JP4198669B2

JP4198669B2 - ＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法

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Publication number: JP4198669B2
Application number: JP2004328116A
Authority: JP
Inventors: 秀樹吉川; 保男小林; 国弘多田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2017-07-16
Also published as: JP2005054274A

Description

本発明は、半導体装置において例えばコンタクトメタルまたはアドヒージョンとして用いられるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法に関し、特にホールが形成された層間絶縁膜またはホールが形成された絶縁膜にＴｉ膜を成膜するＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法に関する。

半導体デバイスの製造においては、最近の高密度化および高集積化の要請に対応して、回路構成を多層配線構造にする傾向にあり、このため、下層の半導体デバイスと上層の配線層との接続部であるコンタクトホールや、上下の配線層同士の接続部であるビアホールなどの層間の電気的接続のための埋め込み技術が重要になっている。

上記技術のうちコンタクトホールやビアホールの埋め込みには、一般的にＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）、あるいはこれらを主体とする合金が用いられるが、このような金属や合金が下層のＳｉ（シリコン）基板やＡｌ配線と直接接触すると、これらの境界部分においてＡｌの吸い上げ効果等に起因して両金属の合金が形成されるおそれがある。このようにして形成される合金は抵抗値が大きく、このような合金が形成されることは近時デバイスに要求されている省電力化および高速動作の観点から好ましくない。

また、ＷまたはＷ合金をコンタクトホールの埋め込み層として用いる場合には、埋め込み層の形成に用いるＷＦ_６ガスがＳｉ基板に侵入して電気的特性等を劣化させる傾向となり、やはり好ましくない結果をもたらす。

そこで、これらの不都合を防止するために、コンタクトホールやビアホールに埋め込み層を形成する前に、これらの内壁にバリア層を形成し、その上から埋め込み層を形成することが行われている。この場合のバリア層としては、Ｔｉ（チタン）膜およびＴｉＮ（窒化チタン）膜の２層構造のものを用いるのが一般的である。

従来、このようなバリア層は、物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近のようにデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなって、それにともなって線幅やホールの開口径が一層小さくなり、しかも高アスペクト比化されるにつれ、ＰＶＤ膜では電気抵抗が増加し、要求に対応することが困難となってきた。

そこで、バリア層を構成するＴｉ膜およびＴｉＮ膜を、より良質の膜を形成することが期待できる化学的蒸着（ＣＶＤ）で成膜することが行われている。そして、ＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ_４（四塩化チタン）およびＨ_２（水素）が用いられ、ＴｉＮ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ_４とＮＨ_３（アンモニア）またはＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）とが用いられる。

ところで、近年益々デバイスの微細化が進み、ＳｉＯｘ絶縁膜に形成されるコンタクトホールやビアホールが高アスペクト比されているため、従来のＴｉＣｌ_４およびＨ_２のガス系ではＣＶＤ−Ｔｉ膜を１００％以上の高ステップカバレージでホール部位に形成することが困難となっている。

一方、ブランケットプロセスの場合には、ＳｉおよびＳｉＯ_２膜のいずれにおいてもより低温でかつ高成膜速度でＴｉ膜を成膜することが要求されるが、この場合にも従来のプロセスでは必ずしも十分に要求が満足されていないのが実状である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高ステップカバレージを要求される用途、ならびに絶縁膜およびホール部位のいずれも高成膜速度で成膜することが要求される用途のいずれにも対応することができるＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するためのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ _４ガス、Ｈ _２ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置を用い、Ｓｉ基板上に直接またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有するＳｉＯ _２からなる層間絶縁膜、またはホールを有するＳｉＯ _２からなる絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
Ｓｉ基板の温度を所定の温度に設定する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ _４ガス、Ｈ _２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、前記層間絶縁膜または絶縁膜上、および前記ホール内にＴｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
基板温度を５００℃以上、投入する高周波電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：１００〜１：３００、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１の条件で、前記層間絶縁膜または絶縁膜上にＴｉ膜を成膜する第１の処理と、
基板温度を３５０〜５５０℃、投入する高周波電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の条件で、前記層間絶縁膜または絶縁膜上にＴｉ膜を成膜する第２の処理とを、
選択的に実施することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を提供する。

