JPH09320991A - 窒化チタン薄膜の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 処理室内部のプラズマ発生電極の二つの端子
の一方に高周波電力を供給し他方の端子をコンデンサを
介して接地してプラズマを発生させるとともに、基体に
高周波バイアス電力を印加することにより、プラズマＣ
ＶＤ法で（１１１）結晶配向を有する窒化チタン薄膜を
堆積する。 【解決手段】 四塩化チタンを毎分２０ミリリットル、
水素ガスを毎分２００ミリリットル、窒素ガスを毎分２
０ミリリットル、アルゴンガスを毎分３５ミリリットル
の流量で流し、処理室２０内の圧力を１．３Ｐａに、基
体２１の温度を４５０℃に設定した。プラズマ発生電極
６１に供給する高周波電力は３．０ｋＷとし、基体ホル
ダー２５に供給する高周波バイアス電力は３００Ｗとし
た。コンデンサ８１の容量は５００ｐＦにした。このよ
うな条件で、（１００）結晶配向のシリコンウェーハ上
に、毎分約６０ｎｍの堆積速度で、（１１１）結晶配向
の窒化チタン薄膜が堆積した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、処理室の内部にプ
ラズマ発生電極を備えるプラズマＣＶＤ装置を用いて窒
化チタン（ＴｉＮ）薄膜を作製する方法に関し、特に
（１１１）結晶配向を有する窒化チタン薄膜を作製する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化チタン薄膜の用途として半導体集積
回路がある。この場合、窒化チタン薄膜は、半導体集積
回路の金属配線材料と半導体または絶縁体との間に形成
され、これによって、金属配線材料と半導体または絶縁
体との間の拡散を防止する機能を果たしたり、金属配線
材料と半導体または絶縁体との密着性を高める機能を果
たしたりしている。

【０００３】半導体集積回路の金属配線材料としては、
アルミニウムまたはアルミニウム合金（例えばＡｌ−１
％Ｓｉ）が一般に用いられている。アルミニウムまたは
アルミニウム合金を金属配線材料として用いた場合、エ
レクトロマイグレーションやストレスマイグレーション
の現象によって、配線が断線したり、隣接配線間でショ
ートしたりする問題が生じる。そこで、アルミニウムま
たはアルミニウム合金からなる金属配線材料の結晶配向
を（１１１）にすることで、エレクトロマイグレーショ
ンに対する耐性を向上させることが知られている。な
お、（１１１）結晶配向の薄膜とは、（１１１）結晶格
子面が薄膜表面に平行になっていることを意味してい
る。

【０００４】下地としての窒化チタン薄膜上に、配線材
料として（１１１）結晶配向のアルミニウムまたはアル
ミニウム合金を形成する場合、アルミニウムまたはアル
ミニウム合金の結晶配向は下地の窒化チタン薄膜の結晶
配向の影響を強く受ける。そこで、下地の窒化チタン薄
膜を（１１１）結晶配向にすることが重要になってく
る。

【０００５】一方、半導体集積回路の高集積化及び微細
化に伴い、集積回路中の配線はますます細くなってきて
いる。特に半導体との電気的接続に用いられるコンタク
トの金属配線の形成において、あらかじめ半導体の上に
絶縁膜を形成し、この絶縁膜にエッチングでコンタクト
ホールをあけて、このコンタクトホールの底部及び側壁
に窒化チタン薄膜を形成し、その上に金属配線を形成す
る方法が用いられている。この窒化チタン薄膜は、拡散
防止膜として、また密着性向上膜として、機能してい
る。

【０００６】コンタクトホールに窒化チタン薄膜を形成
する代表的な方法としてはスパッタリング法とＣＶＤ法
がある。スパッタリング法では、コンタクトホールの入
り口にオーバーハング状に膜が堆積し、コンタクトホー
ルの底部及び側壁に窒化チタン薄膜が十分に堆積できな
いという問題がある。

【０００７】これに対して、ＣＶＤ法は、原理的にコン
タクトホールの底部と側壁に均一に膜が堆積する。この
ＣＶＤ法の代表的なものに、熱エネルギーで化学反応を
促す熱ＣＶＤ法と、プラズマで原料ガスを活性化させて
化学反応を促すプラズマＣＶＤ法がある。

【０００８】熱ＣＶＤ法を用いて（１１１）結晶配向を
持った窒化チタン薄膜を得ようとすると、成膜温度を６
００℃から７００℃以上にする必要がある（参考文献：
N.Yokoyama, K.Hideo and Y.Homma, J.Electrochem.So
c., Vol.138(1991), pp.190-195）。しかし、半導体集
積回路の高集積化及び微細化に伴って薄膜堆積時の低温
化が求められている現状を考えると、このような高温の
成膜プロセスは好ましくない。

