JP3243722B2 - 薄膜の形成方法および半導体装置 - Google Patents
薄膜の形成方法および半導体装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜の形成方法及び半導
体装置に関し、より詳細には半導体装置におけるコンタ
クトホールの内表面にバリヤ層として形成される TiN膜
等の薄膜の形成方法及び該薄膜が形成された半導体装置
に関する。
体装置に関し、より詳細には半導体装置におけるコンタ
クトホールの内表面にバリヤ層として形成される TiN膜
等の薄膜の形成方法及び該薄膜が形成された半導体装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置におけるコンタク
ト部は下地に基板表面の拡散層を有し、コンタクトホー
ルを介してAl等の配線と接続されている。
ト部は下地に基板表面の拡散層を有し、コンタクトホー
ルを介してAl等の配線と接続されている。
【０００３】しかしながらＬＳＩの微細化、高集積化が
進むにつれて基板表面に形成される拡散層も浅くなり、
この浅い拡散層においてAlスパイクが生じ接合を破壊す
る、あるいはコンタクトホール底部にSiが析出してコン
タクト抵抗が増大する等の問題が生じてきている。
進むにつれて基板表面に形成される拡散層も浅くなり、
この浅い拡散層においてAlスパイクが生じ接合を破壊す
る、あるいはコンタクトホール底部にSiが析出してコン
タクト抵抗が増大する等の問題が生じてきている。
【０００４】これらの問題を解決するためにAl中にあら
かじめ０．５〜２％程度のSiを混入させたAl合金（Al−
１％Si等）が電極配線材料として使用されているが、最
近はコンタクトホール径が小さくなっているのでこれら
Al合金でもSiの析出を防止するのには不十分となってき
ている。
かじめ０．５〜２％程度のSiを混入させたAl合金（Al−
１％Si等）が電極配線材料として使用されているが、最
近はコンタクトホール径が小さくなっているのでこれら
Al合金でもSiの析出を防止するのには不十分となってき
ている。
【０００５】そこでAl合金とSi基板との間にバリヤメタ
ルと呼ばれる拡散防止用の薄膜を形成することが考えら
れている。 TiN膜は電気抵抗が小さく化学的に安定なた
めバリヤメタルとして注目されている。（山西、吉原、
北原、細川；「真空」，第３０巻第５号ｐ３４７、１９
８７年）。
ルと呼ばれる拡散防止用の薄膜を形成することが考えら
れている。 TiN膜は電気抵抗が小さく化学的に安定なた
めバリヤメタルとして注目されている。（山西、吉原、
北原、細川；「真空」，第３０巻第５号ｐ３４７、１９
８７年）。
【０００６】TiN膜は従来反応性スパッタ法（Reactive
Sputtering 法）により形成されていた。反応性スパッ
タ法は図２１に示したような装置を用い、ターゲット３
０にTiを使用し、スパッタリングガスとしてArとN2とを
供給して基板３１上に TiN膜を形成するものである（金
森；「真空」，第２９巻、第９号、ｐ４１８、１９８６
年）。なお図中３２はコイルを示している。
Sputtering 法）により形成されていた。反応性スパッ
タ法は図２１に示したような装置を用い、ターゲット３
０にTiを使用し、スパッタリングガスとしてArとN2とを
供給して基板３１上に TiN膜を形成するものである（金
森；「真空」，第２９巻、第９号、ｐ４１８、１９８６
年）。なお図中３２はコイルを示している。
【０００７】しかしながらこの方法では段差被覆性（St
ep Coverage ）が悪く、 TiN膜はコンタクト部に図２２
（ａ）に示したように形成される。半導体装置における
高集積化が６４ＭＤＲＡＭ、２５６ＭＤＲＡＭと進むに
つれてコンタクトホール３５におけるアスペクト比（＝
ホール深さ／ホール径）が次第に大きくなり、このため
この方法ではコンタクトホール３５底部にほとんど TiN
膜３３がつかなくなり、この方法は使用できなくなる。
すなわち図２２（ａ）に示した状態からＷ（タングステ
ン）あるいはAl等の電極材料を埋め込んだとしても、図
２２（ｂ）に示したようにコンタクトホール３５内部に
ボイド３６が発生し、コンタクトホール３５内部で配線
が断線し易くなり、また TiN膜３３がホール底部で薄く
なるため、バリヤメタルとしての機能を果たさず、製造
されるＬＳＩデバイスの信頼性を確保することができな
い。
ep Coverage ）が悪く、 TiN膜はコンタクト部に図２２
（ａ）に示したように形成される。半導体装置における
高集積化が６４ＭＤＲＡＭ、２５６ＭＤＲＡＭと進むに
つれてコンタクトホール３５におけるアスペクト比（＝
ホール深さ／ホール径）が次第に大きくなり、このため
この方法ではコンタクトホール３５底部にほとんど TiN
膜３３がつかなくなり、この方法は使用できなくなる。
すなわち図２２（ａ）に示した状態からＷ（タングステ
ン）あるいはAl等の電極材料を埋め込んだとしても、図
２２（ｂ）に示したようにコンタクトホール３５内部に
ボイド３６が発生し、コンタクトホール３５内部で配線
が断線し易くなり、また TiN膜３３がホール底部で薄く
なるため、バリヤメタルとしての機能を果たさず、製造
されるＬＳＩデバイスの信頼性を確保することができな
い。
【０００８】そこで次にステップカバレジの良い薄膜の
形成方法としてＬＰＣＶＤ法（LowPressure Chemical V
apor Deposition法）という熱ＣＶＤ法の１つが注目さ
れ始めた。この方法は図２３に示したような装置を用い
TiCl4 及びNH3 あるいはN2ガスを原料として熱反応によ
り基板上に TiN膜を形成する方法である（N.Yokoyamaet
al., Vol. １３６ No.３，J.Electrochem.Soc., ｐ８
８２）（N.Yokoyama et al., Vol. １３８ No.１，J.El
ectrochem.Soc., ｐ１９０）。
形成方法としてＬＰＣＶＤ法（LowPressure Chemical V
apor Deposition法）という熱ＣＶＤ法の１つが注目さ
れ始めた。この方法は図２３に示したような装置を用い
TiCl4 及びNH3 あるいはN2ガスを原料として熱反応によ
り基板上に TiN膜を形成する方法である（N.Yokoyamaet
al., Vol. １３６ No.３，J.Electrochem.Soc., ｐ８
８２）（N.Yokoyama et al., Vol. １３８ No.１，J.El
ectrochem.Soc., ｐ１９０）。
【０００９】しかしながらTiCl4 ＋N2＋H2の反応により
TiN膜を形成するためには９００〜１０００℃程度の高
温が必要であり、デバイス特性に悪影響を及ぼすので、
ＬＳＩデバイスの製造に対しては適用できないといった
問題があった（Arthur Sherman, Extended Abstract of
the 1991 International Conference on Solid State
Devices and Materials, 1991 ｐ１７７〜１７９）。
TiN膜を形成するためには９００〜１０００℃程度の高
温が必要であり、デバイス特性に悪影響を及ぼすので、
ＬＳＩデバイスの製造に対しては適用できないといった
問題があった（Arthur Sherman, Extended Abstract of
the 1991 International Conference on Solid State
Devices and Materials, 1991 ｐ１７７〜１７９）。
【００１０】一方、TiCl4 ＋NH3 の反応は低温で行われ
るため、ＬＳＩデバイス用のバリヤメタル形成としては
NH3 ガスを用いた方法が有望視されていた。しかしなが
らTiCl4 とNH3 とは気相中で錯塩（Complex ）（TiCl4
・nNH3）を形成し、これが黄色いパウダとなり、装置内
におけるパーティクル発生の原因となり問題となってい
た（M.J.Buiting, et al, J.Electrochem.Soc., Vol.１
３８, No２， Ｆｅｂ．１９９１ｐ５００）。
るため、ＬＳＩデバイス用のバリヤメタル形成としては
NH3 ガスを用いた方法が有望視されていた。しかしなが
らTiCl4 とNH3 とは気相中で錯塩（Complex ）（TiCl4
・nNH3）を形成し、これが黄色いパウダとなり、装置内
におけるパーティクル発生の原因となり問題となってい
た（M.J.Buiting, et al, J.Electrochem.Soc., Vol.１
