JP3624628B2 - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にチタン膜などの金属含有膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウエハ等の基板に対して、成膜とパターンエッチング等を繰り返し行なって、多数の所望の素子を形成するようになっている。
ところで、各素子間を接続する配線、各素子に対する電気的コンタクトを図るコンタクトメタル、或いは基板のＳｉの吸上げを抑制する対策として用いられるバリヤメタルとしては、電気抵抗が低いことは勿論のこと、耐腐食性に優れた材料を用いなければならない。
このような要請に対応できる材料として、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）などの高融点金属材料が使用される傾向にあり、中でも電気的及び耐腐食性などの特性等が良好であることから、特に、Ｔｉ及びこの窒化膜であるＴｉＮ（チタンナイトライド）が多用される傾向にある。
【０００３】
Ｔｉ膜は、一般的には、原料ガスとしてＴｉＣｌ４ （四塩化チタン）ガスと水素ガスを用いてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により成膜され、ＴｉＮ膜は、原料ガスとして同じくＴｉＣｌ４ とＮ２ ガスを用いてプラズマレスのＣＶＤにより、或いは窒素存在下のプラズマ成膜により成膜される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記成膜に用いる成膜装置の載置台としては一般に耐熱性や耐腐食性に優れているＡｌＮ（窒化アルミ）等のセラミック製の載置台を用いているが、このセラミック製の載置台はかなり高価である。しかも、セラミック自体は導電性が低いために、プラズマＣＶＤ処理時にセラミック製の載置台の載置面内、或いは載置台と例えば処理容器側壁との間で電位差が生じ、これがために処理空間に生成されているプラズマが安定的に生ぜず、プラズマ密度に偏りが生ずる場合があった。
【０００５】
このため、載置台自体を導電性の良好な金属材料により形成して載置面内やこれと容器側壁との間に電位差が生ずることを抑制して、プラズマを安定化させることも考えられるが、この場合には、載置面上に載置される半導体ウエハ自体が載置台を構成する金属により汚染される、いわゆる重金属汚染が生ずるので、そのまま採用することはできない。
【０００６】
また、金属製の載置台の表面に、予めセラミック等よりなるコーティング層を強固に被着させて重金属汚染を防止することも考えられるが、この場合には、金属製の載置台とセラミック製のコーティング層との熱膨張率の相異に起因して、繰り返し成膜によってコーティング層が剥がれたり、或いは割れたりするといった問題があるので採用することはできない。
【０００７】
更には、セラミック材の場合には、熱伝導率が低いことから、ウエハに対する加熱効率もあまり良好でないという問題もある。
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、載置台にプリコート金属含有薄膜を形成することにより、重金属汚染のない成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、処理容器内の載置台上に載置された被処理体に対してチタン（Ｔｉ）膜、またはチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜よりなる金属含有膜を形成する成膜方法において、前記載置台の表面に前記金属含有膜と同じ金属を含む膜であるチタン薄膜とチタンナイトライド薄膜が順次積層された２層構造よりなるプリコート金属含有薄膜を形成し、その後、前記被処理体を前記載置台上に載置した状態で前記被処理体の表面に前記金属含有膜を形成するようにする。
【０００９】
このように、被処理体に対する実際の金属含有膜の成膜に先立って、この金属含有膜に含まれる金属と同じ金属を含む薄膜を載置台の表面にプリコート金属含有薄膜として形成して載置台を覆うようにしたので、被処理体の金属含有膜にプリコート金属含有薄膜中の金属が侵入しても、これらは同種の金属なので、重金属汚染が生ずることはない。
