JP3950494B2 - Method for producing titanium nitride thin film - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、処理室の内部にプラズマ発生電極を備えるプラズマCVD装置を用いて窒化チタン(TiN)薄膜を作製する方法に関し、特に(111)結晶配向を有する窒化チタン薄膜を作製する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化チタン薄膜の用途として半導体集積回路がある。この場合、窒化チタン薄膜は、半導体集積回路の金属配線材料と半導体または絶縁体との間に形成され、これによって、金属配線材料と半導体または絶縁体との間の拡散を防止する機能を果たしたり、金属配線材料と半導体または絶縁体との密着性を高める機能を果たしたりしている。
【0003】
半導体集積回路の金属配線材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金(例えばAl−1%Si)が一般に用いられている。アルミニウムまたはアルミニウム合金を金属配線材料として用いた場合、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションの現象によって、配線が断線したり、隣接配線間でショートしたりする問題が生じる。そこで、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属配線材料の結晶配向を(111)にすることで、エレクトロマイグレーションに対する耐性を向上させることが知られている。なお、(111)結晶配向の薄膜とは、(111)結晶格子面が薄膜表面に平行になっていることを意味している。
【0004】
下地としての窒化チタン薄膜上に、配線材料として(111)結晶配向のアルミニウムまたはアルミニウム合金を形成する場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶配向は下地の窒化チタン薄膜の結晶配向の影響を強く受ける。そこで、下地の窒化チタン薄膜を(111)結晶配向にすることが重要になってくる。
【0005】
一方、半導体集積回路の高集積化及び微細化に伴い、集積回路中の配線はますます細くなってきている。特に半導体との電気的接続に用いられるコンタクトの金属配線の形成において、あらかじめ半導体の上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜にエッチングでコンタクトホールをあけて、このコンタクトホールの底部及び側壁に窒化チタン薄膜を形成し、その上に金属配線を形成する方法が用いられている。この窒化チタン薄膜は、拡散防止膜として、また密着性向上膜として、機能している。
【0006】
コンタクトホールに窒化チタン薄膜を形成する代表的な方法としてはスパッタリング法とCVD法がある。スパッタリング法では、コンタクトホールの入り口にオーバーハング状に膜が堆積し、コンタクトホールの底部及び側壁に窒化チタン薄膜が十分に堆積できないという問題がある。
【0007】
これに対して、CVD法は、原理的にコンタクトホールの底部と側壁に均一に膜が堆積する。このCVD法の代表的なものに、熱エネルギーで化学反応を促す熱CVD法と、プラズマで原料ガスを活性化させて化学反応を促すプラズマCVD法がある。
【0008】
熱CVD法を用いて(111)結晶配向を持った窒化チタン薄膜を得ようとすると、成膜温度を600℃から700℃以上にする必要がある(参考文献:N.Yokoyama, K.Hideo and Y.Homma, J.Electrochem.Soc., Vol.138(1991), pp.190‐195)。しかし、半導体集積回路の高集積化及び微細化に伴って薄膜堆積時の低温化が求められている現状を考えると、このような高温の成膜プロセスは好ましくない。
【0009】
そこで、熱CVD法に比べて低温成膜が可能なプラズマCVD法が注目されている。しかし、従来のプラズマCVD法で窒化チタン薄膜を堆積すると、主たる結晶配向は(200)になり、(111)結晶配向の膜を450℃以下の基体温度で得ることは難しいという問題がある(参考文献:川島淳志、宮本孝章、門村新吾、青山純一、第49回半導体・集積回路技術シンポジウム講演論文集(1995)、pp.120‐125)。
【0010】
なお、スパッタリング法で窒化チタン薄膜を作製する場合に、基体にバイアス電力を印加して負のバイアス電圧を発生させることにより、窒化チタン薄膜の結晶配向性を制御する方法が知られている(参考文献:Makiko Kageyama, Keiichi Hashimoto and Hiroshi Onoda, IEEE/IRPS(1991), pp.97‐101)。しかし、この方法では、基体に印加する負のバイアス電圧を増加させると、得られる窒化チタン薄膜の結晶配向性は(200)が主となり、(111)結晶配向は得られない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
結局、従来のCVD法やスパッタリング法では、成膜時の基体温度をあまり高くすることなく(111)結晶配向を有する窒化チタン薄膜を作製することが困難であった。
【0012】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、プラズマCVD法により、成膜時の基体温度をあまり高くせずに(111)結晶配向を有する窒化チタン薄膜を作製することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プラズマCVD法で窒化チタン薄膜を作製する場合に、二つの端子を備えたプラズマ発生電極を処理室の内部に配置し、このプラズマ発生電極の一方の端子を高周波電力供給源に接続し、他方の端子をコンデンサを介して接地して、前記処理室の内部にプラズマを発生させている。そして、基体に高周波バイアス電力を印加している。これにより、基体上に(111)結晶配向を有する窒化チタン薄膜を堆積できる。得られる窒化チタン薄膜は、低抵抗率で低塩素含有量となり、良好な膜質となる。この窒化チタン薄膜は、半導体集積回路の金属配線のための拡散防止膜および密着膜として用いることができる。例えば、(111)結晶配向の窒化チタン薄膜の上に、金属配線としてアルミニウム合金を堆積すると、このアルミニウム合金も(111)結晶配向となって、各種マイグレーション耐性が良好となる。
【0014】
