JPH10237662A

JPH10237662A - 金属膜のプラズマｃｖｄ方法、および金属窒化物膜の形成方法ならびに半導体装置

Info

Publication number: JPH10237662A
Application number: JP9169027A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Miyamoto; 孝章宮本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 1998-09-08
Also published as: US6040021A

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｔｉ等の金属膜のプラズマＣＶＤ方法や、Ｔ
ｉＮ膜等の金属窒化物膜の形成方法において、接続孔開
口部等における成膜形状の非対称性、下地の導電材料層
等の腐食、残留ハロゲンや膜剥離等の問題を解決する。【解決手段】ＴｉＣｌ₄、Ｈ₂およびＡｒを含む混合
ガスによるプラズマＣＶＤにおいて、Ｔｉ成膜種を効率
よくイオン化し、生成したＴｉ⁺イオンを被処理基板に
向け、略垂直に入射して金属膜を形成する。このような
方法によるカバレッジのよい金属膜の形成と、この金属
膜のプラズマ窒化を交互に繰り返し、所望の厚さの金属
窒化物膜を形成する。【効果】垂直入射する金属イオンにより、接続孔の底
部では厚く、側壁では薄く、対称性よく金属膜や金属窒
化物膜が成膜される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造工
程等に用いられる金属膜のプラズマＣＶＤ方法、および
金属窒化物膜の形成方法、ならびにこれらの方法を用い
た半導体装置に関し、さらに詳しくは、形成される膜中
の残留ハロゲン元素の低減、膜のモホロジおよびカバレ
ッジの対称性向上等に特徴を有する、金属膜のプラズマ
ＣＶＤ方法、および金属窒化物膜の形成方法、ならびに
これらの方法を用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルール
がクォータミクロンからサブクォータミクロンのレベル
へと微細化し、かつ多層配線構造が多用されるに伴い、
上層配線と下層配線を接続するための接続孔のアスペク
ト比も増大する傾向にある。例えば、０．１８μｍのデ
ザインルールの半導体装置においては、接続孔の開口径
０．２μｍに対し、層間絶縁膜の厚さは１．０〜２．０
μｍ程度であるので、アスペクト比は５〜１０に達す
る。かかる微細で高アスペクト比の接続孔により、信頼
性の高い多層配線構造を達成するには、接続孔内にオー
ミックコンタクト用のＴｉ等の金属膜と、配線材料の拡
散を防止するバリアメタルであるＴｉＮ等の金属窒化物
膜を薄く形成した後、Ａｌ系金属の高温スパッタリング
や、Ｗ（タングステン）の選択ＣＶＤやブランケットＣ
ＶＤにより、コンタクトプラグや上層配線を形成して、
接続孔を充填する方法が採用されつつある。

【０００３】通常、Ｔｉ金属膜やＴｉＮ窒化物膜を形成
するには、バルクのＴｉ金属をターゲット材料としたス
パッタリングや、反応性スパッタリングが行われるが、
これらスパッタリング方法では解決されないステップカ
バレッジ（段差被覆性）の問題を解決するため、被処理
基板表面での化学反応を利用したＣＶＤ法によるコンフ
ォーマルなＴｉ膜やＴｉＮ膜の形成方法が期待されてい
る。

【０００４】現在提案されているＴｉ系材料膜のＣＶＤ
方法は、大別して、Ｐｒｏｃ．１１ｔｈ．Ｉｎｔ．ＩＥ
ＥＥＶＭＩＣ，ｐ４４０（１９９４）等に報告されて
いるＴＤＭＡＴやＴＤＥＡＴ等の有機金属化合物を用い
る方法と、半導体・集積回路技術第４４回シンポジウム
講演論文集３１ページ（１９９３）等に報告されている
ＴｉＣｌ₄等の無機系金属ハロゲン化物を用いる方法と
の２種類がある。

【０００５】後者の、金属ハロゲン化物であるＴｉＣｌ
₄とＨ₂分子によるＴｉ膜の熱ＣＶＤにおける還元反応
は、次式（１）で与えられる吸熱反応であり、熱力学的
には反応の進みにくい系である（ΔＧは標準生成熱を表
す）。また成膜形状はコンフォーマルであり、接続孔の
側壁にも均一な厚さで堆積するため、接続孔の開口幅が
狭まり、Ｗ等の埋め込みが困難となる。ＴｉＣｌ₄＋２Ｈ₂→Ｔｉ＋４ＨＣｌ ΔＧ＝３９３．３ｋＪ／ｍｏｌ（１）

【０００６】このため、Ｈ₂をプラズマ中で解離し、Ｈ
原子やＨ活性種による還元反応を用いたプラズマＣＶＤ
によるＴｉ膜の成膜が注目されている。この反応は、次
式（２）で示される発熱反応となる。ＴｉＣｌ₄＋４Ｈ→Ｔｉ＋４ＨＣｌ ΔＧ＝−４７８．６ｋＪ／ｍｏｌ（２）

【０００７】したがって、プラズマＣＶＤによるＴｉ金
属膜の形成は、反応が容易に進行しやすく、比較的低温
での成膜も可能となる。とりわけ、ＥＣＲ(Electron Cy
clotron Resonance)プラズマ、ＩＣＰ(Inductively Cou
pled Plasma)あるいはヘリコン波プラズマ等の高密度プ
ラズマ源を用いたプラズマＣＶＤによれば、成膜速度や
均一性の点で有利である。

【０００８】しかしこれら高密度プラズマを用いてプラ
ズマＣＶＤを施しても、成膜条件によってはＴｉＣｌ₄
が充分にＨ原子やＨ活性種により還元されない場合が生
じる。この場合にはＴｉ金属膜成長の核密度が小さく、
Ｔｉ金属膜が不均一に成長する結果、粒状のモホロジを
示すこととなる。

【０００９】またＴｉＣｌ₄が充分に還元されないと、
未反応のＴｉＣｌ₄やＴｉのｓｕｂｃｈｌｏｒｉｄｅ、
すなわちＴｉＣｌ_x（ｘは１〜３の自然数）がプラズマ
中に多量に存在する。この場合には下地の導電材料層、
例えばシリコン基板が次式（３）の形でエッチングされ
る。ＴｉＣｌ₄＋３Ｓｉ→ＴｉＳｉ₂＋４ＳｉＣｌ₄ ΔＧ＝−３２．２ｋＪ／ｍｏｌ（３）このようなシリコン基板の腐食は、シリコン基板表面の
浅い不純物拡散層を破壊し、リーク電流を増大する深刻
な欠陥を生じる虞れを有する。

【００１０】さらにＴｉＣｌ₄の還元が不完全である
と、成膜されるＴｉ金属層膜にＴｉＣｌ_xや塩素原子が
取り込まれ、Ｔｉ金属膜中の残留塩素が増える。この結
果、後工程で形成されるＡｌ系金属層等が腐食され、コ
ンタクト抵抗値の増大や、極端な場合は断線の発生に至
る虞れがある。

【００１１】チャンバ内のダストの発生においても、未
反応のＴｉＣｌ₄やＴｉＣｌ_xは問題である。すなわ
ち、未反応のＴｉＣｌ₄やＴｉＣｌ_xは容易にＣＶＤチ
ャンバの内壁に吸着し、堆積する傾向がある。この堆積
物は塩素を多量に含んでいるため壁面との密着性は悪
く、プラズマのｏｎ／ｏｆｆにより発生する熱変化等に
より簡単に剥離し、チャンバ内や被処理基板のパーティ
クルレベルを悪化させる。

【００１２】一方、ＴｉＮ膜のＣＶＤ成膜においても、
熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法等による
各種製法が検討されている。これらのうち、熱ＣＶＤ法
はＴｉＣｌ₄とＮＨ₃との混合ガス反応系が採用され
る。この方法は良好なステップカバレッジが得られる長
所があるが、その反面、微細な接続孔を有する被処理基
板の場合には、接続孔の底面および側壁ともにコンフォ
ーマルな形状に成膜されるので開口幅が狭まり、その後
の工程において例えばＣＶＤ法でＷを接続孔内に充填す
ることが困難となる。すなわち、Ｗによるコンタクトプ
ラグ内にボイドが発生し、コンタクト抵抗の上昇や信頼
性の低下をきたす。さらに、ＴｉＣｌ₄とＮＨ₃との混
合ガス反応系では副反応生成物として固体の塩化アンモ
ニウム粒子が発生し、これもチャンバ内や被処理基板の
パーティクルレベルを悪化させる。このため、熱ＣＶＤ
法によるＴｉＮ膜そのもので接続孔内を埋め込む方法も
提案されているが、ＴｉＮの比抵抗はＷの比抵抗の１０
〜３０倍程度大きく、やはりコンタクト抵抗の上昇が問
題となる。

【００１３】ＴｉＮ膜のプラズマＣＶＤ法、特に高密度
プラズマ源を用いたプラズマＣＶＤ法においては、Ｔｉ
Ｃｌ₄、Ｎ₂およびＨ₂混合ガス反応系によりＴｉＮ中
性活性種が生成され、５００℃以下での効率のよい成膜
が可能である。

【００１４】Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜いずれのプラズマＣ
ＶＤ方法においても、発散磁場により被処理基板上への
成膜種の入射を制御する方式のプラズマＣＶＤ法を用い
る場合には、ＴｉＣｌ_x中性活性種やＴｉＮ中性活性種
は電気的に中性であるので、その入射方向を充分に制御
することができない。すなわち、被処理基板の周辺部分
においては、被処理基板の外周に向かって斜めに入射す
る成膜種の方向に修正を加えることができない。このた
め、被処理基板の周辺部分の段差部分、例えば接続孔の
底部や側壁では、片側が厚く他方の片側が薄い非対称な
成膜形状となる。このようなカバレッジの非対称性は、
８インチ以上の大口径基板においては特に問題となる。