本発明においては、ＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するにあたり、従来のＴｉＣｌ_４ガスおよびＨ_２ガスに加えてＡｒガスを用い、これらのガスのプラズマを生成させる。Ａｒガスは、プラズマ生成の際に、成膜ガスであるＴｉＣｌ_４ガスに対して、Ｈ_２ガスとは異なる作用を及ぼす。すなわち、図１に示すように、Ｈイオンは、ＴｉＣｌ_４をＴｉＣｌ_３＋ＨＣｌに分解する作用、およびＴｉＣｌ_３からＴｉ膜またはＴｉＳｉ膜が形成された後にＨＣｌを生成する作用を有しており、一方、ＡｒイオンはＴｉＣｌ_４をＴｉＣｌ_２＋Ｃｌ_２に分解する作用およびＴｉＣｌ_２をＴｉ＋Ｃｌ_２に分解する作用を有している。したがって、Ａｒイオンの存在により成膜に寄与する成分が増加し、成膜レートを上昇させることができるともに、ＡｒガスおよびＨ_２ガスの比率、およびこれらのＴｉＣｌ_４ガスに対する比率、成膜温度、チャンバー内圧力、ならびにプラズマを形成する際の投入電力を調整することにより、成膜速度および成膜の際の選択比を調節することができる。

本発明においては、このような条件を調整することにより、前記絶縁膜に対して低成膜速度でＴｉ膜を成膜する処理と、前記絶縁膜に対して高成膜速度でＴｉ膜を成膜する処理とを選択的に実施する。

この場合に、以下の反応が優勢であれば絶縁膜に対して低成膜速度でＴｉ膜を成膜して、例えばホール底への成膜の選択比を高くすることができる。
ＴｉＣｌ_４＋２Ｈ_２＋Ｓｉ_２→ＴｉＳｉ_２＋４ＨＣｌ
このような反応を有効に生じさせるためには、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ_２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜することが好ましい。

具体的には、基板温度を５００℃以上、投入する高周波電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との比を１：１００〜１：３００、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることにより、このような反応を優勢にすることが可能となる。

また、以下の反応が優勢であれば、絶縁膜に対して高成膜速度でＴｉ膜を成膜することができ、しかも低温で成膜することができ、ブランケットプロセスに適したものとなる。
ＴｉＣｌ_４＋Ｈ_２→Ｔｉ＋２Ｃｌ_２＋Ｈ_２または
ＴｉＣｌ_４＋Ｈ_２→Ｔｉ＋Ｃｌ_２＋２ＨＣｌ
具体的には、基板温度を３５０〜５５０℃、投入する高周波電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることにより、このような反応を優勢にすることが可能となる。

本発明によれば、Ｓｉ基板上に直接またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有するＳｉＯ _２からなる層間絶縁膜、またはホールを有するＳｉＯ _２からなる絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜するにあたり、従来のＴｉＣｌ_４ガスおよびＨ_２ガスに加えてＡｒガスを用い、これらのガスのプラズマを生成させてＴｉ膜の成膜を行うので、Ａｒイオンの存在により成膜に寄与する成分が増加し、成膜レートを上昇させることができるともに、ＡｒガスおよびＨ_２ガスの比率、およびこれらのＴｉＣｌ_４ガスに対する比率、成膜温度、チャンバー内圧力、ならびにプラズマを形成する際の投入電力を調整することにより、成膜速度および成膜の際の選択比を調節することができる。したがって、これら条件を調整することにより、上記層間絶縁膜または絶縁膜に低成膜速度でＴｉ膜を成膜する第１の処理と、上記層間絶縁膜または絶縁膜に高成膜速度でＴｉ膜を成膜する第２の処理とを選択的に実施することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図２は、本発明の実施に用いられるＴｉ成膜装置の一例を示す断面図である。この成膜装置は、気密に構成された略円筒状のチャンバー１を有しており、その中には被処理体であるＳｉウエハＷを水平に支持するためのサセプター２がその中央を昇降可能な円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。また、サセプター２にはヒーター４が埋め込まれており、このヒーター４は図示しない電源から給電されることにより被処理体であるＳｉウエハＷを所定の温度に加熱する。

チャンバー１の上端部分には、シャワーヘッド１０がサセプター２に支持された半導体ウエハＷと対向するように設けられており、そのウエハＷと対向する下面には多数のガス吐出孔１０ａが形成されている。シャワーヘッド１０の内部には空間１１が形成されており、その中に多数の孔が形成された分散板１２が水平に設けられている。シャワーヘッド１０の上部には、その中にガスを導入するガス導入口１３が形成されており、このガス導入口１３にはガス供給管１５が接続されている。

ガス供給管１５には、Ｈ_２ガス源１６、Ａｒガス源１７、ＴｉＣｌ_４ガス源１８が接続されており、これらガス源から各ガスがガス供給管１５およびシャワーヘッド１０を通ってチャンバー１内に供給され、ＳｉウエハＷにＴｉ膜が成膜される。なお、各ガス源に接続される配管には、いずれもバルブ１９およびマスフローコントローラー２０が設けられている。