基体に印加する高周波バイアス電力は約100〜3000Wにする。高周波バイアス電力が約100W以下では、窒化チタン薄膜の(111)配向はほとんど見られなくなる。ところで、厳密に言えば、窒化チタン薄膜の(111)配向が優勢になり始める高周波バイアス電力の値は、プラズマ発生電極に印加する高周波電力に依存して多少変動することが観測されている。この点を考慮して、高周波バイアス電力の下限値を「約」100Wにしている。また、高周波バイアス電力を3000W以上にすると、基体に発生する負のバイアス電圧の絶対値が大きくなり過ぎて、プラズマ中の正イオンによる基体へのダメージが大きくなり、好ましくない。そして、好ましくは、高周波バイアス電力を300〜1000Wにする。この範囲では、(111)配向性が十分高まるとともに、基体のダメージは比較的小さい。
【0015】
プラズマ発生電極の他方の端子に接続するコンデンサの容量としては100pF〜10μFが適当である。これよりも容量が小さすぎると放電が不安定になりやすい。また、これよりも容量が大きすぎると、高周波特性の良好なセラミックコンデンサを使用する場合にコンデンサが大きくなりすぎて実用的でない。
【0016】
処理室は接地するのが普通であるが、処理室を直流的にアースから浮かすようにしてもよい。すなわち、処理室とアースの間にコンデンサを挿入してもよく、その場合に、このコンデンサの容量を制御して処理室の電位を調節してもよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明で使用するプラズマCVD装置の一例の構成図であり、処理室の部分は正面断面図を示している。真空に保持可能な処理室20の内部には、基体ホルダー25とプラズマ発生電極61とが配置されていて、基体ホルダー25にはバイアス電力供給源90が接続され、プラズマ発生電極61には電力供給源50と接地結合機構80とが接続されている。また、処理室20には、ガス導入機構10と排気機構30がつながっている。
【0018】
まず、ガス導入機構10について説明する。図2はガス導入機構10の構成図である。このガス導入機構10は4種類のガスを使用できるようになっている。四塩化チタン容器1aは、常温常圧で液体状態の四塩化チタンを所定の温度に加熱する恒温槽であり、この恒温槽で蒸気化された四塩化チタンは、流量制御器12aとバルブ13aを経由して処理室20に導入される。水素ガス容器1bと窒素ガス容器1cとアルゴンガス容器1dは高圧ガスボンベの形態であり、これらの中に入っているガスは、各々減圧弁11b、11c、11dで減圧され、流量制御器12b、12c、12dで流量制御され、バルブ13b、13c、13dを開くと処理室20に導入される。ガス導入機構10の出口は、プラズマ発生電極61の中心付近に開口している。バルブ13a、13b、13c、13dは、各ガスを導入するときに開くものであるが、処理室20の内部を大気にするときには、各ガスが大気で汚染されるのを防ぐためにバルブ13a、13b、13c、13dを閉じる。
【0019】
次に、図1に戻って、基体ホルダー25の構造を説明する。基体21は基体ホルダー25の上に置かれる。基体ホルダー25の内部にはヒーター26と熱電対27がある。基体ホルダー25の温度は熱電対27で測定され、図示しない基体温度調節装置によってヒーター26に電力が供給されて、基体21の温度が制御される。この基体温度調節装置はPID制御方法を用いているが、必要に応じてファジー回路を併用したり、PI制御や、単なるON−OFF制御を採用してもよい。
【0020】
次に、排気機構30を説明する。荒引きポンプ31は油回転ポンプ(排気速度は毎分650リットル)であり、荒引きバルブ32を介して処理室20に接続される。処理室20のクリーン性が非常に重要な場合は、荒引きポンプ31としてオイルフリーのポンプを用いることができ、また、メンテナンス性を向上させるにはドライポンプを用いてもよい。メインポンプ35はバリアブルオリフィス34とメインバルブ33を介して処理室20に接続され、後段には補助ポンプ36が接続されている。メインポンプ35は複合型ターボ分子ポンプ(排気速度は毎秒1300リットル)であり、処理室20内のクリーン性がそれほど重要でなければ油拡散ポンプを用いることもできる。補助ポンプ36は油回転ポンプ(排気速度は毎分1180リットル)であり、荒引きポンプ31と同様にドライポンプ等を用いてもよい。
【0021】
処理室20を大気圧から排気するには、まず、荒引きバルブ32を開いて荒引きポンプ31で処理室20を排気する。処理室20の内部の圧力が所定の圧力(排気系によって異なるが本実施形態では約100Pa)まで排気された後に、荒引きバルブ32を閉め、メインバルブ33を開いて、メインポンプ35によってさらに低圧力領域まで排気する。真空計で測定された処理室圧力をもとにバリアブルオリフィス34を開閉して、処理室20内の圧力を所定の値に調節できる。再現性の良い安定したプラズマを得るためにはバリアブルオリフィス34を用いることは有効である。
【0022】
次に、基体にバイアス電力を印加する機構について説明する。基体ホルダー25は、インピーダンス整合回路91を介してバイアス用高周波電源92に接続されている。このインピーダンス整合回路91とバイアス用高周波電源92でバイアス電力供給源90が構成されている。バイアス用高周波電源92によって誘起された交番電力は、インピーダンス整合回路91でインピーダンス調整されて、基体ホルダー25に供給され、基体21のバイアス電圧が調整される。基体ホルダー25の周囲には、処理室20に接続されたシールド板93があり、また、基体ホルダー25は絶縁体94によって処理室20から電気的に絶縁されている。バイアス用高周波電源92の周波数は、プラズマ発生用の高周波電源52の周波数とは少なくとも500Hz以上異なることが必要である。そうしないと、2つの高周波が干渉して、安定したプラズマを得ることができない。本実施形態では、プラズマ発生用の高周波電源52の周波数を13.560MHz、バイアス用高周波電源92の周波数を13.562MHzとした。
【0023】
次に、磁場発生機構を説明する。処理室20の周囲には、上下方向に細長い多くの永久磁石121が配置されている。図5は図1の5−5線断面図であり、処理室20の水平断面を示している。24個の永久磁石121は、処理室20の周囲に互いに等間隔に配置されていて、隣り合う永久磁石121は互いに反対の極性になっている。すなわち、処理室20の内部に向かってN極とS極とが交互に配置されている。これらの永久磁石121の働きにより、処理室20の内壁面近傍にはマルチカスプ磁場122が形成される。なお、永久磁石の形状や個数はこれに限定されるものではなく、処理室20の内部に向かってN極とS極とが交互に配置される限り、別の構成としてもよい。
