JPH07273046A - 高融点金属層のｃｖｄ方法およびそのｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブランケットＣＶＤにより、Ｗ等高融点金属
層を接続孔内に埋め込む際のボイドを防ぎ、表面モホロ
ジを改善するＣＶＤ方法および装置を提供する。 【構成】 接続孔３を含む被処理基板上全面に１×１０
¹¹〜１×１０¹³／ｃｍ³の高密度プラズマＣＶＤ装置に
より、基板バイアスを印加しながら高融点金属層６を堆
積する。プラズマＣＶＤ前に、同一チャンバ内で希ガス
によるスパッタ前処理を施しＴｉ層４とＴｉＮ層５のオ
ーバーハング部分の形状修正を行ってから高融点金属層
６を堆積してもよい。 【効果】 ソースガスは反応性の高い活性種となるので
Ｗの成長核が均一に形成され、高アスペクト比の接続孔
内部でも成長速度が均一となり、ボイド発生は防止され
る。また表面マイグレーション効果を利用して平滑な表
面を形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置等の製造分野
で適用されるプラズマＣＶＤ方法および装置に関し、特
にたとえば高融点金属層により電極・配線等を形成する
プラズマＣＶＤ方法およびそのプラズマＣＶＤ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化、高
性能化が進展するに伴い、半導体チップ上では配線部分
が占有する面積の割合が増加する傾向にある。これによ
る半導体チップ面積の増大を避けるためには、多層配線
およびコンタクト電極による層間接続が必須のプロセス
となっている。従来、電極・配線形成方法としては、Ａ
ｌやＡｌ合金をスパッタリングにより形成することが広
く行われてきた。しかし、上述のように配線の多層化が
進展し、その結果として半導体基板の表面段差や接続孔
のアスペクト比の増大が顕著となりつつある状況下にお
いては、スパッタリングによる従来の方法ではステップ
カバリッジの不足による接続不良や断線が重大な問題と
なってきた。

【０００３】そこで近年、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ等の高融点金
属層やＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ等の金属を接続孔内に選択
的に成長させて埋め込む、各種の選択ＣＶＤが提案され
ている。この選択ＣＶＤは、金属ハロゲン化物や金属カ
ルボニル、有機金属化合物等のソースガスを、接続孔底
部に露出する下層配線材料により還元して、接続孔内に
構成金属を選択的に析出させるものである。しかし選択
ＣＶＤは、そのバッチ数を重ねると次第にその選択性が
劣化し、層間絶縁膜上等、不所望の部位にも析出する傾
向がある。また、ネイルヘッドと呼称される接続孔上の
過剰成長部分のエッチバック除去の制御性に乏しいこと
等の未解決の問題があり、未だ実用レベルに達していな
いのが現状である。

【０００４】かかる実情に鑑み、選択ＣＶＤに代わって
見直されつつあるのがブランケットＣＶＤによる電極・
配線形成方法である。ブランケットＣＶＤは、成長下地
面の化学的性質にさほど依存せず、下地上全面に選択性
無く析出するのでかかる名称が付けられる。一例とし
て、接続孔が開口された層間絶縁膜の全面を被覆して、
この接続孔を埋め込むようにＷ等の高融点金属層を平坦
に形成するプロセスが代表例である。なお、ブランケッ
トＣＶＤによるＷのコンタクトホール埋め込みに関して
一般的な解説記事が、例えば月間セミコンダクターワー
ルド誌（プレスジャーナル社刊）１９９０年１１月号２
２０ページに掲載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ブランケッ
トＣＶＤによるＷ等の高融点金属層はＳｉＯ₂ 等からな
る層間絶縁膜との密着性に乏しいことから、ＴｉやＴｉ
Ｎ等Ｔｉ系材料層による密着層を下地として形成し、こ
の上に高融点金属層を形成することが行われる。これら
密着層はバリアメタル層を兼ねる場合もある。密着層
は、スパッタリングにより形成するが、スパッタリング
による成膜ではアスペクト比の大きな接続孔内部に密着
層をコンフォーマルに被着することは困難である。この
ため、接続孔側面下部へは被着されない部分が生じた
り、逆に接続孔側面上部にはオーバーハング状に被着さ
れる。

