JP3767429B2 - チタン膜及びチタンナイトライド膜の連続成膜方法及びクラスタツール装置 - Google Patents

Description

【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及びクラスタツール装置に関する。
【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ＳｉＯ₂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 Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ 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、Ｎ₂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ＴｉＣｌｘ（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、Ｎ_２ガスのみの雰囲気下、或いはＮＨ_３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及びクラスタツール装置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アンモニア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、還元ガスとアンモニアガスとを含む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、チタン成膜工程は、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及びクラスタツール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Ｎ₂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１０００ｍＴｏｒｒ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２８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５００ｓｃ ｃｍ及び１５００ｓｃｃｍ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５８０℃、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１５００ｓｃｃｍ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１０００Ω以上と高く、特性が非常に劣っており、また、ＮＨ₃ 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ＣＶＤ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及びクラスタツール装置によれば、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、還元ガスとアンモニア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

Claims (9)

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アンモニア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. 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. 前記チタン成膜工程は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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. 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. 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。
6. 第１の成膜処理と前記第２の成膜処理を連続して行って成膜するクラスタツール装置であって、
   被処理体の表面に第１の成膜を形成する成膜処理と、前記第１の成膜処理の後に前記被処理体の表面を、還元ガスと窒化ガス又はアンモニア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する窒化処理とを連続に行なう成膜プラズマ装置と、
   前記窒化処理された第１の成膜の表面に第２の成膜を形成する第２の成膜処理を行なうＣＶＤ成膜装置と、
   前記成膜プラズマ装置と前記ＣＶＤ成膜装置とをゲートバルブを介して接続する搬送室と、
   前記搬送室内に配置され、前記成膜プラズマ装置及び前記ＣＶＤ成膜装置と前記搬送室との間の前記被処理体の受け渡しを行なう搬送アームと、
   前記被処理体を収容するカセットと、
   を備えたことを特徴とするクラスタツール装置。
7. 前記第１の成膜処理は、チタン膜を形成することを特徴とする請求項６記載のクラスタツール装置。
8. 前記第２の成膜処理は、チタンナイトライド膜を形成することを特徴とする請求項６または７記載のクラスタツール装置。
9. 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６乃至８のいずれかに記載のクラスタツール装置。

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