被処理体に形成されるこのような金属含有膜は、例えばチタン（Ｔｉ）膜やチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜であり、この時、プリコート金属含有薄膜としては、チタン薄膜またはチタンナイトライド薄膜或いはこれらの２層構造とする。チタンナイトライド薄膜を形成するには、下層のチタン薄膜の上に、チタンナイトライド薄膜を堆積させて積層するようにしてもよいし、或いは下層のチタン薄膜の表面部分を窒化させることにより上層にチタンナイトライド薄膜を形成するようにしてもよい。このように２層構造化することにより、載置台に対するチタン薄膜の密着性を向上させることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る成膜方法及び成膜装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の成膜装置の一実施例を示す構成図である。本実施例では、成膜装置により金属膜としてＴｉ（チタン）膜を形成する場合を例にとって説明する。
図示するように、この成膜装置２は、円筒体状に成形された処理容器４を有しており、この処理容器４は接地されている。 この処理容器４の底部６には、容器内の雰囲気を排出するための排気口８が設けられており、この排気口８には真空引きポンプ１０を介設した排気系１２が接続されて、処理容器４内を底部周辺部から均一に真空引きできるようになっている。
【００１１】
この処理容器４内には、導電性材料よりなる支柱１４を介して金属性、例えばハステロイ（商標）よりなる円板状の載置台１６が設けられており、この上に被処理体として例えば半導体ウエハＷを載置し得るようになっている。この載置台１６は、下部電極を兼用するものであり、支柱１４に直接支持される下台１６Ａと、この上面に接合される上台１６Ｂとよりなり、これらの間に抵抗加熱ヒータ１８が挟み込まれている。この下台１６Ａと上台１６Ｂは、その接合面にて例えば溶着により接合される。この載置台１６は、上記したハステロイに限定されず、耐腐食性があって導電性のある金属ならばどのようなものでもよく、例えばステンレス、ニッケル、インコネル（商標）等を用いることができる。
【００１２】
処理容器４の天井部には、上部電極と兼用されるシャワーヘッド２０が一体的に設けられた天井板２２が容器側壁に対して絶縁材２４を介して気密に取り付けられている。このシャワーヘッド２０は、上記載置台１６の上面の略全面を覆うように対向させて設けられており、載置台１６との間に処理空間Ｓを形成している。このシャワーヘッド２０は、処理空間Ｓに各種のガスをシャワー状に導入するものであり、シャワーヘッド２０の下面の噴射面２６にはガスを噴射するための多数の噴射孔２８が形成される。また、このシャワーヘッド２０の内部には、多数の拡散孔３０を有する拡散板３２が設けられてガスを拡散できるようになっている。
そして、このシャワーヘッド２０の上部には、ヘッド内にガスを導入するガス導入ポート３４が設けられており、このガス導入ポート３４にはガスを流す複数、例えば２本の供給通路３６、３８が接続されている。
【００１３】
一方の供給通路３６には、複数の分岐管４０が接続され、各分岐管４０には、成膜用のガスとして、例えばＴｉＣｌ４ ガスを貯留するＴｉＣｌ４ ガス源４２、Ｈ２ ガスを貯留するＨ２ ガス源４４、プラズマガスとして例えばＡｒガスを貯留するＡｒガス源４６、クリーニング時に使用するクリーニングガスとしてＣｌＦ系ガス、例えばＣｌＦ３ ガスを貯留するＣｌＦ３ ガス源４８がそれぞれ接続されている。また、他方の供給通路３８には、成膜用のガスとしてＮ２ ガスを貯留するＮ２ ガス源５０が接続される。そして、各ガスの流量は、それぞれの分岐管４０及び供給通路８０に介設した流量制御器、例えばマスフローコントローラ５２により制御される。ここでは、ＴｉＣｌ４ ガスとＮ２ ガスをシャワーヘッド２０まではそれぞれ別経路搬送し、これらをシャワーヘッド内で混合させるようにしたが、これに限定されず、両ガスを混合状態で搬送するようにしてもよいし、或いはシャワーヘッド２０内も分離した状態で通過させて、処理空間Ｓへ噴射した時に混合させるようにしてもよい。この点については、他のガス、例えばＴｉＣｌ４ 、Ｈ２ 、Ａｒについても同様である。
【００１４】
また、天井板２２には、主にＴｉ成膜時のプラズマを形成するために、リード線５４を介してマッチング回路５６及び例えば１３．５６ＭＨｚのプラズマ用の高周波電源５８が接続されている。
また、処理容器４の側壁には、この壁面の温度調節を行なうために、必要に応じて例えば冷却された、或いは加熱された熱媒体を選択的に流すための容器用温調ジャケット６０が設けられ、このジャケット６０は図示しない温調器に接続される。この容器側壁には、ロードロック室６４との間でウエハの搬入・搬出時に気密に開閉可能になされたゲートバルブ６２が設けられる。
