JP3636866B2 - ＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置において例えばコンタクトメタルまたはアドヒージョンとして用いられるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法に関し、特にホールが形成されたＳｉＯｘ絶縁膜にＴｉ膜を成膜するＣＶＤ−Ｔｉ成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、最近の高密度化および高集積化の要請に対応して、回路構成を多層配線構造にする傾向にあり、このため、下層の半導体デバイスと上層の配線層との接続部であるコンタクトホールや、上下の配線層同士の接続部であるビアホールなどの層間の電気的接続のための埋め込み技術が重要になっている。
【０００３】
上記技術のうちコンタクトホールやビアホールの埋め込みには、一般的にＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）、あるいはこれらを主体とする合金が用いられるが、このような金属や合金が下層のＳｉ（シリコン）基板やＡｌ配線と直接接触すると、これらの境界部分においてＡｌの吸い上げ効果等に起因して両金属の合金が形成されるおそれがある。このようにして形成される合金は抵抗値が大きく、このような合金が形成されることは近時デバイスに要求されている省電力化および高速動作の観点から好ましくない。
【０００４】
また、ＷまたはＷ合金をコンタクトホールの埋め込み層として用いる場合には、埋め込み層の形成に用いるＷＦ６ガスがＳｉ基板に侵入して電気的特性等を劣化させる傾向となり、やはり好ましくない結果をもたらす。
【０００５】
そこで、これらの不都合を防止するために、コンタクトホールやビアホールに埋め込み層を形成する前に、これらの内壁にバリア層を形成し、その上から埋め込み層を形成することが行われている。この場合のバリア層としては、Ｔｉ（チタン）膜およびＴｉＮ（窒化チタン）膜の２層構造のものを用いるのが一般的である。
【０００６】
従来、このようなバリア層は、物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近のようにデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなって、それにともなって線幅やホールの開口径が一層小さくなり、しかも高アスペクト比化されるにつれ、ＰＶＤ膜では電気抵抗が増加し、要求に対応することが困難となってきた。
【０００７】
そこで、バリア層を構成するＴｉ膜およびＴｉＮ膜を、より良質の膜を形成することが期待できる化学的蒸着（ＣＶＤ）で成膜することが行われている。そして、ＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ４（四塩化チタン）およびＨ２（水素）が用いられ、ＴｉＮ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ４とＮＨ３（アンモニア）またはＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）とが用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年益々デバイスの微細化が進み、ＳｉＯｘ絶縁膜に形成されるコンタクトホールやビアホールが高アスペクト比されているため、従来のＴｉＣｌ４およびＨ２のガス系ではＣＶＤ−Ｔｉ膜を１００％以上の高ステップカバレージでホール部位に形成することが困難となっている。
【０００９】
一方、ブランケットプロセスの場合には、ＳｉおよびＳｉＯ２膜のいずれにおいてもより低温でかつ高成膜速度でＴｉ膜を成膜することが要求されるが、この場合にも従来のプロセスでは必ずしも十分に要求が満足されていないのが実状である。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、絶縁膜に形成された微細なホール部位に高選択比ですなわち高ステップカバレージでＴｉ膜を成膜することができるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法、または、ＳｉＯｘ絶縁膜およびホール部位のいずれも高い成膜速度かつ低温で成膜することができるＣＶＤ−Ｔｉ成膜方法を提供することを目的とする。さらに、微細なホール部位に高選択比ですなわち高ステップカバレージでＴｉ膜を成膜することが要求される用途、ならびにＳｉＯｘ絶縁膜およびホール部位のいずれも高い成膜速度かつ低温で成膜することが要求される用途のいずれにも対応することができるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するためのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置により、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、Ｔｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
ＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを導入する際に、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜を成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１２】
第２発明は、第１発明において、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：１００〜１：３００とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１３】
第３発明は、第２発明において、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、Ｔ ｉおよびＣｌ ２ の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１４】
第４発明は、第２発明または第３発明において、前記成膜の際における基板温度を５００℃以上、投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０ Torr に設定することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１５】
