JP3211290B2 - 半導体装置の形成方法 - Google Patents

半導体装置の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に用いる薄
膜を形成する半導体装置の形成方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】窒化チタン（ＴｉＮ）膜または酸窒化チ
タン（ＴｉＯＮ）膜は、例えば半導体装置の基板と配線
とを密着する密着層として用いられる。また上記基板と
配線とを接続する技術には、例えば、コンタクトホール
内にプラグを形成する技術がある。その一つに、いわゆ
るブランケットタングステン（以下ＢＬＫ−Ｗと略記す
る）による埋め込み技術がある。
【０００３】この埋め込み技術を、図５の形成工程図に
より説明する。図５の（１）に示すように、半導体基板
（例えば単結晶シリコン基板）６１の上層に拡散層６２
を形成する。次いで半導体基板６１の上面に絶縁膜６３
を成膜する。その後上記拡散層６２上の当該絶縁膜６３
にコンタクトホール６４を設ける。次いで図５の（２）
に示す如く、化学的気相成長（ＣＶＤ）法によって、上
記コンタクトホール６４の内壁と絶縁膜６３の上面とを
覆う状態に、例えばＴｉＮよりなる密着層６５を成膜す
る。続いて図５の（３）に示すように、例えばＣＶＤ法
によって、上記コンタクトホール６４の内部と密着層６
５の上面とに、ＢＬＫ−Ｗ膜６６を成膜する。さらにタ
ングステン（Ｗ）プラグ（図示せず）を形成する場合に
は、上記ＢＬＫ−Ｗ膜６６をエッチバックして、コンタ
クトホール６４の内部にＢＬＫ−Ｗ膜６６を残すことに
よって、Ｗプラグを形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｂ
ＬＫ−Ｗによる埋め込み技術では、図６に示す如く、コ
ンタクトホール６４内の密着層６５のカバレジが十分で
ない場合に、ＣＶＤ法によって成膜したＢＬＫ−Ｗ膜６
６にボイド６７が生じる。また密着層６５をＣＶＤ法に
よるＴｉＮ膜で形成する際に、ソースとして四塩化チタ
ン（ＴｉＣｌ4 ）を用いた場合には、成膜した密着層６
５内に塩素（Ｃｌ）が取り込まれる。このため、密着層
６５の品質が劣化し、バリヤ性が低下する。またＴｉＮ
膜はコンタクトホール６４底部での拡散層６２との接触
抵抗を大きくする。または、ＣＶＤ法によって、密着層
６５を酸窒化チタン（ＴｉＯＮ）膜で形成した場合に
は、密着層６５中に塩素を取り込む課題は解決される
が、コンタクトホール６４底部での拡散層６２との接触
抵抗が大きくなる課題は解決されない。このため、いず
れの場合もコンタクト抵抗が大きくなる。
【０００５】そこで、スパッタ法によって、チタン（Ｔ
ｉ）膜を成膜した後、上記ＣＶＤ法によって、ＴｉＯＮ
膜を成膜することで、接触抵抗を低減し、バリヤ性を向
上させていた。ところが、Ｔｉ膜をスパッタ法で成膜
し、ＴｉＯＮ膜をＣＶＤ法によって成膜するために、ス
ループットが大幅に低下する。
【０００６】本発明は、接触抵抗が低く、膜質とスルー
プットに優れた薄膜の形成方法を提供することを目的と
する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされた半導体装置の形成方法である。す
なわち、基板上に導電層とプラグ形成層とを絶縁膜を介
して形成し、前記絶縁膜に形成した接続孔を通して前記
導電層と前記プラグ形成層とを接続する半導体装置の形
成方法であって、前記接続孔および前記絶縁膜を覆っ
て、前記基板にＲＦバイアスを印加しつつプラズマ励起
化学的気相成長法により高融点金属膜を形成する第１の
工程と、連続的に前記高融点金属膜を覆って、前記基板
にＲＦバイアスを印加しつつプラズマ励起化学的気相成
長法により高融点金属酸窒化膜を形成する第２の工程
と、前記高融点金属酸窒化膜を覆って、前記接続孔を埋
め込むごとくプラグ形成層を形成する第３の工程とを有
している。または、上記高融点金属酸窒化膜のかわりに
高融点金属窒化膜を形成する半導体装置の形成方法であ
る。
【０００８】
【作用】上記半導体装置の形成方法では、基板にＲＦバ
イアスを印加しつつプラズマ励起化学的気相成長法によ
って高融点金属膜を成膜し、さらに基板にＲＦバイアス
を印加しつつプラズマ励起化学的気相成長法によって高
融点金属酸窒化膜または高融点金属窒化膜を成膜するこ
とにより、連続して成膜されるので、成膜のスループッ
トが高まる。また高融点金属膜によって基板との接触抵
抗が低減され、高融点金属酸窒化膜または高融点金属窒
化膜によって、基板に対するバリヤ性が高まる。また上
記第１，第２の工程の成膜を、ＲＦバイアスを印加しつ
つプラズマ励起化学的気相成長法で行うことにより、高
融点金属膜のステップカバレジが高まるとともに、高融
点金属酸窒化膜または高融点金属窒化膜のステップカバ
レジも高まる。
【０００９】
【実施例】本発明の第１の実施例を図１に示す半導体装
置の形成工程図および図２に示すＣＶＤ装置の概略構成
図により説明する。図１では、一例として、ブランケッ
トタングステン（ＢＬＫ−Ｗ）膜の密着層を形成する場
合を説明する。
【００１０】図１の（１）に示すように、基板（例えば
単結晶シリコン基板）１１の上層には、例えば導電性不
