JPH09102471A

JPH09102471A - プラズマ発生源、プラズマｃｖｄ装置およびプラズマｃｖｄ方法

Info

Publication number: JPH09102471A
Application number: JP7259078A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-10-05
Filing date: 1995-10-05
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】誘導結合プラズマ発生源を用いて、Ｔｉ等の
金属系膜の成膜を安定に施すことが可能なプラズマＣＶ
Ｄ装置およびプラズマＣＶＤ方法を提供する。【解決手段】誘導結合ＲＦアンテナ３の占有領域外の
べルジャ１の外側面に接し、容量結合ＲＦアンテナ７を
併設する。両アンテナに供給するＲＦ電力の位相を１８
０°ずらせてもよい。【効果】べルジャ１の閉鎖端面２の誘電体材料部分の
内側をスパッタリングしつつ成膜するので、この誘電体
材料部分への金属系膜の付着が防止できる。したがっ
て、プラズマ発生源１１のプラズマ密度の低下がなく、
安定な金属系膜のプラズマＣＶＤを継続できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置等の製造
工程に用いられるプラズマ発生源、プラズマＣＶＤ装置
およびプラズマＣＶＤ方法に関し、さらに詳しくは、誘
電体材料からなるべルジャ壁外部にＲＦアンテナを設置
する高密度プラズマ発生源を用い、金属系膜の安定な成
膜を可能とするプラズマ発生源、プラズマＣＶＤ装置お
よびプラズマＣＶＤ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルール
がクォータミクロンあるいはそれ以下のレベルへと微細
化し、かつ多層配線構造が多用されるに伴い、配線層間
を接続するための接続孔のアスペクト比は増大する傾向
にある。例えば、０．２μｍルールの半導体装置におい
ては、接続孔の開口径０．２μｍに対し、層間絶縁膜の
厚さは１μｍ近くあるので、アスペクト比は５に達する
場合がある。かかる微細で高アスペクト比の接続孔によ
り、信頼性の高い多層配線構造を達成するには、接続孔
内にオーミックコンタクト用のＴｉ層と、配線材料の拡
散を防止するバリアメタルであるＴｉＮ層やＴｉＯＮ層
をコンフォーマルに形成した後、Ａｌ系金属の高温スパ
ッタリングや、Ｗの選択ＣＶＤやブランケットＣＶＤに
より、上層配線材料やコンタクトプラグで接続孔を充填
する方法が採用される。

【０００３】通常、Ｔｉ層やＴｉＮ層を形成するには、
Ｔｉ金属をターゲット材料としたスパッタリングや、反
応性スパッタリングが行われる。中でも例えば特開平６
−１４０３５９号公報に開示されている、スパッタリン
グ粒子の垂直入射成分を高めたコリメーション・スパッ
タリングが注目されているが、ステップカバリッジに優
れたこの方法も、アスペクト比が５にも達する微細接続
孔内にコンフォーマルに成膜することは困難である。こ
の問題を図４および図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明
する。

【０００４】図４はコリメーション・スパッタリング装
置の一構成例を示す概略断面図である。基板ステージ１
４に載置された被処理基板１３に対向して、Ｔｉ金属材
料からなるターゲット３１を配置し、ガス導入孔（図示
せず）からＡｒやＮ₂等のガスを導入し、スパッタリン
グチャンバ１３内を所定の減圧雰囲気にした後、ターゲ
ット３１にＲＦ電力を印加する。ターゲットからスパッ
タされたＴｉ粒子は、被処理基板１０とターゲット１１
の中間位置に配設されたコリメータ３３を通過してその
ままＴｉ金属として、あるいはＮ₂と反応してＴｉＮと
なり被処理基板１３上に堆積する。コリメータ３３は、
被処理基板１３の表面に対し垂直の方向に、多数の貫通
孔が高開口率に開口した構造を有する多孔板であり、被
処理基板への垂直入射粒子成分を増大する、セラミック
スや金属からなる部材である。なお同図では、真空ポン
プや基板加熱機構等の細部は図示を省略する。