シャワーヘッド１０にはマッチング回路２２を介して高周波電源２３が接続されており、この高周波電源２３からシャワーヘッド１０に高周波電力が印加され得るようになっている。この高周波電力により、チャンバー１内に成膜ガスのプラズマが形成される。なお、シャワーヘッド１０とチャンバー１との間は、絶縁部材１４により電気的に絶縁されており、チャンバー１は接地されている。

チャンバー１の底壁には、排気ポート８が設けられており、この排気ポート８にはチャンバー１内を排気するための排気系９が接続されている。また、チャンバー１の側壁下部にはウエハＷの搬入出口２４が設けられており、この搬入出口２４はゲートバルブ２５により開閉可能となっている。ウエハＷの搬入出はサセプタ２を下降させた状態で行われる。

このような成膜装置により、Ｔｉ膜を成膜するためには、ゲートバルブ２５を開にしてチャンバー１内にＳｉウエハＷを装入してサセプタ２上に載置し、ヒーター４によりＳｉウエハＷを加熱しながら排気系９の真空ポンプにより真空引きして高真空状態にし、引き続き、ＴｉＣｌ_４ガス、Ｈ_２ガス、ＡｒガスＮ_２ガスを導入するとともに、高周波電源２３から高周波電力を印加することによりプラズマを生成させる。

ここで、Ｔｉ膜を形成する対象としては、図３の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４１上に絶縁膜としてＳｉＯ_２膜４２が形成され、そこにコンタクトホール４３が形成されたもの、および図３の（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板４１に形成されたポリＳｉ膜４４の上に層間絶縁膜としてＳｉＯ_２膜４５が形成され、そこにビアホール４６が形成されたものが例示される。

このようなコンタクトホール４３の底部またはビアホール４６の底部に１００％以上の高ステップカバレージでＴｉ膜を成膜する必要がある場合には、ＳｉＯ_２に対するＳｉのＴｉ膜成膜の際の選択比が高くなる条件で成膜を行う。すなわち、ＳｉＯ_２膜におけるＴｉ膜の成膜速度よりも、ホール内のＳｉにおけるＴｉの成膜速度を十分に大きくする。これにより、ホールの入口に堆積するＴｉ膜を少なくし、ホール内にＴｉ膜を１００％を超えるステップカバレージで成膜することができる。

この場合に、以下の反応が優勢であれば選択比を高くすることができる。
ＴｉＣｌ_４＋２Ｈ_２＋Ｓｉ_２→ＴｉＳｉ_２＋４ＨＣｌ
このような反応を有効に生じさせるためには、プラズマの状態をプラズマ分光法で測定した際に、ＴｉおよびＣｌ_２の発光分光が実質的に存在しない条件で成膜すればよい。

この際の条件としては、ウエハ温度を５００℃以上、好ましくは５５０℃以上、高周波電源への投入電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、また、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との比を１：１００〜１：３００、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１とすることが好ましい。具体的なガス流量としては、Ｈ_２ガス流量：５００〜２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：５００〜１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ_４ガス流量：１０ｓｃｃｍが好ましい。

一例として、ウエハ温度：５８０℃、チャンバー内圧力：１．０Torr、高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）への投入電力：２００Ｗ、Ｈ_２ガス流量：１０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ_４ガス流量：１０ｓｃｃｍの条件でＴｉの成膜を行った結果、図４に示すような選択比の高い成膜を行うことができた。その際の成膜状態を図５のＳＥＭ写真で示す。この写真で示すように、ホールの中に高ステップカバレージでＴｉ膜が形成されているのがわかる。

一方、ＳｉＯ_２膜およびホールの中のＳｉに同程度の成膜速度でＴｉ膜を成膜する必要がある場合にも、上記条件を調整することにより達成することができる。この場合に、Ａｒガスの存在により高成膜速度でかつ低温で成膜することができ、ブランケットプロセスに適したものとなる。このような成膜は、以下の反応を優勢にすることにより可能となる。
ＴｉＣｌ_４＋Ｈ_２→Ｔｉ＋２Ｃｌ_２＋Ｈ_２または
ＴｉＣｌ_４＋Ｈ_２→Ｔｉ＋Ｃｌ_２＋２ＨＣｌ

この際の条件としては、ウエハ温度を３５０〜５５０℃、投入電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、また、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との比を１：３００〜１：４５０であり、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２とすることが好ましい。具体的なガス流量としては、Ｈ_２ガス流量：１０００〜３５００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：１０００〜２０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ_４ガス流量：１０ｓｃｃｍが好ましい。

