い抵抗率を有する窒化チタンから成る第２のサブレーヤを高い温度で堆積させることによって形成される、窒化チタン障壁層を備える半導体デバイスを提供する。一般的に、そのようなデバイスは、上述の方法に従って形成される。
【００１７】
別の特徴において、本発明は、誘電層の上に形成された２つのサブレーヤを含む窒化チタン障壁層を備える半導体デバイスを提供する。この特徴においては、本デバイスは、適宜な方法によって形成することができる。誘電層の上に直接堆積される第１の窒化チタンサブレーヤは、第１の窒化チタン障壁層の上に堆積される第２の窒化チタン層よりも、高い抵抗率及び低い密度を有している。一実施例においては、上記第１の窒化チタンサブレーヤの抵抗率は、約２，０００μΩ−ｃｍと約１，６００μΩ−ｃｍとの間である。別の実施例においては、上記第２の窒化チタンサブレーヤの抵抗率は、約２００μΩ−ｃｍと約６００μΩ−ｃｍとの間である。別の実施例においては、上記窒化チタン障壁層の抵抗率は、約１，０００μΩ−ｃｍと約２００μΩ−ｃｍとの間である。更に別の実施例においては、上記第１の窒化チタンサブレーヤは、上記第２の窒化チタンサブレーヤよりも高い多孔性を有している。
【００１８】
上記第１の窒化チタンサブレーヤは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。上記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さを有するのが好ましい。
【００１９】
本発明の窒化チタン障壁層は、約３．５：１よりも大きいアスペクト比を有するバイア又はコンタクト・ホールに形成された場合に、特定の用途を見い出すことができる。本窒化チタン障壁層は、少なくとも６０％のステップ・カバレージを有しており、約８０％のステップ・カバレージを有するのが最も好ましい。
本発明の上記及び他の特徴並びに利点を図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、コンタクト・ホール又はバイアを有していて半導体基板の上に形成されている誘電層に設けられた追従性を有する障壁膜の断面図である。
【図２】図２は、ＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図３】図３は、ＩＬＤ層の上に低い温度で堆積された窒化チタンサブレーヤを備えるＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図４】図４は、低い温度で堆積された窒化チタンサブレーヤの上に高い温度で堆積された窒化チタンサブレーヤを備えるＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図５】図５は、ＩＬＤの上に堆積されてコンタクト・ホールを完全に充填している金属層を備えるＭＯＳトランジスタの横断面図である。
【図６】図６は、６つの台座を有する回転式ＣＶＤ反応器の平面図である。
【図７】図７は、３つのチャンバを有するＣＶＤ反応器の平面図である。
【図８】図８は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔ ＩＩ反応器を用いて半導体ウエーハを処理する場合に高温窒化チタン堆積プロセスの段数の増加が窒化チタン障壁層の抵抗率に与える影響を示している。
【図９】図９は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔ ＩＩ反応器を用いて半導体ウエーハを処理する場合に高温窒化チタン堆積プロセスの段数の増加が窒化チタン障壁層のステップ・カバレージに与える影響を示している。
【図１０】図１０は、直径が０．３５μｍのコンタクト・ホールを有する０．２５μｍの集積回路に異なる温度で堆積された種々の窒化チタン障壁層の抵抗率を比較したものである。
【図１１】図１１は、直径が０．４０μｍのコンタクト・ホールを有する０．２５μｍの集積回路に異なる温度で堆積された種々の窒化チタン障壁層の抵抗率を比較したものである。
【符号の説明】
【００２１】
２０ 半導体基板
２２ ソース
２４ ドレイン
２６ ＩＬＤ層
３６、３８ コンタクト・ホール（バイア）
４０ 低温で堆積された窒化チタンサブレーヤ
４２ 高温で堆積された窒化チタンサブレーヤ
４４ 金属層
【発明の実施するための形態】
【００２２】
本発明の特定の実施例を図２乃至図５を参照して説明する。図２は、部分的に製作されたｎ形又はｐ形のＭＯＳ、あるいは、ＣＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。このデバイスは、半導体基板２０を備えており、この半導体基板の上にソース２２及びドレイン２４が形成されている。半導体のソース領域及びドレイン領域は、一般的に、デバイスのチャンネル付近に薄くドープされた領域を有している。部分的に製作されたデバイスは、ゲート電極２８とゲート酸化物３２とを備えており、これらゲート電極及びゲート酸化物をスペーサ３４ａ、３４ｂが跨いでいる。部分的に製作された半導体デバイスは、ＩＬＤ層（層間絶縁膜）２６と、フィールド酸化物領域４０とを備えている。上記ＩＬＤ層は、酸化物、及び、ホウ素・リンケイ酸ガラスの如きガラスのような通常の誘電材料から構成されている。最後に、部分的に製作された半導体デバイスは、コンタクト・ホール又はバイア３６、３８を備えている。これらコンタクト・ホール（接続孔）又はバイアは、ＩＬＤ層２６を通ってソース２２及びドレイン２４までそれぞれ下方にエッチングされている。一般的に、コンタクト・ホール３６、３８は、約２：１のアスペクト比を有しており、最近の集積回路ではより大きなアスペクト比を有している。図２に示す構造を通常のフロント・エンド集積回路プロセスによって形成することができることは、当業者には理解されよう。
【００２３】