【０００９】そこで、熱ＣＶＤ法に比べて低温成膜が可
能なプラズマＣＶＤ法が注目されている。しかし、従来
のプラズマＣＶＤ法で窒化チタン薄膜を堆積すると、主
たる結晶配向は（２００）になり、（１１１）結晶配向
の膜を４５０℃以下の基体温度で得ることは難しいとい
う問題がある（参考文献：川島淳志、宮本孝章、門村新
吾、青山純一、第４９回半導体・集積回路技術シンポジ
ウム講演論文集(1995)、pp.120-125）。

【００１０】なお、スパッタリング法で窒化チタン薄膜
を作製する場合に、基体にバイアス電力を印加して負の
バイアス電圧を発生させることにより、窒化チタン薄膜
の結晶配向性を制御する方法が知られている（参考文
献：Makiko Kageyama, KeiichiHashimoto and Hiroshi
Onoda, IEEE/IRPS(1991), pp.97-101）。しかし、この
方法では、基体に印加する負のバイアス電圧を増加させ
ると、得られる窒化チタン薄膜の結晶配向性は（２０
０）が主となり、（１１１）結晶配向は得られない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】結局、従来のＣＶＤ法
やスパッタリング法では、成膜時の基体温度をあまり高
くすることなく（１１１）結晶配向を有する窒化チタン
薄膜を作製することが困難であった。

【００１２】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的は、プラズマＣＶＤ
法により、成膜時の基体温度をあまり高くせずに（１１
１）結晶配向を有する窒化チタン薄膜を作製することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマＣＶ
Ｄ法で窒化チタン薄膜を作製する場合に、二つの端子を
備えたプラズマ発生電極を処理室の内部に配置し、この
プラズマ発生電極の一方の端子を高周波電力供給源に接
続し、他方の端子をコンデンサを介して接地して、前記
処理室の内部にプラズマを発生させている。そして、基
体に高周波バイアス電力を印加している。これにより、
基体上に（１１１）結晶配向を有する窒化チタン薄膜を
堆積できる。得られる窒化チタン薄膜は、低抵抗率で低
塩素含有量となり、良好な膜質となる。この窒化チタン
薄膜は、半導体集積回路の金属配線のための拡散防止膜
および密着膜として用いることができる。例えば、（１
１１）結晶配向の窒化チタン薄膜の上に、金属配線とし
てアルミニウム合金を堆積すると、このアルミニウム合
金も（１１１）結晶配向となって、各種マイグレーショ
ン耐性が良好となる。

【００１４】基体に印加する高周波バイアス電力は約１
００〜３０００Ｗにする。高周波バイアス電力が約１０
０Ｗ以下では、窒化チタン薄膜の（１１１）配向はほと
んど見られなくなる。ところで、厳密に言えば、窒化チ
タン薄膜の（１１１）配向が優勢になり始める高周波バ
イアス電力の値は、プラズマ発生電極に印加する高周波
電力に依存して多少変動することが観測されている。こ
の点を考慮して、高周波バイアス電力の下限値を「約」
１００Ｗにしている。また、高周波バイアス電力を３０
００Ｗ以上にすると、基体に発生する負のバイアス電圧
の絶対値が大きくなり過ぎて、プラズマ中の正イオンに
よる基体へのダメージが大きくなり、好ましくない。そ
して、好ましくは、高周波バイアス電力を３００〜１０
００Ｗにする。この範囲では、（１１１）配向性が十分
高まるとともに、基体のダメージは比較的小さい。

【００１５】プラズマ発生電極の他方の端子に接続する
コンデンサの容量としては１００ｐＦ〜１０μＦが適当
である。これよりも容量が小さすぎると放電が不安定に
なりやすい。また、これよりも容量が大きすぎると、高
周波特性の良好なセラミックコンデンサを使用する場合
にコンデンサが大きくなりすぎて実用的でない。

【００１６】処理室は接地するのが普通であるが、処理
室を直流的にアースから浮かすようにしてもよい。すな
わち、処理室とアースの間にコンデンサを挿入してもよ
く、その場合に、このコンデンサの容量を制御して処理
室の電位を調節してもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、この発明で使用するプラ
ズマＣＶＤ装置の一例の構成図であり、処理室の部分は
正面断面図を示している。真空に保持可能な処理室２０
の内部には、基体ホルダー２５とプラズマ発生電極６１
とが配置されていて、基体ホルダー２５にはバイアス電
力供給源９０が接続され、プラズマ発生電極６１には電
力供給源５０と接地結合機構８０とが接続されている。
また、処理室２０には、ガス導入機構１０と排気機構３
０がつながっている。

