JP3077623B2 - プラズマ化学気相成長装置 - Google Patents
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Description
際して成膜に用いるプラズマ化学気相成長装置に関し、
特に金属を均一に成膜し、また高いバリア性をもつ金属
膜の成膜を可能とするプラズマ化学気相成長装置に関す
る。
て半導体装置の設計ルールは、ハーフミクロンからクオ
ーターミクロンのレベルまでになり、なおかつ多層配線
構造や平坦化技術の採用により、配線層間を接続するた
めのコンタクトホールのアスペクト比は増大する傾向に
ある。このような高アスペクト比コンタクトにおいて、
信頼性の高い多層配線構造を達成するためには、ホール
内にオーミックコンタクト用のチタン層と、配線材料の
拡散を防止するバリアメタルである窒化チタン層をコン
フォーマルに形成した後、アルミニウム膜を形成して高
温で流動化熱処理を行い、前記アルミニウム膜をコンタ
クトホール内に流し込む方法や、タングステンの選択化
学気相成長法やブランケット化学気相成長法により、上
層配線材料やコンタクトプラグでコンタクトホールを埋
め込む方法が採用されつつある。
は、チタン金属をターゲット材料としたスパッタリング
法や反応性スパッタリング法が用いられている。コンタ
クトホールのアスペクト比が大きくなるに従い、この方
法も改善がなされスパッタして得られた粒子の運動の垂
直成分を高めたコリメートスパッタ法やスパッタ用ター
ゲットと基板との距離を離して運動の垂直成分を高めた
ロングスロースパッタ法が注目されている。
が高くなるに従い、いずれの方法においてもコンタクト
ホール底部まで膜を形成することは困難となり、さらに
コンタクト開口部ではオーバーハング形状に膜が堆積し
次工程の配線形成に悪影響を及ぼすばかりでなく配線の
信頼性も大きく低下させる。また、いずれのスパッタ法
においても成膜速度は遅く生産性に乏しい。
レッジを解決するために、四塩化チタンを原料ガスに用
い、半導体基板を加熱して成長するプラズマ化学気相成
長法が、例えば1994年のヴィ−エル−エス−アイ・
マルチレベル・インターコネクション・カンファレンス
(VLSI Multilevel Inter Co
nnection Conference)の予稿集3
65ページに報告されている。報告では、四塩化チタン
を原料ガスとして用いて、平行平板プラズマ型のプラズ
マ化学気相成長装置で水素還元によりチタン層を形成し
ている。さらに、窒化チタン膜は減圧化学気相反応法を
用いてコンフォーマルな膜を形成している。
化学気相成長装置を示す。半導体基板(例えばシリコ
ン)15が金属製のサセプタ−14の中央に載置され
る。
プラズマ化学気相成長法では、プラズマ発生時のガス分
布に広がりが生じたり、またプラズマが半導体基板の外
周部のサセプター金属部分にも触れるためにサセプター
温度の制御が困難となり、サセプター温度にばらつきを
生じ、その結果半導体基板に気相化学反応で成膜した膜
の面内均一性が悪く、電気特性にばらつきを生じる。ま
た、バリアメタルとして形成した窒化チタン膜は通常柱
状結晶の多結晶構造であるために結晶粒界が多くバリア
性が低い。
i及びTiN膜の面内均一性及びTiN膜バリア性を解
決するための手段として、本発明のプラズマ化学気相成
長装置は、反応室内に設けられた平行平板型電極の一方
の電極を構成するサセプター上に半導体基板を載置して
加熱し、前記平行平板型電極の他方の電極との間で発生
させた原料ガスのプラズマにより前記半導体基板上に薄
膜の成長を行うプラズマ化学気相成長装置において、前
記サセプターの上面の前記半導体基板に覆われない領域
を被覆するセラミックス系絶縁材料から成るサセプター
カバーを有し、前記サセプターカバーは前記プラズマと
前記反応室の内壁との間に延伸されていることを特徴と
する。 (作用)本発明の半導体製造装置によれば、半導体基板
よりも外周部のサセプタ―金属部分がセラミックス系の
絶縁材料で覆われている。そのため、サセプター金属部
に直接プラズマが照射されることがなくなり、サセプタ
―温度の制御が容易で、サセプター温度にばらつきを生
じなくなる。その結果半導体基板に気相化学反応法で成