第５発明は、第１発明において、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１６】
第６発明は、第５発明において、前記成膜の際における基板温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１８】
第７発明は、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、Ｔｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
ホール部位に、層間絶縁膜または絶縁膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるように、前記ガスの流量、基板温度、チャンバー内圧力およびプラズマを形成する際の投入電力を調整し、
プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１９】
本発明においては、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するた めのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置により、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するにあたり、従来のＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスに加えてＡｒガスを用い、これらのガスのプラズマを生成させる。Ａｒガスは、プラズマ生成の際に、成膜ガスであるＴｉＣｌ４ガスに対して、Ｈ２ガスとは異なる作用を及ぼす。すなわち、図１に示すように、Ｈイオンは、ＴｉＣｌ４をＴｉＣｌ３＋ＨＣｌに分解する作用、およびＴｉＣｌ３からＴｉ膜またはＴｉＳｉ膜が形成された後にＨＣｌを生成する作用を有しており、一方、ＡｒイオンはＴｉＣｌ４をＴｉＣｌ２＋Ｃｌ２に分解する作用およびＴｉＣｌ２をＴｉ＋Ｃｌ２に分解する作用を有している。したがって、Ａｒイオンの存在により成膜に寄与する成分が増加し、成膜レートを上昇させることができる。
【００２０】
第１発明においては、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜を成膜する。これにより、絶縁膜に形成された微細なホール部位に高選択比でＴｉ膜を成膜すること、または、ＳｉＯｘ絶縁膜およびホール部位のいずれも高い成膜速度かつ低温で成膜することができる。
【００２１】
この場合に、以下の反応が優勢であれば絶縁膜に形成された微細なホール部位に高選択比でＴｉ膜を成膜することができる。
ＴｉＣｌ４＋２Ｈ２＋Ｓｉ２→ＴｉＳｉ２＋４ＨＣｌ
第２発明のように、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：１００〜１：３００とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることにより、上記反応が優勢になり、ホール部位に、層間絶縁膜または絶縁膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるようにすることができる。すなわち、層間絶縁膜または絶縁膜におけるＴｉ膜の成膜速度よりも、ホール内のＳｉにおけるＴｉの成膜速度を十分に大きくすることができる。これにより、ホールの入口に堆積するＴｉ膜を少なくし、ホール内にＴｉ膜を十分に堆積させることができる。
上記反応を有効に生じさせるためには、第３発明のように、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することが好ましい。
他の条件として、第４発明のように、基板温度を５００℃以上、投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０ Torr に設定することにより、このような反応をより優勢にすることが可能となる。
【００２２】
一方、第５発明のように、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることにより、層間絶縁膜または絶縁膜ならびにホール部位のＳｉに同程度の成膜速度でＴｉ膜が成膜されるようにする。この場合には、Ａｒガスの存在により高成膜速度でかつ低温で成膜することができ、ブランケットプロセスに適したものとなる。
【００２３】
上記ガス流量比により、以下の反応が優勢になり、このような成膜が可能となる。
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋２Ｃｌ２＋Ｈ２ または
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋Ｃｌ２＋２ＨＣｌ
他の条件として、第６発明のように、基板温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することにより、このような反応をより優勢にすることが可能となる。
【００２５】
第７発明においては、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するに際し、ホール部位に、層間絶縁膜または絶縁膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるように、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスの流量、基板温度、チャンバー内圧力およびプラズマを形成する際の投入電力を調整し、かつプラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜するので、ホール内にＴｉ膜を十分に堆積させて、ステップカバレージを１００％以上にすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図２は、本発明の実施に用いられるＴｉ成膜装置の一例を示す断面図である。この成膜装置は、気密に構成された略円筒状のチャンバー１を有しており、その中には被処理体であるＳｉウエハＷを水平に支持するためのサセプター２がその中央を昇降可能な円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。また、サセプター２にはヒーター４が埋め込まれており、このヒーター４は図示しない電源から給電されることにより被処理体であるＳｉウエハＷを所定の温度に加熱する。
