(57)【要約】【課題】チタンのシリサイド構造を揃えることによりモホロジー等を改善することが可能なチタン膜の成膜方法及びチタン膜の成膜装置を提供する。【解決手段】真空引き可能になされた処理容器１４内に、チタンを含む原料ガスと還元ガスと不活性ガスとを供給すると共に、前記処理容器内にプラズマを立てて表面にシリコン部６と絶縁膜２とが露出している被処理体Ｗの表面にチタン膜８を形成するチタン膜の成膜方法において、前記還元ガスと不活性ガスとの合計流量に対する前記還元ガスの供給量の比率が６７％以下となるように設定する。これにより、チタンのシリサイド構造を揃えて、モホロジー等を改善する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空引き可能になされた処理容器内に、チタンを含む原料ガスと還元ガスと不活性ガスとを供給すると共に、前記処理容器内にプラズマを立てて表面にシリコン部と絶縁膜とが露出している被処理体の表面にチタン膜を形成するチタン膜の成膜方法において、
前記還元ガスと不活性ガスとの合計流量に対する前記還元ガスの供給量の比率が６７％以下となるように設定したことを特徴とするチタン膜の成膜方法。
【請求項２】
前記シリコン部上に前記チタン膜が形成されることにより、前記シリコン部がシリサイド化して珪化チタンが形成されることを特徴とする請求項１記載のチタン膜の成膜方法。
【請求項３】
前記還元ガスの供給量の比率の下限は３．５％であることを特徴とする請求項１又は２記載のチタン膜の成膜方法。
【請求項４】
前記チタン膜の成膜時の温度は５２５〜６００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のチタン膜の成膜方法。
【請求項５】
前記還元ガスと不活性ガスとが先に供給されてプラズマ化され、その後、プラズマ中に前記原料ガスを供給するようにした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チタン膜の成膜方法。
【請求項６】
前記還元ガスと不活性ガスと原料ガスとが共に供給されて、その後プラズマ化するようにした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チタン膜の成膜方法。
【請求項７】
前記原料ガスはＴｉＣｌ４ であり、前記不活性ガスは希ガスであり、前記還元ガスはＨ２ 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チタン膜の成膜方法。
【請求項８】
表面にシリコン部と絶縁膜とが露出している被処理体の表面にチタン膜を形成する成膜装置において、
真空排気が可能になされた処理容器と、
前記処理容器内に設けられて前記被処理体を保持する載置台と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内にチタンを含む原料ガスと還元ガスと不活性ガスとを供給するガス導入手段と、
前記処理容器内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７のいずれか一項に記載の成膜方法を行うように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするチタン膜の成膜装置。
【請求項９】
真空排気が可能になされた処理容器と、
前記処理容器内に設けられて表面にシリコン部と絶縁膜とが露出している被処理体を保持する載置台と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内にチタンを含む原料ガスと還元ガスと不活性ガスとを供給するガス導入手段と、
前記処理容器内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、を有するチタン膜の成膜装置を用いて前記被処理体の表面にチタン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行うように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、表面にシリコン部と絶縁膜が露出している半導体ウエハ等の表面にチタン膜を形成するようにした成膜方法及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウエハに対して、成膜、エッチング、酸化拡散、アニール等の各種の熱処理が繰り返し施され、この種の処理を行う装置の一例として例えば特許文献１等に開示されているプラズマ処理装置が用いられる。そして、半導体集積回路の更なる高集積化及び高微細化の要求に対応して、半導体素子を埋め込む絶縁膜や多層化された回路構成間の絶縁を図る層間絶縁膜などに形成されたホール、例えばコンタクトホールやビアホールの径もますます微細化されており、これに伴ってこのホールに埋め込まれた配線の良好な導通を図るための埋め込み技術が重要となっている。
【０００３】
上記埋め込み処理を行う場合には、アルミニウム、タングステン、或いはこれらの合金が一般的に用いられるが、この埋め込みに先立って、ホール下端部に露出している例えばシリコン基板とのコンタクト抵抗の低減等を図る目的でチタン（Ｔｉ）膜を形成しており、このＴｉ膜とシリコン基板との界面部分でシリサイド化を生ぜしめて珪化チタンとしてＴｉＳｉ２ を形成し、コンタクト抵抗を減少させている（特許文献２、３等）。