膜した膜の面内均一性がよく、デバイス特性や歩留まり
が向上する。
一体型インナーベルジャーを用いればプラズマ発生時の
ガスの発散も押さえられ、さらに基板面内の均一性を向
上させることができる。
ックス系材料に石英を用いることにより、通常の窒化チ
タン膜に石英からわずかに酸素を組み込みながら成長す
るためグレイン成長を抑えることができ、結晶粒界の存
在がきわめて少なくなり、その結果バリア膜としての性
質が大幅に改善される。
気相成長装置の半導体基板より外周部のサセプターをセ
ラミックス系の絶縁材料で覆い、Tiを成膜した例であ
る。図1に、本装置の概念的な構成を示す。対向する円
板型の金属製サセプター電極と金属製高周波電極から構
成され、上部の高周波電極には小さな穴が複数開けられ
ており、そこから半導体基板へプロセスに必要なガスが
送り込まれるような構造を成している。サセプター電極
14には、ヒーターが備え付けられており、半導体基板
を最大で700℃まで加熱でき、さらに半導体基板より
外周部はセラミックス系の絶縁材料からなるサセプター
カバーで覆われている構造からなる。
うなセラミックス系材料からなるサセプターカバー一体
型インナーベルジャー型を用いれば、プラズマ放電が金
属製のチャンバー内壁の影響を受けず、またベルジャー
を円筒形とすればガス分布もさらに向上する。このベル
ジャー側面の断面形状は平行平板電極13,14と相似
形をなす円筒形状に形成され、なおかつサセプターのウ
エハーより外周の金属露出部のサセプターを覆っている
構造をなす。反応室の側面に対向する側面部分とサセプ
ター部はチャンバークリーニング、パーティクル及びメ
ンテナンスの観点から、一体型であることが望ましい。
インナーベルジャー型カバーの側面部分は、プラズマと
反応室の内壁を隔てれば本発明の効果を生ずる。しか
し、図2のように、電極13の側部まで延伸させると、
電極13と内壁間の異常放電を防止する効果も加わる。
しては窒化シリコンが望ましい。窒化シリコンは酸素を
含まず、プラズマが生成しても酸素が放出されてTi膜
中に取り込まれることがないためである。
を含む半導体装置の実施例を図3を参照しながら説明す
る。シリコン基板1上にリソグラフィー技術と選択酸化
法により(a)に示すごとくLOCOS酸化膜2を形成
後、二フッ化ホウ素を70KeV、ドース5×1015c
m-2イオン注入し、900℃で活性化処理を行い(b)
に示すごとく導電体領域3を形成し、その上に層間絶縁
膜4を例えば1.5μm形成してリソグラフィーにより
コンタクトホールを開口する。コンタクトホール開口時
及びその後に形成された表面の酸化膜層10を(c)に
示すごとく例えば1%フッ酸により、熱酸化膜換算で約
5nmエッチングする。
体基板より外周部のサセプターが窒化シリコンからなる
材料で覆った平行平板型プラズマ化学気相成長装置に移
し、チタン成膜する。チタン成膜の場合には、例えば窒
化ケイ素などの非酸素含有形セラミックスからなる材料
のサセプターカバー12aを用いれば、プラズマと接触
しても酸素を放出することがなくチタンもしくはチタン
ケイ化物中に酸素が入ることを避けることができる。こ
の構造において、サセプターの金属露出部が絶縁材で覆
われているために、プラズマが照射してもサセプターの
温度分布の乱れを防ぐことができ、サセプター温度を一
定にしかも面内で均一に保つことができる。この装置を
用いて、(d)に示すごとく平行平板プラズマ型化学気
相成長法によりチタン膜7を形成する。チタン膜は、一
例として下記の条件下で3〜20nm成膜する。
一性は大幅に向上させることができる。
膜し、続いて(f)に示すごとくタングステンを全面に
CVD法で形成し、その後、六フッ化硫黄と酸素を含む
ドライエッチング法でコンタクトホールのみにタングス
テンを起こす[図3(g)]。
BPSG膜4上に形成した後、通常のリソグラフィ技術
およびドライエッチング技術により所望の形状にパター
ニングしてAl配線を形成する[図3(f)]。
成膜を効果的に行うことが可能な平行平板型プラズマ化
学気相成長装置として、少なくともサセプターのウェハ
ー外周の露出部が酸素を含有しないセラミックスで覆わ
れた構成の装置を用いている。これにより、プラズマが
サセプターに直接照射されることがなくなり、従ってサ