【００２７】
チャンバー１の上端部分には、シャワーヘッド１０がサセプター２に支持された半導体ウエハＷと対向するように設けられており、そのウエハＷと対向する下面には多数のガス吐出孔１０ａが形成されている。シャワーヘッド１０の内部には空間１１が形成されており、その中に多数の孔が形成された分散板１２が水平に設けられている。シャワーヘッド１０の上部には、その中にガスを導入するガス導入口１３が形成されており、このガス導入口１３にはガス供給管１５が接続されている。
【００２８】
ガス供給管１５には、Ｈ２ガス源１６、Ａｒガス源１７、ＴｉＣｌ４ガス源１８が接続されており、これらガス源から各ガスがガス供給管１５およびシャワーヘッド１０を通ってチャンバー１内に供給され、ＳｉウエハＷにＴｉ膜が成膜される。なお、各ガス源に接続される配管には、いずれもバルブ１９およびマスフローコントローラー２０が設けられている。
【００２９】
シャワーヘッド１０にはマッチング回路２２を介して高周波電源２３が接続されており、この高周波電源２３からシャワーヘッド１０に高周波電力が印加され得るようになっている。この高周波電力により、チャンバー１内に成膜ガスのプラズマが形成される。なお、シャワーヘッド１０とチャンバー１との間は、絶縁部材１４により電気的に絶縁されており、チャンバー１は接地されている。
【００３０】
チャンバー１の底壁には、排気ポート８が設けられており、この排気ポート８にはチャンバー１内を排気するための排気系９が接続されている。また、チャンバー１の側壁下部にはウエハＷの搬入出口２４が設けられており、この搬入出口２４はゲートバルブ２５により開閉可能となっている。ウエハＷの搬入出はサセプタ２を下降させた状態で行われる。
【００３１】
このような成膜装置により、Ｔｉ膜を成膜するためには、ゲートバルブ２５を開にしてチャンバー１内にＳｉウエハＷを装入してサセプタ２上に載置し、ヒーター４によりＳｉウエハＷを加熱しながら排気系９の真空ポンプにより真空引きして高真空状態にし、引き続き、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガス、Ｎ２ガスを導入するとともに、高周波電源２３から高周波電力を印加することによりプラズマを生成させる。
【００３２】
ここで、Ｔｉ膜を形成する対象としては、図３の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４１上に絶縁膜としてＳｉＯ２膜４２が形成され、そこにコンタクトホール４３が形成されたもの、および図３の（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板４１に形成されたポリＳｉ膜４４の上に層間絶縁膜としてＳｉＯ２膜４５が形成され、そこにビアホール４６が形成されたものが例示される。これら対象にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを導入してＴｉ膜を成膜する際には、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜を成膜することが好ましい。
【００３３】
コンタクトホール４３の底部またはビアホール４６の底部に１００％以上の高ステップカバレージでＴｉ膜を成膜する必要がある場合には、ＳｉＯ２に対するＳｉのＴｉ膜成膜の際の選択比が高くなる条件で成膜を行う。すなわち、ＳｉＯ２膜におけるＴｉ膜の成膜速度よりも、ホール内のＳｉにおけるＴｉの成膜速度を十分に大きくする。これにより、ホールの入口に堆積するＴｉ膜を少なくし、ホール内にＴｉ膜を１００％を超えるステップカバレージで成膜することができる。
【００３４】
この場合に、以下の反応が優勢であれば選択比を高くすることができる。
ＴｉＣｌ４＋２Ｈ２＋Ｓｉ２→ＴｉＳｉ２＋４ＨＣｌ
このような反応を有効に生じさせるためには、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜すればよい。この際の条件としては、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との比を１：１００〜１：３００、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることが好ましい。具体的なガス流量としては、Ｈ ２ ガス流量：５００〜２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：５００〜１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ ４ ガス流量：１０ｓｃｃｍが好ましい。このようなガス流量比により、上記反応を優勢にして選択比を高くすることができる。
【００３５】
他の条件としては、ウエハ温度を５００℃以上、好ましくは５５０℃以上、高周波電源への投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することが好ましい。
【００３６】
一例として、ウエハ温度：５８０℃、チャンバー内圧力：１．０Torr、高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）への投入電力：２００Ｗ、Ｈ２ガス流量：１０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ４ガス流量：１０ｓｃｃｍの条件でＴｉの成膜を行った結果、図４に示すような選択比の高い成膜を行うことができた。その際の成膜状態を図５のＳＥＭ写真で示す。この写真で示すように、ホールの中に高ステップカバレージでＴｉ膜が形成されているのがわかる。
【００３７】
一方、ＳｉＯ２膜およびホールの中のＳｉに同程度の成膜速度でＴｉ膜を成膜する必要がある場合には、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることが好ましい。この場合に、Ａｒガスの存在により高成膜速度でかつ低温で成膜することができ、ブランケットプロセスに適したものとなる。このようなガス流量比により、以下の反応が優勢になり、このような成膜が可能となる。
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋２Ｃｌ２＋Ｈ２ または