【００１５】カバレッジの非対称性の改善のため、被処
理基板の裏側にミラー磁場発生用の電磁石を配設し、被
処理基板周縁部分でのプラズマ流を収束させる方法が提
案されている。この磁界構成を用いたプラズマＣＶＤに
より、荷電成膜種の入射方向は制御されるので、カバレ
ッジの対称性向上には一定の効果が見られるが、依然と
して中性成膜種の入射方向を制御することはできない。
ＴｉＮ膜５１のカバレッジの非対称性に起因する問題点
を図１２（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図１２は被処理基板周
縁部の層間絶縁膜２に形成された接続孔３の開口部の片
側を示し、図の左側が被処理基板の中心方向に相当す
る。被処理基板の中心方向から斜めに飛来する中性Ｔｉ
Ｎ活性種により、中性ＴｉＮ活性種が入射する側の接続
孔開口部にオーバハング状にＴｉＮ膜５１が成長し、こ
のオーバハング部直下にはＴｉＮ膜５１の膜厚が極端に
薄いくびれ部６が形成される（図１２（ａ））。これに
より、後工程でＷ膜７をＣＶＤ成膜する際に、原料ガス
であるＷＦ₆が薄いＴｉＮ膜５１を通過してＴｉ膜５に
達し、ＷＦ₆とＴｉ膜５との反応によりＴｉＦ_xが生成
し、ＴｉＦ_xとＷの混在物８となる。このＴｉＦ_xとＷ
の混在物８は密着性が悪いので、図１２（ｂ）に示すよ
うにＴｉＮ膜５１が浮きあがり剥離する。このようなＴ
ｉＮ膜５１の剥離は多層配線の信頼性を損なうばかりで
なく、ダストの原因ともなる。

【００１７】本発明は上述した問題点に鑑みて提案する
ものである。すなわち本発明の課題は、Ｔｉ等の金属膜
を、ＴｉＣｌ₄等の金属ハロゲン化物とＨ₂および希ガ
スを含む原料ガスによりプラズマＣＶＤ法で成膜するに
あたり、金属膜中の塩素等の残留ハロゲンが少なく、ま
たカバレッジの対称性に優れて平滑なモホロジを有し、
下地の導電材料層を腐食することのない信頼性の高いプ
ラズマＣＶＤ方法を提供することである。

【００１８】また本発明の別の課題は、ＴｉＮ等の金属
窒化物膜を形成するにあたり、同じくカバレッジの対称
性に優れ、膜剥離のない信頼性の高い成膜方法を提供す
ることである。

【００１９】さらに本発明の別の課題は、これら成膜方
法により形成された金属膜および／または金属窒化物膜
等を電極・配線材料として有する、高集積化された信頼
性の高い半導体装置を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために提案するものである。すなわち、本発明の
請求項１の金属膜のプラズマＣＶＤ方法は、金属ハロゲ
ン化物ガス、水素ガスおよび希ガスを含む原料ガスを用
い、被処理基板上に金属膜を形成するプラズマＣＶＤ方
法において、この金属ハロゲン化物を、プラズマ中の水
素活性種により還元して金属中性種を生成する工程と、
この金属中性種と、プラズマ中の希ガスイオンおよび電
子のうちの少なくとも一方とを衝突させ、金属イオンを
生成する工程と、を有するとともに、この金属ハロゲン
化物と、プラズマ中の希ガスイオンおよび電子のうちの
少なくとも一方とを衝突させ、金属イオンとハロゲン中
性種を生成する工程と、このハロゲン中性種を、プラズ
マ中の水素活性種により還元してハロゲン化水素を生成
する工程と、を有し、さらに生成したこれら金属イオン
を、被処理基板の主面に対し略垂直に入射させて、被処
理基板上に金属膜を形成する工程、を有することを特徴
とする。

【００２１】また本発明の請求項１２の金属窒化物膜の
形成方法は、被処理基板上に形成された金属膜を窒化す
ることにより形成される金属窒化物膜の形成方法におい
て、まず、この金属膜の形成工程は、金属ハロゲン化物
ガス、水素ガスおよび希ガスを含む原料ガスを用い、被
処理基板上に金属膜を形成するプラズマＣＶＤ方法であ
って、このプラズマＣＶＤ方法は、この金属ハロゲン化
物を、プラズマ中の水素活性種により還元して金属中性
種を生成する工程と、この金属中性種と、プラズマ中の
希ガスイオンおよび電子のうちの少なくとも一方とを衝
突させ、金属イオンを生成する工程と、を有するととも
に、この金属ハロゲン化物と、プラズマ中の希ガスイオ
ンおよび電子のうちの少なくとも一方とを衝突させ、金
属イオンとハロゲン中性種を生成する工程と、このハロ
ゲン中性種を、プラズマ中の水素活性種により還元して
ハロゲン化水素を生成する工程と、を有し、さらに生成
したこれら金属イオンを、被処理基板の主面に対し略垂
直に入射させて、被処理基板上に金属膜を形成する工
程、を有し、引き続くこの金属膜の窒化工程は、プラズ
マ窒化工程であり、先の金属膜の形成工程と、引き続く
金属膜の窒化工程とを、複数回繰り返すことにより、所
望の膜厚の金属窒化物膜を形成することを特徴とする。

【００２２】また本発明の請求項２５の金属窒化物膜の
形成方法は、被処理基板上に形成された金属膜を窒化す
ることにより形成される金属窒化物膜の形成方法におい
て、まず、この金属膜の形成工程は、金属ターゲットを
希ガスイオンによりスパッタリングするスパッタリング
工程、スパッタリングされた金属粒子と、希ガスイオン
および電子の少なくとも一方とを衝突させ、金属イオン
を生成する工程、およびこの金属イオンを被処理基板の
主面に対し略垂直に入射させて、被処理基板上に金属膜
を形成する工程を有し、引き続くこの金属膜の窒化工程
は、プラズマ窒化工程であり、先の金属膜の形成工程
と、引き続くこの金属膜の窒化工程とを、複数回繰り返
すことにより、所望の膜厚の金属窒化物膜を形成するこ
とを特徴とする。

【００２３】さらに本発明の半導体装置は、かかる方法
により形成された金属膜、あるいはこの金属膜がシリサ
イド化されることにより得られる金属シリサイド膜を電
極・配線等の構成部材として有することを特徴とする。
また本発明の他の半導体装置は、かかる方法により形成
された金属窒化物膜を電極・配線等の構成部材として有
することを特徴とする。

【００２４】本発明で採用する金属ハロゲン化物は金属
塩化物、金属臭化物あるいは金属沃化物等があげられ
る。より具体的には、ＴｉＣｌ₄（ｍｐ＝−２５℃、ｂ
ｐ＝１３６℃）、ＴｉＢｒ₄（ｍｐ＝３９℃、ｂｐ＝２
３０℃）、ＴｉＩ₄（ｍｐ＝１５０℃、ｂｐ＝３７７．
１℃）等のＴｉハロゲン化物が好適である。なかでもＴ
ｉＣｌ₄は室温で液体であり、取り扱いの簡便さから特
に好ましく使用することができる。これらのハロゲン化
チタンおよび有機Ｔｉ化合物は、公知のバーニング法あ
るいはキャリアガスを用いた加熱バブリング法等でプラ
ズマＣＶＤチャンバへ導入すればよい。

【００２５】本発明のプラズマＣＶＤ方法において採用
するプラズマＣＶＤ装置は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
やヘリコン波プラズマＣＶＤ装置のような高密度プラズ
マ発生源によるプラズマＣＶＤを用いれば成膜速度や均
一性の点で好ましい。これらプラズマＣＶＤ装置の基板
ステージ下に、ミラー磁場形成用の電磁石や、パーメン
ジュール等の高透磁率磁性体を配設したものが採用され
る。

【００２６】また本発明の金属窒化物膜の形成方法にお
いて採用するスパッタリング装置は、通常のダイオード
スパッタリング装置に、基板バイアス入力手段と、さら
にＡｒ等の希ガスを高効率にイオン化するための誘導結
合コイル等のプラズマ発生手段とを設けたものが望まし
い。スパッタリング装置としては、他にＥＣＲスパッタ
リング装置やイオンビームスパッタリング装置等を使用
することもできる。

【００２７】つぎに作用の説明に移る。本発明の金属膜
のプラズマＣＶＤ方法のポイントは、金属ハロゲン化物
としてＴｉＣｌ₄を例にとり説明すれば、（１）水素ガスおよび希ガスの混合ガスを高密度プラズ
マ源により励起し、水素原子や水素イオン等の水素活性
種を生成する点Ｈ₂＋ｅ → ２Ｈ＋ｅＨ₂＋ｅ → Ｈ＋Ｈ⁺＋２ｅ（２）水素活性種により金属ハロゲン化物の一部を高効
率に解離して、金属中性種を生成する点（この反応の標
準生成熱は−４７８．６ｋＪ／ｍｏｌの発熱反応であ
り、反応は容易に進行する。）ＴｉＣｌ₄＋４Ｈ → Ｔｉ＋４ＨＣｌ（３）この金属中性種を電子や希ガスイオンと衝突させ
て、金属イオン種とする点Ｔｉ＋ｅ → Ｔｉ⁺＋２ｅＴｉ＋Ａｒ⁺ → Ｔｉ⁺＋Ａｒ⁺＋ｅ（４）金属ハロゲン化物の他の一部を、望ましくは金属
のイオン化エネルギ以上のエネルギを有する電子あるい
は希ガス活性種と衝突させ、金属イオン種とするととも
に、副反応生成物であるハロゲン中性種を水素活性種で
還元する点ＴｉＣｌ₄＋ｅ → Ｔｉ⁺＋２Ｃｌ₂＋２ｅＴｉＣｌ₄＋Ａｒ⁺→ Ｔｉ⁺＋２Ｃｌ₂＋Ａｒ⁺＋ｅ（Ｔｉのイオン化エネルギ：６．８３６ｅＶ）Ｃｌ₂＋２Ｈ → ２ＨＣｌ（標準生成熱： −６２１．４ｋＪ／ｍｏｌ、発熱反
応）（５）前述の（３）および（４）の反応で得られた金属
イオン種を、発散磁場により被処理基板に向けて引き出
し、さらに被処理基板の裏面に配設された電磁石、高透
磁率磁性体によりこの金属イオン種を被処理基板に向け
て略垂直に入射させる点にある。

