(57)【要約】      （修正有）【課題】被処理体の表面に形成されている凹部の内径や幅が小さくても、薄膜の成膜時のステップカバレジを向上させることが可能な成膜方法を提供する。【解決手段】真空排気が可能になされた処理容器２２内へ凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体Ｗを収容すると共に処理容器内へチタンを含む原料ガスと還元ガスとを供給してプラズマＣＶＤ法によりガスを反応させて被処理体に対してチタンを含む薄膜を形成する成膜方法において、反応が原料ガスの反応律速の反応状態となるように原料ガスと還元ガスの各流量を設定するように構成する。これにより、被処理体の表面に形成されている凹部の内径や幅が小さくなったり、凹部のアスペクト比が大きくなっても、薄膜の成膜時のステップカバレジを向上させることが可能となる。【選択図】図１
2010263126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空排気が可能になされた処理容器内へ凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体を収容すると共に前記処理容器内へチタンを含む原料ガスと還元ガスとを供給してプラズマＣＶＤ法により前記ガスを反応させて前記被処理体に対してチタンを含む薄膜を形成する成膜方法において、
前記反応が前記原料ガスの反応律速の反応状態となるように前記原料ガスと前記還元ガスの各流量を設定するように構成したことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記原料ガスは塩素を含むガスであり、前記還元ガスは水素を含むガスであることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記処理容器内の雰囲気の塩素の原子数と水素の原子数の比であるＣｌ／Ｈ比は０．５〜１．５の範囲内になるように前記原料ガスと前記還元ガスの各流量を設定するようにしたことを特徴とする請求項２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記処理容器内の雰囲気の塩素の原子数と水素の原子数の比であるＣｌ／Ｈ比は０．７〜１．３の範囲内になるように前記原料ガスと前記還元ガスの各流量を設定するようにしたことを特徴とする請求項２記載の成膜方法。
【請求項５】
前記処理容器内に窒化ガスが供給されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項６】
前記窒化ガスは窒素であることを特徴とする請求項５記載の成膜方法。
【請求項７】
前記凹部の内径又は幅は、６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項８】
前記原料ガスはＴｉＣｌ４ ガスであり、前記還元ガスはＨ２ ガスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項９】
凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に対してチタンを含む薄膜を形成するプラズマ処理装置において、
真空排気が可能になされた処理容器と、
前記処理容器内で前記被処理体を載置すると共に下部電極として機能する載置台と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内へ原料ガスを含む必要な各種ガスを導入すると共に上部電極として機能するガス導入手段と、
前記ガス導入手段へ前記各種ガスを供給するガス供給手段と、
前記載置台と前記ガス導入手段との間にプラズマを形成するプラズマ形成手段と、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
真空排気が可能になされた処理容器と、
凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体を前記処理容器内で載置すると共に下部電極として機能する載置台と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内へ原料ガスを含む必要な各種ガスを導入すると共に上部電極として機能するガス導入手段と、
前記ガス導入手段へ前記各種ガスを供給するガス供給手段と、
前記載置台と前記ガス導入手段との間にプラズマを形成するプラズマ形成手段と、
装置全体を制御する制御部と、
を備えたプラズマ処理装置を用いて前記被処理体の表面にチタンを含む薄膜を形成するに際して、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように前記プラズマ処理装置を制御するコンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜方法及びプラズマ成膜装置に係り、特に半導体ウエハ等の被処理体の表面にバリヤ層等の薄膜を形成する成膜方法及びプラズマ成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理、エッチング処理、アニール処理、酸化拡散処理等の各種の処理を繰り返し行って所望のデバイスを製造するようになっている。そして、半導体デバイスの製造工程の途中における配線材料や埋め込み材料としては、従来は主としてアルミニウム（Ａｌ）合金が用いられていたが、最近は線幅やホール径が益々微細化されて、且つ動作速度の高速化が望まれていることからタングステン（Ｗ）や銅（Ｃｕ）等も用いられる傾向にある。
【０００３】