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋Ｃｌ２＋２ＨＣｌ
【００３８】
他の条件としては、ウエハ温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することが好ましい。
【００３９】
一例として、ウエハ温度：５５０℃、チャンバー内圧力：１．０Torr、高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）への投入電力：５００Ｗ、Ｈ２ガス流量：２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ４ガス流量：１０ｓｃｃｍの条件でＴｉの成膜を行った結果、図６に示すようにＳｉＯ２膜およびホールの中のＳｉに同程度の高成膜速度で成膜を行うことができた。その際の成膜状態を図７のＳＥＭ写真で示す。この写真で示すように、ホールの外側、側面および底部に同程度の厚さのＴｉ膜が形成されているのがわかる。
【００４０】
以上のように、チャンバー１内にＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスに加えて、Ａｒガスを導入し、ＴｉＣｌ４ガスと、Ｈ２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比、Ｈ２ガスとＡｒガスの流量比、ウエハ温度、チャンバー内圧力および高周波電源への投入電力を調整することにより、Ｔｉ膜の選択比を制御することができるので、同一の装置でかつ同一のガス種で、ステップカバレージが要求されるプロセスおよびブランケットプロセスのいずれにも対応することが可能となる。
【００４１】
このようにしてＴｉ膜を成膜した後、ＴｉＣｌ４ガス、Ａｒガス、ＮＨ ３ ガス、ＭＭＨガスを導入してＴｉ膜の上にＴｉＮ膜を形成して２層構造のバリア層とし、その後、Ａｌ等の配線金属を成膜する。
【００４２】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガスおよびＡｒガスを用いたが、他のガスが含まれていてもよい。また、製造条件についても上記条件に限るものではなく、所望のＴｉ膜が形成されるよう適宜設定すればよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するためのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置により、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有するＳｉＯｘ膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するにあたり、従来のＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスに加えてＡｒガスを用い、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜の成膜を行うので、Ａｒイオンの存在により成膜に寄与する成分が増加し、成膜レートを上昇させることができるともに、成膜速度および成膜の際の選択比を調節することができる。したがって、ホール部位にＳｉＯｘ膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるようにすることができるし、ＳｉＯｘ膜およびホール部位のＳｉに同程度の成膜速度でＴｉ膜が成膜されるようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明において用いるガスのプラズマ中での反応を示す図。
【図２】 本発明に係るＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図。
【図３】 本発明が適用されるＳｉウエハを示す断面図。
【図４】 高選択比プロセスにおけるＴｉ膜の成膜時間と膜厚との関係をＳｉ上とＳｉＯ２上とで比較して示す図。
【図５】 高選択比プロセスにおけるＴｉ膜の成膜状態を示す電子顕微鏡写真。
【図６】 ブランケットプロセスにおけるＴｉ膜の成膜時間と膜厚との関係をＳｉ上とＳｉＯ２とで比較して示す図。
【図７】 ブランケットプロセスにおけるＴｉ膜の成膜状態を示す電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
１……チャンバー
２……サセプタ
４……ヒーター
１０……シャワーヘッド
１３……プリクリーニング装置
１４……絶縁部材
１５……ガス配管
１６……Ｈ２ガス源
１７……Ａｒガス源
１８……ＴｉＣｌ４ガス源
２３……高周波電源
４１……Ｓｉ基板
４２，４５……ＳｉＯ２膜
４４……ポリＳｉ膜
４３，４６……ホール
Ｗ……Ｓｉウエハ
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置において例えばコンタクトメタルまたはアドヒージョンとして用いられるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法に関し、特にホールが形成されたＳｉＯｘ絶縁膜にＴｉ膜を成膜するＣＶＤ−Ｔｉ成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、最近の高密度化および高集積化の要請に対応して、回路構成を多層配線構造にする傾向にあり、このため、下層の半導体デバイスと上層の配線層との接続部であるコンタクトホールや、上下の配線層同士の接続部であるビアホールなどの層間の電気的接続のための埋め込み技術が重要になっている。
【０００３】
上記技術のうちコンタクトホールやビアホールの埋め込みには、一般的にＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）、あるいはこれらを主体とする合金が用いられるが、このような金属や合金が下層のＳｉ（シリコン）基板やＡｌ配線と直接接触すると、これらの境界部分においてＡｌの吸い上げ効果等に起因して両金属の合金が形成されるおそれがある。このようにして形成される合金は抵抗値が大きく、このような合金が形成されることは近時デバイスに要求されている省電力化および高速動作の観点から好ましくない。
【０００４】
また、ＷまたはＷ合金をコンタクトホールの埋め込み層として用いる場合には、埋め込み層の形成に用いるＷＦ６ガスがＳｉ基板に侵入して電気的特性等を劣化させる傾向となり、やはり好ましくない結果をもたらす。
【０００５】
