JPWO2007123212A1 - Ｔｉ膜の成膜方法 - Google Patents

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Abstract

一対の平行平板電極として機能するシャワーヘッド（１０）および電極（８）を有するチャンバ（１）内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有するウエハＷを配置する。処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入しつつシャワーヘッド（１０）に高周波電源（３４）から高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する。そのプラズマにより処理ガスの反応を促進してウエハにＴｉ膜を成膜する。この際に、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）未満またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ未満に制御して前記プラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつＴｉ膜を成膜する。

Description

本発明は、チャンバ内においてシャワーヘッドからＴｉＣｌ４ガスを含む処理ガスを吐出させてチャンバ内に配置された被処理基板の表面にＴｉ膜を成膜するＴｉ膜の成膜方法に関する。
半導体デバイスの製造においては、最近の高密度化および高集積化の要請に対応して、回路構成を多層配線構造にする傾向にあり、このため、下層の半導体基板と上層の配線層との接続部であるコンタクトホールや、上下の配線層同士の接続部であるビアホールなどの層間の電気的接続のための埋め込み技術が重要になっている。
このようなコンタクトホールやビアホールの埋め込みに用いられる金属や合金と下層のＳｉ基板やｐｏｌｙ−Ｓｉ層と間に良好なコンタクトを形成する必要がある。このために、これらの埋め込みに先立ってコンタクトホールやビアホールの内側にＴｉ膜を成膜することが行われている。
このようなＴｉ膜は、従来から物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、デバイスの微細化および高集積化の要求にともなってステップカバレッジ（段差被覆性）がより良好な化学的蒸着（ＣＶＤ）が多用されるようになってきている。
Ｔｉ膜のＣＶＤ成膜に関しては、以下のような技術が提案されている（例えば特開２００４−１９７２１９号公報(特許文献１)）。即ち、成膜ガスとしてＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを用い、これらをチャンバへ導入し、半導体ウエハをステージヒーターにより加熱しながら、平行平板電極に高周波電力を印加する。これにより、上記ガスをプラズマ化してＴｉＣｌ４ガスとＨ２ガスとを反応させるプラズマＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する。
しかしながら、近時、線幅やホールの開口径が一層小さくなり、しかも高アスペクト比化されるにつれ、特許文献１のようなプラズマＣＶＤによりＴｉ膜を成膜した場合には、チャージアップダメージにより素子が破壊されることがあるという新たな問題が発生するようになってきた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、プラズマを用いたＣＶＤにより開口径が小さいおよび／または高アスペクト比のホールを有する被処理基板にＴｉを成膜する際に、チャージアップダメージによる素子の破壊が生じ難いＴｉ膜の成膜方法を提供することを目的とする。また、本発明はそのような方法を実行するためのコンピュータ読取可能な記憶媒体を提供することを目的とする。
本発明の第１の観点では、一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）未満またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ未満に制御してプラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつＴｉ膜を成膜するＴｉ膜の成膜方法を提供する。
上記第１の観点において、Ａｒガス流量を８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下に制御することがより好ましい。また、Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入し、Ａｒガスの流量を１００〜１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）またはＡｒガスの分圧を２．０２〜５９２．４４Ｐａとしてプラズマの存在下でＴｉ膜表面の窒化処理を行うことが好ましい。さらに、Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入してプラズマを存在させずにＴｉ膜表面の窒化処理を行うことが好ましい。