３８, No２， Ｆｅｂ．１９９１ｐ５００）。
【００１１】またＬＰＣＶＤ法により ＴｉＮ膜はコン
タクト部に図２４（ａ）に示したようにコンフォーマル
に形成される。ＬＰＣＶＤ法による場合コンタクトホー
ル３５底部に十分 TiN膜３３が形成され、このことはバ
リヤメタルとしては好ましいが、コンタクトホール３５
の側壁部にも底部と同じ膜厚で TiN膜３３が形成されて
しまう。このように側壁部にも厚く TiN膜３３が形成さ
れると、コンタクトホール３５に残る孔の径が小さくな
ってしまい、実質的にアスペクト比が大きいコンタクト
ホールが形成されたのと同じ状態となる。このため次工
程でＷ（タングステン）あるいはAl等を埋め込む際、図
２４（ｂ）に示したようにコンタクトホール３５内部に
ボイド３６が発生してしまい、やはりＬＳＩデバイスの
信頼性を確保することができないといった問題を残して
いた。
タクト部に図２４（ａ）に示したようにコンフォーマル
に形成される。ＬＰＣＶＤ法による場合コンタクトホー
ル３５底部に十分 TiN膜３３が形成され、このことはバ
リヤメタルとしては好ましいが、コンタクトホール３５
の側壁部にも底部と同じ膜厚で TiN膜３３が形成されて
しまう。このように側壁部にも厚く TiN膜３３が形成さ
れると、コンタクトホール３５に残る孔の径が小さくな
ってしまい、実質的にアスペクト比が大きいコンタクト
ホールが形成されたのと同じ状態となる。このため次工
程でＷ（タングステン）あるいはAl等を埋め込む際、図
２４（ｂ）に示したようにコンタクトホール３５内部に
ボイド３６が発生してしまい、やはりＬＳＩデバイスの
信頼性を確保することができないといった問題を残して
いた。
【００１２】なお、ＬＰＣＶＤ法には上記したように図
２３に示したような装置が用いられる。図中４０はチャ
ンバを示しており、チャンバ４０内にはガスノズル４１
及び試料保持台４２が配設され、試料保持台４２上には
基板４３が載置される。チャンバ４０下方にはブースタ
ポンプ４４及びロータリーポンプ４５が接続され、ガス
ノズル４１にはNH3 を供給するための配管４７が接続さ
れている。
２３に示したような装置が用いられる。図中４０はチャ
ンバを示しており、チャンバ４０内にはガスノズル４１
及び試料保持台４２が配設され、試料保持台４２上には
基板４３が載置される。チャンバ４０下方にはブースタ
ポンプ４４及びロータリーポンプ４５が接続され、ガス
ノズル４１にはNH3 を供給するための配管４７が接続さ
れている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記した問題点を考慮
し、本発明者らは研究を重ね、以下に述べる発明を完成
するに至った。
し、本発明者らは研究を重ね、以下に述べる発明を完成
するに至った。
【００１４】すなわち本発明はAr、H2、N2ガス及びTi系
ガスを用い、マイクロ波による電界と周囲に配設された
励磁コイルによる磁界との作用によってプラズマ生成室
でプラズマを生成させ、前記生成させたプラズマを反応
室に導入して試料台に載置された試料にTi窒化物膜の薄
膜を形成することを主な内容としている。
ガスを用い、マイクロ波による電界と周囲に配設された
励磁コイルによる磁界との作用によってプラズマ生成室
でプラズマを生成させ、前記生成させたプラズマを反応
室に導入して試料台に載置された試料にTi窒化物膜の薄
膜を形成することを主な内容としている。
【００１５】かかる方法を用いることにより、コンタク
ト部にステップカバレジに優れた薄膜を形成し、しかも
コンタクトホール側壁部に形成される薄膜の厚さを、コ
ンタクトホール底部に形成される薄膜の厚さよりも薄く
することを目的としている。
ト部にステップカバレジに優れた薄膜を形成し、しかも
コンタクトホール側壁部に形成される薄膜の厚さを、コ
ンタクトホール底部に形成される薄膜の厚さよりも薄く
することを目的としている。
【００１６】また、ＬＳＩデバイスに悪影響を与えない
程度の低温で薄膜を形成することができ、しかも黄色い
パウダー等のパーティクルを発生させない方法を提供す
ることを他の目的としている。
程度の低温で薄膜を形成することができ、しかも黄色い
パウダー等のパーティクルを発生させない方法を提供す
ることを他の目的としている。
【００１７】より詳細には本発明にかかる薄膜の形成方
法は、マイクロ波による電界と周囲に配設された励磁コ
イルによる磁界との作用によってプラズマ生成室でプラ
ズマを生成させ、前記生成させたプラズマを反応室に導
入して試料台に載置された試料に薄膜を形成する方法に
おいて、Ar、H2およびN2ガスを前記プラズマ生成室に導
入する一方、Ti系ガスを前記反応室に導入することによ
り前記試料上にTi窒化物膜を形成し、コンタクトホール
底部のTi窒化物膜の厚さを、前記コンタクトホール側壁
部のTi窒化物膜の厚さよりも厚く形成することを特徴と
し（１）、また、マイクロ波による電界と周囲に配設さ
れた励磁コイルによる磁界との作用によってプラズマ生
成室でのプラズマを生成させ、前記生成させたプラズマ
を反応室に導入して試料台に載置された試料に薄膜を形
成する方法において、Ar、H2、N2ガスおよびTi系ガスを
前記プラズマ生成室に導入することにより前記試料上に
Ti窒化物膜を形成し、コンタクトホール底部のTi窒化物
膜の厚さを、前記コンタクトホール側壁部のTi窒化物膜
の厚さよりも厚く形成することを特徴とし（２）、さら
には上記（１）又は（２）記載の薄膜の形成方法におい
て、基板上に絶縁膜が形成され、該絶縁膜にコンタクト
ホールが形成された半導体装置作成用基板に、Ti系ガス
として四塩化チタンガスを用い、反応室の圧力が２．０
ｍTorr以下、試料である前記基板の温度が４５０℃以上
の条件下で、前記コンタクトホールにTi窒化物膜を形成
することを特徴とし（３）、さらに本発明に係る薄膜の
形成方法は、上記（１）、（２）又は（３）記載の方法
において、マイクロ波導入窓にＲＦを印加しながら成膜
することを特徴とし（４）、 また、上記（１）、
（２）、（３）又は（４）記載の方法において、Ti窒化
物膜を形成後、H 2 プラズマ処理を施すことを特徴とし
（５）、 また、本発明にかかる半導体装置は、コンタク
トホール底部のTi窒化物膜の厚さが、前記コンタクトホ
ール側壁部のTi窒化物膜の厚さより厚いことを特徴とし
ている（６）。
法は、マイクロ波による電界と周囲に配設された励磁コ
イルによる磁界との作用によってプラズマ生成室でプラ
ズマを生成させ、前記生成させたプラズマを反応室に導
入して試料台に載置された試料に薄膜を形成する方法に
おいて、Ar、H2およびN2ガスを前記プラズマ生成室に導
入する一方、Ti系ガスを前記反応室に導入することによ
り前記試料上にTi窒化物膜を形成し、コンタクトホール
底部のTi窒化物膜の厚さを、前記コンタクトホール側壁
部のTi窒化物膜の厚さよりも厚く形成することを特徴と
し（１）、また、マイクロ波による電界と周囲に配設さ
れた励磁コイルによる磁界との作用によってプラズマ生
成室でのプラズマを生成させ、前記生成させたプラズマ
を反応室に導入して試料台に載置された試料に薄膜を形
成する方法において、Ar、H2、N2ガスおよびTi系ガスを
前記プラズマ生成室に導入することにより前記試料上に
Ti窒化物膜を形成し、コンタクトホール底部のTi窒化物
膜の厚さを、前記コンタクトホール側壁部のTi窒化物膜
の厚さよりも厚く形成することを特徴とし（２）、さら
には上記（１）又は（２）記載の薄膜の形成方法におい
て、基板上に絶縁膜が形成され、該絶縁膜にコンタクト
ホールが形成された半導体装置作成用基板に、Ti系ガス
として四塩化チタンガスを用い、反応室の圧力が２．０
ｍTorr以下、試料である前記基板の温度が４５０℃以上
の条件下で、前記コンタクトホールにTi窒化物膜を形成
することを特徴とし（３）、さらに本発明に係る薄膜の
形成方法は、上記（１）、（２）又は（３）記載の方法
において、マイクロ波導入窓にＲＦを印加しながら成膜
することを特徴とし（４）、 また、上記（１）、
（２）、（３）又は（４）記載の方法において、Ti窒化
物膜を形成後、H 2 プラズマ処理を施すことを特徴とし
（５）、 また、本発明にかかる半導体装置は、コンタク
トホール底部のTi窒化物膜の厚さが、前記コンタクトホ
ール側壁部のTi窒化物膜の厚さより厚いことを特徴とし
ている（６）。
【００１８】すなわち上記した（１）記載の方法によれ
ば、膜形成を促進するためのAr、H2ガスをプラズマ生成
室に供給し、一方TiCl4 等のTi系ガスを反応室内に供給