そこで、これらの不都合を防止するために、コンタクトホールやビアホールに埋め込み層を形成する前に、これらの内壁にバリア層を形成し、その上から埋め込み層を形成することが行われている。この場合のバリア層としては、Ｔｉ（チタン）膜およびＴｉＮ（窒化チタン）膜の２層構造のものを用いるのが一般的である。
【０００６】
従来、このようなバリア層は、物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近のようにデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなって、それにともなって線幅やホールの開口径が一層小さくなり、しかも高アスペクト比化されるにつれ、ＰＶＤ膜では電気抵抗が増加し、要求に対応することが困難となってきた。
【０００７】
そこで、バリア層を構成するＴｉ膜およびＴｉＮ膜を、より良質の膜を形成することが期待できる化学的蒸着（ＣＶＤ）で成膜することが行われている。そして、ＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ４（四塩化チタン）およびＨ２（水素）が用いられ、ＴｉＮ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ４とＮＨ３（アンモニア）またはＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）とが用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年益々デバイスの微細化が進み、ＳｉＯｘ絶縁膜に形成されるコンタクトホールやビアホールが高アスペクト比されているため、従来のＴｉＣｌ４およびＨ２のガス系ではＣＶＤ−Ｔｉ膜を１００％以上の高ステップカバレージでホール部位に形成することが困難となっている。
【０００９】
一方、ブランケットプロセスの場合には、ＳｉおよびＳｉＯ２膜のいずれにおいてもより低温でかつ高成膜速度でＴｉ膜を成膜することが要求されるが、この場合にも従来のプロセスでは必ずしも十分に要求が満足されていないのが実状である。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、絶縁膜に形成された微細なホール部位に高選択比ですなわち高ステップカバレージでＴｉ膜を成膜することができるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法、または、ＳｉＯｘ絶縁膜およびホール部位のいずれも高い成膜速度かつ低温で成膜することができるＣＶＤ−Ｔｉ成膜方法を提供することを目的とする。さらに、微細なホール部位に高選択比ですなわち高ステップカバレージでＴｉ膜を成膜することが要求される用途、ならびにＳｉＯｘ絶縁膜およびホール部位のいずれも高い成膜速度かつ低温で成膜することが要求される用途のいずれにも対応することができるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するためのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置により、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、Ｔｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
ＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを導入する際に、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜を成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１２】
第２発明は、第１発明において、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：１００〜１：３００とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１３】
第３発明は、第２発明において、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、Ｔ ｉおよびＣｌ ２ の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１４】
第４発明は、第２発明または第３発明において、前記成膜の際における基板温度を５００℃以上、投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０ Torr に設定することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１５】
第５発明は、第１発明において、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１６】
第６発明は、第５発明において、前記成膜の際における基板温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１８】
第７発明は、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、Ｔｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
ホール部位に、層間絶縁膜または絶縁膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるように、前記ガスの流量、基板温度、チャンバー内圧力およびプラズマを形成する際の投入電力を調整し、
プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。
【００１９】
本発明においては、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するた めのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置により、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するにあたり、従来のＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスに加えてＡｒガスを用い、これらのガスのプラズマを生成させる。Ａｒガスは、プラズマ生成の際に、成膜ガスであるＴｉＣｌ４ガスに対して、Ｈ２ガスとは異なる作用を及ぼす。すなわち、図１に示すように、Ｈイオンは、ＴｉＣｌ４をＴｉＣｌ３＋ＨＣｌに分解する作用、およびＴｉＣｌ３からＴｉ膜またはＴｉＳｉ膜が形成された後にＨＣｌを生成する作用を有しており、一方、ＡｒイオンはＴｉＣｌ４をＴｉＣｌ２＋Ｃｌ２に分解する作用およびＴｉＣｌ２をＴｉ＋Ｃｌ２に分解する作用を有している。したがって、Ａｒイオンの存在により成膜に寄与する成分が増加し、成膜レートを上昇させることができる。
