JP3374322B2 - チタン膜及びチタンナイトライド膜の連続成膜方法 - Google Patents

チタン膜及びチタンナイトライド膜の連続成膜方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスに
おけるコンタクトホールやビアホール等に形成されるチ
タン膜及びチタンナイトライド膜の連続成膜方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に、半導体デバイスにあっては、最
近の高密度化、高集積化の要請に応じて、回路構成を多
層配線構造にする傾向にあり、この場合、下層デバイス
と上層アルミ配線との接続部であるコンタクトホールや
下層アルミ配線と上層アルミ配線との接続部であるビア
ホールなどの埋め込み技術が、両者の電気的な接続をは
かるために重要になっている。
【０００３】コンタクトホールやビアホール等の埋め込
みには一般的には、アルミニウム合金やタングステン合
金が用いられるが、これらの合金が、下層のシリコン基
板やアルミニウム配線と直接接触するとこれらの境界部
分においてアルミニウムの吸い上げ効果等に起因してシ
リコン中に形成された拡散層が破壊されるので、省電力
化及び高速動作が要求されている現在の半導体デバイス
においては好ましくない。また、タングステン合金を埋
め込みに用いる場合には、このプロセスにて用いる処理
ガスの１つであるＷＦ6 ガスがＳｉ基板側に侵入して電
気的特性等を劣化させる傾向となり、この場合にも好ま
しくない。
【０００４】そこで、上記現象を防止するためにコンタ
クトホールやスルホール等をアルミニウム合金やタング
ステン合金で埋め込む前にホール内全域に亘ってバリヤ
メタル層を薄く形成しておき、この上からアルミニウム
合金等でホールを埋め込むことが行なわれている。この
バリヤメタル層の材料としては、ＴｉＮ（チタンナイト
ライド）を用いるのが一般的である。
【０００５】コンタクトホールに形成されるこのバリヤ
メタル層を図５を参照して説明すると、図中、符号２は
被処理体であり、これはＳｉウエハ等よりなる例えばＰ
型の基板よりなる。この基板２の上面の一部に例えばｎ
+ の拡散層４があり、この拡散層４に対応する部分にＳ
ｉＯ2等よりなる絶縁層６をエッチングすることによ
り、コンタクトホール８が形成されている。そして、上
記拡散層４との間で電気的導通を図るためにコンタクト
ホール８内の底部にまず、オーミックコンタクトを図る
ためにチタン膜１０をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａ
ｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形
成し、続いて、この上に、ホール側壁部分を含めてバリ
ヤメタル層としてチタンナイトライド膜１２を形成して
いる。尚、この後に、コンタクトホール８をタングステ
ンやアルミニウムを用いて埋め込むことになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、チタン膜と
チタンナイトライド膜を上述のように連続成膜する場
合、これらを単純に連続成膜すると両膜の界面部分の接
合が十分でなく、これが剥離してコンタクト抵抗が大き
くなってしまうので、これを防止するためにチタン膜の
成膜後にこの表面を窒化処理して窒化処理膜１３を形成
し、この上に、上記チタンナイトライド膜を形成するよ
うになっている。この窒化処理は、従来においては、Ｎ
2雰囲気の大気圧下で、基板２を例えば８００℃まで加
熱してランプアニールすることにより行なっていたが、
この場合には、チタン膜の成膜後に、アニール用の処理
チャンバに基板を搬送する際に、基板を大気に晒すこと
になり、この時、チタン膜表面に抵抗値の高いＴｉＯ2
等が形成されてしまうので、デザインルールが厳しくな
った今日においては好ましくない。
【０００７】そこで、チタン成膜とこの窒化処理を同一
処理チャンバ内で実行できるようにするために、処理ガ
スとしてＴｉＣｌ4（四塩化チタン）、Ｈ2ガス、Ａｒガ
スを用いてＣＶＤによりチタン膜を形成し、その後、同
一処理チャンバ内で、Ｎ2ガス雰囲気下、或いはＮＨ3ガ
ス雰囲気下でプラズマ処理することによりチタン膜の表
面を窒化する方法が開発された。この場合には、チタン
成膜とこの表面の窒化処理が同一処理チャンバ内で実行
できることから前述のようなＴｉＯ2膜の形成は阻止で
きるが、新たな問題が発生した。すなわち、ＣＶＤによ