そして、上記Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ等の金属材料を配線材料やコンタクトのためのホールの埋め込み材料として用いる場合には、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）等の絶縁材料と上記金属材料との間で例えばシリコンの拡散が生ずることを防止したり、膜の密着性を向上させる目的で、或いはホールの底部でコンタクトされる下層の電極や配線層等の導電層との間の密着性等を向上する目的で、上記絶縁層や下層の導電層との間の境界部分にバリヤ層を介在させることが行われている。そして、上記バリヤ層としてはＴａ膜、ＴａＮ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜等が広く知られている（特許文献１〜５）。この点について図１３を参照して説明する。
【０００４】
図１３は半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み時の成膜方法を示す工程図である。図１３（Ａ）に示すように、被処理体として例えばシリコン基板等よりなる半導体ウエハＷの表面には例えば配線層等となる導電層２が形成されており、この導電層２を覆うようにして半導体ウエハＷの表面全体に例えばＳｉＯ２ 膜等よりなる絶縁層４が所定の厚さで形成されている。上記導電層２は例えば不純物がドープされたシリコン層よりなり、具体的には、トランジスタやコンデンサ等の電極等に対応する場合もあり、特にトランジスタに対するコンタクトの場合にはＮｉＳｉ（ニッケルシリサイド）等により形成される。
【０００５】
そして、上記絶縁層４には、上記導電層２に対して電気的コンタクトを図るためのスルーホールやビアホール等のコンタクト用の凹部６が形成されている。尚、上記凹部６として細長いトレンチ（溝）を形成する場合もある。この凹部６の底部に上記導電層２の表面が露出した状態となっている。そして、この凹部６内の底面及び側面を含めた半導体ウエハＷの表面全体に、すなわち絶縁層４の表面と導電層２の表面に上述したような機能を有するバリヤ層を形成するために、図１３（Ｂ）に示すように、凹部６内の表面（内面）全体も含めてウエハ表面全体に例えばＴｉ膜８を成膜し、更にこのＴｉ膜８上に、図１３（Ｃ）に示すようにＴｉＮ膜１０を成形し、上記Ｔｉ膜８とＴｉＮ膜１０の２層構造よりなるバリヤ層１２を形成する。そして、次に上記ＴｉＮ膜１０を安定化するためにＮＨ３ 雰囲気中でこれを加熱することにより窒化処理を加える。
【０００６】
尚、ＴｉＮ膜１０を形成しないでＴｉ膜８だけでバリヤ層１２を構成する場合もある。上記Ｔｉ膜８は、例えばスパッタ成膜処理やＴｉＣｌ４ を用いたプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成され、上記ＴｉＮ膜１０は例えばＴｉＣｌ４ ガス等を用いた熱ＣＶＤ法や原料ガスと窒化ガスとを交互に流すＳＦＤ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｆｌｏｗ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されていた。このようにしてバリヤ層１２が形成されたならば凹部６内をタングステン等の導電材料で埋め込み、その後、余分な導電材料をエッチング等により削り取るようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１８６１９７号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２０８０号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２４２５号公報
【特許文献４】特開２００６−１４８０７４号公報
【特許文献５】特表平１０−５０１１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述したようなバリヤ層１２の形成方法は、線幅やホール径がそれ程厳しくなく設計基準が緩かった従来の場合には、それ程問題は生じなかった。しかしながら、微細化傾向がより進んで線幅やホール径がより小さくなって設計基準が厳しくなると、次のような問題が生じてきた。すなわち、上述したように例えばＴｉ膜を成膜するには、プラズマＣＶＤ法を用いて成膜処理が行われるが、この場合、原料ガス、例えばＴｉＣｌ４ ガスに対して還元ガス、例えばＨ２ ガスを多量に供給するようにしているが、線幅やホール径がより小さくなり、またアスペクト比も増加すると、上記原料ガスが凹部６内に十分に侵入することが困難になり、ステップカバレジが低下する。この結果、凹部６の底部や凹部内の側壁に堆積するＴｉ膜の膜厚が十分でなくなって、特に底部に堆積するＴｉ膜の膜厚が十分でないと、コンタクト抵抗が増加してしまう、といった不都合があった。
【０００９】
例えば図１３（Ｂ）において、ウエハＷの表面に堆積したＴｉ膜８の膜厚Ｈ１は十分に厚くなるのに対して、凹部６内の底面に堆積したＴｉ膜８の膜厚Ｈ２は非常に薄くなり、ステップカバレジが低下していた。特に、更なる微細化の要請により、上述のような凹部の穴径が６０ｎｍ以下になると、上記したような不都合が顕著になり、ステップカバレジが大幅に低下してしまう、といった問題があった。また、このような問題は、Ｔｉ膜の成膜時のみならず、ＴｉＮ膜の成膜時にも同様に発生していた。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、被処理体の表面に形成されている凹部の内径や幅が小さくなったり、凹部のアスペクト比が大きくなっても、薄膜の成膜時のステップカバレジを向上させることが可能な成膜方法及びプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、プラズマＣＶＤ法によるＴｉ膜やＴｉＮ膜等の成膜について鋭意研究した結果、成膜時の反応が原料ガスの反応律速の状態となるように各ガスの流量を設定することによりステップカバレジを改善することが可能である、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
【００１２】