【０００６】この密着層のステップカバリッジの不足に
より、上層に形成するブランケットＣＶＤ高融点金属層
のコンタクトプラグ内にボイドが発生する場合がある。
この問題を図６（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

【０００７】図６（ａ）〜（ｃ）は従来のブランケット
ＣＶＤにより、接続孔をＷで埋め込む際の問題点を示す
図である。まず図６（ａ）に示すように半導体基板１上
の層間絶縁膜２にアスペクト比の大きな接続孔３を開口
した被処理基板上に、ＴｉＮ層５をスパッタリングによ
り被着すると、図６（ｂ）に示すように層間絶縁膜５上
には均一な厚さで形成されるが、接続孔３側面下部へは
被着されない部分が生じたり、逆に接続孔３側面上部に
はオーバーハング状に被着される。この状態からブラン
ケットＣＶＤによりＷ等の高融点金属層６を堆積する。
代表的なブランケットＣＶＤ条件としては、まず、 ＷＦ₆ ２５ ｓｃｃｍ ＳｉＨ₄ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．１×１０⁴ Ｐａ 基板温度 ４７５ ℃ のＳｉＨ₄ 還元の条件で２０秒間、Ｗの成長核形成を行
う。この際ＳｉＨ₄ のみを単独でＣＶＤチャンバ内に先
出しし、成長面にＳｉＨ₄ を数アトミックレイヤ吸着さ
せておき、この後ＷＦ₆ を混合することによりＷの成長
核形成を良好に行う方法が採られる場合もある。この
後、 ＷＦ₆ ６０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ３６０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．１×１０⁴ Ｐａ 基板温度 ４７５ ℃ のＨ₂ 還元条件に切り替えてＷ層を堆積する。このと
き、図６（ｃ）に示すようにＴｉＮ層５のオーバーハン
グ形状にならって高融点金属層６が成長するのでボイド
７が発生する。接続孔３側面下部に層間絶縁膜２が一部
露出し、この露出面にはＷの核成長が起こりにくく、従
って高融点金属層６が成長しにくいこともボイド７の発
生を助長する。

【０００８】高融点金属層６はこの後コンタクトプラグ
形成のためにエッチバックされるが、このときボイド７
は露出されることとなり深い段差が発生する。これはボ
イド７上部に破線で示した高融点金属層６の成長面の継
ぎ目が、高融点金属層６の他の部分よりエッチングレー
トが大きいことも一因とされている。この後さらに上層
のＡｌ配線層をスパッタリング等で形成する際に段切れ
が発生し、多層配線構造の半導体装置の信頼性を損な
う。

【０００９】また、ブランケットＣＶＤによる高融点金
属層６の表面モホロジは一般的に良好ではなく、図６
（ｃ）に示すように凹凸を有する。これは高融点金属層
６は下地上の成長の核を起点として柱状結晶として成長
が進むためである。この表面モホロジはエッチバック後
もコンタクトプラグ表面や層間絶縁膜の表面に転写され
て残りがちであり、上層のＡｌ配線の表面モホロジにも
影響を与えるので、Ａｌ配線上に形成するレジスト層の
露光時の乱反射等の問題があらたに発生する。これらの
問題はいずれも、サブハーフミクロン級等の微細なデザ
インルールによる半導体装置にあっては、重大な欠陥に
つながる虞れがある。

【００１０】そこで本発明の課題は、高融点金属層のブ
ランケットＣＶＤ方法において、高アスペクト比の接続
孔へもボイドの発生なく埋め込むことのできる、ステッ
プカバリッジのよいＣＶＤ方法とそのＣＶＤ装置を提供
することである。