りチタン膜を成膜する際に、バイプロダクトと称すＴｉ
（チタン）を含んだ白色或いは黒色の錯体、例えばＴｉ
Ｃｌｘ（Ｘ＝２〜３）がチャンバ内壁等に付着し、これ
が、次工程のプラズマ窒化処理の時にチャンバ壁から剥
がれ落ちて、基板を汚染するという問題があった。
【０００８】また、Ｎ2ガスのみの雰囲気下、或いはＮ
Ｈ3ガスのみの雰囲気下でプラズマ窒化処理を行なった
場合には、コンタクト抵抗を十分に低下できない場合も
生じることが判明した。本発明は、以上のような問題点
に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものであ
る。本発明の目的は、コンタクト抵抗が小さくバイプロ
ダクトによる汚染も抑制することができるチタン膜及び
チタンナイトライド膜の連続成膜方法を提供することに
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、チタン膜
とチタンナイトライド膜の連続成膜について鋭意研究し
た結果、Ｎ2ガス或いはＮＨ3ガス雰囲気下でプラズマ窒
化処理を行なうと窒化力の高いＮ（窒素）ラジカルが多
く発生してバイプロダクト（副産物）まで窒化されてし
まってこの剥がれが引き起こされるという点を見出し、
これを抑制するためには還元ガス、例えばＨ2ガスも併
せて供給すればよい、という知見を得ることにより本発
明に至ったものである。
【００１０】本発明は、被処理体の表面に、チタン膜
と、チタンナイトライド膜を連続的に成膜する方法にお
いて、前記被処理体の表面にチタン膜を成膜するチタン
成膜工程と、前記チタン膜の表面を還元ガスと窒素ガス
とを含む雰囲気下でプラズマ処理することにより窒化さ
せるチタン窒化工程と、表面が窒化された前記チタン膜
上にチタンナイトライド膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により成膜する
チタンナイトライド成膜工程とを備えるようにしたもの
である。
【００１１】このような、チタン成膜工程及びチタン窒
化工程は同一の処理チャンバ内で真空雰囲気を維持しつ
つ行なわれる。このように、チタン膜の窒化処理を、水
素ガスと窒素ガスの雰囲気下で被処理体をプラズマ処理
することにより行なうようにしたので、チタン成膜時に
発生したバイプロダクトの剥離を抑制して歩留まりを高
く維持でき、しかも、コンタクト抵抗も小さくすること
ができる。また、チタン成膜工程及びチタンナイトライ
ド成膜工程は、共にＣＶＤにより行なうことができる。
そして、上記チタンナイトライド膜は、例えば半導体ウ
エハに形成されたコンタクトホールやスルーホール等の
バリヤメタルとして利用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るチタン膜及
びチタンナイトライド膜の連続成膜方法の一実施例を添
付図面に基づいて詳述する。図１は本発明方法を実施す
るためのクラスタツール装置を示す概略構成図、図２
は、チタン成膜とこの窒化処理を行なう成膜プラズマ装
置を示す構成図である。まず、図１及び図２を参照し
て、本発明方法を実施するクラスタツール装置及び成膜
プラズマ処理装置について説明する。
【００１３】図１に示すようにこのクラスタツール装置
１４は、被処理体としては半導体基板２にチタン成膜処
理とこの表面の窒化処理を連続的に行なう成膜プラズマ
装置１６と、その後に、チタンナイトライド成膜処理を
行なう成膜装置１８を有しており、両装置１６、１８
は、内部に屈伸及び旋回可能になされた搬送アーム２０
を備えた搬送室２２にゲートバルブＧ１、Ｇ２を介して
共通に接続されている。この搬送室２２には、同じく、
ゲートバルブＧ３、Ｇ４を介して、第１及び第２のカセ
ット室２４、２６が連結される。第１のカセット室２４
内には、未処理の基板２を収容するカセットＣ１が収容
され、第２のカセット室２６内には、処理済みの基板２
を収容するカセットＣ２が収容される。各装置間及び空
間の基板２の受け渡しは、全て搬送アーム２０を屈伸及
び旋回させることで行なうようになっている。
【００１４】次に、本発明の主要な工程を行なう成膜プ
ラズマ装置１６の構成について、図２を参照して説明す
る。図示するようにこの成膜プラズマ装置１６は、例え
ばアルミニウムにより筒体状に成形された処理チャンバ
２８を有しており、この内部には基板２を載置するため
の載置台３０が設置されている。この載置台３０内に
は、加熱手段として例えば抵抗加熱ヒータ３２が設けら
れており、基板２を所定の温度に加熱し得るようになっ
ている。
