JP3473121B2 - プラズマｃｖｄ装置およびプラズマｃｖｄ方法 - Google Patents

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工程
に用いられるプラズマＣＶＤ装置およびプラズマＣＶＤ
方法に関し、さらに詳しくは、再現性が高くスループッ
トの良い成膜を可能とする、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
がハーフミクロンから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Ｔ
ｉＮ層やＴｉＯＮ層をコンフォーマルに形成した後、Ａ
ｌ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９
に載置された被処理基板１０に対向して、Ｔｉ金属材料
からなるターゲット１１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、被処理基
板１０とターゲット１１の間にＲＦ電力を印加する。タ
ーゲットからスパッタされたＴｉ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１２
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１０上に堆積する。コリ
メータ１２は、被処理基板１０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３１上に
ＳｉＯ₂ 等からなる１μｍの厚さの層間絶縁膜３２を形
成し、不純物拡散層に臨む０．２μｍ径の接続孔３３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。次にこの被処理基板１０を２００℃に加熱した
基板ステージ９上に載置し、Ａｒを２５ｓｃｃｍ、チャ
ンバ内圧力０．２Ｐａ、ＲＦ電力８ｋｗのスパッタリン
グ条件でＴｉ層３４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２５ｓｃｃｍ追加し
て導入した他は同じスパッタリング条件で、ＴｉＮ層３
５を２０ｎｍ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３５はオーバーハング形
状に堆積し、接続孔３３底部の周辺部は薄く形成され
る。この状態でＡｌ系金属層３６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３
７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３７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
３１ページ（１９９３）に報告されている。ＴｉＣｌ₄
を原料ガスとして用いるこの方法は、Ｈ₂ 還元によるＴ
ｉ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。なかでも、ＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ装置や、ＲＦアンテナを用いた誘導結
合プラズマＣＶＤ装置によれば、１０^-1Ｐａ台の高真空
度での高密度プラズマを利用でき、ステップカバレッジ
と成膜速度の高さを両立したスループットの高い成膜が
可能である。

【０００７】しかしながら、従来のＲＦアンテナを用い
た誘導結合型プラズマＣＶＤ装置にあっては、プラズマ
生成チャンバ内壁の電界の入射部分にＴｉ等の導電性膜
が付着し、実効的なＲＦ入射パワーが減少して安定した
成膜が困難となる場合があった。この問題を図６および
図７を参照して説明する。

【０００８】図６は従来のＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
ｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）によるプラズマ
ＣＶＤ装置の概略断面図である。プラズマ生成チャンバ
４の側壁は誘電体材料窓１４で形成し、この外周をＲＦ
アンテナ３で巻回する。誘電体材料窓１４は石英等から
なる円筒系の部材である。ＲＦアンテナ３にはＲＦ電源
１からマッチングネットワーク２を介してＲＦパワーを
供給する。プラズマ生成チャンバ４上部にはプラズマガ
ス導入孔７を配し、ここからプラズマＣＶＤの原料ガス
を供給し、プラズマ５を生成する。プラズマ生成チャン
バ４の下部にはプラズマ成膜チャンバ６を連接し、内部
の基板ステージ９上に載置した被処理基板１０上に成膜
をおこなう。なお同図では基板ステージ９の温度制御手
段、真空ポンプ等の細部は図示を省略する。

【０００９】図７は従来のＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ
ｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）によるプラズマ
ＣＶＤ装置の概略断面図である。本装置は、プラズマ成
膜チャンバ４の天板が誘電体材料窓１４となっており、
この上部に接して渦巻状のＲＦアンテナ３を配設する。
誘電体材料窓１４は石英等からなる円板状の部材であ
る。上記以外の他の構成は図６に示したＩＣＰによるプ
ラズマＣＶＤ装置と同じであり、重複する説明を省略す
る。