【０００５】このコリメーション・スパッタリング装置
を用いて、接続孔が形成された被処理基板上にＴｉ層お
よびＴｉＮ層を形成するプロセスを図５（ａ）〜（ｄ）
を参照して説明する。まず、不純物拡散層（図示せず）
等の能動素子が形成されたＳｉ等の半導体基板２１上に
ＳｉＯ₂等からなる１μｍの厚さの層間絶縁膜２２を形
成し、不純物拡散層に臨む０．２μｍ径の接続孔２３を
開口する。図５（ａ）に示すこのサンプルを被処理基板
とする。同図では、説明のために縦方向と横方向の倍率
は異なって図示している。次にこの被処理基板１３を２
００℃に加熱した基板ステージ９上に載置し、Ａｒを２
５ｓｃｃｍ、チャンバ内圧力０．２Ｐａ、ＲＦ電力８ｋ
ｗのスパッタリング条件でＴｉ層２６を１０ｎｍ形成し
て図５（ｂ）に示す状態とする。つぎにＮ₂を同じく２
５ｓｃｃｍ追加して導入した他は同じスパッタリング条
件で、ＴｉＮ層２７を１０ｎｍ形成する。このとき、図
５（ｃ）に示すように、接続孔３３上のＴｉＮ層２７は
オーバーハング形状に堆積し、接続孔２３底部の周辺部
は薄く形成される。この状態でＡｌ系金属層２５を高温
スパッタリング等により形成すると、図５（ｄ）に示す
ようにボイド２８が発生し、コンタクトプラグの信頼性
に問題が生じる場合がある。ボイド２８は、Ａｌ系金属
層のスパッタリングの代わりにＷのＣＶＤを採用する場
合にも、同じように発生する。

【０００６】コリメーション法をも含めたこれらスパッ
タリングにおけるステップカバレッジの問題を解決する
ため、ＴｉＣｌ₄を用いたプラズマＣＶＤが、例えば、
半導体・集積回路技術第４４回シンポジウム講演論文
集、ｐ．３１（１９９３）に報告されている。ＴｉＣｌ
₄を原料ガスとして用いるこの方法は、Ｈ₂還元による
Ｔｉ層と、さらにこのガス系にＮ₂を添加して、ＴｉＮ
層を連続して成膜することが可能である。このため、例
えば特開平６−６１２２９号公報に開示されている有機
Ｔｉ系ガスを原料ガスとするＣＶＤ法に比較して、残留
炭素による比抵抗の上昇がなく、低抵抗のＴｉ金属系膜
を形成できることから、実用化が期待されている。

【０００７】ＴｉＣｌ₄を原料ガスとするプラズマＣＶ
ＤによるＴｉ金属系膜の成膜は、ＴｉＣｌ₄を高効率に
Ｈ₂還元することが重要であり、Ｈラジカル（Ｈ^*）を
十分に供給するために従来より高密度プラズマであるＥ
ＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓ
ｏｎａｎｃｅ）プラズマ発生源を用いたプラズマＣＶＤ
方法が提案されている。しかしＥＣＲプラズマ発生源
は、ＥＣＲ面において２．４５ＧＨｚの電界と共鳴する
０．０８７５Ｔの強磁場を必要とするため、ＥＣＲ面か
らの発散磁界は被処理基板上でも０．００１Ｔ程度存在
する。すなわち、プラズマ中で発生した活性種がこの発
散磁界に誘導され、被処理基板の周辺部では斜めに入射
するため、被処理基板の中心部と周辺部とではステップ
カバレッジが不均一となる等の問題がある。

【０００８】そこで高密度プラズマ発生源のうちでも、
誘導結合プラズマ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐ
ｌｅｄＰｌａｓｍａ）発生源やヘリコン波プラズマ発
生源のように、被処理基板上では原理的に磁場が存在し
ないか、あるいは弱磁場のみ存在するプラズマ発生源が
ステップカバレッジの均一性の面から期待される。しか
しながら、これらのプラズマ発生源は誘電体材料からな
る壁面を介してＲＦアンテナからの電界を供給する電磁
誘導方式であるから、Ｔｉ金属系膜が誘電体材料からな
る壁面内部にも付着すると、Ｔｉ金属系膜によりＲＦ電
界がシールドされ、高密度プラズマを維持できないか、
甚だしい場合にはプラズマが消滅する場合がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、金属ソースガスを用いても安定な高密度プラズマを
継続して発生しうる誘導結合型のプラズマ発生源を提供
することである。

【００１０】また本発明の課題は、上述したプラズマ発
生源を用いて、金属ソースガスによる安定な高密度プラ
ズマＣＶＤを施すことができる誘導結合型のプラズマＣ
ＶＤ装置を提供することである。

【００１１】さらにまた本発明の課題は、上述したプラ
ズマＣＶＤ装置を用いて、均一でステップカバレッジの
よいＴｉ等の金属系膜を形成しうるプラズマＣＶＤ方法
を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ発生源
は、上述の課題を解決するために提案するものであり、
解放端面と、誘電体材料からなる閉鎖端面と、少なくと
も１部分が導電材料からなる円周側面と、を有するべル
ジャと、べルジャの閉鎖端面の外部に隣接した誘導結合
ＲＦアンテナと、べルジャの閉鎖端面の外部に隣接する
とともに、誘導結合ＲＦアンテナの占有領域外に配設し
た容量結合ＲＦアンテナと、誘導結合ＲＦアンテナに印
加する誘導結合ＲＦアンテナ電源と、容量結合ＲＦアン
テナに印加する容量結合ＲＦアンテナ電源とを有するこ
とを特徴とするものである。

