JP2803556B2 - バリアメタル層の形成方法 - Google Patents
バリアメタル層の形成方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩの半導体装置に
おける接続孔に形成するバリアメタル層の形成方法に関
し、特にチタンナイトランド（窒化チタン：ＴｉＮ）を
ＣＶＤ法により埋め込んだバリアメタル層の形成方法に
関する。
おける接続孔に形成するバリアメタル層の形成方法に関
し、特にチタンナイトランド（窒化チタン：ＴｉＮ）を
ＣＶＤ法により埋め込んだバリアメタル層の形成方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】ＬＳＩ素子を構成する半導体装置におい
ては、配線工程における熱処理により接続孔底部で配線
材料であるアルミ（Ａｌ）等の金属と基板シリコン（Ｓ
ｉ）が反応し、金属の下の拡散層と基板の間のｐｎ接合
が破壊される問題が生じる。この問題を避けるため、Ａ
ｌあるいはタングステン（Ｗ）などの高融点金属と基板
Ｓｉの間に、ＴｉＮを堆積させることが行われている。
これは、ＴｉＮは、９００℃以上の高温でもＳｉとは反
応せず、さらに燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）などのＳｉ中の
不純物が拡散する事を抑制するため、コンタクト部にお
けるバリア層として用いることができるためである。
ては、配線工程における熱処理により接続孔底部で配線
材料であるアルミ（Ａｌ）等の金属と基板シリコン（Ｓ
ｉ）が反応し、金属の下の拡散層と基板の間のｐｎ接合
が破壊される問題が生じる。この問題を避けるため、Ａ
ｌあるいはタングステン（Ｗ）などの高融点金属と基板
Ｓｉの間に、ＴｉＮを堆積させることが行われている。
これは、ＴｉＮは、９００℃以上の高温でもＳｉとは反
応せず、さらに燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）などのＳｉ中の
不純物が拡散する事を抑制するため、コンタクト部にお
けるバリア層として用いることができるためである。
【０００３】従来、このＴｉＮバリア層形成のため、チ
タン（Ｔｉ）ターゲットとアルゴン（Ａｒ）＋窒素（Ｎ
2 ）混合ガスを用いた反応性スパッタ法により接続部に
ＴｉＮ薄膜を堆積させてきた。しかしながら、半導体装
置の微細化に伴い、配線接続孔の孔の直径が０．５ミク
ロン以下に狭くなり、かつ接続孔の直径に対する孔の深
さの比（アスペクト比）が大きくなってきた結果、反応
性スパッタ法により堆積させたＴｉＮ膜の段差被膜性の
劣化が問題となってきている。段差被膜性が劣化する
と、電極用の微細孔の底部には、ＴｉＮが成長せず孔上
部にＴｉＮ膜が堆積し、良好な電極が形成できない。そ
の結果、コンタクト不良などの問題が生じる。この問題
を回避するため、スパッタ粒子の方向性を制御したコリ
メートスパッタ法が開発されているが、半導体装置がよ
り微細化した場合には、従来のスパッタ法と同様、段差
被膜性が劣化する可能性がある。
タン（Ｔｉ）ターゲットとアルゴン（Ａｒ）＋窒素（Ｎ
2 ）混合ガスを用いた反応性スパッタ法により接続部に
ＴｉＮ薄膜を堆積させてきた。しかしながら、半導体装
置の微細化に伴い、配線接続孔の孔の直径が０．５ミク
ロン以下に狭くなり、かつ接続孔の直径に対する孔の深
さの比（アスペクト比）が大きくなってきた結果、反応
性スパッタ法により堆積させたＴｉＮ膜の段差被膜性の
劣化が問題となってきている。段差被膜性が劣化する
と、電極用の微細孔の底部には、ＴｉＮが成長せず孔上
部にＴｉＮ膜が堆積し、良好な電極が形成できない。そ
の結果、コンタクト不良などの問題が生じる。この問題
を回避するため、スパッタ粒子の方向性を制御したコリ
メートスパッタ法が開発されているが、半導体装置がよ
り微細化した場合には、従来のスパッタ法と同様、段差
被膜性が劣化する可能性がある。
【０００４】本問題を解決するため、化学気相成長（Ｃ
ＶＤ）法によりＴｉＮ膜堆積技術が開発されている。こ
れは、気相中および基板表面での化学反応を利用し、接
続孔底部にＴｉＮ膜を堆積させる方法である。本ＣＶＤ
法においては、Ｔｉの原料ガスとして有機金属を用いる
有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）法と塩化物を用いるクロ
ライド法に大別される。一般には、後者のクロライド法
により得られた膜の方が段差被膜性が良いとされ、例え