【００２８】かかる構成により、接続孔等の高アスペク
ト比の段差を有する被処理基板に対する成膜種の斜め入
射成分を排除でき、ほぼ垂直入射成分のみによる成膜が
できる。したがって、被処理基板周辺部の接続孔開口部
の成膜形状に、くびれが発生することなく、対称性が確
保されるとともに、高アスペクト比の接続孔の底部に所
望の膜厚の金属膜を形成することが可能である。また、
高エネルギのプラズマ解離によりハロゲンが完全に脱離
した金属イオンや、おなじくハロゲンが脱離した金属中
性種をさらにイオン化した金属イオンにより成膜するの
で、金属膜中の残留ハロゲンを充分に低減することがで
き、下地の導電材料層の腐食も発生しない。また副反応
生成物のハロゲン中性種はハロゲン化水素に還元され、
これはＣＶＤチャンバから速やかに除去されるので、こ
の点も金属膜中の残留ハロゲンの低減に寄与する。

【００２９】つぎに、本発明の金属窒化物膜の形成方法
のポイントは、金属窒化物膜を段差を有する被処理基板
上に直接形成するのではなく、金属膜を前述のプラズマ
ＣＶＤ方法や特定のスパッタリング法により形状よく形
成する工程と、この金属膜をプラズマ窒化する工程とを
反復し、所望の厚さと形状の金属窒化物膜を形成する点
にある。またこのプラズマ窒化方法として、（１）窒素ガス、水素ガスおよび希ガスの混合ガスを高
密度プラズマ源により励起し、窒素活性種および水素活
性種を生成する点Ｎ₂＋ｅ → Ｎ₂ ⁺＋２ｅおよびＨ₂＋ｅ → ２Ｈ＋ｅＨ₂＋ｅ → Ｈ＋Ｈ⁺＋２ｅ（２）この窒素活性種および水素活性種との反応によ
り、活性のＮＨ種を形成する点Ｎ₂ ⁺＋２Ｈ → ２ＮＨ（３）このＮＨ種が金属膜、例えばＴｉ膜表面に吸着
し、その場で解離して金属格子と反応して金属窒化物膜
を形成する点Ｔｉ＋ＮＨ → ＴｉＮ＋Ｈ以上の点に特徴を有する。金属膜の膜厚が例えば数ｎｍ
の薄膜であれば、金属膜全体を十分に窒化することが可
能である。より厚い金属窒化物膜を必要とする場合に
は、金属膜の形成と、そのプラズマ窒化を反復して所望
膜厚とすればよい。

【００３０】プラズマ窒化前の金属膜の形成方法として
は、先の発明によるプラズマＣＶＤによる方法の他に、
スパッタリングされた金属粒子をイオン化する手段を備
えるとともに、基板バイアスを印加することにより垂直
入射成分を高めたスパッタリング法によることもでき
る。

【００３１】かかる金属窒化物膜の形成方法により、や
はり接続孔等の高アスペクト比の段差を有する被処理基
板に対してもこの接続孔開口部の成膜形状に、くびれが
発生することなく、対称性が確保されるとともに、接続
孔の底部に所望の膜厚の金属窒化物膜を形成することが
可能である。また金属窒化物膜を直接成膜する際に発生
するパーティクルレベルの悪化もない。

【００３２】このような金属膜のプラズマＣＶＤ方法、
および金属窒化物膜の形成方法の採用により、高集積化
された半導体装置を、その多層配線のコンタクトプラグ
等にボイドや膜剥離等の不都合を生じることなく、信頼
性高く提供することが可能となる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施の形態
例につき添付図面を参照して説明する。

【００３４】プラズマＣＶＤ装置として、以下の発明の
実施の形態で採用したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概略
構成例を、図４を参照して説明する。図４に示したＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ装置は、大略プラズマ生成室３０と成
膜室４０とから構成されている。プラズマ生成室３０に
は、不図示のマグネトロンで発生した２．４５ＧＨｚの
マイクロ波を、マイクロ波導波管３１を伝播させ、さら
にマイクロ波導入窓３２を介して導入させる。このマイ
クロ波導入窓３２は石英やアルミナ等の誘電体から形成
されているが、実際にマイクロ波が導入される中心の矩
形部分を除いて、高周波電源が接続される電極（不図
示）が形成されており、このマイクロ波導入窓３２への
金属膜の付着を防止する構成となっている。符号３４は
ソレノイドコイルである。またプラズマ生成室３０には
水素ガスおよびＡｒ等の希ガスを導入するガス導入孔３
３が接続されている。

【００３５】一方の成膜室４０には、被処理基板４１を
載置する基板ステージ４２が、この基板ステージ４２の
裏面にはミラー磁場形成用の電磁石４３がそれぞれ配設
されている。基板ステージ４２には、これも不図示の加
熱手段と、被処理基板に入射する金属イオンの角度を被
処理基板に対し略垂直に修正する高透磁率磁性体（不図
示）が配設されている。符号４４はコンダクタンスバル
ブ等を介して真空ポンプに接続されているガス排気孔で
ある。プラズマ生成室３０と成膜室４０との間には、金
属ハロゲン化物ガスを導入するためのガスリング３５が
対称に挿入されている。なお図４では被処理基板の搬送
手段やマスフローコントローラ等その他の装置細部は図
示を省略する。

【００３６】かかる装置構成により、ガス導入孔３３か
ら導入された水素ガスと希ガスの混合ガスは、マイクロ
波導入窓３２から導入される２．４５ＧＨｚのマイクロ
波と、ソレノイドコイル３４が発生する０．０８７５Ｔ
の磁界との相互作用により高密度のＥＣＲプラズマとな
り、水素活性種を生成する。ガスリング３５から導入さ
れる金属ハロゲン化物の一部はこの水素活性種により金
属中性種に還元され、さらにこの金属中性種は希ガスイ
オンや電子と衝突してイオン化し、金属イオンとなる。
一方、ガスリング３５から導入される金属ハロゲン化物
の他の一部は、プラズマ中の希ガス活性種や電子と衝突
して、直接金属イオンとなる。これらの金属イオンは、
ソレノイドコイル３４が形成する発散磁場の磁場勾配に
より被処理基板４１に向けて引き出される。被処理基板
４１の周辺部に向けて斜めに入射する金属イオンは、ミ
ラー磁場形成用の電磁石４３と高透磁率磁性体とにより
その入射方向が修正され、被処理基板４１の主面に対し
ほぼ垂直方向に入射する。したがって、かかるプラズマ
ＣＶＤ装置の採用により、カバレッジの対称性のよい金
属膜の形成が可能である。

【００３７】次に、以下の発明の実施の形態例で採用し
たスパッタリング装置の一例の概略断面図を図５に示
す。図５においては、図４で示したＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ装置と類似する機能を有する構成部分には、共通の参
照符号を付すものとする。このスパッタリング装置の基
本的構成は、ダイオード型のＤＣスパッタリング装置で
あり、スパッタリング室５０内に配設された、被処理基
板４１を載置する基板ステージ４２、この基板ステージ
４２に対向して配置されるＴｉターゲット５４が基本構
成である。Ｔｉターゲット５４にはＤＣ電源が、基板ス
テージ４２には基板バイアス電源がそれぞれ接続されて
いる。本スパッタリング装置の特徴は、スパッタリング
室５０の壁面に沿って周回されたＩＣＰコイル５３と、
Ｔｉターゲット５４の前面に回動自在に設けられたシャ
ッタ５２の２点である。ＩＣＰコイル５３には、１３．
５６ＭＨｚあるいは２ＭＨｚのＩＣＰ電源が接続されて
いる。スパッタリング室５０の壁面が、石英等の誘電体
材料により構成されている場合には、ＩＣＰコイル５３
をスパッタリング室５０の外周に沿って周回してもよ
い。またシャッタ５２は不図示の駆動手段により、Ｔｉ
ターゲット５４を励起されるプラズマに対し露出／遮蔽
することができる。なお図５では、ガス導入孔やガス排
気孔等の装置細部は図示を省略する。

【００３８】かかる装置構成により、スパッタリング室
５０に導入されるＡｒや、Ｎ₂、ＮＨ₃等のＮ系ガス、
あるいはスパッタリングされたＴｉ粒子等を高効率にプ
ラズマ化することができ、またＴｉターゲット５４が窒
化されてスパッタリングイールドが極端に低下する不都
合を回避することができる。

【００３９】以下、本発明を具体的な実施例によりさら
に詳しく説明する。以下の実施例１〜３は、プラズマＣ
ＶＤ装置として先述したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を採
用し、ＴｉＣｌ₄／Ｈ₂／Ａｒからなる混合ガスを用い
てＴｉ金属膜を形成した例である。

【００４０】実施例１本実施例は半導体基板に形成された不純物拡散層に臨ん
で開口された接続孔（コンタクトホール）内に、Ｔｉ膜
からなるコンタクトメタルを形成した例であり、これを
図１および図６〜図８を参照して説明する。なお図６〜
図８の装置構成は図４で説明したＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置と同一であり、装置構成を示す参照符号は省略して
示す。

【００４１】本実施例で採用した被処理基板は、図１
（ａ）にその要部拡大断面図で示すように、例えば８イ
ンチ径のシリコン等の半導体基板１上に酸化シリコン等
の層間絶縁膜２を形成し、半導体基板１に形成された不
図示の不純物拡散層に臨む接続孔３が形成されたもので
ある。層間絶縁膜２の厚さは例えば２μｍ、接続孔３の
開口径は０．２μｍ、アスペクト比は約１０である。接
続孔３は被処理基板の中央部、周辺部にわたり同一形状
のものが多数形成されている。