【０００４】
ここで上記シリサイド化を伴うＴｉ膜の成膜方法について説明する。図１０はＴｉ膜の成膜対象となる半導体ウエハの一部を示す拡大断面図である。被処理体である半導体ウエハＷは例えばシリコン基板よりなり、その上面に例えばＳｉＯ２ よりなる絶縁膜２が形成され、この絶縁膜２に微細なホール４が形成されている。そして、このホール４の底部に下層の導電層であるシリコン部６が露出されている。
【０００５】
このシリコン部６は例えばｎ型又はｐ型の不純物をシリコン基板にドープすることにより形成された拡散層よりなり、これによりウエハＷの表面（ホールの底部を含む）には、シリコン部６と絶縁膜２とが露出した状態となっている。
【０００６】
このような半導体ウエハＷに対して、このウエハＷを所定の温度に維持しつつ原料ガスとして例えばＴｉＣｌ４ ガスを用い、還元ガスとして例えばＨ２ ガスを用い、プラズマ化用のガスとして例えばＡｒガスを用いてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理を行うことにより表面全体にＴｉ膜８が形成される。プラズマ中ではＴｉＣｌ４ は以下の反応で分解されて低次塩化物のプリカーサ（前駆体）が生成される。まず原料のＴｉＣｌ４ が式１に従って活性化する。次に活性化されたＴｉＣｌ４ ＊が式２に従ってＴｉＣｌ３ が形成されて成膜に寄与するプリカーサとなる。また、式３にしたがってＴｉＣｌ３ は更に分解してＴｉＣｌ２ が形成され、これも成膜に寄与するプリカーサとなる。尚、”＊”は活性化していることを示す。以下同様である。
【０００７】
ＴｉＣｌ４ ＋Ａｒ→ＴｉＣｌ４ ＊＋Ａｒ        （１）
ＴｉＣｌ４ ＊＋Ｈ／Ｈ＊→ＴｉＣｌ３ ＋ＨＣｌ    （２）
ＴｉＣｌ３ ＋Ｈ／Ｈ＊→ＴｉＣｌ２ ＋ＨＣｌ    （３）
ＴｉＣｌ２ は非常に活性なプリカーサであり、絶縁膜、例えばＳｉＯ２ 膜上では式４にしたがって（Ｈ２ 還元反応）Ｔｉ膜を成膜する。
ＴｉＣｌ２ ＋Ｈ２ →Ｔｉ＋２ＨＣｌ            （４）
【０００８】
以上のようにＨ２ ガスを多量に供給し、高濃度のＨ２ ガス雰囲気にすることでＴｉ成膜を促進する。また、ＨＣｌの形態でＣｌをプリカーサから脱離、排気することで、Ｔｉ膜中へのＣｌの混入を抑制する。このためＨ２ ガスはＡｒガスに比べてかなり大きな流量で供給している。
そして、ホール４の底部に成膜したＴｉ膜８は、シリコン部６と接触してその境界がシリサイド化されて、ここに例えばＴｉＳｉ２ よりなる珪化チタン１０が形成される。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−３３９８９５号公報
【特許文献２】特開平１１−０４０５１８号公報
【特許文献３】特開２００３−０５５７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、Ｔｉ膜の成膜処理を６５０℃程度の温度領域で行うと、Ｔｉとシリコン基板とが反応してシリサイド化することにより形成される珪化チタン膜ＴｉＳｉ２ の結晶相がウエハ面内でバラツキを生ずる。このため、ＴｉＳｉ２ 中のＴｉ膜厚（Ｔｉの含有量）がウエハ面内でパラツキを生じ、結果的に絶縁膜上とシリコン上でのＴｉ成膜の選択比もまたウエハ面内で大きなバラツキが発生する。また、この結晶相のバラツキに起因するＴｉＳｉ２ 膜のモホロジー（表面形態）の悪化も発生する。
【００１１】
また、５５０℃付近のより低い温度領域ではＴｉのシリサイド化により組成の違うＴｉＳｉやＴｉ５ Ｓｉ３ などのシリサイド相が形成され、珪化チタン膜のシート抵抗の面内均一性が極端に悪化する、という問題もあった。
【００１２】
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、チタンのシリサイド化の過程で珪化チタン膜の結晶及び組成のバツラキを抑制してシリサイド相を揃えることによりウエハ面内均一性を改善し、同時に珪化チタン膜のモホロジーやシート抵抗を改善することが可能なチタン膜の成膜方法及びチタン膜の成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は、Ｔｉのシリサイド化について鋭意研究した結果、Ａｒガスに対してＨ２ ガスの供給量を抑制することにより、シリサイド化を制御することができる、という知見を得ることによって、本発明に至ったものである。
【００１４】
請求項１に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内に、チタンを含む原料ガスと還元ガスと不活性ガスとを供給すると共に、前記処理容器内にプラズマを立てて表面にシリコン部と絶縁膜とが露出している被処理体の表面にチタン膜を形成するチタン膜の成膜方法において、前記還元ガスと不活性ガスとの合計流量に対する前記還元ガスの供給量の比率が６７％以下となるように設定したことを特徴とするチタン膜の成膜方法である。
【００１５】
このように、チタン膜の成膜時に還元ガスと不活性ガスとの合計流量に対する還元ガスの供給量の比率が６７％以下となるように設定したので、チタンのシリサイド化の過程で珪化チタン膜の結晶及び組成のバラツキを抑制してシリサイド相を揃えることによりウエハ面内均一性を改善し、同時に珪化チタン膜のモホロジーやシート抵抗を改善することができる。
【００１６】