【００１３】さらに本発明のもう１つのプラズマ発生源
は、解放端面と、閉鎖端面と、誘電体材料からなる円周
側面と、を有するべルジャと、円周側面の外周に隣接し
た誘導結合ＲＦアンテナと、円周側面の外周に隣接する
とともに、前記誘導結合ＲＦアンテナの占有領域外に配
設した容量結合ＲＦアンテナと、誘導結合ＲＦアンテナ
に印加する誘導結合ＲＦアンテナ電源と、容量結合ＲＦ
アンテナに印加する容量結合ＲＦアンテナ電源とを有す
ることを特徴とするものである。

【００１４】後者のプラズマ発生源の好ましい実施態様
においては、誘導結合ＲＦアンテナおよび容量結合ＲＦ
アンテナのさらに外周に配設した磁場印加手段を有する
ことを特徴とする。この場合、誘導結合アンテナの形状
を選ぶことにより、ヘリコン波モードのプラズマ発生源
とすることが可能である。

【００１５】いずれのプラズマ発生源においても、その
好ましい実施態様においては誘導結合ＲＦアンテナ電源
と容量結合ＲＦアンテナ電源とは同一周波数であるとと
もに、その位相が異ならしめる位相回転手段をさらに有
することを特徴とする。位相差としては例えば９０°、
１８０°および２７０°等が選ばれる。

【００１６】つぎに本発明のプラズマＣＶＤ装置は、上
述したいずれかのプラズマ発生源を有し、そのべルジャ
の閉鎖端面に連接するとともに、被処理基板を載置した
基板ステージを内部に配設したプラズマＣＶＤ室を有す
ることを特徴とするものである。なおプラズマＣＶＤ装
置の装置構成によっては、プラズマ発生源とプラズマＣ
ＶＤ室が一体となり構成される場合もありうる。かかる
プラズマＣＶＤ装置の場合には、誘導結合ＲＦアンテナ
が配設される側をプラズマ発生源、基板ステージが配設
される側をプラズマＣＶＤ室と呼ぶこととする。本発明
のプラズマＣＶＤ装置は、この基板ステージに基板バイ
アスを印加しうる、基板バイアス電源を有することが望
ましい。

【００１７】さらに本発明のプラズマＣＶＤ方法は、上
述したプラズマＣＶＤ装置を用い、少なくとも金属ソー
スガスと、Ａｒガスを含む混合ガスにより、べルジャ内
壁の特に誘電体材料部分ををスパッタリングしつつ、被
処理基板上に金属系膜を形成することを特徴とするもの
である。

【００１８】本発明の好ましい実施態様においては、金
属ソースガスはＴｉＣｌ₄であり、べルジャ内壁をスパ
ッタリングしつつ、被処理基板上にＴｉ金属系膜を形成
することを特徴とする。Ｔｉ金属系膜としては、例えば
Ｔｉ、ＴｉＮおよびＴｉＯＮ等の導電膜であるが、他に
ＴｉＣやＴｉＢ等の化合物もやＴｉＷ等の合金も考えら
れる。

【００１９】つぎに作用の説明に移る。本発明のプラズ
マ発生源はべルジャの誘電体材料窓外部に隣接して、誘
導結合ＲＦアンテナと容量結合ＲＦアンテナを設けた点
に特徴を有する。誘導結合ＲＦアンテナにより、べルジ
ャ内には従来通りの誘導結合プラズマあるいはヘリコン
波プラズマを発生するとともに、容量結合ＲＦアンテナ
の発生する電界により容量結合モードのプラズマをも発
生することが可能となる。この際、双方のＲＦアンテナ
電源の周波数が同じ場合には、双方のＲＦアンテナの相
互干渉を回避するためにフェイズシフタ等で双方のＲＦ
の位相を例えば１８０°異ならしめれば、安定な高密度
プラズマが得られる。双方のＲＦアンテナ電源の周波数
が異なる場合や、双方のＲＦアンテナ電源を交互間欠的
に印加する場合は、位相制御は必ずしも必要でない。

【００２０】かかるＲＦアンテナ構成によれば、べルジ
ャ内壁面、とりわけ誘電体材料面をスパッタリングしつ
つ高密度プラズマを発生することが可能となる。なおべ
ルジャの誘電体材料は通常石英であるが、石英のスパッ
タリングを防止する必要がある場合には、容量結合ＲＦ
アンテナ電源出力を適宜制御すればよい。べルジャの誘
電体材料をアルミナで構成すれば、スパッタリング耐性
を高めることができる。石英の表面にアルミナをコーテ
ィングしたべルジャ構造でも同様の効果が得られる。ま
たべルジャの誘電体材料にチタニア（ＴｉＯ₂）を用い
れば、Ｔｉ金属系膜を成膜する際の他種金属材料の混入
を防止できる。