【００１０】上記２例のプラズマＣＶＤ装置は、いずれ
もプラズマ生成チャンバ４の外部に近接してＲＦアンテ
ナ３を配設しており、誘電体材料窓１４を介してＲＦ電
界をプラズマ生成チャンバ４内に導入している。このた
め、誘電体材料窓１４の内部にガスの分解生成物が付着
膜１５となって堆積し、特にこの付着膜１５が導電性薄
膜の場合にはＲＦ電界がシールドされる結果となる。し
たがって実効的なＲＦ入射パワーが減少し、デポジショ
ンレートや膜質が低下して安定した成膜が困難となる場
合があった。これは、上記２例のプラズマＣＶＤ装置に
限らず、ＲＦアンテナを用いた誘導結合プラズマＣＶＤ
装置に共通の問題であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、安定で再現性の高い成膜を可能とする、ＲＦアンテ
ナを有する誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を提供するこ
とである。

【００１２】また本発明の課題は、上記プラズマＣＶＤ
装置を用いて、安定で再現性が高く、しかもステップカ
バレッジのよいプラズマＣＶＤ方法を提供することであ
る。本発明の上記以外の課題は、本願明細書および添付
図面の説明により明らかとなる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマＣＶＤ
装置は、上述の課題を解決するために提案するものであ
り、円筒コイル状および平面コイル状のうちのいずれか
一方のＲＦアンテナ、プラズマ生成チャンバ、ソースガ
ス導入孔および基板ステージを具えた誘導結合型プラズ
マＣＶＤ装置であって、ＲＦアンテナの少なくとも表面
は、前記導電性薄膜の構成元素を含む材料で被覆される
とともに、このプラズマ生成チャンバ内のプラズマ領域
に接する位置に、ＲＦアンテナを配設することを特徴と
するものである。

【００１４】成膜材料の構成元素を含む材料は、Ｔｉ、
ＴｉＮ、ＴｉＷおよびＴｉＯＮのうちのいずれかで被覆
する。例えば、ＴｉやＴｉＮを成膜する際には、ＲＦア
ンテナの表面はＴｉで被覆すればよい。

【００１５】また、プラズマ成膜チャンバ壁面の加熱手
段を有することが望ましい。ＲＦアンテナをプラズマ生
成チャンバの内部に配設することにより、プラズマ生成
チャンバの構成材料は特に制限はなくなり、また抵抗加
熱ヒータ等をプラズマ成膜チャンバ内壁面上や壁内に配
設することが可能となる。プラズマ生成チャンバの構成
材料は、Ａｌ合金等の金属材料や石英等を用いることが
できる。

【００１６】さらに、ソースガス導入孔は、ＲＦアンテ
ナと基板ステージの間に配設することが望ましい。すな
わち、堆積性ガスの導入位置はＲＦアンテナより下流
側、換言すればＲＦアンテナより真空ポンプに近い位置
に配設することが望ましい。

【００１７】本発明のプラズマＣＶＤ方法は、上述の課
題を解決するために提案するものであり、上記したプラ
ズマＣＶＤ装置を用いて、被処理基板上に薄膜を形成す
ることを特徴とするものである。本プラズマＣＶＤ方法
は導電性薄膜の堆積に用いて効果的であり、さらにＦ系
ガス、Ｃｌ系ガス、Ｂｒ系ガス等のハロゲン系ガスを添
加した混合ガスを用いることが望ましい。

【００１８】

【作用】本発明のプラズマＣＶＤ装置のポイントは、Ｒ
Ｆアンテナをプラズマ成膜チャンバの内部に配設した点
にある。この構成により、ＲＦアンテナの電界は直接プ
ラズマに伝播され、効率のよいプラズマ生成が可能とな
る。すなわち、誘電体材料窓を介してＲＦアンテナの電
界を伝播するのではないので、誘電体材料窓に導電性薄
膜が付着して電界がシールドされるといった不都合は原
理的に発生しない。

【００１９】この際、ＲＦアンテナの少なくとも表面
は、成膜材料の構成元素を含む材料で被覆しておけば、
例えＲＦアンテナがスパッタされても、被処理基板上に
堆積する薄膜はクロスコンタミネーションを起こすこと
はない。

【００２０】またＲＦアンテナをプラズマ成膜チャンバ
の内部に配設したことにより、プラズマ成膜チャンバ壁
面の加熱手段を導入することが可能となる。これは、ソ
ースガスに有機金属化合物を用いる場合には、有機系の
堆積物がプラズマ成膜チャンバ内壁に付着する現象を防
止でき、チャンバ内の汚染や被処理基板のパーティクル
汚染の減少に効果的である。