【００１８】まず、ガス導入機構１０について説明す
る。図２はガス導入機構１０の構成図である。このガス
導入機構１０は４種類のガスを使用できるようになって
いる。四塩化チタン容器１ａは、常温常圧で液体状態の
四塩化チタンを所定の温度に加熱する恒温槽であり、こ
の恒温槽で蒸気化された四塩化チタンは、流量制御器１
２ａとバルブ１３ａを経由して処理室２０に導入され
る。水素ガス容器１ｂと窒素ガス容器１ｃとアルゴンガ
ス容器１ｄは高圧ガスボンベの形態であり、これらの中
に入っているガスは、各々減圧弁１１ｂ、１１ｃ、１１
ｄで減圧され、流量制御器１２ｂ、１２ｃ、１２ｄで流
量制御され、バルブ１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを開くと処
理室２０に導入される。ガス導入機構１０の出口は、プ
ラズマ発生電極６１の中心付近に開口している。バルブ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、各ガスを導入する
ときに開くものであるが、処理室２０の内部を大気にす
るときには、各ガスが大気で汚染されるのを防ぐために
バルブ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを閉じる。

【００１９】次に、図１に戻って、基体ホルダー２５の
構造を説明する。基体２１は基体ホルダー２５の上に置
かれる。基体ホルダー２５の内部にはヒーター２６と熱
電対２７がある。基体ホルダー２５の温度は熱電対２７
で測定され、図示しない基体温度調節装置によってヒー
ター２６に電力が供給されて、基体２１の温度が制御さ
れる。この基体温度調節装置はＰＩＤ制御方法を用いて
いるが、必要に応じてファジー回路を併用したり、ＰＩ
制御や、単なるＯＮ−ＯＦＦ制御を採用してもよい。

【００２０】次に、排気機構３０を説明する。荒引きポ
ンプ３１は油回転ポンプ（排気速度は毎分６５０リット
ル）であり、荒引きバルブ３２を介して処理室２０に接
続される。処理室２０のクリーン性が非常に重要な場合
は、荒引きポンプ３１としてオイルフリーのポンプを用
いることができ、また、メンテナンス性を向上させるに
はドライポンプを用いてもよい。メインポンプ３５はバ
リアブルオリフィス３４とメインバルブ３３を介して処
理室２０に接続され、後段には補助ポンプ３６が接続さ
れている。メインポンプ３５は複合型ターボ分子ポンプ
（排気速度は毎秒１３００リットル）であり、処理室２
０内のクリーン性がそれほど重要でなければ油拡散ポン
プを用いることもできる。補助ポンプ３６は油回転ポン
プ（排気速度は毎分１１８０リットル）であり、荒引き
ポンプ３１と同様にドライポンプ等を用いてもよい。

【００２１】処理室２０を大気圧から排気するには、ま
ず、荒引きバルブ３２を開いて荒引きポンプ３１で処理
室２０を排気する。処理室２０の内部の圧力が所定の圧
力（排気系によって異なるが本実施形態では約１００Ｐ
ａ）まで排気された後に、荒引きバルブ３２を閉め、メ
インバルブ３３を開いて、メインポンプ３５によってさ
らに低圧力領域まで排気する。真空計で測定された処理
室圧力をもとにバリアブルオリフィス３４を開閉して、
処理室２０内の圧力を所定の値に調節できる。再現性の
良い安定したプラズマを得るためにはバリアブルオリフ
ィス３４を用いることは有効である。

【００２２】次に、基体にバイアス電力を印加する機構
について説明する。基体ホルダー２５は、インピーダン
ス整合回路９１を介してバイアス用高周波電源９２に接
続されている。このインピーダンス整合回路９１とバイ
アス用高周波電源９２でバイアス電力供給源９０が構成
されている。バイアス用高周波電源９２によって誘起さ
れた交番電力は、インピーダンス整合回路９１でインピ
ーダンス調整されて、基体ホルダー２５に供給され、基
体２１のバイアス電圧が調整される。基体ホルダー２５
の周囲には、処理室２０に接続されたシールド板９３が
あり、また、基体ホルダー２５は絶縁体９４によって処
理室２０から電気的に絶縁されている。バイアス用高周
波電源９２の周波数は、プラズマ発生用の高周波電源５
２の周波数とは少なくとも５００Ｈｚ以上異なることが
必要である。そうしないと、２つの高周波が干渉して、
安定したプラズマを得ることができない。本実施形態で
は、プラズマ発生用の高周波電源５２の周波数を１３．
５６０ＭＨｚ、バイアス用高周波電源９２の周波数を１
３．５６２ＭＨｚとした。

【００２３】次に、磁場発生機構を説明する。処理室２
０の周囲には、上下方向に細長い多くの永久磁石１２１
が配置されている。図５は図１の５−５線断面図であ
り、処理室２０の水平断面を示している。２４個の永久
磁石１２１は、処理室２０の周囲に互いに等間隔に配置
されていて、隣り合う永久磁石１２１は互いに反対の極
性になっている。すなわち、処理室２０の内部に向かっ
てＮ極とＳ極とが交互に配置されている。これらの永久
磁石１２１の働きにより、処理室２０の内壁面近傍には
マルチカスプ磁場１２２が形成される。なお、永久磁石
の形状や個数はこれに限定されるものではなく、処理室
２０の内部に向かってＮ極とＳ極とが交互に配置される
限り、別の構成としてもよい。