更に、上記シャワーヘッド２０にも、この表面の温度調節を行なうために、必要に応じて例えば冷却された、或いは加熱された熱媒体を選択的に流すためのヘッド用温調ジャケット６６が設けられ、このジャケット６６は図示しない温調器に接続される。尚、温調用の熱媒体としては例えばチラーを用いることができる。
【００１５】
次に、以上のように構成された装置に基づいて行なわれる成膜方法ついて図２も参照して説明する。
本発明方法においては、半導体ウエハＷに対して実際に成膜を行なう前に、ウエハ成膜時と略同種のガスを用いて金属製の載置台の表面に成膜を施してプリコート金属含有薄膜を形成して、載置台を覆う。この場合、ウエハには、Ｔｉ膜を形成することを目的としていることから、このプリコート金属含有薄膜としてＴｉ金属を含有させた薄膜、例えばＴｉ薄膜やＴｉＮ薄膜、或いはこれらの両薄膜を形成することになる。ここでは、上記両薄膜を積層させる場合を例にとって説明する。
【００１６】
まず、半導体ウエハＷを処理容器４内に導入することなく、これを例えばロードロック室６４に待機させておく。この状態では、図２（Ａ）に示すように、金属製の載置台１６の表面には何ら膜が形成されておらず、載置台１６を構成する金属が剥き出し状態となっている。
このように、載置台１６上に何も載置していない状態において、成膜用ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスと、Ｈ２ ガスを、プラズマ用ガスとしてＡｒガスを、それぞれシャワーヘッド２０から所定の流量で処理容器４内に導入し、且つ真空引きポンプ１０により処理容器４内を真空引きし、所定の圧力に維持する。
【００１７】
これと同時に、高周波電源５８より、１３．５６ＭＨｚの高周波を上部電極であるシャワーヘッド２０に印加して、シャワーヘッド２０と下部電極としての載置台１６との間に高周波電界を加える。これにより、Ａｒガスがプラズマ化されて、ＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスとの還元反応を推進し、図２（Ｂ）に示すように載置台１６の表面全体にこれを覆うようにＴｉ薄膜６８が形成されることになる。このＴｉ薄膜６８は、例えば２００〜３００Å程度の厚みとなるように設定する。このＴｉ薄膜６８は、後述するプリコート金属含有薄膜７２の第１層目の薄膜となる。
【００１８】
載置台１６の温度は、この載置台１６に埋め込んだ抵抗加熱ヒータ１８により所定の温度に加熱される。
また、プラズマにより加熱される傾向にある処理容器４の側壁及びシャワーヘッド２０は、それぞれに設けた容器用温調ジャケット６０及びヘッド用温調ジャケット６６にそれぞれ冷媒を流し、これを所定の温度まで冷却する。
この時のプロセス条件は、載置台温度が、例えば７００℃程度、容器側壁が１３０℃程度、シャワーヘッド２０が１３０℃程度であり、プロセス圧力は１Ｔｏｒｒ程度、高周波電力が７００Ｗ程度である。
また、ガス流量は、例えばＴｉＣｌ４ ガスが２００〜３００ｓｃｃｍ、Ｈ２ ガスが１．５〜２リットル／ｍｉｎ、Ａｒガスが１リットル／ｍｉｎ程度である。
【００１９】
このように、プリコート金属含有薄膜７２の第１層目の薄膜、すなわちＴｉ薄膜６８を形成したならば、処理容器４内を真空引きし、プリコート金属含有薄膜７２の第２層目の薄膜の形成に着手する。
まず、成膜用ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスとＮ２ ガスを、それぞれシャワーヘッド２０から所定の流量で処理容器４内に導入し、且つ真空引きポンプ１０により処理容器４内を所定の圧力に維持する。この場合は、高周波を用いないで、すなわちプラズマレスで、熱ＣＶＤにより図２（Ｃ）に示すようにＴｉＮ薄膜７０を覆うように形成する。
【００２０】
このＴｉＮ薄膜７０は例えば２００〜３００Å程度の厚みとなるように設定する。このＴｉＮ薄膜７０は、後述するプリコート金属含有薄膜７２の第２層目の薄膜となる。この時の、プロセス条件は、載置台温度が例えば７００℃程度、容器側壁が１３０℃程度、シャワーヘッド２０が１３０℃程度であり、プロセス圧力は１Ｔｏｒｒ程度である。この時のガス流量は、例えばＴｉＣｌ４ ガスが１０ｓｃｃｍ、Ｎ２ ガスが５０ｓｃｃｍ程度である。
このようにプリコート金属含有薄膜７２を、Ｔｉ薄膜６８とＴｉＮ薄膜７０との２層構造にすることにより、Ｔｉ薄膜６８と載置台１６の載置面との密着性が大幅に向上してこの剥離を防止することができる。
【００２１】