請求項１に係る発明は、真空排気が可能になされた処理容器内へ凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体を収容すると共に前記処理容器内へチタンを含む原料ガスと還元ガスとを供給してプラズマＣＶＤ法により前記ガスを反応させて前記被処理体に対してチタンを含む薄膜を形成する成膜方法において、前記反応が前記原料ガスの反応律速の反応状態となるように前記原料ガスと前記還元ガスの各流量を設定するように構成したことを特徴とする成膜方法である。
【００１３】
このように、真空排気が可能になされた処理容器内へ凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体を収容すると共に処理容器内へチタンを含む原料ガスと還元ガスとを供給してプラズマＣＶＤ法によりガスを反応させて被処理体に対してチタンを含む薄膜を形成する成膜方法において、反応が原料ガスの反応律速の反応状態となるように原料ガスと還元ガスの各流量を設定するようにしたので、被処理体の表面に形成されている凹部の内径や幅が小さくなったり、凹部のアスペクト比が大きくなっても、薄膜の成膜時のステップカバレジを向上させることが可能となる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記原料ガスは塩素を含むガスであり、前記還元ガスは水素を含むガスであることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記処理容器内の雰囲気の塩素の原子数と水素の原子数の比であるＣｌ／Ｈ比は０．５〜１．５の範囲内になるように前記原料ガスと前記還元ガスの各流量を設定するようにしたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記処理容器内の雰囲気の塩素の原子数と水素の原子数の比であるＣｌ／Ｈ比は０．７〜１．３の範囲内になるように前記原料ガスと前記還元ガスの各流量を設定するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記処理容器内に窒化ガスが供給されることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記窒化ガスは窒素であることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発明において、前記凹部の内径又は幅は、６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発明において、前記原料ガスはＴｉＣｌ４ ガスであり、前記還元ガスはＨ２ ガスであることを特徴とする。
【００１６】
請求項９の発明は、凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に対してチタンを含む薄膜を形成するプラズマ処理装置において、真空排気が可能になされた処理容器と、前記処理容器内で前記被処理体を載置すると共に下部電極として機能する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内へ原料ガスを含む必要な各種ガスを導入すると共に上部電極として機能するガス導入手段と、前記ガス導入手段へ前記各種ガスを供給するガス供給手段と、前記載置台と前記ガス導入手段との間にプラズマを形成するプラズマ形成手段と、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように制御する制御部と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１７】
請求項１０の発明は、真空排気が可能になされた処理容器と、凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体を前記処理容器内で載置すると共に下部電極として機能する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内へ原料ガスを含む必要な各種ガスを導入すると共に上部電極として機能するガス導入手段と、前記ガス導入手段へ前記各種ガスを供給するガス供給手段と、前記載置台と前記ガス導入手段との間にプラズマを形成するプラズマ形成手段と、装置全体を制御する制御部と、を備えたプラズマ処理装置を用いて前記被処理体の表面にチタンを含む薄膜を形成するに際して、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように前記プラズマ処理装置を制御するコンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶する記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る成膜方法及びプラズマ成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
真空排気が可能になされた処理容器内へ凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体を収容すると共に処理容器内へチタンを含む原料ガスと還元ガスとを供給してプラズマＣＶＤ法によりガスを反応させて被処理体に対してチタンを含む薄膜を形成する成膜方法において、反応が原料ガスの反応律速の反応状態となるように原料ガスと還元ガスの各流量を設定するようにしたので、被処理体の表面に形成されている凹部の内径や幅が小さくなったり、凹部のアスペクト比が大きくなっても、薄膜の成膜時のステップカバレジを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明方法を実施するプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】半導体ウエハ上に成膜処理を施す時の被処理体の上面の状態の一例を示す図である。
