JPH1180961A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ生成室やマイクロ波導入窓を有する
プラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法における、
プラズマ処理装置に起因する酸素汚染を低減する。 【解決手段】 マイクロ波導入窓を窒化アルミニウム製
マイクロ波導入窓１２とし、またプラズマ生成室１の内
壁として窒化アルミニウム製内壁１５を採用する。 【効果】 マイクロ波導入窓やプラズマ生成室内壁が、
逆スパッタリングされたり、水素活性種により還元反応
されて、プラズマ中に酸素成分が放出されることがな
い。したがって、被処理基板に対する酸素の影響が低減
される。

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の製造工
程等で用いられるプラズマ処理装置およびプラズマ処理
方法に関し、さらに詳しくは、プラズマ処理の純度に特
徴を有するプラズマ処理装置およびこれを用いたプラズ
マ処理方法に関する。

【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からサブクォータミクロンのレベル
へと微細化し、かつ多層配線構造が多用されるに伴い、
上層配線と下層配線を接続するための接続孔のアスペク
ト比も増大する傾向にある。例えば、０．１８μｍのデ
ザイン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１．０〜２．０
μｍ程度であるので、アスペクト比は５〜１０に達す
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等の金属膜や、配線材料の拡
散を防止するバリアメタルであるＴｉＮ等の金属窒化物
膜を薄く形成した後、Ａｌ系金属の高温スパッタリング
や、Ｗ（タングステン）の選択ＣＶＤやブランケットＣ
ＶＤにより、コンタクトプラグや上層配線を形成して、
接続孔を充填する方法が採用されつつある。

【０００３】通常、Ｔｉ金属膜やＴｉＮ窒化物膜を形成
するには、バルクの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が、
これらスパッタリング方法では解決されないステップカ
バレッジ（段差被覆性）の問題を解決するため、被処理
基板表面での化学反応を利用したＣＶＤ法によるＴｉ膜
やＴｉＮ膜の形成方法が期待されている。

【０００４】現在提案されているＴｉ系材料膜のＣＶＤ
方法は、大別して、Ｐｒｏｃ．１１ｔｈ．Ｉｎｔ．ＩＥ
ＥＥ ＶＭＩＣ，ｐ４４０（１９９４）等に報告されて
いるＴＤＭＡＴやＴＤＥＡＴ等の有機金属化合物を用い
る方法と、半導体・集積回路技術第４４回シンポジウム
講演論文集３１ページ（１９９３）等に報告されている
ＴｉＣｌ₄ 等の無機系金属ハロゲン化物を用いる方法と
の２種類がある。

【０００５】後者の、金属ハロゲン化物であるＴｉＣｌ
₄ とＨ₂ 分子によるＴｉ膜の熱ＣＶＤにおける還元反応
は、次式（１）で与えられる吸熱反応であり、熱力学的
には反応の進みにくい系である（ΔＧは標準生成熱を表
す）。また成膜形状はコンフォーマルであり、層間絶縁
膜の表面や接続孔の底部は勿論のこと、接続孔の側壁に
も均一な厚さで堆積するため、接続孔の開口幅が狭ま
り、Ｗ等の埋め込みが困難となる。 ＴｉＣｌ₄ ＋２Ｈ₂ →Ｔｉ＋４ＨＣｌ ΔＧ＝３９３．３ｋＪ／ｍｏｌ （１）

【０００６】このため、Ｈ₂ をプラズマ中で解離し、Ｈ
原子やＨ活性種による還元反応を用いたプラズマＣＶＤ
によるＴｉ膜の成膜が注目されている。この反応は、次
式（２）で示される発熱反応となる。 ＴｉＣｌ₄ ＋４Ｈ→Ｔｉ＋４ＨＣｌ ΔＧ＝−４７８．６ｋＪ／ｍｏｌ （２）