純物を導入した拡散層１２が設けられている。また基板
１１の上面には絶縁膜１３が形成されている。この絶縁
膜１３には、絶縁膜パターンとして、例えば前記拡散層
１２上にコンタクトホール１４が設けられている。
【００１１】図１の（２）に示す如く、まず第１の工程
で、後述するＲＦバイアスを基板１１に印加して成膜を
行うＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）−ＣＶＤ（化学
的気相成長）装置３０（図２参照）を用いたプラズマ励
起ＣＶＤ法によって、上記コンタクトホール１４の内壁
を含む絶縁膜１３表面を覆う状態に、高融点金属膜〔例
えばチタン（Ｔｉ）膜〕１５を、例えば３０ｎｍの厚さ
に成膜する。このときのＴｉ膜１５の成膜条件の一例を
説明する。反応ガスに四塩化チタン（ＴｉＣｌ4 ）を用
い、励起ガスにアルゴン（Ａｒ）を用いる。上記ＴｉＣ
ｌ4 の流量を５０ｓｃｃｍに設定し、Ａｒの流量を５０
ｓｃｃｍ設定する。また反応雰囲気の温度をおよそ４０
０℃以下、同圧力を１．３３Ｐａ、マイクロ波（２．４
５ＧＨｚ）出力を２．８ｋＷ、ＲＦバイアス出力を３０
０Ｗに設定する。
【００１２】上記ＣＶＤ装置３１は、図２に示す如く、
プラズマを発生するプラズマ室３２と、プラズマ室３２
の上部側に接続したマイクロ波導波管３３と、プラズマ
室３２の側周に設けた電磁コイル３４と、プラズマ室３
２の下部側に接続した反応室３５と、反応室３５に接続
したガス供給部３６と、反応室３５の下部側に形成した
排気口３７と、反応室３５内に設置したステージ３８
と、ステージ３８に接続したＲＦバイアス印加部３９と
により構成されている。
【００１３】その後図１の（３）に示すように、第２の
工程で、上記同様のＲＦバイアスを印加するＥＣＲ−Ｃ
ＶＤ装置を用いたプラズマ励起ＣＶＤ法によって、上記
Ｔｉ膜１５の表面に、Ｔｉ膜１５を形成するチタン（Ｔ
ｉ）と酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）との化合物よりなる高融
点酸窒化金属膜〔例えば酸窒化チタン（ＴｉＯＮ）膜〕
１６を成膜する。上記ＴｉＯＮ膜１６の成膜は、上記Ｔ
ｉ膜１５を成膜したＥＣＲ−ＣＶＤ装置３１で行う。Ｔ
ｉ膜１５を成膜した後、反応室（図示せず）内のＴｉ膜
１５を成膜したときに用いたガスを排気して、反応室内
をほぼ真空状態にする。その後ＴｉＯＮ膜１６を成膜す
るための反応ガスを反応室内に導入する。
【００１４】このときのＴｉＯＮ膜１６の成膜条件の一
例を説明する。反応ガスに四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）
と一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）とを用い、励
起ガスにアルゴン（Ａｒ）を用いる。上記ＴｉＣｌ
４は、８０℃でバブリングし、その流量を１０ｓｃｃｍ
に設定し、Ｎ２Ｏの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｏ２の流量を
３０ｓｃｃｍに設定し、Ａｒの流量を５０ｓｃｃｍに設
定する。また反応雰囲気の温度をおよそ４００℃以下、
同圧力を１．３３Ｐａ、マイクロ波出力を２．８ｋＷ、
ＲＦバイアス出力を３００Ｗに設定する。
【００１５】上記条件で成膜した場合には、ＴｉＣｌ4
中のＣｌは、反応によって揮発性の高い酸塩化チタン
（ＴｉＣｌｘＯｙ）になり、反応室３５（図２参照）の
外部に排出される。そして通常ＴｉＯｘＮｙなる組成の
膜が成膜される。この結果、成膜されるＴｉＯＮ膜１６
中にはほとんどＣｌが含まれないので、ＴｉＯＮ膜１６
の膜質が向上する。また成膜時にＲＦバイアスを印加し
たので、成膜されるＴｉＯＮ膜１６の膜質は緻密なもの
となり、バリヤ性が向上する。
【００１６】なお、反応ガスに四塩化チタン（ＴｉＣｌ
４）と一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）とを用い、励起ガスにア
ルゴン（Ａｒ）を用いることも可能である。この場合に
は、ＴｉＣｌ４の流量を１０ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏの流量を
６０ｓｃｃｍに設定し、Ａｒの流量を５０ｓｃｃｍに設
定する。その他の成膜条件は、上記した条件と同様であ
る。またＴｉＣｌ４のかわりに四臭化チタン（ＴｉＢｒ
４）または有機金属チタン等を用いることも可能であ
る。さらにＮ２Ｏの代わりに、他の酸化窒素ガスを用い
ることもできる。なお各種ガスの流量比は、上記比率に
限定されることはなく、適宜決定される。実験によれ
ば、ＴｉＣｌ４が１に対してＮ２Ｏ＋Ｏ２またはＮ２Ｏ
のそれぞれが１ないし２の比率が好ましい。
【００１７】上記第２の工程では、ＴｉＯＮ膜１６を成
膜したが、この代わりの高融点窒化金属膜として、例え
ば、高融点金属のチタンと窒素との化合物よりなるＴｉ
Ｎ膜（図示せず）を形成することも可能である。また上
記説明の高融点金属としては、チタンの他に、例えばタ
ングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），ハフニウム