ば、Ｔｉの原料としてＴｉＣｌ4 、窒素の原料としてＮ
Ｈ3 を使用し、加熱した基板上での原料ガスの熱分解お
よび還元反応を利用しＴｉＮ膜を堆積させる。
ＶＤ）法によりＴｉＮ膜堆積技術が開発されている。こ
れは、気相中および基板表面での化学反応を利用し、接
続孔底部にＴｉＮ膜を堆積させる方法である。本ＣＶＤ
法においては、Ｔｉの原料ガスとして有機金属を用いる
有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）法と塩化物を用いるクロ
ライド法に大別される。一般には、後者のクロライド法
により得られた膜の方が段差被膜性が良いとされ、例え
ば、Ｔｉの原料としてＴｉＣｌ4 、窒素の原料としてＮ
Ｈ3 を使用し、加熱した基板上での原料ガスの熱分解お
よび還元反応を利用しＴｉＮ膜を堆積させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＴｉＣｌ4 ／ＮＨ3 ガス系を用いたＣＶＤ法によりＴｉ
Ｎを堆積させた場合、膜中に塩素が残留する問題があ
る。特に、微細な接続孔の底部に良好に堆積できる条件
（ステップカバレッジが良好な条件）下でＴｉＮを堆積
させると、１０％程度の塩素が膜中に残る。逆に、膜中
の塩素量が少ない条件で堆積すると、接続孔底部にＴｉ
Ｎを良好に堆積できない。すなわち、膜中の塩素量とス
テップカバレッジの良否は相反する関係にあり、残留塩
素量が少ないＴｉＮ薄膜を微細な接続孔の底部に良好に
堆積することは困難である。
ＴｉＣｌ4 ／ＮＨ3 ガス系を用いたＣＶＤ法によりＴｉ
Ｎを堆積させた場合、膜中に塩素が残留する問題があ
る。特に、微細な接続孔の底部に良好に堆積できる条件
（ステップカバレッジが良好な条件）下でＴｉＮを堆積
させると、１０％程度の塩素が膜中に残る。逆に、膜中
の塩素量が少ない条件で堆積すると、接続孔底部にＴｉ
Ｎを良好に堆積できない。すなわち、膜中の塩素量とス
テップカバレッジの良否は相反する関係にあり、残留塩
素量が少ないＴｉＮ薄膜を微細な接続孔の底部に良好に
堆積することは困難である。
【０００６】接続孔に堆積したＴｉＮ膜中に残留する塩
素は、配線形成後に配線材料であるＡｌ等の腐食の原因
となり、半導体装置の特性の劣化あるいは長期信頼性の
低下といった問題を引き起こす。このため、良好な埋め
込み形状を実現しながら、堆積膜中の塩素の少ないＴｉ
Ｎ層を形成する事が、将来のより微細な半導体装置作成
のため強く要求されている。
素は、配線形成後に配線材料であるＡｌ等の腐食の原因
となり、半導体装置の特性の劣化あるいは長期信頼性の
低下といった問題を引き起こす。このため、良好な埋め
込み形状を実現しながら、堆積膜中の塩素の少ないＴｉ
Ｎ層を形成する事が、将来のより微細な半導体装置作成
のため強く要求されている。
【０００７】従って、本発明の目的は、良好な埋め込み
形状が得られるＴｉの塩化物を原料ガスとして使用する
クロライドＣＶＤ法により堆積させたＴｉＮ膜中の残留
塩素濃度を低減し、かつ埋め込み形状が良好なＴｉＮ層
を形成することを特徴とするバリアメタル層の形成方法
を提供することである。
形状が得られるＴｉの塩化物を原料ガスとして使用する
クロライドＣＶＤ法により堆積させたＴｉＮ膜中の残留
塩素濃度を低減し、かつ埋め込み形状が良好なＴｉＮ層
を形成することを特徴とするバリアメタル層の形成方法
を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の特徴は、
窒素を含むプラズマを、前述のクロライド法により堆積
させたＴｉＮ膜に照射する事により、接続孔の底部に良
好な埋め込み形状を有して堆積させたＴｉＮ膜中の残留
塩素量を低減させるＴｉＮ薄膜の形成方法である。
窒素を含むプラズマを、前述のクロライド法により堆積
させたＴｉＮ膜に照射する事により、接続孔の底部に良
好な埋め込み形状を有して堆積させたＴｉＮ膜中の残留
塩素量を低減させるＴｉＮ薄膜の形成方法である。
【０００９】本発明の第二の特徴は、前述の窒素を含む
プラズマのガスとして、Ｎ2 、ＮＨ3 、Ｎ2 Ｈ4 ガスあ
るいはそれらの混合ガスを使用するＴｉＮ薄膜の形成方
法である。
プラズマのガスとして、Ｎ2 、ＮＨ3 、Ｎ2 Ｈ4 ガスあ
るいはそれらの混合ガスを使用するＴｉＮ薄膜の形成方
法である。
【００１０】本発明の第三の特徴は、前述のプラズマに
よるＴｉＮ薄膜の形成において、基板を加熱するＴｉＮ
薄膜の形成方法である。
よるＴｉＮ薄膜の形成において、基板を加熱するＴｉＮ