【００２４】永久磁石１２１はランタン系の希土類磁石
（寸法２５．４ｍｍ×６．３ｍｍ×１２．８ｍｍ）を組
み合わせて構成した。この磁石の表面の磁束密度は１６
００ガウスであるが、約４００〜２２００ガウスの範囲
の磁石が有効である。磁束密度が小さすぎると、プラズ
マの閉じ込め効果が弱くなり、基体の周辺部で表面処理
の均一性が劣ってくる。磁束密度が大きすぎると、処理
室の内壁からプラズマが離れすぎて、プラズマの均一性
が保たれる領域が、処理室の内径に比較して小さくな
る。磁極間隔は１５０ｍｍ以内にするのが望ましい。磁
極間が離れすぎると、磁極間の中央部の磁束密度が小さ
くなってしまい、プラズマの閉じ込め効果が減少する。
この実施例では磁極間隔は２４ｍｍである。

【００２５】このようなマルチカスプ磁場１２２を用い
ると、磁場によるプラズマ閉じこめの効果により、処理
室２０の内壁面の近傍までプラズマが拡散することがな
く、均一な高密度のプラズマを維持できる。このマルチ
カスプ磁場と、バイアス電力供給源とを併用すると、大
型基体の表面に均一に大電流のイオンを流入させること
ができる。

【００２６】次に、プラズマ発生装置を説明する。プラ
ズマ発生装置は、処理室２０の内部にプラズマを発生さ
せるためのものであり、図１において、電力供給源５０
と、プラズマ発生電極６１と、接地結合機構８０とを備
えている。プラズマ発生電極６１は、実質的に１ターン
のコイルであり、処理室２０の壁を貫通する１対の導入
端子６２、６３を備えている。プラズマ発生電極６１は
基体２１に対向している。図３はプラズマ発生電極６１
の平面図である。このプラズマ発生電極６１は、金属パ
イプを、ほぼ１周の円環状に曲げたものである。直径は
約１４０ｍｍである。この円環状の部分に対して垂直に
なるように導入端子６２、６３が形成されている。この
金属パイプは処理室内にそのまま露出しているので、プ
ラズマ発生電極６１の表面は導電体である。この金属パ
イプの内部に冷却水を流せばこの電極を水冷できる。た
だし、必要に応じて空冷とすることができ、小電力の場
合は冷却しなくてもよい。

【００２７】次に、プラズマ発生電極の冷却機構を説明
する。この実施形態では、導入端子６２、６３とプラズ
マ発生電極６１は中空であり、内部に冷却水を通すこと
ができる。導入端子６２、６３にはフッ素樹脂製の通水
チューブを接続してあり、供給側のチューブには、１平
方センチメートル当たり約５ｋｇの圧力の水を供給し、
排出側のチューブは大気圧に近い圧力としている。供給
口の冷却水温度は約１５℃であり、プラズマ発生電極６
１の内部を流れる水の流量は毎分約３リットルである。
冷却媒体としては、大きな比熱、入手の容易性、小さな
粘性、などの観点から水が最も優れているが、それ以外
の媒体を使用してもよい。空気冷却や窒素ガス冷却を採
用する場合は、流量を大きくするとよい。窒素ガス冷却
では、水分を含まないので、電極の水分腐蝕を防止でき
る。

【００２８】プラズマ発生電極はプラズマに直接接する
ために、プラズマによってその表面がエッチングされる
可能性がある。実験によれば、プラズマ発生電極を水冷
すると、このエッチングを抑制でき、プラズマ発生電極
の寿命を延ばすことができる。水冷しない場合には、プ
ラズマ発生電極の直径の減少率は１時間当たり０．１ｍ
ｍであったが、水冷すると１時間当たり０．０１ｍｍで
あった。プラズマ発生電極がエッチングされると、これ
が基体上の膜中に混入して不純物となる可能性がある
が、水冷すれば、このエッチング量を少なくできる。