【００４２】接続孔３底部に露出する半導体基板１表面
の自然酸化膜や汚染物を希フッ酸等により除去洗浄後、
この被処理基板を図４に示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置の基板ステージ４２上に載置する。この段階では、接
続孔３底部には新たに自然酸化膜４が薄く形成されてい
る。プラズマ生成室３０にガス導入孔３３からＨ₂／Ａ
ｒ混合ガスを導入し、ＥＣＲ放電によりプラズマ励起す
ることにより、高エネルギの電子が生成される。これ
は、Ｈ₂の励起状態の寿命よりも、Ａｒの励起状態の寿
命の方が一桁以上長いためと考えられる。次に、Ｈ₂は
プラズマ中に生成した高エネルギの電子との衝突により
解離し、Ｈ原子やＨ⁺イオン等の水素活性種を生成す
る。この様子を図６（ａ）に示す。

【００４３】水素活性種を含むＨ₂／Ａｒ混合ガスのプ
ラズマを、ソレノイドコイル３４の発散磁場の勾配によ
り成膜室４０に引き出し、成膜室４０にガスリング３５
から導入したＴｉＣｌ₄ガスの一部をこの水素活性種に
より還元し、Ｔｉ中性種を生成する（図６（ｂ））。Ｔ
ｉ中性種の生成は、発光スペクトル中の３７４ｎｍおよ
び４５３ｎｍのピークによりモニタすることができる。
プラズマＣＶＤ条件の一例を下記に示す。Ｈ₂流量８０〜１４０ｓｃｃｍＡｒ流量１７０〜３００ｓｃｃｍＴｉＣｌ₄流量２〜７ｓｃｃｍマイクロ波パワー２．８ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）被処理基板温度３００〜４６０ ℃ 本プラズマＣＶＤ条件、特にガス流量比はＴｉＣｌ₄が
充分に水素活性種により還元できる条件である。この流
量比は、本発明者が先に出願した特願平７−３３６３０
９号明細書として提案したように、水素原子線および塩
素の発光強度変化から規定することができる。

【００４４】この還元反応により生成したＴｉ中性種
は、プラズマ中の電子、および希ガス活性種すなわちＡ
ｒイオンや励起Ａｒ原子と衝突し、Ｔｉ⁺イオンを生成
する（図７（ｃ））。Ｔｉ⁺イオンの生成は、プラズマ
発光の分光測定より、Ｔｉ⁺イオンのピーク３２３ｎｍ
および３３５ｎｍにより確認する。

【００４５】一方、成膜室４０にガスリング３５から導
入したＴｉＣｌ₄ガスの他の一部は、Ｔｉのイオン化エ
ネルギ以上のエネルギを有する、プラズマ中の電子およ
びＡｒ活性種と衝突し、直接Ｔｉ⁺イオンを生成する。
副反応生成物であるハロゲン中性種としてのＣｌ₂は、
水素活性種により還元され、ハロゲン化水素すなわちＨ
Ｃｌとなってチャンバ内から速やかに排気される。この
還元反応は、次式に示される発熱反応であり、容易に進
行しやすい系である。Ｃｌ₂＋２Ｈ → ２ＨＣｌ（標準生成熱 −６２１．
３ｋＪ／ｍｏｌ）この様子を図７（ｄ）に示す。この時、先に例示したプ
ラズマＣＶＤ条件におけるマイクロ波パワーは、プラズ
マ中の電子およびＡｒ活性種が、Ｔｉのイオン化エネル
ギ以上のエネルギを有するように選ばれる。かかるプラ
ズマの励起状態は、プラズマＣＶＤ時の放電投入電力を
増加させていった際のプラズマ発光の分光測定におけ
る、金属原子の発光強度が略飽和するとともに、金属イ
オンの発光強度が増加してゆく領域で規定される。この
様子を図９を参照してさらに詳しく説明する。

【００４６】図９はＴｉ原子およびＴｉイオンの発光強
度と、ＥＣＲプラズマＣＶＤ時のマイクロ波パワーとの
相関の一例を示すグラフである。図９のグラフから明ら
かなように、マイクロ波パワーが２ｋＷ以上の放電投入
電力領域ではＴｉ原子の発光（４５３．３ｎｍ）強度は
ほぼ飽和するのに対し、Ｔｉ⁺イオンの発光（３２３．
４ｎｍおよび３３４．９ｎｍ）強度は依然として増加し
ている。これは、この領域ではプラズマ中の電子および
Ａｒ活性種が、Ｔｉのイオン化エネルギ以上のエネルギ
を有するようになったためである。すなわち、２ｋＷ以
上のマイクロ波パワー領域では、ＴｉＣｌ₄ガスはプラ
ズマ中の電子およびＡｒ活性種により高効率に解離され
て直接Ｔｉ⁺イオンを生成している。もちろんこの領域
ではＴｉＣｌ₄ガスの還元反応により生成したＴｉ中性
種もＴｉ⁺イオンとなる。

【００４７】これらの反応過程により生成したＴｉ⁺イ
オンを、発散磁場４５の勾配によりさらに被処理基板４
１に向け引き出す（図８（ｅ））。

【００４８】本実施例においては、この発散磁場４５に
よるＴｉ⁺イオンの斜め入射成分が被処理基板４１に直
接入射しないように、基板ステージ４２下部に配設した
電磁石４３によりミラー磁場４６を形成する。基板ステ
ージ４２の裏面には、高透磁率磁性体（不図示）が配設
してある。このミラー磁場４６により基板ステージ４２
に対する垂直入射成分を高められたＴｉ⁺イオンは、磁
場を引き寄せる高透磁率磁性体の働きにより、さらにそ
の垂直入射成分を高められる。これに加え、被処理基板
４１上に形成されたフローティングによるシース電位差
（セルフバイアス）により加速され、Ｔｉ⁺イオンは散
乱を受けることなく、被処理基板４１にほぼ垂直に入射
する（図８（ｆ））。Ｔｉ⁺イオンの散乱を防止するた
めに、被処理基板４１にイオンダメージを発生しない程
度の弱い基板バイアスを基板ステージ４２に印加しても
よい。なお高透磁率磁性体としては、パーメンジュール
（Ｆｅ−Ｃｏ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合
金）等を均一な薄板状として、基板ステージ４２の下部
あるいは内部に配設すればよい。

【００４９】本実施例のプラズマＣＶＤ方法の工程を示
す概略断面図である図１において、接続孔３（コンタク
トホール）底部には、先述したように再酸化等による自
然酸化膜４が形成されている（図１（ａ））。プラズマ
ＣＶＤの初期過程においては、シース電位差により加速
されたＨ⁺、Ａｒ⁺およびＴｉ⁺等の垂直入射イオンが
自然酸化膜４と衝突する。これらのうち、Ｈ⁺およびＴ
ｉ⁺と自然酸化膜４とは反応し、Ｈ₂ＯおよびＴｉＯ₂
を生成する化学スパッタリングの形で自然酸化膜４を除
去する。またＡｒ⁺は周知の物理的なスパッタリングの
形で自然酸化膜４を除去する（図１（ｂ））。

【００５０】このように自然酸化膜４が除去された接続
孔３を有する被処理基板の全面には、垂直入射するＴｉ
⁺イオンにより非対称性を生じることなく、良好なカバ
レッジを有するＴｉ膜５が形成される。Ｔｉ膜５のカバ
レッジは、接続孔底部の膜厚と、層間絶縁膜２の表面に
おける膜厚との比率で表して、５０％であった（図１
（ｃ））。このカバレッジは、８インチの被処理基板４
１の中心部および周辺部でも同様に良好であった。接続
孔３底部に清浄な拡散層表面が露出した状態でＴｉ膜５
を形成したため、半導体基板１とＴｉ膜５の界面にはＴ
ｉシリサイド（不図示）が形成され、低抵抗のコンタク
トプラグを形成することが可能である。この後、必要に
応じてＴｉＮ膜を成膜し、Ａｌ系金属あるいはブランケ
ットＣＶＤによるＷ等により接続孔３内を埋め込み、コ
ンタクトプラグあるいは上層配線を形成する。

【００５１】本実施例によれば、シリコン等の半導体基
板との低抵抗かつ均一性の高いコンタクトを形成するこ
とができる。

【００５２】実施例２本実施例は、Ａｌ系金属配線に臨んで開口された接続孔
（ビアホール）内に、Ｔｉ膜からなるコンタクトメタル
を形成した例であり、これを図２および図６〜図８を参
照して説明する。なお図２では、前実施例１で参照した
図１中の構成要素と類似の構成要素には、同じ参照符号
を付すものとする。本実施例で採用した被処理基板は、
図２（ａ）にその要部拡大断面図で示すように、例えば
８インチ径の半導体基板上に絶縁膜（不図示）とＡｌ系
金属配線１０と層間絶縁膜２を形成し、Ａｌ系金属配線
１０に臨む接続孔（ビアホール）３が形成されたもので
ある。このＡｌ系金属配線１０は、例えばＡｌ−１％Ｓ
ｉ合金からなるＡｌ配線１０ａと、例えばＴｉＮからな
る反射防止膜１０ｂとの積層構造を有する。図示の接続
孔３は、底部の反射防止膜１０ｂが除去され、露出した
Ａｌ配線１０ａの表面には自然酸化膜４が形成されてい
る。接続孔３は、底部の反射防止膜１０ｂを除去せずに
残してもよく、この場合には反射防止膜１０ｂの表面に
自然酸化膜が形成される。層間絶縁膜２の厚さは例えば
２μｍ、接続孔３の開口径は０．２μｍ、アスペクト比
は約１０である。接続孔３は、例えば８インチ径の被処
理基板の中央部、周辺部にわたり同一形状のものが多数
形成されている。

【００５３】この被処理基板を、図４に示したＥＣＲプ
ラズマＣＶＤ装置の基板ステージ４２上に載置する。プ
ラズマ生成室３０にガス導入孔３３からＨ₂／Ａｒ混合
ガスを導入し、ＥＣＲ放電によりプラズマ励起させる。
この時、Ｈ₂はプラズマ中の電子との衝突により解離
し、Ｈ原子やＨ⁺イオン等の水素活性種を生成する。こ
の様子を図６（ａ）に示す。