（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ）等を用いることもでき
る。
【００１８】上記のように、高融点金属膜１５が半導体
基板１１の拡散層１２に直接接触するので、拡散層１２
に対する高融点金属膜１５の接触抵抗は小さくなる。ま
たＴｉ膜１５とＴｉＯＮ膜１６とを連続的に成膜したの
で、スループットが向上する。さらにＴｉ膜１５の成膜
時とＴｉＯＮ膜１６の成膜時にＲＦバイアスを印加して
化学的気相成長させたので、Ｔｉ膜１５，ＴｉＯＮ膜１
６のステップカバレジ性が高まる。
【００１９】その後図３に示すように、例えば通常のＣ
ＶＤ法によって、ＴｉＯＮ膜１６の表面に、プラグ形成
層として例えばブランケットタングステン（ＢＬＫ−
Ｗ）膜１７を成膜する。このＢＬＫ−Ｗ膜１７の成膜
は、通常２段階の成膜工程によって行う。まず、第１段
階の成膜では、例えば反応ガスに２５ｓｃｃｍの流量の
六フッ化タングステン（ＷＦ6 ）と１０ｓｃｃｍの流量
のモノシラン（ＳｉＨ4 ）を用いる。また反応雰囲気の
圧力を、例えば１０．６ｋＰａに設定し、同温度を、例
えば４７５℃に設定する。このような条件下で第１段階
の成膜を行う。続いて第２段階の成膜を行う、第２段階
の成膜条件は、例えば反応ガスに６０ｓｃｃｍの流量の
六フッ化タングステン（ＷＦ6）と３６０ｓｃｃｍの流
量の水素（Ｈ2 ）を用いる。また反応雰囲気の圧力、同
温度は、第１段階の成膜時と同様に設定される。
【００２０】上記の如くに、ＢＬＫ−Ｗ膜１７を形成し
た場合には、ＢＬＫ−Ｗ膜１７の密着層となるＴｉＯＮ
膜１６がコンタクトホール１４内も含めて均一な膜厚に
成膜されるので、ＢＬＫ−Ｗ膜１７は、コンタクトホー
ル１４内にボイドを発生することなく成膜される。
【００２１】次に第２の実施例として、前記第１の実施
例で説明したＴｉ膜１５とＴｉＯＮ膜１６とを連続的に
成膜する方法を、図４に示すＣＶＤ装置および前記説明
した図１により説明する。図に示すように、ＣＶＤ装置
３０は、第１，第２のＣＶＤ装置（例えばＲＦバイアス
を印加するＥＣＲ−ＣＶＤ装置）３１，４１の各反応室
３５，４５同士をゲートバルブ５１を介して接続したも
のである。上記第１，第２のＣＶＤ装置３１，４１は、
前記図２で説明したと同様のＣＶＤ装置で構成されるの
で、ここでの詳細な説明は省略する。
【００２２】まず第１の工程として、第１のＣＶＤ装置
３１の反応室３５内で、高融点金属膜（例えばＴｉ膜）
１５〔図１（２）参照〕を成膜する。成膜条件は、第１
の実施例で説明したと同様である。その後、第１のＣＶ
Ｄ装置３１の反応室３５より処理した半導体基板１１
を、ゲートバルブ５１を通して第２のＣＶＤ装置４１の
反応室４５内に移送する。そして第２の工程で、Ｔｉ膜
１５（図１参照）上に高融点金属酸窒化膜（例えばＴｉ
ＯＮ膜）１６〔図１（３）参照〕を成膜する。この成膜
条件は、第１の実施例で説明したと同様である。
【００２３】上記の如くに、反応室３５内でＴｉ膜１５
を形成後、Ｔｉ膜を成膜した半導体基板１１を大気にさ
らすことなく、反応室４５内に移送して、ＴｉＯＮ膜１
６を成膜したので、Ｔｉ膜１５上には自然酸化膜が形成
されない。また清浄なＴｉ膜１５の表面にＴｉＯＮ膜１
６を成膜できる。このため、ＴｉＯＮ膜１６の膜質は優
れたものになり、バリヤ性が高い膜になる。また反応室
３５，４５を用いて、連続的に成膜したので、成膜のス
ループットがさらに向上する。
【００２４】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
基板との接触抵抗を下げるための高融点金属膜と、基板
に対するバリヤ性を確保するための高融点金属窒化膜ま
たは高融点金属酸窒化膜とを、基板にＲＦバイアスを印
加しつつ、同様のプラズマ励起化学的気相成長法によっ
て、連続的に成膜するので、スループットの向上が図れ
る。また基板にＲＦバイアスを印加しつつ、プラズマ励
起化学的気相成長法によって成膜するので、高融点金属
膜と高融点金属酸窒化膜（または高融点金属窒化膜）と
の膜厚均一性を向上することができる。このため、ステ
ップカバレジ性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の形成工程図である。
【図２】第１の実施例に用いるＣＶＤ装置の概略構成図
である。
【図３】ブランケットタングステン膜の形成説明図であ
る。
【図４】第２の実施例に用いるＣＶＤ装置の概略構成図
である。
【図５】従来の埋め込み技術の形成工程図である。
【図６】課題の説明図である。
【符号の説明】
１１ 基板 １３ 絶縁膜 １４ コンタクトホール １５ 高融点金属膜（Ｔｉ膜） １６ 高融点金属酸窒化膜（ＴｉＯＮ膜）