【図３】本発明方法における原料ガスと還元ガスの各流量の最適な範囲を説明するためのグラフである。
【図４】Ｈ２ 流量が非常に多い従来の成膜方法によるＨ２ 流量と成膜レートとの関係を示すグラフである。
【図５】Ｈ２ 流量を非常に少なくした時のＨ２ 流量と成膜レートとの関係を示すグラフである。
【図６】図５中の一部を拡大して示すグラフである。
【図７】Ｈ２ 流量を種々変更した時のＴｉＣｌ４ 流量と成膜レートとの関係を示すグラフである。
【図８】Ｈ２ 流量を種々変更した時の塩素と水素との原子数比（Ｃｌ／Ｈ比）と成膜レートとの関係を示すグラフである。
【図９】凹部内における各位置の膜厚の測定値を示すグラフである。
【図１０】凹部内における膜厚の測定箇所を模式的に示す図である。
【図１１】凹部内の成膜の状態をＳＥＭ（電子顕微鏡）により写した図面代用写真である。
【図１２】図１１中における特定部分を示す拡大写真である。
【図１３】半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み時の成膜方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る成膜方法及びプラズマ処理装置の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明方法を実施するプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。図示するように、本発明のプラズマ処理装置２０は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレススチール等により円筒体状に成形された処理容器２２を有しており、この処理容器２２は接地されている。
【００２１】
この処理容器２２の底部２４には、容器内の雰囲気を排出するための排気口２６が設けられており、この排気口２６には真空排気系２８が接続されている。この真空排気系２８は、上記排気口２６に接続された排気通路２９を有しており、この排気通路２９には、その上流側から下流側に向けて圧力調整を行うために弁開度が調整可能になされた圧力調整弁３０及び真空ポンプ３２が順次介設されている。これにより、処理容器２２内を底部周辺部から均一に真空引きできるようになっている。
【００２２】
この処理容器２２内には、導電性材料よりなる支柱３４を介して円板状の載置台３６が設けられており、この上に被処理体として例えばシリコン基板等の半導体ウエハＷを載置し得るようになっている。具体的には、この載置台３６は、ＡｌＮ等のセラミックからなり、その表面が導電性材料によりコーティングされており、プラズマ用電極の一方である下部電極を兼用するものであって、この下部電極は接地されている。この載置台３６には、例えば直径が３００ｍｍの半導体ウエハＷを載置するようになっている。尚、上記下部電極として載置台３６内に例えばメッシュ状の導電性部材を埋め込む場合もある。
【００２３】
この載置台３６内には、例えば抵抗加熱ヒータ等よりなる加熱手段３８が埋め込まれており、半導体ウエハＷを加熱すると共に、これを所望する温度に維持できるようになっている。また、この載置台３６には、半導体ウエハＷの周辺部を押圧してこれを載置台３６上に固定する図示しないクランプリングや半導体ウエハＷの搬入・搬出時に半導体ウエハＷを突き上げて昇降させる図示しないリフタピンが設けられている。
【００２４】
上記処理容器２２の天井部には、プラズマ用電極の他方である上部電極と兼用されるガス導入手段としてのシャワーヘッド４０が設けられており、このシャワーヘッド４０は、天井板４２と一体的になされている。そして、この天井板４２の周辺部は、容器側壁の上端部に対して絶縁材４４を介して気密に取り付けられている。このシャワーヘッド４０は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等の導電材料により形成されている。
【００２５】
このシャワーヘッド４０は、円形になされ上記載置台３６の上面の略全面を覆うように対向させて設けられており、載置台３６との間に処理空間Ｓを形成している。このシャワーヘッド４０は、処理空間Ｓに各種のガスをシャワー状に導入するものであり、シャワーヘッド４０の下面の噴射面にはガスを噴射するための多数の噴射孔４６が形成される。
【００２６】
そして、このシャワーヘッド４０の上部には、ヘッド内にガスを導入するガス導入ポート４８が設けられており、このガス導入ポート４８には各種のガスを供給するガス供給手段５０が取り付けられている。このガス供給手段５０は、上記ガス導入ポート４８に接続されている供給通路５２を有している。
【００２７】
この供給通路５２には、複数の分岐管５４が接続され、各分岐管５４には、成膜用のチタンを含む原料ガスとして、例えばＴｉＣｌ４ ガスを貯留するＴｉＣｌ４ ガス源５６、還元ガスとして例えばＨ２ ガスを貯留するＨ２ ガス源５８、プラズマガス或いは希釈ガスとして例えばＡｒガスを貯留するＡｒガス源６０、窒化ガスとして例えばアンモニアを貯留するＮＨ３ ガス源６２及びパージガス等として例えばＮ２ ガスを貯留するＮ２ ガス源６４がそれぞれ接続されている。尚、Ｎ２ ガスを窒化ガスとして用いる場合もある。そして、各ガスの流量は、それぞれの分岐管５４に介設した例えばマスフローコントローラのような流量制御器６６により制御される。また、各分岐管５４の流量制御器６６の上流側と下流側とには、必要に応じて上記各ガスの供給及び供給停止を行なう開閉弁６８が介設されている。
【００２８】
尚、ここでは、各ガスを１つの供給通路５２内を混合状態で供給する場合を示しているが、これに限定されず、一部のガス或いは全てのガスを個別に異なる供給通路内に供給し、シャワーヘッド４０内で混合させるようにしてもよい。また供給するガス種によっては供給通路５２内やシャワーヘッド４０内で混合させずに、各ガスを処理空間Ｓにて混合させる（いわゆるポストミックス）ガス搬送形態が用いられる。