し、励磁コイルに直流電流を通流すると共に、マイクロ
波導波管、マイクロ波導入窓を通じてマイクロ波をプラ
ズマ生成室内に導入する。
ば、膜形成を促進するためのAr、H2ガスをプラズマ生成
室に供給し、一方TiCl4 等のTi系ガスを反応室内に供給
し、励磁コイルに直流電流を通流すると共に、マイクロ
波導波管、マイクロ波導入窓を通じてマイクロ波をプラ
ズマ生成室内に導入する。
【００１９】該プラズマ生成室に導入されたマイクロ波
は、前記プラズマ生成室内に供給されたAr、H2及びN2ガ
スを分解し、プラズマを生成せしめる。生成されたプラ
ズマが、励磁コイルにより形成された発散磁界によって
反応室内に導入されると、前記Ti系ガスは前記プラズマ
と反応し、前記反応室内に載置された試料表面にはTi窒
化物が供給されTi窒化物膜が形成される。
は、前記プラズマ生成室内に供給されたAr、H2及びN2ガ
スを分解し、プラズマを生成せしめる。生成されたプラ
ズマが、励磁コイルにより形成された発散磁界によって
反応室内に導入されると、前記Ti系ガスは前記プラズマ
と反応し、前記反応室内に載置された試料表面にはTi窒
化物が供給されTi窒化物膜が形成される。
【００２０】また、上記（２）記載の方法によればAr、
H2、N2ガス及びTiCl4 等のTi系ガスをプラズマ生成室に
供給し、励磁コイルに直流電流を通流すると共に、マイ
クロ波導波管、マイクロ波導入窓を通じてマイクロ波を
前記プラズマ生成室内に導入すると、該プラズマ生成室
に導入されたマイクロ波は、前記プラズマ生成室内に供
給されたAr、H2、及びN2ガスを分解し、プラズマを生成
せしめる。生成されたプラズマが、励磁コイルにより形
成された発散磁界によって反応室内に導入されると、前
記Ti系ガスはN2等と反応し前記反応室内に載置された試
料表面にTi窒化物が供給され、Ti窒化物膜が形成され
る。
H2、N2ガス及びTiCl4 等のTi系ガスをプラズマ生成室に
供給し、励磁コイルに直流電流を通流すると共に、マイ
クロ波導波管、マイクロ波導入窓を通じてマイクロ波を
前記プラズマ生成室内に導入すると、該プラズマ生成室
に導入されたマイクロ波は、前記プラズマ生成室内に供
給されたAr、H2、及びN2ガスを分解し、プラズマを生成
せしめる。生成されたプラズマが、励磁コイルにより形
成された発散磁界によって反応室内に導入されると、前
記Ti系ガスはN2等と反応し前記反応室内に載置された試
料表面にTi窒化物が供給され、Ti窒化物膜が形成され
る。
【００２１】Ti窒化物膜形成の反応メカニズムとしては
下記の反応式が考えられる。
下記の反応式が考えられる。
【００２２】 ２TiCl4 ＋ N2 ＋ ４H2 → ２TiN ＋ ８HCl ↑ TiCl4 を完全に分解してTi＋Clとするためには４００kc
al mol-1以上の非常に高いエネルギを必要とする。
al mol-1以上の非常に高いエネルギを必要とする。
【００２３】本発明に係る方法ではプラズマＣＶＤ、特
に電子サイクロトロン共鳴励起（ＥＣＲ）プラズマＣＶ
Ｄのような共鳴現象を起こさせることにより、高エネル
ギの電子を生成させ、これら電子の衝突により分解・還
元反応を促進している。
に電子サイクロトロン共鳴励起（ＥＣＲ）プラズマＣＶ
Ｄのような共鳴現象を起こさせることにより、高エネル
ギの電子を生成させ、これら電子の衝突により分解・還
元反応を促進している。
【００２４】従って試料温度を９００〜１０００℃とい
った高温にしなくともTi窒化物膜が試料表面に形成され
る。
った高温にしなくともTi窒化物膜が試料表面に形成され
る。
【００２５】Arはプラズマ放電を安定化させるために導
入されており、またマイクロ波導入窓への導電膜付着防
止のために該窓にＲＦを印加しているが、この際の導電
膜のスパッタリングガスとしてもArは作用する。
入されており、またマイクロ波導入窓への導電膜付着防
止のために該窓にＲＦを印加しているが、この際の導電
膜のスパッタリングガスとしてもArは作用する。
【００２６】本発明に係る薄膜の形成方法では、生成さ
れたプラズマが指向性良く試料に供給され、このためコ
ンタクト部には図９（ａ）に示したごとくにTi窒化物膜
が形成される。従って次工程でコンタクトホール３５部
にＷあるいはAl等の配線材料が埋め込まれる際にもボイ
ドは発生せず、図９（ｂ）に示した如くに埋め込みが行
なわれ、配線の平坦化が実現される。
れたプラズマが指向性良く試料に供給され、このためコ
ンタクト部には図９（ａ）に示したごとくにTi窒化物膜
が形成される。従って次工程でコンタクトホール３５部
にＷあるいはAl等の配線材料が埋め込まれる際にもボイ
ドは発生せず、図９（ｂ）に示した如くに埋め込みが行
なわれ、配線の平坦化が実現される。
【００２７】
【好ましい実施例及び比較例】（実施例１）本実施例で
はプラズマＣＶＤ法を用い、アスペクト比の異なるホー
ルを表面に設けた試料上に TiNの薄膜を形成した場合に
ついて詳述する。
はプラズマＣＶＤ法を用い、アスペクト比の異なるホー
ルを表面に設けた試料上に TiNの薄膜を形成した場合に
ついて詳述する。
【００２８】図１は本実施例に係る薄膜の形成方法に使
用するプラズマＣＶＤ装置を模式的に示した断面図であ
る。
用するプラズマＣＶＤ装置を模式的に示した断面図であ
る。
【００２９】該プラズマＣＶＤ装置は、プラズマ生成室
１と反応室２とからなる装置本体３と、プラズマ生成室
１の周囲に配設されて直流電源（図示せず）が接続され
た励磁コイル４と、マイクロ波発振器（図示せず）から
発振されたマイクロ波をプラズマ生成室１に導入する導
波管５等とから構成されている。６は石英ガラス等で形
成されたマイクロ波導入窓、７は該マイクロ波導入窓に
高周波（ＲＦ）電源を印加する高周波発生源、８は試料
９が載置される試料台をそれぞれ表している。
１と反応室２とからなる装置本体３と、プラズマ生成室
１の周囲に配設されて直流電源（図示せず）が接続され
た励磁コイル４と、マイクロ波発振器（図示せず）から
発振されたマイクロ波をプラズマ生成室１に導入する導
波管５等とから構成されている。６は石英ガラス等で形
成されたマイクロ波導入窓、７は該マイクロ波導入窓に
高周波（ＲＦ）電源を印加する高周波発生源、８は試料
９が載置される試料台をそれぞれ表している。
【００３０】プラズマ生成室１は略円筒形状に形成さ
れ、このプラズマ生成室１の上部壁の略中央部にはマイ
クロ波を導入するための第１の孔１０が形成されてお
り、プラズマ生成室１の下方には、このプラズマ生成室
１よりも大口径を有する反応室２が一体的に形成されて
いる。また、この反応室２とプラズマ生成室１とは、仕
切板１１によって仕切られており、この仕切板１１の略
中央部には第２の孔（プラズマ引出窓）１２が形成され
ている。
れ、このプラズマ生成室１の上部壁の略中央部にはマイ
クロ波を導入するための第１の孔１０が形成されてお
り、プラズマ生成室１の下方には、このプラズマ生成室
１よりも大口径を有する反応室２が一体的に形成されて
いる。また、この反応室２とプラズマ生成室１とは、仕
切板１１によって仕切られており、この仕切板１１の略
中央部には第２の孔（プラズマ引出窓）１２が形成され
ている。
【００３１】さらに、反応室２の側壁には第１の導入配
管１３が接続され、反応室２の底部には排気系（図示せ
ず）に連通している排気配管１４が接続されている。ま
た、プラズマ生成室１の上壁部には第２の導入配管１５
が接続されている。
管１３が接続され、反応室２の底部には排気系（図示せ
ず）に連通している排気配管１４が接続されている。ま
た、プラズマ生成室１の上壁部には第２の導入配管１５
が接続されている。
【００３２】高周波発生源７は高周波発振器１６とマッ
チングボックス１７とから構成され、マイクロ波導入窓
６と導波管５との間に挟着された平板電極１８を介して
マイクロ波導入窓６に高周波（ＲＦ）が印加されるよう
になっている。
チングボックス１７とから構成され、マイクロ波導入窓
６と導波管５との間に挟着された平板電極１８を介して
マイクロ波導入窓６に高周波（ＲＦ）が印加されるよう
になっている。
【００３３】試料台８には試料９にＲＦ高周波を印加す
るためのＲＦ高周波発振器２１が、マッチングボックス
２０を介して接続されている。このＲＦ高周波発振器２
１により試料９に所定のＲＦ高周波を印加し、前述の薄
膜の形成方法を実施することにより、試料９にかかるバ
イアス電圧により、アスペクト比が高い場合でもステッ
プカバレジの良好な薄膜を形成することができる。
るためのＲＦ高周波発振器２１が、マッチングボックス