【0024】
永久磁石121はランタン系の希土類磁石(寸法25.4mm×6.3mm×12.8mm)を組み合わせて構成した。この磁石の表面の磁束密度は1600ガウスであるが、約400〜2200ガウスの範囲の磁石が有効である。磁束密度が小さすぎると、プラズマの閉じ込め効果が弱くなり、基体の周辺部で表面処理の均一性が劣ってくる。磁束密度が大きすぎると、処理室の内壁からプラズマが離れすぎて、プラズマの均一性が保たれる領域が、処理室の内径に比較して小さくなる。磁極間隔は150mm以内にするのが望ましい。磁極間が離れすぎると、磁極間の中央部の磁束密度が小さくなってしまい、プラズマの閉じ込め効果が減少する。この実施例では磁極間隔は24mmである。
【0025】
このようなマルチカスプ磁場122を用いると、磁場によるプラズマ閉じこめの効果により、処理室20の内壁面の近傍までプラズマが拡散することがなく、均一な高密度のプラズマを維持できる。このマルチカスプ磁場と、バイアス電力供給源とを併用すると、大型基体の表面に均一に大電流のイオンを流入させることができる。
【0026】
次に、プラズマ発生装置を説明する。プラズマ発生装置は、処理室20の内部にプラズマを発生させるためのものであり、図1において、電力供給源50と、プラズマ発生電極61と、接地結合機構80とを備えている。プラズマ発生電極61は、実質的に1ターンのコイルであり、処理室20の壁を貫通する1対の導入端子62、63を備えている。プラズマ発生電極61は基体21に対向している。図3はプラズマ発生電極61の平面図である。このプラズマ発生電極61は、金属パイプを、ほぼ1周の円環状に曲げたものである。直径は約140mmである。この円環状の部分に対して垂直になるように導入端子62、63が形成されている。この金属パイプは処理室内にそのまま露出しているので、プラズマ発生電極61の表面は導電体である。この金属パイプの内部に冷却水を流せばこの電極を水冷できる。ただし、必要に応じて空冷とすることができ、小電力の場合は冷却しなくてもよい。
【0027】
次に、プラズマ発生電極の冷却機構を説明する。この実施形態では、導入端子62、63とプラズマ発生電極61は中空であり、内部に冷却水を通すことができる。導入端子62、63にはフッ素樹脂製の通水チューブを接続してあり、供給側のチューブには、1平方センチメートル当たり約5kgの圧力の水を供給し、排出側のチューブは大気圧に近い圧力としている。供給口の冷却水温度は約15℃であり、プラズマ発生電極61の内部を流れる水の流量は毎分約3リットルである。冷却媒体としては、大きな比熱、入手の容易性、小さな粘性、などの観点から水が最も優れているが、それ以外の媒体を使用してもよい。空気冷却や窒素ガス冷却を採用する場合は、流量を大きくするとよい。窒素ガス冷却では、水分を含まないので、電極の水分腐蝕を防止できる。
【0028】
プラズマ発生電極はプラズマに直接接するために、プラズマによってその表面がエッチングされる可能性がある。実験によれば、プラズマ発生電極を水冷すると、このエッチングを抑制でき、プラズマ発生電極の寿命を延ばすことができる。水冷しない場合には、プラズマ発生電極の直径の減少率は1時間当たり0.1mmであったが、水冷すると1時間当たり0.01mmであった。プラズマ発生電極がエッチングされると、これが基体上の膜中に混入して不純物となる可能性があるが、水冷すれば、このエッチング量を少なくできる。
【0029】
図4はプラズマ発生電極の導入端子と処理室との間に設けられる絶縁リングの一部を切断した斜視図である。この絶縁リング71は、電気絶縁材料である石英ガラスでできている。この絶縁リング71とプラズマ発生電極の導入端子62、63の間、及び、絶縁リング71と処理室20との間は真空シールされている。この絶縁リング71は、円板72の中央に円形の貫通孔73が形成されていて、円板72の一方の側(処理室空間に露出する側)に3個の円環状の突起74が互いに同心状に形成されている。この円環状の突起74の間には、2個の円環状の溝79が形成される。溝79の開口部は、貫通孔73の軸線に垂直な平面内にあり、溝79の深さ方向は、貫通孔73の軸線に平行である。これらの突起74と溝79は、全て、貫通孔73に対して同心である。貫通孔73にはプラズマ発生電極の円筒状の導入端子62(図1参照)が挿入される。3個の円環状の突起74は、いずれも、高さが50mm、肉厚が1mmである。したがって、溝79の深さも50mmである。また、溝79の幅(隣り合う突起74の間隔)は1mmである。円環状の突起74の全面と、円板72の処理室に露出する側の表面(図4の上側の面)は、ブラスト処理が施されて粗面化されている。この粗面化により、絶縁リング71に付着した膜をはがれにくくし、膜のはがれによる処理室内部のダスト汚染を防止している。これを詳しく説明すると、絶縁リング71において、溝79の内部以外の部分には膜が付着する可能性があり、例えば、突起74の頂面や、一番外側の突起74の外周面や、これより外側の円板表面には膜が付着する可能性がある。これらの箇所に粗面化が施されていると、この部分に付着した膜がはがれにくくなる。
【0030】
図1に戻って、プラズマ発生電極61の一方の導入端子62は、インピーダンス整合回路51を介して高周波電源52に接続されている。このインピーダンス整合回路51と高周波電源52で電力供給源50が構成される。高周波電源52の周波数は13.56MHzで、定格出力は3kWである。ただし、周波数はこれに限定されず、kHzオーダーや、60MHzや、100MHzを用いてもよく、使用可能範囲は10kHz〜1000MHz程度である。この範囲の上限を越えると導電体を配線材料として使用できなくなり、下限を下回ると電波として発信しなくなる。また、その出力波形も、正弦波のみならずこれに所定の変形を施した波形でもよい。インピーダンス整合回路51としてはΠ(パイ)型回路を用いているが、これ以外の例えばT型回路等を使用してもよい。高周波電源52によって誘起された交番電力は、インピーダンス整合回路51でインピーダンス調整されてプラズマ発生電極61に供給される。
【0031】
次に、接地結合機構80を説明する。この接地結合機構80は、プラズマ発生電極61の導入端子63と接地電位との間に設けられるものであり、コンデンサ81を含んでいる。このコンデンサ81により、プラズマ発生電極61の一端は、直流的にアースから遮断される。この実施形態のコンデンサ81の静電容量は約500pFである。ただし、この容量に限定されず、処理条件に応じて、100pF〜10μF程度の容量を使用できる。これに対して、プラズマ発生電極61と処理室20との間の浮遊容量は数pF程度である。コンデンサ81としては、高周波特性が優れていて耐電圧性があるセラミックコンデンサが適している。