【００１５】また、この処理チャンバ２８の天井部に、
チャンバ壁に対して絶縁材３４を介して絶縁されたシャ
ワーヘッド３６が設けられており、ガス導入口３８より
導入した処理ガスを、この下面に設けた多数のガス放出
口４０よりチャンバ内の処理空間へ供給するようになっ
ている。ガス導入口３８には、ガス供給系４２が接続さ
れ、これには、チタン成膜をプラズマＣＶＤにより行な
うときに必要とされる処理ガス、例えばＡｒガス、Ｈ2
ガス及びＴｉＣｌ4ガスを流す系と、チタン膜をプラズ
マ窒化処理する時に必要とされる処理ガス、すなわちＮ
2ガスとＨ2ガスを流す系がそれぞれ接続されている。各
ガスは、それぞれの系を代表して記載されているマスフ
ローコントローラ４４、４６により個別に流量制御しつ
つ供給される。尚、ここでは処理工程を容易に理解する
ために、２つの系にガスを分離して記載しているが、実
際には両系に共通のＨ2ガスは１つの系が共用されるの
は勿論である。
【００１６】また、このシャワーヘッド３６は、Ｔｉ成
膜プラズマ窒化処理時には上部電極として機能するもの
であり、そのために、このシャワーヘッド３６には、マ
ッチング回路４８を介して、例えば１３．５６ＭＨｚの
プラズマ発生用の高周波を出力する高周波源５０が接続
されている。また、処理チャンバ２８の底部周辺部に
は、排気口５２が設けられており、これには内部を真空
引きするために図示しない真空ポンプが接続されること
になる。
【００１７】次に、以上のように構成された装置例を用
いて行なわれる本発明方法にいて図３も参照して説明す
る。図３（Ａ）は、前工程で基板２上の絶縁層６に、コ
ンタクトホール８を形成してここに拡散層４を形成した
状態を示し、このような未処理の半導体基板６は、第１
のカセット室２４内のカセットＣ１内に多数枚収容され
ている。このような未処理の基板６は、搬送室２２内の
搬送アーム２０によりＮ2ガスなどの不活性雰囲気中の
搬送室２２内に取り込まれ、ゲートバルブＧ３を閉じた
後にこの搬送室２２内を真空引きする。次に、ゲートバ
ルブＧ１を開いて予め真空状態になされている成膜プラ
ズマ装置１６内へ基板２を搬入し、これを載置台３０上
に載置し、移載を完了する。
【００１８】次に、チタン成膜工程に移行する。すなわ
ち、載置台３０内の抵抗加熱ヒータ３２により基板２を
所定のプロセス温度、例えば５８０℃程度に加熱し、成
膜用の処理ガスとして、例えばＡｒガス、Ｈ2ガス及び
ＴｉＣｌ4ガスをシャワーヘッド３６からそれぞれ所定
量ずつチャンバ２８内へ導入し、チタン成膜をプラズマ
ＣＶＤにより行なう。この時のプロセス圧力は、略１０
００ｍＴｏｒｒ程度であり、導体が露出しているコンタ
クトホール８の底部にチタン成膜１０が選択的に堆積さ
れる（図３（Ｂ）参照）。このチタン成膜１０の厚み
は、例えば２０ｎｍ程度である。このチタン成膜中に、
シャワーヘッド３６には高周波電圧が印加され、未分解
生成物、例えばＴｉＣｌｘ（ｘ＝２〜３）がバイプロダ
クト５４としてチャンバ内壁やシャワーヘッド３６の下
面に付着する。これは、成膜中においては環境が変わる
ことがないので、ほとんど剥がれ落ちることはない。
【００１９】このようにして、チタン成膜工程が終了し
たならば、次に、基板２を搬出することなく、同一処理
チャンバ２８内でチタン窒化工程を行なう。すなわち、
チタン成膜用の処理ガスの供給を停止して、チャンバ２
８内の雰囲気を排気した後、次に、プラズマ窒化用の処
理ガスとして、Ｎ2ガスとＨ2ガスの混合ガスをシャワー
ヘッド３６からチャンバ２８内へ供給し、これと同時
に、高周波源５０から１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を
上部電極としてのシャワーヘッド３６に印加し、プラズ
マを生成する。これにより、上記チタン膜１０の表面の
窒化処理を行ない、図３（Ｃ）に示すように窒化処理膜
１３を形成する。この時の処理条件は、Ｎ2ガス及びＨ2
ガスの供給量が、それぞれ５００ｓｃｃｍ及び１５００
ｓｃｃｍ程度であり、プロセス圧力は１Ｔｏｒｒ程度、
プロセス温度は５８０℃程度ある。尚、Ｎ2ガスとＨ2ガ
スの流量は、それぞれ適宜選択すればよく、上記流量に
限定されない。
【００２０】このようにしてチタン窒化処理が終了した
ならば、この基板２を搬送室２２内の搬送アーム２０を
用いて真空状態に維持されている搬送室２２内に取り込
み、更に、これを予め真空状態に維持されている成膜装
置１８内へ移載する。そして、この成膜装置１８内で、
従来公知の処理方法を用いて図３（Ｄ）に示すようにチ