本発明の第２の観点では、一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、ＴｉＣｌ４ガスを含む処理ガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、前記ホールの底部に到達する前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガス、またはＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスよりも原子量が小さい希ガスを導入してプラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつＴｉ膜を成膜するＴｉ膜の成膜方法を提供する。
この場合に、Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガス、またはＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒより原子量の小さい希ガスを導入してプラズマの存在下でＴｉ膜表面の窒化処理を行うことが好ましい。さらに、Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒより原子量の小さい希ガスを導入してプラズマを存在させずにＴｉ膜表面の窒化処理を行うことが好ましい。
本発明の第３の観点では、一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）未満またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ未満に制御してプラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつ第１段階の成膜を行い、第１段階の成膜により被処理体の全面にＴｉ膜が成膜された時点で、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ以上にして第２段階の成膜を行ってＴｉ膜を成膜するＴｉ膜の成膜方法を提供する。
上記第３の観点において、前記第１段階は、Ａｒガス流量を８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下に制御することが好ましい。
本発明の第４の観点では、一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、ＴｉＣｌ４ガスを含む処理ガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、前記ホールの底部に到達する前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガス、またはＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスよりも原子量が小さい希ガスを導入してプラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつ第１段階の成膜を行い、第１段階の成膜により被処理体の全面にＴｉ膜が成膜された時点で、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを所望の膜質均一性が得られる範囲で導入して第２段階の成膜を行ってＴｉ膜を成膜するＴｉ膜の成膜方法を提供する。
本発明の第５の観点では、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、上記第１〜第４の観点のいずれかの方法が行われるように成膜装置を制御させるコンピュータ読取可能な記憶媒体を提供する。
なお、本発明において、ガスの流量の単位はｍＬ／ｍｉｎを用いているが、ガスは温度および気圧により体積が大きく変化するため、本発明では標準状態に換算した値を用いている。なお、標準状態に換算した流量は通常ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄｅｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅｓ）で表記されるためｓｃｃｍを併記している。ここにおける標準状態は、温度０℃（２７３．１５Ｋ）、気圧１ａｔｍ（１０１３２５Ｐａ）の状態（ＳＴＰ）である。
本発明者らは、チャージアップダメージが電子シェーディング効果によるものと考え、この電子シェーディング効果を低減させるために、イオンの直進性を下げてホール底部に到達するイオン量を減少させることが有効であることに想到した。本発明の第１の観点では、このような知見を基に、Ａｒガス流量または分圧を低減して原子量が大きく直進性の高いＡｒイオンを減少させることにより原子量が小さく直進性が低いイオンであるＨイオンを相対的に増加させてイオン全体の直進性を低減させる。これにより、ホール底部へ到達するイオン量を減少させて、電子シェーディング効果によるチャージアップダメージを低減することができる。
また、第２の観点では、このような原子量が大きい希ガスであるＡｒガスを全く用いずにＨイオンのみにするか、またはＡｒガスの代わりにＡｒガスよりも原子量が小さい希ガス、つまりＨｅまたはＮｅを用いることにより、Ａｒガスを用いる場合よりもイオンの直進性を低減させる。これにより、ホール底部へ到達するイオン量を減少させて、電子シェーディング効果によるチャージアップダメージを低減することができる。