【0032】
処理室内にプラズマを発生させると、接地結合機構80のコンデンサ81の存在により、プラズマ発生電極61に直流バイアス電圧が誘起される。図9はコンデンサ81の静電容量と、プラズマ発生電極61に誘起されるバイアス電圧との関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、コンデンサの容量に応じて直流バイアス電圧の絶対値が変化する。したがって、コンデンサの容量を変更することによってプラズマ発生電極の直流バイアス電圧を任意の値に設定することが可能になる。プラズマ発生電極がスパッタリングされてしまう場合には、コンデンサの容量を小さくすれば直流バイアス電圧の絶対値が小さくなり、プラズマ発生電極のスパッタリングを抑制できる。そこで、図8に示すように接地結合機構80aとして可変コンデンサ81aを用いると、コンデンサの容量変更が簡単になり、プラズマ発生電極の直流バイアス電圧の制御が容易になる。また、プラズマ発生電極の直流バイアス成分をモニターするようにすれば、プラズマ処理をバッチ処理で行った場合に、バッチ処理回数の増加により微妙にプラズマ処理条件が変化した場合でも、直流バイアス成分が一定になるようにコンデンサの容量を制御することができる。
【0033】
ところで、上述のスパッタリングの効果を逆に利用することもできる。例えば、基体上に膜を堆積する場合にプラズマ発生電極にも膜が堆積されてしまうことがあるが、このようなときには、コンデンサの容量を適当に増加して、プラズマ発生電極上の堆積膜だけがスパッタリングされてプラズマ発生電極自体はスパッタリングされないようなコンデンサ容量を探すことができる。
【0034】
図10は接地結合機構のさらに別の例を示す。この接地結合機構80bでは、プラズマ発生電極61の導入端子63と可変コンデンサ81aの間に、インダクタ83を介して直流電源82を接続してある。これにより、プラズマ発生電極61の電位をより積極的に制御できる。
【0035】
ところで、図1において、プラズマ発生電極の導入端子63を、コンデンサ81を介することなく直接、接地すると、処理室内のプラズマは、容量結合性の強い放電となって、処理室の空間全体さらには排気機構30の空間にまで広がる。その結果、プラズマの電子密度が低くなる。一方、コンデンサ81を介して接地すると、プラズマが処理室内の中央部分に局在化して、プラズマの電子密度が高くなる。具体例を述べると、アルゴンガスを処理室に導入して、圧力を6mTorr、プラズマ発生電極への投入電力を2kWとしてプラズマを発生させたときに、プラズマの電子密度は、1立方センチメートル当たり「10の11乗」個に達した。
【0036】
次に、図1のプラズマCVD装置を用いて窒化チタン薄膜を作製する第1実施例を説明する。図1と図2において、容器1aから供給される四塩化チタンを毎分20ミリリットル、容器1bからの水素ガスを毎分200ミリリットル、容器1cからの窒素ガスを毎分20ミリリットル、容器1dからのアルゴンガスを毎分35ミリリットルの流量で流した。処理室20内の圧力は1.3Paに設定し、基体21の温度は450℃に設定した。高周波電源52からプラズマ発生電極61に供給する電力は3.0kWとし、バイアス用高周波電源92から基体ホルダー25に供給する電力は300Wとした。コンデンサ81の容量は500pFにした。
【0037】
このような条件で、(100)結晶配向の8インチのシリコンウェーハ上に薄膜を堆積すると、毎分約60nmの堆積速度で、窒化チタンを主成分とした膜が堆積した。この膜の面内膜厚分布は±10%以下であった。また、穴径0.45μm、深さ1μmの穴に膜を埋め込んだ場合には、穴の底部と側壁に被覆性良好に窒化チタン薄膜を形成できた。堆積した窒化チタン薄膜の結晶配向性をX線回折で調べたところ、そのメインピークは(111)配向のものであった。また、膜の抵抗率を四探針法で測定したところ36μΩcmと低い値が得られ、膜中の塩素含有量も約0.1原子%と小さい値になり、非常に良質な窒化チタン薄膜が得られた。
【0038】
図6は上述の条件(プラズマ発生電極に供給する高周波電力は3kW)で作成した窒化チタン薄膜の結晶配向を示すX線回折パターンのグラフである。横軸がX線回折による回折角度(2θ)であり、縦軸が回折強度である。このグラフは、基体ホルダーに印加する高周波電力を変化させたときの回折パターンの変化を示している。このグラフから分かるように、基体ホルダーに120Wの直流バイアス電力を印加してバイアス電圧をプラス側にしたときと、バイアス電力を0Wにしたときは、(200)の回折ピークと(111)の回折ピークとの間で、回折強度にほとんど差が見られない。これに対して、高周波バイアス電力を100Wにする(基体は負のバイアス電圧になる)と、(111)の回折ピークの強度の方がわずかに大きくなる。高周波バイアス電力を200Wにすると、(111)の回折ピークの強度がもっと大きくなる。高周波バイアス電力を300Wにすると、(111)ピークの強度がさらに増加するとともに(200)ピークの強度が目立って減少する。高周波バイアス電力を700Wにすると、(111)ピークの強度が非常に大きくなり、(200)ピークはほとんど観測されなくなる。このように、基体ホルダーに印加する高周波バイアス電力が増加するにつれて、得られる窒化チタン薄膜は(111)に強く配向するようになる。なお、図6において、窒化チタンの既知の(111)ピークの回折角度に対して、観測された(111)ピークがわずかに低角度側にシフトしているのは、膜の応力の影響によって(111)の格子面間隔が標準値よりもわずかに大きくなるからであると推測される。
【0039】
図13は、図6のグラフに関連して、高周波バイアス電力が比較的小さい領域において、(200)ピークの回折強度「I(200)」に対する(111)ピークの回折強度「I(100)」の比(以下、回折強度比という。)を、高周波バイアス電力を変化させて測定したグラフである。バイアス電力が0Wのときは、回折強度比がわずかに1を下回っているのが観測された。すなわち、(200)ピークの回折強度の方が(111)ピークの回折強度をわずかに上回っている。バイアス電力を100Wにすると、回折強度比は明らかに1を超えるようになり、(111)配向が優勢になっている。バイアス電力を200Wにすると回折強度比はさらに増加する。このグラフから、(111)配向がわずかでも優勢になるようにするには、プラズマ発生電極に3kWの高周波電力を印加した条件では、基体に対する高周波バイアス電力を100W以上にすればよいことが分かる。なお、プラズマ発生電極に印加する高周波電力を2kWに変更すると、(111)配向が優勢となり始める高周波バイアス電力が変化する(図6の場合よりも低バイアス電力側にシフトする)。すなわち、プラズマ発生電極に印加する高周波電力の値に応じて、(111)配向が優勢になり始める高周波バイアス電力の下限値も変動する。このような変動があるものの、おおむね、高周波バイアス電力を100W以上にすれば(111)配向が優勢になる。