【００１１】また本発明の課題は、表面モホロジに優れ
平滑な表面を有する高融点金属層のＣＶＤ方法とそのＣ
ＶＤ装置を提供することである。

【００１２】また本発明の別の課題は、ブランケットＣ
ＶＤを用いた高融点金属層による電極・配線を有する、
信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することであ
る。本発明の上記以外の課題は、本明細書および添付図
面の説明により明らかにされる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の高融点金属層の
ＣＶＤ方法は、上述の課題を解決するために発案したも
のであり、被処理基板にＲＦバイアスを印加しつつ、プ
ラズマＣＶＤ法により高融点金属層を形成するものであ
る。このとき、１×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１×１０¹⁴／ｃ
ｍ³ 未満のプラズマ密度が得られるプラズマＣＶＤ装置
を用いて高融点金属層を形成することが望ましい。また
同一プラズマＣＶＤ装置のチャンバ内で被処理基板に希
ガスによるスパッタリング前処理を施した後、連続的に
高融点金属層を形成することが望ましい。

【００１４】また本発明の高融点金属層のＣＶＤ装置
は、１×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１×１０ ¹⁴／ｃｍ³ 未満の
プラズマ密度が得られるプラズマ発生源を有すととも
に、被処理基板へのＲＦバイアス印加機構を備えた構造
を有するものである。この様な高密度プラズマ発生源を
有するプラズマＣＶＤ装置としては、基板バイアス印加
型のＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ
Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰ（Ｉ
ｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍ
ａ）ＣＶＤ装置、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｃｅｆｏｒｍｅｒ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ装置、ヘリコン
波プラズマ（Ｈｅｌｉｃｏｎ Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍ
ａ）ＣＶＤ装置等を例示できる。これらプラズマ処理装
置は、１×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１×１０¹⁴／ｃｍ³ 未満
程度の高密度プラズマを発生しうるので、高効率のプラ
ズマＣＶＤを行うことができる利点がある。上記した各
高密度プラズマ処理装置についての技術的説明は、個々
の技術リポート等に詳述されているので省略するが、総
説として月間セミコンダクターワールド誌１９９２年１
０月号５９ページに掲載されている。

【００１５】

【作用】本発明のポイントは、高融点金属層のブランケ
ットＣＶＤのソースガスをプラズマ解離して活性種と
し、プラズマＣＶＤにより成膜することである。従来の
ブランケットＣＶＤは、前記した通り４００〜５００℃
の温度領域での純粋な熱分解反応に依存している。従っ
てソースガスであるＳｉＨ₄ やＷＦ₆ 等の成長面への吸
着確率がＷの成長核生成やデポジションレートを決定し
ている。このためＴｉＮ層等の密着層がオーバーハング
状に形成されると、高アスペクト比の接続孔内部へのソ
ースガスの拡散ならびに吸着量が減少し、成長核の形成
が不足する。このため接続孔内部での横方向への成長が
阻害され、ボイドが生じる結果となるのである。

【００１６】本発明では、ソースガスのプラズマ解離、
とりわけ高密度プラズマによる解離を利用してＷＦ_x や
ＳｉＨ_x 等の高エネルギのイオンやラジカルを含む活性
種を高効率に生成し、接続孔内部の成長面への移動度や
吸着確率ならびに反応性を高め、成長核の形成やデポジ
ションレートを均一なものとする。

【００１７】上記効果に加え、ブランケットＣＶＤの前
処理として、Ａｒ等の希ガスによるスパッタリングを施
すことによりＴｉ系密着層のオーバーハング形状を修正
し、同時に接続孔内部のドライ洗浄を施すことが可能と
なる。またブランケットＣＶＤ中においては、被処理基
板にＲＦバイアスを印加することにより成膜中の高融点
金属層のスパッタリングによるマイグレートを併用しつ
つ、オーバーハング形状を緩和してステップカバリッジ
を向上する。これらの処理を同一チャンバ内で連続的に
施すことが可能となるため、被処理基板のコンタミネー
ションは最小限に抑えられ、オーミック性の向上の効果
も達成されるのである。

【００１８】また同じく高融点金属層の成膜中にイオン
のスパッタリング効果により表面マイグレーションを誘
起するので表面モホロジの改善がなされ、平滑な高融点
金属層表面を得ることが可能となる。

【００１９】本発明の第２のポイントは、上記高融点金
属層のプラズマＣＶＤを施すプラズマＣＶＤ装置の構造
である。すなわち、１×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１×１０¹⁴
／ｃｍ³ 未満程度の高密度プラズマを発生でき、しかも
基板バイアスを印加しうるプラズマＣＶＤ装置を用いる
ことにより、ステップカバリッジに優れ、表面モホロジ
が改善された高融点金属層を形成するのである。