図３は、誘電層２６の上に窒化チタンサブレーヤ４０を低い温度で堆積させた後の本発明の部分的に製作されたＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。窒化チタンサブレーヤ４０は、誘電層２６の水平方向及び垂直方向の輪郭を覆っている。窒化チタンサブレーヤ４０は、追従性をもってコンタクト・ホール３６、３８を良好なステップ・カバレージ（段差被覆性）で覆っていることに注意する必要がある。一般的に、上記サブレーヤの目的は、大きなアスペクト比を有するコンタクト・ホール又はバイアの中に堆積された時に、窒化チタン障壁層全体が追従性及び良好なステップ・カバレージを有するようにすることである。例えば、サブレーヤ４０は、バイア又はコンタクト・ホールの幅が約０．５μｍよりも小さく、アスペクト比が約２：１よりも大きい場合に、特に有用である。
【００２４】
窒化チタンサブレーヤ４０は、約２００°Ｃと約３００°Ｃとの間の温度で堆積されるのが好ましい。上記温度は、約２５０°Ｃと約３００°Ｃとの間であるのがより好ましく、約２８０°Ｃであるのが最も好ましい。上述の温度で堆積された窒化チタンサブレーヤは、一般的に、良好なステップ・カバレージ（約７０％よりも大きい）を有するが、少なくともＣＶＤの環境から取り出した後には高い抵抗率を有する。窒化チタンサブレーヤ４０の厚さは、約５０Åと約６００Åとの間であるのが好ましく、そのような厚さは、約１００Åと約２００Åとの間であるのがより好ましく、また、約１５０Åと約２００Åとの間であるのが最も好ましい。
【００２５】
図４は、低温の窒化チタンサブレーヤ４０の上に窒化チタンサブレーヤ４２が高い温度で堆積した後の本発明の部分的に製作されたＣＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。窒化チタンサブレーヤ４２は、低温の窒化チタンサブレーヤ４０の水平方向及び垂直方向の輪郭を覆っている。サブレーヤ４２は、サブレーヤ４０のステップ・カバレージ程の良好なステップ・カバレージを有していないが、一般的には、その堆積温度が高いので低い抵抗率を有している。
【００２６】
高温の窒化チタンサブレーヤ４２は、約３４０°Ｃと約５００°Ｃとの間の温度で堆積される。この温度は、約３４０°Ｃと約４００°Ｃとの間であるのが好ましく、約３５０°Ｃであるのが最も好ましい。窒化チタンサブレーヤ４２の厚さは、約２０Åと約２００Åとの間であり、約２０Åと約１００Åとの間であるのがより好ましく、約４０Åと約５０Åとの間であるのが最も好ましい。
【００２７】
低温のサブレーヤ４０及び高温のサブレーヤ４２から成る窒化チタン障壁層の抵抗率は、約１，０００μΩ−ｃｍと約２００μΩ−ｃｍとの間で変化することができる。低温のサブレーヤ４０は、更に高い抵抗率を有することができ、その値は、約１０，０００μΩ−ｃｍと約１，２００μΩ−ｃｍとの間である。低温のサブレーヤ４０は、コンタクト・ホール３６、３８のアスペクト比が約３．５：１よりも大きい場合に、約７５％と約９５％との間のステップ・カバレージを有している。高温のサブレーヤ４２は、より低いステップ・カバレージを有することができ、その値は、コンタクト・ホール３６、３８のアスペクト比が約３．５：１よりも大きい場合に、約２０％と約１０％との間である。複合型の窒化チタン障壁層のステップ・カバレージは、コンタクト・ホール３６、３８のアスペクト比が約３．５：１よりも大きい場合に、約８０％と約２５％との間で変化する。
【００２８】
図５は、窒化チタン障壁層の上に金属層４４が堆積された後の本発明の部分的に製作されたＣＭＯＳ半導体デバイスの横断面図である。金属層４４は、コンタクト・ホール３６、３８を完全に充填すると共に、ＩＬＤ層２６を覆っている。金属層４４は、半導体デバイスに使用可能な種々の材料から選択されており、タングステンのＣＶＤ（化学蒸着法）、アルミニウムのＣＶＤ、銅のＣＶＤ、アルミニウムの強制充填、アルミニウムのスパッタリング法（ＰＶＤ）、及び、アルミニウムの金属イオンプラズマ法（ＩＭＰ）の如き種々のプロセスによって形成することができる。
【００２９】
図６は、本発明に使用される６つのステーションを有する回転式ＣＶＤ反応器５０（ＣｏｎｎｅｃｔＩＩ）の概念的な平面図であり、この反応器は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．（カリフォルニア州（９５１３４）Ｓａｎ ＪｏｓｅのＮｏｒｔｈ Ｓｔｒｅｅｔ３９７０）から入手可能である。各々の小さい円５２は、個々の半導体ウエーハが設けられる台座を示している。半導体ウエーハは、反応器に入れられて特定の台座の上に設けられる。この台座は、６つのステーションを通って回転される。各々のステーションは、別個のシャワーヘッドと、独立して制御可能な台座温度とを有している。また、ウエーハが各々のステーションに滞留する時間も、独立して変えることができる。
【００３０】
好ましい実施例においては、６つのステーションを有する回転式ＣＶＤ反応器の個々のシャワーヘッドを出る気体混合物は、同じ組成、同じ流量及び同じ圧力を有している。しかしながら、各々のステーションにおける滞留時間及び温度は独立して変えることができる。低温の窒化チタンの堆積は、一般的に、最初の３３つ又は４つのステーションで生じ、一方高温の窒化チタンの堆積は、最後の１つ又は２つのステーションに限定されるのが好ましい。
【００３１】
図７は、本発明に使用することのできる別の反応器の構造６０を示している。この反応器は、３つの孤立したチャンバ６２、６４、６６と、半導体ウエーハを一つのチャンバから次のチャンバへ移動させるための搬送ステーション６８とを備えている。図７は、３つの別個の単一ウエーハステーションを備えた反応器を示しているが、２又はそれ以上のウエーハステーションを備えた反応器を本発明に使用することができる。好ましい実施例においては、半導体ウエーハは、最初に第１の単一ウエーハステーション６２の中に挿入され、このウエーハステーションにおいて、低温の窒化チタンの堆積が行われる。ウエーハは、最終的に搬送ステーション６８を通って最後の単一ウエーハステーション６６へ移動し、このウエーハステーションにおいて、高温の窒化チタンの堆積が行われる。中間のステーション６４において、高温、低温又は中間温度の窒化チタンの堆積を行わせることができる。従って、異なる温度で堆積する３又はそれ以上のサブレーヤから成る窒化チタン障壁層も本発明の範囲内である。