【００５４】水素活性種を含むＨ₂／Ａｒ混合ガスのプ
ラズマを、ソレノイドコイル３４の発散磁場の勾配によ
り成膜室４０に引き出し、成膜室４０に導入したＴｉＣ
ｌ₄ガスをこの水素活性種により還元し、Ｔｉ中性種を
生成する（図６（ｂ））。Ｔｉ中性種の生成は、発光ス
ペクトル中の３７４ｎｍおよび４５３ｎｍのピークによ
りモニタすることができる。プラズマＣＶＤ条件の一例
を下記に示す。Ｈ₂流量８０〜１４０ｓｃｃｍＡｒ流量１７０〜３００ｓｃｃｍＴｉＣｌ₄流量２〜７ｓｃｃｍマイクロ波パワー２．８ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）被処理基板温度３００〜４６０ ℃

【００５５】この還元反応により生成したＴｉ中性種
は、プラズマ中の電子、および希ガス活性種すなわちＡ
ｒイオンや励起Ａｒ原子と衝突し、Ｔｉ⁺イオンを生成
する（図７（ｃ））。Ｔｉ⁺イオンの生成は、プラズマ
発光の分光測定より、Ｔｉ⁺イオンのピーク３２３ｎｍ
および３３５ｎｍにより確認する。

【００５６】一方、成膜室４０にガスリング３５から導
入したＴｉＣｌ₄ガスの他の一部は、Ｔｉのイオン化エ
ネルギ以上のエネルギを有する、プラズマ中の電子およ
びＡｒ活性種と衝突し、直接Ｔｉ⁺イオンを生成する。
副反応生成物であるハロゲン中性種としてのＣｌ₂は、
水素活性種により還元され、ハロゲン化水素すなわちＨ
Ｃｌとなってチャンバ内から速やかに排気される。この
還元反応は、次式に示される発熱反応であり、容易に進
行しやすい系である。Ｃｌ₂＋２Ｈ → ２ＨＣｌ（標準生成熱 −６２１．
３ｋＪ／ｍｏｌ）この様子を図７（ｄ）に示す。この時、先に例示したプ
ラズマＣＶＤ条件におけるマイクロ波パワーは、プラズ
マ中の電子およびＡｒ活性種が、Ｔｉのイオン化エネル
ギ以上のエネルギを有するように選ばれる。かかるプラ
ズマの励起状態は、前実施例１で図９を参照して説明し
たように、プラズマＣＶＤ時の放電投入電力を増加させ
ていった際のプラズマ発光の分光測定における、金属原
子の発光強度が略飽和するとともに、金属イオンの発光
強度が増加してゆく領域で規定される。

【００５７】これらの反応過程により生成したＴｉ⁺イ
オンを、発散磁場４５の勾配によりさらに被処理基板４
１に向け引き出す（図８（ｅ））。

【００５８】本実施例においても、この発散磁場４５に
よるＴｉ⁺イオンの斜め入射成分が被処理基板４１に直
接入射しないように、基板ステージ４２下部に配設した
電磁石４３によりミラー磁場４６を形成する。基板ステ
ージ４２の裏面には、高透磁率磁性体（不図示）が配設
してある。ミラー磁場４６により基板ステージ４２に対
する垂直入射成分を高められたＴｉ⁺イオンは、磁場を
引き寄せる高透磁率磁性体の働きにより、さらにその垂
直入射成分を高められる。これに加え、被処理基板４１
上に形成されたフローティングによるシース電位差によ
り加速され、Ｔｉ⁺イオンは散乱を受けることなく、被
処理基板４１にほぼ垂直に入射する（図８（ｆ））。Ｔ
ｉ⁺イオンの散乱を防止するために、被処理基板４１に
イオンダメージを発生しない程度の弱い基板バイアスを
基板ステージ４２に印加してもよい。

【００５９】本実施例のプラズマＣＶＤ方法の工程を示
す概略断面図である図２において、被処理基板に形成さ
れた接続孔３（ビアホール）底部には、先述したように
Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＴｉＯＮ等の自然酸化膜４が形成さ
れている（図２（ａ））。プラズマＣＶＤの初期過程に
おいては、シース電位差により加速されたＨ⁺、Ａｒ⁺
およびＴｉ⁺等の垂直入射イオンが自然酸化膜４と衝突
する。これらのうち、Ｈ⁺およびＴｉ⁺と自然酸化膜４
とは反応し、Ｈ₂ＯおよびＴｉＯ₂を生成する化学スパ
ッタリングの形で自然酸化膜４を除去する。またＡｒ⁺
は周知の物理的なスパッタリングの形でＡｌ₂Ｏ₃やＴ
ｉＯＮ等の自然酸化膜４そのものを除去する（図２
（ｂ））。

【００６０】このように自然酸化膜４が除去された接続
孔３をはじめとする被処理基板４１全面には、垂直入射
するＴｉ⁺イオンにより、非対称性を生じることなく、
良好なカバレッジを有するＴｉ膜５が形成される。Ｔｉ
膜５のカバレッジは、接続孔底部の膜厚と、層間絶縁膜
２の表面における膜厚との比率で表して、５０％であっ
た（図２（ｃ））。このカバレッジは、８インチの被処
理基板４１の中心部および周辺部でも同様に良好であっ
た。接続孔３底部に清浄なＡｌ系金属配線１０表面が露
出した状態でＴｉ膜５を形成したため、低抵抗のビアコ
ンタクトプラグを形成することが可能である。この後、
必要に応じてＴｉＮ膜を成膜し、Ａｌ系金属あるいはブ
ランケットＣＶＤによるＷ等により接続孔３内を埋め込
み、コンタクトプラグあるいは上層配線を形成する。

【００６１】本実施例によれば、Ａｌ系金属配線との低
抵抗かつ均一性の高いビアコンタクトを形成することが
できる。

【００６２】実施例３本実施例は、ソース／ドレイン拡散層上にシリサイド層
を自己整合的に形成して拡散層の抵抗を低減し、ＭＯＳ
トランジスタデバイスの動作速度を向上させるサリサイ
ドプロセスに本発明のプラズマＣＶＤ方法を適用した例
であり、これを図３および図６〜８を参照して説明す
る。

【００６３】本実施例で採用した被処理基板は、図３
（ａ）にその要部拡大断面図を示すように、シリコン等
の半導体基板１上に形成されたＬＯＣＯＳ２３により囲
まれた素子形成領域に、ＬＤＤサイドウォールスペーサ
２１付きのゲート電極２０および不純物拡散層２２が周
知の方法により形成されたものである。

【００６４】不純物拡散層２２表面の自然酸化膜や汚染
物を希フッ酸等により除去洗浄後、この被処理基板を図
４に示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の基板ステージ４
２上に載置する。不純物拡散層２２表面には、自然酸化
膜４が新たに薄く形成されている。プラズマ生成室３０
にＨ₂／Ａｒ混合ガスを導入し、ＥＣＲ放電によりプラ
ズマ励起させる。この時、Ｈ₂はプラズマ中の電子との
衝突により解離し、Ｈ原子やＨ⁺イオン等の水素活性種
を生成する。この様子を図６（ａ）に示す。

【００６５】水素活性種を含むＨ₂／Ａｒ混合ガスのプ
ラズマを、ソレノイドコイル３４の発散磁場の勾配によ
り成膜室４０に引き出し、成膜室４０に導入したＴｉＣ
ｌ₄ガスをこの水素活性種により還元し、Ｔｉ中性種を
生成する（図６（ｂ））。Ｔｉ中性種の生成は、発光ス
ペクトル中の３７４ｎｍおよび４５３ｎｍのピークによ
りモニタすることができる。プラズマＣＶＤ条件の一例
を下記に示す。Ｈ₂流量８０〜１４０ｓｃｃｍＡｒ流量１７０ｓｃｃｍＴｉＣｌ₄流量３〜７ｓｃｃｍマイクロ波パワー２．８ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）被処理基板温度３００〜４６０ ℃

【００６６】この還元反応により生成したＴｉ中性種
は、プラズマ中の電子、および希ガス活性種すなわちＡ
ｒイオンや励起Ａｒ原子と衝突し、Ｔｉ⁺イオンを生成
する（図７（ｃ））。Ｔｉ⁺イオンの生成は、プラズマ
発光の分光測定より、Ｔｉ⁺イオンのピーク３２３ｎｍ
および３３５ｎｍにより確認する。

【００６７】一方、成膜室４０にガスリング３５から導
入したＴｉＣｌ₄ガスの他の一部は、Ｔｉのイオン化エ
ネルギ以上のエネルギを有する、プラズマ中の電子およ
びＡｒ活性種と衝突し、直接Ｔｉ⁺イオンを生成する。
副反応生成物であるハロゲン中性種としてのＣｌ₂は、
水素活性種により還元され、ハロゲン化水素すなわちＨ
Ｃｌとなってチャンバ内から速やかに排気される。この
還元反応は、次式に示される発熱反応であり、容易に進
行しやすい系である。Ｃｌ₂＋２Ｈ → ２ＨＣｌ（標準生成熱 −６２１．
３ｋＪ／ｍｏｌ）この様子を図７（ｄ）に示す。この時、先に例示したプ
ラズマＣＶＤ条件におけるマイクロ波パワーは、プラズ
マ中の電子およびＡｒ活性種が、Ｔｉのイオン化エネル
ギ以上のエネルギを有するように選ばれる。かかるプラ
ズマの励起状態は、先に実施例１で図９を参照して詳述
したように、プラズマＣＶＤ時の放電投入電力を増加さ
せていった際のプラズマ発光の分光測定における、金属
原子の発光強度が略飽和するとともに、金属イオンの発
光強度が増加してゆく領域で規定される。