【００２０】ところで、従来より一般的に用いられてい
る平行平板型プラズマＣＶＤ装置は、プラズマ密度とし
て１×１０⁹ ／ｃｍ³ 台、磁界を併用する平行平板型マ
グネトロンＣＶＤ装置にあっても１×１０¹⁰／ｃｍ³ オ
ーダーのプラズマ密度であり、プラズマ密度やソースガ
スの解離効率の点でやや難点がある。しかし、基板バイ
アスを別途印加すれば本発明の趣旨に従って使用するこ
とは可能である。

【００２１】一方、プラズマ密度の上限については、エ
ッチングガス圧と密接な関連があり、本発明で用いる高
密度プラズマＣＶＤ装置の主たる動作圧力である１０^-1
Ｐａ〜１０⁰ Ｐａ台のガス圧力においては、１×１０¹⁴
／ｃｍ³ のプラズマ密度はほぼ完全解離に近い値であ
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき図面を参
照しながら説明する。

【００２３】実施例１ 本実施例は、Ｓｉ等の半導体基板に形成された不純物拡
散層に臨んで開口された接続孔を、基板バイアス印加型
ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置で成膜したＷで埋め込んだ例
である。最初に、本実施例で使用する基板バイアス印加
型ＥＣＲプラズマエッチング装置の概略構成例につき、
図２を参照して説明する。同装置において、マグネトロ
ン１５により発生する２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、
マイクロ波導波管１６と石英等からなるマイクロ波導入
窓１７を経由してプラズマ生成室１８に導入し、プラズ
マ生成室を周回して配設したソレノイド１９により励起
した０．０８７５Ｔの磁場との相互作用により、プラズ
マ生成室１８内にソースガスの高密度プラズマ１０を生
成する。被処理基板１１はヒータ等の基板加熱手段１３
を内蔵した基板ステージ１２上に載置する。なお１４は
基板バイアスを供給するＲＦバイアス電源、２０はプラ
ズマＣＶＤチャンバである。なおソースガス導入孔、真
空排気系他の細部は図示を省略する。

【００２４】次に、本発明のプラズマＣＶＤ方法の説明
を図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照して説明する。なお、
同図では図５で説明した部分と同様の箇所については同
じ参照番号を付し、その重複する説明は一部省略する。

【００２５】まず、一例として図１（ａ）に示すよう
に、予め不図示の不純物拡散層を形成したＳｉ等の半導
体基板１上に、ＳｉＯ₂ 等の層間絶縁膜２を形成し、不
純物拡散層に臨む接続孔３を開口する。なお、層間絶縁
膜２の厚さは例えば０．７μｍ、接続孔３の開口径は
０．３５μｍとする。

【００２６】次に全面に密着層およびバリアメタル層と
してのＴｉ層４およびＴｉＮ層５をこの順にスパッタリ
ングにより被着する。本実施例では接続孔３内部でのカ
バリッジ向上のため、スパッタリング粒子流をアライメ
ントするコリメータを内蔵したスパッタリング装置を用
いたが、図１（ｂ）に示すようにわずかにオーバーハン
グが認められた。なお、Ｔｉ層４およびＴｉＮ層５の厚
さは一例として各々３５ｎｍである。ここまで形成した
試料を被処理基板とする。

【００２７】この被処理基板を前記の基板バイアス印加
型ＥＣＲプラズマエッチング装置の基板ステージ１３上
にセッティングし下記条件によりＡｒによるスパッタリ
ング前処理を１５秒間行う。 Ａｒ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 基板温度 ３００ ℃ 本前処理工程では下地材料層表面の自然酸化膜等の除去
によるクリーニング効果と、接続孔３上部のＴｉ層４と
ＴｉＮ層５のオーバーハング部分をスパッタ除去し、オ
ーバーハング形状の修正効果が得られる。