【００３２】
使用する反応器の構造に関係無く、本発明の方法は、特定の窒化チタン堆積条件を必要とする。窒化チタン障壁層のサブレーヤが、ＭＯ−ＣＶＤによって形成される場合には、通常はＴＤＥＡＴ又はＴＤＭＡＴである有機チタン化合物、一般的にはヘリウムであるキャリアガス、及び、アンモニアから成る混合物を用いる。好ましい実施例においては、上記気体混合物の圧力は、約０．５トールと約８０トールとの間で変化し、そのような圧力は、約３０トールであるのが最も好ましい。アンモニアの流量は、約３，０００ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分（標準状態下））と約４０，０００ｓｃｃｍとの間であるのが好ましく、そのような流量は、約２０，０００ｓｃｃｍであるのが最も好ましい。有機チタン化合物（ＴＤＥＡＴ又はＴＤＭＡＴ）の流量は、約０．１ｓｃｃｍと１．０ｓｃｃｍとの間であるのが好ましく、そのような流量は、約０．２ｓｃｃｍであるのが最も好ましい。
【００３３】
例以下に述べる例は、本発明の特徴を単に示す目的で挙げるものであって、いかなる意味においても本発明の範囲を限定するものと考えてはならない。
【００３４】
例 １
図８及び図９は、Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔ ＩＩ反応器を用いて半導体ウエーハを処理する場合に、高温の窒化チタンを堆積させる工程の数の増加が、窒化チタン障壁層の抵抗率及びステップ・カバレージに与える影響をそれぞれ示している。これらグラフに示すデータは、１．３μｍの深さ及び０．３７μｍの幅を有していてアスペクト比が約３．５：１であるケイ化物ドープされた単結晶シリコン上に窒化チタンを２つのサブレーヤとして堆積させることによって得たものである。単数又は複数の低温のサブレーヤは、約３００°Ｃで堆積され、また、単数又は複数の高温のサブレーヤは、約４００°Ｃで堆積された。基板が各々のステーションに滞留した時間は、約１６秒であった。
【００３５】
図８及び図９は、高温の堆積工程の数を一つにした場合にステップ・カバレージと低い抵抗率との間に最適のバランスが得られることを示している。最適のバランスである理由は、抵抗率は、約１，９００μΩ−ｃｍから約８００μΩ−ｃｍまで十分に低下し、一方、ステップ・カバレージは、約７５％から約７０％まで僅かしか減少していないからである。２つの高温の堆積工程も、ステップ・カバレージと抵抗率との間の良好なバランスを有しており、その理由は、抵抗率は、約６５０μΩ−ｃｍまで低下し、一方、ステップ・カバレージは、依然として約６０％であるからである。しかしながら、高温の堆積工程の数が２よりも多い場合には、ステップ・カバレージが急激に減少し、抵抗率の減少と見合わない。従って、高温の堆積工程の数が１又は２の場合に、低い抵抗率を有する追従性の高い窒化チタン障壁層を得ることができる。
【００３６】
例 ２
図１０及び図１１は、０．２５μｍの集積回路のゲートソース及びドレインを覆うケイ化コバルト（ＣｏＳｉ2）層の上に異なる温度で堆積された種々の窒化チタン障壁層の抵抗率を直接比較している。図１０においては、コンタクト・ホールの幅は、０．３５μｍであり、図１１においては、コンタクト・ホールの幅は、０．４μｍである。図１０及び図１１から分かるように、本発明の方法によって形成された２つの部分から成るチタン障壁層（正方形）の抵抗率は、３４０°Ｃ（円形）又は３５０°Ｃ（三角形）で堆積された高温の窒化チタン障壁層に比較して、ほんの僅かしか劣っていない。更に、グラフには示していないが、低温の窒化チタン障壁層は、本発明によって形成された材料に比較して、かなり悪い抵抗率を有している。
【００３７】
図１０及び図１１に示すデータを得るために使用した窒化チタンは、以下のようにして堆積された。
正方形（□）： 堆積温度＝２８０°Ｃ（下方の層）、堆積温度＝３４０°Ｃ（上方の層）、圧力＝６０トール。
円形（〇）： 堆積温度＝３４０°Ｃ、圧力＝６０トール。
三角形（△）：堆積温度＝３５０°Ｃ、圧力＝３０トール。
【００３８】
図１０及び図１１のグラフの軸は以下の通りである。
【００３９】
ケルビンＰ＋接触抵抗＝集積回路の単一のトランジスタのゲートと第１の金属を通って基板に至るソース又はドレインとの間の個々の接触抵抗（Ω）。この測定は、与えられた集積回路のＭＯＳデバイスに関してだけ行った。
【００４０】
累積確率＝関連する抵抗の測定値よりも低い接触抵抗の測定値の割合。これらの例においては、約５０個のダイを上述のようにして測定した。各々のダイの抵抗の測定値は、他のダイの測定値から幾分変化した。この分布は、累積確率の軸に示されている。例えば、０．５の累積確率に関連する抵抗は、残りの抵抗の読取り値の５０％がそれよりも低いところに存在する抵抗である。同様に、０．９９の累積確率に関連する抵抗の測定値は、残りの抵抗の読取り値の９９％がそれよりも低いところに存在する抵抗である。
【００４１】
結 言
本発明をその理解を容易にするために幾分詳細に説明したが、請求の範囲に記載の範囲内で一定の変形及び変更を行うことができることは明らかであろう。例えば、本明細書は、窒化チタン障壁層の説明に限定されているが、化学的又は物理的に同様な他の障壁層材料（例えば、窒化シリコンタンタル）に応用することができない理由は原則的にない。従って、上述の実施例は、限定的なものではなく例示的なものと考えるべきであって、本発明は、上述の細部に限定されるのではなく、請求の範囲に記載の範囲内で変更することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分的に製作された電子デバイスに窒化チタン障壁層を形成する方法であって、
前記部分的に製作された電子デバイスの上に第１の温度で、第１の抵抗率を有する第１の窒化チタンサブレーヤを堆積させる工程と、