【００２１】さらに、堆積性のソースガス導入孔はＲＦ
アンテナと基板ステージの間に配設したので、ソースガ
スがＲＦアンテナ側に逆流する可能性は少なく、ＲＦア
ンテナへの堆積は抑制される。また、例えＲＦアンテナ
に薄膜が堆積しても、ＲＦアンテナのインピーダンス変
化は極く僅かであり、マッチングネットワークの調整は
容易である。

【００２２】次に、本プラズマＣＶＤ方法のポイント
は、上記したプラズマＣＶＤ装置を用いて被処理基板上
に薄膜を形成する点にある。したがって、誘電体材料窓
への堆積物に影響されず、安定で再現性の高いプラズマ
ＣＶＤ処理が可能となる。

【００２３】さらに、エッチング性のあるハロゲン系ガ
スを添加することにより、ＲＦアンテナやプラズマ生成
チャンバ等への膜堆積は最小限に抑制される。本発明の
プラズマＣＶＤ方法は、材料を問わず上記効果を発揮す
るが、特に導電性薄膜のプラズマＣＶＤに用いて効果が
大きい。

【００２４】

【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、以下に参照する図面におい
て、従来技術の説明で参照した図面中の構成要素と同じ
部分については、同一の参照符号を付すものとする。

【００２５】実施例１ 本実施例は、円筒コイル状のＲＦアンテナを用いた誘導
結合型プラズマＣＶＤ装置により、Ｔｉ層およびＴｉＮ
層を連続的に形成した例でありこれを図１（ａ）〜
（ｂ）および図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

【００２６】まず、本実施例のプラズマＣＶＤ装置の構
成例につき、図１（ａ）に示す概略断面図を参照して説
明する。本装置は、プラズマ生成チャンバ４側面内部の
プラズマに接する位置に、円筒コイル状のＲＦアンテナ
３を配設し、マッチングネットワーク２を経由してＲＦ
電源１からＲＦ電力を供給する。プラズマ生成チャンバ
４の壁面は例えばＡｌ系金属で構成し、抵抗加熱ヒータ
による加熱手段（図示せず）を有している。プラズマ成
膜チャンバ４上部にはプラズマガス導入孔７を配し、こ
こからプラズマ生成用のガスやハロゲン系ガスを供給
し、プラズマ５を生成する。プラズマ成膜チャンバ４の
下部には成膜チャンバ６を連接し、内部にはＲＦアンテ
ナ３の中心軸の延長線上に、基板ステージ９上に載置し
た被処理基板１０を配置する。ＲＦアンテナ３と基板ス
テージ９の中間の位置に、ソースガス導入孔７を配し、
ここから堆積性のガスを成膜チャンバ６内に直接導入す
る。なお同図では基板ステージ９の温度制御手段、真空
ポンプ等の細部は図示を省略する。

【００２７】ＲＦアンテナ３は図１（ｂ）に示す円筒コ
イル形状をなし、一例としてＣｕを構成材料とし、その
表面をＴｉまたはＴｉＮで被覆したものである。なおこ
のＲＦアンテナは、中空パイプとし、内部に水のような
冷媒を通して冷却すれば、イオン衝撃による昇温を抑え
ることが可能である。なおこのＲＦアンテナ３は、プラ
ズマ生成チャンバ４側面が傾斜したテーパ形状をなして
いる場合には、その傾斜面に沿ったテーパ付き円筒形状
であってもよい。図１（ｂ）に示すＲＦアンテナ構造に
よれば、プラズマ生成チャンバ５側壁に沿った面内にお
ける電子の回転運動により、均一でかつ高密度のプラズ
マを発生することが可能である。

【００２８】つぎに、本発明のプラズマＣＶＤ方法につ
き、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。本実施例
で用いた被処理基板は、従来例の説明で参照した図５
（ａ）と同一であるので、重複する説明を省略する。