【００２８】連続して下記条件によりＷの核形成を４５
秒間行う。 ＷＦ₆ ５ ｓｃｃｍ ＳｉＨ₄ ３ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．２ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ 基板温度 ３００ ℃ 本工程は低ガス圧力、無バイアスの処理条件であり、下
地層間絶縁膜２等がＦ ^* により浸食されることが防止さ
れる。このステップではＷの成長核が被処理基板上に均
一に形成され、次工程の高融点金属層成膜のカバリッジ
や膜質に影響を与える重要なステップである。なおこの
処理の前にＳｉＨ₄ のみを先にフローし、ＳｉＨ_x の吸
着層を被処理基板上全面に形成してもよい。

【００２９】続けて下記条件に切り替え、高融点金属層
のプラズマＣＶＤを９０秒間施す。 ＷＦ₆ ６０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ２００ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．０ Ｐａ マイクロ波パワー ２０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー １０ Ｗ 基板温度 ３００ ℃ 本工程はメインのプラズマＣＶＤ工程であり、イオンに
よるスパッタを利用してオーバーハング部分の成長を抑
制し、かつ表面の凹凸を抑制しつつ、図１（ｃ）に示す
ように接続孔３内への高融点金属層６の埋め込みを完了
する。接続孔３内の高融点金属層６プラグ部分にボイド
は見られず、また表面の平滑性にすぐれたブランケット
Ｗが形成できた。

【００３０】実施例２ 本実施例は、基板バイアス印加型ＩＣＰ−ＣＶＤ装置に
より高融点金属層を形成した例である。

【００３１】本実施例で使用するプラズマＣＶＤ装置の
概略構成を図３を参照して説明する。なお、図３では図
２と同様の機能をはたす部分には同一の参照番号を付与
しその説明は一部省略するものとする。石英等の誘電体
材料で構成されるプラズマＣＶＤチャンバ２０側壁に多
重に巻回した誘導結合コイル２２によりＩＣＰ電源２１
のパワーをプラズマＣＶＤチャンバ２０内に供給し、こ
こに高密度プラズマ１０を生成する。なおソースガス導
入孔、真空排気系等の細部の図示は省略する。本装置の
特徴は、大型のマルチターン誘導結合コイル２２によ
り、大電力でのプラズマ励起が可能であり、１０¹²／ｃ
ｍ³ 台の高密度プラズマでの処理を施すことができるこ
とである。

【００３２】次に、本実施例のプラズマＣＶＤ方法の説
明に移る。本実施例で用いた被処理基板は実施例１と同
じであり、図１を参照して説明することとし、重複する
説明を省略する。図１（ｂ）に示した被エッチング基板
を基板バイアス印加型ＩＣＰ−ＣＶＤ装置の基板ステー
ジ１６上に載置し、一例として下記条件でＡｒによるス
パッタリング前処理を１５秒間施す。 Ａｒ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ ＩＣＰ電源パワー １０００ Ｗ（２ＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（８００ｋＨｚ） 基板温度 ３００ ℃ 本前処理工程では下地材料層表面の自然酸化膜等の除去
によるクリーニング効果と、接続孔３上部のＴｉ層４と
ＴｉＮ層５のオーバーハング部分をスパッタリング除去
し、オーバーハング形状の修正効果が得られる。

【００３３】連続して下記条件によりＷの核形成均一化
処理を３０秒間行う。 ＳｉＨ₄ ３ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．２ Ｐａ ＩＣＰ電源パワー １０００ Ｗ（２ＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ 基板温度 ３００ ℃ 本工程ではＳｉＨ₄ を単独でフローすることにより被処
理基板表面の全面にＳｉＨ_x の吸着層を数層形成し、Ｗ
Ｆ₆ との表面親和性を高め次工程のＷの核形成の均一性
を向上する。

【００３４】続けて下記条件によりＷの核形成を４５秒
間行う。 ＷＦ₆ ５ ｓｃｃｍ ＳｉＨ₄ ３ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．２ Ｐａ ＩＣＰ電源パワー １０００ Ｗ（２ＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ 基板温度 ３００ ℃ 本処理工程ではＳｉＨ_x の吸着層上に均一なＷの成長核
が形成される。