前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に第２の温度で、第２の抵抗率を有する第２の窒化チタンサブレーヤを堆積させる工程とを備えており、前記第２の温度は前記第１の温度よりも高く、第２の抵抗率は第１の抵抗率よりも低いことを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の温度を前記第１の温度よりも少なくとも約５０°Ｃだけ高くすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記窒化チタン障壁層を、有機チタン化合物、キャリアガス及びアンモニアから成る混合物の有機金属化学的気相成長法によって形成することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記混合物の圧力を約０．５トールと約８０トールとの間の圧力にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項５】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記アンモニアの流量を約３，０００ｓｃｃｍと約４０，０００ｓｃｃｍとの間の流量にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項６】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記有機チタン化合物の流量を約０．１ｓｃｃｍと約１．０ｓｃｃｍとの間の流量にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項７】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記有機チタン化合物をテトラキス（ジエチルアミド）チタン及びテトラキス（ジメチルアミド）チタンから成る群から選択することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項８】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記窒化チタン障壁層を、前記部分的に製作された電子デバイスのバイア又はコンタクト・ホールを有する誘電層の上に形成することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項９】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の温度を約２００°Ｃと約３００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の温度を約２５０°Ｃと約３００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の温度を約３４０°Ｃと約５００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の温度を約３４０°Ｃと約４００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さを約５０Åと約６００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さを約１００Åと約２００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さを約２０Åと約２００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さを約２０Åと約１００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記窒化チタン障壁層を複数のステージを有する化学的気相成長反応器の中で形成し、これにより、前記部分的に製作された電子デバイスを前記ステージの間で動かし、前記第１の窒化チタンサブレーヤを前記ステージの中の１又はそれ以上のステージで形成し、前記第２の窒化チタンサブレーヤを１又はそれ以上の別のステージで形成することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記複数のステージを有する化学的気相成長反応器は、２つと６つとの間の数のステージを備えていることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の窒化チタンサブレーヤは、前記複数のステージを有する化学的気相成長反応器の中の２つを超えない数のステージで堆積されることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項２０】
窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスであって、部分的に製作された電子デバイスの上に第１の抵抗率を有する第１の窒化チタンサブレーヤを第１の温度で堆積させる工程と、前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に前記第１の抵抗率よりも小さい第２の抵抗率を有する第２の窒化チタンサブレーヤを前記第１の温度よりも高い第２の温度で堆積させる工程と、を備える方法によって形成されることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２１】
請求項２０に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２２】
請求項２０に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２３】
誘電層の上に形成された窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスであって、
前記窒化チタン障壁層は、
第１の抵抗率及び第１の密度を有していて前記誘電層の上に堆積された第１の窒化チタンサブレーヤと、
第２の抵抗率及び第２の密度を有していて前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に堆積された第２の窒化チタンサブレーヤとを備えており、