【００２９】図４はプラズマ発生電極の導入端子と処理
室との間に設けられる絶縁リングの一部を切断した斜視
図である。この絶縁リング７１は、電気絶縁材料である
石英ガラスでできている。この絶縁リング７１とプラズ
マ発生電極の導入端子６２、６３の間、及び、絶縁リン
グ７１と処理室２０との間は真空シールされている。こ
の絶縁リング７１は、円板７２の中央に円形の貫通孔７
３が形成されていて、円板７２の一方の側（処理室空間
に露出する側）に３個の円環状の突起７４が互いに同心
状に形成されている。この円環状の突起７４の間には、
２個の円環状の溝７９が形成される。溝７９の開口部
は、貫通孔７３の軸線に垂直な平面内にあり、溝７９の
深さ方向は、貫通孔７３の軸線に平行である。これらの
突起７４と溝７９は、全て、貫通孔７３に対して同心で
ある。貫通孔７３にはプラズマ発生電極の円筒状の導入
端子６２（図１参照）が挿入される。３個の円環状の突
起７４は、いずれも、高さが５０ｍｍ、肉厚が１ｍｍで
ある。したがって、溝７９の深さも５０ｍｍである。ま
た、溝７９の幅（隣り合う突起７４の間隔）は１ｍｍで
ある。円環状の突起７４の全面と、円板７２の処理室に
露出する側の表面（図４の上側の面）は、ブラスト処理
が施されて粗面化されている。この粗面化により、絶縁
リング７１に付着した膜をはがれにくくし、膜のはがれ
による処理室内部のダスト汚染を防止している。これを
詳しく説明すると、絶縁リング７１において、溝７９の
内部以外の部分には膜が付着する可能性があり、例え
ば、突起７４の頂面や、一番外側の突起７４の外周面
や、これより外側の円板表面には膜が付着する可能性が
ある。これらの箇所に粗面化が施されていると、この部
分に付着した膜がはがれにくくなる。

【００３０】図１に戻って、プラズマ発生電極６１の一
方の導入端子６２は、インピーダンス整合回路５１を介
して高周波電源５２に接続されている。このインピーダ
ンス整合回路５１と高周波電源５２で電力供給源５０が
構成される。高周波電源５２の周波数は１３．５６ＭＨ
ｚで、定格出力は３ｋＷである。ただし、周波数はこれ
に限定されず、ｋＨｚオーダーや、６０ＭＨｚや、１０
０ＭＨｚを用いてもよく、使用可能範囲は１０ｋＨｚ〜
１０００ＭＨｚ程度である。この範囲の上限を越えると
導電体を配線材料として使用できなくなり、下限を下回
ると電波として発信しなくなる。また、その出力波形
も、正弦波のみならずこれに所定の変形を施した波形で
もよい。インピーダンス整合回路５１としてはΠ（パ
イ）型回路を用いているが、これ以外の例えばＴ型回路
等を使用してもよい。高周波電源５２によって誘起され
た交番電力は、インピーダンス整合回路５１でインピー
ダンス調整されてプラズマ発生電極６１に供給される。

【００３１】次に、接地結合機構８０を説明する。この
接地結合機構８０は、プラズマ発生電極６１の導入端子
６３と接地電位との間に設けられるものであり、コンデ
ンサ８１を含んでいる。このコンデンサ８１により、プ
ラズマ発生電極６１の一端は、直流的にアースから遮断
される。この実施形態のコンデンサ８１の静電容量は約
５００ｐＦである。ただし、この容量に限定されず、処
理条件に応じて、１００ｐＦ〜１０μＦ程度の容量を使
用できる。これに対して、プラズマ発生電極６１と処理
室２０との間の浮遊容量は数ｐＦ程度である。コンデン
サ８１としては、高周波特性が優れていて耐電圧性があ
るセラミックコンデンサが適している。

【００３２】処理室内にプラズマを発生させると、接地
結合機構８０のコンデンサ８１の存在により、プラズマ
発生電極６１に直流バイアス電圧が誘起される。図９は
コンデンサ８１の静電容量と、プラズマ発生電極６１に
誘起されるバイアス電圧との関係を示したグラフであ
る。このグラフから分かるように、コンデンサの容量に
応じて直流バイアス電圧の絶対値が変化する。したがっ
て、コンデンサの容量を変更することによってプラズマ
発生電極の直流バイアス電圧を任意の値に設定すること
が可能になる。プラズマ発生電極がスパッタリングされ
てしまう場合には、コンデンサの容量を小さくすれば直
流バイアス電圧の絶対値が小さくなり、プラズマ発生電
極のスパッタリングを抑制できる。そこで、図８に示す
ように接地結合機構８０ａとして可変コンデンサ８１ａ
を用いると、コンデンサの容量変更が簡単になり、プラ
ズマ発生電極の直流バイアス電圧の制御が容易になる。
また、プラズマ発生電極の直流バイアス成分をモニター
するようにすれば、プラズマ処理をバッチ処理で行った
場合に、バッチ処理回数の増加により微妙にプラズマ処
理条件が変化した場合でも、直流バイアス成分が一定に
なるようにコンデンサの容量を制御することができる。