【００２０】
第１発明においては、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜を成膜する。これにより、絶縁膜に形成された微細なホール部位に高選択比でＴｉ膜を成膜すること、または、ＳｉＯｘ絶縁膜およびホール部位のいずれも高い成膜速度かつ低温で成膜することができる。
【００２１】
この場合に、以下の反応が優勢であれば絶縁膜に形成された微細なホール部位に高選択比でＴｉ膜を成膜することができる。
ＴｉＣｌ４＋２Ｈ２＋Ｓｉ２→ＴｉＳｉ２＋４ＨＣｌ
第２発明のように、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：１００〜１：３００とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることにより、上記反応が優勢になり、ホール部位に、層間絶縁膜または絶縁膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるようにすることができる。すなわち、層間絶縁膜または絶縁膜におけるＴｉ膜の成膜速度よりも、ホール内のＳｉにおけるＴｉの成膜速度を十分に大きくすることができる。これにより、ホールの入口に堆積するＴｉ膜を少なくし、ホール内にＴｉ膜を十分に堆積させることができる。
上記反応を有効に生じさせるためには、第３発明のように、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することが好ましい。
他の条件として、第４発明のように、基板温度を５００℃以上、投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０ Torr に設定することにより、このような反応をより優勢にすることが可能となる。
【００２２】
一方、第５発明のように、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることにより、層間絶縁膜または絶縁膜ならびにホール部位のＳｉに同程度の成膜速度でＴｉ膜が成膜されるようにする。この場合には、Ａｒガスの存在により高成膜速度でかつ低温で成膜することができ、ブランケットプロセスに適したものとなる。
【００２３】
上記ガス流量比により、以下の反応が優勢になり、このような成膜が可能となる。
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋２Ｃｌ２＋Ｈ２ または
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋Ｃｌ２＋２ＨＣｌ
他の条件として、第６発明のように、基板温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することにより、このような反応をより優勢にすることが可能となる。
【００２５】
第７発明においては、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するに際し、ホール部位に、層間絶縁膜または絶縁膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるように、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスの流量、基板温度、チャンバー内圧力およびプラズマを形成する際の投入電力を調整し、かつプラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜するので、ホール内にＴｉ膜を十分に堆積させて、ステップカバレージを１００％以上にすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図２は、本発明の実施に用いられるＴｉ成膜装置の一例を示す断面図である。この成膜装置は、気密に構成された略円筒状のチャンバー１を有しており、その中には被処理体であるＳｉウエハＷを水平に支持するためのサセプター２がその中央を昇降可能な円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。また、サセプター２にはヒーター４が埋め込まれており、このヒーター４は図示しない電源から給電されることにより被処理体であるＳｉウエハＷを所定の温度に加熱する。
【００２７】
チャンバー１の上端部分には、シャワーヘッド１０がサセプター２に支持された半導体ウエハＷと対向するように設けられており、そのウエハＷと対向する下面には多数のガス吐出孔１０ａが形成されている。シャワーヘッド１０の内部には空間１１が形成されており、その中に多数の孔が形成された分散板１２が水平に設けられている。シャワーヘッド１０の上部には、その中にガスを導入するガス導入口１３が形成されており、このガス導入口１３にはガス供給管１５が接続されている。
【００２８】
ガス供給管１５には、Ｈ２ガス源１６、Ａｒガス源１７、ＴｉＣｌ４ガス源１８が接続されており、これらガス源から各ガスがガス供給管１５およびシャワーヘッド１０を通ってチャンバー１内に供給され、ＳｉウエハＷにＴｉ膜が成膜される。なお、各ガス源に接続される配管には、いずれもバルブ１９およびマスフローコントローラー２０が設けられている。
【００２９】
シャワーヘッド１０にはマッチング回路２２を介して高周波電源２３が接続されており、この高周波電源２３からシャワーヘッド１０に高周波電力が印加され得るようになっている。この高周波電力により、チャンバー１内に成膜ガスのプラズマが形成される。なお、シャワーヘッド１０とチャンバー１との間は、絶縁部材１４により電気的に絶縁されており、チャンバー１は接地されている。
【００３０】
チャンバー１の底壁には、排気ポート８が設けられており、この排気ポート８にはチャンバー１内を排気するための排気系９が接続されている。また、チャンバー１の側壁下部にはウエハＷの搬入出口２４が設けられており、この搬入出口２４はゲートバルブ２５により開閉可能となっている。ウエハＷの搬入出はサセプタ２を下降させた状態で行われる。