２０を介して接続されている。このＲＦ高周波発振器２
１により試料９に所定のＲＦ高周波を印加し、前述の薄
膜の形成方法を実施することにより、試料９にかかるバ
イアス電圧により、アスペクト比が高い場合でもステッ
プカバレジの良好な薄膜を形成することができる。
【００３４】また、試料９を所定のヒータ等で加熱し、
試料９の温度を所定値、例えば２００〜６００℃に保つ
と、形成される薄膜の結晶化が促進され、薄膜の電気伝
導性が良好なものとなる。
試料９の温度を所定値、例えば２００〜６００℃に保つ
と、形成される薄膜の結晶化が促進され、薄膜の電気伝
導性が良好なものとなる。
【００３５】励磁コイル４に直流電力が供給されるとプ
ラズマ生成室１に所定の磁場が発生する。これによりマ
イクロ波発振器からプラズマ生成室１に導入されるマイ
クロ波の角周波数ωと電子サイクロトロンの角周波数ω
c とが、プラズマ生成室１において等しくなるような磁
場を形成し、電子に共鳴運動を行わせるように構成する
こともできる。この共鳴を起こさせるための条件、すな
わち、ＥＣＲ条件は、古典力学的方程式を解くことによ
り容易に求められ、次式で示される。
ラズマ生成室１に所定の磁場が発生する。これによりマ
イクロ波発振器からプラズマ生成室１に導入されるマイ
クロ波の角周波数ωと電子サイクロトロンの角周波数ω
c とが、プラズマ生成室１において等しくなるような磁
場を形成し、電子に共鳴運動を行わせるように構成する
こともできる。この共鳴を起こさせるための条件、すな
わち、ＥＣＲ条件は、古典力学的方程式を解くことによ
り容易に求められ、次式で示される。
【００３６】 ω ＝ ωc ＝ ｅＢ／ｍ ……… ここで、ｅは電子の電荷（＝１．６×１０-19 Ｃ）、Ｂ
は磁束密度（Ｔ）、ｍは電子の質量（＝９．１×１０
-31kg ）をそれぞれ表している。
は磁束密度（Ｔ）、ｍは電子の質量（＝９．１×１０
-31kg ）をそれぞれ表している。
【００３７】マイクロ波の角周波数ωは、本実施例では
２．４５GHz に設定されており、前記式よりＥＣＲ条
件を満たす磁束密度Ｂを８．７５×１０-2Ｔに設定し
た。
２．４５GHz に設定されており、前記式よりＥＣＲ条
件を満たす磁束密度Ｂを８．７５×１０-2Ｔに設定し
た。
【００３８】上記装置を用いて薄膜を形成するには、ま
ず、排気系を操作して装置本体３内を１×１０-6Torr以
下の圧力に減圧し、この後TiCl4 を５〜１５SCCMの流量
で第１の導入配管１３から反応室２内に供給する一方、
Ar４３SCCM、N2１５SCCM、H2５０SCCMをプラズマ生成室
１内に第２の導入配管１５から供給した。この後装置本
体３内を所定の圧力、例えば２×１０-3Torrに設定し
た。
ず、排気系を操作して装置本体３内を１×１０-6Torr以
下の圧力に減圧し、この後TiCl4 を５〜１５SCCMの流量
で第１の導入配管１３から反応室２内に供給する一方、
Ar４３SCCM、N2１５SCCM、H2５０SCCMをプラズマ生成室
１内に第２の導入配管１５から供給した。この後装置本
体３内を所定の圧力、例えば２×１０-3Torrに設定し
た。
【００３９】さらに、高周波発生源７に通電してマイク
ロ波導入窓６に電圧を印加し、ＲＦによるスパッタ効果
により、 TiN薄膜がマイクロ波導入窓６に付着するのを
防止した。
ロ波導入窓６に電圧を印加し、ＲＦによるスパッタ効果
により、 TiN薄膜がマイクロ波導入窓６に付着するのを
防止した。
【００４０】一方、出力８００Ｗのマイクロ波をマイク
ロ波発振器から導波管５を介してプラズマ生成室１に導
入すると共に、励磁コイル４に直流電源を接続して、プ
ラズマ生成室１内に磁場を生じさせた。そしてプラズマ
生成室１内で高エネルギ電子と原料ガスとを衝突させ、
この原料ガスを分解してイオン化し、プラズマを生成さ
せた。
ロ波発振器から導波管５を介してプラズマ生成室１に導
入すると共に、励磁コイル４に直流電源を接続して、プ
ラズマ生成室１内に磁場を生じさせた。そしてプラズマ
生成室１内で高エネルギ電子と原料ガスとを衝突させ、
この原料ガスを分解してイオン化し、プラズマを生成さ
せた。
【００４１】次いで、このプラズマは第２の孔１２を通
過し、発散磁界により図中矢印Ａ方向に加速されて反応
室２内に導かれ、試料台８に載置されたアスペクト比
０．２〜１．０の孔が設けられている試料９の表面に T
iNの薄膜を形成させた。
過し、発散磁界により図中矢印Ａ方向に加速されて反応
室２内に導かれ、試料台８に載置されたアスペクト比
０．２〜１．０の孔が設けられている試料９の表面に T
iNの薄膜を形成させた。
【００４２】本実施例によって得られたTiCl4 ガス流量
と成膜速度及び比抵抗との関係を図３に示した。この図
３より明らかなように、TiCl4 ガスの流量１０SCCMで成
膜速度７００Å／ｍｉｎ、比抵抗１８０μΩｃｍが得ら
れた。
と成膜速度及び比抵抗との関係を図３に示した。この図
３より明らかなように、TiCl4 ガスの流量１０SCCMで成
膜速度７００Å／ｍｉｎ、比抵抗１８０μΩｃｍが得ら
れた。
【００４３】（実施例２）図２は本発明に係る TiN薄膜
の形成方法に使用される別のプラズマＣＶＤ装置を示す
断面図である。
の形成方法に使用される別のプラズマＣＶＤ装置を示す
断面図である。
【００４４】このプラズマ装置と上記実施例１における
プラズマ装置との構成上の相違点は、反応室２の側壁に
接続されていた第１の導入配管１３がない点のみであ
り、他の構成は上記実施例１におけるプラズマ装置と同
じであるので、その詳細な説明は省略する。
プラズマ装置との構成上の相違点は、反応室２の側壁に
接続されていた第１の導入配管１３がない点のみであ
り、他の構成は上記実施例１におけるプラズマ装置と同
じであるので、その詳細な説明は省略する。
【００４５】該プラズマ装置を用いて薄膜を形成するに
は、まず、プラズマ生成室１に接続された第２の導入配
管１５にAr、H2、N2ガス及び金属系のガスであるTiCl4
ガスを導入する。
は、まず、プラズマ生成室１に接続された第２の導入配
管１５にAr、H2、N2ガス及び金属系のガスであるTiCl4
ガスを導入する。
【００４６】マイクロ導波管５を通ってプラズマ生成室
１内に導入されたマイクロ波および励磁コイル４の磁界
の作用により形成されたプラズマガスは、励磁コイル４
により形成された発散磁界によって反応室２内に導入さ
れる。そしてプラズマガスは試料９表面に供給され、 T
iN膜が試料９表面に形成される。
１内に導入されたマイクロ波および励磁コイル４の磁界
の作用により形成されたプラズマガスは、励磁コイル４
により形成された発散磁界によって反応室２内に導入さ
れる。そしてプラズマガスは試料９表面に供給され、 T
iN膜が試料９表面に形成される。
【００４７】この実施例においては、Arガスの流量を４
３SCCM、N2ガスの流量を１５SCCM、H2ガスの流量を５０
SCCM、TiCl4 ガスの流量を１０SCCMにそれぞれ設定し、
また試料９の温度を６００℃に設定した。
３SCCM、N2ガスの流量を１５SCCM、H2ガスの流量を５０
SCCM、TiCl4 ガスの流量を１０SCCMにそれぞれ設定し、
また試料９の温度を６００℃に設定した。
【００４８】本実施例においても、図３に示したTiCl4
１０SCCMの場合とほぼ同等の成膜速度、比抵抗値が得ら
れた。
１０SCCMの場合とほぼ同等の成膜速度、比抵抗値が得ら
れた。
【００４９】図４に実施例１、実施例２及び従来技術と
して特開平２−３０７２号公報に開示されている実験結
果を対比して、アスペクト比と孔底部／孔外表面部成膜
速度との関係を示した。この図４より、高アスペクト比
において孔底部／孔外表面部成膜速度が優れていること
がわかる。
して特開平２−３０７２号公報に開示されている実験結
果を対比して、アスペクト比と孔底部／孔外表面部成膜
速度との関係を示した。この図４より、高アスペクト比
において孔底部／孔外表面部成膜速度が優れていること
がわかる。
【００５０】（実施例３）次にＰ型Si基板上にSiO2の絶
縁膜を形成し、この絶縁膜中にコンタクトホールを形成
し、これを試料として図１に示した装置を用い、コンタ
クトホールの内表面に TiN薄膜を形成した。
縁膜を形成し、この絶縁膜中にコンタクトホールを形成
し、これを試料として図１に示した装置を用い、コンタ
クトホールの内表面に TiN薄膜を形成した。
【００５１】まず、排気系を操作して装置本体３内を１
×１０-6Torrの圧力に減圧し、この後TiCl4 １０SCCMを
第１の導入配管１３から反応室２内に供給する一方、A