【００２１】つぎに本発明のプラズマＣＶＤ装置は、上
述のプラズマ発生源のべルジャ解放端面に連接して被処
理基板を載置した基板ステージを有するプラズマＣＶＤ
室を設けることにより、高密度プラズマＣＶＤ装置が構
成できるとともに、べルジャ内壁のｉｎ−ｓｉｔｕセル
フクリーニング機能を有するプラズマＣＶＤ装置が構築
される。基板ステージに基板バイアス電源を印加しつつ
プラズマＣＶＤをおこなえば、被処理基板面をスパッタ
リングしつつ成膜できるので、金属系膜の膜質の緻密化
やステップカバレッジを向上することができる。

【００２２】さらに本発明のプラズマＣＶＤ方法は、上
述したプラズマＣＶＤ装置により、金属ソースガスとＡ
ｒガスを含む混合ガスを用い、被処理基板上に金属系膜
を形成することが可能である。この際べルジャの内壁を
Ａｒ⁺によりスパッタリングしながら成膜するので、べ
ルジャ内壁は常時クリーニングされている状態となり、
べルジャ内壁への金属系膜の付着は防止される。また誘
導結合ＲＦアンテナへの印加電力を制御することによ
り、べルジャ内壁そのもののスパッタリングを防止する
ことが可能である。誘導結合プラズマＣＶＤ装置におい
ては、被処理基板上での磁界強度は原理的に０または極
く微弱であり、活性種は被処理基板全面にわたり垂直に
入射するので、堆積膜の非対称や不均一は発生しない。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照して説明する。なお以下の実施例の図面中、従来
技術の説明に供した図面中と同様の構成部分には、同じ
参照番号を付すものとする。

【００２４】実施例１本実施例は、べルジャの閉鎖端面を誘電体材料で形成
し、この外部に接して誘導結合ＲＦアンテナと容量結合
ＲＦアンテナとを配設してプラズマ発生源およびプラズ
マＣＶＤ装置を構成した例であり、これを図１（ａ）〜
（ｂ）を参照して説明する。

【００２５】本発明のプラズマＣＶＤ装置は、図１
（ａ）にその概略断面図を示すようにプラズマ発生源１
１とプラズマＣＶＤ室１２により大略構成されている。
プラズマ発生源１１は、石英等の誘電体材料からなる天
板すなわち閉鎖端面２を有するべルジャ１と、この閉鎖
端面２の外部に隣接した誘導結合ＲＦアンテナ３および
容量結合ＲＦアンテナ７を有する。図１（ｂ）はべルジ
ャ１の概略平面図であり、閉鎖端面２の外部に隣接配置
した平面らせん状の誘導結合ＲＦアンテナ３と、その占
有領域外すなわち閉鎖端面２の周縁部に配設した平面リ
ング状の容量結合ＲＦアンテナ７のレイアウトを示すも
のである。誘導結合ＲＦアンテナ３には、位相回転手段
としてのフェーズシフタ４およびマッチングネットワー
ク５を介して誘導結合ＲＦアンテナ電源６が、また容量
結合ＲＦアンテナ７にはブロッキングコンデンサ、フェ
ーズシフタ８およびマッチングネットワーク９を介して
誘導結合ＲＦアンテナ電源１０が共に接続されている。
べルジャ１の円周側面は、Ａｌ₂Ｏ₃被膜処理したＡｌ
ブロックで形成され、容量結合ＲＦアンテナ７の一方の
電極あるいはその一部を構成している。このＡｌブロッ
クには図示しないヒータが内蔵されており、その内壁面
を５００℃まで加熱可能である。

【００２６】べルジャ１の解放端面にはプラズマＣＶＤ
室１２が連接されている。このプラズマＣＶＤ室１２内
部には、プラズマ発生源１１に臨んで被処理基板１３を
載置した基板ステージ１４が配設されており、この基板
ステージ１４には例えば１３．５６ＭＨｚの基板バイア
ス電源１５が接続されている。また基板ステージ１４は
図示しない静電チャック機構、ヒータおよび温度センサ
等が内蔵され、被処理基板１３を所望の温度に制御可能
である。

【００２７】本プラズマＣＶＤ装置のガス導入系は２系
統あり、１つはプラズマ発生源１１のべルジャ１上部に
ある、主にＨ₂、Ｎ₂、Ｏ₂やＡｒ等を導入するガスノ
ズル１６である。もう１つはプラズマＣＶＤ室１２の基
板ステージ１４上部を円周状に囲むガスリング１７であ
り、ここからは主としてＴｉＣｌ₄等の金属ソースガス
が導入される。なお同図ではゲートバルブ、被処理基板
搬送系や真空ポンプ等の装置細部は図示を省略する。

【００２８】同装置によれば、通常の誘導結合プラズマ
ＣＶＤ装置の構成に加え、容量結合ＲＦアンテナ７を装
備したことにより容量結合モードのプラズマをも併用す
ることが可能である。したがって、べルジャ１の石英か
らなる解放端面２内面に付着する金属系膜をスパッタリ
ング除去しつつ被処理基板１３上に金属系膜を形成でき
るので、プラズマ発生源１１のプラズマ密度が低下する
ことがなく、安定な金属系膜のプラズマＣＶＤが可能で
ある。