【０００７】したがって、プラズマＣＶＤによるＴｉ系
材料膜の形成は、反応が容易に進行しやすく、比較的低
温での成膜も可能となる。プラズマＣＶＤ装置としては
通常の平行平板型プラズマＣＶＤ装置でよいが、ＥＣＲ
(Electron Cyclotron Resonance)プラズマ、ＩＣＰ(Ind
uctively Coupled Plasma)あるいはヘリコン波プラズマ
等の高密度プラズマ源を用いたプラズマＣＶＤ装置によ
れば、還元反応の促進、成膜速度の向上あるいは均一性
の点で有利である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これらプラズマＣＶＤ
装置のプラズマ生成室の内壁は、被処理基板の重金属汚
染等の防止のため、通常石英（ＳｉＯ₂ ）で形成されて
いる。一方、Ｔｉ系材料膜をプラズマＣＶＤ成膜する際
に還元剤として導入されるＨ₂ ガスは、プラズマ中の電
子との衝突により水素原子に解離されるとともに、励起
状態の水素活性種となる。これら水素活性種はＴｉＣｌ
₄ 等の金属化合物ガスを還元するだけでなく、プラズマ
生成室内壁の石英を次式のように還元する。 ＳｉＯ₂ ＋８Ｈ→ＳｉＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ （３） この反応で生成したＨ₂ Ｏはこのままで、あるいはプラ
ズマ中でさらに解離して酸素原子あるいは酸素活性種と
なる。Ｔｉ金属はサブリメーションポンプ(Sublimation
Pump)で真空装置内の残留酸素の低減に採用されている
ことから明らかなように、酸素との反応性に富み、しか
もＳｉ酸化物よりＴｉ酸化物の方が安定であるため、Ｔ
ｉ金属膜は容易に酸化される。このため、Ｔｉ系材料膜
のプラズマＣＶＤ成膜中に水素活性種により還元された
石英中の酸素やシリコンは、Ｔｉ系材料膜中に採り込ま
れ、多量の酸素を不純物として含んだＴｉ金属膜やＴｉ
Ｎ膜が形成される。

【０００９】またＥＣＲプラズマＣＶＤ装置において
は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入する石英製のマ
イクロ波導入窓に金属膜が付着し、マイクロ波の透過率
が劣化することがある。これを防止するため、石英製の
マイクロ波導入窓に１３．５６ＭＨｚのＲＦを印加し、
ここに付着した金属膜をＡｒイオンによる逆スパッタリ
ングにより除去しつつ、Ｔｉ系材料膜を成膜している。
しかしこの際、石英製のマイクロ波導入窓表面もＡｒイ
オンによりスパッタエッチングされ、多量のシリコンと
酸素がＴｉ系材料膜中に採り込まれる。

【００１０】図４はこの問題を説明するグラフであり、
石英製マイクロ波導入窓を有するＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置によりＴｉ金属膜を成膜するにあたり、マイクロ波
導入窓近傍からＡｒガスを導入し、マイクロ波導入窓に
付着するＴｉ金属膜を逆スパッタリングしつつ成膜した
場合の例である。図４では横軸にはマイクロ波導入窓に
印加するＲＦパワーを、縦軸には被処理基板上に形成さ
れたＴｉ金属膜中の不純物含有量、すなわちシリコンお
よび酸素の濃度をそれぞれとっている。この図から明ら
かなように、マイクロ波導入窓に印加するＲＦパワーが
増加するに従い、Ｔｉ金属膜中のシリコンおよび酸素の
濃度も増加する傾向が明らかである。

【００１１】かかるＴｉ系材料膜、特に酸素を不純物と
して含むＴｉ金属膜をシリコン基板の不純物拡散層との
コンタクトメタルに用いた場合の問題点を図５（ａ）〜
（ｂ）に示す。このうち図５（ａ）は、シリコン基板の
不純物拡散層３１に臨んで開口した接続孔に、酸素を含
むＴｉ金属膜３２とＴｉＮ膜３５をプラズマＣＶＤ法に
より成膜した場合の接続孔底部を拡大して示す概略断面
図である。この後の工程において熱処理を加えると、図
５（ｂ）に示すように酸素を含むＴｉ金属膜３２は不純
物拡散層３１とシリサイド化反応をおこし、ＴｉＳｉ₂
膜３３を形成する一方、酸素を含むＴｉ金属膜３２中の
酸素は上層のＴｉＮ膜３５との界面に析出し、高抵抗の
ＴｉＯ_x 膜３４を形成する。ＴｉＯ_x 膜３４はＴｉＳｉ
₂ 膜３３とＴｉＮ膜３５との間の電気的導通を妨害する
ので、コンタクト抵抗が上昇する。したがって、低抵抗
のコンタクトプラグを形成するためには、Ｔｉ金属膜中
に酸素が採り込まれる現象を極力防止することが重要で
ある。以上は石英製のマイクロ波導入窓を有するＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置における不純物汚染について述べた
が、同じプラズマ生成室やマイクロ波導入窓を有するプ
ラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法に
おいても同様の問題点が指摘される。