【００２９】
また、処理容器２２内における上記シャワーヘッド４０の外周と処理容器２２の内壁との間には、例えば石英等よりなるリング状の絶縁部材６９が設けられると共に、その下面はシャワーヘッド４０の噴射面と同一水平レベルに設定されており、プラズマが偏在しないようになっている。また、上記シャワーヘッド４０の上面側にはヘッド加熱ヒータ７２が設けられており、シャワーヘッド４０を所望の温度に調整できるようになっている。
【００３０】
また、この処理容器２２には、上記載置台３６とシャワーヘッド４０との間の処理空間Ｓにプラズマを形成するプラズマ形成手段７４を有している。具体的には、このプラズマ形成手段７４は、上記シャワーヘッド４０の上部に接続されたリード線７６を有しており、このリード線７６には、途中にマッチング回路７８を介して例えば４５０ｋＨｚのプラズマ発生用電源である高周波電源７０が接続されている。
【００３１】
ここで、この高周波電源７０にあっては、任意の大きさの電力を出力できるように出力電力が可変になされている。また、処理容器２２の側壁には、ウエハＷを通す開口７９が形成され、この開口７９には半導体ウエハＷの搬入・搬出時に気密に開閉可能になされたゲートバルブ８０が設けられる。
【００３２】
そして、このプラズマ処理装置２０の全体の動作を制御するために例えばコンピュータ等よりなる制御部８２を有しており、例えばプロセス圧力、プロセス温度、各ガスの供給量の制御のための指示、高周波電力のオン・オフを含めた供給電力の指示等を行うようになっている。そして、上記制御部８２は上記制御に必要なコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体８４を有している。この記憶媒体８４は、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等よりなる。
【００３３】
［成膜方法の説明］
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置を用いて行なわれる本発明の成膜方法について図１乃至図３も参照して説明する。図２は半導体ウエハ上に成膜処理を施す時の被処理体の上面の状態の一例を示す図、図３は本発明方法における原料ガスと還元ガスの各流量の最適な範囲を説明するためのグラフである。ここではプラズマ処理方法で形成されるチタンを含む膜としてＴｉ（チタン）膜を成膜する場合を例にとって説明するが、ここで説明するプロセス条件は後述するように、プラズマ処理方法で形成されるＴｉＮ膜（窒化チタン膜）を成膜する場合にも略同様に適用することができる。
【００３４】
まず、処理容器２２の載置台３６上には、例えば直径が３００ｍｍの半導体ウエハＷが載置されている。この半導体ウエハＷの上面の成膜状況は、例えば図２（Ａ）に示すようになっており、ウエハＷの表面に凹部６が形成されている。この半導体ウエハＷの構造は、図１３（Ａ）にて説明した構造と同じである。
【００３５】
すなわち、半導体ウエハＷの表面には例えば配線層等となる導電層２が形成されており、この導電層２を覆うようにして半導体ウエハＷの表面全体に例えばＳｉＯ２ 膜等よりなる絶縁層４が所定の厚さで形成されている。上記導電層２は例えば不純物がドープされたシリコン層よりなり、具体的には、トランジスタやコンデンサ等の電極等に対応する場合もあり、特にトランジスタに対するコンタクトの場合にはＮｉＳｉ（ニッケルシリサイド）等により形成される。
【００３６】
そして、上記絶縁層４には、上記導電層２に対して電気的コンタクトを図るためのスルーホールやビアホール等のコンタクト用の凹部６が形成されている。この凹部６の内径（凹部６が溝の場合は幅）は、例えば６０ｎｍ以下であり、このアスペクト比（凹部の深さと穴径との比）は１０〜２０程度である。尚、上記凹部６として細長いトレンチ（溝）を形成する場合もある。この凹部６の底部に上記導電層２の表面が露出した状態となっている。そして、この凹部６内の底面及び側面を含めた半導体ウエハＷの表面全体に、すなわち絶縁層４の表面と導電層２の表面に前述したような機能を有するバリヤ層を形成することになる。
【００３７】
まず、ガス供給手段５０からチタンを含む原料ガスであるＴｉＣｌ４ ガスと還元ガスのＨ２ ガスと、プラズマ用ガス（希釈ガス）のＡｒガスを、それぞれガス導入手段であるシャワーヘッド４０に所定の流量で流すと共に、これらの各ガスをシャワーヘッド４０から処理容器２２内に導入し、且つ真空排気系２８の真空ポンプ３２により処理容器２２内を真空引きし、所定の圧力に維持する。
【００３８】
これと同時に、プラズマ形成手段７４の高周波電源７０より、４５０ｋＨｚの高周波を上部電極であるシャワーヘッド４０に印加して、シャワーヘッド４０と下部電極としての載置台３６との間に高周波電界を加えて電力を投入する。これにより、Ａｒガスがプラズマ化されて、ＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスとを反応させて、半導体ウエハＷの表面に図２（Ｂ）に示すように薄膜としてＴｉ膜８がプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜されることになる。
【００３９】
半導体ウエハＷの温度は、載置台３６に埋め込んだ抵抗加熱ヒータよりなる加熱手段３８により所定の温度により加熱維持される。これにより、半導体ウエハＷの上面のみならず、凹部６内の底面や側面にもＴｉ膜８が堆積されることになる。この時、本発明方法においては、成膜時の反応が原料ガスの反応律速の反応状態となるように上記原料ガスと還元ガスの各流量を設定する。
【００４０】
これにより、半導体ウエハＷの上面のみならず、凹部６内の底面や側面にもＴｉ膜８が堆積することになる。すなわち、後述するように従来の成膜方法にあっては、原料ガスであるＴｉＣｌ４ ガスの流量、例えば１２ｓｃｃｍに対して遥かに多い流量、例えば４０００ｓｃｃｍの還元ガスであるＨ２ ガスを供給して、原料ガスの供給律速の反応状態にして成膜処理を行っていた。このように、還元ガスを多量に供給した理由は、堆積する膜中に膜特性の劣化を引き起こすＣｌ原子数が残留することを懸念したからである。