このような手法でチャージアップダメージを低減する場合には、所望の膜質均一性が得られる条件から外れているため、膜質均一性が不十分になるおそれがある。しかし、チャージアップダメージを低減可能な上記第１または第２の観点の条件で第１段階の成膜を行い、全面にＴｉ膜が形成されてチャージアップダメージのおそれがなくなった時点で膜質均一性が十分な第２段階の成膜を行うようにする。これにより、チャージアップダメージが生じ難い成膜速度の遅い条件での成膜を最小限にして極力膜質均一性を高めた成膜処理を行うことができる。
図１は、本発明の一実施形態に係るＴｉ膜の成膜方法の実施に用いるＴｉ膜成膜装置の一例を示す概略断面図。 図２は、本発明に適用される半導体ウエハの構造の一例を示す断面図。 図３は、電子シェーディング効果によるチャージアップダメージが生じるメカニズムを説明するための図。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るＴｉ膜の成膜方法の実施に用いるＴｉ膜成膜装置の一例を示す概略断面図である。このＴｉ膜成膜装置１００は平行平板電極に高周波電界を形成することによりプラズマを形成しつつＣＶＤ成膜を行うプラズマＣＶＤ成膜装置として構成される。
このＴｉ膜成膜装置１００は、略円筒状のチャンバ１を有している。チャンバ１の内部には、被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ２がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２にはヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５はヒーター電源６から給電されることにより被処理基板であるウエハＷを所定の温度に加熱する。サセプタ２の表面近傍には平行平板電極の下部電極として機能する電極８が埋設されており、この電極８は接地されている。なお、サセプタ２はセラミックス例えばＡｌＮで構成することができ、この場合には、セラミックスヒーターが構成される。
チャンバ１の天壁１ａには、絶縁部材９を介して平行平板電極の上部電極としても機能するシャワーヘッド１０が設けられている。このシャワーヘッド１０は、上段ブロック体１０ａ、中段ブロック体１０ｂ、下段ブロック体１０ｃで構成されており、略円盤状をなしている。上段ブロック体１０ａは、中段ブロック体１０ｂおよび下段ブロック体１０ｃとともにシャワーヘッド本体部を構成する水平部１０ｄとこの水平部１０ｄの外周上方に連続する環状支持部１０ｅとを有し、凹状に形成されている。そして、この環状支持部１０ｅによりシャワーヘッド１０全体が支持されている。そして、下段ブロック体１０ｃにはガスを吐出する吐出孔１７と１８とが交互に形成されている。上段ブロック体１０ａの上面には、第１のガス導入口１１と、第２のガス導入口１２とが形成されている。上段ブロック体１０ａの中では、第１のガス導入口１１から多数のガス通路１３が分岐している。中段ブロック体１０ｂにはガス通路１５が形成されており、上記ガス通路１３が水平に延びる連通路１３ａを介してこれらガス通路１５に連通している。さらにこのガス通路１５が下段ブロック体１０ｃの吐出孔１７に連通している。また、上段ブロック体１０ａの中では、第２のガス導入口１２から多数のガス通路１４が分岐している。中段ブロック体１０ｂにはガス通路１６が形成されており、上記ガス通路１４がこれらガス通路１６に連通している。さらにこのガス通路１６が中段ブロック体１０ｂ内に水平に延びる連通路１６ａに接続されており、この連通路１６ａが下段ブロック体１０ｃの多数の吐出孔１８に連通している。そして、上記第１および第２のガス導入口１１，１２は、ガス供給機構２０のガスラインに接続されている。
ガス供給機構２０は、クリーニングガスであるＣｌＦ３ガスを供給するＣｌＦ３ガス供給源２１、Ｔｉ化合物ガスであるＴｉＣｌ４ガスを供給するＴｉＣｌ４ガス供給源２２、プラズマ生成ガスであるＡｒガスを供給するＡｒガス供給源２３、還元ガスであるＨ２ガスを供給するＨ２ガス供給源２４、窒化ガスであるＮＨ３ガスを供給するＮＨ３ガス供給源２５を有している。そして、ＣｌＦ３ガス供給源２１にはＣｌＦ３ガス供給ライン２７および３０ｂが、ＴｉＣｌ４ガス供給源２２にはＴｉＣｌ４ガス供給ライン２８が、Ａｒガス供給源２３にはＡｒガス供給ライン２９が、Ｈ２ガス供給源２４にはＨ２ガス供給ライン３０が、ＮＨ３ガス供給源２５にはＮＨ３ガス供給ライン３０ａが、それぞれ接続されている。また、図示しないが、Ｎ２ガス供給源も有している。そして、各ガスラインにはマスフローコントローラ３２およびマスフローコントローラ３２を挟んで２つのバルブ３１が設けられている。
前記第１のガス導入口１１にはＴｉＣｌ４ガス供給源２２から延びるＴｉＣｌ４ガス供給ライン２８が接続されており、このＴｉＣｌ４ガス供給ライン２８にはＣｌＦ３ガス供給源２１から延びるＣｌＦ３ガス供給ライン２７およびＡｒガス供給源２３から延びるＡｒガス供給ライン２９が接続されている。また、前記第２のガス導入口１２にはＨ２ガス供給源２４から延びるＨ２ガス供給ライン３０が接続されており、このＨ２ガス供給ライン３０には、ＮＨ３ガス供給源２５から延びるＮＨ３ガス供給ライン３０ａおよびＣｌＦ３ガス供給源２１から延びるＣｌＦ３ガス供給ライン３０ｂが接続されている。したがって、プロセス時には、ＴｉＣｌ４ガス供給源２２からのＴｉＣｌ４ガスがＡｒガス供給源２３からのＡｒガスとともにＴｉＣｌ４ガス供給ライン２８を介してシャワーヘッド１０の第１のガス導入口１１からシャワーヘッド１０内に至り、ガス通路１３，１５を経て吐出孔１７からチャンバ１内へ吐出される一方、Ｈ２ガス供給源２４からのＨ２ガスがＨ２ガス供給ガスライン３０を介してシャワーヘッド１０の第２のガス導入口１２からシャワーヘッド１０内に至り、ガス通路１４，１６を経て吐出孔１８からチャンバ１内へ吐出される。すなわち、シャワーヘッド１０は、ＴｉＣｌ４ガスとＨ２ガスとが全く独立してチャンバ１内に供給されるポストミックスタイプとなっており、これらは吐出後に混合され反応が生じる。なお、これに限らずＴｉＣｌ４とＨ２とが混合された状態でこれらをチャンバ１内に供給するプリミックスタイプであってもよい。
