JPH0293072A - 膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロ波を用いた電子サイクロトロン共鳴（
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　　Ｒｅ５ｏｎ
ａｎｃｅ）励起により発生させたプラズマを利用するＣ
ＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ）法による膜形成方法に関するものである。

〔従来技術〕

例えば、半導体素材のシリコン基板上にＩＣ（集積回路
）またはＬＳＩ（大規模集積回路）の電極配線となる膜
を形成させる方法としては従来、蒸着法スパッタリング
法、熱ＣＶＤ法、　ＲＦプラズマＣｖＤ法等があった。

蒸着法は金属または金属化合物を真空中で加熱蒸発させ
、蒸発源より基板上に蒸着成膜させる方法である。

スパンタリング法はＤＣまたはＲＦのグロー放電を用い
てＡｒ等の不活性ガスを金属または金属化合物にぶつけ
、その原子または分子をはじき出して基板上に付着させ
て膜を形成させる方法である。

熱ＣＶＯ法は、例えばＷＦ６．１ｃｆ３等の金属系ガス
を石英管からなる反応室内に送り込み、反応室内の高温
加熱された基板上で、分解、還元、酸化、置換等の気相
化学反応を行わせ、基板上に膜を形成させる方法である
。

またＲＦプラズマＣＶＤ法は、前記熱ＣＶＤ法が熱エネ
ルギを利用して気相化学反応を行わせていたのに対して
、ガス状の物質にＲＦ高周波を利用してプラズマを生ぜ
しめて気相化学反応により、成膜が行われる。第６図は
上記肝プラズマＣｖＤ法を実施するだめの装置の模式的
縦断面図である。反応室５内の試料台６に試料Ｓを装着
し、反応室５内を所要の真空度に設定した後、ガス供給
管２．３夫々を通じてｌＩ２及び−Ｆ、を反応室５内に
供給すると共に、反応室５の上部の電極と接続したＲＦ
電源ｌにより反応室５内にＲＦ高周波を印加することに
より発生するＲＦプラズマにより試料Ｓ上にタングステ
ンの膜が形成される。試料台６内には冷却用の冷却水通
路及び試料Ｓにバイアス電圧を印加するための電極（共
に図示しない）が埋設されており、通流路には冷却水供
給管？ａ、７ｂが接続されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した蒸着法、スパッタリング法、　
ＲＦプラズマＣｖＯ法により金属膜を形成させた場合、
蒸着法は、蒸着源の方向に対して影になる試料の部位に
は蒸着が起こらないため、また、スパッタリング法は、
スパッタされた粒子に指向性がないため、ＲＦプラズマ
ｃｖＤ法はプラズマに指向性がないために、基板上の凹
凸面に均一な厚さで膜が形成されず、段差被覆性が不良
である。

特に凹面の側壁部に膜が偏って形成され、その厚みで凹
面の底部が遮られるので、凹面底部の成膜不良が生し易
い。従って、上記の従来法を幅が１．５μｍ、深さがＩ
μｍ程度の微細な凹面を有する超ＬＳＩ等の電極配線、
コンタクト材料に通用することは困難である。

また、熱ＣＶＯ法は、成膜条件の調節を行って前記段差
被覆性を良好なものとするためには、精緻な温度制御が
必要となり、他の従来法と同様に超ＬＳＩ等の配線材料
、コンタクト材料の成膜法として実用化することは困難
である。

本発明は、このような課題を解決するためになされたも
のであり、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いて超ＬＳＩ
等の基板の微細な凹凸面に段差被覆性。

電気伝導性の良好な膜を形成させ、しかも長時間連続的
に成膜の操業を行える膜形成方法を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、基板上の凹面の側壁部及び底部に均一な厚
さの膜を形成させ、良好な段差被覆を得るためには、膜
の原料となる金属または金属化合物の発散方向に指向性
があるものと指向性がないものの両方が必要であると考
え、このような発散方向の要件を満足させる手段として
ＥＣＲプラズマＣνＤ装置を適用し、該装置に所要のガ
スを供給してＷ、Ｍｏ、へｆｆｉ、Ｔｉ、Ｔａ等の金属
またはｗＳｉ系、　Ｔｉ−Ｎ系等の金属化合物膜を基板
上に形成させた結果、基板上の段差被覆性が良好である
ことを知見した。