この場合、例えば請求項２に記載したように、前記シリコン部上に前記チタン膜が形成されることにより、前記シリコン部がシリサイド化して珪化チタンが形成される。
また例えば請求項３に記載したように、前記還元ガスの供給量の比率の下限は３．５％である。
【００１７】
また例えば請求項４に記載したように、前記チタン膜の成膜時の温度は５２５〜６００℃の範囲内である。
このように、チタン膜の成膜時の温度が５２５〜６００℃の範囲内では、特にシリサイド化により形成される珪化チタン膜のシート抵抗や膜厚の面内均一性を向上でき、更にはシート抵抗の低減化を図ることができる。
【００１８】
また例えば請求項５に記載したように、前記還元ガスと不活性ガスとが先に供給されてプラズマ化され、その後、プラズマ中に前記原料ガスを供給する。
また例えば請求項６に記載したように、前記還元ガスと不活性ガスと原料ガスとが共に供給されて、その後プラズマ化する。
また例えば請求項７に記載したように、前記原料ガスはＴｉＣｌ４ であり、前記不活性ガスは希ガスであり、前記還元ガスはＨ２ である。
【００１９】
請求項８に係る発明は、表面にシリコン部と絶縁膜とが露出している被処理体の表面にチタン膜を形成する成膜装置において、真空排気が可能になされた処理容器と、前記処理容器内に設けられて前記被処理体を保持する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内にチタンを含む原料ガスと還元ガスと不活性ガスとを供給するガス導入手段と、前記処理容器内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７のいずれか一項に記載の成膜方法を行うように制御する制御部と、を備えたことを特徴とするチタン膜の成膜装置である。
【００２０】
請求項９に係る発明は、真空排気が可能になされた処理容器と、前記処理容器内に設けられて表面にシリコン部と絶縁膜とが露出している被処理体を保持する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内にチタンを含む原料ガスと還元ガスと不活性ガスとを供給するガス導入手段と、前記処理容器内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、を有するチタン膜の成膜装置を用いて前記被処理体の表面にチタン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行うように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】
【００２１】
本発明に係るチタン膜の成膜方法及びチタン膜の成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
チタン膜の成膜時に還元ガスと不活性ガスとの合計流量に対する還元ガスの供給量の比率が６７％以下となるように設定したので、チタン膜の成膜時に還元ガスと不活性ガスとの合計流量に対する還元ガスの供給量の比率が６７％以下となるように設定したので、チタンのシリサイド化の過程で珪化チタン膜の結晶及び組成のバラツキを抑制してシリサイド相を揃えることによりウエハ面内均一性を改善し、同時に珪化チタン膜のモホロジーやシート抵抗を改善することができる。
【００２２】
特に、請求項４に係る発明によれば、チタン膜の成膜時の温度が５２５〜６００℃の範囲内では、特にシリサイド化により形成される珪化チタン膜のシート抵抗や膜厚の面内均一性を向上でき、更にはシート抵抗の低減化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明に係るチタン膜の成膜方法及びチタン膜の成膜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は本発明に係るチタン膜の成膜方法を実施するチタン膜の成膜装置の一例を示す断面構成図である。尚、ここではチタン膜（Ｔｉ膜）をプラズマＣＶＤにより成膜してシリサイド化する場合を例にとって説明する。
【００２４】
図示するように、このＴｉ膜の成膜装置１２は、例えばアルミニウムにより円筒体状に成形された処理容器１４を有しており、この処理容器１４は接地されている。この処理容器４の天井部には、ガス導入手段として下面に多数のガス噴出口１６を有するシャワーヘッド部１８が設けられており、これにより各種の必要なガスを処理容器１４内の処理空間Ｓへ導入できるようになっている。尚、このシャワーヘッド部１８内は、この中で原料ガスであるＴｉＣｌ４ と還元ガスであるＨ２ とが混ざらないように区画されており、両ガスが処理空間Ｓへ噴出された時に初めて混ざるように、いわゆるポストミックス構造になっている。また、これに限らず、両ガスをシャワーヘッド部１８内で混合させる、いわゆるプレミックス構造のシャワーヘッド部を用いてもよい。
【００２５】
このシャワーヘッド部１８の全体は、例えばニッケルやハステロイ（商品名）、アルミニウム、カーボン、グラファイト、或いはこれらの材料の組み合わせよりなり、全体として導電体により構成されており、平行平板電極の上部電極を兼ねている。この上部電極であるシャワーヘッド部１８の外周側や上方側は、例えば石英やアルミナ（Ａｌ２ Ｏ３ ）等よりなる絶縁体２０により全体が覆われており、上記シャワーヘッド部１８はこの絶縁体２０を介して処理容器１４側に絶縁状態で取り付け固定されている。この場合、上記シャワーヘッド部１８と絶縁体２０と処理容器１４の各接合部には、例えばＯリング等よりなるシール部材２２がそれぞれ介在されており、処理容器１４内の気密性を維持するようになっている。