【００１２】本発明は上述した問題点に鑑みて提案する
ものである。すなわち本発明の課題は、プラズマＣＶＤ
装置の内壁あるいはマイクロ波導入窓の構成材料に起因
する不純物汚染、特に不純物としての酸素含有量が少な
いプラズマ処理を施すことが可能なプラズマ処理装置お
よびプラズマ処理方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために提案するものである。すなわち、本発明の
プラズマ処理装置は、プラズマ生成室の内壁面の少なく
とも一部の構成部材が、窒化アルミニウムを含んでなる
ことを特徴とする。

【００１４】また本発明の別のプラズマ処理装置は、プ
ラズマ生成室に臨むマイクロ波導入窓を有するプラズマ
処理装置において、このマイクロ波導入窓の内壁面の少
なくとも一部の構成部材が、窒化アルミニウムを含んで
なることを特徴とする。このマイクロ波導入窓の好まし
い態様として、石英（ＳｉＯ₂ ）と窒化アルミニウムの
積層構造を有することが望ましい。

【００１５】次に本発明のプラズマ処理方法は、プラズ
マ生成室の内壁面の少なくとも一部の構成部材が、窒化
アルミニウムを含んでなるプラズマ処理装置により、プ
ラズマ処理を施すことを特徴とする。

【００１６】また本発明の別のプラズマ処理方法は、プ
ラズマ生成室に臨むマイクロ波導入窓を有するととも
に、このマイクロ波導入窓の内壁面の少なくとも一部の
構成部材が、窒化アルミニウムを含んでなるプラズマ処
理装置により、プラズマ処理を施すことを特徴とする。
このマイクロ波導入窓の好ましい態様として、石英（Ｓ
ｉＯ₂ ）と窒化アルミニウムの積層構造を有するものを
用いることが望ましい。

【００１７】本発明のプラズマ処理方法におけるプラズ
マ処理は、プラズマＣＶＤ工程、プラズマエッチング工
程あるいはスパッタリング工程等、プラズマの発生をと
もなうプラズマ処理工程のいずれにも適用できるが、金
属膜および金属窒化物膜のいずれか少なくとも一方を被
処理基板上に形成するプラズマＣＶＤ工程である際に好
ましく適用することができる。

【００１８】つぎに作用の説明に移る。従来のプラズマ
処理装置は、プラズマに接するプラズマ生成室内壁ある
いはマイクロ波導入窓が石英により構成されていたた
め、この石英表面が還元あるいは逆スパッタリングさ
れ、石英の構成元素である酸素が不純物として被処理基
板に影響を与えていた。本発明のプラズマ処理装置によ
れば、プラズマに接するプラズマ生成室の内壁あるいは
マイクロ波導入窓が酸素フリーの窒化アルミニウムによ
り構成されているため、窒化アルミニウム表面がスパッ
タリングされても被処理基板に対する酸素の影響は原理
的に発生しない。また、アルミニウムの水素化物は比較
的揮発しにくい化合物であるため、プラズマ処理時に水
素活性種により窒化アルミニウム表面が還元されること
は少ないし、たとえ還元されてもプラズマ中に酸素成分
が放出される虞れがない。

【００１９】本発明のプラズマ処理装置の採用により、
不純物としての酸素、あるいはシリコンの影響のないプ
ラズマ処理が可能となり、特にＴｉ金属膜やＴｉＮ膜の
プラズマＣＶＤ成膜に適用することにより、低抵抗のコ
ンタクトメタル等を形成することが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施の形態
例につき添付図面を参照して説明する。

【００２１】プラズマ処理装置としては平行平板型プラ
ズマ処理装置、マイクロ波導入窓型のＥＣＲプラズマ処
理装置、マイクロ波導入部とベルジャ型プラズマ生成室
一体型のＥＣＲプラズマ処理装置、ＩＣＰ処理装置ある
いはヘリコン波プラズマ処理装置等によるプラズマＣＶ
Ｄ装置、プラズマエッチング装置等のいずれにも本発明
を適用することができるが、以下の実施の形態例におい
てはプラズマ生成室に臨むマイクロ波導入窓を有するＥ
ＣＲプラズマＣＶＤ装置を例に採り、詳細な説明を加え
る。