これはＥＣＲプラズマＣｖＤ装置のプラズマ生成室で発
生ずるプラズマは反応室の試料の方向へ強い山間性をも
って発散するため、このプラズマの発散方向に基板上の
凹面の底部を位置させることにより、底部にも均一な厚
さの膜を形成させることがでるからである。一方、凹面
の側壁部は前記プラズマ生成室でプラズマと同時に発生
するラジカルによって成膜される。ラジカルは電気的に
中性で反応性に冨み、発散方向に指向性がないので、前
記側壁部の成膜に適している。

また、本発明者は、基板にＲＦ高周波を印加して上述の
膜形成方法を行うと段差被覆性が更に向上すること、基
板を所定温度にして上述の膜形成方法を行うと、形成さ
れる膜の結晶化が促進され、電気伝導性が向上すること
、プラズマ生成室にマイクロ波を導入するマイクロ波導
入窓にＲＦ高周波を印加すると、本発明の膜形成を長時
間にわたり行った場合に前記マイクロ波導入窓３の内側
表面に膜が堆積しにくいということを知見した。

本発明は、上記の知見をもとになされたものであり請求
項１記載の発明の膜形成方法においては、プラズマ生成
室にマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴励起
によりプラズマを生成させ、生成したプラズマを試料室
に導入して試料表面に膜を形成させる方法において、前
記プラズマ生成室または試料室に、金属系ガス、または
金属系ガス及び金属水素化ガスもしくは水素ガス、また
は金属系ガス、金属水素化ガス及び水素ガスを導入する
ことを特徴とする 請求項２記載の発明の膜形成方法においては、請求項１
記載の膜形成方法において、試料にＲＦ高周波を印加す
ることを特徴とする 請求項３記載の発明の膜形成方法においては、請求項１
または請求項２記載の膜形成方法において、試料温度を
２００℃以上６００℃以下にすることを特徴とする 請求項４記載の発明の膜形成方法においては、請求項１
．請求項２または請求項３記載の膜形成方法において、
前記マイクロ波をプラズマ生成室に導入するマイクロ波
導入窓にＲＦ高周波を印加することを特徴とする。

〔作用〕

請求項１の発明の膜形成方法にあっては、プラズマ生成
室にマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴励起
によりプラズマを生成させ、生成させたプラズマを試料
室に導入すると共に、金属系ガス、または金属系ガス及
び金属水素化ガスもしくは水素ガス、または金属系ガス
、金属水素化ガス及び水素ガスを導入する。導入した金
属系ガス等は前記電子サイクロトロン共鳴励起による強
い指向性を持つプラズマ及び指向性を持たないラジカル
として試料上に投射される。これにより超ＬＳＩ等の基
板上の微細な凹凸面でも段差被覆性の良好な膜が形成さ
れる。

請求項２の発明のｎり形成方法にあっては、請求項１の
膜形成方法において、試料にｌ？Ｆ高周波を印加すると
試料にバイアス電圧がかかり、前記凹凸面が更に微細な
場合でも段差被覆性の良好な膜が形成される。

請求項３の発明の膜形成方法にあっては、請求項１また
は請求項２の膜形成方法において、試料温度を２００’
Ｃ以上、６００℃以下にすると形成される膜の結晶化が
促進され、膜の電気伝導性が良好となる。

請求項４の発明の膜形成方法にあっては、請求項Ｉ、請
求項２または請求項３の膜形成方法において、プラズマ
生成室にマイクロ波を導入するマイクロ波導入窓にＲＦ
高周波を印加すると、本発明による膜形成を長時間行っ
た場合でも、前記マイクロ波導入窓３の内側表面に膜の
堆積が起こりにくく、本発明の膜形成の操業を長時間連
続的に行うことが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。第１図は本発明法を実施するために用いるＥＣ
Ｒプラズマ装置の模式的継断面図である。