【００２６】
そして、このシャワーヘッド部１８には、プラズマ形成手段２８が接続されている。具体的には、このプラズマ形成手段２８は例えば４５０ｋＨｚの高周波電圧を発生する高周波電源２４を有しており、この高周波電源２４がマッチング回路２６を介して上記シャワーヘッド部１８に接続されて、上記上部電極であるシャワーヘッド部１８に必要に応じて高周波電圧を印加するようになっている。尚、この高周波電圧の周波数は４５０ｋＨｚに限定されず、他の周波数、例えば１３．５６ＭＨｚ等を用いてもよく、具体的には３００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚの範囲内の周波数を用いることができる。
【００２７】
そして、この処理容器１４の側壁には、ウエハを搬出入するための搬出入口３０が形成されており、これにはゲートバルブ３２が設けられて開閉可能になされている。このゲートバルブ３２には、半導体ウエハを大気に晒すことなく搬送するために図示しないロードロック室やトランスファチャンバ等が接続される。
【００２８】
また、この処理容器１４の底部の中央は、下方へ凹部状に成形されており、この側面には、図示しない真空ポンプ等に接続された排気口３４が設けられて、処理容器１４内を必要に応じて真空引き可能としている。そして、この処理容器１４内には、被処理体としての半導体ウエハＷを載置するためにその底部より支柱３６を介して支持された載置台３８が設けられている。この載置台３８は下部電極を兼ねており、この載置台３８の上部周縁部には、ウエハＷの周囲を囲むようにしてリング状のフォーカスリング４０が設けられている。そして、この下部電極である載置台３８と上記上部電極であるシャワーヘッド部１８との間の処理空間Ｓに上部電極へ高周波電圧を印加することによりプラズマを立て得るようになっている。
【００２９】
具体的には、この載置台３８は、例えば全体がＡｌＮ等のセラミックスよりなり、この内部に加熱手段として例えばモリブデンやタングステン線等の抵抗体よりなる加熱ヒータ４２が所定のパターン形状に配列して埋め込まれている。この加熱ヒータ４２には、ヒータ電源４４が配線４６を介して接続されており、必要に応じて上記加熱ヒータ４２に電力を供給してウエハＷを所定の温度に温度制御できるようになっている。更に、この載置台３８の内部には、下部電極の機能を発揮させるために例えばモリブデン線等をメッシュ状（網状）に網み込んでなる電極本体４８が面内方向に略全域に亘って埋め込まれている。そして、この電極本体４８は配線５０を介して接地されている。尚、この電極本体４８にバイアス電圧として高周波電圧を印加するようにしてもよい。
【００３０】
そして、上記載置台３８には、これを上下方向に貫通して３本のピン孔５２が形成されており（図１中では２個のみ記す）、各ピン孔５２には、その下端が円弧状の連結リング５４に共通に支持された例えば石英製の押し上げピン５６が遊嵌状態で挿通できるようになっている。そして、上記連結リング５４は、容器底部を貫通して上下移動可能に設けた出没ロッド５８の上端に支持されており、この出没ロッド５８の下端はアクチュエータ６０に接続されている。これにより、上記各押し上げピン５６をウエハＷの受け渡し時に各ピン孔５２の上端から上方へ出没させるようになっている。また、上記出没ロッド５８の容器底部に対する貫通部には、伸縮可能になされたベローズ６２が介設されており、上記出没ロッド６２が処理容器１４内の気密性を維持しつつ昇降できるようになっている。
【００３１】
そして、上記シャワーヘッド部１８のガス導入口６４には、処理に必要な各種のガスを供給するガス供給系６６が接続されている。具体的には、ここではガス供給系６６として、原料ガスとして例えばＴｉＣｌ４ ガスを流す原料ガス管６８、プラズマ用ガスとして不活性ガス、例えばＡｒガスを流すプラズマ用ガス管７０及び還元ガスとして例えばＨ２ ガスを流す還元ガス管７２がそれぞれ接続されている。そして、各ガス管６８、７０、７２には各ガスの供給量を制御するマスフローコントローラのような流量制御器６８Ａ、７０Ａ、７２Ａと、開閉弁６８Ｂ、７０Ｂ、７２Ｂとがそれぞれ介設されている。
【００３２】
そして、この装置全体は、例えばコンピュータよりなる制御部７４により制御され、例えば各ガスの供給の開始、停止、各ガスの流量制御、ウエハＷの温度制御、処理容器１４内の圧力制御、プラズマ発生用の高周波電力の供給及び供給の停止等を制御するようになっている。また、この制御に必要なコンピュータに読み取り可能なプログラムは、記憶媒体７６に記憶されている。この記憶媒体７６は、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）、ＣＤ−ＲＯＭ、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】
次に、以上のように構成された成膜装置を用いて行われる本発明のチタン膜の成膜方法について図２乃至図５も参照して説明する。図２は各ガスの供給態様とプラズマ着火のタイミングを示すタイミングチャート、図３はシリコン基板上に形成したＴｉ膜のシリサイド化の状況を調べるためのＸ線回折分析の結果を示すグラフ、図４は水素ガスの供給量の比率を変えて成膜されたＴｉ（珪化チタン）の表面の電子顕微鏡写真、図５は水素ガスの供給量の比率と半導体ウエハ上に堆積するＴｉ膜の選択比との関係を示すグラフである。