タンナイトライド膜を形成するための成膜工程を行な
う。これにより、コンタクトホール８の内壁面及び絶縁
層６の上面全体に、バリヤメタル層としてチタンナイト
ライド膜１２をＣＶＤにより形成する。この時の処理ガ
スとしては、例えばＴｉＣｌ4 、ＮＨ3 、及びＮ2 を用
いることができる。また、プロセス温度は、略５００℃
程度、プロセス圧力は、略３５０ｍＴｏｒｒ程度であ
る。このように、チタンナイトライド成膜工程が終了し
たならば、処理済みの基板２を成膜装置１８から搬出
し、これを処理済みウエハを収容するカセットＣ２内に
収容すればよい。そして、その後、図３（Ｅ）に示すよ
うにこのコンタクトホール８内にタングステンやアルミ
ニウムなどの導電性材料５６を埋め込むことになる。
【００２１】このように、本発明の方法においては、チ
タン膜１０の表面を窒化処理する際に、Ｎ2ガスとＨ2ガ
スの混合雰囲気中でプラズマを生成して行なうようにし
たので、先の工程のチタン成膜中にチャンバ内部に付着
したバイプロダクト５４が剥がれ落ちることに大幅に抑
制することができる。この理由は、Ｎ2ガスのみ、或い
はＮＨ3ガスのみを使用する従来方法においては窒化力
の高い窒素ラジカルが多く発生してバイプロダクトは硬
さの異なる物質の不均一な混合体となって残り、これが
剥がれ落ちたが、ここではＮ2ガスとＨ2ガスの混合ガス
を用いてプラズマ処理を行なった結果、活性な水素原子
がバイプロダクト５４と反応して剥がれ落ち難い均一な
物質になるからであると考えられる。すなわち、例えば
Ｎ2ガスのみを用いた従来のプラズマ窒化処理では、下
記式１に示すように反応が生じ、Ｎ2ガスとＨ2ガスを用
いた本発明のプラズマ窒化処理では下記式２に示すよう
に反応が生じると考えられる。 ３ＴｉＣｌ3＋Ｎ2→２ＴｉＮ＋ＴｉＣｌ2＋７／２・Ｃｌ2↑…式１ ２ＴｉＣｌ3＋Ｎ2＋３Ｈ2→２ＴｉＮ＋６ＨＣｌ↑ …式２ ここで式１のＴｉＣｌ2は潮解性のある物質で、ＴｉＮ
は固体であり、バイプロダクトとして未分解生成物は硬
さの異なる物質の不均一な混合体となるために、剥がれ
落ち易くなる。これに対して、式２の場合には、バイプ
ロダクトはほとんど固いＴｉＮとなるため、剥がれ落ち
難くなる。
【００２２】実際に、従来方法と本発明方法のチタン成
膜処理と窒化処理を繰り返し行なってバイプロダクトが
剥がれ落ちてくるまでに何枚の基板を処理できるか実験
を行なった。この結果は、窒化処理時にＮ2ガスを用い
た従来方法の場合には、５枚の基板を処理した時に目視
によりバイプロダクトの剥がれが確認できたが、本発明
方法の場合には５０枚以上基板を処理してもバイプロダ
クトの剥がれは確認できなかった。この時の両プラズマ
窒化処理の条件は、プロセス圧力は１Ｔｏｒｒ、ＲＦ電
力は５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）、プロセス温度は５
８０℃、処理時間は２分間である。処理ガスに関して
は、従来方法はＮ2ガスを１０００ｓｃｃｍ、本発明方
法はＮ2ガスを５００ｓｃｃｍ、Ｈ2ガスを１５００ｓｃ
ｃｍそれぞれ供給した。
【００２３】更に、このようにＮ2 ガスとＨ2ガスを用
いてプラズマ窒化処理を行なった結果、コンタクト抵抗
を大幅に小さくすることができた。この理由は、チタン
膜中に残存するＴｉＣｌ4原料をＨ2ガスが強力に還元し
てＣｌを引き抜いてしまうこと、及びバイプロダクトか
らの脱ガスによってＣｌ2 が生じてもこれにＨ2ガスが
作用して還元してしまって抵抗増加の原因となる塩素が
基板表面に残留しなくなるからであると考えられる。実
際に、従来方法と本発明方法のプラズマ窒化処理を行な
った結果、本発明方法は図４に示すように良好な結果を
得ることができた。ここでの実験は、基板表面に多数の
コンタクトホール（チップ）を形成し、チタン膜のプラ
ズマ窒化処理を行なってコンタクト抵抗の分布状況を調
べた。この時のホール径は０．５μｍであり、縦軸にチ
ップ数の累積度数をとっている。
【００２４】このグラフから明らかなように、Ｎ2ガス
のみを用いた従来方法では、コンタクト抵抗自体が１０
００Ω以上と高く、特性が非常に劣っており、また、Ｎ
Ｈ3ガスのみを用いた従来方法では、コンタクト抵抗が
０〜２００Ωと小さいものもあるが、１０００Ω以上と
大きいものもあり、かなり分布が広がっていることか
ら、特性の均一性に問題がある。これに対して、Ｎ2ガ
スとＨ2ガスを用いた本発明方法の場合には、コンタク
ト抵抗が０〜２００Ωとかなり小さく、しかも分布がほ
とんどなく、良好な結果を示していることが判明する。