プラズマ生成室５は中空円筒形をなし、マイクロ波に対
して空洞共振器を構成するように形成されており、上部
壁中央にはマイクロ波導入窓３を備えている。該マイク
ロ波導入窓３にはマイクロ波導波管２の一端部が連結さ
れている。該導波管２の他端部はマイクロ波発振器１に
接続され、マイクロ波発振器ｌで発せられたマイクロ波
をマイクロ波導入窓３を経てプラズマ生成室５内に導入
するようにしである。また、プラズマ生成室５内にはガ
ス供給管４により所定のガスが供給されるようになって
いる。更にプラズマ生成室５の周囲にはプラズマ生成室
５及びこれに連結されたマ・イクロ波導波管２の一端部
にわたってこれらと同心状に励磁コイル６が周設せしめ
られている。

励磁コイル６は図示しない直流電源に接続されており、
直流電流の通流によって、プラズマ生成室５内にマイク
ロ波の導入によりプラズマを生成し得るよう磁界を形成
すると共に、試料室７側に向けて磁束密度が低くなる発
散磁界を形成し、プラズマ生成室５内で生成されたプラ
ズマを試料室７内に導入せしめるようになっている。

試料室７は中空の直方体に形成され、ガス供給管８から
所定のガスが供給されるようになっている。またプラズ
マ導入窓３と対向する側壁には図示しない排気装置に連
なる排気口１ｏを開口してあり、また試料室７の内部に
は前記プラズマ導入窓３と対向させて試料台９が配設さ
れ、この試料台９の上面に前記プラズマ導入窓３と対向
させて試料Ｓが着脱可能に装着される。

上述の如きＥＣＲプラズマ装置において、プラズマ生成
室５及び試料室７を所要の真空度に設定した後、ガス供
給管４または８を通じて計ガス及び必要に応じて膜形成
を促進させるためのＨｚガスをプラズマ生成室５内また
は試料室７に、またガス供給管４または８を通じてＷＦ
７．　ＭｏＦ、　、八１（Ｃ１ｌｉ）３等の金属系ガス
を、プラズマ生成室５または試料室７内に供給し、励磁
コイル６に直流電流を通流すると共に、マイクロ波導波
管２、マイクロ波導入窓３をｉｌｌ：てマイクロ波をプ
ラズマ生成室５内に導入する。プラズマ生成室５内に導
入されたマイクロ波はプラズマ空洞共振状態として機能
するプラズマ生成室５内で共振状態となり、プラズマ生
成室５または試料室７内に供給したＡｒ。

Ｈｚガスを分解し、共鳴励起してプラズマを生成せしめ
る。生成されたプラズマが励磁コイル６にて形成される
発散磁界によって試料室７内に導入されると、前記金属
系ガスは試料Ｓ表面に投射され、金属膜が形成される。

なお、前記ガス供給管８より供給するガスは上述の金属
系ガスのみに限らない。例えば畦、と水素化シリコンガ
スＳ　ｉ　ｔｌ　４　、　Ｓ　ｉ　ｚ　ＩＩ　６とを供
給するとＷ−Ｓｔ系のシリサイド金属化合物膜が、Ｔｉ
系の金属系ガスとＮ２ガスとを供給するとＴｉ−Ｎ系の
金属ナイトライド膜が形成される。その他にも必要に応
じて供給する金属系ガスまたは金属水素化ガス等を選択
して所要の膜形成を行うことができる。これらのガスに
より、金属膜はたは金属化合物膜が形成される反応式を
例示すると次のとおりである。

ｔｌＦ６　　　　　→　Ｗ＋３Ｆｇ Ｍｏｂ、　　　　　−＋　　ＭＯ＋３Ｆ２−Ｆ、　＋３
１１□　　→　Ｗ＋６１１ＦＭＯＦ６　＋　３１１２　
　　　　→Ｍｏ　＋　６１１ＦＷＦｂ＋２Ｓｉｌ１４　
　　→　ＷＳｉｚ　十６ＨＦ　十ＨｚＦＩＯＦｂ＋２Ｓ
ｉｌ１４　　→　Ｍｏ５ｉｚ　　＋６０Ｆ　　＋ｆｉｚ
２八ｆｆ１ｌ：＋　　＋３８ｚ　　→　　２Ａ　Ｅ　　
＋６）１ｃ　ｆ２Ａ／２　（Ｃ１１３）　３　　＋３８
ｚ　→　２ＡＡ士６ＣＨ４第２図は請求項２の発明を実
施するための装置を示す模式的縦断面図であり、図中１
〜１０は第１図と対応するものである。試料台９には試
料ＳにＲＦ高周波を印加するため、マツチングボックス
９ｂを介してＲＦ高周波発振器９ａが接続されている。