【００３３】ところで、上述のスパッタリングの効果を
逆に利用することもできる。例えば、基体上に膜を堆積
する場合にプラズマ発生電極にも膜が堆積されてしまう
ことがあるが、このようなときには、コンデンサの容量
を適当に増加して、プラズマ発生電極上の堆積膜だけが
スパッタリングされてプラズマ発生電極自体はスパッタ
リングされないようなコンデンサ容量を探すことができ
る。

【００３４】図１０は接地結合機構のさらに別の例を示
す。この接地結合機構８０ｂでは、プラズマ発生電極６
１の導入端子６３と可変コンデンサ８１ａの間に、イン
ダクタ８３を介して直流電源８２を接続してある。これ
により、プラズマ発生電極６１の電位をより積極的に制
御できる。

【００３５】ところで、図１において、プラズマ発生電
極の導入端子６３を、コンデンサ８１を介することなく
直接、接地すると、処理室内のプラズマは、容量結合性
の強い放電となって、処理室の空間全体さらには排気機
構３０の空間にまで広がる。その結果、プラズマの電子
密度が低くなる。一方、コンデンサ８１を介して接地す
ると、プラズマが処理室内の中央部分に局在化して、プ
ラズマの電子密度が高くなる。具体例を述べると、アル
ゴンガスを処理室に導入して、圧力を６ｍＴｏｒｒ、プ
ラズマ発生電極への投入電力を２ｋＷとしてプラズマを
発生させたときに、プラズマの電子密度は、１立方セン
チメートル当たり「１０の１１乗」個に達した。

【００３６】次に、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて
窒化チタン薄膜を作製する第１実施例を説明する。図１
と図２において、容器１ａから供給される四塩化チタン
を毎分２０ミリリットル、容器１ｂからの水素ガスを毎
分２００ミリリットル、容器１ｃからの窒素ガスを毎分
２０ミリリットル、容器１ｄからのアルゴンガスを毎分
３５ミリリットルの流量で流した。処理室２０内の圧力
は１．３Ｐａに設定し、基体２１の温度は４５０℃に設
定した。高周波電源５２からプラズマ発生電極６１に供
給する電力は３．０ｋＷとし、バイアス用高周波電源９
２から基体ホルダー２５に供給する電力は３００Ｗとし
た。コンデンサ８１の容量は５００ｐＦにした。

【００３７】このような条件で、（１００）結晶配向の
８インチのシリコンウェーハ上に薄膜を堆積すると、毎
分約６０ｎｍの堆積速度で、窒化チタンを主成分とした
膜が堆積した。この膜の面内膜厚分布は±１０％以下で
あった。また、穴径０．４５μｍ、深さ１μｍの穴に膜
を埋め込んだ場合には、穴の底部と側壁に被覆性良好に
窒化チタン薄膜を形成できた。堆積した窒化チタン薄膜
の結晶配向性をＸ線回折で調べたところ、そのメインピ
ークは（１１１）配向のものであった。また、膜の抵抗
率を四探針法で測定したところ３６μΩｃｍと低い値が
得られ、膜中の塩素含有量も約０．１原子％と小さい値
になり、非常に良質な窒化チタン薄膜が得られた。

【００３８】図６は上述の条件（プラズマ発生電極に供
給する高周波電力は３ｋＷ）で作成した窒化チタン薄膜
の結晶配向を示すＸ線回折パターンのグラフである。横
軸がＸ線回折による回折角度（２θ）であり、縦軸が回
折強度である。このグラフは、基体ホルダーに印加する
高周波電力を変化させたときの回折パターンの変化を示
している。このグラフから分かるように、基体ホルダー
に１２０Ｗの直流バイアス電力を印加してバイアス電圧
をプラス側にしたときと、バイアス電力を０Ｗにしたと
きは、（２００）の回折ピークと（１１１）の回折ピー
クとの間で、回折強度にほとんど差が見られない。これ
に対して、高周波バイアス電力を１００Ｗにする（基体
は負のバイアス電圧になる）と、（１１１）の回折ピー
クの強度の方がわずかに大きくなる。高周波バイアス電
力を２００Ｗにすると、（１１１）の回折ピークの強度
がもっと大きくなる。高周波バイアス電力を３００Ｗに
すると、（１１１）ピークの強度がさらに増加するとと
もに（２００）ピークの強度が目立って減少する。高周
波バイアス電力を７００Ｗにすると、（１１１）ピーク
の強度が非常に大きくなり、（２００）ピークはほとん
ど観測されなくなる。このように、基体ホルダーに印加
する高周波バイアス電力が増加するにつれて、得られる
窒化チタン薄膜は（１１１）に強く配向するようにな
る。なお、図６において、窒化チタンの既知の（１１
１）ピークの回折角度に対して、観測された（１１１）
ピークがわずかに低角度側にシフトしているのは、膜の
応力の影響によって（１１１）の格子面間隔が標準値よ
りもわずかに大きくなるからであると推測される。