【００２９】この被処理基板の接続孔３３底部に露出す
る拡散層上の自然酸化膜を希ＨＦ水溶液洗浄で除去した
後、図１に示したプラズマＣＶＤ装置の基板ステージ９
上に載置し、一例として下記条件によりＴｉ層を１０ｎ
ｍ堆積する。プラズマガス導入孔７より Ｈｅ １００ ｓｃｃｍ Ｃｌ₂ ３０ ｓｃｃｍ ソースガス導入孔８より ＴｉＣｌ₄ ２０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ４０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．１ Ｐａ ＲＦ電源パワー ２０００ Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４５０ ℃ 成膜後の状態を図３（ｂ）に示す。本プラズマＣＶＤ工
程においては、Ｈｅ／Ｃｌ₂ 混合ガスによるプラズマ５
が生成し、このプラズマ５によってソースガスとなるＴ
ｉＣｌ₄ を解離し、ガスフローの下流に位置する被処理
基板１０上にＴｉ層３４が形成される。解離生成したＴ
ｉ系のプリカーサの１部はプラズマ生成チャンバ４に拡
散し、プラズマ生成チャンバ４の内壁やＲＦアンテナ３
に付着するが、この付着量は僅かであり、またＲＦアン
テナ３はプラズマ５領域に接しており、誘電体材料窓を
介した結合ではないので、ＲＦの入射パワーが減衰する
ことはない。ＴｉのエッチングガスであるＣｌ₂ を添加
していることも、プラズマ生成チャンバ４の内壁やＲＦ
アンテナ３に付着するＴｉの量の低減に寄与する。した
がって、安定したデポジションレートで膜質のよい、ま
たオーバハングのないＴｉ層３４の成膜が可能である。

【００３０】続けて、下記条件により２０ｎｍの厚さに
ＴｉＮの成膜をおこなう。プラズマガス導入孔７より Ｈｅ １００ ｓｃｃｍ Ｃｌ₂ ３０ ｓｃｃｍ ソースガス導入孔８より ＴｉＣｌ₄ ２０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ ３０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．１ Ｐａ ＲＦ電源パワー ２０００ Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４５０ ℃ 本プラズマＣＶＤ工程では、Ｈｅ／Ｃｌ₂ 混合ガスによ
るプラズマ５が生成し、このプラズマ５によってソース
ガスとなるＴｉＣｌ₄ およびＮ₂ を解離し、ガスフロー
の下流に位置する被処理基板１０上にＴｉＮ層３５が形
成される。解離生成したＴｉＮ系のプリカーサの１部は
プラズマ生成チャンバ４に拡散し、プラズマ生成チャン
バ４の内壁やＲＦアンテナ３に付着する。しかしこの付
着量は僅かであり、またＲＦアンテナ３はプラズマ５領
域に接しており、誘電体材料窓を介した結合ではないの
で、ＲＦの入射パワーが減衰することはない。ＴｉＮの
エッチングガスであるＣｌ₂ を添加していることも、プ
ラズマ生成チャンバ４の内壁やＲＦアンテナ３に付着す
るＴｉＮの量の低減に寄与する。したがって、安定した
デポジションレートで膜質のよい、またオーバハングの
ないＴｉＮ層３５の成膜が可能である。この状態を図３
（ｃ）に示す。

【００３１】次に本プラズマ処理装置にゲートバルブを
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Ａｌ系金属層
３６を形成し、接続孔３３内部を埋め込む。ＴｉＮ層３
５のオーバーハングがないことから、Ａｌ系金属層３６
はボイドを発生することなく接続孔３３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（ｄ）に示す。

【００３２】本実施例によれば、円筒状のＲＦアンテナ
３をプラズマ成膜チャンバ４内のプラズマ領域に接する
位置に配設することにより、実用的なデポジションレー
トで、ステップカバレッジと膜質にすぐれた導電性薄膜
を堆積することが可能である。

【００３３】実施例２ 本実施例は、平面コイル状のＲＦアンテナを用いた誘導
結合型プラズマＣＶＤ装置により、Ｔｉ層およびＴｉＮ
層を連続的に形成した例でありこれを図２（ａ）〜
（ｂ）および図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