【００６８】これらの反応過程により生成したＴｉ⁺イ
オンを、発散磁場４５の勾配によりさらに被処理基板４
１に向け引き出す（図８（ｅ））。

【００６９】本実施例においても、この発散磁場４５に
よるＴｉ⁺イオンの斜め入射成分が被処理基板４１に直
接入射しないように、基板ステージ４２下部に配設した
電磁石４３によりミラー磁場４６を形成する。基板ステ
ージ４２の裏面には、高透磁率磁性体（不図示）が配設
してある。ミラー磁場４６により基板ステージ４２に対
する垂直入射成分を高められたＴｉ⁺イオンは、磁場を
引き寄せる高透磁率磁性体の働きにより、さらにその垂
直入射成分を高められる。これに加え、被処理基板４１
上に形成されたフローティングによるシース電位差によ
り加速され、Ｔｉ⁺イオンは散乱を受けることなく、被
処理基板にほぼ垂直に入射する（図８（ｆ））。Ｔｉ⁺
イオンの散乱を防止するために、被処理基板４１にイオ
ンダメージを発生しない程度の弱い基板バイアスを基板
ステージ４２に印加してもよい。

【００７０】不純物拡散層２２表面には、自然酸化膜４
が形成されているが、プラズマＣＶＤの初期過程におい
ては、シース電位差により加速されたＨ⁺、Ａｒ⁺およ
びＴｉ⁺等の垂直入射イオンが自然酸化膜４と衝突す
る。これらのうち、Ｈ⁺およびＴｉ⁺と自然酸化膜４と
は反応し、Ｈ₂ＯおよびＴｉＯ₂を生成する化学スパッ
タリングの形で自然酸化膜４を除去する。またＡｒ⁺は
周知の物理的なスパッタリングの形でＡｌ₂Ｏ₃やＴｉ
ＯＮ等の自然酸化膜４そのものを除去する（図３
（ｂ））。

【００７１】このように自然酸化膜４が除去された不純
物拡散層２２表面をはじめとする被処理基板４１全面に
は、ＬＤＤサイドウォールスペーサ２１側面やその直下
の不純物拡散層２２表面においても非対称性を生じるこ
となく、垂直入射するＴｉ⁺イオンにより良好なカバレ
ッジや均一な膜厚を有するＴｉ膜５が形成される（図３
（ｃ））。Ｔｉ膜５のカバレッジは、８インチの被処理
基板４１の中心部および周辺部でも同様に良好であっ
た。本プラズマＣＶＤ工程においては、活性化された清
浄な不純物拡散層２２表面が露出した状態でＴｉ膜５を
形成したため、Ｔｉ膜５と不純物拡散層２２表面のシリ
コンとが容易に反応し、プラズマＣＶＤ時の３００〜４
６０℃の被処理基板温度ですでにＴｉ−Ｓｉ反応層（不
図示）が形成されている。

【００７２】この後、窒素雰囲気中で６５０℃で３０〜
６０秒間のＲＴＡを施して、不純物拡散層２２上のシリ
サイド化反応を促進する。ＬＤＤサイドウォールスペー
サ２１やＬＯＣＯＳ２３上等の未反応のＴｉ膜５をウェ
ットエッチングにより除去し、さらに８００℃で３０秒
間、Ａｒ中でのＲＴＡを施す。この熱処理により、不純
物拡散層２２上に自己整合的に形成されたＴｉＳｉ
₂を、準安定なＣ４９相から、低抵抗で安定なＣ５４相
のＴｉＳｉ₂層２４に層転位させる（図３（ｄ））。ゲ
ート電極２０の上面に多結晶シリコンが露出している場
合には、このゲート電極２０上にもＴｉＳｉ₂層が形成
される。この後、常法に準じて層間絶縁膜形成工程、接
続孔開口工程等を経てＭＯＳトランジスタを完成させ
る。

【００７３】本実施例によれば、Ｔｉ膜５のプラズマＣ
ＶＤ時にすでにＴｉ−Ｓｉ反応層が不純物拡散層２２表
面に形成されているので、これがＣ５４シリサイド相へ
の相転移を安定に進める核としての役割を果たす。この
ため、微細幅のゲート電極上におけるＣ４９→Ｃ５４シ
リサイド相への相転位が困難となる、いわゆる細線効果
がなく、薄く均一で低抵抗のＴｉＳｉ₂層２４を安定に
形成することができる。

【００７４】以下の実施例４〜５は、本発明の金属窒化
物膜の形成方法を説明するものである。実施例４本実施例は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置によりＴｉから
なる金属膜を形成後、これを同じＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置内でプラズマ窒化する工程を繰り返し、所望とする
膜厚のＴｉＮからなる金属窒化物膜を形成した例であ
る。

【００７５】本実施例で採用したＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置は、前実施例１〜３で図４を参照して説明したもの
であるので、重複する説明は省略する。また本実施例で
採用した被処理基板、および本実施例の前半のＴｉから
なる金属膜の形成工程も、前実施例１で図１および図６
〜８を参照して説明したものに準拠したものであり、こ
こでも重複する説明は省略する。ただし、本実施例にお
いては、図１（ｃ）の状態で示されるＴｉ膜５の成膜厚
さは３〜１０ｎｍに留める。

【００７６】本実施例の後半のプラズマ窒化工程を、図
１０および図１１を参照して詳しく説明する。なお図１
０においても装置構成を示す参照符号は簡単のために省
略する。金属窒化物膜の形成工程を示す概略断面図であ
る図１１において、シリコン等の半導体基板１上に層間
絶縁膜２を２μｍの厚さに形成し、０．２μｍ径の接続
孔３を開口する。この被処理基板上全面に、Ｔｉ膜５を
例えば５ｎｍ形成する。Ｔｉ膜５は実施例１のプラズマ
ＣＶＤ方法に準じて形成したものであり、良好なカバレ
ッジ（５０％）と対称性を有する。

【００７７】この被処理基板を、図１０に示すようにＥ
ＣＲプラズマＣＶＤ装置の基板ステージ４２にセッティ
ングし、プラズマ生成室３０にＮ₂、Ｈ₂およびＡｒの
混合ガスを導入し、ＥＣＲ放電によりプラズマ励起す
る。このとき、Ｎ₂と電子との衝突によりＮ₂ ⁺が生成
され、またＨ₂と電子との衝突によりＨ原子とＨ⁺が生
成される。つぎに、このＮ₂ ⁺とＨとの反応により、活
性のＮＨが生成され、ＮＨは基板ステージ４２上の被処
理基板４１に向け引き出される。ＮＨの生成は、プラズ
マの分光測定から観測されるＮＨの発光（３３６ｎｍ）
により確認することができる。

【００７８】被処理基板４１に到達したＮＨは、予め成
膜されたＴｉ膜５表面に吸着し、ここでＮとＨに解離す
る。活性Ｎ原子はＴｉ膜５のＴｉ格子と反応してプラズ
マ窒化し、ＴｉＮに変換させる（図１１（ａ））。この
Ｔｉ膜５のプラズマＣＶＤ工程と、プラズマ窒化工程を
それぞれ３回繰り返し、所望の厚さのＴｉＮ膜５１を形
成する（図１１（ｂ））。この後、Ａｌ系金属あるいは
ブランケットＣＶＤによるＷ等により接続孔３内を埋め
込み、コンタクトプラグあるいは上層配線（いずれも不
図示）を形成する。

【００７９】本実施例によれば、ＴｉＮ膜５１の成膜形
状に接続孔３の開口部を塞ぐようなくびれや非対称性の
発生がない。また接続孔３の側壁は薄く、底部には厚く
ＴｉＮ膜５１が形成されるので、微細開口径の接続孔で
あっても、後工程でＷのブランケットＣＶＤ等により、
接続孔３内をボイドの発生なく埋め込むことができる。
かかるＴｉＮ膜５１の成膜形状は、接続孔の側壁、底部
ともほぼ同じ膜厚で成膜される熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜
の形成方法では、達成することは不可能である。また本
実施例において、Ｔｉ膜を予めプラズマＣＶＤ法により
例えば２０ｎｍと厚く形成しておき、これをプラズマ窒
化することにより、Ｔｉ膜の表面側のみが窒化された、
Ｔｉ膜／ＴｉＮ膜の２層構造を得ることもできる。

【００８０】実施例５本実施例は、スパッタリング法で生成したＴｉ粒子をイ
オン化して生成したＴｉ⁺種によりＴｉ膜を成膜する工
程と、このＴｉ膜をプラズマ窒化する工程を繰り返し、
所望とする膜厚のＴｉＮ膜を形成するものであり、これ
を図５および図１、図１１を参照して説明する。この
際、スパッタリング装置のＴｉターゲットの前面にシャ
ッタ機構を設け、Ｔｉターゲットの窒化を防止すること
が重要である。

【００８１】本実施例で採用した被処理基板は、前実施
例１で図１（ａ）で示したものと同様であるので、重複
する説明は省略する。図１（ａ）において、接続孔３底
部に露出する半導体基板１表面の自然酸化膜や汚染物を
希フッ酸等により除去洗浄後、この被処理基板を図５に
示したスパッタリング装置の基板ステージ４２上に載置
する。接続孔３底部には新たに自然酸化膜４が薄く形成
されている。

【００８２】不図示のガス導入孔よりＡｒガスを導入す
るとともに、Ｔｉターゲットにはスパッタリング用のＤ
Ｃ電圧を印加し、Ｔｉ粒子を生成させる。この際、ＩＣ
Ｐコイル５３にはＩＣＰ電源からＲＦパワーを供給し、
スパッタリングにより生成したＴｉ粒子をＩＣＰプラズ
マ中に存在するＡｒ⁺イオンや電子との衝突によりイオ
ン化させる。さらに基板ステージ４２には基板バイアス
を印加し、生成したＴｉ⁺イオンを被処理基板４１に向
けてほぼ垂直に入射させる。スパッタリング条件の一例
を下記に示す。スパッタリングパワー５ｋＷ（ＤＣ）ＩＣＰ電源パワー１．５ｋＷ（２ＭＨｚ）基板バイアスパワー０．１２ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ）圧力３０〜５０ｍＴｏｒｒ