【００２２】本発明を適用したＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置の概略構成例を、図１を参照して説明する。図１に示
したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、大略プラズマ生成室
１とプラズマ処理室２とから構成されている。このプラ
ズマ生成室１のプラズマに接する内壁は、窒化アルミニ
ウム製内壁１５により構成されている。この窒化アルミ
ニウム製内壁１５の形成方法は特に限定されないが、窒
化アルミニウム製のべルジャをプラズマ生成室１に嵌め
込んだり、窒化アルミニウム製の板を貼り付けたり、あ
るいは薄膜状の窒化アルミニウムをスパッタリング、Ｃ
ＶＤあるいはプラズマ溶射等の手段により形成すればよ
い。プラズマ生成室１には、不図示のマグネトロンで発
生した２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、マイクロ波導波
管１１を伝播させ、さらに窒化アルミニウム製マイクロ
波導入窓１２を介して導入させる。この窒化アルミニウ
ム製マイクロ波導入窓１２のマイクロ波導波管１１側に
は、実際にマイクロ波が導入される中心の矩形部分を除
いて、高周波電源１３が接続される電極（不図示）が形
成されており、この窒化アルミニウム製マイクロ波導入
窓１２へ付着する金属膜等を逆スパッタリングにより除
去しうる構成となっている。窒化アルミニウム製マイク
ロ波導入窓１２へは、この不図示の電極そのものを形成
せず、高周波電源１３から導出される電極棒（不図示）
を窒化アルミニウム製マイクロ波導入窓１２のマイクロ
波導波管１１側に接触させるだけでも、逆スパッタリン
グ効果を発現することができる。符号１６はソレノイド
コイルである。またプラズマ生成室１には、水素ガスお
よびＡｒ等の希ガスを導入する第１のガス導入孔１４が
接続されている。

【００２３】一方のプラズマ処理室２には、被処理基板
２１を載置する基板ステージ２２と、この基板ステージ
２２の裏面にミラー磁場形成用の電磁石２３がそれぞれ
配設されている。基板ステージ２２には、これも不図示
の加熱手段と、被処理基板に入射する金属イオンの角度
を被処理基板に対し略垂直に修正する高透磁率磁性体
（不図示）が配設されている。符号２５はコンダクタン
スバルブ等を介して真空ポンプに接続されているガス排
気孔である。プラズマ生成室１とプラズマ処理室２との
間には、金属ハロゲン化物ガスを導入するための第２の
ガス導入孔２４が被処理基板２１上に対称配置となるよ
うに挿入されている。なお図１では被処理基板の搬送手
段やマスフローコントローラ等その他の装置細部は図示
を省略する。なお、プラズマ処理室の内壁面をも、窒化
アルミニウム部材により構成してもよい。

【００２４】かかる装置構成により、第１のガス導入孔
１４から導入された水素ガスと希ガスの混合ガスは、窒
化アルミニウム製マイクロ波導入窓１２から導入される
２．４５ＧＨｚのマイクロ波と、ソレノイドコイル１６
が発生する０．０８７５Ｔの磁界との相互作用により高
密度のＥＣＲプラズマとなり、水素活性種を生成する。
第２のガス導入孔２４から導入される金属ハロゲン化物
の一部はこの水素活性種により金属中性種に還元され、
さらにこの金属中性種は希ガスイオンや電子と衝突して
イオン化し、金属イオンとなる。一方、第２のガス導入
孔２４から導入される金属ハロゲン化物の他の一部は、
プラズマ中の希ガス活性種や電子と衝突して、直接金属
イオンとなる。これらの金属イオンは、ソレノイドコイ
ル１６が形成する発散磁場の磁場勾配により被処理基板
２１に向けて引き出される。被処理基板２１の周辺部に
向けて斜めに入射する金属イオンは、ミラー磁場形成用
の電磁石２３と高透磁率磁性体とによりその入射方向が
修正され、被処理基板２１の主面に対しほぼ垂直方向に
入射する。したがって、アスペクト比の大きい接続孔の
底部においても、カバレッジの対称性のよい金属膜や金
属窒化物膜の形成が可能である。

【００２５】図１に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置によ
れば、プラズマ生成室１のプラズマに接する内壁面は窒
化アルミニウム製内壁１５により構成されているため、
この内壁面と水素活性種との反応によりプラズマ中にＨ
₂ Ｏ等の酸素成分が供給されることがない。また窒化ア
ルミニウム製のマイクロ波導入窓１２のスパッタリング
によりプラズマ中に酸素成分が供給される虞れもない。
したがって、Ｔｉ金属膜やＴｉＮ膜等の極めて酸化され
やすいＴｉ系材料膜を成膜する場合にも、膜中への酸素
の採り込みが防止され、半導体装置のコンタクトプラグ
等の形成に用いれば、低抵抗の多層配線構造を形成する
ことが可能となる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例によりさらに
詳しく説明する。以下の実施例は、前述したマイクロ波
導入窓型ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により、Ｔｉ金属膜
とＴｉＮ層とを連続的に形成し、多層配線構造を有する
半導体装置の接続孔にコンタクトプラグを形成した例で
ある。なお、本発明はこれら実施例によりなんら限定さ
れるものではない。