また、本発明では、チタン膜とチタンナイトライド膜の
連続成膜途中で、基板を大気に晒すことなく処理を行な
うことができるので、表面が酸化される等の不都合も回
避することができる。尚、上記実施例ではチタン膜をＣ
ＶＤにより形成したが、これに限らず、このチタン膜を
ＰＶＤにより形成してもよい。また、ここではコンタク
トホールの埋め込みを例にとって説明したが、本発明
は、スルーホールの埋め込みに際しても適用できるのは
勿論である。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のチタン膜
及びチタンナイトライド膜の連続成膜方法によれば、次
のように優れた作用効果を発揮することができる。チタ
ン膜表面の窒化処理を、還元ガスと窒素ガスとを含む雰
囲気下でプラズマ処理することにより行なうようにした
ので、コンタクト抵抗を大幅に低下させることができる
のみならず、チタン成膜時に生じたバイプロダクトによ
る汚染も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するためのクラスタツール装
置を示す概略構成図である。
【図２】チタン成膜とこの窒化処理を行なう成膜プラズ
マ装置を示す構成図である。
【図３】本発明方法の工程を説明するための工程図であ
る。
【図４】本発明方法と従来方法を比較するためにコンタ
クト抵抗の分布を示すグラフである。
【図５】チタン膜とチタンナイトライド膜を連続的に形
成する従来方法を説明するための図である。
【符号の説明】
２ 基板（被処理体） ６ 絶縁層 ８ コンタクトホール １０ チタン膜 １２ チタンナイトライド膜 １３ 窒化処理膜 １４ クラスタツール装置 １６ 成膜プラズマ装置 １８ 成膜装置 ２８ 処理チャンバ ３０ 載置台（下部電極） ３６ シャワーヘッド（上部電極） ５０ 高周波源 ５４ バイプロダクト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−246212（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/44 - 21/445 H01L 21/768 H01L 29/40 - 29/47

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被処理体の表面に、チタン膜と、チタン
    ナイトライド膜を連続的に成膜する方法において、前記
    被処理体の表面にチタン膜を成膜するチタン成膜工程
    と、前記チタン膜の表面を還元ガスと窒素ガスとを含む
    雰囲気下でプラズマ処理することにより窒化させるチタ
    ン窒化工程と、表面が窒化された前記チタン膜上にチタ
    ンナイトライド膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐ
    ｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により成膜するチタンナ
    イトライド成膜工程とを備えたことを特徴とするチタン
    膜及びチタンナイトライド膜の連続成膜方法。
  2. 【請求項２】 前記チタン成膜工程と前記チタン窒化工
    程は、同一処理チャンバ内で行なわれることを特徴とす
    る請求項１記載のチタン膜及びチタンナイトライド膜の
    連続成膜方法。
  3. 【請求項３】 前記チタン成膜工程は、ＣＶＤ（Ｃｈｅ
    ｍｉｃａｌ ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により
    行なわれることを特徴とする請求項１または２記載のチ
    タン膜及びチタンナイトライド膜の連続成膜方法。
  4. 【請求項４】 前記チタンナイトライド膜は、コンタク
    トホール或いは、スルーホールに形成されるバリヤメタ
    ルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
    記載のチタン膜及びチタンナイトライド膜の連続成膜方
    法。
  5. 【請求項５】 前記還元ガスは水素ガスであることを特
    徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のチタン膜及
    びチタンナイトライド膜の連続成膜方法。
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