このＲＦ高周波発振器９ａにて試料Ｓに所定のＲＦ高周
波を印加して前述の膜形成方法を行うと、試料にかかる
バイアス電圧により試料Ｓ表面の凹凸面が更に微細な場
合でも前記段差被覆性の良好な成膜ができる。

また試料Ｓを所定のヒータ等で加熱し、試料Ｓの温度を
所定値、例えば２００〜６００℃に保つと形成される膜
の結晶化が促進され、膜の電気伝導性が良好なものとな
る。

第３図は蒸着法、スパッタ法、　ＲＦプラズマ法等の従
来法及び請求項１及び請求項２の本発明法により膜を形
成した基板断面の段差被覆性をＳＥＭ　（走査型電子顕
微鏡）により倍率１００００倍で観察した結果を以下に
示すａ　−ｃの基準で評価したものである。ａ　”−ｃ
の斜線部は成膜部であり、ａの如く基板の凹面の底部及
び側壁部及び凸面に均一な厚さで成膜されているものを
良好（０）、ｂの如くやや不均一な部分もあるが大旨均
−な厚さで成り’Ａがされているものを普通（Δ）、ｃ
の如く基板の凹凸面の角部及び凹面の側壁部に膜が偏っ
て形成され、凹面の底部に成膜がなされていないものを
不良（×）と評価する。基板上のひとつの凸面の幅（Ｌ
）とひとつの凹面の幅（Ｓ）とが同じ幅を持つパターン
において（Ｌ）、（Ｓ）の幅が５μｍ。

３μｍ、　１．５μｍ、　０．８μｍのものについて上
述の評価を行ったところ、蒸着法ではいずれも良好では
なく、スパッタ法では前記（Ｌ）、（Ｓ）の幅が３μｍ
以下、ＲＦプラズマＣｖＤ法では１．５μｌ以下になる
と良好なものが得られない。これに対して請求項Ｉの本
発明法では前記（Ｌ）、（Ｓ）の幅が１．５μｍでも良
好な段差被覆性が得られ、請求項２の本発明法では前記
（Ｌ）、　　（Ｓ）の幅が０．８μｍでも良好な段差被
覆性が得られ、サブミクロンの超ＬＳＩの配線にも対応
できることが確認された。

第４図は本発明においてＩＥＣＲプラズマＣνＤ装置に
４００Ｗのマイクロ波を導入し、基板温度を２００℃（
・）＋　４００″Ｃ（○）、　６００″Ｃ（Δ）とし、
供給する５ｉｌｌｓとＷＦ、のガス流量比を２５％ずつ
変化させて膜を形成した場合の比抵抗を示すグラフと、
これと同様にガス流量比を変化させて基板温度を４００
℃とした場合の成膜速度を示したグラフである。これに
よると、基板温度を４００℃または６００℃とし、ＷＦ
、のみ（Ｓｉ）Ｉ４／ＷＦ６＝０）を供給して形成した
膜の比抵抗はｌＸｌ０−’Ωｃｍを下回り、タングステ
ン個有の比抵抗に近い値を示した。従って、基板を６０
０℃を越える温度で加熱しても効果はない。また基板温
度が２００’Ｃ未満の場合には、形成された膜の結晶化
が起こらず、比抵抗が大きくなるので望ましくない。

また基板温度を４００℃とした場合の成膜速度をＷＦ６
のみを供給して成膜した場合が最低値であり、約１００
ＯＡ／ｍｉｎであった。第４図は、請求項３の発明の基
板温度を２００℃以上６００℃以下とすることの有効性
を示すと共に、本発明において試料室７内に供給する金
属系ガス、金属水素化ガス等の流量比を変化させること
によって、成膜速度、比抵抗等の成膜条件を調節できる
ことを示している。