【００３４】
ここで用いられる半導体ウエハＷは図１０にも示したように、表面にシリコン部と絶縁膜とが露出しているようなウエハであり、上記シリコン部はシリコン基板の場合もあるし、基板上に形成されたシリコン膜の場合もある。底部にシリコン部が露出することになるホールはコンタクトホールやビアホールが対応する。そして、絶縁膜としてはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ 膜）が対応し、このＳｉＯ２ 膜上とシリコン部であるＳｉ上とにそれぞれＴｉ膜が形成されることになる。
【００３５】
まず、処理容器１４の側壁に設けたゲートバルブ３２を開状態とし、図示しないロードロック室等から搬出入口３０を介して未処理の上述したような半導体ウエハＷをこの処理容器１４内へ搬入し、これを押し上げピン５６に受け渡してこれを降下させることによって、ウエハＷを下部電極である載置台３８上に載置させる。
【００３６】
次に、処理容器１４内を密閉状態とし、加熱ヒータ４２への投入電力を増して予熱状態になされている載置台３８の温度をプロセス温度まで昇温して維持する。そして、これと共に各開閉弁６８Ｂ、７０Ｂ、７２Ｂを開状態にして上部電極であるシャワーヘッド部１８からプラズマガスのＡｒガスや還元ガスのＨ２ ガスや原料ガスのＴｉＣｌ４ ガスをそれぞれ流量制御しつつ処理容器１４内へ供給すると同時に、排気口３４から処理容器１４内を真空引きして処理容器１４内を所定のプロセス圧力に維持する。
【００３７】
そして更に、上記高周波電源２４を駆動することにより、上部電極であるシャワーヘッド部１８と下部電極である載置台３８との間に例えば４５０ｋＨｚの高周波電圧を印加し、これにより、処理空間Ｓにプラズマを立ててプラズマによってＴｉＣｌ４ ガスを分解し、ウエハＷの表面にＴｉ膜を堆積させる。これと同時に例えばホールの底部に露出しているシリコン部上に堆積したＴｉ膜は下地のＳｉと反応してシリサイド化することになり、境界部分に珪化チタン（ＴｉｘＳｉｙ：ｘ、ｙは正の整数）が形成されることになる。
【００３８】
ここで各ガスの供給態様の一例は、図２に示すように、ＡｒガスとＨ２ ガスとを先に供給してそれぞれの供給量が安定した後に、プラズマ着火を行ってプラズマを立てる。そして、上記ＡｒガスやＨ２ ガスがプラズマ化したならば、その後にＴｉＣｌ４ ガスを供給し、このＴｉＣｌ４ ガスを還元、或いは分解してプラズマＣＶＤによりＴｉ膜をウエハ上に堆積される。尚、上記各ガスの供給態様やプラズマ着火のタイミングは上記した順序に限定されず、例えば図２中の破線で示すようにＡｒ、Ｈ２ 、ＴｉＣｌ４ の各ガスの供給後にプラズマを着火するようにしてもよい。
【００３９】
さて、上述したようなプラズマＣＶＤによるＴｉ膜の成膜処理において、従来の成膜方法ではＡｒガスと比較してＨ２ ガスを多量に供給していたが、ここでは本発明方法の特徴として還元ガスであるＨ２ ガスと不活性ガスであるＡｒガスとの合計流量に対するＨ２ ガスの供給量の比率、すなわち”Ｈ２ ／Ｈ２ ＋Ａｒ”が６７％以下となるように設定する。上述のように、Ｈ２ ガスの供給量の比率（＝Ｈ２ ／Ｈ２ ＋Ａｒ）を６７％以下に設定することにより、シリサイド化により形成される珪化チタンのシリサイド相が揃えられてウエハ面内で単一となり、この結果、ウエハ面内の膜厚及びシート抵抗の均一性を改善することができる。
【００４０】
この点について詳しく説明すると、前述したようになる。すなわち、Ｈ２ 濃度が高いとプラズマ雰囲気中に多量の水素原子（Ｈ）または水素ラジカル（Ｈ＊）が生成され、ＴｉＣｌ４ の還元反応が促進されてＴｉＣｌ２ が多量に生成される。この結果、Ｔｉ膜の成膜過程は活性なプリカーサＴｉＣｌ２ による成膜反応が支配的になる。ＴｉＣｌ２ がシリコン表面に吸着するとＳｉＯ２ 表面とは違いＴｉＣｌ２ は直接Ｓｉと反応して珪化チタンとなり（Ｓｉ還元反応）、同時にＳｉはＳｉＣｌ２ となり揮発してシリコン基板がエッチングされる。
【００４１】
上記Ｓｉ還元反応はＨ２ 還元反応に比べて活性であるため基板温度が６５０℃付近の高温領域ではＴｉＳｉ２ のＣ４９結晶相に加えてＣ５４結晶相が形成される。また、５５０℃付近の温度領域ではシリサイド化により珪化チタン膜としてＴｉＳｉと共に異質な組成を有するＴｉ５ Ｓｉ３ のシリサイド相が形成される。
このように珪化チタン膜のシリサイド相にバラツキが発生すると珪化チタン膜の膜厚（成膜レート）やシート抵抗などの電気的特性の面内均一性が悪化するのみならず、５５０℃付近の温度領域ではシート抵抗の増大、６５０℃付近の温度領域ではモホロジーが悪化する。
【００４２】
ところがＨ２ 濃度を減少させるとプラズマ雰囲気中でのＴｉＣｌ４ の還元反応が抑制され、Ｔｉ膜の成膜過程はＴｉＣｌ３ のプリカーサによる成膜反応が支配的となる。比較的安定なプリカーサであるＴｉＣｌ３ はＳｉ表面に吸着するとＳｉＯ２ 表面と同様にＨまたはＨ＊により還元されてＴｉ膜が形成され、このＴｉ膜は熱によりＳｉと反応してシリサイド化されて珪化チタンとなる。
この結果、珪化チタン膜はウエハ面内では複数のシリサイド相が混在した状態からＴｉ成膜の温度領域によって決まる単一のシリサイド相に移行する。