前記第１の抵抗率は前記第２の抵抗率より高く、前記第１の密度は前記第２の密度よりも小さくなるように構成されたことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２４】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤは、前記第２の窒化チタンサブレーヤよりも高い多孔性を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２５】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、当該半導体デバイスは、約３．５：１のアスペクト比を有しており、前記窒化チタン障壁層は、少なくとも約６０％のステップ・カバレージを有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２６】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤは、約２，０００μΩ−ｃｍと約１，６００μΩ−ｃｍとの間の抵抗率を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２７】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２００μΩ−ｃｍと約６００μΩ−ｃｍとの間の抵抗率を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２８】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記窒化チタン障壁層は、約１，０００μΩ−ｃｍと約２００μΩ−ｃｍとの間の抵抗率を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２９】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項３０】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１】
部分的に製作された電子デバイスに窒化チタン障壁層を形成する方法であって、
前記部分的に製作された電子デバイスの上に第１の温度で、第１の抵抗率を有する第１の窒化チタンサブレーヤを堆積させる工程と、
前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に第２の温度で、第２の抵抗率を有する第２の窒化チタンサブレーヤを堆積させる工程とを備えており、前記第２の温度は前記第１の温度よりも高く、第２の抵抗率は第１の抵抗率よりも低いことを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の温度を前記第１の温度よりも少なくとも約５０°Ｃだけ高くすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記窒化チタン障壁層を、有機チタン化合物、キャリアガス及びアンモニアから成る混合物の有機金属化学的気相成長法によって形成することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記混合物の圧力を約０．５トールと約８０トールとの間の圧力にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項５】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記アンモニアの流量を約３，０００ｓｃｃｍと約４０，０００ｓｃｃｍとの間の流量にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項６】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記有機チタン化合物の流量を約０．１ｓｃｃｍと約１．０ｓｃｃｍとの間の流量にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項７】
請求項３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記有機チタン化合物をテトラキス（ジエチルアミド）チタン及びテトラキス（ジメチルアミド）チタンから成る群から選択することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項８】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記窒化チタン障壁層を、前記部分的に製作された電子デバイスのバイア又はコンタクト・ホールを有する誘電層の上に形成することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項９】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の温度を約２００°Ｃと約３００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の温度を約２５０°Ｃと約３００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の温度を約３４０°Ｃと約５００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の温度を約３４０°Ｃと約４００°Ｃとの間の温度にすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さを約５０Åと約６００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さを約１００Åと約２００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さを約２０Åと約２００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