薄膜の形成方法である。
【００１１】本発明の第四の特徴は、Ｎ2 、ＮＨ3 、Ｎ
2 Ｈ4 ガスあるいはそれらの混合ガス中で、前記ＴｉＮ
薄膜を熱処理するＴｉＮ薄膜の形成方法である。
2 Ｈ4 ガスあるいはそれらの混合ガス中で、前記ＴｉＮ
薄膜を熱処理するＴｉＮ薄膜の形成方法である。
【００１２】本発明の第五の特徴は、前記ＴｉＮ膜を形
成する方法と、クロライド法によるＴｉＮ膜堆積とを交
互に繰り返す、ＴｉＮ薄膜の形成方法である。
成する方法と、クロライド法によるＴｉＮ膜堆積とを交
互に繰り返す、ＴｉＮ薄膜の形成方法である。
【００１３】本発明の第六の特徴は、表面にＴｉ塩化物
のみを供給し表面に塩化チタン層を形成した後、前記の
膜形成方法を行う工程を一単位とし、本工程を繰り返し
行う、ＴｉＮ薄膜の形成方法である。
のみを供給し表面に塩化チタン層を形成した後、前記の
膜形成方法を行う工程を一単位とし、本工程を繰り返し
行う、ＴｉＮ薄膜の形成方法である。
【００１４】
【作用】前述のごとく、Ｔｉ原料として塩化物を用いる
クロライドＣＶＤ法により堆積させたＴｉＮ膜中には、
多量の塩素が残留する。これは、半導体装置作製のため
に一般に成長温度が低く抑えられる結果、十分に塩素を
還元離脱できない事による。さらにこの時、配線接続孔
を良好に埋め込む堆積条件下でＴｉＮを堆積させた場合
には、より多くの塩素を構成元素として含む成膜種が膜
堆積に主に寄与する結果、埋め込み形状が悪い場合と比
較し、より多くの塩素が膜中に残留することになる。
クロライドＣＶＤ法により堆積させたＴｉＮ膜中には、
多量の塩素が残留する。これは、半導体装置作製のため
に一般に成長温度が低く抑えられる結果、十分に塩素を
還元離脱できない事による。さらにこの時、配線接続孔
を良好に埋め込む堆積条件下でＴｉＮを堆積させた場合
には、より多くの塩素を構成元素として含む成膜種が膜
堆積に主に寄与する結果、埋め込み形状が悪い場合と比
較し、より多くの塩素が膜中に残留することになる。
【００１５】上記問題を解決するため、本発明において
は、窒素を含むプラズマあるいは窒素を含む分子を、す
でにＣＶＤ法により堆積させたＴｉＮ表面に照射する。
この時、プラズマ中に存在する窒素イオン（あるいは窒
素原子）あるいは熱分解により生成された窒素原子が基
板表面に到達すると、ＴｉとＣｌの結合が破壊され、Ｔ
ｉＮ結合が新たに形成される。これは、ＴｉＮの標準生
成エンタルピの値が約８０ｋｃａｌ／ｍｏｌであるのに
対し、ＴｉとＣｌとの結合エネルギーは約２６ｋｃａｌ
／ｍｏｌと小さいため、より安定なＴｉＮ結合が形成さ
れるためである。解離した塩素が膜中から容易に離脱す
る結果、膜中の塩素量が低減する。
は、窒素を含むプラズマあるいは窒素を含む分子を、す
でにＣＶＤ法により堆積させたＴｉＮ表面に照射する。
この時、プラズマ中に存在する窒素イオン（あるいは窒
素原子）あるいは熱分解により生成された窒素原子が基
板表面に到達すると、ＴｉとＣｌの結合が破壊され、Ｔ
ｉＮ結合が新たに形成される。これは、ＴｉＮの標準生
成エンタルピの値が約８０ｋｃａｌ／ｍｏｌであるのに
対し、ＴｉとＣｌとの結合エネルギーは約２６ｋｃａｌ
／ｍｏｌと小さいため、より安定なＴｉＮ結合が形成さ
れるためである。解離した塩素が膜中から容易に離脱す
る結果、膜中の塩素量が低減する。
【００１６】上記ＴｉＮ膜改質に際し、表面に十分な窒
素が供給されている場合、膜中の残留塩素量の減少速度
を律速しているのは、窒素ラジカルあるいは窒素イオン
等のＴｉＮ膜中への拡散あるいは膜中からの塩素の拡散
離脱過程である。これらの拡散過程は、基板温度を上昇
させる事により促進される。しかし、改質を要するＴｉ
Ｎ膜厚が厚い場合、あるいは製造工程の都合上基板温度
の上限が制限される場合、十分な膜質改善の効果が期待
できない。その際は、膜厚が薄い状態でＴｉＮ膜堆積を
一次中断し、前記膜改質を行い、再び膜を堆積させると
よい。膜厚が薄いため、前述の膜質改善方法により容易
に膜中の塩素濃度を減少させる事が可能となる。所定の
膜厚が得られるまで、上記膜堆積と膜改質を繰り返し行
う事により、厚いＴｉＮ膜中の塩素濃度を低温での改質
処理により十分減少させることが可能となる。
素が供給されている場合、膜中の残留塩素量の減少速度
を律速しているのは、窒素ラジカルあるいは窒素イオン
等のＴｉＮ膜中への拡散あるいは膜中からの塩素の拡散
離脱過程である。これらの拡散過程は、基板温度を上昇
させる事により促進される。しかし、改質を要するＴｉ
