(57)【要約】【課題】ＴｉＮ膜の膜厚又は膜質の均一性をより向上させることのできるＴｉＮ膜形成方法を提供すること。【解決手段】本発明によるＴｉＮ膜の形成方法は、まず、ＴｉＣｌ４ガスが供給律速となるよう調整されたＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスからなる第１の成膜ガスにより第１のＴｉＮ膜５を基板１の被膜形成面（酸化珪素）２上に形成し、次いで、ＴｉＣｌ４ガスが反応律速となるよう調整されたＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスからなる第２の成膜ガスにより第２のＴｉＮ膜６を第１のＴｉＮ膜５上に形成することを特徴とする。これにより、第１と第２のＴｉＮ膜５，６は全体として膜厚又は膜質が均一なものとなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の酸化珪素表面又は珪素表面上に窒化チタン膜を形成する方法において、
前記基板が配置された処理チャンバ内に塩化チタンガスとアンモニアガスを主成分とする第１の成膜ガスを導入し、前記基板の前記被膜形成面上に第１の窒化チタン膜を熱ＣＶＤ法により成膜する第１ステップと、
前記第１ステップの後、前記処理チャンバ内に塩化チタンガスとアンモニアガスを主成分とする第２の成膜ガスを導入し、前記第１の窒化チタン膜上に第２の窒化チタン膜を熱ＣＶＤ法により成膜する第２ステップと
を含み、
前記第１の成膜ガス中の塩化チタンガスが熱化学反応における供給律速となり且つアンモニアガスが反応律速となるよう塩化チタンガス及びアンモニアガスのそれぞれの前記処理チャンバ内への導入量を調整し、
前記第２の成膜ガス中の塩化チタンガスが熱化学反応における反応律速となり且つアンモニアガスが供給律速となるよう塩化チタンガス及びアンモニアガスのそれぞれの前記処理チャンバ内への導入量を調整したことを特徴とする窒化チタン膜の形成方法。
【請求項２】
前記第１の窒化チタン膜の膜厚は１００オングストローム（１０ｎｍ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化チタン膜の形成方法。
【請求項３】
前記第１の窒化チタン膜と前記第２の窒化チタン膜の厚さの総計は１５０〜５００オングストローム（１５〜５０ｎｍ）であることを特徴とする請求項２に記載の窒化チタン膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造等で用いられる成膜技術に関し、特にＣＶＤ（化学気相堆積）法により形成される窒化チタン（ＴｉＮ）膜の膜質ないしは膜厚の均一性を向上させるための手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造においては、配線形成やコンタクトホールの埋込み等のために、タングステン（Ｗ）やアルミニウム（Ａｌ）を成膜する方法が広く採用されている。また、Ｗ膜やＡｌ膜を二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜等の被膜形成面（下地層）上に直接形成した場合、被膜形成面にＷやＡｌの拡散が生じて膜質が不安定なものとなるおそれがあるため、従来においては、被膜形成面上にＴｉＮ膜を形成し、その上にＷ膜又はＡｌ膜を形成することとしている（特許文献１参照）。
【０００３】
ＴｉＮ膜の成膜方法としては、塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いての熱ＣＶＤ法が一般的である。また、近年の半導体デバイスの高集積化、微細化に伴って良好なステップカバレッジを得ることが必要なことから、ＴｉＣｌ４ガスの導入流量をＮＨ３ガスの流量に対して熱化学反応的に供給過多の状態、すなわちＴｉＣｌ４ガスが熱化学反応における反応律速となる状態とすることが一般的であった。