【００４１】
このように、原料ガスの供給律速の反応状態で成膜処理を行う場合には、ウエハＷの上面にＴｉＣｌガスが到着すると多量に存在するＨ２ ガスと直ちに反応してウエハＷの上面側に薄膜が堆積し易くなり、ウエハＷの上面でＴｉＣｌ４ ガスが消費されてしまって凹部内へＴｉＣｌ４ ガスが侵入し難くなる。この結果、凹部内の底面や側壁に薄膜が堆積し難くなってステップカバレジが低下する、と考えられる。
【００４２】
これに対して、本発明のように、従来の成膜方法と比較して還元ガスであるＨ２ ガスの流量を大幅に減らして上述のように原料ガスの反応律速の反応状態で成膜処理を行うことにより、Ｈ２ ガスの存在が少なくなることからウエハＷの上面部分だけでＴｉＣｌ４ ガスが消費尽くされるという現象がなくなり、この結果、ＴｉＣｌ４ ガスが凹部６内の内部まで侵入し易くなる。この結果、凹部６内の底面や側壁にも薄膜が十分に堆積し、ステップカバレジを向上させることができる。
【００４３】
この本発明方法における原料ガスと還元ガスの流量に対するプロセス条件は、図３に示すように横軸がＴｉＣｌ４ ガスの流量と縦軸がＨ２ ガスの流量との関係を示すグラフにおいて、直線Ｌ１よりも下方の斜線で示す領域となる。なお直線Ｌ１は後述するように、図３中のＡ１ポイントとＡ２ポイントを結ぶ直線であり、座標を（ＴｉＣｌ４ガス流量ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス流量ｓｃｃｍ）とした場合、Ａ１は（１２、５０）であり、Ａ２は（２０、１００）である。この直線Ｌ１よりも下方の領域が後述するように、原料ガスの反応律速の反応状態となる領域である。好ましくは、供給されるＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスのＣｌ原子数とＨ原子数の原子数比、すなわちＣｌ／Ｈ比が”１．５”となる直線Ｌ２とＣｌ／Ｈ比が”０．５”となる直線Ｌ３とにより囲まれる領域がよく、更により好ましくはＣｌ／Ｈ比が”１．３”となる直線Ｌ４とＣｌ／Ｈ比が”０．７”となる直線Ｌ５とにより囲まれる領域がよい。この点については、後述する。
【００４４】
また、プロセス温度及びプロセス圧力に関しては、共に従来の成膜方法と略同じであり、プロセス温度は例えば４００〜７００℃の範囲内であり、プロセス圧力は例えば１３３〜１３３３Ｐａの範囲内である。
【００４５】
［プロセス条件の最適比に至る過程の説明］
次に、図３に示すグラフのようなプロセス条件の最適な範囲を求めるに至る過程について説明する。図４はＨ２ 流量が非常に多い従来の成膜方法によるＨ２ 流量と成膜レートとの関係を示すグラフ、図５はＨ２ 流量を非常に少なくした時のＨ２ 流量と成膜レートとの関係を示すグラフ、図６は図５中の一部を拡大して示すグラフであり、成膜レートがピークになった付近を拡大して示すグラフである。図７はＨ２ 流量を種々変更した時のＴｉＣｌ４ 流量と成膜レートとの関係を示すグラフ、図８はＨ２ 流量を種々変更した時の塩素と水素との原子数比（Ｃｌ／Ｈ比）と成膜レートとの関係を示すグラフである。これ以降に説明するＴｉ膜の成膜処理については、図１にて説明したようなプラズマ処理装置を用いている。
【００４６】
まず、最初にＴｉ膜を成膜する時の従来の成膜方法についてＨ２ 流量と成膜レートとの関係について検証した。この時のプロセス条件に関しては、従来の成膜方法では膜中のＣｌ濃度を低減させることを意図してＴｉＣｌ４ ガスの流量に対してＨ２ ガスの流量を多量に供給しており、ここではＴｉＣｌ４ ガスが１２ｓｃｃｍであるのに対して、Ｈ２ ガスの流量を５００〜４０００ｓｃｃｍの範囲で変化させている。またプラズマ用ガスであるＡｒガスの流量を１６００ｓｃｃｍに設定している。
【００４７】
更にプロセス圧力は６６７Ｐａ、プロセス温度は５５０℃、高周波電力は８００Ｗ（ワット）にそれぞれ設定しており、また成膜時間は３０ｓｅｃである。ここでの膜厚の測定は、ウエハの凹部内の底面ではなく、ウエハの上面に堆積した薄膜の厚さを測定しており、この点は以降のグラフにおいて示す成膜レートも同じである。
【００４８】
図４に示すように、Ｈ２ 流量の増加に比例して成膜レートも略直線的に増加することが判る。このようにＴｉＣｌ４ ガスの流量に比較してＨ２ ガスが大幅に供給されている条件下では、Ｔｉ膜の成膜反応はＴｉＣｌ４ ガスの供給律速反応になるので、ウエハの上面付近で成膜反応が起こり、そこでＴｉＣｌ４ ガスが消費されてしまう。このため、ホール等の凹部内に侵入するＴｉＣｌ４ ガスが非常に少なくなり、この結果、凹部内の底面や側壁に堆積するＴｉ膜がウエハ表面の膜厚に対して非常に薄くなってステップカバレジが悪化していた。
【００４９】
そこで、従来の成膜方法と比較して、Ｈ２ ガス流量を非常に少なくした領域における成膜レートについて検討した。ここではプロセス温度、プロセス圧力、成膜時間、高周波電力は、図４に示した場合とそれぞれ同じである。またＴｉＣｌ４ ガスの流量を１２ｓｃｃｍと２０ｓｃｃｍの２種類とし、Ｈ２ ガス流量を３０〜５００ｓｃｃｍ（Ａｒ＝２０００ｓｃｃｍ）の範囲内で変化させた。この時の結果を図５及び図６に示す。図５及び図６に示すように、成膜レートに関して、Ｈ２ ガス流量が極めて少ない流量域、例えば５０〜１００ｓｃｃｍ程度の流量域においてピークが生ずることを確認することができた。このピークは、ＴｉＣｌ４ 流量が１２ｓｃｃｍの時はＨ２ 流量が５０ｓｃｃｍの時のポイントＡ１であり、ＴｉＣｌ４ 流量が２０ｓｃｃｍの時はＨ２ 流量が１００ｓｃｃｍの時のポイントＡ２である。
【００５０】