Ｎ膜厚が厚い場合、あるいは製造工程の都合上基板温度
の上限が制限される場合、十分な膜質改善の効果が期待
できない。その際は、膜厚が薄い状態でＴｉＮ膜堆積を
一次中断し、前記膜改質を行い、再び膜を堆積させると
よい。膜厚が薄いため、前述の膜質改善方法により容易
に膜中の塩素濃度を減少させる事が可能となる。所定の
膜厚が得られるまで、上記膜堆積と膜改質を繰り返し行
う事により、厚いＴｉＮ膜中の塩素濃度を低温での改質
処理により十分減少させることが可能となる。
【００１７】クロライドＣＶＤ法によるＴｉＮ膜堆積に
おいて、良好な埋め込み形状が得られる条件でＴｉＮ膜
を堆積させると、前述のようにＴｉＣｌ4 等多くの塩素
を構成原子として含む分子が主に成長に寄与する。これ
らの分子は、反応性が低いため、ＴｉＮ表面に一層吸着
するとそれ以上には吸着しない。これが、良好な埋め込
み形状が得られる理由の一つである。このようにＴｉ塩
化物を表面に一層吸着させた後、Ｔｉの原料ガスの供給
を停止する。その後、表面に窒素ラジカルあるいは窒素
イオンを供給すると、表面で効率よく塩素が解脱し、か
つＴｉ−Ｎ結合が形成される。この場合、表面一層程度
にのみ存在する塩素を解脱させれば良く、先の改質処理
により効率よく塩素を解脱させることができる。さら
に、上記一回の工程により、ほぼ一層のＴｉＮが形成さ
れるため、膜厚の制御性も非常によい。この結果、上記
工程を繰り返す事により、膜厚の制御性良く、膜中塩素
量の少ないＴｉＮ膜を、良好な埋め込み形状を実現しな
がら堆積することが可能となる。
おいて、良好な埋め込み形状が得られる条件でＴｉＮ膜
を堆積させると、前述のようにＴｉＣｌ4 等多くの塩素
を構成原子として含む分子が主に成長に寄与する。これ
らの分子は、反応性が低いため、ＴｉＮ表面に一層吸着
するとそれ以上には吸着しない。これが、良好な埋め込
み形状が得られる理由の一つである。このようにＴｉ塩
化物を表面に一層吸着させた後、Ｔｉの原料ガスの供給
を停止する。その後、表面に窒素ラジカルあるいは窒素
イオンを供給すると、表面で効率よく塩素が解脱し、か
つＴｉ−Ｎ結合が形成される。この場合、表面一層程度
にのみ存在する塩素を解脱させれば良く、先の改質処理
により効率よく塩素を解脱させることができる。さら
に、上記一回の工程により、ほぼ一層のＴｉＮが形成さ
れるため、膜厚の制御性も非常によい。この結果、上記
工程を繰り返す事により、膜厚の制御性良く、膜中塩素
量の少ないＴｉＮ膜を、良好な埋め込み形状を実現しな
がら堆積することが可能となる。
【００１８】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
る。
【００１９】本実施例は、ＭＯＳＬＳＩの配線形成工程
に用いた例である。シリコン基板上にＭＯＳトランジス
タを形成し、その上に酸化膜をＣＶＤ法で堆積し、ソー
ス・ドレイン拡散層の上の酸化膜を開口し、バリアメタ
ルとしてＴｉＮ薄膜を堆積し、その上にＡｌ配線を形成
する（以上図示せず）。
に用いた例である。シリコン基板上にＭＯＳトランジス
タを形成し、その上に酸化膜をＣＶＤ法で堆積し、ソー
ス・ドレイン拡散層の上の酸化膜を開口し、バリアメタ
ルとしてＴｉＮ薄膜を堆積し、その上にＡｌ配線を形成
する（以上図示せず）。
【００２０】実施例１ 改質するためのＴｉＮ薄膜層は、ＴｉＣｌ4 ／ＮＨ3 ガ
ス系を用いた低圧（ＬＰ）ＣＶＤ法により、基板温度５
００℃でＳｉ基板上に堆積させた。この時の成膜条件
は、良好な埋め込み形状が得られる条件とした。堆積さ
せたＴｉＮ膜中の塩素濃度を二次イオン質量分析（ＳＩ
ＭＳ）により定量した結果、膜中には約１０21cm-3程度
の塩素が残留していた。
ス系を用いた低圧（ＬＰ）ＣＶＤ法により、基板温度５
００℃でＳｉ基板上に堆積させた。この時の成膜条件
は、良好な埋め込み形状が得られる条件とした。堆積さ
せたＴｉＮ膜中の塩素濃度を二次イオン質量分析（ＳＩ
ＭＳ）により定量した結果、膜中には約１０21cm-3程度
の塩素が残留していた。
【００２１】図１は本実施例においてＴｉＮ膜改質に使
用した平行平板型プラズマ装置の模式図である。本装置
は、上部電極１１、下部電極１２、ガス排気系１３、Ｎ
2 ガス供給系１４、基板加熱機構１５、高周波電源１
６、および制御系１７から構成されている。下部電極１
１上に基板１８を保持した。その後、装置内部圧力３Ｐ
ａ、ＲＦ電力１５０Ｗ、Ｎ2 ガス流量２０ＳＣＣＭの条
件で、上部電極１１と下部電極１２の間に窒素プラズマ