【００３５】さらに下記条件により、高融点金属層の初
期成長を２０秒間行う。 ＷＦ₆ ２５ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ５００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２ Ｐａ ＩＣＰ電源パワー １０００ Ｗ（２ＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー １０ Ｗ（８００ｋＨｚ） 基板温度 ３００ ℃ 本初期成長過程ではＷＦ₆ 流量を抑えＨ₂ を大量にフロ
ーすることにより過剰のＦ^* を消費し、下地の浸食を防
止しながら薄いＷ層をコンフォーマルに形成する。

【００３６】さらに連続的に下記条件に切り替え、メイ
ンのプラズマＣＶＤを９０秒間施す。 ＷＦ₆ ６０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ２００ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．０ Ｐａ ＩＣＰ電源パワー ２０００ Ｗ（２ＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー １０ Ｗ 基板温度 ３００ ℃ 本工程はメインの成膜工程であり、イオンによるスパッ
タを利用してオーバーハング部分の成長を抑制し、かつ
表面の凹凸を抑制しつつ、図１（ｃ）に示すように接続
孔３内への高融点金属層６の埋め込みを完了する。接続
孔３内の高融点金属層６プラグ部分にボイドは見られ
ず、また表面の平滑性にすぐれたブランケットＷが形成
できた。

【００３７】本実施例ではＳｉＨ₄ 単独フロー処理、お
よび高融点金属層の初期成長ステップを加えたことによ
り、被処理基板上のＷの成長核が均一に生成し、より均
一でステップカバリッジに優れたブランケットＣＶＤが
達成され、下地の浸食も完全に防止される。

【００３８】実施例３ 本実施例は基板バイアス印加型ＴＣＰ−ＣＶＤ装置によ
り高融点金属層を形成した例である。

【００３９】本実施例で使用するＴＣＰ−ＣＶＤ装置の
概略構成例を図４を参照して説明する。本装置は図３で
示したＩＣＰ−ＣＶＤ装置と基本的な構成は同じであ
り、同一構成部分には同じ参照番号を付与しその説明を
省略する。本装置の特徴部分は、プラズマＣＶＤチャン
バ２０天板を石英等の誘電体材料で構成し、この上面に
渦巻状のＴＣＰコイル２４を配設してＴＣＰ電源のパワ
ーをプラズマＣＶＤチャンバ２０内に導入する点であ
る。なお、図４でもソースガス導入系、真空排気系等の
細部は図示を省略する。本装置によれば、大型のＴＣＰ
コイル２４とプラズマＣＶＤチャンバ２０内のソースガ
スとの誘導結合により、１０¹²／ｃｍ³ 台の高密度プラ
ズマを生成できる。

【００４０】本実施例のプラズマＣＶＤ方法は、実施例
２におけるプラズマＣＶＤ方法とほぼ同一である。すな
わち実施例２の説明におけるＩＣＰ電源２１をＴＣＰ電
源２３に、誘導結合コイル２２をＴＣＰコイル２４に読
み替える以外は大略同様にして形成できる。この結果、
図１（ｃ）に示すように高融点金属層６のブランケット
ＣＶＤがプラグ部分にボイドなく、平滑な表面をもって
達成された。

【００４１】実施例４ 本実施例は基板バイアス印加型ヘリコン波プラズマＣＶ
Ｄ装置により高融点金属層を形成した例である。

【００４２】本実施例で使用するＣＶＤ装置の概略構成
例を図５を参照して説明する。なお図５でも図２と同様
の機能を有する構成部分には同一の参照番号を付すもの
とする。ヘリコン波電源２５によりヘリコン波アンテナ
２６に電力を供給して発生する電場と、ソレノイド１９
により形成される磁場との相互作用により、プラズマ生
成室１８にホイッスラー波（ヘリコン波）を発生し、図
示しないガス導入口からプラズマＣＶＤチャンバ２０に
供給するソースガスの高密度プラズマ１０を生成する。
２７はプラズマＣＶＤチャンバ周囲に配設したマルチポ
ール磁石であり、高密度プラズマ１０をプラズマＣＶＤ
チャンバ２０内に閉じ込める磁界を発生する。被処理基
板１１を載置した基板ステージ１２にはＲＦバイアス電
源１４より基板バイアスを印加する。本装置によれば、
ヘリコン波アンテナの構造特性により、前述の各実施例
よりさらに高い１０¹³／ｃｍ³ オーダのプラズマ密度を
得ることが可能である。