【００８３】このスパッタリング工程の初期過程におい
ては、基板バイアスにより加速されたＨ⁺、Ａｒ⁺およ
びＴｉ⁺等の垂直入射イオンが自然酸化膜４と衝突す
る。これらのうち、Ｈ⁺およびＴｉ⁺と自然酸化膜４と
は反応し、Ｈ₂ＯおよびＴｉＯ₂を生成する化学スパッ
タリングの形で自然酸化膜４を除去する。またＡｒ⁺は
周知の物理的なスパッタリングの形で自然酸化膜４を除
去する（図１（ｂ））。

【００８４】このように自然酸化膜４が除去された接続
孔３をはじめとする被処理基板４１全面には、垂直入射
するＴｉ⁺イオンにより非対称性を生じることなく、良
好なカバレッジを有するＴｉ膜５が形成される。Ｔｉ膜
５の膜厚は３〜１０μｍが適当である。Ｔｉ膜５のカバ
レッジは、接続孔底部の膜厚と、層間絶縁膜２の表面に
おける膜厚との比率で表して、５０％であった（図１
（ｃ））。このカバレッジは、８インチの被処理基板４
１の中心部および周辺部でも同様に良好であった。

【００８５】本実施例の後半のプラズマ窒化工程を再び
図１１を参照して説明する。同一のスパッタリング装置
内において、Ｔｉターゲット５４前のシャッタ５２を閉
じてＴｉターゲット５４を遮蔽し、Ｎ₂、Ｈ₂およびＡ
ｒの混合ガスを導入し、ＩＣＰ放電によりプラズマを励
起する。このプラズマ中では、Ｎ₂、Ｈ₂と電子との衝
突により、Ｎ₂ ⁺、Ｈ原子およびＨ⁺が生成し、さらに
Ｎ₂ ⁺とＨ原子との反応により活性のＮＨが生成され
る。ＮＨの生成は、プラズマ発光の３３６ｎｍのピーク
により確認される。

【００８６】被処理基板４１表面において、活性ＮＨは
予め成膜されたＴｉ膜５表面に吸着し、さらにＮとＨと
に解離する（図１１（ａ））。この活性Ｎ原子は直ちに
Ｔｉ膜５と反応してこれを窒化し、ＴｉＮに変換させ
る。このＴｉ膜５のスパッタリング工程と、プラズマ窒
化工程とをそれぞれ３回繰り返し、所望の厚さのＴｉＮ
膜５１を形成する（図１１（ｂ））。この後、Ａｌ系金
属のスパッタリングあるいはＷのブランケットＣＶＤ等
により接続孔３内を埋め込み、コンタクトプラグあるい
は上層配線を形成する。

【００８７】本実施例によれば、ＴｉＮ膜の成膜形状は
良好で、接続孔３の開口部を塞ぐようなオーバハングや
くびれ、あるいは非対称性が発生しない。また接続孔３
の側壁は薄く、底部は厚く成膜されるので、微細開口径
の接続孔であっても、ＡｌやＷにより接続孔内をボイド
の発生なく埋め込むことができる。かかるＴｉＮ膜５１
の成膜形状は、接続孔の側壁、底部ともほぼ同じ膜厚で
成膜される熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成方法では、達
成することは不可能である。本実施例においても、スパ
ッタリング工程でＴｉ膜を例えば２０ｎｍ程度に厚く成
膜しておき、この後プラズマ窒化を施すことにより、Ｔ
ｉ膜の表層部分が窒化されたＴｉ膜／ＴｉＮ膜の２層構
造を得ることが可能である。

【００８８】以上、本発明のプラズマＣＶＤ方法、およ
び金属窒化物膜の形成方法、ならびにこれらの方法を用
いた半導体装置につき５例の実施例により詳しい説明を
加えたが、本発明はこれら実施例に限定されることなく
各種の実施態様が可能である。例えば、金属ハロゲン化
物としてＴｉＣｌ₄を例示したが、先述した各種ハロゲ
ン化チタンを用いることができる。またハロゲン化チタ
ンに限らず、各種金属ハロゲン物のプラズマＣＶＤによ
る金属膜の形成に本発明の技術的思想を敷衍可能である
ことも明らかである。さらに、金属窒化物膜としてＴｉ
Ｎの他に、各種金属とりわけバリアメタルとして機能す
る各種高融点金属層窒化物の形成にも本発明は適用でき
る。

【００８９】金属膜を成膜する被処理基板として拡散層
に臨む接続孔を有するシリコン基板やＡｌ系金属配線に
望む接続孔を有する半導体基板、あるいはサリサイドプ
ロセスを採用するシリコン基板を例示したが、多結晶シ
リコン等の配線層に臨むビアホールを有する半導体基板
や、他の被処理物、例えば磁気記録／再生ヘッドのトラ
ック面への耐磨耗性コーティング等に適用してもよい。

【００９０】プラズマＣＶＤ装置としてＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ装置を用いたが、発散磁界を用いる他のＣＶＤ装
置、例えばヘリコン波プラズマＣＶＤ装置においても本
発明のプラズマＣＶＤ方法の効果が得られる。またプラ
ズマと同時に低圧Ｈｇランプやエキシマレーザ等、励起
光ビームを照射する光プラズマＣＶＤを採用すれば、さ
らに還元効率のよい反応を利用することが可能である。

【００９１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のプラズマＣＶＤ方法によれば、成膜される金属膜の成
膜形状およびその対称性、モホロジともに良好で、下地
のシリコン基板や金属配線等の腐食のないプラズマＣＶ
Ｄが可能となる。これとともに、金属膜中の残留ハロゲ
ンの含有量の低減も可能である。また、本発明の金属窒
化物膜の形成方法によれば、成膜形状およびその対称
性、密着性に優れた金属窒化物膜が形成できる。したが
って、かかる金属膜や金属窒化物膜を高度に集積化され
た半導体装置の電極・配線材料層等として採用すること
により、低抵抗で配線腐食等のない信頼性の高い半導体
装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマＣＶＤ方法の工程の一例を示
す概略断面図である。

【図２】本発明の他のプラズマＣＶＤ方法の工程を示す
概略断面図である。

【図３】本発明のさらに他のプラズマＣＶＤ方法の工程
を示す概略断面図である。

【図４】本発明が適用されるプラズマＣＶＤ装置の構成
の一例を示す概略断面図である。

【図５】本発明が適用されるスパッタリング装置の一例
を示す概略断面図である。

【図６】本発明が適用されるプラズマＣＶＤ装置におけ
る、金属膜の形成工程を示す概略断面図である。

【図７】本発明が適用されるプラズマＣＶＤ装置におけ
る、金属膜の形成工程を示す概略断面図であり、図６に
続くものである。

【図８】本発明が適用されるプラズマＣＶＤ装置におけ
る、金属膜の形成工程を示す概略断面図であり、図７に
続くものである。

【図９】Ｔｉ原子およびＴｉイオンの発光強度と、ＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ時のマイクロ波パワーとの相関の一例
を示すグラフである。