シャワーヘッド１０には、整合器３３を介して高周波電源３４が接続されており、この高周波電源３４からシャワーヘッド１０に高周波電力が供給されるようになっている。高周波電源３４から高周波電力を供給することにより、シャワーヘッド１０を介してチャンバ１内に供給されたガスをプラズマ化して成膜処理を行う。
また、シャワーヘッド１０の上段ブロック体１０ａの水平部１０ｄには、シャワーヘッド１０を加熱するためのヒーター４５が設けられている。このヒーター４５にはヒーター電源４６が接続されており、ヒーター電源４６からヒーター４５に給電することによりシャワーヘッド１０が所望の温度に加熱される。上段ブロック体４０ａの凹部にはヒーター４５による加熱効率を上げるために断熱部材４７が設けられている。
チャンバ１の底壁１ｂの中央部には円形の穴３５が形成されており、底壁１ｂにはこの穴３５を覆うように下方に向けて突出する排気室３６が設けられている。排気室３６の側面には排気管３７が接続されており、この排気管３７には排気装置３８が接続されている。そしてこの排気装置３８を作動させることによりチャンバ１内を所定の真空度まで減圧することが可能となっている。
サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン３９がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン３９は支持板４０に固定されている。そして、ウエハ支持ピン３９は、エアシリンダ等の駆動機構４１により支持板４０を介して昇降される。
チャンバ１の側壁には、チャンバ１と隣接して設けられた図示しないウエハ搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口４２と、この搬入出口４２を開閉するゲートバルブ４３とが設けられている。
Ｔｉ膜成膜装置１００の構成部は、コンピュータからなる制御部５０に接続されて制御される構成となっている。また、制御部５０には、工程管理者がＴｉ膜成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、Ｔｉ膜成膜装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。さらに、制御部５０には、Ｔｉ膜成膜装置１００で実行される各種処理を制御部５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてＴｉ膜成膜装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部５２が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部５２の所定位置にセットするようになっていてもよい。さらに、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出して制御部５０に実行させることで、制御部５０の制御下で、Ｔｉ膜成膜装置１００での所望の処理が行われる。
次に、以上のようなＴｉ膜成膜装置１００における本実施形態に係るＴｉ膜成膜方法について説明する。
本実施形態においては、Ｔｉ膜を成膜する対象の半導体ウエハＷとして、例えば、図２に示す構造のものを用いる。すなわち、シリコン基板１０１の上にゲート絶縁膜１０２を介してゲート電極１０３が形成され、その周囲および上に層間絶縁膜１０４および金属配線層１０５が形成され、金属配線層１０５とゲート電極１０３とが埋め込み配線１０６により接続されている。また、金属配線層１０５の上には、ビアホール１０７が形成された層間絶縁膜１０８が形成されている。さらに、層間絶縁膜１０４にはトレンチ１０９が形成されている。
このような構造のウエハＷにＴｉ膜を形成するには、まず、チャンバ１内をゲートバルブ４３を介して接続されている外部雰囲気と同様に調整した後、ゲートバルブ４３を開にして、真空状態の図示しないウエハ搬送室から搬入出口４２を介して上記構造を有するウエハＷをチャンバ１内へ搬入する。そして、チャンバ１内にＡｒガスを供給しつつウエハＷを予備加熱する。ウエハＷの温度がほぼ安定した時点で、Ａｒガス、Ｈ２ガスおよびＴｉＣｌ４ガスを図示しないプリフローラインに所定流量で流してプリフローを行う。そして、ガス流量および圧力を同じに保ったまま成膜用のラインに切り替え、これらガスをシャワーヘッド１０を介してチャンバ１内に導入する。このとき、シャワーヘッド１０には高周波電源３４から高周波電力が印加され、これによりチャンバ１内に導入されたＡｒガス、Ｈ２ガス、ＴｉＣｌ４ガスがプラズマ化される。そして、ヒーター５により所定温度に加熱されたウエハＷ上でプラズマ化されたガスが反応してウエハＷ上にＴｉが堆積される。