を発生させた。約１０分間、このプラズマ中にＴｉ薄膜
を保持した後、取り出した。膜中の塩素濃度を二次イオ
ン質量分析を行った結果、ＴｉＮ膜中の塩素濃度が堆積
後の値と比較し約１桁低下していた。
用した平行平板型プラズマ装置の模式図である。本装置
は、上部電極１１、下部電極１２、ガス排気系１３、Ｎ
2 ガス供給系１４、基板加熱機構１５、高周波電源１
６、および制御系１７から構成されている。下部電極１
１上に基板１８を保持した。その後、装置内部圧力３Ｐ
ａ、ＲＦ電力１５０Ｗ、Ｎ2 ガス流量２０ＳＣＣＭの条
件で、上部電極１１と下部電極１２の間に窒素プラズマ
を発生させた。約１０分間、このプラズマ中にＴｉ薄膜
を保持した後、取り出した。膜中の塩素濃度を二次イオ
ン質量分析を行った結果、ＴｉＮ膜中の塩素濃度が堆積
後の値と比較し約１桁低下していた。
【００２２】さらに、同じ条件のプラズマ中に基板を晒
している間、加熱機構１５を用いて基板温度を３００℃
に１０分間保持した。その結果、加熱を行わなかった場
合と比較して、ＴｉＮ膜中の塩素濃度がさらに１桁低下
した。本実施例においては、処理時間１０分、基板温度
を３００℃としたが、この時間及び温度に限るものでは
ない。要は、ＴｉＮ膜中の塩素濃度が所定の濃度まで減
少するように、プラズマに晒す時間および基板温度を設
定すれば良い。
している間、加熱機構１５を用いて基板温度を３００℃
に１０分間保持した。その結果、加熱を行わなかった場
合と比較して、ＴｉＮ膜中の塩素濃度がさらに１桁低下
した。本実施例においては、処理時間１０分、基板温度
を３００℃としたが、この時間及び温度に限るものでは
ない。要は、ＴｉＮ膜中の塩素濃度が所定の濃度まで減
少するように、プラズマに晒す時間および基板温度を設
定すれば良い。
【００２３】本実施例においては、ＴｉＮ膜中の塩素量
を低減させるためＮ2 によるプラズマを用いたが、ＮＨ
3 あるいはＮ2 Ｈ4 ガスあるいはそれらの混合ガスを用
いても同様な効果が得られる。
を低減させるためＮ2 によるプラズマを用いたが、ＮＨ
3 あるいはＮ2 Ｈ4 ガスあるいはそれらの混合ガスを用
いても同様な効果が得られる。
【００２４】実施例２ 図２は本発明の第二の実施例を説明するための、ＴｉＮ
膜堆積装置の構成図である。本装置は、基板交換室２１
とＴｉＮ成長用ＬＰＣＶＤ装置２２とＴｉＮ膜改質用プ
ラズマ装置２３、基板搬送装置２４から成っている。Ｔ
ｉＮ膜改質用プラズマ装置の基本構成は、実施例１と同
様である。まず初めに、基板交換室内に保持されている
基板２５を、基板搬送装置２４を用いてＴｉＮＣＶＤ装
置に搬送した。ＴｉＣｌ4 ／ＮＨ3 ガス系を用いて、成
長温度５００℃、成長圧力３００ｍｍＴｏｒｒ、ＴｉＣ
ｌ4 流量５ＳＣＣＭ、ＮＨ3 流量２５０ＳＣＣＭの条件
で、ＴｉＮ膜を約５nm堆積させた後、膜堆積を中断し、
基板をＴｉＮ膜改質用プラズマ装置２３に搬送した。そ
の後、堆積させたＴｉＮ表面を基板温度３００℃でＮ2
プラズマに１分間晒した。この時のプラズマ条件は実施
例１と同様とした。その後、再び基板をＴｉＮ成長用Ｌ
ＰＣＶＤ装置２２に搬送しＴｉＮ膜を堆積させた。以上
の膜堆積とプラズマ処理操作を繰り返し行い、所定のＴ
ｉＮ膜厚が得られた後、基板交換室２１に基板に取り出
した。上記プラズマ処理を行わないで、ＴｉＮ堆積用Ｌ
ＰＣＶＤ装置のみを使用し連続的に成長させたＴｉＮ膜
中には約１０21cm-3の塩素が残留していた。これに対し
て、成長を中断し窒素プラズマにより膜改質を行った結
果、約２桁程度ＴｉＮ膜中の塩素量の低減が実現され
た。
膜堆積装置の構成図である。本装置は、基板交換室２１
とＴｉＮ成長用ＬＰＣＶＤ装置２２とＴｉＮ膜改質用プ
ラズマ装置２３、基板搬送装置２４から成っている。Ｔ
ｉＮ膜改質用プラズマ装置の基本構成は、実施例１と同
様である。まず初めに、基板交換室内に保持されている
基板２５を、基板搬送装置２４を用いてＴｉＮＣＶＤ装
置に搬送した。ＴｉＣｌ4 ／ＮＨ3 ガス系を用いて、成
長温度５００℃、成長圧力３００ｍｍＴｏｒｒ、ＴｉＣ
ｌ4 流量５ＳＣＣＭ、ＮＨ3 流量２５０ＳＣＣＭの条件
で、ＴｉＮ膜を約５nm堆積させた後、膜堆積を中断し、
基板をＴｉＮ膜改質用プラズマ装置２３に搬送した。そ
の後、堆積させたＴｉＮ表面を基板温度３００℃でＮ2
プラズマに１分間晒した。この時のプラズマ条件は実施
例１と同様とした。その後、再び基板をＴｉＮ成長用Ｌ
ＰＣＶＤ装置２２に搬送しＴｉＮ膜を堆積させた。以上
の膜堆積とプラズマ処理操作を繰り返し行い、所定のＴ