【００３４】まず、本実施例のプラズマＣＶＤ装置の構
成例につき、図２（ａ）に示す概略断面図を参照して説
明する。本装置は、プラズマ生成チャンバ４の天板近傍
のプラズマに接する位置に、平面コイル状のＲＦアンテ
ナ３を配設し、マッチングネットワーク２を経由してＲ
Ｆ電源１からＲＦ電力を供給する。プラズマ生成チャン
バ４の天板や壁面は例えばＡｌ系金属で構成し、抵抗加
熱ヒータによる加熱手段（図示せず）を有している。プ
ラズマ生成チャンバ４上部にはプラズマガス導入孔７を
配し、ここからプラズマ生成用のガスやハロゲン系ガス
を供給し、プラズマ５を生成する。プラズマ成膜チャン
バ４の下部には成膜チャンバ６を連接し、内部にはＲＦ
アンテナ３の中心軸の延長線上に、基板ステージ９上に
載置した被処理基板１０を配置する。ＲＦアンテナ３と
基板ステージ９の中間の位置に、ソースガス導入孔７を
配し、ここから堆積性のガスを成膜チャンバ６内に直接
導入する。なお同図では基板ステージ９の温度制御手
段、真空ポンプ等の細部は図示を省略する。

【００３５】ＲＦアンテナ３は図２（ｂ）に示す形状を
なし、一例としてＣｕを構成材料とし、その表面をＴｉ
またはＴｉＮ等のＴｉ化合物で被覆したものである。図
２（ｂ）においては、ＲＦアンテナ３は完全な２次元平
面コイル状であるが、プラズマ成膜チャンバ４の天板が
曲率を持ったドーム状の場合には、この曲率に沿った３
次元形状をなしてもよい。なおこのＲＦアンテナは、中
空パイプとし、内部に水のような冷媒を通して冷却すれ
ば、イオン衝撃による昇温を抑えることが可能である。
図２（ｂ）に示すＲＦアンテナ構造によれば、天板に沿
った面内における電子の回転運動により、均一でかつ高
密度のプラズマを発生することが可能である。

【００３６】つぎに、本発明のプラズマＣＶＤ方法につ
き、再び図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。本実
施例で用いた被処理基板も、従来例の説明で参照した図
５（ａ）と同一であるので、重複する説明を省略する。

【００３７】この被処理基板の接続孔３３底部に露出す
る拡散層上の自然酸化膜を希ＨＦ水溶液洗浄で除去した
後、図１に示したプラズマＣＶＤ装置の基板ステージ９
上に載置し、一例として下記条件によりＴｉ層を１０ｎ
ｍ堆積する。プラズマガス導入孔７より Ｈ₂ ２０ ｓｃｃｍ Ｃｌ₂ ３０ ｓｃｃｍ ソースガス導入孔８より ＴｉＣｌ₄ ３０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ ＲＦ電源パワー １５００ Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４００ ℃ 成膜後の状態を図３（ｂ）に示す。本プラズマＣＶＤ工
程においては、Ｈ₂ ／Ｃｌ₂ 混合ガスによるプラズマ５
が生成し、このプラズマ５によってソースガスとなるＴ
ｉＣｌ₄ を解離し、ガスフローの下流に位置する被処理
基板１０上にＴｉ層３４が形成される。解離生成したＴ
ｉ系のプリカーサの１部はプラズマ生成チャンバ４に拡
散し、プラズマ生成チャンバ４の内壁やＲＦアンテナ３
に付着するが、この付着量は僅かであり、またＲＦアン
テナ３はプラズマ５領域に接しており、誘電体材料窓を
介した結合ではないので、ＲＦの入射パワーが減衰する
ことはない。ＴｉのエッチングガスであるＣｌ₂ を添加
していることも、プラズマ生成チャンバ４の内壁やＲＦ
アンテナ３に付着するＴｉの量の低減に寄与する。した
がって、安定したデポジションレートで膜質のよい、ま
たオーバハングのないＴｉ層３４の成膜が可能である。