【００２７】実施例１ 本実施例は、プラズマ生成室内壁を窒化アルミニウム製
のライナーで構成するとともに、マイクロ波導入窓を窒
化アルミニウムの単板で作成したＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置を用いてＴｉ金属膜とＴｉＮ層とを連続的に形成し
た例である。

【００２８】マイクロ波導入窓型ＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置は先に図１を参照して説明した装置に準じるものを
使用した。本実施例の窒化アルミニウム製マイクロ波導
入窓１２の直径は８０ｍｍであり、厚さ３ｍｍの窒化ア
ルミニウム単板を用いた。この窒化アルミニウム単板は
平板状でもよいし、マイクロ波導波管側が凸面となった
曲面状であってもよい。

【００２９】ところで、従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置に用いられている石英製マイクロ波導入窓は厚さ１０
ｍｍ程度の石英単板が用いられていた。本実施例におい
て窒化アルミニウム製マイクロ波導入窓１２の厚さを３
ｍｍとしたのは、石英のマイクロ波透過率と、窒化アル
ミニウムのマイクロ波透過率の差に基づくものである。
すなわち、１０ｍｍ厚の石英単板と同等のマイクロ波透
過率を得るためには、窒化アルミニウム単板の厚さを３
ｍｍ以下とすることが望ましい。

【００３０】本実施例で採用した被処理基板は、図示は
省略するが例えば８インチ径のシリコン等の半導体基板
にＭＯＳトランジスタ等の能動素子等を形成し、この上
に酸化シリコン等の層間絶縁膜を形成し、この半導体基
板に形成された不純物拡散層に臨む接続孔が形成された
ものである。層間絶縁膜の厚さは例えば２μｍ、接続孔
の開口径は０．２μｍ、アスペクト比は約１０である。

【００３１】接続孔底部に露出する不純物拡散層表面の
自然酸化膜や汚染物を希フッ酸等により除去洗浄後、こ
の被処理基板を図１に示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
の基板ステージ２２上に載置する。プラズマ生成室１に
第１のガス導入孔１４からＨ₂ ／Ａｒ混合ガスを導入
し、ＥＣＲ放電によりプラズマ励起することにより、Ｈ
原子やＨ⁺ イオン等の水素活性種を生成する。

【００３２】水素活性種を含むＨ₂ ／Ａｒ混合ガスのプ
ラズマを、ソレノイドコイル１６の発散磁場の勾配によ
りプラズマ処理室２に引き出す。プラズマ処理室２で
は、第２のガス導入孔２４から導入したＴｉＣｌ₄ ガス
をこの水素活性種により還元し、被処理基板２１上にＴ
ｉ金属膜を成膜する。Ｔｉ金属膜のプラズマＣＶＤ条件
の一例を下記に示す。 Ｈ₂ 流量 ８０〜１４０ ｓｃｃｍ Ａｒ流量 １７０〜３００ ｓｃｃｍ ＴｉＣｌ₄ 流量 ２〜７ ｓｃｃｍ マイクロ波パワー ２．８ ｋＷ（２．４５ＧＨｚ） 被処理基板温度 １００〜５００ ℃ 本プラズマＣＶＤ条件、特にガス流量比は、本発明者が
先に出願した特願平７−３３６３０９号明細書として提
案したように、ＴｉＣｌ₄ が充分に水素活性種により還
元できる条件である。この流量比は、水素原子線および
塩素の発光強度スペクトルから規定することができる。

【００３３】本プラズマＣＶＤ工程では、プラズマ生成
室１に窒化アルミニウム製内壁１５を採用したこと、お
よび窒化アルミニウム製マイクロ波導入窓１２を採用し
たＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を採用したことにより、Ｔ
ｉ金属膜中に酸素が採りこまれる現象を効果的に低減す
ることができる。