ところで、本発明の膜形成方法を長時間にわたり行った
場合、マイクロ波導入窓の内側表面に試料に形成させる
のと同様の膜が形成され、マイクロ波の透過率が低下し
、試料表面への膜形成が充分に行えなくなることがある
。このような事態を防止すべく請求項４の発明では以下
の如く膜形成を行う。

第５図は請求項４の発明を実施するための装置を示す模
式的縦断面図であり、図中１〜１０は第１図と対応する
ものである。マイクロ波導波管２とマイクロ波導入窓３
との間には図示しない電極が部分的に介装されており、
該電極にはＲＩ’高周波発振器３ａとマツチングボック
ス３ｂとが接続されている。マイクロ波導入部を上述し
た如き構造とし、前記電極にＲＦ高周波を印加すると、
マイクロ波導入窓３の内側表面にスパッタリングが起こ
る。このスパッタ効果により、前記内側表面に膜が形成
されることが防止され、また該膜が既に生じている場合
はその膜が除去される。これにより本発明の膜形成方法
を長時間連続的に行った場合でも試料表面に段差被覆性
及び電気伝導性が良好な膜を形成させることができる。

（発明の効果〕 以上詳述した如く、請求項１の発明の膜形成方法は、超
ＬＳＩ等の基板上の微細な凹面の底部及び側壁部及び凸
面に均一な厚さで膜を形成することができ、段差被覆性
を極めて良好なものとすることができる。更に請求項２
の発明の膜形成方法を行うと、前記凹凸面が更に微細な
場合でも段差被覆性を極めて良好なものとすることがで
きる。

また、請求項３の発明の膜形成方法では形成される膜の
結晶化を促進させ、膜の電気伝導性を良好なものにする
。

更にまた、請求項４の発明の膜形成方法によると、請求
項１．請求項２または３の発明による膜形成方法を長時
間連続的に行った場合でも、段差被覆性及び電気伝導性
を良好に膜を形成させることができる等優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するために用いるＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ装置の模式的縦断面図、第２図は請求項２の発明
を実施するために用いる前記装置の模式的縦断面図、第
３図は本発明法及び従来法による膜の段差被覆性を調べ
た結果を示す図、第４図は本発明において５ｉ）Ｉｎ／
ＷＦ６ガス流量比及び基板温度を変化させて膜を形成し
た場合の成膜速度及び比抵抗を示したグラフ、第５図は
請求項４の発明を実施するために用いる前記装置の模式
的縦断面図、第６図は従来法のＲＦプラズマＣνＤ装置
の模式的縦断面図である。 ■・・・マイクロ波発振器　２・・・マイクロ波導波管
３・・・マイクロ波導入窓　４．８・・・ガス供給管５
・・・プラズマ生成室　６・・・励磁コイル　７・・・
試料室　９・・・試料台　ＩＯ・・・排気口　３ａ　、
　９ａ・・・ＲＦ高周波発振器　３ｂ、９ｂ・・・マツ
チングボックス特　許　出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマ生成室にマイクロ波を導入し、電子サイク
   ロトロン共鳴励起によりプラズマを生成させ、生成した
   プラズマを試料室に導入して試料表面に膜を形成させる
   方法において、前記プラズマ生成室または試料室に、金
   属系ガス、または金属系ガス及び金属水素化ガスもしく
   は水素ガス、または金属系ガス、金属水素化ガス及び水
   素ガスを導入することを特徴とする膜形成方法。 ２、請求項１記載の膜形成方法において、試料にＲＦ高
   周波を印加することを特徴とする膜形成方法。 ３、請求項１または請求項２記載の膜形成方法において
   、試料温度を２００℃以上６００℃以下にすることを特
   徴とする膜形成方法。 ４、請求項１、請求項２または請求項３記載の膜形成方
   法において、前記マイクロ波をプラズマ生成室に導入す
   るマイクロ波導入窓にＲＦ高周波を印加することを特徴
   とする膜形成方法。