一例として、ウエハ温度：５５０℃、チャンバー内圧力：１．０Torr、高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）への投入電力：５００Ｗ、Ｈ_２ガス流量：２０００ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量：１０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ_４ガス流量：１０ｓｃｃｍの条件でＴｉの成膜を行った結果、図６に示すようにＳｉＯ_２膜およびホールの中のＳｉに同程度の高成膜速度で成膜を行うことができた。その際の成膜状態を図７のＳＥＭ写真で示す。この写真で示すように、ホールの外側、側面および底部に同程度の厚さのＴｉ膜が形成されているのがわかる。

以上のように、チャンバー１内にＴｉＣｌ_４ガスおよびＨ_２ガスに加えて、Ａｒガスを導入し、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比、ウエハ温度、チャンバー内圧力および高周波電源への投入電力を調整することにより、Ｔｉ膜の選択比を制御することができるので、同一の装置でかつ同一のガス種で、ステップカバレージが要求されるプロセスおよびブランケットプロセスのいずれにも対応することが可能となる。

このようにしてＴｉ膜を成膜した後、ＴｉＣｌ_４ガス、Ａｒガス、ＮＨ_３ガス、ＭＭＨガスを導入してＴｉ膜の上にＴｉＮ膜を形成して２層構造のバリア層とし、その後、Ａｌ等の配線金属を成膜する。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、ＴｉＣｌ_４ガス、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスを用いたが、他のガスが含まれていてもよい。また、製造条件についても上記条件に限るものではなく、所望のＴｉ膜が形成されるよう適宜設定すればよい。

本発明において用いるガスのプラズマ中での反応を示す図。本発明に係るＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図。本発明が適用されるＳｉウエハを示す断面図。高選択比プロセスにおけるＴｉ膜の成膜時間と膜厚との関係をＳｉ上とＳｉＯ_２上とで比較して示す図。高選択比プロセスにおけるＴｉ膜の成膜状態を示す電子顕微鏡写真。ブランケットプロセスにおけるＴｉ膜の成膜時間と膜厚との関係をＳｉ上とＳｉＯ_２とで比較して示す図。ブランケットプロセスにおけるＴｉ膜の成膜状態を示す電子顕微鏡写真。

符号の説明

１……チャンバー
２……サセプタ
４……ヒーター
１０……シャワーヘッド
１３……プリクリーニング装置
１４……絶縁部材
１５……ガス配管
１６……Ｈ_２ガス源
１７……Ａｒガス源
１８……ＴｉＣｌ_４ガス源
２３……高周波電源
４１……Ｓｉ基板
４２，４５……ＳｉＯ_２膜
４４……ポリＳｉ膜
４３，４６……ホール
Ｗ……Ｓｉウエハ

Claims

チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持するためのサセプタと、前記サセプタに対向して設けられ、前記チャンバー内にＴｉＣｌ _４ガス、Ｈ _２ガス、Ａｒガスを吐出するためのシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドにこれらガスを供給するためのガス源と、前記サセプタ内に設けられたヒーターと、前記チャンバーに導入された前記ガスのプラズマを形成するための高周波電力を前記シャワーヘッドに供給する高周波電源とを有するプラズマ処理装置を用い、Ｓｉ基板上に直接またはその上のＳｉ膜上に形成された、ホールを有するＳｉＯ _２からなる層間絶縁膜、またはホールを有するＳｉＯ _２からなる絶縁膜にＣＶＤ−Ｔｉ膜を成膜する方法であって、
チャンバー内にＳｉ基板を装入する工程と、
Ｓｉ基板の温度を所定の温度に設定する工程と、
チャンバー内を所定の減圧雰囲気にする工程と、
チャンバー内にＴｉＣｌ _４ガス、Ｈ _２ガス、Ａｒガスを導入する工程と、
チャンバー内にプラズマを生成して、前記層間絶縁膜または絶縁膜上、および前記ホール内にＴｉ膜を成膜する工程と
を具備し、
基板温度を５００℃以上、投入する高周波電力を１００〜３００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：１００〜１：３００、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：１〜２：１の条件で、前記層間絶縁膜または絶縁膜上にＴｉ膜を成膜する第１の処理と、
基板温度を３５０〜５５０℃、投入する高周波電力を１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力を０．５〜３．０Torrに設定し、ＴｉＣｌ_４ガスと、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスの合計量との流量比を１：３００〜１：４５０、Ｈ_２ガスとＡｒガスの流量比を１：０．３〜１：２の条件で、前記層間絶縁膜または絶縁膜上にＴｉ膜を成膜する第２の処理とを、
選択的に実施することを特徴とするＣＶＤ−Ｔｉ膜の成膜方法。