例えば、ＮＨ３ガスを１００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバに導入した場合、ＴｉＣｌ４ガスを１７０ｍｇｍ程度の流量としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２０１７７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＴｉＮ膜の形成は、ＳｉＯ２膜のような酸化珪素表面や珪素単結晶表面の全域にわたり膜厚ないしは膜質が可能な限り均一となるよう行うことが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明は、上述したような従来の方法よりも更にＴｉＮ膜の膜厚ないしは膜質の均一性が向上する新規なＴｉＮ膜形成方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるＴｉＮ膜の形成方法は、半導体ウェハ等の基板が配置された処理チャンバ内にＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを主成分とする第１の成膜ガスを導入し、基板の酸化珪素表面又は珪素表面上に第１のＴｉＮ膜を熱ＣＶＤ法により形成する第１ステップと、第１ステップの後、処理チャンバ内にＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを主成分とする第２の成膜ガスを導入し、前記第１のＴｉＮ膜上に第２のＴｉＮ膜を熱ＣＶＤ法により成膜する第２ステップとを含み、前記第１の成膜ガス中のＴｉＣｌ４ガスが熱化学反応における供給律速となり且つＮＨ３ガスが反応律速となるようＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスのそれぞれの処理チャンバ内への導入量を調整し、第２の成膜ガス中のＴｉＣｌ４ガスが熱化学反応における反応律速となり且つＮＨ３ガスが供給律速となるようＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスのそれぞれの処理チャンバ内への導入量を調整したことを特徴としている。なお、酸化珪素は、ＳｉＯ２の他、同様な性質を有するＳｉＯＣ、ＳｉＯＮであってもよい。
【０００８】
本発明の方法によれば、第１のＴｉＮ膜及び第２のＴｉＮ膜から成る膜を１層のＴｉＮ膜として見た場合、このＴｉＮ膜は、従来の方法によるＴｉＮ膜（本発明でいうところの第２のＴｉＮ膜のみの膜）に比して、膜質ないしは膜厚がより均一なものとなる。
【０００９】
なお、第１のＴｉＮ膜の膜厚は１００オングストローム（１０ｎｍ）以下、好ましくは３０〜１００オングストローム（３〜１０ｎｍ）、より好ましくは５０〜７０（３〜７ｎｍ）であり、第１のＴｉＮ膜と第２のＴｉＮ膜の厚さの総計は１５０〜５００オングストローム（１５〜５０ｎｍ）であることが好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の方法によって半導体ウェハ（基板）１上のＳｉＯ２膜２の上にＴｉＮ膜３を形成し、更にその上にＷ膜４を形成する場合の手順を示す図である。
【００１１】
まず、熱ＣＶＤ装置の処理チャンバ（図示しない）内にＳｉＯ２膜２が既に形成された半導体ウェハ１（図１の（ａ）参照）を搬入すると共に、処理チャンバ内を約１０Ｔｏｒｒ（１３３３．２２Ｐａ  ）に減圧する。次いで、処理チャンバ内を加熱し、半導体ウェハ１を６００〜７５０℃程度（例えば６８０℃）の高温とする。ここで、ＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスを主成分として含む第１の成膜ガスを処理チャンバ内に導入して、熱化学反応させると、半導体ウェハ１上に薄い第１のＴｉＮ膜５が形成される（図１の（ｂ）参照）。
【００１２】
この処理では、ＮＨ３ガスが熱化学反応の反応律速となるような流量とする。すなわち、例えばＴｉＣｌ４ガスの流量を１０〜１００ｍｇｍの小流量としているのに対し、ＮＨ３ガスは５００ｓｃｃｍの大流量としている。このようにＮＨ３に反応を支配させることで、ステップカバレージは低くなるが、十分なＮＨ３ガスをウェハ全面に吸着させＴｉＣｌ４が導入された際にウェハ全面に吸着したＮＨ３と反応することで均一な膜が形成されるという理由から、被膜形成面、すなわちＳｉＯ２膜２上に、引き続き成膜される第２のＴｉＮ膜６の成長に有効な核ないしは種となるべき膜が形成されると考えられる。
【００１３】
第１のＴｉＮ膜５の厚さは１００オングストローム（１０ｎｍ）以下、好ましくは約３０〜１００オングストローム（３〜１０ｎｍ）、より好ましくは約５０〜７０オングストローム（５〜７ｎｍ）程度である。３０オングストロームよりも薄いと、ＴｉＮ膜成長の核としての機能が十分に発揮されず、また、１００オングストロームを越えると、ステップカバレージに悪影響を及ぼすおそれがあるからである。
【００１４】