【００３４】引き続き、同一のＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置内でＴｉ金属膜上にバリアメタルとしてＴｉＮ膜を形
成する。ＴｉＮ膜のプラズマＣＶＤ条件の一例を下記に
示す。 Ｈ₂ 流量 ４０〜７０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ 流量 ８０〜１４０ ｓｃｃｍ Ａｒ流量 １２０〜２００ ｓｃｃｍ ＴｉＣｌ₄ 流量 ５〜１０ ｓｃｃｍ マイクロ波パワー ２．８ ｋＷ（２．４５ＧＨｚ） 被処理基板温度 １００〜５００ ℃

【００３５】このプラズマＣＶＤ工程においても、Ｔｉ
金属膜のプラズマＣＶＤ工程同様、ＴｉＮ膜中に酸素が
採りこまれる現象を効果的に低減することができる。し
たがって、この後にシリサイド反応をともなう熱処理工
程を施した場合においても、形成されるＴｉＳｉ_x 膜と
ＴｉＮ膜との界面に高抵抗のＴｉＯ_X 膜が形成されるこ
とはない。

【００３６】この後、上層配線層あるいはコンタクトプ
ラグ材料としてＡｌ系金属膜を高温スパッタリング等に
より成膜する。この上層配線層あるいはコンタクトプラ
グ材料としてはブランケットＣＶＤ等による高融点金属
膜、一例としてタングステン膜を採用してもよい。この
後、層間絶縁膜上のＴｉ金属膜／ＴｉＮ膜／Ａｌ系金属
膜の積層構造を、レジストマスクを用いてパターニング
することにより上層配線を形成する。コンタクトプラグ
とする場合には層間絶縁膜上のＴｉ金属膜／ＴｉＮ膜／
Ａｌ系金属膜の積層構造をＣＭＰ(Chemical Mechanical
Polishing) により除去すればよい。

【００３７】本実施例により成膜されたＴｉ金属膜およ
びＴｉＮ膜は、ミラー磁場形成用の電磁石２３および基
板ステージ２２に配設された高透磁率磁性体の効果によ
り、アスペクト比の大きい接続孔底部においても膜厚の
対称性のよいＴｉ金属膜が形成される一方、接続孔の側
壁部分の膜厚は接続孔底部の膜厚より薄く形成される。
したがって、コンフォーマルＣＶＤ法の場合のように、
接続孔のアスペクト比が過度に大きくなることはなく、
接続孔内には上層配線層あるいはコンタクトプラグ材料
としてのＡｌ系金属や高融点金属がボイド等を発生する
ことなく埋め込まれる。

【００３８】また接続孔底部に清浄な拡散層表面が露出
した状態でＴｉ膜を形成したため、半導体基板とＴｉ金
属膜との界面にはＴｉシリサイド（不図示）が形成さ
れ、低抵抗のコンタクトプラグを形成することが可能で
ある。この後、必要に応じてＴｉＮ膜を成膜し、Ａｌ系
金属あるいはブランケットＣＶＤによるＷ等により接続
孔内を埋め込み、コンタクトプラグあるいは上層配線を
形成する。

【００３９】比較例 マイクロ波導入窓として厚さ１０ｍｍ、直径８０ｍｍの
石英単板を採用し、プラズマ生成室の内壁面も石英で構
成した従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いた他は、
被処理基板およびプラズマＣＶＤ条件は実施例１と同様
にＴｉ金属膜およびＴｉＮ膜を形成した。

【００４０】以上の実施例１および比較例により、Ｓｉ
基板の不純物拡散層上に成膜された、Ｓｉ／Ｔｉ金属膜
／ＴｉＮ膜の積層構造をシリサイド熱処理後、ＳＩＭＳ
(Secondary Ion Mass Spectrometer) により膜の深さ方
向に分析した結果のチャートを図２（ａ）〜（ｂ）に示
す。このうち、図２（ａ）は窒化アルミニウム製のマイ
クロ波導入窓およびプラズマ生成室内壁を有するＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置により成膜した実施例１の試料によ
るもの、図２（ｂ）は石英製のマイクロ波導入窓および
プラズマ生成室内壁を有するＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
により成膜した比較例の試料によるものである。

【００４１】ＳＩＭＳ分析は、ＴｉＮ膜表面側からＡｒ
イオンによりスパッタリング除去してゆき、検出される
それぞれの２次イオン強度を比較したものであり、横軸
にスパッタリング時間を、縦軸に検出２次イオン強度を
それぞれとっている。図２（ａ）〜（ｂ）の各チャート
では、左側が積層構造の表面側に、右側が積層構造のシ
リコン基板側に相当する。