【００４３】本実施例によるプラズマＣＶＤ方法も、基
本的には実施例２におけるプラズマＣＶＤ方法と同じで
あり、実施例２の説明におけるＩＣＰ電源２１をヘリコ
ン波電源２５に、誘導結合コイル２２をヘリコン波アン
テナ２６に読み替える以外はほぼ同様に形成できる。こ
の結果、図１（ｃ）に示すように高融点金属層６のブラ
ンケットＣＶＤがコンタクトプラグ部分にボイドの発生
なく、かつ平滑な表面性をもって達成された。

【００４４】本実施例によれば、前実施例よりさらに高
密度のプラズマによるソースガスの高効率解離が可能で
あり、８インチ径以上の大面積基板上に均一膜厚と良好
なステップカバリッジ特性を併せ有するブランケットＣ
ＶＤを施すことができる。

【００４５】以上、本発明を４例の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。

【００４６】例えば、実施例中では接続孔内への高融点
金属層の埋め込みによるコンタクトプラグの形成プロセ
スを例にとって説明したが、下層配線上の層間絶縁膜に
形成したヴァイアホール内への埋め込みプロセスに応用
してもよい。また接続プラグのみならず、ブランケット
ＣＶＤを用いる各種電極・配線の形成にも適用すれば、
平滑表面をもつ良好なプロセスを達成できる。

【００４７】高融点金属層５としてＷを例示したが、Ｍ
ｏ、Ｔａ等他の高融点金属であってもよい。また密着層
とバリアメタル層はＴｉ／ＴｉＮを例示したが、ＴｉＯ
Ｎ、ＴｉＷ、ＴｉＳｉ_x 等、下地や高融点金属層の材料
に応じて各種材料を適宜選択してよい。

【００４８】希ガスとしてＡｒを例示したが、Ｈｅ、Ｎ
ｅ、ＫｒおよびＸｅ等の希ガスを単独または混合して使
用してもよい。

【００４９】エッチング装置として、基板バイアス印加
型のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰ−ＣＶＤ装置、
ＴＣＰ−ＣＶＤ装置およびヘリコン波プラズマＣＶＤ装
置を例示したが、平行平板型プラズマＣＶＤ装置や、さ
らにヘキソード型等のバッチ式プラズマＣＶＤ装置を用
いてもよい。すなわち１×１０¹¹／ｃｍ³ 未満のプラズ
マ密度によるプラズマＣＶＤであっても基板バイアスを
印加する構造を採用することにより本発明の効果を享受
することができる。

【００５０】また、基板バイアス印加用ＲＦ電源とし
て、１３．５６ＭＨｚと８００ｋＨｚの周波数を例示し
たが、この周波数に限定されるものではない。

【００５１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は高融点金属層のブランケットＣＶＤ方法において、被
処理基板にＲＦバイアスを印加しつつプラズマＣＶＤ法
により堆積することにより、アスペクト比の大きい微細
な接続孔内部であってもボイドを発生することなくＷ等
を埋め込むことが可能となる。

【００５２】また、ブランケットＣＶＤによる高融点金
属層の表面モホロジを改善し、平滑な表面を得ることが
できるので、その後のエッチバック工程においても下地
やコンタクトプラグ表面に凹凸が転写されることがな
く、さらにこの上に積層する上層配線のパターニングの
形状制御性も向上する。

【００５３】また、従来の熱分解ＣＶＤ法によるブラン
ケットＣＶＤプロセスに比較して、プロセス温度を低温
化することが可能であり、ＡｌやＡｌ合金配線上のヴァ
イアホールへの埋め込みを可能にする等プロセスの選択
幅が拡がる効果がある。

【００５４】さらにまた、同一プラズマＣＶＤチャンバ
内で被処理基板のスパッタリング前処理を施した後にプ
ラズマＣＶＤを連続的に行えば、密着層やバリアメタル
層のオーバーハング部分の形状修正効果や自然酸化膜等
のクリーニング効果がっられ、ステップカバリッジの向
上、オーミック性の改善等の効果も得られる。