【0040】
次に、第2実施例を説明する。この第2実施例では基体の温度をさらに低温の350℃に設定した。それ以外の条件は上述の第1実施例の成膜条件と同じである。この場合、堆積速度、面内膜厚分布、穴への被覆性、(111)配向性については、第1実施例で得られた窒化チタン薄膜と同様であった。また、膜の抵抗率は約40μΩcm、膜中の塩素含有量は約0.2原子%であった。このように、基体温度を350℃まで下げても良好な窒化チタン薄膜が得られた。
【0041】
図1において、プラズマ発生電極61の材質はチタンであるが、このチタンは堆積膜(窒化チタン)の構成元素の一つである。したがって、プラズマ発生電極がスパッタリングされてチタンが薄膜に混入したとしても、これが窒化チタン薄膜の汚染物質にはならない。
【0042】
図5に示すように処理室の内壁面近傍にマルチカスプ磁場を形成すると、処理室の内壁面から約5cm以上離れた処理室中心部で、比較的均一性の良いプラズマを維持できる。大型の基体を均一性(膜厚分布、膜質分布、底部被覆率の均一性)良く成膜するためにはこのマルチカスプ磁場を形成することは非常に有益である。特に、基体バイアス電力供給源と併用すると、良好な底部被覆率が均一性良く得られ、より一層の効果がある。このマルチカスプ磁場を形成することにより、窒化チタン薄膜の膜厚分布が良好になる。
【0043】
図1の装置例では、プラズマ発生電極61は1ターンコイルとしたが、別の形状にすることもできる。図11(A)はプラズマ発生電極を2ターンコイルの形状にした例である。さらに3ターン以上にしてもよい。図11(B)のプラズマ発生電極は水平面内で渦巻き状に巻いた例である。図11(C)のプラズマ発生電極は1枚の矩形の平板の例であり、図11(D)は1枚の円形の平板の例である。また、図12(A)のプラズマ発生電極は直線状に延びた1本の棒状にした例である。図12(B)のプラズマ発生電極は3本の棒状の電極を水平面内で並列に並べた例であり、図12(C)のプラズマ発生電極は3本の棒状の電極を鉛直面内で並列に並べた例である。そして、これらの図11と図12に示すいずれの電極例も、二つの端子を備えていて、一方の端子が高周波電源に接続され、他端がコンデンサを介して接地される。そして、いずれの場合も、二つの端子は、プラズマ発生電極の両端付近に位置している。また、これらのプラズマ発生電極とその二つの端子は、内部に冷却水を通すことで冷却できる。
【0044】
図7は本発明で使用するプラズマCVD装置の別の例の要部構成図である。この例では、プラズマ発生電極61の上方にソレノイドコイル130が配置されている。それ以外の構成は図1の装置と同じである。このソレノイドコイル130の発生する磁力線131は、1ターンコイルの形状のプラズマ発生電極61の中心付近を通過して発散する。この磁力線131の働きにより、処理室20内に、より高密度のプラズマを発生させることができる。また、この装置例では放電の開始が容易になる。
【0045】
原料ガスの組み合わせとしては、上述の実施例からアルゴンガスを省略することもできる。例えば、四塩化チタンを毎分30ミリリットル、水素ガスを毎分300ミリリットル、窒素ガスを毎分60ミリリットルの流量で流すことで、同様に窒化チタン薄膜を作製できる。
【0046】
【発明の効果】
この発明によれば、プラズマCVD法で窒化チタン薄膜を作製する場合に、処理室内部のプラズマ発生電極の二つの端子の一方に高周波電力を供給し他方の端子をコンデンサを介して接地してプラズマを発生させるとともに、基体に約100W〜3000Wの範囲内の高周波バイアス電力を印加することにより、基体上に(111)結晶配向を有する窒化チタン薄膜を堆積できる。この窒化チタン薄膜は、低抵抗率で低塩素含有量の良好な膜質となり、半導体集積回路の金属配線のための拡散防止膜および密着膜として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法を実施するためのプラズマCVD装置の一例の構成図である。
【図2】ガス導入機構の構成図である。
【図3】プラズマ発生電極の平面図である。
【図4】絶縁リングの一部を切断した斜視図である。
【図5】図1の5−5線断面図である。
【図6】窒化チタン薄膜の結晶配向についてその基体バイアス電力依存性を示すX線回折パターンのグラフである。
【図7】本発明で使用するプラズマCVD装置の別の例の要部構成図である。
【図8】接地結合機構の変更例を示す構成図である。
【図9】コンデンサの容量とプラズマ発生電極の直流バイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図10】接地結合機構の別の変更例を示す構成図である。
【図11】プラズマ発生電極の変更例を示す斜視図である。
【図12】プラズマ発生電極の別の変更例を示す斜視図である。
【図13】窒化チタン薄膜の回折強度比の高周波バイアス電力依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
10 ガス導入機構
20 処理室
21 基体
25 基体ホルダー
30 排気機構
50 電力供給源
52 高周波電源
61 プラズマ発生電極
62、63 導入端子
80 接地結合機構
81 コンデンサ
90 バイアス電力供給源
92 バイアス用高周波電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a titanium nitride (TiN) thin film using a plasma CVD apparatus including a plasma generating electrode inside a processing chamber, and more particularly to a method of manufacturing a titanium nitride thin film having a (111) crystal orientation.