このようにしてプラズマの存在下でＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する場合には、従来、Ｔｉ膜の膜質（電気特性）、成膜速度および膜質の均一性等を考慮して処理条件を決定している。しかし、近時、デバイスの微細化によりホールの開口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のスペックが要求されるようになり、従来の条件ではチャージアップダメージが生じやすいことが判明した。
チャージアップダメージが生じるメカニズムについて図３を参照しながら説明する。まず、プラズマが生成されると、ウエハＷ表面は負に帯電され、プラズマＰとシリコン基板１０１との間には電位差Ｖｐｐが発生し、プラズマとウエハＷとの間にはイオンシースＳが形成される。本質的に、電子ｅは軽いため動きが活発であり等方的な運動をしやすく、イオンｉは重いため動きが鈍く異方的な運動をしやすい。したがって、電位差Ｖｐｐ（プラズマ電位）の電場が生じているイオンシースＳでは、電子ｅは横方向の運動量が多い等方的な動きをし、イオンｉはイオンシースＳの電場方向に沿ってウエハＷに向かう異方性の高い動きをする。したがって、開口径が小さいおよび／またはアスペクト比が大きいビアホール１０７では、電子ｅはその底部に到達し難くなるが、イオンｉはイオンシースＳによって加速されてホールの底に到達するため、ビアホール１０７の底部がプラスに帯電される（電子シェーディング効果）。一方、トレンチ１０９は幅が広いため、等方的に運動する電子ｅも容易にその底部に到達する。このため、ビアホール１０７の底部とトレンチ１０９の底部との間に電位差を生じ、ゲート絶縁膜１０２に電界が発生する。ビアホール１０７の開口径が小さく、アスペクト比が大きいほどこのような現象は顕著となり、ビアホール１０７の底部とトレンチ１０９の底部との間の電位差が大きくなって、ゲート絶縁膜１０２には強い電界がかかり、ゲート絶縁膜１０２に絶縁破壊が生じて素子が破壊される場合が生じる（チャージアップダメージ）。このようなチャージアップダメージは従来はほとんど生じなかったが、ホールの開口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上となることにより、無視し得ない程度に生じるようになってきた。
本発明者らは、このようなチャージアップダメージを効果的に解消する手法について検討を重ねた結果、イオンの直進性を下げてホール底部に到達するイオン量を減少させることが有効であることを見出した。そして、そのためにはプラズマガスとして用いられるＡｒガスの流量または分圧を低減させることが有効であることを見出した。すなわち、Ａｒは原子量が３９．９５と比較的大きいためＡｒイオンは直進性が高く、ホール（ビアホール１０７）の底部に到達しやすい。Ａｒガス流量または分圧を低減させれば、原子量が小さく直進性が低いＨイオンが相対的に多くなり、イオン全体の直進性を低減させることができ、イオンをホール底部に到達し難くしてホール底部のイオンの量を少なくすることができる。したがって、ビアホール１０７の底部とトレンチ１０９の底部との間の電位差を小さくしてゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制することができる。
従来のプラズマＣＶＤによるＴｉの成膜においては、プラズマ密度を上昇させる観点や膜質を均一にする観点等から、Ａｒガスを比較的多量に、典型的には１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上導入しているが、これにより、開口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有するウエハＷにＴｉ膜を成膜する際にチャージアップダメージが無視し得ない程度生じる。これに対して、本発明では、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ未満またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ未満にして上記メカニズムによりチャージアップダメージを許容範囲内に低減する。チャージアップダメージをより有効に低減する観点からは、Ａｒガス流量を８００ｍＬ／ｍｉｎ以下にすることが好ましく、さらに好ましくはＡｒガス流量を５００ｍＬ／ｍｉｎ以下またはＡｒガス分圧を１２．０５Ｐａ以下にする。
その他のプロセス条件は、通常のプラズマＣＶＤによるＴｉ膜の成膜と同じであってよく、以下に示す条件が例示される。
高周波電力の周波数：３００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚ
高周波電力のパワー：２００〜１５００Ｗ
サセプタ温度：３００〜６５０℃
ＴｉＣｌ４ガス流量：１２〜２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ２ガス流量：１０００〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
チャンバ内圧力：１３３〜１３３３Ｐａ（１〜１０Ｔｏｒｒ）
なお、Ｔｉ膜成膜の時間は、得ようとする膜厚に応じて適宜設定される。