すなわち、Ｈ２ 流量が少ない状態からピーク位置まで増加する時には、成膜レートはＨ２ 流量の増加に従って急激に増加し、ピーク位置を過ぎてからは、Ｈ２ 流量が増加しても成膜レートは略一定か、或いは僅かずつ減少する傾向となっていることが判る。この理由は、図５及び図６においてピーク位置を境にして、ピーク位置より右側のＨ２ 流量が多い領域では、ＴｉＣｌ４ ガスの供給律速の反応領域となっており、ピーク位置より左側のＨ２ 流量が少ない領域では、ＴｉＣｌ４ ガスの反応律速の領域となっているからである。ここで図６中のポイントＡ１は図３中のポイントＡ１に対応し、図６中のポイントＡ２は図３中のポイントＡ２に対応する。
【００５１】
次に、成膜レートに関してＴｉＣｌ４ ガス流量の依存性について検討を行った。ここではＨ２ ガス流量を種々変更しつつＴｉＣｌ４ ガス流量と成膜レートとの関係について検証した。プロセス条件に関しては、プロセス温度、プロセス圧力、成膜時間、高周波電力は、図４に示した場合とそれぞれ同じである。またＨ２ ガス流量を３０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ（Ａｒは何れの場合も２０００ｓｃｃｍ）と従来方法の標準である４０００ｓｃｃｍ（Ａｒ＝１６００ｓｃｃｍ）の４種類とし、ＴｉＣｌ４ ガス流量を４〜２０ｓｃｃｍの範囲内で変化させた。この時の結果を図７及び図８に示す。図８は図７に示す結果に関して、ＴｉＣｌ４とＨ２の各ガス流量における原子数比（Ｃｌ／Ｈ比）を横軸にとって  書き替えたものである。ここで例えば”Ｃｌ／Ｈ比＝１”とは、ＴｉＣｌ４ とＨ２ との流量比に換算すると”ＴｉＣｌ４ 流量／Ｈ２ 流量＝１／２”の関係となる。
【００５２】
図７及び図８に示すように、従来の成膜方法を示す”標準（Ｈ２ ：４０００ｓｃｃｍ）”の場合には、ＴｉＣｌ４ ガスの流量を増加するに従って、成膜レートは直線的に単に増加していることが判る。これは、上記ガス供給量の全域においてＴｉＣｌ４ ガスの供給律速の反応状態となっているからである。
【００５３】
これに対して、Ｈ２ ガス流量が３０〜５０ｓｃｃｍの場合には、成膜レートはＴｉＣｌ４ ガスの流量が増加するに従って次第に増加し、ガス流量が１２〜２０ｓｃｃｍ程度のところでピークとなってその後は次第に低下している。尚、Ｈ２ ガス流量が４０ｓｃｃｍ及び５０ｓｃｃｍの場合も、グラフ中では表れてないが、Ｈ２ ガス流量が３０ｓｃｃｍのときのグラフの傾向と同様に成膜レートはピークを経た後に低下するものと考えられる。この場合、図７に示す場合には、ピーク位置はＨ２ ガス流量に依存して僅かずつ左右方向（ＴｉＣｌ４ ガスの流量方向）へ移動しているが、図８に示すように、横軸にＣｌ／Ｈ比をとったグラフにおいては、Ｈ２ ガス流量にかかわらず、Ｃｌ／Ｈ比が略”１”の位置がピークとなっており、これより右方向の領域に行くに従って次第に減少してきている。
【００５４】
ここで”Ｃｌ”は成膜時のＴｉＣｌ４ ガス流量中に含まれる全Ｃｌ原子数を表し、”Ｈ”は成膜時のＨ２ ガス流量中に含まれる全Ｈ原子数を表している。尚、Ｃｌ／Ｈ比＝１は前述したようにＴｉＣｌ４ とＨ２ との流量比”ＴｉＣｌ４ 流量／Ｈ２ 流量”＝”１／２”となる。
【００５５】
このように、図７において、Ｈ２ ガス流量が少ない場合（３０〜５０ｓｃｃｍ）にのみ、ＴｉＣｌ４ 流量に対して成膜レートのピークが生ずる結果、従来のＨ２ ガス流量が多量の成膜方法ではウエハ上面の近傍でＴｉＣｌ４ ガスが消費されてしまってコンタクトホール等の凹部内へ侵入するＴｉＣｌ４ ガスの量が減少してしまう。一方、Ｈ２ ガス流量が少ない場合であってもＴｉＣｌ４ガス流量が少 ない領域では、同様にウエハ上面の近傍でＴｉＣｌ４ ガスが消費されてしまうが、成膜レートがピークを持つ付近の領域では、ウエハＷの上面近傍でＴｉＣｌ４ ガスが消費され尽くされないで余ったＴｉＣｌ４ ガスが存在できることから、従って、この余分なＴｉＣｌ４ ガスが凹部内に侵入して成膜が生じ、ステップカバレジの改善を期待できることが判る。
【００５６】
また成膜時のプラズマ中ではＴｉＣｌ４に起因するＣｌ原子とＨ２ガスに起因  するＨ原子とがＨＣｌ（気体）となって排気されるが、図８において、成膜レートがＣｌ／Ｈ比＝略１の部分をピークとしていることは、Ｃｌ原子１個を還元するためにはＨ原子が１個必要であることを示しており、成膜時に発生したＣｌ原子を過不足なく除去できるだけのＨ原子の量がある場合に成膜反応が反応律速領域となり、ステップカバレジも良くなる、ということが言えることになる。
【００５７】
従って、前述したように、ＴｉＣｌ４ ガス（原料ガス）の反応律速の反応状態となるように原料ガスと還元ガスの各流量を設定するのがよく、特に”Ｃｌ／Ｈ比＝１”となる近傍がステップカバレジを改善するために好ましいことが判る。この場合、処理容器内の雰囲気中のＣｌ／Ｈ比は、好ましくは０．５〜１．５の範囲内、より好ましくは０．７〜１．３の範囲内であり、上記範囲を逸脱すると、図８から明らかなように成膜レートが低下するので好ましくない。
【００５８】
従って、先に図３を参照して説明したように、原料ガスと還元ガスのプロセス条件は、図３中において直線Ｌ１よりも下方の領域、すなわち原料ガスの反応律速の反応状態となる領域であり、好ましくは、供給されるＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスのＣｌ原子数とＨ原子数の原子数比、すなわちＣｌ／Ｈ比が”１．５”となる直線Ｌ２とＣｌ／Ｈ比が”０．５”となる直線Ｌ３とにより囲まれる領域がよく、更により好ましくはＣｌ／Ｈ比が”１．３”となる直線Ｌ４とＣｌ／Ｈ比が”０．７”となる直線Ｌ５とにより囲まれる領域がよい。ここで図７及び図８中のポイントＰ１は、図３中のポイントＰ１に対応し、図７及び図８中のポイントＰ２は、図３中のポイントＰ２に対応する。
【００５９】
このように、本発明のように、従来の成膜方法と比較して還元ガスであるＨ２ ガスの流量を大幅に減らして上述のように原料ガスの反応律速の反応状態で成膜処理を行うことにより、Ｈ２ ガスの存在が少なくなることからウエハＷの上面近傍部分だけでＴｉＣｌ４ ガスが消費尽くされるという現象がなくなり、この結果、ＴｉＣｌ４ ガスが凹部６内の内部まで侵入し易くなる。この結果、凹部６内の底面や側壁にも薄膜が十分に堆積し、ステップカバレジを向上させることができる。