【００３８】続けて、下記条件により２０ｎｍの厚さに
ＴｉＮの成膜をおこなう。プラズマガス導入孔７より Ｈ₂ ２０ ｓｃｃｍ Ｃｌ₂ ３０ ｓｃｃｍ ソースガス導入孔８より ＴｉＣｌ₄ ３０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ ２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ ＲＦ電源パワー １５００ Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４００ ℃ 本プラズマＣＶＤ工程では、Ｈ₂ ／Ｃｌ₂ 混合ガスによ
るプラズマ５が生成し、このプラズマ５によってソース
ガスとなるＴｉＣｌ₄ およびＮ₂ を解離し、ガスフロー
の下流に位置する被処理基板１０上にＴｉＮ層３５が形
成される。解離生成したＴｉＮ系のプリカーサの１部は
プラズマ生成チャンバ４に拡散し、プラズマ生成チャン
バ４の内壁やＲＦアンテナ３に付着する。しかしこの付
着量は僅かであり、またＲＦアンテナ３はプラズマ５領
域に接しており、誘電体材料窓を介した結合ではないの
で、ＲＦの入射パワーが減衰することはない。ＴｉＮの
エッチングガスであるＣｌ₂ を添加していることも、プ
ラズマ生成チャンバ４の内壁やＲＦアンテナ３に付着す
るＴｉＮの量の低減に寄与する。したがって、安定した
デポジションレートで膜質のよい、またオーバハングの
ないＴｉＮ層３５の成膜が可能である。この状態を図３
（ｃ）に示す。次の図３（ｄ）に示すＡｌ系金属層３６
の形成は、前実施例と同じであるので説明を省略する。

【００３９】本実施例によれば、平面状のＲＦアンテナ
３をプラズマ成膜チャンバ４内のプラズマ領域に接する
位置に配設することにより、実用的なデポジションレー
トで、ステップカバレッジと膜質にすぐれた導電性薄膜
を堆積することが可能である。

【００４０】上述した２例の実施例とも、ＲＦアンテナ
３の配置個所をプラズマ生成チャンバ４のプラズマ５領
域に接する位置に配置した以外は、基本的には従来のＩ
ＣＰ装置あるいはＴＣＰ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の発生が可能であり、成膜
速度、均一性ともに優れたプラズマＣＶＤが可能であ
る。

【００４１】以上、本発明を２例の実施例を説明した
が、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、ＲＦアンテナを
有する誘導結合型のプラズマＣＶＤ装置として、ヘリコ
ン波プラズマＣＶＤ装置のように円筒ループ状ＲＦアン
テナを有する装置であってもよい。この装置は、米国特
許第５，０９１，０４９号明細書に開示されているよう
に、石英等によるべルジャの外周に複数のループ状のア
ンテナを配し、互いに逆位相の高周波を印加してべルジ
ャ内にホイッスラ波を発生し、ホイッスラ波からランダ
ウダンピングの過程を経て電子へエネルギを輸送してこ
れを加速し、高速電子を処理ガス分子に衝突させ、高イ
オン電流密度を得るものである。ヘリコン波は、ＲＦア
ンテナの外周に設置したソレノイドコイルの作る磁場に
沿って伝播する。

【００４２】上記ヘリコン波プラズマＣＶＤ装置の場合
にも、誘電体のべルジャを介してＲＦアンテナの作る電
界を印加しているので、べルジャ内壁に付着膜による堆
積が生じ、ＲＦ電界がシールドされる場合があった。そ
こで本発明を適用し、べルジャ内部にヘリコン波アンテ
ナを配設する構成とすれば、ヘリコン波アンテナの入射
パワーは安定し、デポジションレートと膜質にすぐれた
プラズマＣＶＤ処理が可能となる。

【００４３】堆積する導電性薄膜としてＴｉとＴｉＮを
例示したが、ＴｉＷ、ＴｉＯＮや多結晶シリコン等、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。

【００４４】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（Ｃ₂ Ｈ₅ ）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。

【００４５】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、Ｎ₂ Ｈ₄ 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。

【００４６】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。

【００４７】

【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ＣＶＤ装置によれば、誘導結合型のＲＦアン
テナを、プラズマ成膜チャンバの内部のプラズマ領域に
接する部分に配設したことにより、プラズマ生成チャン
バ内壁面への付着膜の影響から解放さる。このため、導
電性の薄膜であっても、高密度プラズマを安定して発生
しうるプラズマＣＶＤ装置を提供することが可能となっ
た。

【００４８】ＲＦアンテナの表面は、堆積する成膜材料
の構成元素を含む材料で被覆しておけば、ＲＦアンテナ
のスパッタによる被処理基板のコンタミネーションの虞
れはない。