【００２９】つぎに上述したプラズマＣＶＤ装置を用
い、被処理基板上にＴｉ金属系膜を形成した例を図３
（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。本実施例で採用し
た被処理基板は、図３（ａ）に示すように例えば８イン
チ径のＳｉ等の半導体基板２１上の層間絶縁膜２２に、
接続孔２３が形成されたものである。半導体基板２１上
の不純物拡散層等の能動素子は図示を省略する。接続孔
２３の直径および層間絶縁膜２２の厚さは例えば０．２
μｍおよび１．０μｍであり、接続孔２３のアスペクト
比は５．０である。

【００３０】この被処理基板の接続孔２３底部に露出す
る不純物拡散層上の自然酸化膜を希ＨＦ水溶液洗浄等で
除去した後、図１に示したプラズマＣＶＤ装置の基板ス
テージ１４上に載置し、一例として下記条件によりまず
Ｔｉ膜を例えば１０ｎｍ堆積する。ガスノズル１６よりＨ₂ １００ｓｃｃｍＡｒ１００ｓｃｃｍガスリング１７よりＴｉＣｌ₄ ５ｓｃｃｍガス圧力０．１３Ｐａ誘導結合ＲＦアンテナ電源３０００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）容量結合ＲＦアンテナ電源１０００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）基板ステージ温度４５０ ℃

【００３１】続けて下記条件によりＴｉＮ膜を例えば同
じく１０ｎｍ堆積する。ガスノズル１６よりＨ₂ ２０ｓｃｃｍＡｒ１００ｓｃｃｍＮ₂ ２０ｓｃｃｍガスリング１７よりＴｉＣｌ₄ ５ｓｃｃｍガス圧力０．１３Ｐａ誘導結合ＲＦアンテナ電源３０００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）容量結合ＲＦアンテナ電源１０００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）基板ステージ温度４５０ ℃

【００３２】以上のプラズマＣＶＤ工程では、誘導結合
ＲＦアンテナ３および容量結合ＲＦアンテナ７に印加す
るＲＦ電源の位相は１８０°ずらせたものである。Ｔｉ
膜およびＴｉＮ膜の積層からなるＴｉ金属系膜２４が形
成された状態を図１（ｂ）に示す。Ｔｉ金属系膜２４は
ステップカバレッジ良くコンフォーマルに形成される。

【００３３】次に本プラズマＣＶＤ装置に不図示のゲー
トバルブを介して連接したスパッタリング装置に被処理
基板１３を搬送し、公知の高温スパッタリングによりＡ
ｌ系金属層２５を形成し、接続孔２３内部を埋め込む。
Ｔｉ金属系膜２４にオーバーハングがないことから、Ａ
ｌ系金属層２５はボイドを発生することなく接続孔２３
内を充填し、しかもその表面は平坦に形成することがで
きた。この状態を図３（ｃ）に示す。

【００３４】本実施例によれば、誘導結合ＲＦアンテナ
３の周縁部に設置した容量結合ＲＦアンテナ４によりべ
ルジャ１の誘電体材料からなる閉鎖端面２の内側をスパ
ッタリグしながら被処理基板１３上にＴｉ金属系膜２４
を堆積する。したがって、閉鎖端面２の内側にＴｉ金属
系膜が付着することなく、高密度の誘導結合プラズマを
維持したプラズマＣＶＤが可能である。

【００３５】実施例２本実施例は、べルジャの円周側面を誘電体材料で形成
し、この外部に接して誘導結合ＲＦアンテナと容量結合
ＲＦアンテナおよび磁場印加手段とを配設してプラズマ
発生源およびプラズマＣＶＤ装置を構成した例であり、
これを図２（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。

【００３６】本発明のプラズマＣＶＤ装置は、図２
（ａ）にその概略断面図を示すようにプラズマ発生源１
１とプラズマＣＶＤ室１２により大略構成されている。
プラズマ発生源１１は、石英等やアルミナ等の誘電体材
料からなる円周側面を有するべルジャ１と、この円周側
面の外部に隣接した誘導結合ＲＦアンテナ３および容量
結合ＲＦアンテナ７を有する。図２（ｂ）はべルジャ１
の概略斜視図であり、円周側面の外部に隣接配置したル
ープ状の誘導結合ＲＦアンテナ３と、誘導結合ＲＦアン
テナ３と交叉しないようにその占有領域外に配設した平
板状の容量結合ＲＦアンテナ７のレイアウトを示すもの
である。誘導結合ＲＦアンテナ３のさらに下部に別の容
量結合ＲＦアンテナを配設してもよい。誘導結合ＲＦア
ンテナ３にはフェーズシフタ４およびマッチングネット
ワーク５を介して誘導結合ＲＦアンテナ電源６が、また
容量結合ＲＦアンテナ７にはブロッキングコンデンサ、
フェーズシフタ８およびマッチングネットワーク９を介
して誘導結合ＲＦアンテナ電源１０が共に接続されてい
る。