【００４２】図２（ａ）〜（ｂ）の各チャートを比較す
ると、ＴｉＮ膜とＴｉＳｉ_x 膜の界面近傍から検出され
る酸素の２次イオンのピーク強度は、図２（ａ）の方が
図２（ｂ）のチャートよりも約１桁小さくなっている。
またその幅、すなわちＴｉＯ_x 膜の厚さも図２（ａ）の
実施例１の試料の方が薄くなっている。このことは、窒
化アルミニウム製のマイクロ波導入窓およびプラズマ生
成室内壁を有するＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により成膜
した実施例１のＴｉ金属膜およびＴｉＮ膜中の酸素濃度
は、石英製のマイクロ波導入窓およびプラズマ生成室内
壁を有するＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により成膜した比
較例のＴｉ金属膜およびＴｉＮ膜中の酸素濃度よりも、
大幅に低減していることを示している。

【００４３】実施例２ 本実施例は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置のマイクロ波導
入窓を、窒化アルミニウムと石英の積層構造とした例で
あり、その他の装置構造は実施例１で説明したＥＣＲプ
ラズマＣＶＤ装置に準じるものである。したがって、重
複する説明は省略してマイクロ波導入窓の構造のみを図
３を参照して説明する。

【００４４】本実施例で採用した窒化アルミニウム製マ
イクロ波導入窓１２の概略断面図を図３に示す。すなわ
ち、厚さ７ｍｍ、直径８０ｍｍの石英板１７のプラズマ
生成室に面する側のみ、厚さ２ｍｍの窒化アルミニウム
板１８を、２０μｍの厚さのシリコーン系接着剤により
貼り付けた積層構造となっている。またマイクロ波導入
管１１側に接して冷却配管１９を設け、この中に冷却水
等の冷媒を流して２００℃以下に冷却することでシリコ
ーン系接着剤の熱劣化を防止している。なお本実施例の
積層構造は、石英板１７の中央部分に座ぐりを設け、こ
こに窒化アルミニウム板１８を接着した構造となってい
るが、座ぐりを設けず、平坦な石英板に窒化アルミニウ
ム板を接着してもよい。また接着剤としては、マイクロ
波の透過を妨げないものであればシリコーン系接着剤以
外であってもよい。

【００４５】マイクロ波導入窓を本実施例のような積層
構造とすることにより、窒化アルミニウム単板に比較
し、マイクロ波導入窓の全厚を大きく設計することがで
きるとともにマイクロ波の透過率も確保される。したが
って、熱ストレスや、プラズマ生成室内（減圧）とマイ
クロ波導波管（大気圧）との圧力差による機械的ストレ
ス等に対する強度が向上する。

【００４６】図３に示した窒化アルミニウム製マイクロ
波導入窓１２を採用したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置によ
り、前実施例１と同様のプラズマＣＶＤ条件により、同
じ被処理基板上にＴｉ金属膜およびＴｉＮ膜を成膜し
た。この後シリサイド化熱処理を施した本実施例の試料
を、ＳＩＭＳにより深さ方向の元素分析をしたところ、
図２（ａ）のチャートと同様の結果が得られた。すなわ
ち、積層構造のマイクロ波導入窓および窒化アルミニウ
ム製プラズマ生成室内壁を採用してＴｉ金属膜およびＴ
ｉＮ膜を成膜しても、石英製のマイクロ波導入窓および
プラズマ生成室内壁を有するＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
により成膜した比較例のＴｉ金属膜およびＴｉＮ膜中の
酸素濃度よりも、膜中の酸素濃度を大幅に低減しうるこ
とが明らかとなった。

【００４７】以上、本発明のプラズマ処理装置およびプ
ラズマ処理方法を２例の実施例および比較例により詳し
い説明を加えたが、本発明はこれら実施例に限定される
ことなく各種の実施態様が可能である。例えば、プラズ
マＣＶＤ装置としてマイクロ波導入窓型プラズマＣＶＤ
装置を例示したが、その他マイクロ波導入窓を有しない
べルジャ型のマイクロ波導入部とプラズマ生成室一体型
のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰ装置、ヘリコン波
プラズマＣＶＤ装置あるいは平行平板型プラズマＣＶＤ
等、あらゆるプラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチング
装置等に適用できる。

【００４８】プラズマＣＶＤ方法として、Ｔｉ金属膜お
よびＴｉＮ膜の成膜を例示したが、その他酸素成分の混
入の低減が望まれる各種金属膜や金属窒化物膜のプラズ
マＣＶＤや、プラズマエッチング等に適用することがで
きる。