【図１０】本発明が適用されるプラズマＣＶＤ装置にお
ける、プラズマ窒化工程を示す概略断面図である。

【図１１】本発明の金属窒化物膜の形成工程を示す概略
断面図である。

【図１２】従来の金属窒化物膜の形成工程における問題
点を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…層間絶縁膜、３…接続孔、４…自
然酸化膜、５…Ｔｉ膜、５１…ＴｉＮ膜、６…くびれ
部、７…Ｗ膜、８…ＴｉＦ_xとＷの混在物、１０…Ａｌ
系金属配線、１０ａ…Ａｌ配線、１０ｂ…反射防止膜、
２０…ゲート電極、２１…ＬＤＤサイドウォールスペー
サ、２２…不純物拡散層、２３…ＬＯＣＯＳ、２４…Ｔ
ｉＳｉ₂層３０…プラズマ生成室、３１…マイクロ波導波管、３２
…マイクロ波導入窓、３３…ガス導入孔、３４…ソレノ
イドコイル、３５…ガスリング、４０…成膜室、４１…
被処理基板、４２…基板ステージ、４３…電磁石、４４
…ガス排気孔、４５…発散磁場、４６…ミラー磁場、５
０…スパッタリング室、５２…シャッタ、５３…ＩＣＰ
コイル、５４…Ｔｉターゲット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属ハロゲン化物ガス、水素ガスおよび
希ガスを含む原料ガスを用い、被処理基板上に金属膜を
形成するプラズマＣＶＤ方法において、前記金属ハロゲン化物を、プラズマ中の水素活性種によ
り還元して金属中性種を生成する工程と、前記金属中性種と、プラズマ中の希ガス活性種および電
子のうちの少なくとも一方とを衝突させ、金属イオンを
生成する工程と、を有するとともに、前記金属ハロゲン化物と、プラズマ中の希ガス活性種お
よび電子のうちの少なくとも一方とを衝突させ、金属イ
オンとハロゲン中性種を生成する工程と、前記ハロゲン中性種を、プラズマ中の水素活性種により
還元反応してハロゲン化水素を生成する工程と、を有
し、さらに生成した前記金属イオンを、前記被処理基板の主
面に対し略垂直に入射させて、前記被処理基板上に金属
膜を形成する工程を有することを特徴とする金属膜のプ
ラズマＣＶＤ方法。
【請求項２】前記水素活性種は、前記水素ガスおよび
希ガスをプラズマ励起することにより生成させることを
特徴とする請求項１記載の金属膜のプラズマＣＶＤ方
法。
【請求項３】前記金属中性種を生成する工程、および
前記金属中性種と、プラズマ中の希ガス活性種および電
子のうちの少なくとも一方を衝突させ、金属イオンを生
成する工程を、前記プラズマＣＶＤ時のプラズマ発光の分光測定におけ
る、前記金属中性種および金属イオンの発光スペクトル
によりモニタすることを特徴とする請求項１記載の金属
膜のプラズマＣＶＤ方法。
【請求項４】前記金属ハロゲン化物と、プラズマ中の
希ガス活性種および電子のうちの少なくとも一方とを衝
突させ、金属イオンを生成する工程を、金属のイオン化エネルギ以上のエネルギを有する、希ガ
ス活性種および電子のうちの少なくとも一方が存在する
プラズマ励起状態中で施すことを特徴とする請求項１記
載の金属膜のプラズマＣＶＤ方法。
【請求項５】前記金属のイオン化エネルギ以上のエネ
ルギを有する、希ガス活性種および電子のうちの少なく
とも一方が存在するプラズマ励起状態は、前記プラズマＣＶＤ時の放電投入電力を増加させた際の
プラズマ発光の分光測定における、金属原子の発光強度
が略飽和するとともに、金属イオンの発光強度が増加し
てゆく領域で規定することを特徴とする請求項４記載の
金属膜のプラズマＣＶＤ方法。
【請求項６】前記金属イオンを、前記被処理基板の主
面に対し略垂直に入射させる手段は、前記金属イオンを
プラズマ中から引き出す発散磁場と、前記被処理基板の
裏面に配設された電磁石により形成されたミラー磁場
と、を含むことを特徴とする請求項１記載の金属膜のプ
ラズマＣＶＤ方法。
【請求項７】前記金属イオンを、前記被処理基板の主
面に対し略垂直に入射させる手段は、さらに、前記被処
理基板の裏面に配設された高透磁率磁性体を含むことを
特徴とする請求項６記載の金属膜のプラズマＣＶＤ方
法。
【請求項８】前記被処理基板は、その主面に段差と、
前記段差底部に露出する導電材料層を有し、前記プラズ
マＣＶＤの初期過程においては、前記導電材料層表面の
自然酸化膜を、前記金属イオンおよび希ガスイオンによ
りスパッタリング除去するとともに、前記水素活性種に
より還元除去しつつ、前記金属膜を成膜することを特徴
とする請求項１記載の金属膜のプラズマＣＶＤ方法。
【請求項９】前記金属ハロゲン化物ガスはＴｉＣｌ₄
ガスであり、前記金属膜はＴｉ膜であることを特徴とす
る請求項１記載の金属膜のプラズマＣＶＤ方法。
【請求項１０】前記希ガスはＡｒガスであることを特
徴とする請求項１記載の金属膜のプラズマＣＶＤ方法。
【請求項１１】請求項１記載の金属膜のプラズマＣＶ
Ｄ方法により形成された金属膜およびその金属シリサイ
ド膜のいずれかを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】被処理基板上に形成された金属膜を窒
化することにより形成される金属窒化物膜の形成方法に
おいて、前記金属膜の形成工程は、金属ハロゲン化物ガス、水素ガスおよび希ガスを含む原
料ガスを用い、被処理基板上に金属膜を形成するプラズ
マＣＶＤ方法であって、前記プラズマＣＶＤ方法は、前記金属ハロゲン化物を、プラズマ中の水素活性種によ
り還元して金属中性種を生成する工程と、前記金属中性種と、プラズマ中の希ガス活性種および電
子のうちの少なくとも一方とを衝突させ、金属イオンを
生成する工程と、を有するとともに、前記金属ハロゲン化物と、プラズマ中の希ガス活性種お
よび電子のうちの少なくとも一方とを衝突させ、金属イ
オンとハロゲン中性種を生成する工程と、前記ハロゲン中性種を、プラズマ中の水素活性種により
還元してハロゲン化水素を生成する工程と、を有し、さらに生成した前記金属イオンを、前記被処理基板の主
面に対し略垂直に入射させて、前記被処理基板上に金属
膜を形成する工程を有し、前記金属膜の窒化工程は、プラズマ窒化工程であり、前記金属膜の形成工程と、前記金属膜の窒化工程とを、
複数回繰り返すことにより、所望の膜厚の金属窒化物膜
を形成することを特徴とする金属窒化物膜の形成方法。
【請求項１３】前記水素活性種は、前記水素ガスおよ
び希ガスをプラズマ励起することにより生成させること
を特徴とする請求項１２記載の金属窒化物膜の形成方
法。
【請求項１４】前記金属中性種を生成する工程、およ
び前記金属中性種と、プラズマ中の希ガス活性種および
電子のうちの少なくとも一方を衝突させ、金属イオンを
生成する工程を、前記プラズマＣＶＤ時のプラズマ発光の分光測定におけ
る、前記金属中性種および金属イオンの発光スペクトル
によりモニタすることを特徴とする請求項１２記載の金
属窒化物膜の形成方法。
【請求項１５】前記金属ハロゲン化物と、プラズマ中
の希ガス活性種および電子のうちの少なくとも一方とを
衝突させ、金属イオンを生成する工程を、金属のイオン化エネルギ以上のエネルギを有する、希ガ
ス活性種および電子のうちの少なくとも一方が存在する
プラズマ励起状態中で施すことを特徴とする請求項１２
記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項１６】前記金属のイオン化エネルギ以上のエ
ネルギを有する、希ガス活性種および電子のうちの少な
くとも一方が存在するプラズマ励起状態は、前記プラズマＣＶＤ時の放電投入電力を増加させた際の
プラズマ発光の分光測定における、金属原子の発光強度
が略飽和するとともに、金属イオンの発光強度が増加し
てゆく領域で規定することを特徴とする請求項１５記載
の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項１７】前記プラズマ窒化工程においては、窒素ガス、水素ガスおよび希ガスの混合ガス、およびア
ンモニアガスのいずれか一方をプラズマ励起し、プラズ
マ中に生成した窒素系活性種により、前記金属膜をプラ
ズマ窒化することを特徴とする請求項１２記載の金属窒
化物膜の形成方法。
【請求項１８】前記窒素系活性種の生成を、前記プラ
ズマ窒化時のプラズマ発光の分光測定における、ＮＨ化
学種の発光スペクトルによりモニタすることを特徴とす
る請求項１７記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項１９】前記金属イオンを、前記被処理基板の
主面に対し略垂直に入射させる手段は、前記金属イオン
をプラズマ中から引き出す発散磁場と、前記被処理基板
の裏面に配設された電磁石により形成されたミラー磁場
と、を含むことを特徴とする請求項１２記載の金属窒化
物膜の形成方法。
【請求項２０】前記金属イオンを、前記被処理基板の
主面に対し略垂直に入射させる手段は、さらに、前記被
処理基板の裏面に配設された高透磁率磁性体を含むこと
を特徴とする請求項１９記載の金属窒化物膜の形成方
法。
【請求項２１】前記被処理基板は、その主面に段差
と、前記段差底部に露出する導電材料層を有し、前記プ
ラズマＣＶＤの初期過程においては、前記導電材料層表
面の自然酸化膜を、金属イオンおよび希ガスイオンによ
りスパッタリング除去するとともに、前記水素活性種に
より還元除去しつつ、前記金属膜を成膜することを特徴
とする請求項１２記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項２２】前記金属ハロゲン化物ガスはＴｉＣｌ
₄ガスであり、前記金属膜はＴｉ膜であり、さらに前記
金属窒化物膜はＴｉＮ膜であることを特徴とする請求項
１２記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項２３】前記希ガスはＡｒガスであることを特
徴とする請求項１２記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項２４】請求項１２記載の金属窒化物膜の形成
方法により形成された金属窒化物膜を有することを特徴
とする半導体装置。
【請求項２５】被処理基板上に形成された金属膜を窒
化することにより形成される金属窒化物膜の形成方法に
おいて、前記金属膜の形成工程は、金属ターゲットを希ガスイオンによりスパッタリングす
るスパッタリング工程、スパッタリングされた金属粒子と、前記希ガスイオンお
よび電子の少なくとも一方とを衝突させ、金属イオンを
生成する工程、および前記金属イオンを前記被処理基板の主面に対し略
垂直に入射させて、前記被処理基板上に金属膜を形成す
る工程を有し、前記金属膜の窒化工程は、プラズマ窒化工程であり、前記金属膜の形成工程と、前記金属膜の窒化工程とを、
複数回繰り返すことにより、所望の膜厚の金属窒化物膜
を形成することを特徴とする金属窒化物膜の形成方法。
【請求項２６】前記プラズマ窒化工程においては、窒素ガス、水素ガスおよび希ガスの混合ガス、およびア
ンモニアガスのいずれか一方をプラズマ励起し、プラズ
マ中の窒素系活性種により、前記金属膜をプラズマ窒化
することを特徴とする請求項２５記載の金属窒化物膜の
形成方法。
【請求項２７】前記窒素系活性種の生成を、前記プラ
ズマ窒化時のプラズマ発光の分光測定における、ＮＨ化
学種の発光スペクトルによりモニタすることを特徴とす
る請求項２６記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項２８】前記プラズマ窒化工程においては、前記金属ターゲット表面に近接してシャッタ手段を配設
することにより、前記金属ターゲットの窒化を防止する
ことを特徴とする請求項２５記載の金属窒化物膜の形成
方法。
【請求項２９】前記金属イオンを、前記被処理基板の
主面に対し略垂直に入射させる手段は、前記被処理基板
に印加した基板バイアスであることを特徴とする請求項
２５記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項３０】前記被処理基板は、その主面に段差
と、前記段差底部に露出する導電材料層を有し、前記ス
パッタリングの初期過程においては、前記導電材料層表
面の自然酸化膜を、前記金属イオンおよび希ガスイオン
によりスパッタリング除去するとともに、水素イオンに
より還元除去しつつ、前記金属膜を成膜することを特徴
とする請求項２５記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項３１】前記金属膜はＴｉ膜であり、前記金属
窒化物膜はＴｉＮ膜であることを特徴とする請求項２５
記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項３２】前記希ガスはＡｒガスであることを特
徴とする請求項２５記載の金属窒化物膜の形成方法。
【請求項３３】請求項２５記載の金属窒化物膜の形成
方法により形成された金属窒化物膜を有することを特徴
とする半導体装置。