【００３７】誘導結合ＲＦアンテナ３および容量結合Ｒ
Ｆアンテナ７のさらに外周には、磁界発生手段としての
ソレノイドコイルアッセンブリ１８が配設されている。
このソレノイドコイルアッセンブリ１８は、べルジャ１
内のヘリコン波の伝播に寄与する内周コイルと、発生し
たヘリコン波プラズマの輸送に寄与する外周コイルから
なっている。

【００３８】べルジャ１の解放端面にはプラズマＣＶＤ
室１２が連接されている。このプラズマＣＶＤ室１２内
部には、プラズマ発生源１１に臨んで被処理基板１３を
載置した基板ステージ１４が配設されており、この基板
ステージ１４には例えば１３．５６ＭＨｚの基板バイア
ス電源１５が接続されている。また基板ステージ１４は
図示しない静電チャック機構、ヒータおよび温度センサ
等が内蔵され、被処理基板１３を所望の温度に制御可能
である。なお符号１９はプラズマＣＶＤ室１２内にプラ
ズマを閉じ込めるマルチポール磁石である。

【００３９】本プラズマＣＶＤ装置のガス導入系は２系
統あり、１つはプラズマ発生源１１のべルジャ１上部に
は主にＨ₂、Ｎ₂、Ｏ₂やＡｒ等を導入するガスノズル
１６である。もう１つはプラズマＣＶＤ室１２の基板ス
テージ１４上部を円周状に囲むガスリング１７であり、
ここからは主としてＴｉＣｌ₄等の金属ソースガスが導
入される。なお同図ではゲートバルブ、被処理基板搬送
系や真空ポンプ等の装置細部は図示を省略する。

【００４０】同装置によれば、通常の誘導結合プラズマ
の１種であるヘリコン波プラズマＣＶＤ装置の構成に加
え、容量結合ＲＦアンテナ７を装備したことにより容量
結合モードのプラズマをも併用することが可能である。
したがって、べルジャ１の円周側面２内面に付着する金
属系膜をスパッタリング除去しつつ被処理基板１３上に
金属系膜を形成できるので、プラズマ発生源１１のプラ
ズマ密度が低下することがなく、安定な金属系膜のプラ
ズマＣＶＤが可能である。

【００４１】つぎに上述したプラズマＣＶＤ装置を用
い、被処理基板上にＴｉ金属系膜を形成をおこなった例
を再び図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。本実施
例で採用した図３（ａ）に示す被処理基板は、前実施例
と同様であるので重複する説明は省略する。

【００４２】この被処理基板の接続孔２３底部に露出す
る不純物拡散層上の自然酸化膜を希ＨＦ水溶液洗浄等で
除去した後、図２に示したプラズマＣＶＤ装置の基板ス
テージ１４上に載置し、一例として下記条件によりまず
Ｔｉ膜を例えば１０ｎｍ堆積する。ガスノズル１６よりＨ₂ １００ｓｃｃｍＡｒ１００ｓｃｃｍガスリング１７よりＴｉＣｌ₄ ５ｓｃｃｍガス圧力０．１３Ｐａ誘導結合ＲＦアンテナ電源２５００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）容量結合ＲＦアンテナ電源１０００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）基板ステージ温度４５０ ℃

【００４３】続けて下記条件によりＴｉＮ膜を例えば同
じく１０ｎｍ堆積する。ガスノズル１６よりＨ₂ ２０ｓｃｃｍＡｒ１００ｓｃｃｍＮ₂ ２０ｓｃｃｍガスリング１７よりＴｉＣｌ₄ ５ｓｃｃｍガス圧力０．１３Ｐａ誘導結合ＲＦアンテナ電源２５００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）容量結合ＲＦアンテナ電源１０００Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）基板ステージ温度４５０ ℃ 以上のプラズマＣＶＤ工程では、誘導結合ＲＦアンテナ
３および容量結合ＲＦアンテナ４に印加するＲＦ電源の
位相は１８０°ずらせたものである。Ｔｉ膜およびＴｉ
Ｎ膜の積層からなるＴｉ金属系膜２４が形成された状態
を図１（ｂ）に示す。Ｔｉ金属系膜２４はここでもステ
ップカバレッジ良くコンフォーマルに形成される。

【００４４】次に本プラズマＣＶＤ装置に不図示のゲー
トバルブを介して連接したスパッタリング装置に被処理
基板１０を搬送し、公知の高温スパッタリングによりＡ
ｌ系金属層２５を形成し、接続孔２３内部を埋め込む。
Ｔｉ金属系膜２４にオーバーハングがないことから、Ａ
ｌ系金属層２５はボイドを発生することなく接続孔２３
内を充填し、しかもその表面は平坦に形成することがで
きた。この状態を図３（ｃ）に示す。