第１のＴｉＮ膜５が形成されたならば、第１の成膜ガスを処理チャンバから排出する。そして、前記処理チャンバ内の真空度及び温度を第１のＴｉＮ膜５の成膜時と同等に保った状態で、第２の成膜ガスを導入し、熱化学反応により第２のＴｉＮ膜６を第１のＴｉＮ膜５上に形成する。第２の成膜ガスは第１の成膜ガスと同様、ＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスを主成分とするが、ＴｉＣｌ４ガスが反応律速となるよう調整されている。具体的には、ＴｉＣｌ４ガスの流量が例えば１７０ｍｇｍである場合、ＮＨ３ガスの流量を１００ｓｃｃｍ程度とすることが好ましい。この第２の成膜ガスは上述した従来方法における成膜ガスと同等のものであるので、ステップカバレージは良好であり、第１のＴｉＮ膜５によってカバーできなかった部分も埋めることができる。また、先に第１のＴｉＮ膜５が形成されているので、第２のＴｉＮ膜６は第１のＴｉＮ膜５を核ないしは種として安定して成長していく。その結果、第１と第２のＴｉＮ膜５，６からなるＴｉＮ膜３は、第２の成膜ガスで第２のＴｉＮ膜のみをＳｉＯ２膜上に直接形成する従来方法に比して、より均一な膜質又は膜厚となる。
【００１５】
第１と第２のＴｉＮ膜５，６の膜厚の総計が所定値に達したならば、従来一般に行われているように、別の熱ＣＶＤ装置（図示しない）に半導体ウェハ１を移し、タングステンヘキサフルオライド（ＷＦ６）及びシラン（ＳｉＨ４）又はＨ２を処理チャンバ内に導入して熱化学反応によって第２のＴｉＮ膜６上にブランケットＷ膜４を形成する。勿論、均質で且つ膜厚が均一である第２のＴｉＮ膜６上に形成されたＷ膜４の膜質も向上される。Ｗ膜４の被膜形成面に対する拡散防止という観点では、第１と第２のＴｉＮ膜５，６の膜厚の総計は１５０〜５００オングストローム（１５〜５０ｎｍ）程度であることが好適である。なお、５００オングストロームまでとしたのは、その値を越えた場合、第１のＴｉＮ膜５の効果が薄れるため、膜質等の均一性は低下すると考えられるからである。
【００１６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、第１及び第２の成膜ガスには、他のガスが含まれていてもよい。また、ＴｉＮ膜３上に形成される膜はＡｌ膜やその他の材質の膜であってもよい。更に、ＴｉＮ膜の下地もＳｉＯ２に限られず、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ等の他の酸化珪素であってもよく、また、珪素でもよい。
【００１７】
【実施例】
次に、本発明のＴｉＮ膜成膜方法により実際にＴｉＮ膜を形成し、その膜質の均一性を検討した２つの実験の結果について述べる。第１の実験では、第１のＴｉＮ膜の有無による膜質等の均一性の違いを検討した。また、第２の実験では、第１のＴｉＮ膜は一定の厚さとし、第２のＴｉＮ膜の厚さを変えた場合について検討した。
【００１８】
まず、第１の実験では、表面に厚さ１０００オングストローム（１００ｎｍ）のＳｉＯ２膜が形成された半導体ウェハを用意し、本発明の実施例としてそのＳｉＯ２膜上に第１のＴｉＮ膜、更にその上に第２のＴｉＮ膜を形成した試料、及び、その比較例として第１のＴｉＮ膜のみを形成した試料と、第２のＴｉＮ膜のみを形成した試料を用意した。
【００１９】
更に、実施例に係る試料としては、下の表１に示すように１１種類用意した。すなわち、第１のＴｉＮ膜を形成するための第１の成膜ガスを、ＴｉＣｌ４ガスの流量を１５ｍｇｍ、３０ｍｇｍ、５０ｍｇｍの３通りとして、それぞれについて第１のＴｉＮ膜の厚さを１０オングストローム（１ｎｍ）、３０オングストローム（３ｎｍ）、５０オングストローム（５ｎｍ）、７０オングストローム（７ｎｍ）、１００オングストローム（１０ｎｍ）の５種とした。なお、第１の成膜ガスにおけるＮＨ３ガスの流量は５００ｓｃｃｍ一定とした。また、実施例に係る各試料における第１及び第２のＴｉＮ膜の膜厚の総計は２００オングストローム（２０ｎｍ）一定となるよう、第２のＴｉＮ膜を形成した。第２のＴｉＮ膜を形成するための第２の成膜ガスにおけるＴｉＣｌ４ガスの流量は１７０ｍｇｍ一定、ＮＨ３ガスの流量は１００ｓｃｃｍ一定とした。
【００２０】
一方、第１のＴｉＮ膜のみが形成された比較例に係る試料としては、実施例に係る試料について第２のＴｉＮ膜を形成していないものと、ＴｉＣｌ４ガスの流量を１５ｍｇｍ、ＮＨ３ガスの流量を５００ｓｃｃｍとして厚さ２００オングストローム（２０ｎｍ）の第１のＴｉＮ膜のみを形成したものとの、計９種を用意した。
【００２１】
また、第２のＴｉＮ膜のみが形成された比較例に係る試料は、ＴｉＣｌ４ガスの流量を１７０ｍｇｍ一定、ＮＨ３ガスの流量を１００ｓｃｃｍ一定として第２のＴｉＮ膜を形成したものである。第２のＴｉＮ膜の厚さは、１００オングストローム（１０ｎｍ）、１３０オングストローム（１３ｎｍ）、１５０オングストローム（１５ｎｍ）、２００オングストローム（２０ｎｍ）の４通りとした。