[0002]
[Prior art]
As an application of the titanium nitride thin film, there is a semiconductor integrated circuit. In this case, the titanium nitride thin film is formed between the metal wiring material of the semiconductor integrated circuit and the semiconductor or insulator, and thereby functions to prevent diffusion between the metal wiring material and the semiconductor or insulator. Also, it functions to improve the adhesion between the metal wiring material and the semiconductor or insulator.
[0003]
As a metal wiring material of a semiconductor integrated circuit, aluminum or an aluminum alloy (for example, Al-1% Si) is generally used. When aluminum or an aluminum alloy is used as a metal wiring material, there is a problem that the wiring is disconnected or short-circuited between adjacent wirings due to the phenomenon of electromigration or stress migration. Therefore, it is known that the resistance to electromigration is improved by setting the crystal orientation of the metal wiring material made of aluminum or aluminum alloy to (111). Note that the (111) crystal orientation thin film means that the (111) crystal lattice plane is parallel to the surface of the thin film.
[0004]
When aluminum or aluminum alloy with (111) crystal orientation is formed as a wiring material on a titanium nitride thin film as a base, the crystal orientation of aluminum or aluminum alloy is strongly influenced by the crystal orientation of the base titanium nitride thin film. Therefore, it is important to make the underlying titanium nitride thin film have a (111) crystal orientation.
[0005]
On the other hand, as the semiconductor integrated circuit is highly integrated and miniaturized, the wiring in the integrated circuit is becoming thinner. In particular, when forming a metal wiring for a contact used for electrical connection with a semiconductor, an insulating film is formed on the semiconductor in advance, a contact hole is formed in the insulating film by etching, and nitriding is performed on the bottom and side walls of the contact hole. A method is used in which a titanium thin film is formed and metal wiring is formed thereon. This titanium nitride thin film functions as a diffusion preventing film and an adhesion improving film.
[0006]
Typical methods for forming a titanium nitride thin film in the contact hole include a sputtering method and a CVD method. The sputtering method has a problem that a film is deposited in an overhang shape at the entrance of the contact hole, and a titanium nitride thin film cannot be sufficiently deposited on the bottom and side walls of the contact hole.
[0007]
In contrast, in the CVD method, in principle, a film is uniformly deposited on the bottom and side walls of the contact hole. Typical CVD methods include a thermal CVD method that promotes a chemical reaction with thermal energy and a plasma CVD method that activates a source gas with plasma to promote a chemical reaction.
[0008]
In order to obtain a titanium nitride thin film having a (111) crystal orientation using a thermal CVD method, the film forming temperature needs to be 600 ° C. to 700 ° C. or higher (reference: N. Yokoyama, K. Hideo and Y. Homma, J. Electrochem. Soc., Vol. 138 (1991), pp. 190-195). However, considering the current situation in which a low temperature during thin film deposition is required as semiconductor integrated circuits are highly integrated and miniaturized, such a high temperature film formation process is not preferable.
[0009]
Therefore, a plasma CVD method capable of forming a film at a low temperature as compared with the thermal CVD method has attracted attention. However, when a titanium nitride thin film is deposited by the conventional plasma CVD method, the main crystal orientation becomes (200), and there is a problem that it is difficult to obtain a (111) crystal orientation film at a substrate temperature of 450 ° C. or less (reference) References: Atsushi Kawashima, Takaaki Miyamoto, Shingo Kadomura, Junichi Aoyama, Proceedings of the 49th Symposium on Semiconductor and Integrated Circuit Technology (1995), pp.120-125).
[0010]
In addition, when producing a titanium nitride thin film by a sputtering method, a method for controlling the crystal orientation of the titanium nitride thin film by applying a bias power to the substrate to generate a negative bias voltage is known (reference). Literature: Makiko Kageyama, Keiichi Hashimoto and Hiroshi Onoda, IEEE / IRPS (1991), pp. 97-101). However, in this method, when the negative bias voltage applied to the substrate is increased, the crystal orientation of the obtained titanium nitride thin film is mainly (200), and the (111) crystal orientation cannot be obtained.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Eventually, with the conventional CVD method or sputtering method, it was difficult to produce a titanium nitride thin film having a (111) crystal orientation without increasing the substrate temperature during film formation.