【００４５】本実施例によれば、誘導結合ＲＦアンテナ
３に隣接して設置した容量結合ＲＦアンテナ４により、
べルジャの誘電体材料からなる円周側面２の内側をスパ
ッタリグしながら被処理基板１３上にＴｉ金属系膜２４
を堆積する。したがって、円周側面２の内側にＴｉ金属
系膜が付着することなく、高密度の誘導結合プラズマを
維持したプラズマＣＶＤが可能である。

【００４６】以上、本発明を２例の実施例をもって説明
したが、２例の実施例とも、容量結合ＲＦアンテナを誘
導結合ＲＦアンテナの占有領域外に配設した以外は、基
本的な構成は従来の誘導結合プラズマＣＶＤ装置あるい
はヘリコン波プラズマＣＶＤ装置と変わりはない。した
がって、いずれも高密度プラズマによる高濃度のＨ^*の
供給が可能であり、成膜速度、均一性ともに優れたプラ
ズマＣＶＤが可能である。

【００４７】本発明は以上の実施例に限定されるもので
はなく、各種の実施態様が可能である。例えば、実施例
１において誘導結合ＲＦアンテナの形状を平面コイル状
としたが、１ターンのシングルループ状としてもよい。
この場合には誘電体材料からなる閉鎖端面の中央部分に
も容量結合ＲＦアンテナを設置可能である。

【００４８】また実施例２において、磁界印加手段とし
てのソレノイドコイルアッセンブリを用いない場合に
は、通常の誘導結合プラズマＣＶＤ装置として使用でき
る。この場合には被処理基板上での磁場強度は０となる
か、マルチポール磁石を用いた場合でもその影響による
磁界成分のみとなり、極めて小さくなる。したがって成
膜される金属系膜のステップカバレッジの対称性が向上
する。

【００４９】堆積する導電性薄膜としてＴｉとＴｉＮを
例示したが、ＴｉＷ、ＴｉＯＮやＡｌ系金属、多結晶シ
リコン等、他の金属や金属化合物、半導体薄膜を堆積す
る際に広く用いることが可能である。また導電性薄膜の
他にも絶縁性薄膜の堆積に用いてもよいことは言うまで
もない。

【００５０】実施例では半導体基板との接続孔へのＴｉ
金属系膜形成を例示したが、もちろん多結晶シリコンや
高融点金属ポリサイド等の下層配線上のビアホールへの
Ｔｉ金属系膜形成に適用してもよい。

【００５１】ＴｉとＴｉＮのソースガスとしてＴｉＣｌ
₄（ｍｐ＝−２５℃、ｂｐ＝１３６℃）を例示したが、
ＴｉＦ₄（２８４℃で昇華）やＴｉＢｒ₄（ｍｐ＝３９
℃、ｂｐ＝２３０℃）等の各種ハロゲン化チタンを用い
ることができる。また、有機チタン化合物として、Ｔｉ
（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₄（テトラジメチルアミノチタニウ
ム）やＴｉ（Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）₄（テトラジエチルア
ミノチタニウム）等の使用も可能である。これらのハロ
ゲン化チタンおよび有機Ｔｉ化合物は、公知のバーニン
グ法またはキャリアガスを用いた加熱バブリング法でプ
ラズマＣＶＤ装置へ導入すればよい。ＴｉＣｌ₄は室温
で液体であり、取り扱いが比較的簡便であることから好
ましく用いることができる。

【００５２】ＴｉＮのソースガスの一方である窒素系ガ
スとしてＮ₂を例示したが、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｈ₄等、窒素
原子を有するガスを適宜用いることができる。またソー
スガス中にさらにＯ₂やＮＯ系ガス等の等酸素系ガスを
添加して、ＴｉＯＮを形成する場合にも本発明の効果は
発揮される。

【００５３】またプラズマＣＶＤにおける反応ガス中
に、形成材料のエッチングガスとなるハロゲン系ガスを
添加しておけば、べルジャ内壁面への金属膜付着をさら
に減少でき、パーティクル汚染が低減できる。

【００５４】またプラズマと同時に低圧Ｈｇランプやエ
キシマレーザ、ハロゲンランプ等、励起光ビームを照射
する光プラズマＣＶＤに本発明を適用してもよい。この
場合には光照射窓への金属系膜の付着を防ぐため、光照
射窓近傍に別途容量結合ＲＦアンテナを設置してもよ
い。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のプラズマ発生源によれば従来困難であった金属ソース
ガスを使用する場合にも安定した高密度プラズマを連続
的に発生できる。また本発明のプラズマＣＶＤ装置によ
れば、上述したプラズマ発生源を用いて金属ソースガス
による安定な高密度プラズマＣＶＤを施す誘導結合プラ
ズマＣＶＤ装置を提供できる。さらに本発明のプラズマ
ＣＶＤ方法によれば、大口径の被処理基板に対し、均一
でステップカバレッジのよいＴｉ金属系膜をはじめとす
る金属系膜を形成することが可能となる。