【００４９】金属膜および金属窒化物膜を成膜する被処
理基板として、不純物拡散層に臨む接続孔を有するシリ
コン基板を例示したが、Ａｌ系金属や多結晶シリコン等
の下層配線に望む接続孔を有する半導体基板、あるいは
サリサイドプロセスを採用するシリコン基板や、その他
光記録ディスク、光磁気記録ディスク、薄膜磁気ヘッド
等の磁気デバイスやその他の電子デバイス等に適用して
もよい。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のプラズマ処理装置によれば、従来のプラズマ生成室内
壁やマイクロ波導入窓の構成材料である、石英に起因す
る酸素成分がプラズマ中に放出される不都合を回避する
ことができる。

【００５１】また本発明のプラズマ処理方法によれば、
被処理基板に対しての酸素成分の影響を低減したプラズ
マ処理が可能となる。したがって、高集積度半導体装置
の多層配線構造のコンタクトメタルやバリアメタルの成
膜に適用すれば、低抵抗の多層配線が実現でき、信頼性
の高い半導体装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置を、プラズマＣＶＤ
装置に適用した一例を示す概略断面図である。

【図２】シリコン基板の不純物拡散層上に形成されたＴ
ｉ金属膜およびＴｉＮ膜の積層膜をシリサイド熱処理
後、その膜厚方向のＳＩＭＳ元素分析を示すチャートで
あり、図２（ａ）は本発明のプラズマＣＶＤ装置による
もの、図２（ｂ）は従来のプラズマＣＶＤ装置によるも
のである。

【図３】実施例２のプラズマＣＶＤ装置の、マイクロ波
導入窓の構造を示す概略断面図である。

【図４】従来のプラズマ処理装置において、石英製のマ
イクロ波導入窓にＲＦを印加しつつＴｉ金属膜を成膜し
た際のＴｉ金属膜中の不純物濃度を示すグラフである。

【図５】従来のプラズマ処理方法の問題点を説明する図
であり、図５（ａ）は半導体基板の不純物拡散層上に酸
素を含むＴｉ金属膜およびＴｉＮ膜を順次形成した状態
を示す概略断面図であり、図５（ｂ）はこれをシリサイ
ド化熱処理した後の状態を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…プラズマ生成室、２…プラズマ処理室 １１…マイクロ波導波管、１２…窒化アルミニウム製マ
イクロ波導入窓、１３…高周波電源、１４…第１のガス
導入孔、１５…窒化アルミニウム製内壁、１６…ソレノ
イドコイル、１７…石英板、１８…窒化アルミニウム
板、１９…冷却配管 ２１…被処理基板、２２…基板ステージ、２３…電磁
石、２４…第２のガス導入孔、２５…ガス排気孔 ３１…不純物拡散層、３２…酸素を含むＴｉ金属膜、３
３…ＴｉＳｉ₂ 膜、３４…ＴｉＯ_x 膜、３５…ＴｉＮ膜

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/3065 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｃ Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ生成室の内壁面の少なくとも一
   部の構成部材が、窒化アルミニウムを含んでなることを
   特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 プラズマ生成室に臨むマイクロ波導入窓
   を有するプラズマ処理装置において、 前記マイクロ波導入窓の内壁面の少なくとも一部の構成
   部材が、窒化アルミニウムを含んでなることを特徴とす
   るプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記マイクロ波導入窓は、石英（ＳｉＯ
   ₂ ）と窒化アルミニウムの積層構造を有することを特徴
   とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 プラズマ生成室の内壁面の少なくとも一
   部の構成部材が、窒化アルミニウムを含んでなるプラズ
   マ処理装置により、 プラズマ処理を施すことを特徴とするプラズマ処理方
   法。
5. 【請求項５】 プラズマ生成室に臨むマイクロ波導入窓
   を有するとともに、 前記マイクロ波導入窓の内壁面の少なくとも一部の構成
   部材が、窒化アルミニウムを含んでなるプラズマ処理装
   置により、 プラズマ処理を施すことを特徴とするプラズマ処理方
   法。
6. 【請求項６】 前記マイクロ波導入窓は、石英（ＳｉＯ
   ₂ ）と窒化アルミニウムの積層構造を有することを特徴
   とする請求項５記載のプラズマ処理方法。
7. 【請求項７】 前記プラズマ処理は、 金属膜および金属窒化物膜のいずれか少なくとも一方を
   被処理基板上に形成するプラズマＣＶＤ工程であること
   を特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載のプラ
   ズマ処理方法。