r：４３SCCM、H2：５０SCCM、N2：１５SCCMをプラズマ
生成室１内に第２の導入配管１５から供給する。この条
件下で装置内のガス圧力を変えて TiN膜形成の状況、と
くにコンタクトホールの内表面に対するTiN膜の堆積の
状況を検討した。その結果２．０ｍTorr以下では良好な
堆積状況を示したが、これ以上のガス圧力では堆積不良
が生ずる。実際にTiN膜をアスペクト比２のコンタクト
ホールの内表面に堆積させたＳＥＭ走査型電子顕微鏡写
真に基づく図を図５に示す。この時の処理条件は、ガス
圧力１．３ｍTorr、マイクロ波パワー２．８kw、基板温
度５５０度、TiCl4 ：１０SCCM、H2：５０SCCM、N2：１
５SCCM、Ar：４３SCCMであった。
×１０-6Torrの圧力に減圧し、この後TiCl4 １０SCCMを
第１の導入配管１３から反応室２内に供給する一方、A
r：４３SCCM、H2：５０SCCM、N2：１５SCCMをプラズマ
生成室１内に第２の導入配管１５から供給する。この条
件下で装置内のガス圧力を変えて TiN膜形成の状況、と
くにコンタクトホールの内表面に対するTiN膜の堆積の
状況を検討した。その結果２．０ｍTorr以下では良好な
堆積状況を示したが、これ以上のガス圧力では堆積不良
が生ずる。実際にTiN膜をアスペクト比２のコンタクト
ホールの内表面に堆積させたＳＥＭ走査型電子顕微鏡写
真に基づく図を図５に示す。この時の処理条件は、ガス
圧力１．３ｍTorr、マイクロ波パワー２．８kw、基板温
度５５０度、TiCl4 ：１０SCCM、H2：５０SCCM、N2：１
５SCCM、Ar：４３SCCMであった。
【００５２】この図５よりコンタクトホール３５の側部
および底部に TiN膜３３が堆積していることがわかる。
この底部に堆積した膜厚は約５００〜６００Å、側壁の
膜厚は２００〜３００Å、一方絶縁膜上の膜厚は１００
０Åであった。すなわちコンタクトホール３５の底部の
成膜量が基板表面成膜量に対して５０％を超えることが
できた。比較例として装置本体３内の圧力３ｍTorr、５
ｍTorr、他の条件は同じにして処理を行ったときのＳＥ
Ｍ写真に基づく図を図６、図７に示した。これらの条件
によっては十分な堆積状態を示していない。
および底部に TiN膜３３が堆積していることがわかる。
この底部に堆積した膜厚は約５００〜６００Å、側壁の
膜厚は２００〜３００Å、一方絶縁膜上の膜厚は１００
０Åであった。すなわちコンタクトホール３５の底部の
成膜量が基板表面成膜量に対して５０％を超えることが
できた。比較例として装置本体３内の圧力３ｍTorr、５
ｍTorr、他の条件は同じにして処理を行ったときのＳＥ
Ｍ写真に基づく図を図６、図７に示した。これらの条件
によっては十分な堆積状態を示していない。
【００５３】（実施例４）図８のＳＥＭ写真に基づく図
は、圧力０．７ｍTorr、TiCl4 ：５SCCM、Ar：H2：５０
SCCM、N2：１５SCCM、マイクロ波２．８kw、基板温度５
５０℃の条件下で形成した際の成膜状態を示す。この図
より明らかなように、コンタクトホール３５底部の成膜
量は基板表面の成膜量に対して７０％と非常に優れた値
が得られた。
は、圧力０．７ｍTorr、TiCl4 ：５SCCM、Ar：H2：５０
SCCM、N2：１５SCCM、マイクロ波２．８kw、基板温度５
５０℃の条件下で形成した際の成膜状態を示す。この図
より明らかなように、コンタクトホール３５底部の成膜
量は基板表面の成膜量に対して７０％と非常に優れた値
が得られた。
【００５４】実施例３および４から明らかなように、装
置本体３内の圧力を２．０ｍTorr好ましくは１．３ｍTo
rr以下に設定するのがよい。
置本体３内の圧力を２．０ｍTorr好ましくは１．３ｍTo
rr以下に設定するのがよい。
【００５５】本発明のプラズマＣＶＤ法は、ガスをプラ
ズマ化することによって活性化させ、磁力線の発散にし
たがって、試料上に活性化されたガスを導き、試料上で
TiNを形成するものである。したがって、活性化された
ガス分子は発散磁界によって誘導されるので指向性を有
し、試料に対しほぼ垂直に照射され、コンタクトホール
外周部の絶縁体の表面、コンタクトホール底部の TiN薄
膜は、厚くなるが、コンタクトホール側壁部は薄くな
る。したがって、TiN膜はコンタクトホール底部におい
て厚いので、良好なバリア性を有する一方、コンタクト
ホール側壁部は薄いことから、コンタクトホール直径は
あまり小さくならず、 TiN成膜後のアスペクト比はそれ
ほど高くならない。このため、次工程のAl、タングステ
ンによる電極材料の埋め込み工程におけるボイド形成の
確率が低下し、信頼性の高い配線が可能となる。
ズマ化することによって活性化させ、磁力線の発散にし
たがって、試料上に活性化されたガスを導き、試料上で
TiNを形成するものである。したがって、活性化された
ガス分子は発散磁界によって誘導されるので指向性を有
し、試料に対しほぼ垂直に照射され、コンタクトホール
外周部の絶縁体の表面、コンタクトホール底部の TiN薄
膜は、厚くなるが、コンタクトホール側壁部は薄くな
る。したがって、TiN膜はコンタクトホール底部におい
て厚いので、良好なバリア性を有する一方、コンタクト
ホール側壁部は薄いことから、コンタクトホール直径は
あまり小さくならず、 TiN成膜後のアスペクト比はそれ
ほど高くならない。このため、次工程のAl、タングステ
ンによる電極材料の埋め込み工程におけるボイド形成の
確率が低下し、信頼性の高い配線が可能となる。
【００５６】図９（ａ）に本発明のプラズマＣＶＤ法に
よるコンタクトホール３５近傍へのTiN膜３３の付き方
を示し、その後、タングステンによる埋め込みを行った
場合を図９（ｂ）に示した。また表１に各成膜によって
形成される膜厚のデータを示す。
よるコンタクトホール３５近傍へのTiN膜３３の付き方
を示し、その後、タングステンによる埋め込みを行った
場合を図９（ｂ）に示した。また表１に各成膜によって
形成される膜厚のデータを示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】このようにＥＣＲプラズマＣＶＤ法は底部
に厚く成膜し、しかも次工程のタングステンの埋め込み
の際にもボイドの発生が見られない。
に厚く成膜し、しかも次工程のタングステンの埋め込み
の際にもボイドの発生が見られない。
【００５９】（実施例５）図１０の（●）で示した曲線
は上述のＣＶＤ装置内でマイクロ波パワー１kw、ガス圧
１．３ｍTorrのもとで生成する薄膜の比抵抗と基板の温
度との関係を示している。すなわち、基板温度４５０℃
以上において、生成する TiN膜の比抵抗値は従来技術に
記載されるＬＰＣＶＤ法による５２３μΩｃｍと比べ、
２００μΩｃｍ以下と非常に小さくなり、半導体装置の
拡散層部分と金属配線の電極部分とを電気的に接続する
機能の面から極めて良好な値が得られた。一方、基板温
度が４５０℃以下であると、生成する TiN膜の比抵抗値
は急激に増加して、使用に耐えないものとなる。
は上述のＣＶＤ装置内でマイクロ波パワー１kw、ガス圧
１．３ｍTorrのもとで生成する薄膜の比抵抗と基板の温
度との関係を示している。すなわち、基板温度４５０℃
以上において、生成する TiN膜の比抵抗値は従来技術に
記載されるＬＰＣＶＤ法による５２３μΩｃｍと比べ、
２００μΩｃｍ以下と非常に小さくなり、半導体装置の
拡散層部分と金属配線の電極部分とを電気的に接続する
機能の面から極めて良好な値が得られた。一方、基板温
度が４５０℃以下であると、生成する TiN膜の比抵抗値
は急激に増加して、使用に耐えないものとなる。
【００６０】また、同図１０における○で示した曲線
は、マイクロ波パワー１kw、ガス圧１．３ｍTorrのもと
で TiN膜の堆積速度と基板温度との関係を示している。
この曲線からは両者に格別の相関関係がないことが理解
できる。したがって、基板の温度は４５０℃以上、好ま
しくは、５５０℃とするのがよい。
は、マイクロ波パワー１kw、ガス圧１．３ｍTorrのもと
で TiN膜の堆積速度と基板温度との関係を示している。
この曲線からは両者に格別の相関関係がないことが理解
できる。したがって、基板の温度は４５０℃以上、好ま
しくは、５５０℃とするのがよい。
【００６１】（実施例６）図１１は、マイクロ波パワー
と堆積速度との関係（○）並びにマイクロ波パワーと比
抵抗との関係（●）を示す。図１１よりマイクロ波パワ
ー１kw以上において比抵抗２００μΩｃｍ以下、２kw以
上では１００μΩｃｍ以下が得られることが確認され
た。
と堆積速度との関係（○）並びにマイクロ波パワーと比