【００４３】
ここで、実際にＨ２ の供給量の比率を種々変化させて、Ｓｉ基板上に形成されたＴｉ膜がどのようなシリサイド相へシリサイド化されるかについて検討を行ったので、その評価結果について説明する。
【００４４】
図３は成膜されたＴｉ膜のシリサイド化の状況を調べるために行ったＸ線回折の結果を示す回折スペクトルである。Ｔｉ膜の成膜時のプロセス条件は、プロセス温度（ウエハ温度）が６４０℃、プロセス圧力が５００Ｐａ、高周波電力が５００ワット、ＴｉＣｌ４ の流量が１２ｓｃｃｍ、Ａｒの流量が１６００〜４８００ｓｃｃｍ、Ｈ２ の流量が８００〜４０００ｓｃｃｍであり、裸のシリコン基板上に成膜した。この際、Ｈ２ の供給量の比率を、図３中に示すように１７〜８３％の範囲内で種々変化させた。図３中において、ＴｉＳｉ２ ・Ｃ５４とＴｉＳｉ２ ・Ｃ４９の各ピークの位置が示されている。尚、Ｘ線の強度（縦軸）に関しては、各Ｈ２ 比率毎に上下方向へずらしてピークの有無が判別し易いようにしている。
【００４５】
この図３から明らかなように、Ｈ２ の供給量の比率（＝Ｈ２ ／Ｈ２ ＋Ａｒ）が８３％の場合には、ＴｉＳｉ２ ・Ｃ４９のピークが見られるのみならず、結晶相の異なるＴｉＳｉ２ ・Ｃ５４のピークが見られ、両結晶相Ｃ４９、Ｃ５４が混在してモホロジーを悪化させていることが判る。
【００４６】
これに対して、Ｈ２ の供給量の比率が６７％、５０％、３３％、１７％のように低い場合には、ＴｉＳｉ２ ・Ｃ４９のピークは見られるが、ＴｉＳｉ２ ・Ｃ５４のピークが見られない。従って、Ｈ２ の供給量の比率が６７％以下の場合には、珪化チタンの結晶相をＴｉＳｉ２ ・Ｃ４９に揃えることができることを確認することができた。
【００４７】
このように、本発明によれば、チタン膜の成膜時に還元ガスと不活性ガスとの合計流量に対する還元ガスの供給量の比率が６７％以下となるように設定したので、チタンのシリサイド構造の結晶相を揃えることによりモホロジーを改善することができる。また、この場合、Ｈ２ ガスの供給量を少なくし過ぎると、還元作用が小さくなってＴｉ膜自体の成膜が十分にできなくなるので、このＨ２ の供給量の比率の下限は３．５％程度である。
【００４８】
更に、上述した場合よりも僅かにＨ２ ガスの供給量の比率を変えて裸のシリコン基板上にＴｉ膜（珪化チタン）を形成した時の表面の電子顕微鏡写真をとったので、その評価結果について図４を参照して説明する。ここではＨ２ ガスの供給量の比率を１４〜７１％まで変化させており、その時のウエハの中央（ｃｅｎｔｅｒ）と周縁部（ｅｄｇｅ）の電子顕微鏡写真を示している。尚、評価結果に関して、”×”は不良、”○”は良好、”◎”は最良をそれぞれ表す。
【００４９】
このＴｉ膜の成膜条件は、プロセス温度（ウエハ温度）が６４０℃、プロセス圧力が５００Ｐａ、ＴｉＣｌ４ の流量が１２ｓｃｃｍ、高周波電力が５００ワットである。この電子顕微鏡写真によれば、Ｈ２ ガスの供給量の比率が７１％の場合（６７％より大きい）には、表面にかなり大きな凹凸が見られてモホロジーがかなり悪い状態となっている。
【００５０】
これに対して、Ｈ２ ガスの供給量の比率が、５７％、４３％、２９％、１４％の場合には、上記７１％の場合よりは凹凸の寸法がかなり少なくなっており、モホロジーが改善されている。そして、特に、Ｈ２ ガスの供給量の比率が２９％及び１４％の場合には表面の凹凸が格段に小さくなって表面がスムーズになっており、モホロジーを大幅に改善することができることを確認することができた。
【００５１】
ここで、参考のために、図３において説明した評価を行った時の成膜条件で、Ｈ２ ガスの供給量の比率を変えながら、シリコン上に形成されるＴｉの膜厚とＳｉＯ２ 膜上に形成されたＴｉの膜厚との比（選択比）について検討したので、その評価結果を図５に示す。ここでＳｉＯ２ 膜上にＴｉ膜を成膜する場合には、シリコン基板の表面を酸化してＳｉＯ２ 膜を形成し、その上のＴｉ膜を形成した。また、シリコン上に形成されるＴｉ膜厚は、シリサイド化により形成される珪化チタンに含有されるＴｉの量を測定し、膜厚換算した。Ｔｉ成膜時のプロセス条件は、図３において説明した場合と全く同じである。尚、ここではＨ２ ガスの供給量の比率が１２％の場合も行っている。図５において、横軸はＨ２ ガスの供給量の比率をとり、縦軸はＴｉ膜の選択比、すなわち”Ｓｉ上のＴｉ膜の膜厚／ＳｉＯ２ 上の膜厚”をとっており、それぞれウエハセンタの値と平均値を示している。
【００５２】
図５から明らかなように、Ｈ２ ガスの供給量の比率が高い８３％の場合には、選択比は平均値で１．５５であるのに対してウエハセンタの値は１．９５となり、ウエハ面内で大きなバラツキが生じている。これに対して、Ｈ２ ガス供給量の比率が低くなって６７〜１２％の場合には、選択比は平均値、ウエハセンタの値はともに１．４程度に安定しており、選択比はウエハ面内で均一化していることが解る。これは前述のようにＨ２ ガス濃度によって、原料のＴｉＣｌ４ ガスから生成されるプリカーサの量が変わり、Ｈ２ ガス供給量を減らすと成膜過程で支配的なプリカーサがＴｉＣｌ２ からＴｉＣｌ３ に移行することに起因すると予想される。
【００５３】
また、ＳｉＯ２ 絶縁膜に直径が６０ｎｍのホールを形成してホール底部にＳｉ部を露出させたウエハに対して上述のようにＨ２ ガスの供給量の比率を低くしてＴｉ膜を成膜したところ、従来の成膜方法と比較して本発明の成膜方法の場合には、ステップカバレジを略２倍程度改善することができた。これは、前述のようにＨ２ ガス濃度を減少させることによってＴｉ膜成膜過程で支配的なプリカーサがＴｉＣｌ２ からＴｉＣｌ３ に移行することに起因すると予想される。