【００３１】
このような成膜装置により、Ｔｉ膜を成膜するためには、ゲートバルブ２５を開にしてチャンバー１内にＳｉウエハＷを装入してサセプタ２上に載置し、ヒーター４によりＳｉウエハＷを加熱しながら排気系９の真空ポンプにより真空引きして高真空状態にし、引き続き、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガス、Ｎ２ガスを導入するとともに、高周波電源２３から高周波電力を印加することによりプラズマを生成させる。
【００３２】
ここで、Ｔｉ膜を形成する対象としては、図３の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４１上に絶縁膜としてＳｉＯ２膜４２が形成され、そこにコンタクトホール４３が形成されたもの、および図３の（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板４１に形成されたポリＳｉ膜４４の上に層間絶縁膜としてＳｉＯ２膜４５が形成され、そこにビアホール４６が形成されたものが例示される。これら対象にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを導入してＴｉ膜を成膜する際には、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜を成膜することが好ましい。
【００３３】
コンタクトホール４３の底部またはビアホール４６の底部に１００％以上の高ステップカバレージでＴｉ膜を成膜する必要がある場合には、ＳｉＯ２に対するＳｉのＴｉ膜成膜の際の選択比が高くなる条件で成膜を行う。すなわち、ＳｉＯ２膜におけるＴｉ膜の成膜速度よりも、ホール内のＳｉにおけるＴｉの成膜速度を十分に大きくする。これにより、ホールの入口に堆積するＴｉ膜を少なくし、ホール内にＴｉ膜を１００％を超えるステップカバレージで成膜することができる。
【００３４】
この場合に、以下の反応が優勢であれば選択比を高くすることができる。
ＴｉＣｌ４＋２Ｈ２＋Ｓｉ２→ＴｉＳｉ２＋４ＨＣｌ
このような反応を有効に生じさせるためには、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜すればよい。この際の条件としては、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との比を１：１００〜１：３００、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることが好ましい。具体的なガス流量としては、Ｈ ２ ガス流量：５００〜２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：５００〜１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ ４ ガス流量：１０ｓｃｃｍが好ましい。このようなガス流量比により、上記反応を優勢にして選択比を高くすることができる。
【００３５】
他の条件としては、ウエハ温度を５００℃以上、好ましくは５５０℃以上、高周波電源への投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することが好ましい。
【００３６】
一例として、ウエハ温度：５８０℃、チャンバー内圧力：１．０Torr、高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）への投入電力：２００Ｗ、Ｈ２ガス流量：１０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ４ガス流量：１０ｓｃｃｍの条件でＴｉの成膜を行った結果、図４に示すような選択比の高い成膜を行うことができた。その際の成膜状態を図５のＳＥＭ写真で示す。この写真で示すように、ホールの中に高ステップカバレージでＴｉ膜が形成されているのがわかる。
【００３７】
一方、ＳｉＯ２膜およびホールの中のＳｉに同程度の成膜速度でＴｉ膜を成膜する必要がある場合には、ＴｉＣｌ ４ ガスと、Ｈ ２ ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０とし、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることが好ましい。この場合に、Ａｒガスの存在により高成膜速度でかつ低温で成膜することができ、ブランケットプロセスに適したものとなる。このようなガス流量比により、以下の反応が優勢になり、このような成膜が可能となる。
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋２Ｃｌ２＋Ｈ２ または
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→Ｔｉ＋Ｃｌ２＋２ＨＣｌ
【００３８】
他の条件としては、ウエハ温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することが好ましい。
【００３９】
一例として、ウエハ温度：５５０℃、チャンバー内圧力：１．０Torr、高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）への投入電力：５００Ｗ、Ｈ２ガス流量：２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ４ガス流量：１０ｓｃｃｍの条件でＴｉの成膜を行った結果、図６に示すようにＳｉＯ２膜およびホールの中のＳｉに同程度の高成膜速度で成膜を行うことができた。その際の成膜状態を図７のＳＥＭ写真で示す。この写真で示すように、ホールの外側、側面および底部に同程度の厚さのＴｉ膜が形成されているのがわかる。
【００４０】
以上のように、チャンバー１内にＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスに加えて、Ａｒガスを導入し、ＴｉＣｌ４ガスと、Ｈ２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比、Ｈ２ガスとＡｒガスの流量比、ウエハ温度、チャンバー内圧力および高周波電源への投入電力を調整することにより、Ｔｉ膜の選択比を制御することができるので、同一の装置でかつ同一のガス種で、ステップカバレージが要求されるプロセスおよびブランケットプロセスのいずれにも対応することが可能となる。