抵抗との関係（●）を示す。図１１よりマイクロ波パワ
ー１kw以上において比抵抗２００μΩｃｍ以下、２kw以
上では１００μΩｃｍ以下が得られることが確認され
た。
【００６２】これらの結果は従来技術の熱反応のみを利
用するＬＰＣＶＤ法による比抵抗５２５μΩｃｍより本
発明の熱反応エネルギーとプラズマエネルギーを併用す
る方法が遥かに優れたものであり、実用レベルを実現で
きることを示している。
用するＬＰＣＶＤ法による比抵抗５２５μΩｃｍより本
発明の熱反応エネルギーとプラズマエネルギーを併用す
る方法が遥かに優れたものであり、実用レベルを実現で
きることを示している。
【００６３】（実施例７）次にコンタクトホール部に堆
積した TiN膜のＳＥＭ写真に基づく図を図１２〜１５に
示す。この時の処理条件は、マイクロ波パワー１kwであ
り、TiCl4 の流量を変化させた以外は図５に示した場合
の処理条件と同じである。この図１２より堆積した TiN
膜は柱状構造ではなく均質な微細組織であることが確認
できた。従って、バリア性のよいことが予想された。
積した TiN膜のＳＥＭ写真に基づく図を図１２〜１５に
示す。この時の処理条件は、マイクロ波パワー１kwであ
り、TiCl4 の流量を変化させた以外は図５に示した場合
の処理条件と同じである。この図１２より堆積した TiN
膜は柱状構造ではなく均質な微細組織であることが確認
できた。従って、バリア性のよいことが予想された。
【００６４】図１３はTiCl4 ：５SCCM、図１４はTiCl
4 ：１５SCCM、図１５はTiCl4 ：２０SCCMの場合をそれ
ぞれ示しており、TiCl4 の流量を変えた場合の TiN膜の
組織の変化を示している。図１４と図１５は TiN膜が柱
状構造になっており、図１３のTiN膜は図１２のものと
同様に均質な微細組織であることが分かる。
4 ：１５SCCM、図１５はTiCl4 ：２０SCCMの場合をそれ
ぞれ示しており、TiCl4 の流量を変えた場合の TiN膜の
組織の変化を示している。図１４と図１５は TiN膜が柱
状構造になっており、図１３のTiN膜は図１２のものと
同様に均質な微細組織であることが分かる。
【００６５】マイクロ波パワーが一定の場合には、上述
のようにTiCl4 の流量を増やすと TiN膜の組織が柱状構
造になりやすいが、マイクロ波パワーを大きくすると、
TiCl4 の流量が多い場合でも TiN膜の組織を均質な微細
組織にすることができる。
のようにTiCl4 の流量を増やすと TiN膜の組織が柱状構
造になりやすいが、マイクロ波パワーを大きくすると、
TiCl4 の流量が多い場合でも TiN膜の組織を均質な微細
組織にすることができる。
【００６６】つぎに、マイクロ波パワーとTiCl4 の流量
と TiN膜の組織との関係を調査した結果を表２に示し
た。
と TiN膜の組織との関係を調査した結果を表２に示し
た。
【００６７】
【表２】
【００６８】この結果からTiCl4 の流量を増やしても、
これに対応させてマイクロ波パワーを増大させれば、柱
状構造の発生を阻止することができることがわかった。
これに対応させてマイクロ波パワーを増大させれば、柱
状構造の発生を阻止することができることがわかった。
【００６９】（実施例８）また、このバリア性に優れた
ことを示す実験結果を図１６に示す。この図１６は、A
l、Tiのカーブが横に拡がっていないことを示してい
る。
ことを示す実験結果を図１６に示す。この図１６は、A
l、Tiのカーブが横に拡がっていないことを示してい
る。
【００７０】図１６は、Si基板上に TiNを１０００Å成
膜し、その上にさらにAlを蒸着し、それを熱処理無し、
５００℃で３０分、６００℃で３０分、６５０℃で３０
分それぞれ熱処理し、これらを４つの試料としてＲＢＳ
（ラザフォード バックスキャタリング スペクトロス
コピー）で測定した結果を示すグラフである。ＲＢＳと
は一定のエネルギーのHe原子を基板に照射し、反射Heの
エネルギーより、膜中の膜厚方向の元素分布を調べるも
のである。各元素に衝突したHeのエネルギーロスは、元
素（原子量）により決定され、軽い元素ほど左方向に出
る。したがって、膜構造はAl／ TiN／Siであるが、Si、
Ti、Alの順番でピークが出る。またそれぞれのピークの
幅は膜厚に対応していることを意味し、これが広がると
拡散していることを示す。（Siは基板なので幅が広く、
片端しか見えない）。図１６から明らかなように熱処理
してもこのピークがほとんど変化しておらず６５０℃で
３０分の熱処理後でも高いバリア性（拡散防止効果）を
示している。
膜し、その上にさらにAlを蒸着し、それを熱処理無し、
５００℃で３０分、６００℃で３０分、６５０℃で３０
分それぞれ熱処理し、これらを４つの試料としてＲＢＳ
（ラザフォード バックスキャタリング スペクトロス
コピー）で測定した結果を示すグラフである。ＲＢＳと
は一定のエネルギーのHe原子を基板に照射し、反射Heの
エネルギーより、膜中の膜厚方向の元素分布を調べるも
のである。各元素に衝突したHeのエネルギーロスは、元
素（原子量）により決定され、軽い元素ほど左方向に出
る。したがって、膜構造はAl／ TiN／Siであるが、Si、
Ti、Alの順番でピークが出る。またそれぞれのピークの
幅は膜厚に対応していることを意味し、これが広がると
拡散していることを示す。（Siは基板なので幅が広く、
片端しか見えない）。図１６から明らかなように熱処理
してもこのピークがほとんど変化しておらず６５０℃で
３０分の熱処理後でも高いバリア性（拡散防止効果）を
示している。
【００７１】上方枠内の図は膜構造、Al／ TiN／Siにお
いて、HeをAlの方向から照射し、一部後方に散乱するHe
イオンの収量を測定したことを示す。
いて、HeをAlの方向から照射し、一部後方に散乱するHe
イオンの収量を測定したことを示す。
【００７２】TiN膜形成後の次の工程として、Ｗ合金或
はAlまたはAl−Si−Cu等のAl合金の配線が TiN膜上に施
されるが、もし TiN膜中に塩素が残留していると、例え
ばAl等の配線は塩素によって強く腐食される。時として
は、絶縁物のAlCl3 が生じ、Al配線に肉眼で観察できる
程の腐食が生じる。このため、 TiN膜から可能な限り塩
素を除去することは必須の工程である。
はAlまたはAl−Si−Cu等のAl合金の配線が TiN膜上に施
されるが、もし TiN膜中に塩素が残留していると、例え
ばAl等の配線は塩素によって強く腐食される。時として
は、絶縁物のAlCl3 が生じ、Al配線に肉眼で観察できる
程の腐食が生じる。このため、 TiN膜から可能な限り塩
素を除去することは必須の工程である。
【００７３】図１７、図１８は、本発明の実施例の処理
条件でマイクロ波パワーを１kw、２．８kwで作成した T
iN膜のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線アナライザー）ス
ペクトルを示す。１kwでは、塩素Clのピークが確認され
るが、２．８kwでは全く塩素Clのピークがないことが確
認された。
条件でマイクロ波パワーを１kw、２．８kwで作成した T
iN膜のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線アナライザー）ス
ペクトルを示す。１kwでは、塩素Clのピークが確認され
るが、２．８kwでは全く塩素Clのピークがないことが確
認された。
【００７４】このように塩素Clは、マイクロ波パワーを
大きくすることによって混入を防止することができる
が、このほかに TiN膜成膜後H2プラズマ処理を施すこと
によっても減らすことができる。
大きくすることによって混入を防止することができる
が、このほかに TiN膜成膜後H2プラズマ処理を施すこと
によっても減らすことができる。
【００７５】図１９は、 TiN膜成膜後H2プラズマ処理を
施した試料の表面から深さ方向に（TiN膜に直角にSi基
板に向かって）ＳＩＭＳ（セカンダリー イオン マス
スペクトロスコピー）により分析した結果を示すもので
ある。
施した試料の表面から深さ方向に（TiN膜に直角にSi基
板に向かって）ＳＩＭＳ（セカンダリー イオン マス
スペクトロスコピー）により分析した結果を示すもので
ある。
【００７６】このＳＩＭＳは、酸素イオンを照射して深
さ方向に膜を掘っていって、その深さ方向に存在する元
素もしくは分子（ TiN等）の分布を測定するものであ
る。すなわち、高エネルギーの酸素イオンを照射するこ
とにより、膜中の物質がたたき出され、そのイオン（２