さを約２０Åと約１００Åとの間の厚さにすることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記窒化チタン障壁層を複数のステージを有する化学的気相成長反応器の中で形成し、これにより、前記部分的に製作された電子デバイスを前記ステージの間で動かし、前記第１の窒化チタンサブレーヤを前記ステージの中の１又はそれ以上のステージで形成し、前記第２の窒化チタンサブレーヤを１又はそれ以上の別のステージで形成することを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記複数のステージを有する化学的気相成長反応器は、２つと６つとの間の数のステージを備えていることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の窒化チタン障壁層の形成方法において、前記第２の窒化チタンサブレーヤは、前記複数のステージを有する化学的気相成長反応器の中の２つを超えない数のステージで堆積されることを特徴とする窒化チタン障壁層の形成方法。
【請求項２０】
窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスであって、部分的に製作された電子デバイスの上に第１の抵抗率を有する第１の窒化チタンサブレーヤを第１の温度で堆積させる工程と、前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に前記第１の抵抗率よりも小さい第２の抵抗率を有する第２の窒化チタンサブレーヤを前記第１の温度よりも高い第２の温度で堆積させる工程と、を備える方法によって形成されることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２１】
請求項２０に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２２】
請求項２０に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２３】
誘電層の上に形成された窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスであって、
前記窒化チタン障壁層は、
第１の抵抗率及び第１の密度を有していて前記誘電層の上に堆積された第１の窒化チタンサブレーヤと、
第２の抵抗率及び第２の密度を有していて前記第１の窒化チタンサブレーヤの上に堆積された第２の窒化チタンサブレーヤとを備えており、
前記第１の抵抗率は前記第２の抵抗率より高く、前記第１の密度は前記第２の密度よりも小さくなるように構成されたことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２４】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤは、前記第２の窒化チタンサブレーヤよりも高い多孔性を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２５】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、当該半導体デバイスは、約３．５：１のアスペクト比を有しており、前記窒化チタン障壁層は、少なくとも約６０％のステップ・カバレージを有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２６】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤは、約２，０００μΩ−ｃｍと約１，６００μΩ−ｃｍとの間の抵抗率を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２７】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第２の窒化チタンサブレーヤは、約２００μΩ−ｃｍと約６００μΩ−ｃｍとの間の抵抗率を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２８】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記窒化チタン障壁層は、約１，０００μΩ−ｃｍと約２００μΩ−ｃｍとの間の抵抗率を有していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２９】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約５０Åと約６００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項３０】
請求項２３に記載の窒化チタン障壁層を含む半導体デバイスにおいて、前記第２の窒化チタンサブレーヤの厚さは、約２０Åと約２００Åとの間の厚さであることを特徴とする半導体デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１０９３８８（Ｐ２０１０−１０９３８８Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２３４（Ｐ２０１０−２０２３４）
【出願日】平成２２年２月１日（２０１０．２．１）
【分割の表示】特願平１０−１９３１０９の分割
【原出願日】平成１０年７月８日（１９９８．７．８）
【出願人】（５９１００７６８６）エルエスアイ コーポレーション (93)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１日（２０１０．２．１）
【分割の表示】特願平１０−１９３１０９の分割
【原出願日】平成１０年７月８日（１９９８．７．８）
【出願人】（５９１００７６８６）エルエスアイ コーポレーション (93)
【Ｆターム（参考）】
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