【００２２】
ＴｉＮ膜の膜質ないしは膜厚の均一性の評価方法としては種々考えられるが、本実験では、半導体ウェハ上の複数箇所でシート抵抗を測定してその標準偏差を求め、その値から膜厚又は膜質の均一性を判断するという方法を採用した。シート抵抗［Ω／□］とは、単位幅、単位長さ当たりの抵抗値をいう。標準偏差の値は小さいほど、シート抵抗の分散の幅は小さく、よって膜質ないしは膜厚がより均一であることを示す。
【００２３】
【表１】
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表１には第１の実験により得られた評価結果がシート抵抗標準偏差の値として示されている。この表１から明らかなように、本発明の方法によって膜質ないしは膜厚の均一性の高いＴｉＮ膜が得られることが分かる。なお、第１のＴｉＮ膜のみであっても、２００オングストロームを越えると、シート抵抗の標準偏差は低くなるが、第１のＴｉＮ膜はステップカバレージが低いという別の問題があるため、近年の半導体デバイスの微細化、高集積化には不適当である。
【００２４】
なお、この第１の実験において本発明の方法でＴｉＮ膜を形成した後、厚さ４０００オングストローム（４００ｎｍ）のＷ膜を従来一般の方法で形成したが、良好な膜が得られた。
【００２５】
第２の実験では、試料として、表面に厚さ１０００オングストローム（１００ｎｍ）のＳｉＯ２膜が形成された半導体ウェハを用意した。そして、下の表２に示すように、本発明の実施例に係る試料として、ＴｉＣｌ４ガスの流量を１５ｍｇｍ、ＮＨ３ガスの流量を５００ｓｃｃｍとして厚さ５０オングストローム（５ｎｍ）の第１のＴｉＮ膜をＳｉＯ２膜上に形成し、その上に、ＴｉＣｌ４ガスの流量を１７０ｍｇｍ、ＮＨ３ガスの流量を１００ｓｃｃｍとして厚さ１５０オングストローム（１５ｎｍ）、２５０オングストローム（２５ｎｍ）、３５０オングストローム（３５ｎｍ）、４５０オングストローム（４５ｎｍ）の第２のＴｉＮ膜をそれぞれ形成した４種の試料を作成した。
【００２６】
また、比較例としては、第１のＴｉＮ膜は形成せずに、第２のＴｉＮ膜のみを形成した試料を４種用意した。それぞれの膜厚は、実施例の各試料の第１と第２のＴｉＮ膜の厚さの総計と同じとなるよう、２００オングストローム、３００オングストローム、４００オングストローム、５０オングストロームとした。
【００２７】
膜質ないしは膜厚の均一性の評価方法としては、第１の実験の場合と同様、シート抵抗の標準偏差を求める方法を採用した。
【００２８】
【表２】
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表２には、この第２の実験による結果が示されており、図２はそれをグラフとしたものである。これらから、本発明の方法により膜質ないしは膜厚の均一性の高いＴｉＮ膜が得られることが理解されよう。また、本発明の方法によっても、膜厚の総計が５００オングストロームを越えると、第２のＴｉＮ膜のみからなるものと効果においては差がなくなるが、これは第２のＴｉＮ膜が厚くなるにつれ、第１のＴｉＮ膜の効力が低減されるためと考えられる。
【００２９】
この第２実験にて本発明の方法で形成されたＴｉＮ膜の上に、最上層として厚さ４０００オングストローム（４００ｎｍ）のＷ膜を従来一般の方法で形成したが、この場合も良好な結果が得られた。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、Ｗ膜やＡｌ膜の下地層として形成されるＴｉＮ膜の膜質ないしは膜厚がより均一となり、ＷやＡｌの拡散防止効果等が半導体ウェハ等の基板の全域において均等に得られることとなる。従って、最終製品となる半導体デバイスの性能や歩留まりの向上にも寄与することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の方法を用いてのＴｉＮ膜形成の手順を示す図である。
【図２】本発明による効果を示す実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…半導体ウェハ、２…ＳｉＯ２膜、３…ＴｉＮ膜、４…Ｗ膜、５…第１のＴｉＮ膜、６…第２のＴｉＮ膜。
【図１】
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【図２】
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