【００５５】上記各効果は、１×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１
×１０¹⁴／ｃｍ³ 未満のプラズマ密度が得られるプラズ
マＣＶＤ装置を用いれば、さらにその効果を徹底すこと
ができる。

【００５６】本発明のプラズマＣＶＤ方法を行うため
に、被処理基板へのＲＦバイアス印加機構を備えた構造
を有する基板バイアス印加型のＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズ
マＣＶＤ装置、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏ
ｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ装置、ＴＣＰ（Ｔｒ
ａｎｃｅｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍ
ａ）ＣＶＤ装置、ヘリコン波プラズマ（Ｈｅｌｉｃｏｎ
Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ装置等を用いること
により、１×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１×１０¹⁴／ｃｍ³ 未
満の高密度プラズマを利用したブランケットＣＶＤプロ
セスを達成できる。

【００５７】上記効果により、ブランケットＣＶＤ膜の
堆積およびそのエッチバックを含む、Ｗ等高融点金属層
を用いる多層配線プロセスを信頼性高く実用化すること
が可能となり、本発明が微細なデザインルールに基づく
半導体装置等の製造プロセスに与える寄与は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１、２、３および４
を、その工程順に説明する概略断面図であり、（ａ）は
半導体基板上の層間絶縁膜に接続孔を開口した状態、
（ｂ）は密着層およびバリアメタル層を順次スパッタリ
ングした状態、（ｃ）はプラズマＣＶＤ法により高融点
金属層を全面に堆積した状態である。

【図２】本発明を適用した実施例１で使用する基板バイ
アス印加型ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概略断面図であ
る。

【図３】本発明を適用した実施例２で使用する基板バイ
アス印加型ＩＣＰ−ＣＶＤ装置の概略断面図である。

【図４】本発明を適用した実施例３で使用する基板バイ
アス印加型ＴＣＰ−ＣＶＤ装置の概略断面図である。

【図５】本発明を適用した実施例４で使用する基板バイ
アス印加型ヘリコン波プラズマＣＶＤ装置の概略断面図
である。

【図６】従来のブランケットＣＶＤ法の問題点を説明す
る図であり、（ａ）は半導体基板上の層間絶縁膜に接続
孔を開口した状態、（ｂ）は密着層をスパッタリングし
た状態、（ｃ）は高融点金属層を全面に堆積した状態で
ある。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 層間絶縁膜 ３ 接続孔 ４ Ｔｉ層 ５ ＴｉＮ層 ６ 高融点金属層 ７ ボイド １０ 高密度プラズマ １１ 被処理基板 １２ 基板ステージ １３ 基板加熱手段 １４ ＲＦバイアス電源 １５ マグネトロン １６ マイクロ波導波管 １７ マイクロ波導入窓 １８ プラズマ生成室 １９ ソレノイド ２０ プラズマＣＶＤチャンバ ２１ ＩＣＰ電源 ２２ 誘導結合コイル ２３ ＴＣＰ電源 ２４ ＴＣＰコイル ２５ ヘリコン波電源 ２６ ヘリコン波アンテナ ２７ マルチポール磁石

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板にＲＦバイアスを印加しつ
   つ、プラズマＣＶＤ法により高融点金属層を形成するこ
   とを特徴とする、高融点金属層のＣＶＤ方法。
2. 【請求項２】 １×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１×１０¹⁴／ｃ
   ｍ³ 未満のプラズマ密度が得られるプラズマＣＶＤ装置
   を用いて高融点金属層を形成することを特徴とする、請
   求項１記載の高融点金属層のＣＶＤ方法。
3. 【請求項３】 同一チャンバ内で被処理基板に希ガスに
   よるスパッタリング前処理を施した後、連続的に高融点
   金属層を形成することを特徴とする、請求項１記載の高
   融点金属層のＣＶＤ方法。
4. 【請求項４】１×１０¹¹／ｃｍ³ 以上１×１０¹⁴／ｃｍ
   ³ 未満のプラズマ密度が得られるプラズマ発生源を有す
   とともに、被処理基板へのＲＦバイアス印加機構を具備
   してなることを特徴とする、高融点金属層のＣＶＤ装
   置。