【００６０】
［実際の成膜処理による評価］
次に、シリコン基板よりなる半導体ウエハＷに対して従来の成膜方法と本発明の成膜方法とを用いて実際にＴｉ膜の成膜処理を行ったので、その評価結果について説明する。
成膜時のプロセス条件は、従来の成膜方法の場合は、プロセス温度は５５０℃、プロセス圧力は６６７Ｐａ、各ガス流量についてはＴｉＣｌ４ ／Ａｒ／Ｈ２ ＝１２／１６００／４０００ｓｃｃｍである。投入した高周波電力は８００Ｗで、成膜時間は３０ｓｅｃである。
【００６１】
また、本発明方法の場合は、代表として図３、図７及び図８中のポイントＰ２について行っている。すなわち、プロセス温度は５５０℃、プロセス圧力は６６７Ｐａ、各ガス流量についてはＴｉＣｌ４ ／Ａｒ／Ｈ２ ＝２０／２０００／４０ｓｃｃｍである。投入した高周波電力は８００Ｗで、成膜時間は３０ｓｅｃである。すなわち、従来の成膜方法に対してＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスの流量のみが異なっている。またシリコン基板上に形成されているホール状の凹部の直径は６０ｎｍ、アスペクト比は１０である。
【００６２】
図９は凹部内における各位置の膜厚の測定値を示すグラフ、図１０は凹部内における膜厚の測定箇所を模式的に示す図、図１１は凹部内の成膜の状態をＳＥＭ（電子顕微鏡）により写した図面代用写真、図１２は図１１中における特定部分を示す拡大写真である。図９及び図１０に示すように、図９中の”トップ”はウエハＷの上面の表面上の膜厚を示し、ボトムとは凹部６内の底面上の膜厚を示す。またサイド（トップ）、サイド（ミドル）及びサイド（ボトム）は、凹部内の側壁の上段、中段及び下段の膜厚をそれぞれ示す。
【００６３】
図９に示すように、従来の成膜方法は、トップ、ボトム、サイド（トップ）、サイド（ミドル）、サイド（ボトム）の順で、それぞれ１２．４ｎｍ、８．５ｎｍ、３．９ｎｍ、１．８ｎｍ、０．８ｎｍとなっている。これに対して、本発明方法は上記順序で、それぞれ１０．１ｎｍ、１１．７ｎｍ、３．９ｎｍ、４．０ｎｍ、３．７ｎｍとなっている。
従って、ステップカバレッジ［（各位置の膜厚／トップの膜厚）×１００］は、従来の成膜方法ではボトム、サイド（トップ）、サイド（ミドル）、サイド（ボトム）の順で、それぞれ６８．７％、３１．８％、１４．４％、６．６％となっている。
【００６４】
これに対して、本発明方法は上記順序で、それぞれ１１６．１％、３９．２％、３９．６％、３６．９％となっている。この結果から、凹部内の底面でのステップカバレジが従来の成膜方法では６８．７％であったのが、本発明方法では１１６．１％となり、大幅に改善できたことが判る。
【００６５】
また凹部内の側壁に関しては、従来の成膜方法の場合には、サイド（トップ）とサイド（ボトム）との間で２５．２ｎｍ（＝３１．８−６．６）の膜厚の差があったが、本発明方法の場合には２．３ｎｍ（＝３９．２−３６．９）の膜厚の差となり、従来の成膜方法と比較して側壁にも膜厚を均一に成膜できるのみならず、膜厚も十分に厚く成膜することができ、この点からもステップカバレジを改善できたことが判る。
【００６６】
尚、上記実施形態では、プラズマ用ガスとしてＡｒガスを用いたが、これに限定されず、Ｈｅ、Ｎｅ等の他の希ガスを用いてもよい。また、ここでは原料ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスを用いたが、これに限定されず、ＴＤＭＡＴ（Ｔｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］４：テトラキスジメチルアミノチタン）ガスやＴＤＥＡＴ（Ｔｉ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］４：テトラキスジエチルアミノチタン）ガス等を用いてもよい。
【００６７】
また、上記実施例ではプラズマＣＶＤ法により成膜するＴｉを含む薄膜としてＴｉ膜を形成する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＴｉＮ膜を成膜する場合にも本発明を適用することができる。この場合、本発明方法で説明したＴｉ膜の成膜時に窒化ガスとして、例えば窒素（Ｎ２ ）ガスを追加して流すことにより上記ＴｉＮ膜を形成することができる。またこの窒化ガスとしてＮ２ ガスに限定されず、ＮＨ３ ガス、ヒドラジン（Ｈ２ Ｎ−ＮＨ２ ）ガスやモノメチルヒドラジン（ＣＨ３ −ＮＨ−ＮＨ２ ）ガス等を用いてもよい。
【００６８】
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
２  導電層
４  絶縁層
６  凹部
８  Ｔｉ膜
１０  ＴｉＮ膜
１２  バリヤ層
２０  プラズマ処理装置
２２  処理容器
２８  真空排気系
３２  真空ポンプ
３６  載置台
３８  加熱手段
４０  シャワーヘッド（ガス導入手段）
５６  ＴｉＣｌ４ ガス源
５８  Ｈ２ ガス源
７０  高周波電源
７４  プラズマ形成手段
８２  制御部
８４  記憶媒体
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
2010263126.tif 000003
【図２】
2010263126.tif 000004
【図３】
2010263126.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010263126.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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