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−229814（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−24268（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−93072（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−191780（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−132023（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−145781（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−102080（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−6865（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−225223（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−100221（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−7825（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−286527（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−215673（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−202467（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−180059（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−130370（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−310926（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−165628（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−129375（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−236629（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−41240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−299347（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−272049（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−174319（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−229973（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−206852（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−30392（ＪＰ，Ａ) 特許3018383（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/285 301 H01L 21/285 C23C 14/40 C23C 16/30 H01L 21/768

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に導電層とプラグ形成層とを絶縁
    膜を介して形成し、前記絶縁膜に形成した接続孔を通し
    て前記導電層と前記プラグ形成層とを接続する工程を備
    えた半導体装置の形成方法であって、前記接続孔および前記絶縁膜を覆って、前記基板にＲＦ
    バイアスを印加しつつプラズマ励起化学的気相成長法に
    より高融点金属膜を形成する第１の工程と、 連続的に前記高融点金属膜を覆って、前記基板にＲＦバ
    イアスを印加しつつプラズマ励起化学的気相成長法によ
    り高融点金属酸窒化膜を均一な膜厚で形成する第２の工
    程と、 前記高融点金属酸窒化膜を覆って、前記接続孔を埋め込
    むごとくプラグ形成層を形成する第３の工程とを有する
    ことを特徴とする半導体装置の形成方法。
  2. 【請求項２】 基板上に導電層とプラグ形成層とを絶縁
    膜を介して形成し、前記絶縁膜に形成した接続孔を通し
    て前記導電層と前記プラグ形成層とを接続する工程を備
    えた半導体装置の形成方法であって、 前記接続孔および前記絶縁膜を覆って、前記基板にＲＦ
    バイアスを印加しつつプラズマ励起化学的気相成長法に
    より高融点金属膜を形成する第１の工程と、 連続的に前記高融点金属膜を覆って、前記基板にＲＦバ
    イアスを印加しつつプラズマ励起化学的気相成長法によ
    り高融点金属窒化膜を均一な膜厚で形成する第２の工程
    と、 前記高融点金属窒化膜を覆って、前記接続孔を埋め込む
    ごとくプラグ形成層を形成する第３の工程とを有するこ
    とを特徴とする半導体装置の形成方法。
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