以上のようにしてＴｉ膜の成膜を行った後、必要に応じてＴｉ膜の窒化処理を実施してもよい。この窒化処理では、上記Ｔｉ堆積工程が終了後、ＴｉＣｌ４ガスを停止し、Ｈ２ガス、またはＨ２ガスおよびＡｒガスを流したままの状態とし、チャンバ１内を適宜の温度に加熱しつつ、窒化ガスとしてＮＨ３ガスを流す。これとともに、高周波電源３４からシャワーヘッド４０に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、プラズマ化した処理ガスによりウエハＷに成膜したＴｉ薄膜の表面を窒化する。なお、Ｔｉ成膜工程において、コンタクトホールやビアホールの側壁にＴｉ膜が堆積されないことあり、この場合には、ホール上部とホール底部で導通がとれていないため、Ａｒガスを用いた窒化処理ではチャージアップダメージが発生することがある。したがって、窒化処理の際のチャージアップダメージを抑制する観点からは、Ｔｉ膜成膜の場合と同様、Ａｒを低減することが好ましく、Ａｒを導入しないことがより好ましい。また、より完全にチャージアップダメージを防止するためには、プラズマを生成せずに窒化処理を行うことが好ましい。
窒化処理の好ましい条件は、以下の通りである。
高周波電力の周波数：３００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚ
高周波パワー：２００〜１５００Ｗ
サセプタ温度：３００〜６５０℃
Ａｒガス流量：２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、好ましくは１００〜１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、またはＡｒガス分圧：２．０２〜５９２．４４Ｐａ
Ｈ２ガス流量：１５００〜４５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
ＮＨ３ガス流量：５００〜２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
チャンバ内圧力：１３３〜１３３３Ｐａ（１〜１０Ｔｏｒｒ）
なお、この工程は必須ではないが、Ｔｉ膜の酸化防止等の観点から実施することが好ましい。
Ｔｉ膜成膜後または窒化処理後、チャンバ１内をゲートバルブ４３を介して接続されている外部雰囲気と同様に調整した後、ゲートバルブ４３を開にして、搬入出口４２を介して図示しないウエハ搬送室へウエハＷを搬出する。
このようにして、Ｔｉ膜の成膜および必要に応じて窒化処理を所定枚のウエハに対して行った後、チャンバ１のクリーニングを行う。この処理は、チャンバ１内にウエハが存在しない状態で、チャンバ１内にＣｌＦ３ガス供給源２１からＣｌＦ３ガス供給ライン２７および３０ｂを介してＣｌＦ３ガスを導入し、シャワーヘッド１０を適当な温度に加熱しながらドライクリーニングを行うことにより行う。
以上の実施形態において、Ｔｉ膜成膜の際には、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを用いることを前提に説明したが、プラズマ生成ガスとしてのＡｒガスを導入せずに、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガスのみを導入してＴｉ膜を成膜してもよい。この場合には膜質の均一性等に問題が残るが、原子量が大きいＡｒガスを用いないことにより、イオンの直進性を一層低減させてホール底部のイオンの量をより少なくすることができ、一層効果的に電子シェーディング効果によるチャージアップダメージを低減することができる。
イオンの直進性を低減させる観点からは、プラズマ生成ガスとして原子量の大きいＡｒガスの代わりに、より原子量の小さい希ガス、すなわちＨｅガスまたはＮｅガスを用いることも好ましい。この場合には、図１の装置において、Ａｒガス供給源２３に代えてＨｅガス供給源またはＮｅガス供給源を設け、プラズマ生成ガスとしてＨｅガスおよびＮｅガスを供給可能にする。つまり、Ｈｅの原子量は４．００であり、Ｎｅの原子量は２０．１８であって、いずれもＡｒの３９．９５よりも小さい。したがってＨｅイオン、ＮｅイオンはＡｒイオンよりも直進性が低く、Ａｒイオンよりもホールの底部に到達する量が少なくなって電子シェーディング効果によるチャージアップダメージを低減することができる。
なお、Ａｒガスに代えてＨｅガス、Ｎｅガスを用いる場合には、いずれの場合もガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）未満またはガス分圧を８１６．５４Ｐａ未満にすることが好ましい。
上述したように、Ｔｉ成膜工程において、コンタクトホールやビアホールの側壁にＴｉ膜が堆積されない場合には、従来のＡｒガスを用いた窒化処理を行うとチャージアップダメージが発生することがある。しかし、希ガスとして、Ａｒよりも原子量が小さいＨｅガス、Ｎｅガスを用いて窒化処理を行うことにより、チャージアップダメージを抑制することができる。また、この場合にも、より完全にチャージアップダメージを防止するためには、プラズマを生成せずに窒化処理を行うことが好ましい。この際、Ｈｅガス、Ｎｅガスのいずれも、ガス流量を１００〜１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）またはガス分圧を２．０２〜５９２．４４Ｐａにすることが好ましい。