このようにして２層構造の重金属汚染防止用のプリコート金属含有薄膜７２の形成が完了したならば、次に、ウエハ表面への実際の成膜操作に移行する。
まず、ウエハＷを開かれたゲートバルブ６２（図１参照）を介してロードロック室６４から処理容器４内に搬入し（図２（Ｃ））、これを載置台１６上に載置する（図２（Ｅ））。
そして、処理容器４内を気密にした状態で成膜処理を開始する。
まず、ここではウエハ表面にＴｉ膜を成膜する。このＴｉ膜の成膜は、例えば先のプリコート金属含有薄膜７２のＴｉ薄膜６８の成膜時と同じ成膜ガス及びプロセス条件で行なう。すなわち、成膜用ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスを、プラズマ用ガスとしてＡｒガスを、それぞれ所定の流量で処理容器４内に導入し、真空引きにより処理容器４内を所定の圧力に維持する。そして、プラズマにアシストされた還元反応により図２（Ｆ）に示すようにウエハ表面に金属含有膜としてＴｉ膜７４を所定の厚みだけ成膜する。
【００２２】
また、必要ならば、次に、このＴｉ膜７４の上に、図２（Ｇ）に示すように金属含有膜としてＴｉＮ膜７６を成膜して、例えばバリヤメタルとしたり、配線構造にしたりする。このＴｉＮ膜７６の成膜ガス及びプロセス条件も例えば、先のプリコート金属含有薄膜７２のＴｉＮ薄膜７０の成膜時と同じ成膜ガス及びプロセス条件で行なう。すなわち、成膜用ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスとＮ２ ガスを用いてプラズマレスのＣＶＤにより成膜を行なう。
このように、プリコート金属含有薄膜７２を一旦形成したならば、一定枚数、例えば２０〜２５枚程度のウエハの成膜処理を連続的に行なうが、この間、チタン化合物などの反応副生成物が処理容器４内や内部構造物に付着形成されるので、上述したように一定枚数のウエハの成膜処理が完了した時に容器内のクリーニング処理を行なう。
【００２３】
このクリーニング処理は、クリーニングガスとしてＣｌＦ系ガス、例えばＣｌＦ３ ガスを処理容器４内に流しつつ載置台１６、シャワーヘッド２０、容器側壁等を一定の温度に維持し、内部に付着しているチタン塩化物を気化させて除去することにより行なわれる。このクリーニング処理の際、先に載置台１６に形成したプリコート金属含有薄膜７２も除去されてしまうので、次にウエハ成膜を行なう前には、再度、前述した工程によりプリコート金属含有薄膜７２の成膜を行ない、その後、ウエハに対して実際の成膜処理を行なうことになる。
このように、ウエハ成膜前に、金属製の載置台１６にウエハ成膜に含まれる金属と同じ金属を含む薄膜をプリコート金属含有薄膜７２として形成して載置台表面を覆うようにしたので、載置台１６の金属原子が外側に出ることが抑制され、ウエハに対して、載置台１６の構成金属に起因する重金属汚染が生ずることを防止することができる。
【００２４】
また、ウエハ成膜時に、プリコート金属含有薄膜７２中に含まれるＴｉ金属が、ウエハＷ側に移動しても、ウエハＷの成膜中に含まれる金属と同じ金属なので、この点よりも重金属汚染が生ずることもない。
更に、載置台１６には、例えばハステロイなどの金属材料を用いているので、導電性が良く、従って、プラズマ成膜時に、載置台１６の面内に電位差が生じたり、これと容器側壁との間に電位差が生じたりすることがなくなる。このため、電位差に起因するプラズマ密度の偏りを抑制でき、プラズマ密度を均一化させることができると共に、これを安定した状態で形成維持することができる。
また、載置台１６は熱伝導性の良好な金属で形成されているので、これがセラミック材で形成されている場合と比較して、熱伝導効率を向上させることができる。
【００２５】
図２に示した工程においては、プリコート金属含有薄膜７２を形成する場合に、第１層目のＴｉ薄膜６８を形成した後に、第２層目のＴｉＮ薄膜７０を堆積させて積層するようにしたが、これに限定されず、例えば図３に示すように構成してもよい。すなわち、図３（Ａ）に示すように、載置台１６の表面に、先の第１層目のＴｉ薄膜６８の形成時と同様な成膜方法を用いて、少し厚目のＴｉ薄膜８０を形成する。そして、図３（Ｂ）に示すように、処理容器４内にＮ２ ガスを流しつつプラズマを立てて、先の少し厚目のＴｉ薄膜８０の表面部分を窒化処理する。これにより、図３（Ｃ）に示すように、Ｔｉ薄膜８０の表面部分、或いはもとのＴｉ薄膜８０の上半分程度を窒化処理して第２層目のＴｉＮ薄膜８２を形成し、２層構造のプリコート金属含有薄膜７２を形成するようにしてもよい。
【００２６】