[0012]
The present invention has been made in order to solve such problems, and an object of the present invention is to form titanium nitride having a (111) crystal orientation by plasma CVD without increasing the substrate temperature at the time of film formation. The purpose is to produce a thin film.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, when a titanium nitride thin film is produced by the plasma CVD method, a plasma generating electrode having two terminals is arranged inside a processing chamber, and one terminal of the plasma generating electrode is connected to a high frequency power supply source. The other terminal is grounded through a capacitor to generate plasma in the processing chamber. A high frequency bias power is applied to the substrate. Thereby, a titanium nitride thin film having a (111) crystal orientation can be deposited on the substrate. The obtained titanium nitride thin film has a low resistivity and a low chlorine content, and has a good film quality. This titanium nitride thin film can be used as a diffusion prevention film and an adhesion film for metal wiring of a semiconductor integrated circuit. For example, when an aluminum alloy is deposited as a metal wiring on a (111) crystal oriented titanium nitride thin film, this aluminum alloy also becomes (111) crystal orientation, and various migration resistances are improved.
[0014]
The high frequency bias power applied to the substrate is about 100 to 3000 W. When the high frequency bias power is about 100 W or less, the (111) orientation of the titanium nitride thin film is hardly observed. Strictly speaking, it has been observed that the value of the high-frequency bias power at which the (111) orientation of the titanium nitride thin film starts to become dominant varies somewhat depending on the high-frequency power applied to the plasma generating electrode. Considering this point, the lower limit value of the high frequency bias power is set to “about” 100 W. On the other hand, if the high frequency bias power is set to 3000 W or more, the absolute value of the negative bias voltage generated in the substrate becomes too large, and damage to the substrate due to positive ions in the plasma increases, which is not preferable. Preferably, the high frequency bias power is set to 300 to 1000 W. In this range, the (111) orientation is sufficiently enhanced and the damage to the substrate is relatively small.
[0015]
The capacitance of the capacitor connected to the other terminal of the plasma generating electrode is suitably 100 pF to 10 μF. If the capacity is too small, the discharge tends to become unstable. On the other hand, if the capacitance is too large, the capacitor becomes too large when using a ceramic capacitor with good high frequency characteristics, which is not practical.
[0016]
The processing chamber is normally grounded, but the processing chamber may be floated from the ground in a direct current manner. That is, a capacitor may be inserted between the processing chamber and the ground, and in that case, the capacitance of the capacitor may be controlled to adjust the potential of the processing chamber.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram of an example of a plasma CVD apparatus used in the present invention, and a portion of a processing chamber shows a front sectional view. A
[0018]
First, the
[0019]
Next, returning to FIG. 1, the structure of the
[0020]
Next, the
[0021]
In order to exhaust the
[0022]
Next, a mechanism for applying bias power to the substrate will be described. The
[0023]
Next, the magnetic field generation mechanism will be described. Around the
[0024]
The
[0025]
When such a multicusp
[0026]
Next, a plasma generator will be described. The plasma generator is for generating plasma inside the
[0027]
Next, a cooling mechanism for the plasma generating electrode will be described. In this embodiment, the
[0028]
Since the plasma generating electrode is in direct contact with the plasma, the surface may be etched by the plasma. According to experiments, when the plasma generating electrode is water-cooled, this etching can be suppressed and the life of the plasma generating electrode can be extended. When not cooled by water, the rate of decrease in the diameter of the plasma generating electrode was 0.1 mm per hour, but when cooled by water, it was 0.01 mm per hour. When the plasma generating electrode is etched, it may be mixed into the film on the substrate and become an impurity. However, the amount of etching can be reduced by cooling with water.
[0029]
FIG. 4 is a perspective view in which a part of an insulating ring provided between the introduction terminal of the plasma generating electrode and the processing chamber is cut. The insulating
[0030]
Returning to FIG. 1, one
[0031]
Next, the
[0032]
When plasma is generated in the processing chamber, a DC bias voltage is induced in the
[0033]
By the way, the effect of the above-mentioned sputtering can be used conversely. For example, when a film is deposited on the substrate, the film may be deposited on the plasma generating electrode. In such a case, the capacitance of the capacitor is increased appropriately so that only the deposited film on the plasma generating electrode is deposited. Capacitor capacity can be searched for such that the plasma generating electrode itself is not sputtered.
[0034]
FIG. 10 shows still another example of the ground coupling mechanism. In the
[0035]
By the way, in FIG. 1, when the
[0036]
Next, a first embodiment for producing a titanium nitride thin film using the plasma CVD apparatus of FIG. 1 will be described. 1 and 2, titanium tetrachloride supplied from the container 1a is 20 milliliters per minute, hydrogen gas from the container 1b is 200 milliliters per minute, nitrogen gas from the container 1c is 20 milliliters per minute, and from the
[0037]
Under such conditions, when a thin film was deposited on an 8-inch silicon wafer with (100) crystal orientation, a film mainly composed of titanium nitride was deposited at a deposition rate of about 60 nm per minute. The in-plane film thickness distribution of this film was ± 10% or less. Further, when a film was embedded in a hole having a hole diameter of 0.45 μm and a depth of 1 μm, a titanium nitride thin film could be formed with good coverage on the bottom and side walls of the hole. When the crystal orientation of the deposited titanium nitride thin film was examined by X-ray diffraction, the main peak was of (111) orientation. Further, when the resistivity of the film was measured by the four-probe method, a low value of 36 μΩcm was obtained, and the chlorine content in the film was also as small as about 0.1 atomic%, and a very good quality titanium nitride thin film was obtained. Obtained.