【００５６】上記効果により、本発明はディープ・サブ
ミクロンクラスの微細なデザインルールに基づく多層配
線を有する半導体装置の製造プロセスに寄与するところ
大であり、本発明の産業上の利用価値は高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１のプラズマＣＶＤ装
置の説明に供する図面であり、（ａ）はプラズマＣＶＤ
装置の概略断面図、（ｂ）はべルジャの概略平面図であ
る。

【図２】本発明を適用した実施例２のプラズマＣＶＤ装
置の説明に供する図面であり、（ａ）はプラズマＣＶＤ
装置の概略断面図、（ｂ）はべルジャの概略斜視図であ
る。

【図３】本発明を適用した実施例１および２のプラズマ
ＣＶＤ方法を、その工程順に示す概略断面図であり、
（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Ｔｉ金属系膜を形成した状態、（ｃ）は
さらにＡｌ系金属層を形成した状態である。

【図４】コリメーション・スパッタリング装置の一構成
例を示す概略断面図である。

【図５】従来技術によるプラズマＣＶＤ方法を、その工
程順に示す概略断面図であり、（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Ｔｉ層を
形成した状態、（ｃ）はさらにＴｉＮ層を形成した状
態、（ｄ）はＡｌ系金属層を形成しボイドが発生した状
態である。

【符号の説明】

１べルジャ２閉鎖端面３誘導結合ＲＦアンテナ４、８フェイズシフタ５、９マッチングネットワーク６誘導結合ＲＦアンテナ電源７容量結合ＲＦアンテナ１０容量結合ＲＦアンテナ電源１１プラズマ発生源１２プラズマＣＶＤ室１３被処理基板１４基板ステージ１５基板バイアス電源１６ガスノズル１７ガスリング１８ソレノイドコイルアッセンブリ１９マルチポール磁石２１半導体基板２２層間絶縁膜２３接続孔２４Ｔｉ金属系膜２５Ａｌ系金属層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】解放端面と、誘電体材料からなる閉鎖端
面と、少なくとも１部分が導電材料からなる円周側面
と、を有するべルジャと、前記閉鎖端面の外部に隣接した誘導結合ＲＦアンテナ
と、前記閉鎖端面の外部に隣接するとともに、前記誘導結合
ＲＦアンテナの占有領域外に配設した容量結合ＲＦアン
テナと、前記誘導結合ＲＦアンテナに印加する誘導結合ＲＦアン
テナ電源と、前記容量結合ＲＦアンテナに印加する容量結合ＲＦアン
テナ電源とを有することを特徴とするプラズマ発生源。
【請求項２】解放端面と、閉鎖端面と、誘電体材料か
らなる円周側面と、を有するべルジャと、前記円周側面の外周に隣接した誘導結合ＲＦアンテナ
と、前記円周側面の外周に隣接するとともに、前記誘導結合
ＲＦアンテナの占有領域外に配設した容量結合ＲＦアン
テナと、前記誘導結合ＲＦアンテナに印加する誘導結合ＲＦアン
テナ電源と、前記容量結合ＲＦアンテナに印加する容量結合ＲＦアン
テナ電源とを有することを特徴とするプラズマ発生源。
【請求項３】誘導結合ＲＦアンテナおよび容量結合Ｒ
Ｆアンテナのさらに外周に配設した、磁場印加手段を有
することを特徴とする、請求項２記載のプラズマ発生
源。
【請求項４】誘導結合ＲＦアンテナ電源と容量結合Ｒ
Ｆアンテナ電源とは同一周波数であるとともに、位相回
転手段を有することを特徴とする、請求項１または２い
ずれか１項記載のプラズマ発生源。
【請求項５】請求項１または２いずれか１項記載のプ
ラズマ発生源を有し、べルジャの閉鎖端面に連接するとともに、被処理基板を
載置した基板ステージを内部に配設したプラズマＣＶＤ
室を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項６】基板ステージに印加する基板バイアス電
源を有することを特徴とする、請求項５記載のプラズマ
ＣＶＤ装置。
【請求項７】請求項５記載のプラズマＣＶＤ装置を用
い、少なくとも金属ソースガスと、Ａｒガスを含む混合ガス
により、べルジャ内壁をスパッタリングしつつ、被処理基板上に金属系膜を形成することを特徴とするプ
ラズマＣＶＤ方法。
【請求項８】請求項７記載のプラズマＣＶＤ方法にお
いて、金属ソースガスはＴｉＣｌ₄であり、べルジャ内壁をスパッタリングしつつ、被処理基板上にＴｉ金属系膜を形成することを特徴とす
るプラズマＣＶＤ方法。