【００４１】
このようにしてＴｉ膜を成膜した後、ＴｉＣｌ４ガス、Ａｒガス、ＮＨ ３ ガス、ＭＭＨガスを導入してＴｉ膜の上にＴｉＮ膜を形成して２層構造のバリア層とし、その後、Ａｌ等の配線金属を成膜する。
【００４２】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガスおよびＡｒガスを用いたが、他のガスが含まれていてもよい。また、製造条件についても上記条件に限るものではなく、所望のＴｉ膜が形成されるよう適宜設定すればよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するためのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ ４ ガス、Ｈ ２ ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置により、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有するＳｉＯｘ膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するにあたり、従来のＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスに加えてＡｒガスを用い、Ｈ ２ ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜の成膜を行うので、Ａｒイオンの存在により成膜に寄与する成分が増加し、成膜レートを上昇させることができるともに、成膜速度および成膜の際の選択比を調節することができる。したがって、ホール部位にＳｉＯｘ膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるようにすることができるし、ＳｉＯｘ膜およびホール部位のＳｉに同程度の成膜速度でＴｉ膜が成膜されるようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明において用いるガスのプラズマ中での反応を示す図。
【図２】 本発明に係るＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図。
【図３】 本発明が適用されるＳｉウエハを示す断面図。
【図４】 高選択比プロセスにおけるＴｉ膜の成膜時間と膜厚との関係をＳｉ上とＳｉＯ２上とで比較して示す図。
【図５】 高選択比プロセスにおけるＴｉ膜の成膜状態を示す電子顕微鏡写真。
【図６】 ブランケットプロセスにおけるＴｉ膜の成膜時間と膜厚との関係をＳｉ上とＳｉＯ２とで比較して示す図。
【図７】 ブランケットプロセスにおけるＴｉ膜の成膜状態を示す電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
１……チャンバー
２……サセプタ
４……ヒーター
１０……シャワーヘッド
１３……プリクリーニング装置
１４……絶縁部材
１５……ガス配管
１６……Ｈ２ガス源
１７……Ａｒガス源
１８……ＴｉＣｌ４ガス源
２３……高周波電源
４１……Ｓｉ基板
４２，４５……ＳｉＯ２膜
４４……ポリＳｉ膜
４３，４６……ホール
Ｗ……Ｓｉウエハ
Claims (7)
- チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するためのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置により、Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、Ｔｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを導入する際に、Ｈ２ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の範囲内の所定値にして、成膜に寄与するＨイオンおよびＡｒイオンの作用を制御しつつＴｉ膜を成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。 - ＴｉＣｌ４ガスと、Ｈ２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：１００〜１：３００とし、Ｈ２ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。
- プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することを特徴とする請求項２に記載のＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。
- 前記成膜の際における基板温度を５００℃以上、投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。
- ＴｉＣｌ４ガスと、Ｈ２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０とし、Ｈ２ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。
- 前記成膜の際における基板温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定することを特徴とする請求項５に記載のＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。
- Ｓｉ基板上またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有する層間絶縁膜または絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、Ｔｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
ホール部位に、層間絶縁膜または絶縁膜に対して高選択比でＴｉ膜が成膜されるように、前記ガスの流量、基板温度、チャンバー内圧力およびプラズマを形成する際の投入電力を調整し、
プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。
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