[0038]
FIG. 6 is a graph of an X-ray diffraction pattern showing the crystal orientation of the titanium nitride thin film prepared under the above-described conditions (high-frequency power supplied to the plasma generating electrode is 3 kW). The horizontal axis is the diffraction angle (2θ) by X-ray diffraction, and the vertical axis is the diffraction intensity. This graph shows the change of the diffraction pattern when the high frequency power applied to the substrate holder is changed. As can be seen from this graph, when a DC bias power of 120 W is applied to the base holder to make the bias voltage positive, and when the bias power is 0 W, the diffraction peak of (200) and the diffraction of (111) There is almost no difference in diffraction intensity between the peaks. On the other hand, when the high-frequency bias power is set to 100 W (the substrate has a negative bias voltage), the intensity of the diffraction peak of (111) becomes slightly larger. When the high-frequency bias power is set to 200 W, the intensity of the (111) diffraction peak is further increased. When the high frequency bias power is set to 300 W, the intensity of the (111) peak further increases and the intensity of the (200) peak significantly decreases. When the high frequency bias power is set to 700 W, the intensity of the (111) peak becomes very large, and the (200) peak is hardly observed. Thus, as the high frequency bias power applied to the substrate holder increases, the obtained titanium nitride thin film is strongly oriented to (111). In FIG. 6, the observed (111) peak is slightly shifted to the lower angle side with respect to the known (111) peak diffraction angle of titanium nitride because of the influence of the film stress ( 111) is presumed to be slightly larger than the standard value.
[0039]
FIG. 13 relates to the graph of FIG. 6, in the region where the high frequency bias power is relatively small, the diffraction intensity “I (100)” of the (111) peak with respect to the diffraction intensity “I (200)” of the (200) peak. The ratio (hereinafter referred to as the diffraction intensity ratio) is measured by changing the high frequency bias power. When the bias power was 0 W, it was observed that the diffraction intensity ratio was slightly less than 1. That is, the diffraction intensity of the (200) peak is slightly higher than the diffraction intensity of the (111) peak. When the bias power is 100 W, the diffraction intensity ratio clearly exceeds 1, and the (111) orientation is dominant. When the bias power is 200 W, the diffraction intensity ratio further increases. From this graph, it can be seen that the high frequency bias power for the substrate should be 100 W or more under the condition that 3 kW of high frequency power is applied to the plasma generating electrode in order to make the (111) orientation predominate even slightly. Note that when the high frequency power applied to the plasma generating electrode is changed to 2 kW, the high frequency bias power at which the (111) orientation starts to prevail changes (shifts to the lower bias power side than in the case of FIG. 6). That is, the lower limit value of the high-frequency bias power that the (111) orientation starts to become dominant varies depending on the value of the high-frequency power applied to the plasma generating electrode. Although there is such a variation, the (111) orientation becomes predominant when the high-frequency bias power is set to 100 W or more.
[0040]
Next, a second embodiment will be described. In this second embodiment, the temperature of the substrate was set at a lower temperature of 350 ° C. The other conditions are the same as the film forming conditions in the first embodiment. In this case, the deposition rate, in-plane film thickness distribution, hole coverage, and (111) orientation were the same as those of the titanium nitride thin film obtained in the first example. The resistivity of the film was about 40 μΩcm, and the chlorine content in the film was about 0.2 atomic%. Thus, a good titanium nitride thin film was obtained even when the substrate temperature was lowered to 350 ° C.
[0041]
In FIG. 1, the material of the
[0042]
As shown in FIG. 5, when a multicusp magnetic field is formed in the vicinity of the inner wall surface of the processing chamber, relatively uniform plasma can be maintained at the center of the processing chamber that is about 5 cm or more away from the inner wall surface of the processing chamber. In order to form a large substrate with good uniformity (thickness distribution, film quality distribution, and uniformity of bottom coverage), it is very useful to form this multicusp magnetic field. In particular, when used in combination with a substrate bias power supply source, a good bottom coverage can be obtained with good uniformity and a further effect can be obtained. By forming this multicusp magnetic field, the thickness distribution of the titanium nitride thin film is improved.
[0043]
In the example of the apparatus shown in FIG. 1, the
[0044]
FIG. 7 is a block diagram showing the main part of another example of the plasma CVD apparatus used in the present invention. In this example, the
[0045]
As a combination of source gases, argon gas can be omitted from the above-described embodiments. For example, a titanium nitride thin film can be similarly produced by flowing titanium tetrachloride at a flow rate of 30 ml / min, hydrogen gas at 300 ml / min, and nitrogen gas at a flow rate of 60 ml / min.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, when a titanium nitride thin film is produced by plasma CVD, high-frequency power is supplied to one of two terminals of a plasma generating electrode in the processing chamber and the other terminal is grounded via a capacitor. To the substrate. Within the range of about 100W to 3000W By applying a high frequency bias power, a titanium nitride thin film having a (111) crystal orientation can be deposited on the substrate. This titanium nitride thin film has a good film quality with a low resistivity and a low chlorine content, and can be used as a diffusion preventing film and an adhesion film for metal wiring of a semiconductor integrated circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an example of a plasma CVD apparatus for carrying out the method of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a gas introduction mechanism.
FIG. 3 is a plan view of a plasma generating electrode.
FIG. 4 is a perspective view in which a part of the insulating ring is cut.
5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 of FIG.
FIG. 6 is a graph of an X-ray diffraction pattern showing the substrate bias power dependence of the crystal orientation of a titanium nitride thin film.
FIG. 7 is a block diagram showing the main part of another example of the plasma CVD apparatus used in the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a modified example of the ground coupling mechanism.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the capacitance of a capacitor and the DC bias voltage of a plasma generating electrode.
FIG. 10 is a configuration diagram showing another modification of the ground coupling mechanism.
FIG. 11 is a perspective view showing a modified example of the plasma generating electrode.
FIG. 12 is a perspective view showing another modified example of the plasma generating electrode.
FIG. 13 is a graph showing the high frequency bias power dependency of the diffraction intensity ratio of a titanium nitride thin film.
[Explanation of symbols]
10 Gas introduction mechanism
20 treatment room
21 Base
25 Base holder
30 Exhaust mechanism
50 Power supply source
52 High frequency power supply
61 Plasma generating electrode
62, 63 Introduction terminal
80 Ground coupling mechanism
81 capacitors
90 Bias power supply
92 High frequency power supply for bias
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