次イオン）の信号強度を深さ方向で測定するものであ
る。
さ方向に膜を掘っていって、その深さ方向に存在する元
素もしくは分子（ TiN等）の分布を測定するものであ
る。すなわち、高エネルギーの酸素イオンを照射するこ
とにより、膜中の物質がたたき出され、そのイオン（２
次イオン）の信号強度を深さ方向で測定するものであ
る。
【００７７】図１９の左側（縦軸上）が TiN膜の表面側
であり、右方に行くにつれて掘り下げられる深さが大と
なっていることを意味する。膜の表面部において、塩素
が減少しているが、これは TiN形成後H2プラズマ処理を
施したことによる。
であり、右方に行くにつれて掘り下げられる深さが大と
なっていることを意味する。膜の表面部において、塩素
が減少しているが、これは TiN形成後H2プラズマ処理を
施したことによる。
【００７８】このようにH2プラズマ処理を施すことによ
り、 TiN膜表面部における塩素濃度を下げることがで
き、塩素によるAl配線等の腐食を防止することができ
る。
り、 TiN膜表面部における塩素濃度を下げることがで
き、塩素によるAl配線等の腐食を防止することができ
る。
【００７９】なお、H2プラズマ処理とは、 TiN膜成膜処
理の終了時に、TiCl4 等のTi化合物ガス及びN2ガスの供
給を停止し、ArガスとH2ガスを流しプラズマを発生させ
た状態を保つことである。
理の終了時に、TiCl4 等のTi化合物ガス及びN2ガスの供
給を停止し、ArガスとH2ガスを流しプラズマを発生させ
た状態を保つことである。
【００８０】次に、実施例に係る方法により作成した T
iN膜のＸ線回析パターン図を図２０に示した。このパタ
ーン図は、 TiNの結晶がSi基板（１１１）上で（１０
０）方向にのみ配向していることを示す。処理条件はマ
イクロ波パワー１kw、基板温度５５０℃、N2、H2、Arガ
スのそれぞれの流量は、１５SCCM、５０SCCM、４３SCCM
であった。
iN膜のＸ線回析パターン図を図２０に示した。このパタ
ーン図は、 TiNの結晶がSi基板（１１１）上で（１０
０）方向にのみ配向していることを示す。処理条件はマ
イクロ波パワー１kw、基板温度５５０℃、N2、H2、Arガ
スのそれぞれの流量は、１５SCCM、５０SCCM、４３SCCM
であった。
【００８１】（１００）配向膜はバリヤ特性に優れてお
り、このように実施例に係る方法により形成された TiN
膜が極めて強い（１００）配向を示すことは、プラズマ
の指向性に基づくものと推察される。
り、このように実施例に係る方法により形成された TiN
膜が極めて強い（１００）配向を示すことは、プラズマ
の指向性に基づくものと推察される。
【００８２】
【発明の効果】以上の説明により明らかなように本発明
に係る薄膜の形成方法によれば、ステップカバレジに優
れた金属窒化物膜を形成することができ、ＬＳＩデバイ
スの高集積化が進み、絶縁層に形成されるコンタクトホ
ールのアスペクト比が大きくなっても、十分にバリヤ性
を確保した薄膜をコンタクトホール部に形成することが
できる。
に係る薄膜の形成方法によれば、ステップカバレジに優
れた金属窒化物膜を形成することができ、ＬＳＩデバイ
スの高集積化が進み、絶縁層に形成されるコンタクトホ
ールのアスペクト比が大きくなっても、十分にバリヤ性
を確保した薄膜をコンタクトホール部に形成することが
できる。
【００８３】しかもコンタクトホール側壁部に形成され
る薄膜の膜厚を、コンタクトホール底部に形成される薄
膜の膜厚よりも薄くすることができ、コンタクトホール
底部におけるバリヤ性を確保しながら、薄膜形成後のコ
ンタクトホールのアスペクト比を大きくすることを抑制
することができる。従って後工程の配線材料埋め込み時
にも、コンタクトホール内にボイドを発生させることが
なくなり、配線の断線を阻止してＬＳＩデバイスの信頼
性を向上させることができる。
る薄膜の膜厚を、コンタクトホール底部に形成される薄
膜の膜厚よりも薄くすることができ、コンタクトホール
底部におけるバリヤ性を確保しながら、薄膜形成後のコ
ンタクトホールのアスペクト比を大きくすることを抑制
することができる。従って後工程の配線材料埋め込み時
にも、コンタクトホール内にボイドを発生させることが
なくなり、配線の断線を阻止してＬＳＩデバイスの信頼
性を向上させることができる。
【００８４】また、ＬＳＩデバイス作成に悪影響を与え
ない程度の低温で薄膜を形成することができ、しかも黄
色いパウダー等のパーティクルを発生させることもな
く、より一層信頼性の高いＬＳＩデバイスを作製するこ
とを可能とする。
ない程度の低温で薄膜を形成することができ、しかも黄
色いパウダー等のパーティクルを発生させることもな
く、より一層信頼性の高いＬＳＩデバイスを作製するこ
とを可能とする。
【図１】本発明に係る薄膜の形成方法に使用される薄膜
形成装置の一例を模式的に示した断面図である。
形成装置の一例を模式的に示した断面図である。
【図２】薄膜形成装置の別の一例を模式的に示した断面
図である。
図である。
【図３】TiCl4 ガスの流量と成膜速度及び比抵抗との関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
【図４】コンタクトホールのアスペクト比に対する孔底
部／孔外表面部成膜速度の関係を示すグラフである。
部／孔外表面部成膜速度の関係を示すグラフである。
【図５】TiCl4 ：１０SCCM、ガス圧力：１．３ｍTorrに
おけるコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状
態を示す断面図である。
おけるコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状
態を示す断面図である。
【図６】TiCl4 ：１０SCCM、ガス圧力：３ｍTorrにおけ
るコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状態を
示す断面図である。
るコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状態を
示す断面図である。
【図７】TiCl4 ：１０SCCM、ガス圧力：５ｍTorrにおけ
るコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状態を
示す断面図である。
るコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状態を
示す断面図である。
【図８】TiCl4 ：５SCCM、ガス圧力：０．７ｍTorrにお
けるコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状態
を示す断面図である。
けるコンタクトホール内表面に形成された TiN膜の状態
を示す断面図である。
【図９】（ａ）は実施例に係る方法によりコンタクトホ
ール部に TiN膜が形成された状態を示す断面図、（ｂ）
はその後Ｗ（タングステン）をコンタクトホール部に埋
め込んだ状態を示す断面図である。
ール部に TiN膜が形成された状態を示す断面図、（ｂ）
はその後Ｗ（タングステン）をコンタクトホール部に埋
め込んだ状態を示す断面図である。
【図１０】プラズマＣＶＤ装置を用いて形成された TiN
膜の比抵抗と基板温度との関係、及び TiN膜の堆積速度
と基板温度との関係を示すグラフである。
膜の比抵抗と基板温度との関係、及び TiN膜の堆積速度
と基板温度との関係を示すグラフである。
【図１１】プラズマＣＶＤ装置を用いて形成された TiN
膜の比抵抗とマイクロ波パワーとの関係、及び TiN膜の
堆積速度とマイクロ波パワーとの関係を示すグラフであ
る。
膜の比抵抗とマイクロ波パワーとの関係、及び TiN膜の
堆積速度とマイクロ波パワーとの関係を示すグラフであ
る。
【図１２】TiCl4 ：１０SCCMのときのSi基板上に堆積し
た TiN膜の成長状態を示す断面図である。
た TiN膜の成長状態を示す断面図である。
【図１３】TiCl4 ：５SCCMのときのSi基板上に堆積した
TiN膜の成長状態を示す断面図である。
TiN膜の成長状態を示す断面図である。
【図１４】TiCl4 ：１５SCCMのときのSi基板上に堆積し
た TiN膜の成長状態を示す断面図である。
た TiN膜の成長状態を示す断面図である。
【図１５】TiCl4 ：２０SCCMのときのSi基板上に堆積し
た TiN膜の成長状態を示す断面図である。
た TiN膜の成長状態を示す断面図である。
【図１６】Si基板上に TiN膜を形成し、この上にAlを蒸