ｉＮ膜厚が得られた後、基板交換室２１に基板に取り出
した。上記プラズマ処理を行わないで、ＴｉＮ堆積用Ｌ
ＰＣＶＤ装置のみを使用し連続的に成長させたＴｉＮ膜
中には約１０21cm-3の塩素が残留していた。これに対し
て、成長を中断し窒素プラズマにより膜改質を行った結
果、約２桁程度ＴｉＮ膜中の塩素量の低減が実現され
た。
【００２５】本実施例においては、ＴｉＮを５nm堆積し
た後、３００℃で窒素プラズマにより膜質の改善を行っ
たが、窒素プラズマ条件、プラズマ処理温度、一回の堆
積膜厚等は、ＴｉＮ膜中の塩素濃度が所定の値となるよ
う適宜選択され得る。また、本実施例においては、Ｔｉ
の原料としてＴｉＣｌ4 を用いたが、ＴｉＨＣｌ3 等分
子中に塩素を含む分子を用いても同様な効果が得られ
る。
た後、３００℃で窒素プラズマにより膜質の改善を行っ
たが、窒素プラズマ条件、プラズマ処理温度、一回の堆
積膜厚等は、ＴｉＮ膜中の塩素濃度が所定の値となるよ
う適宜選択され得る。また、本実施例においては、Ｔｉ
の原料としてＴｉＣｌ4 を用いたが、ＴｉＨＣｌ3 等分
子中に塩素を含む分子を用いても同様な効果が得られ
る。
【００２６】実施例３ 装置としては、実施例２と同じ装置を使用した。ＴｉＮ
膜堆積用ＬＰＣＶＤ装置２２において、ＴｉＣｌ4 ／Ｎ
Ｈ3 ガス系を用いてＴｉＮを３nm堆積させた。堆積条件
は、実施例２と同じとした。その後、基板２５をＴｉＮ
膜改質用プラズマ装置２３に搬送した。ただし、本実施
例においては、ＴｉＮ膜改質のために窒素プラズマでは
なく、ＮＨ3 ガスを使用した。４００℃に加熱した基板
を、ＮＨ3 雰囲気（１Ｔｏｒｒ）中に保持し、約５分間
膜質の改善を行った。その後、実施例２と同様ＴｉＮ成
長用ＬＰＣＶＤ装置２２に搬送した。以上の膜堆積およ
び加熱による膜改質処理工程を繰り返し行い、必要な膜
厚を有したＴｉＮ層を形成した。堆積させた膜中の塩素
量を測定した結果、膜改質処理にプラズマを使用した場
合と同等の量の塩素が膜中から除去された。
膜堆積用ＬＰＣＶＤ装置２２において、ＴｉＣｌ4 ／Ｎ
Ｈ3 ガス系を用いてＴｉＮを３nm堆積させた。堆積条件
は、実施例２と同じとした。その後、基板２５をＴｉＮ
膜改質用プラズマ装置２３に搬送した。ただし、本実施
例においては、ＴｉＮ膜改質のために窒素プラズマでは
なく、ＮＨ3 ガスを使用した。４００℃に加熱した基板
を、ＮＨ3 雰囲気（１Ｔｏｒｒ）中に保持し、約５分間
膜質の改善を行った。その後、実施例２と同様ＴｉＮ成
長用ＬＰＣＶＤ装置２２に搬送した。以上の膜堆積およ
び加熱による膜改質処理工程を繰り返し行い、必要な膜
厚を有したＴｉＮ層を形成した。堆積させた膜中の塩素
量を測定した結果、膜改質処理にプラズマを使用した場
合と同等の量の塩素が膜中から除去された。
【００２７】本実施例においては、ＮＨ3 ガスを使用し
たが、処理温度、処理時間を最適化することにより、Ｎ
2 あるいはＮ2 Ｈ4 ガス、あるいは以上の混合ガスを使
用しても同様な効果が得られる。
たが、処理温度、処理時間を最適化することにより、Ｎ
2 あるいはＮ2 Ｈ4 ガス、あるいは以上の混合ガスを使
用しても同様な効果が得られる。
【００２８】実施例４ 図３は本発明の第四の実施例を説明するための、ＴｉＮ
膜堆積装置の構成図である。本装置は、基板３１を保持
するサセプタ３２、およびそれらを加熱する基板加熱機
構３３、ＴｉＣｌ4 を供給するノズル３４、ＴｉＣｌ4
ガス量を制御するＴｉＣｌ4 流量ガス制御部３５、ＮＨ
3 プラズマを発生するイオン化部３６、ＮＨ3 流量制御
部３７、プラズマを発生させるための高周波電源３８、
装置内部を排気する排気系３９、から構成される。基板
３１には、通常の露光およびエッチング法により、幅
０．２５μm 深さ１．０μm の電極用接続孔を形成し
た。
膜堆積装置の構成図である。本装置は、基板３１を保持
するサセプタ３２、およびそれらを加熱する基板加熱機
構３３、ＴｉＣｌ4 を供給するノズル３４、ＴｉＣｌ4
ガス量を制御するＴｉＣｌ4 流量ガス制御部３５、ＮＨ
3 プラズマを発生するイオン化部３６、ＮＨ3 流量制御
部３７、プラズマを発生させるための高周波電源３８、
装置内部を排気する排気系３９、から構成される。基板
３１には、通常の露光およびエッチング法により、幅
０．２５μm 深さ１．０μm の電極用接続孔を形成し
た。
【００２９】加熱機構３３により４００℃に加熱された
基板３１の表面に、ノズル３４からＴｉＣｌ4 を約５秒
間供給した。この時、堆積装置内部の圧力は、排気系３
９により約３ｍｍＴｏｒｒに維持された。基板温度およ
び装置内圧力は、気相中においてＴｉＣｌ4 がほとんど
熱分解する事無く基板表面に到達するよう決定した。本
工程により、基板表面にほぼ一分子層のＴｉ塩化物層が
形成された。
基板３１の表面に、ノズル３４からＴｉＣｌ4 を約５秒
間供給した。この時、堆積装置内部の圧力は、排気系３
９により約３ｍｍＴｏｒｒに維持された。基板温度およ
び装置内圧力は、気相中においてＴｉＣｌ4 がほとんど
熱分解する事無く基板表面に到達するよう決定した。本
工程により、基板表面にほぼ一分子層のＴｉ塩化物層が
形成された。
【００３０】次に、約５秒間装置内部の残留ＴｉＣｌ4
を排気した後、イオン化部３６を用いてＮＨ3 プラズマ
を発生させ基板表面を窒素を含むプラズマに晒した。こ
の時、基板にバイアスをかけ、効率的に窒素イオンを基
板表面に供給した。約５秒間基板をプラズマに晒した
後、ＮＨ3 プラズマの発生を停止し、窒素の基板表面へ
の供給を停止した。その後、約５秒間ＮＨ3 ガスを排気
した。以上の工程を行った結果、基板表面に約一分子層
のＴｉＮ層が形成された。
を排気した後、イオン化部３６を用いてＮＨ3 プラズマ
を発生させ基板表面を窒素を含むプラズマに晒した。こ
の時、基板にバイアスをかけ、効率的に窒素イオンを基
板表面に供給した。約５秒間基板をプラズマに晒した
後、ＮＨ3 プラズマの発生を停止し、窒素の基板表面へ
の供給を停止した。その後、約５秒間ＮＨ3 ガスを排気
した。以上の工程を行った結果、基板表面に約一分子層
のＴｉＮ層が形成された。
【００３１】上記膜堆積、排気、膜改質、排気の四工程
を２００回繰り返し行った後、堆積したＴｉＮの膜厚、
膜中の塩素量、埋め込み形状を調べた。堆積したＴｉＮ
膜厚は、ＴｉＮ約２００層に対応した。また、膜中の塩
素濃度は、約１０18cm-3程度であり、従来のＴｉＮ堆積
膜と比較して大幅に膜中残留塩素濃度が低減した。さら
に、場所に依存せず一層づつＴｉＮ層が堆積した結果、
接続孔底部と表面でのＴｉＮ膜厚に差がなく、良好な埋
め込み形状が得られた。
を２００回繰り返し行った後、堆積したＴｉＮの膜厚、
膜中の塩素量、埋め込み形状を調べた。堆積したＴｉＮ
膜厚は、ＴｉＮ約２００層に対応した。また、膜中の塩
素濃度は、約１０18cm-3程度であり、従来のＴｉＮ堆積
膜と比較して大幅に膜中残留塩素濃度が低減した。さら
に、場所に依存せず一層づつＴｉＮ層が堆積した結果、
接続孔底部と表面でのＴｉＮ膜厚に差がなく、良好な埋
め込み形状が得られた。
【００３２】本実施例においては、ＴｉＣｌ4 供給時間
５秒、基板温度４００℃、装置内圧力３ｍｍＴｏｒｒと
したが、ＴｉＣｌ4 等のＴｉ塩化物が表面に一層吸着
し、それ以上吸着しないように適宜決定する。また、Ｎ
Ｈ3 プラズマ発生の時間を５秒としたが、表面での十分
な窒化が得られるように適宜決定する。
５秒、基板温度４００℃、装置内圧力３ｍｍＴｏｒｒと
したが、ＴｉＣｌ4 等のＴｉ塩化物が表面に一層吸着
し、それ以上吸着しないように適宜決定する。また、Ｎ
Ｈ3 プラズマ発生の時間を５秒としたが、表面での十分
な窒化が得られるように適宜決定する。
【００３３】この実施例ではＴｉＮを形成するためにＮ
Ｈ3 プラズマを用いたが、それに代えてＮＨ3 ガスを流
す方法を用いてもよい。
Ｈ3 プラズマを用いたが、それに代えてＮＨ3 ガスを流
す方法を用いてもよい。
【００３４】なお実施例１〜３では、ＴｉＮ膜を形成す
るのにＬＰＣＶＤ法を用いたが、プラズマＣＶＤ法を用
いてもよい。その際は最初Ｔｉの塩化物ガスとアンモニ
アガス（あるいは窒素と水素）を流しておき、ＴｉＮが
所望の膜厚になったらＴｉの塩化物の供給を止め、アン
モニアだけを流せば本発明でいう窒素を含むプラズマの
照射になる。
るのにＬＰＣＶＤ法を用いたが、プラズマＣＶＤ法を用
いてもよい。その際は最初Ｔｉの塩化物ガスとアンモニ
アガス（あるいは窒素と水素）を流しておき、ＴｉＮが
所望の膜厚になったらＴｉの塩化物の供給を止め、アン
モニアだけを流せば本発明でいう窒素を含むプラズマの
照射になる。
【００３５】具体的には、電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ＣＲ）を利用したＣＶＤを例にとると、ＴｉＣｌ4 ／Ｎ
Ｈ3 を流量比で１：５、圧力７×１０-4Ｔｏｒｒ、周波
数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を８００Ｗ／cm2 、ＲＦ