以上の条件は、電子シェーディング効果による素子のチャージアップダメージを低減するためのものであるが、これら条件は膜質の均一性（シート抵抗の面内均一性）を考慮したものではないため、必ずしも十分な均一性が得られない。例えば、ＴｉＣｌ４ガスの流量を１２ｍＬ／ｎｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、Ｈ２ガスの流量を４０００ｍＬ／ｎｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ａｒガスの流量を１６００ｍＬ／ｎｉｎ（ｓｃｃｍ）とした場合には、膜質のバラツキ（シート抵抗の面内均一性）が２．２％程度の均一なＴｉ膜を形成することができる。しかし、ＴｉＣｌ４ガスの流量を１２ｍＬ／ｎｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガスの流量を４０００ｍＬ／ｎｉｎ（ｓｃｃｍ）のままとし、Ａｒガスのみ停止した場合には、膜質のバラツキが大きくなってしまう。
このような膜質のバラツキの影響を極力抑制する観点からは、Ｔｉ膜の成膜において、第１段階として、上記チャージアップダメージが生じ難い条件でＴｉ膜を成膜し、チャージアップダメージが生じるおそれがなくなった際に、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスを所定の割合とした膜質の均一性が良好になる条件に切り替えて第２段階の成膜を行うことが好ましい。チャージアップダメージは、Ｔｉ膜がウエハ全面に形成された後は生じないので、Ｔｉ膜がウエハ全面に形成された時点で第２段階の成膜条件に切り替えればよい。これにより、チャージアップダメージが生じ難い膜質均一性の低い条件での成膜を最小限にして極力膜質均一性の高い条件で成膜処理を行うことができる。この第２段階の条件としては、ＴｉＣｌ４ガス流量：１２〜２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガス流量：１０００〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ａｒガス流量：１６００〜２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましい。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態ではＴｉＣｌ４ガスとＨ２ガス、またはＴｉＣｌ４ガスとＨ２ガスと希ガス（ＡｒまたはＨｅまたはＮｅ）を同時に供給してプラズマＣＶＤを行った場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＴｉＣｌ４ガスとＨ２ガス（及び必要に応じて希ガス）を供給する第１ステップと、Ｈ２ガス（及び必要に応じて希ガス）を供給する第２ステップとを交互に行うＳＦＤプロセスを用いてもよい。代わりに、ＴｉＣｌ４ガス（及び必要に応じて希ガス）を供給する第１ステップと、Ｈ２ガス（及び必要に応じて希ガス）を供給する第２ステップとを交互に行うＡＬＤプロセスを用いてもよい。ＡＬＤプロセスでは第２ステップのみプラズマを生成するようにしてもよい。さらに、被処理基板としては、半導体ウエハに限らず例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）用基板等の他のものであってもよい。
本発明は、被処理基板の表面にＴｉ膜を成膜するＴｉ膜の成膜方法に適用可能である。

Claims (15)

  1. 一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、
    処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、
    前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、
    を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）未満またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ未満に制御して前記プラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつＴｉ膜を成膜する。
  2. Ａｒガス流量を８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下に制御する請求項１に記載のＴｉ膜の成膜方法。
  3. Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入し、Ａｒガスの流量を１００〜１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）またはＡｒガスの分圧を２．０２〜５９２．４４Ｐａとしてプラズマの存在下でＴｉ膜表面の窒化処理を行う請求項１に記載のＴｉ膜の成膜方法。
  4. Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入してプラズマを存在させずにＴｉ膜表面の窒化処理を行う請求項１に記載のＴｉ膜の成膜方法。
  5. 一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、
    ＴｉＣｌ４ガスを含む処理ガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、