【００５４】
次に、Ｈ２ ガスの供給量の比率を一定（２０％）にして成膜実験を行って形成されたＴｉ膜或いは珪化チタンの膜厚の特性について検討を行ったので、その評価結果について説明する。ここでは比較のために、Ｈ２ ガスの供給量の比率の大きな従来の成膜方法で形成したＴｉ膜或いは珪化チタンの膜厚の特性についても併記した。
【００５５】
図６はウエハ温度と膜厚及び膜厚のバラツキとの関係を示すグラフ、図７はウエハ温度とシート抵抗の平均値及びシート抵抗のバラツキとの関係を示すグラフ、図８はウエハ温度と選択比との関係を示すグラフ、図９はウエハ温度と抵抗率との関係を示すグラフであり、いずれも図７（Ａ）〜図９（Ａ）が本発明方法の場合を示し、図７（Ｂ）〜図９（Ｂ）が従来の成膜方法の場合を示す。
【００５６】
成膜実験では、裸のシリコン基板とＳｉＯ２ 膜に覆われたシリコン基板とにそれぞれ成膜処理を施した。成膜条件に関しては、Ｈ２ ガスの供給量の比率は全てにおいて２０％であり、プロセス圧力は５００Ｐａ、ＴｉＣｌ４ は１２ｓｃｃｍ、ＡｒとＨ２ との合計流量は５６００ｓｃｃｍであり、Ｈ２ の供給量は１１２０ｓｃｃｍ、Ａｒの供給量は４４８０ｓｃｃｍである。またウエハ温度は５００〜６５０℃まで（従来方法の場合は６７０℃まで）変化させている。
【００５７】
尚、図６に示す膜厚は蛍光Ｘ線分析器（ＸＲＦ）を用いて測定しており、膜中のＴｉ原子の量が求められて膜厚換算されている。従って、Ｔｉ単体の薄膜であれば、実際の物理的膜厚が求められるが、珪化チタンの薄膜であれば、シリサイド化により体積が大きくなるので上記換算値を略２．４倍することにより物理的膜厚が求められる。
【００５８】
まず、膜厚に関しては、図６（Ｂ）に示す従来方法の場合には、Ｓｉ上及びＳｉＯ２ 上において、共にウエハ温度の上昇に従って膜厚は次第に大きくなり、ＳｉＯ２ 上の膜厚は略直線的に大きくなるのに対して、Ｓｉ上の膜厚は略２次曲線的に大きくなっている。この理由は、前述したように、Ｓｉ上ではＨ２ 還元反応によるＴｉ成膜に加えてＳｉ還元反応によるＴｉ成膜が生ずるからである。
【００５９】
しかしながら、温度５５０〜６００℃の間の低温域において、ポイントＴ１に示すように、Ｓｉ上の膜厚は一時的に大きく落ち込んでおり、これに伴って、Ｓｉ上の膜厚のバラツキはポイントＴ２に示すように大きくなって悪化している。尚、膜厚のバラツキの”Ｍ−ｍ”は膜厚の最大値と最小値との差を示す。
【００６０】
これに対して、図６（Ａ）に示す本発明方法の場合には、ウエハ温度の上昇に伴って、ＳｉＯ２ 上の膜厚は略直線的に大きくなっており、また、Ｓｉ上の膜厚はポイントＴ１に示したような途中の落ち込みもなく、略２次曲線的に大きくなっている。これに伴って、Ｓｉ上の膜厚のバラツキはポイントＴ２に示したような大きなピーク値もなく略許容範囲内に収まっており、良好な結果を示していることを確認することができた。
【００６１】
換言すれば、Ａｒガスに対するＨ２ ガスの供給量の比率を前述したように例えば６７％以下に低くし、且つウエハ温度を５５０〜６００℃程度の範囲内に設定することにより、モホロジーを改善することができるのみならず、ウエハ面内におけるＳｉ（シリコン部）上の膜厚の面内均一性も向上させることができる。
【００６２】
ここで上述したように、図６（Ｂ）においてポイントＴ１に示すような膜厚の大きな落ち込みが表れる現象は次のように考えられる。すなわち、シリコン上にＴｉ膜を成膜した際に温度によって形成されるシリサイド相が異なり、５２５℃よりも小さい低温領域ではＴｉはＳｉと反応せずにＴｉ膜のままであり、５２５〜６００℃の中温領域ではＴｉＳｉ（チタンモノシリサイド）が形成され、６００℃よりも大きい高温領域ではＴｉＳｉ２ （チタンジシリサイド）が形成される。そして、５２５〜５５０℃付近にＴｉ／ＴｉＳｉ転移点があり、６００℃付近にＴｉＳｉ／ＴｉＳｉ２ 転移点がある。
【００６３】
そして、上述したように、ＳｉＯ２ 上ではＴｉ膜の成膜速度はウエハ温度の上昇に伴って単調に増加しているのに対して、Ｓｉ上ではＴｉ膜の成膜速度はＴｉＳｉに転移する５５０℃で低下し、ＴｉＳｉの生成温度である５５０〜６００℃付近でＳｉＯ２ 上での成膜速度よりも低下してしまう。
【００６４】
これと同時に、上記転移点付近の中温領域では、前述のように珪化チタン膜としてＴｉＳｉとともに異質な組成を有するＴｉ５ Ｓｉ３ のシリサイド相が形成されるため、ウエハ面内でシリサイド相が混在している。これはＴｉ成膜過程におけるプリカーサのＴｉＣｌ２ とＴｉＣｌ３ の混在に起因すると考えられ、この結果としてＴｉ膜の成膜速度が不均一になるので、図６（Ｂ）に示すポイントＴ１に示すような膜厚の大きなバラツキが生ずるものと、考えられる。
【００６５】
次に、図６で説明した成膜実験で形成したＴｉ膜、或いは珪化チタンのシート抵抗を測定し、このバラツキを求めたので、その評価結果について図７を参照して説明する。図７中のグラフにおいて左縦軸はシート抵抗の平均値をとっており、右縦軸はシート抵抗のバラツキをとっている。また横軸はウエハ温度を示している。
【００６６】