また、上記プリコート金属含有薄膜７２は、２層構造の場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えばプリコート金属含有薄膜７２として図４に示すようにＴｉ薄膜６８のみの１層構造としてもよいし、或いはＴｉＮ薄膜７０のみの１層構造としてもよい。いずれにしても、ウエハの成膜中に含まれる金属と同じ金属を含む薄膜で、金属製の載置台１６の表面を覆うようにすれば、その構造や金属の種類は問わない。
尚、上記実施例においては、成膜中に含有される金属としてチタンを例にとって説明したが、これに限定されず、他の金属、例えばタングステン、モリブデン、アルミニウム等にも適用できるのは勿論である。
更に、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の成膜方法及び成膜装置によれば、次のような優れた作用効果を発揮することができる。
載置台の表面に、被処理体に形成する金属含有薄膜と同じ金属を含むプリコート金属含有薄膜を付着させて覆うようにしたので、この薄膜に載置台を構成する金属原子が閉じ込められて外側に出ることがなくなり、被処理体に対する重金属汚染を防止することができる。
これにより、重金属汚染を心配することなく導電性の良好な金属材料により載置台を形成できるので、プラズマ分布に悪影響を与える電位差が生ずることを防止でき、プラズマを安定的に且つ均一な分布状態で形成することができる。
また、被処理体にチタン膜やチタンナイトライド膜を形成する際に、プリコート金属含有薄膜として、チタン薄膜とチタンナイトライド薄膜との積層構造を採用することにより、チタン薄膜の載置台に対する密着性を向上させることができ、これが剥がれることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成膜装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明方法を説明するための工程図である。
【図３】本発明方法の変形例を示す工程図である。
【図４】本発明方法の他の変形例を示す工程図である。
【符号の説明】
２ 成膜装置
４ 処理容器
１６ 載置台
１８ 抵抗加熱ヒータ
２０ シャワーヘッド
５８ 高周波電源
６８ Ｔｉ薄膜
７０ ＴｉＮ薄膜
７２ プリコート金属含有薄膜
７４ Ｔｉ膜（金属含有膜）
７６ ＴｉＮ膜（金属含有膜）
８０ Ｔｉ薄膜
８２ ＴｉＮ薄膜
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (6)

  1. 処理容器内の載置台上に載置された被処理体に対してチタン（Ｔｉ）膜、またはチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜よりなる金属含有膜を形成する成膜方法において、前記載置台の表面に前記金属含有膜と同じ金属を含む膜であるチタン薄膜とチタンナイトライド薄膜が順次積層された２層構造よりなるプリコート金属含有薄膜を形成し、その後、前記被処理体を前記載置台上に載置した状態で前記被処理体の表面に前記金属含有膜を形成するようにしたことを特徴とする成膜方法。
  2. 前記載置台は金属製であることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
  3. 前記チタンナイトライド薄膜は、前記チタン薄膜の表面部分を窒化処理することにより形成されることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
  4. 前記チタンナイトライド薄膜は、前記チタン薄膜を形成し、この上に前記チタンナイトライド薄膜を積層させることによって形成されることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
  5. 処理容器内の載置台上に載置された被処理体に対してチタン（Ｔｉ）膜、またはチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜よりなる金属含有膜を形成する成膜装置において、前記載置台の表面には、前記金属含有膜に含まれる金属と同じ金属を含む膜であるチタン薄膜とチタンナイトライド薄膜が順次積層された２層構造よりなるプリコート金属含有薄膜が形成されることを特徴とする成膜装置。
  6. 前記載置台は金属製であることを特徴とする請求項５記載の成膜装置。
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