    前記ホールの底部に到達する前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、
    を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガス、またはＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスよりも原子量が小さい希ガスを導入して前記プラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつＴｉ膜を成膜する。
  6. Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガス、またはＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒより原子量の小さい希ガスを導入してプラズマの存在下でＴｉ膜表面の窒化処理を行う請求項５に記載のＴｉ膜の成膜方法。
  7. 前記窒化処理の際、Ａｒガスより原子量の小さい希ガスは、ガス流量を１００〜１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）またはガス分圧を２．０２〜５９２．４４Ｐａに設定する請求項６に記載のＴｉ膜の成膜方法。
  8. Ｔｉ膜成膜後、処理ガスとしてＮＨ３ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスより原子量の小さい希ガスを導入してプラズマを存在させずにＴｉ膜表面の窒化処理を行う請求項５に記載のＴｉ膜の成膜方法。
  9. 一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、
    処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、
    前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、
    を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）未満またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ未満に制御して前記プラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつ第１段階の成膜を行い、第１段階の成膜により被処理体の全面にＴｉ膜が成膜された時点で、Ａｒガス流量を１６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上またはＡｒガス分圧を８１６．５４Ｐａ以上にして第２段階の成膜を行ってＴｉ膜を成膜する。
  10. 前記第１段階において、Ａｒガス流量を８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下に制御する請求項９に記載のＴｉ膜の成膜方法。
  11. 一対の平行平板電極を有するチャンバ内に、間口径が０．１３μｍ以下および／またはでアスペクト比が１０以上のホールを有する被処理基板を配置する工程と、
    ＴｉＣｌ４ガスを含む処理ガスを導入しつつ前記平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給してこれらの間にプラズマを形成する工程と、
    前記ホールの底部に到達する前記プラズマにより前記処理ガスの反応を促進して前記被処理体にＴｉ膜を成膜する工程と、
    を具備するＴｉ膜の成膜方法であって、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガス、またはＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスよりも原子量が小さい希ガスを導入して前記プラズマが形成された際の前記ホールの底部に到達するイオン量を低減しつつ第１段階の成膜を行い、第１段階の成膜により被処理体の全面にＴｉ膜が成膜された時点で、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＨ２ガスおよびＡｒガスを所望の膜質均一性が得られる範囲で導入して第２段階の成膜を行ってＴｉ膜を成膜する。
  12. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、請求項１に記載の方法が行われるように成膜装置を制御させるコンピュータ読取可能な記憶媒体。
  13. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、請求項５に記載の方法が行われるように成膜装置を制御させるコンピュータ読取可能な記憶媒体。
  14. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、請求項９に記載の方法が行われるように成膜装置を制御させるコンピュータ読取可能な記憶媒体。
  15. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、請求項１１に記載の方法が行われるように成膜装置を制御させるコンピュータ読取可能な記憶媒体。
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