図７（Ｂ）に示す従来方法の場合には、Ｓｉ上及びＳｉＯ２ 上の薄膜は共にウエハ温度の上昇に従ってシート抵抗は次第に低下する傾向にあるが、温度５２５〜６００℃の間の中温領域においてＳｉ上の珪化チタン膜に関しては、ポイントＴ３で示すように急激に跳ね上がって大きくなってピークが生じている。そして、これに伴って、上記温度領域にてシート抵抗のバラツキに関してもポイントＴ４に示すようにピークが生じており、シート抵抗の面内均一性が非常に劣化している。
【００６７】
これに対して、図７（Ａ）に示す本発明方法の場合には、ウエハ温度の上昇に伴って、ＳｉＯ２ 上のＴｉ膜のシート抵抗は略直線的に低下しており、また、Ｓｉ上の珪化チタン膜のシート抵抗は、ポイントＴ３に示したような大きなピークを生ずることなく上記Ｓｉ上の場合よりも大きな傾斜角度で略直線的に低下している。
【００６８】
そして、これに伴って、上記ＳｉＯ２ 上のＴｉ膜のシート抵抗のバラツキ及び上記Ｓｉ上の珪化チタン膜のシート抵抗のバラツキは、ポイントＴ４に示したような大きなピーク値もなく略許容範囲内に収まっており、良好な結果を示していることを確認することができた。従って、ウエハ温度が５２５〜６００℃程度の範囲内では、本発明方法を適用することにより、Ｓｉ（シリコン部）上の珪化チタン膜のシート抵抗の面内均一性を向上させることができることを、理解することができる。
【００６９】
次に、図６における成膜実験で求めたＴｉ膜の各膜厚に基づいて、Ｓｉ上の膜厚とＳｉＯ２ 上の膜厚との比（＝Ｓｉ上の膜厚／ＳｉＯ２ 上の膜厚）、すなわち選択比を算出したので、その選択比の評価結果について説明する。
【００７０】
図８（Ｂ）に示すように、従来の成膜方法の場合には、図６（Ｂ）に示すように、特に温度５５０〜６００℃の範囲内で生じた膜厚の落ち込みに起因して、温度５５０〜６００℃において選択比が大幅に落ち込んでおり、この点からも好ましくないことが判る。
【００７１】
これに対して、図８（Ａ）に示すように本発明の成膜方法の場合には、上記した温度５５０〜６００℃の範囲内における選択比の落ち込みが解消されて、好ましい結果が得られていることが判る。
【００７２】
次に、図７における成膜実験で求めた各シート抵抗の平均値に基づいて、Ｓｉ上の珪化チタンの抵抗率とＳｉＯ２ 上のＴｉ膜の抵抗率を算出したので、その抵抗率の評価結果について説明する。図９（Ｂ）に示すように、従来の成膜方法の場合には、図７（Ｂ）に示したような特に温度５２５〜６００℃の範囲内で生じたＳｉ上のシート抵抗値の跳ね上がりに起因して、温度５２５〜６００℃において抵抗率が跳ね上がってポイントＴ５にてピークを示しており、この点からも好ましくないことが判る。
【００７３】
これに対して、図９（Ａ）に示すように本発明の成膜方法の場合には、上記した温度５２５〜６００℃の範囲内における抵抗率の変化は比較的なだらかになってピークが解消されて、好ましい結果が得られていることが判る。尚、上記図１で説明した成膜装置は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。
【００７４】
また、ここでは原料ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、Ｔｉ含有ガスならばどのようなものでもよく、例えば有機チタンとしてＴＤＭＡＴ（ジメチルアミノチタニウム）、ＴＤＥＡＴ（ジエチルアミノチタン）等を用いることもできる。
更には、ここでは不活性ガスとして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、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係るチタン膜の成膜方法を実施するチタン膜の成膜装置の一例を示す断面構成図である。
【図２】各ガスの供給態様とプラズマ着火のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図３】シリコン基板上に形成したＴｉ膜のシリサイド化の状況を調べるためのＸ線回折分析の結果を示す回折スペクトルである。
【図４】水素ガスの供給量の比率を変えて成膜されたＴｉ（珪化チタン）の表面の電子顕微鏡写真である。
【図５】水素ガスの供給量の比率と半導体ウエハ上に堆積するＴｉ膜の選択比との関係を示すグラフである。
【図６】ウエハ温度と膜厚及び膜厚のバラツキとの関係を示すグラフである。
【図７】ウエハ温度とシート抵抗の平均値及びシート抵抗のバラツキとの関係を示すグラフである。
【図８】ウエハ温度と選択比との関係を示すグラフである。
【図９】ウエハ温度と抵抗率との関係を示すグラフである。
【図１０】Ｔｉ膜の成膜対象となる半導体ウエハの一部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
２  絶縁膜
６  シリコン部
８  チタン膜
１４  処理容器
１２  Ｔｉ膜の成膜装置
１８  シャワーヘッド部（ガス導入手段）
２４  高周波電源
２８  プラズマ形成手段
３８  載置台
４２  加熱ヒータ（加熱手段）
６６  ガス供給系
７４  制御部
７６  記憶媒体
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009141227.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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