バイアス５００Ｗ／cm2 、磁場８７５Ｇａｕｓｓであ
る。
ＣＲ）を利用したＣＶＤを例にとると、ＴｉＣｌ4 ／Ｎ
Ｈ3 を流量比で１：５、圧力７×１０-4Ｔｏｒｒ、周波
数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を８００Ｗ／cm2 、ＲＦ
バイアス５００Ｗ／cm2 、磁場８７５Ｇａｕｓｓであ
る。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、Ｔｉの原
料として塩化物を用いたクロライドＣＶＤ法により堆積
させたＴｉＮ膜を窒素プラズマ等を用いて改質すること
により、残留塩素量が少なく、かつ良好な埋め込み形状
を有したＴｉＮバリアメタル層を形成できるという効果
がある。
料として塩化物を用いたクロライドＣＶＤ法により堆積
させたＴｉＮ膜を窒素プラズマ等を用いて改質すること
により、残留塩素量が少なく、かつ良好な埋め込み形状
を有したＴｉＮバリアメタル層を形成できるという効果
がある。
【図１】本発明の第一の実施例を説明するためのＴｉＮ
膜質改質装置を示す模式図である。
膜質改質装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第二の実施例を説明するためのＴｉＮ
膜質改質および膜堆積装置を示す模式図である。
膜質改質および膜堆積装置を示す模式図である。
【図３】本発明の第四の実施例を説明するためのＴｉＮ
膜堆積装置を示す模式図である。
膜堆積装置を示す模式図である。
１１ 上部電極 １２ 下部電極 １３ ガス排気系 １４ ガス供給系 １５ 基板加熱機構 １６ 高周波電源 １７ 制御系 １８ 基板 ２１ 基板交換室 ２２ ＴｉＮ成長用ＬＰＣＶＤ装置 ２３ ＴｉＮ膜改質用プラズマ装置 ２４ 基板搬送装置 ３１ 基板 ３２ サセプタ ３３ 基板加熱機構 ３４ ＴｉＣｌ4 供給用ノズル ３５ ＴｉＣｌ4 流量制御部 ３６ イオン化部 ３７ Ｎ2 流量制御部 ３８ 高周波電源 ３９ 排気系
Claims (6)
- 【請求項１】 Ｔｉの塩化物を原料として化学気相成長
法により所望の膜厚より薄いＴｉＮ薄膜を堆積し、窒素
を含むプラズマをこの堆積膜に照射し、次いで前記のＴ
ｉＮ堆積工程とそれに続くプラズマ照射工程を施し、こ
れらの工程を繰り返して所望の膜厚のＴｉＮ膜を形成す
ることを特徴とするＴｉＮ薄膜の形成方法。 - 【請求項２】 Ｔｉの塩化物を基板上に一分子層供給し
次いで窒素を含むプラズマを照射してＴｉＮをほぼ一分
子層形成する工程を、所望の膜厚になるまで続けること
を特徴とする請求項１に記載のＴｉＮ薄膜の形成方法。 - 【請求項３】 半導体装置を構成する不純物拡散層上に
絶縁膜を形成したあと拡散層上の絶縁膜を開口し、この
開口部にバリアメタルとしてＴｉＮ薄膜を形成し、その
上に配線材料を形成する際、ＴｉＮ薄膜の形成に請求項
１または２に記載の方法を用いるＴｉＮ薄膜の形成方
法。 - 【請求項４】 窒素を含むプラズマを発生させるための
ガスあるいは窒素を構成元素として含むガスとして、Ｎ
2 ，ＮＨ3 ，Ｎ2 Ｈ4 ガスの少なくとも一つを用いるこ
とを特徴とする請求項１、２または３に記載のＴｉＮ薄
膜の形成方法。 - 【請求項５】 基板を加熱しながら前記窒素を含むプラ
ズマの照射を行うことを特徴とする請求項１、２、３ま
たは４に記載のＴｉＮ薄膜の形成方法。 - 【請求項６】 基板を加熱しながらＴｉＮ薄膜を堆積す
る請求項１、２、３、４または５に記載のＴｉＮ薄膜の
形成方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6011870A JP2803556B2 (ja) | 1994-02-03 | 1994-02-03 | バリアメタル層の形成方法 |
| KR1019950001895A KR950025880A (ko) | 1994-02-03 | 1995-02-03 | 장벽 금속층의 형성 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6011870A JP2803556B2 (ja) | 1994-02-03 | 1994-02-03 | バリアメタル層の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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