【００３９】図１３は、図６のグラフに関連して、高周
波バイアス電力が比較的小さい領域において、（２０
０）ピークの回折強度「Ｉ（２００）」に対する（１１
１）ピークの回折強度「Ｉ（１００）」の比（以下、回
折強度比という。）を、高周波バイアス電力を変化させ
て測定したグラフである。バイアス電力が０Ｗのとき
は、回折強度比がわずかに１を下回っているのが観測さ
れた。すなわち、（２００）ピークの回折強度の方が
（１１１）ピークの回折強度をわずかに上回っている。
バイアス電力を１００Ｗにすると、回折強度比は明らか
に１を超えるようになり、（１１１）配向が優勢になっ
ている。バイアス電力を２００Ｗにすると回折強度比は
さらに増加する。このグラフから、（１１１）配向がわ
ずかでも優勢になるようにするには、プラズマ発生電極
に３ｋＷの高周波電力を印加した条件では、基体に対す
る高周波バイアス電力を１００Ｗ以上にすればよいこと
が分かる。なお、プラズマ発生電極に印加する高周波電
力を２ｋＷに変更すると、（１１１）配向が優勢となり
始める高周波バイアス電力が変化する（図６の場合より
も低バイアス電力側にシフトする）。すなわち、プラズ
マ発生電極に印加する高周波電力の値に応じて、（１１
１）配向が優勢になり始める高周波バイアス電力の下限
値も変動する。このような変動があるものの、おおむ
ね、高周波バイアス電力を１００Ｗ以上にすれば（１１
１）配向が優勢になる。

【００４０】次に、第２実施例を説明する。この第２実
施例では基体の温度をさらに低温の３５０℃に設定し
た。それ以外の条件は上述の第１実施例の成膜条件と同
じである。この場合、堆積速度、面内膜厚分布、穴への
被覆性、（１１１）配向性については、第１実施例で得
られた窒化チタン薄膜と同様であった。また、膜の抵抗
率は約４０μΩｃｍ、膜中の塩素含有量は約０．２原子
％であった。このように、基体温度を３５０℃まで下げ
ても良好な窒化チタン薄膜が得られた。

【００４１】図１において、プラズマ発生電極６１の材
質はチタンであるが、このチタンは堆積膜（窒化チタ
ン）の構成元素の一つである。したがって、プラズマ発
生電極がスパッタリングされてチタンが薄膜に混入した
としても、これが窒化チタン薄膜の汚染物質にはならな
い。

【００４２】図５に示すように処理室の内壁面近傍にマ
ルチカスプ磁場を形成すると、処理室の内壁面から約５
ｃｍ以上離れた処理室中心部で、比較的均一性の良いプ
ラズマを維持できる。大型の基体を均一性（膜厚分布、
膜質分布、底部被覆率の均一性）良く成膜するためには
このマルチカスプ磁場を形成することは非常に有益であ
る。特に、基体バイアス電力供給源と併用すると、良好
な底部被覆率が均一性良く得られ、より一層の効果があ
る。このマルチカスプ磁場を形成することにより、窒化
チタン薄膜の膜厚分布が良好になる。

【００４３】図１の装置例では、プラズマ発生電極６１
は１ターンコイルとしたが、別の形状にすることもでき
る。図１１（Ａ）はプラズマ発生電極を２ターンコイル
の形状にした例である。さらに３ターン以上にしてもよ
い。図１１（Ｂ）のプラズマ発生電極は水平面内で渦巻
き状に巻いた例である。図１１（Ｃ）のプラズマ発生電
極は１枚の矩形の平板の例であり、図１１（Ｄ）は１枚
の円形の平板の例である。また、図１２（Ａ）のプラズ
マ発生電極は直線状に延びた１本の棒状にした例であ
る。図１２（Ｂ）のプラズマ発生電極は３本の棒状の電
極を水平面内で並列に並べた例であり、図１２（Ｃ）の
プラズマ発生電極は３本の棒状の電極を鉛直面内で並列
に並べた例である。そして、これらの図１１と図１２に
示すいずれの電極例も、二つの端子を備えていて、一方
の端子が高周波電源に接続され、他端がコンデンサを介
して接地される。そして、いずれの場合も、二つの端子
は、プラズマ発生電極の両端付近に位置している。ま
た、これらのプラズマ発生電極とその二つの端子は、内
部に冷却水を通すことで冷却できる。

【００４４】図７は本発明で使用するプラズマＣＶＤ装
置の別の例の要部構成図である。この例では、プラズマ
発生電極６１の上方にソレノイドコイル１３０が配置さ
れている。それ以外の構成は図１の装置と同じである。
このソレノイドコイル１３０の発生する磁力線１３１
は、１ターンコイルの形状のプラズマ発生電極６１の中
心付近を通過して発散する。この磁力線１３１の働きに
より、処理室２０内に、より高密度のプラズマを発生さ
せることができる。また、この装置例では放電の開始が
容易になる。