セプター温度の制御が容易となって、温度にばらつきが
なくなる。その結果半導体基板に気相化学反応法で成膜
した膜の面内均一性がよく、デバイス特性や歩留まりが
向上する。サセプターに非酸素含有セラミックスを用い
ていることにより、酸素を成膜した膜中に放出せず、そ
のためコンタクト抵抗が上昇することはおこらない。 (第2の実施例)本実施例では、実施例1で述べたもの
と同じ構造をもつ平行平板型プラズマ化学気相成長装置
を用い、TiN膜を成膜した例について述べる。ただ
し、ここではセラミックス系の絶縁材料として石英を用
いた場合について実施例1で用いた図3のなかの図で説
明する。
て、フッ酸による前処理を行い自然酸化膜層およびエッ
チングダメージ層を除去した後、(d)に示すごとくT
i膜をCVD法で形成する。続いて材質が石英のサセプ
ターカバー一体型インナーベルジャーを有する平行平板
型プラズマ化学気相成長装置を用い、(e)に示すごと
くTiN膜を成膜する。
で5〜50nm成膜する。
照射され、通常の窒化チタン膜に石英からわずかに放出
される酸素を導入しながら成長するため結晶成長(グレ
イン成長)を抑えることができ、結晶粒界の存在がきわ
めて少なくなる。その結果、バリア膜としての特性が大
幅に改善される。混入される酸素濃度はサセプター金属
がむき出しのときが1%以下であるのに対して、石英で
サセプターを覆った場合、材質によっても大きく異なる
が、結晶粒界(グレイン)の発生を押さえるためには5
%以上となることが好ましい。
は、実施例で述べたようにタングステンプラグ形成プロ
セスに対するバリア膜として有効であるばかりでなく、
銅(Cu)のような結晶粒界を拡散しやすい材料にとっ
ても有効である。
の薄膜化が可能でありデバイス構造にとっても有利であ
る。また、成膜時間の短縮によるスループットの向上に
もつながり生産性が向上する。
膜する場合を説明したが、成膜する材料はこれに限らず、
他の高融点金属やその化合物、金属窒化物などであって
も良いことは言うまでもない。
成膜した金属膜の面内均一性を向上させることができ、
さらにバリア膜として用いる金属膜の特性を改善するこ
とができる。
図。
Claims (8)
- 【請求項1】反応室内に設けられた平行平板型電極の一
方の電極を構成するサセプター上に半導体基板を載置し
て加熱し、前記平行平板型電極の他方の電極との間で発
生させた原料ガスのプラズマにより前記半導体基板上に
薄膜の成長を行うプラズマ化学気相成長装置において、
前記サセプターの上面の前記半導体基板に覆われない領
域を被覆するセラミックス系絶縁材料から成るサセプタ
ーカバーを有し、前記サセプターカバーは前記プラズマ
と前記反応室の内壁との間に延伸されていることを特徴
とするプラズマ化学気相成長装置。 - 【請求項2】前記サセプターカバーは、さらに前記他方
の電極の側部と前記反応室の内壁との間にまで延伸され
ていることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ化学
気相成長装置。 - 【請求項3】前記薄膜が金属を含むことを特徴とする請
求項1、または請求項2に記載のプラズマ化学気相成長
装置。 - 【請求項4】前記薄膜がTiまたはTiNであることを
特徴とする請求項1、または請求項2に記載のプラズマ
化学気相成長装置。 - 【請求項5】前記セラミックス系絶縁材料が窒化シリコ
ンであることを特徴とする請求項1、または請求項2に
記載のプラズマ化学気相成長装置。 - 【請求項6】前記セラミックス系絶縁材料が石英である
ことを特徴とする請求項1、または請求項2に記載のプ
ラズマ化学気相成長装置。 - 【請求項7】前記セラミックス系絶縁材料が酸素を含む
材料であることを特徴とする請求項1、または請求項2
に記載のプラズマ化学気相成長装置。 - 【請求項8】前記サセプターカバーが前記他方の電極に
対向する側に開放部を有し、前記サセプターに対向する
側が閉じているベルジャー型形状を有し、かつ前記サセ
プターの前記半導体基板を載置する領域に対応した開口
部を前記閉じた部分に有することを特徴とする請求項
1、または請求項2に記載のプラズマ化学気相成長装
置。
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