【００４９】ＲＦアンテナをプラズマ生成チャンバの内
部に配設することにより、プラズマ生成チャンバの材質
を例えばＡｌ系金属等の金属材料で構成することが可能
となる。このため、プラズマ生成チャンバ壁面内に抵抗
加熱ヒータ等の加熱手段を付加することが可能になる。
これにより、ソースガスとして有機金属化合物を使用す
る場合に、プラズマ生成チャンバ壁面内に有機付着物が
堆積する現象を防止でき、パーティクル汚染の減少に寄
与する。

【００５０】さらに、ＴｉＣｌ₄ 等、堆積に直接寄与す
るソースガス導入孔はＲＦアンテナと基板ステージの間
に配設することにより、プラズマ生成チャンバやＲＦア
ンテナへの堆積が減少する。

【００５１】また、本発明のプラズマＣＶＤ方法によれ
ば、ＴｉやＴｉＮ等の導電性薄膜の形成であっても、高
密度プラズマを用いた、デポジションレートが高く膜質
にすぐれた薄膜を、安定して再現性よく成膜することが
可能である。

【００５２】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、ＲＦアンテナやプラズマ生成チャンバ
内壁面への膜付着をさらに低減でき、パーティクル汚染
が低減できる。

【００５３】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ＲＦアンテナの形状を示す
斜視図である。

【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ＲＦアンテナの形状を示す
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、その工程順に示す図面であり、（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系金属層を形成した状
態である。

【図４】従来例の説明に供する、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】従来例の問題点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Ｔｉ層を形成した状態、
（ｃ）はＴｉＮ層を形成した状態、（ｄ）はＡｌ系金属
層を形成してボイドが発生した状態である。

【図６】従来例のＩＣＰによるプラズマＣＶＤ装置を示
す概略断面図である。

【図７】従来例のＴＣＰによるプラズマＣＶＤ装置を示
す概略断面図である。

【符号の説明】

１ ＲＦ電源 ２ マッチングネットワーク ３ ＲＦアンテナ ４ プラズマ生成チャンバ ５ プラズマ ６ プラズマ成膜チャンバ ７ プラズマガス導入孔 ８ ソースガス導入孔 ９ 基板ステージ １０ 被処理基板 １１ ターゲット １２ コリメータ １３ スパッタリングチャンバ １４ 誘電体材料窓 １５ 付着膜 ３１ 半導体基板 ３２ 層間絶縁膜 ３３ 接続孔 ３４ Ｔｉ層 ３５ ＴｉＮ層 ３６ Ａｌ系金属層 ３７ ボイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｌ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205 H01L 21/285 H01L 21/31 H05H 1/46

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒コイル状および平面コイル状のうち
   のいずれか一方のＲＦアンテナ、プラズマ生成チャン
   バ、ソースガス導入孔および基板ステージを具備する導
   電性薄膜形成用誘導結合型プラズマＣＶＤ装置であっ
   て、 前記ＲＦアンテナの少なくとも表面は、前記導電性薄膜
   の構成元素を含む材料で被覆されるとともに、 前記プラズマ生成チャンバ内のプラズマ領域に接する位
   置に、前記ＲＦアンテナを配設することを特徴とする、
   プラズマＣＶＤ装置。
2. 【請求項２】 前記成膜材料の構成元素を含む材料は、
   Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷおよびＴｉＯＮのうちのいずれか
   であることを特徴とする、請求項１記載のプラズマＣＶ
   Ｄ装置。
3. 【請求項３】 プラズマ成膜チャンバ壁面の加熱手段を
   有することを特徴とする、請求項１記載のプラズマＣＶ
   Ｄ装置。
4. 【請求項４】 ソースガス導入孔は、ＲＦアンテナと基
   板ステージの間に配設することを特徴とする、請求項１
   記載のプラズマＣＶＤ装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１項記載の
   プラズマＣＶＤ装置により、被処理基板上に導電性薄膜
   を形成することを特徴とする、プラズマＣＶＤ方法。
6. 【請求項６】 ハロゲン系ガスを添加することを特徴と
   する、請求項５記載のプラズマＣＶＤ方法。