【００４５】原料ガスの組み合わせとしては、上述の実
施例からアルゴンガスを省略することもできる。例え
ば、四塩化チタンを毎分３０ミリリットル、水素ガスを
毎分３００ミリリットル、窒素ガスを毎分６０ミリリッ
トルの流量で流すことで、同様に窒化チタン薄膜を作製
できる。

【００４６】

【発明の効果】この発明によれば、プラズマＣＶＤ法で
窒化チタン薄膜を作製する場合に、処理室内部のプラズ
マ発生電極の二つの端子の一方に高周波電力を供給し他
方の端子をコンデンサを介して接地してプラズマを発生
させるとともに、基体に高周波バイアス電力を印加する
ことにより、基体上に（１１１）結晶配向を有する窒化
チタン薄膜を堆積できる。この窒化チタン薄膜は、低抵
抗率で低塩素含有量の良好な膜質となり、半導体集積回
路の金属配線のための拡散防止膜および密着膜として用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施するためのプラズマＣＶＤ
装置の一例の構成図である。

【図２】ガス導入機構の構成図である。

【図３】プラズマ発生電極の平面図である。

【図４】絶縁リングの一部を切断した斜視図である。

【図５】図１の５−５線断面図である。

【図６】窒化チタン薄膜の結晶配向についてその基体バ
イアス電力依存性を示すＸ線回折パターンのグラフであ
る。

【図７】本発明で使用するプラズマＣＶＤ装置の別の例
の要部構成図である。

【図８】接地結合機構の変更例を示す構成図である。

【図９】コンデンサの容量とプラズマ発生電極の直流バ
イアス電圧との関係を示すグラフである。

【図１０】接地結合機構の別の変更例を示す構成図であ
る。

【図１１】プラズマ発生電極の変更例を示す斜視図であ
る。

【図１２】プラズマ発生電極の別の変更例を示す斜視図
である。

【図１３】窒化チタン薄膜の回折強度比の高周波バイア
ス電力依存性を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ ガス導入機構 ２０ 処理室 ２１ 基体 ２５ 基体ホルダー ３０ 排気機構 ５０ 電力供給源 ５２ 高周波電源 ６１ プラズマ発生電極 ６２、６３ 導入端子 ８０ 接地結合機構 ８１ コンデンサ ９０ バイアス電力供給源 ９２ バイアス用高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ３０Ｂ 30/02 Ｃ３０Ｂ 30/02 Ｈ０１Ｌ 21/3205 Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｒ 21/768 21/90 Ｃ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室に原料ガスを導入してプラズマＣ
   ＶＤ法で処理室内の基体上に窒化チタン薄膜を堆積させ
   る窒化チタン薄膜の作製方法において、 二つの端子を備えたプラズマ発生電極を前記処理室の内
   部に配置し、このプラズマ発生電極の一方の端子を高周
   波電力供給源に接続し、他方の端子をコンデンサを介し
   て接地して、前記処理室の内部にプラズマを発生させる
   とともに、 前記基体に高周波バイアス電力を印加して、 前記基体上に（１１１）結晶配向を有する窒化チタン薄
   膜を堆積することを特徴とする窒化チタン薄膜の作製方
   法。
2. 【請求項２】 前記高周波バイアス電力は約１００Ｗ〜
   ３０００Ｗの範囲内であることを特徴とする請求項１記
   載の方法。
3. 【請求項３】 前記高周波バイアス電力は３００Ｗ〜１
   ０００Ｗの範囲内であることを特徴とする請求項２記載
   の方法。
4. 【請求項４】 前記原料ガスとして四塩化チタンと窒素
   ガスとを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 前記原料ガスは四塩化チタンと窒素ガス
   と水素ガスとアルゴンガスとからなることを特徴とする
   請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 前記コンデンサの静電容量は１００ｐＦ
   〜１０μＦであることを特徴とする請求項１記載の方
   法。
7. 【請求項７】 前記コンデンサは可変コンデンサである
   ことを特徴とする請求項１または６に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記プラズマ発生電極の表面の材質がチ
   タンであることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 前記プラズマ発生電極は実質的に１ター
   ンのコイルであることを特徴とする請求項１記載の方
   法。
10. 【請求項１０】 前記他方の電極に、プラズマ発生電極
    の電位を制御するための電位制御機構を接続したことを
    特徴とする請求項１記載の方法
11. 【請求項１１】 前記電位制御機構は、直流電源とイン
    ダクタとを備えることを特徴とする請求項１０記載の方
    法。
12. 【請求項１２】 マルチカスプ磁場を前記処理室の内部
    に発生させることのできるマルチカスプ磁場発生機構を
    備えていることを特徴とする請求項１記載の方法。