着させた試料のＲＢＳ測定結果を示す図である。
着させた試料のＲＢＳ測定結果を示す図である。
【図１７】マイクロ波パワー１kwでコンタクトホールの
内表面に形成された TiN膜のＥＤＸスペクトルを示す図
である。
内表面に形成された TiN膜のＥＤＸスペクトルを示す図
である。
【図１８】マイクロ波パワー２．８kwでコンタクトホー
ルの内表面に形成された TiN膜のＥＤＸスペクトルを示
す図である。
ルの内表面に形成された TiN膜のＥＤＸスペクトルを示
す図である。
【図１９】TiN膜を形成したSi基板表面のＳＩＭＳに基
づく分析結果を示す図である。
づく分析結果を示す図である。
【図２０】TiN膜のＸ線回析図である。
【図２１】反応性スパッタリング装置を模式的に示した
断面図である。
断面図である。
【図２２】（ａ）は反応性スパッタ法によりコンタクト
ホール部に形成されたTiN膜の状態を示す断面図、
（ｂ）はこの後Ｗ（タングステン）を埋め込んだ状態を
示す断面図である。
ホール部に形成されたTiN膜の状態を示す断面図、
（ｂ）はこの後Ｗ（タングステン）を埋め込んだ状態を
示す断面図である。
【図２３】ＬＰＣＶＤ法に用いられる装置を模式的に示
した断面図である。
した断面図である。
【図２４】（ａ）はＬＰＣＶＤ法によりコンタクトホー
ル部に形成された TiN膜の状態を示す断面図、（ｂ）は
この後Ｗ（タングステン）を埋め込んだ状態を示す断面
図である。
ル部に形成された TiN膜の状態を示す断面図、（ｂ）は
この後Ｗ（タングステン）を埋め込んだ状態を示す断面
図である。
１ プラズマ生成室 ２ 反応室 ４ 励磁コイル ６ マイクロ波導入窓 ８ 試料台 ９ 試料 ３５ コンタクトホール ３７ 絶縁膜 ３８ Si基板
Claims (6)
- 【請求項１】 マイクロ波による電界と周囲に配設され
た励磁コイルによる磁界との作用によってプラズマ生成
室でプラズマを生成させ、前記生成させたプラズマを反
応室に導入して試料台に載置された試料に薄膜を形成す
る方法において、Ar、H2およびN2ガスを前記プラズマ生
成室に導入する一方、Ti系ガスを前記反応室に導入する
ことにより前記試料上にTi窒化物膜を形成し、コンタク
トホール底部のTi窒化物膜の厚さを、前記コンタクトホ
ール側壁部のTi窒化物膜の厚さよりも厚く形成すること
を特徴とする薄膜の形成方法。 - 【請求項２】 マイクロ波による電界と周囲に配設され
た励磁コイルによる磁界との作用によってプラズマ生成
室でプラズマを生成させ、前記生成させたプラズマを反
応室に導入して試料台に載置された試料に薄膜を形成す
る方法において、Ar、H2、N2ガスおよびTi系ガスを前記
プラズマ生成室に導入することにより前記試料上にTi窒
化物膜を形成し、コンタクトホール底部のTi窒化物膜の
厚さを、前記コンタクトホール側壁部のTi窒化物膜の厚
さよりも厚く形成することを特徴とする薄膜の形成方
法。 - 【請求項３】 基板上に絶縁膜が形成され、該絶縁膜に
コンタクトホールが形成された半導体装置作成用基板
に、Ti系ガスとして四塩化チタンガスを用い、反応室の
圧力が２．０ｍTorr以下、試料である前記基板の温度が
４５０℃以上の条件下で、前記コンタクトホールにTi窒
化物膜を形成する請求項１または請求項２記載の薄膜の
形成方法。 - 【請求項４】 マイクロ波導入窓にＲＦを印加しながら
成膜する請求項１〜３のいずれかの項に記載の薄膜の形
成方法。 - 【請求項５】 Ti窒化物膜を形成後、H2プラズマ処理を
施すことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記
載の薄膜の形成方法。 - 【請求項６】 コンタクトホール底部のTi窒化物膜の厚
さが、前記コンタクトホール側壁部のTi窒化物膜の厚さ
より厚いことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27102491A JP3243722B2 (ja) | 1990-10-24 | 1991-10-18 | 薄膜の形成方法および半導体装置 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28776590 | 1990-10-24 | ||
| JP2-287765 | 1990-10-24 | ||
| JP3-162365 | 1991-06-07 | ||
| JP16236591 | 1991-06-07 | ||
| JP27102491A JP3243722B2 (ja) | 1990-10-24 | 1991-10-18 | 薄膜の形成方法および半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0547707A JPH0547707A (ja) | 1993-02-26 |
| JP3243722B2 true JP3243722B2 (ja) | 2002-01-07 |
Family
ID=27321990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27102491A Expired - Fee Related JP3243722B2 (ja) | 1990-10-24 | 1991-10-18 | 薄膜の形成方法および半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3243722B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08193267A (ja) * | 1995-01-18 | 1996-07-30 | Nec Corp | 金属薄膜成膜方法 |
| KR0164149B1 (ko) * | 1995-03-28 | 1999-02-01 | 김주용 | 타이타늄 카보 나이트라이드층의 개질 방법 |
| US5895267A (en) * | 1997-07-09 | 1999-04-20 | Lsi Logic Corporation | Method to obtain a low resistivity and conformity chemical vapor deposition titanium film |
| US6676760B2 (en) | 2001-08-16 | 2004-01-13 | Appiled Materials, Inc. | Process chamber having multiple gas distributors and method |
| US6829056B1 (en) | 2003-08-21 | 2004-12-07 | Michael Barnes | Monitoring dimensions of features at different locations in the processing of substrates |
| KR100722847B1 (ko) * | 2005-11-30 | 2007-05-30 | 주식회사 아이피에스 | 자기장을 이용한 박막 증착 방법 및 장비 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5271174A (en) * | 1975-12-10 | 1977-06-14 | Fujitsu Ltd | Production of semiconductor device |
| JP2776826B2 (ja) * | 1988-04-15 | 1998-07-16 | 株式会社日立製作所 | 半導体装置およびその製造方法 |
| JPH0293072A (ja) * | 1988-09-27 | 1990-04-03 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 膜形成方法 |
-
1991
- 1991-10-18 JP JP27102491A patent/JP3243722B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0547707A (ja) | 1993-02-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
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| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |