JP4105120B2 - 成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマＣＶＤによる薄膜の成膜を含む成膜方法に関する。

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は、一般的にＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）、あるいはこれらを主体とする合金が用いられるが、このような金属や合金と下層のＳｉ基板やｐｏｌｙ−Ｓｉ層とのコンタクトを形成するために、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膜を成膜し、さらにバリア層としてＴｉＮ膜を成膜することが行われている。

このようなＴｉ膜やＴｉＮ膜は、従来から、物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近のようにデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなって、それにともなって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、ＰＶＤ膜では電気抵抗が増加し、要求に対応することが困難となってきた。

そこで、これらＴｉ膜およびＴｉＮ膜を、より良質の膜を形成することが期待できる化学的蒸着（ＣＶＤ）で成膜することが行われている。これらの膜の成膜においては、成膜ガスとしてＴｉＣｌ_４（四塩化チタン）を用い、基板である半導体ウエハをステージヒーターにより加熱しながら、ＴｉＣｌ_４とＨ_２（水素）とを反応させることによりＴｉ膜を成膜し、ＴｉＣｌ_４とＮＨ_３（アンモニア）とを反応させることによりＴｉＮ膜を成膜している。

このようなＴｉＣｌ_４を用いたＣＶＤ成膜の問題点として、膜中に塩素が残留し、膜の比抵抗が高くなることが挙げられる。特に近時、低温での成膜が指向されており、その場合には膜中の塩素濃度がより高いものとなる。

このような残留塩素の問題に対し、特許文献１には、ＴｉＮ膜を成膜するに際し、（１）ＴｉＣｌ_４ガスを供給、（２）ＴｉＣｌ_４ガスを停止し、パージガスを供給してＴｉＣｌ_４ガスを除去、（３）パージガスを停止してＮＨ_３ガスを供給、（４）ＮＨ_３ガスを停止し、パージガスを供給してＮＨ_３を除去といった工程を繰り返す技術が開示されている。この技術によれば、残留塩素を少なくすることができるとともに、より低温での成膜が可能となる。

これに対して、Ｔｉ膜の場合は、プラズマＣＶＤで成膜するため、このような交互的なガスの切替を行うと、伝送インピーダンスに適切な整合状態を保ったプラズマを維持することが困難であると考えられており、Ｔｉ膜の成膜にはこのような手法は用いられておらず、ＴｉＣｌ_４とＨ_２とを同時に流す条件で６００℃以上の比較的高温で成膜し、残留塩素の問題を解消している。

ところで、近時、デバイスの高速化の観点からｐｏｌｙ−Ｓｉに代えてよりコンタクト特性が良好なＣｏＳｉやＮｉＳｉ等のシリサイドが用いられつつある。中でもＮｉＳｉはロジックコンタクトとして注目されている。

しかしながら、ＮｉＳｉは耐熱性が低く、その上にＣＶＤでＴｉ膜を成膜する場合には、成膜温度を４５０℃程度の低温にする必要があり、このような低温では従来の方法で成膜することは困難であり、たとえ成膜できたとしても残留塩素濃度が高く膜質の悪い膜となってしまう。また、Ｔｉ膜成膜の際には、あらかじめガス吐出部材であるシャワーヘッドにもＴｉ膜を成膜するが、低温成膜の場合には、ウエハを載置するサセプタの加熱温度が低いため、サセプタに対向して設けられたガス吐出用のシャワーヘッドの温度も低くなり、シャワーヘッドに対して安定したＴｉ膜を成膜することができない。このため、Ｔｉ膜が剥がれ落ち、このことによってもＴｉ膜の膜質が低下する。

さらに、従来の方法により４５０℃といった低温でＴｉ膜を成膜した後、その上にＴｉＮ膜を成膜する場合に、これらの膜の間に膜剥がれが生じてしまう。
特開平１１−１７２４３８号公報

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ＣＶＤにより成膜される膜の成膜において、低温成膜が可能であり、かつ低温成膜であっても膜中の残留物を低減することができる成膜方法を提供することを目的とする。

また、本発明はＴｉ膜を成膜した後、その上にＴｉＮ膜を成膜する場合に、Ｔｉ膜が低温成膜であってもこれらの間に膜剥がれ等が生じない成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点では、処理チャンバー内で被処理基板に成膜しようとする膜の成分を含む化合物ガスと還元ガスとを供給するとともに、チャンバー内でプラズマを生成して被処理基板上にＣＶＤにより薄膜を形成する成膜方法であって、前記化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、前記化合物ガスを停止し前記還元ガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回繰り返し、前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとは、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えられることを特徴とする成膜方法を提供する。

この場合に、前記第２ステップは、前記還元ガスの外に窒化ガスを導入して行ってもよい。また、前記第１ステップと前記第２ステップとを複数回繰り返した後に、前記還元ガスおよび窒化ガスを導入しつつ第３のプラズマを生成して窒化処理を行ってもよい。

本発明の第２の観点では、処理チャンバー内で被処理基板にＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する成膜方法であって、Ｔｉ化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、Ｔｉ化合物ガスを停止し前記還元ガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回繰り返し、前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとは、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えられることを特徴とする成膜方法を提供する。

この場合に、前記第１ステップと前記第２ステップとを複数回繰り返した後に、前記還元ガスおよびＮとＨとを含むガスを導入しつつ第３のプラズマを生成して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、処理チャンバー内で被処理基板にＣＶＤによりＴｉまたはＴｉ／ＴｉＮ膜を成膜する成膜方法であって、Ｔｉ化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、Ｔｉ化合物ガスを停止し前記還元ガスおよびＮとＨとを含むガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回繰り返し、前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとは、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えられることを特徴とする成膜方法を提供する。

上記第２および第３の観点において、前記Ｔｉ化合物ガスとしてＴｉＣｌ_４ガスを用い、前記還元ガスとしてＨ_２ガスを用い、さらに全てのステップにおいてＡｒ、Ｈｅ、Ｘｅ等の希ガスを導入することができる。また、前記ＮとＨとを含むガスとしてＮＨ_３ガスを用いることができる。さらに、前記被処理基板は載置台に載置された状態で処理中に被処理基板の温度を３００〜７００℃に設定することができる。さらにまた、Ｔｉ膜の成膜に先立って、下地の表面の自然酸化膜を除去することが好ましい。

上記いずれの成膜方法においても、プラズマは、一対の平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給することにより生成され、プラズマインピーダンスと伝送路インピーダンスとの整合を電子整合式のマッチングネットワークにより行うことが好ましい。このような電子整合式のマッチングネットワークは、プラズマ状態の変化に対して短時間で追従することができるので、このような交互的なガスの切替に対しても十分に対応することができる。

本発明の第１の観点によれば、化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、前記還元ガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回、好ましくは３回以上繰り返し、その際に前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとを、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えることにより、効果的な還元を行うことができ、より低温での成膜が可能となるとともに、膜中の残留物を低減することができ、より良好な膜質の膜を形成することができる。

また、本発明の第２の観点によれば、Ｔｉ化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、Ｔｉ化合物ガスを停止し前記還元ガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回、好ましくは３回以上繰り返し、その際に前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとを、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えることにより、Ｔｉ化合物を効果的に還元することができるので、成膜時の被処理基板の温度が４５０℃程度と低温であってもＴｉ膜を成膜することが可能であり、かつ低温成膜であっても塩素等の残留物を低減することができ、比抵抗が低く良質なＴｉ膜を得ることができる。

さらに、本発明の第３の観点によれば、Ｔｉ化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、Ｔｉ化合物ガスを停止し前記還元ガスおよびＮとＨとを含むガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回繰り返し、その際に前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとを、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えることにより、Ｔｉ化合物を効果的に還元することができ、また、Ｔｉ膜の窒化を効果的に行ってＴｉ膜の劣化を防止することができるので、成膜時の被処理基板の温度が４５０℃以下という低温であっても成膜が可能であり、かつこのような低温成膜であっても塩素等の残留物を低減することができ、比抵抗の低い良質なＴｉ膜を得ることができる。また、ＮとＨとを含むガスの量および供給時間を制御することにより、Ｔｉ膜として用いることも、Ｔｉ／ＴｉＮ膜として用いることもできる。

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は本発明の成膜方法の実施形態を実施するＴｉ膜成膜装置が搭載されたマルチチャンバータイプの成膜システムを示す概略構成図である。

図１に示すように、この成膜システム１００は、六角形をなすウエハ搬送室１を有しており、その４辺には、それぞれ所定の処理装置が接続される接続ポート１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有しており、接続ポート１ａには被処理基板である半導体ウエハＷの成膜下地の自然酸化膜を除去するプリクリーニング装置２が接続され、接続ポート１ｂにはプラズマＣＶＤによりＴｉ膜を成膜するＴｉ膜成膜装置３が接続され、接続ポート１ｃには熱ＣＶＤでＴｉＮを成膜するＴｉＮ成膜装置４が接続されている。接続ポート１ｄには処理装置が接続されていないが、必要に応じて適宜の処理装置５が接続可能となっている。また、ウエハ搬送室１の他の２つの辺にはそれぞれロードロック室６，７が設けられている。これらロードロック室６，７のウエハ搬送室１と反対側にはウエハ搬入出室８が設けられており、ウエハ搬入出室８のロードロック室６，７と反対側にはウエハＷを収容可能な３つのフープ（ＦＯＵＰ）Ｆを取り付けるポート９，１０，１１が設けられている。

プリクリーニング装置２、Ｔｉ膜成膜装置３、ＴｉＮ膜成膜装置４およびロードロック室６，７は、同図に示すように、ゲートバルブＧを介して接続され、これらは各ゲートバルブＧを開放することによりウエハ搬送室１と連通され、各ゲートバルブＧを閉じることによりウエハ搬送室１から遮断される。また、ロードロック室６，７のウエハ搬入出室８に接続される部分にもゲートバルブＧが設けられており、ロードロック室６，７は、ゲートバルブＧを開放することによりウエハ搬入出室８に連通され、これらを閉じることによりウエハ搬入出室８から遮断される。

ウエハ搬送室１内には、プリクリーニング装置２、Ｔｉ膜成膜装置３、ＴｉＮ膜成膜装置４、およびロードロック室６，７に対して、被処理体であるウエハＷの搬入出を行うウエハ搬送装置１２が設けられている。このウエハ搬送装置１２は、ウエハ搬送室１の略中央に配設されており、回転および伸縮可能な回転・伸縮部１３の先端にウエハＷを保持する２つのブレード１４ａ，１４ｂを有しており、これら２つのブレード１４ａ，１４ｂは互いに反対方向を向くように回転・伸縮部１３に取り付けられている。なお、このウエハ搬送室１内は所定の真空度に保持されるようになっている。

ウエハ搬入出室８の天井部にはＨＥＰＡフィルタ（図示せず）が設けられており、このＨＥＰＡフィルタを通過した清浄な空気がウエハ搬入出室８内にダウンフロー状態で供給され、大気圧の清浄空気雰囲気でウエハＷの搬入出が行われるようになっている。ウエハ搬入出室８のフープＦ取り付け用の３つのポート９，１０，１１にはそれぞれシャッター（図示せず）が設けられており、これらポート９，１０，１１にウエハＷを収容したまたは空のフープが直接取り付けられ、取り付けられた際にシャッターが外れて外気の侵入を防止しつつウエハ搬出入室８と連通するようになっている。また、ウエハ搬入出室８の側面にはアライメントチャンバー１５が設けられており、そこでウエハＷのアライメントが行われる。

ウエハ搬入出室８内には、フープＦに対するウエハＷの搬入出およびロードロック室６，７に対するウエハＷの搬入出を行うウエハ搬送装置１６が設けられている。このウエハ搬送装置１６は、多関節アーム構造を有しており、フープＦの配列方向に沿ってレール１８上を走行可能となっており、その先端のハンド１７上にウエハＷを載せてその搬送を行う。

ウエハ搬送装置１２，１６の動作等、システム全体の制御は制御部１９によって行われる。

このような成膜システム１００においては、まず、大気圧の清浄空気雰囲気に保持されたウエハ搬入出室８内のウエハ搬送装置１６により、いずれかのフープＦからウエハＷを一枚取り出してアライメントチャンバー１５に搬入し、ウエハＷの位置合わせを行う。次いで、ウエハＷをロードロック室６，７のいずれかに搬入し、そのロードロック室内を真空引きした後、ウエハ搬送室１内のウエハ搬送装置１２によりそのロードロック室内のウエハを取り出し、ウエハＷをプリクリーニング装置２に装入して下地表面の自然酸化膜を除去し、その後ウエハＷをＴｉ膜成膜装置３に装入してＴｉ膜の成膜を行い、Ｔｉ成膜後のウエハＷを引き続きＴｉＮ膜成膜装置４に装入してＴｉＮ膜の成膜を行う。すなわち、この成膜システム１００では、自然酸化膜除去、Ｔｉ成膜、ＴｉＮ成膜を、真空を破ることなくｉｎ ｓｉｔｕで行う。その後成膜後のウエハＷをウエハ搬送装置１２によりロードロック室６，７のいずれかに搬入し、その中を大気圧に戻した後、ウエハ搬入出室８内のウエハ搬送装置１６によりロードロック室内のウエハＷを取り出し、フープＦのいずれかに収容される。このような動作を１ロットのウエハＷに対して行い、１ロットの処理が終了する。

このような成膜処理により、例えば、図２に示すように、層間絶縁膜２１に形成された、下地の導電性層２０に達するビアホール２２内にコンタクト層としてのＴｉ膜２３およびバリア層としてのＴｉＮ膜２４が形成される。その後、他の装置により、ＡｌやＷ等の成膜を行い、コンタクトホール２２の埋め込みと配線層の形成を行う。導電性層２０としては、ｐｏｌｙ−Ｓｉや、ＣｏＳｉ、ＮｉＳｉ等のシリサイドが挙げられる。

次に、プリクリーニング装置２について説明する。
このプリクリーニング装置２は、装置は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）方式であり、下地となるｐｏｌｙ−Ｓｉやシリサイドの自然酸化膜を除去するためのものであり、図３に示すように、略円筒状のチャンバー３１と、チャンバー３１の上方にチャンバー３１に連続して設けられた略円筒状のベルジャー３２とを有している。チャンバー３１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するための例えばＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ３３が円筒状の支持部材３４に支持された状態で配置されている。サセプタ３３の外縁部にはウエハＷをクランプするクランプリング３５が設けられている。また、サセプタ３３内にはウエハＷを加熱するためのヒーター３６が埋設されており、このヒーター３６はヒーター電源３９から給電されることにより被処理体であるウエハＷを所定の温度に加熱する。

ベルジャー３２は、例えば石英、セラミックス材料等の電気絶縁材料で形成されており、その周囲にはアンテナ部材としてのコイル３７が巻回されている。コイル３７には高周波電源３８が接続されている。高周波電源３８は３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚ、好ましくは４５０ｋＨｚの周波数を有している。そして、高周波電源３８からコイル３７に高周波電力を供給することにより、ベルジャー３２内に誘導電磁界が形成されるようになっている。

ガス供給機構４０は、処理ガスをチャンバー３１内に導入するためのものであり、所定のガスのガス供給源、ならびに各ガス供給源からの配管、開閉バルブ、および流量制御のためのマスフローコントローラ（いずれも図示せず）を有している。チャンバー３１の側壁にはガス導入ノズル４２が設けられており、上記ガス供給機構４０から延びる配管４１がこのガス導入ノズル４２に接続されており、所定のガスがガス導入ノズル４２を介してチャンバー３１内に導入される。なお、各配管のバルブおよびマスフローコントローラは図示しないコントローラにより制御される。

処理ガスとしては、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅが例示され、それぞれ単体で用いることができる。また、Ａｒ、Ｎｅ、ＨｅのいずれかとＨ_２との併用、およびＡｒ、Ｎｅ、ＨｅのいずれかとＮＦ_３との併用であってもよい。これらの中では、Ａｒ単独、Ａｒ＋Ｈ_２が好ましい。

チャンバー３１の底壁には、排気管４３が接続されており、この排気管４３には真空ポンプを含む排気装置４４が接続されている。そして排気装置４４を作動させることによりチャンバー３１およびベルジャー３２内を所定の真空度まで減圧することができる。

また、チャンバー３１の側壁にはゲートバルブＧが設けられており、このゲートバルブＧを介して上述したようにウエハ搬送室１とつながっている。

さらに、サセプタ３３内には、例えば、モリブデン線等をメッシュ状に編み込んでなる電極４５が埋設され、この電極４５には高周波電源４６が接続されておりバイアスが印加されるようになっている。

このように構成されるプリクリーニング装置２においては、ゲートバルブＧを開にして、チャンバー３１内にウエハＷを装入し、サセプタ３３にウエハＷを載置しクランプリング３５によりクランプする。その後、ゲートバルブＧを閉じ、排気装置４４によりチャンバー３１およびベルジャー３２内を排気して所定の減圧状態にし、引き続き、ガス供給機構４０からガス導入ノズル４２を介してチャンバー３１内に所定のガス、例えばＡｒガス、またはＡｒガスおよびＨ_２ガスを導入しつつ、高周波電源３８からコイル３７に高周波電力を供給してベルジャー３２内に誘導電磁界を形成することにより、誘導結合プラズマが生成される。一方、サセプタ３３には、高周波電源４６から高周波電力が供給され、ウエハＷにはイオンが引き込まれる。

このようにして誘導結合プラズマをウエハＷに作用させて、下地の導電性層の表面に形成された自然酸化膜を除去する。この場合に誘導結合プラズマは高密度であるから、低いエネルギーで下地にダメージを与えることなく、自然酸化膜を効率良く除去することができる。

次に、Ｔｉ膜成膜装置３について説明する。
図４は、Ｔｉ膜成膜装置３を示す断面図である。このＴｉ膜成膜装置３は、気密に構成された略円筒状のチャンバー５１を有しており、その中には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ５２がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材５３により支持された状態で配置されている。このサセプタ５２はＡｌＮ等のセラミックスからなり、そ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５４が設けられている。また、サセプタ５２にはヒーター５５が埋め込まれており、このヒーター５５はヒーター電源５６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５２には、下部電極として機能する電極５８がヒーター５５の上に埋設されている。

チャンバー５１の天壁５１ａには、絶縁部材５９を介してシャワーヘッド６０が設けられている。このシャワーヘッド６０は、上段ブロック体６０ａ、中段ブロック体６０ｂ、下段ブロック体６０ｃで構成されている。下段ブロック体６０ｃの外周近傍には、リング状をなすヒーター９６が埋設されており、このヒーター９６はヒーター電源９７から給電されることにより、シャワーヘッド６０を所定温度に加熱することが可能となっている。

下段ブロック体６０ｃにはガスを吐出する吐出孔６７と６８とが交互に形成されている。上段ブロック体６０ａの上面には、第１のガス導入口６１と、第２のガス導入口６２とが形成されている。上段ブロック体６０ａの中では、第１のガス導入口６１から多数のガス通路６３が分岐している。中段ブロック体６０ｂにはガス通路６５が形成されており、上記ガス通路６３が水平に延びる連通路６３ａを介してこれらガス通路６５に連通している。さらにこのガス通路６５が下段ブロック体６０ｃの吐出孔６７に連通している。また、上段ブロック体６０ａの中では、第２のガス導入口６２から多数のガス通路６４が分岐している。中段ブロック体６０ｂにはガス通路６６が形成されており、上記ガス通路６４がこれらガス通路６６に連通している。さらにこのガス通路６６が中段ブロック体６０ｂ内に水平に延びる連通路６６ａに接続されており、この連通路６６ａが下段ブロック体６０ｃの多数の吐出孔６８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６１，６２は、それぞれ後述するガス供給機構７０のガスライン７８，８０に接続されている。

ガス供給機構７０は、クリーニングガスであるＣｌＦ_３ガスを供給するＣｌＦ_３ガス供給源７１、Ｔｉ含有ガスであるＴｉＣｌ_４ガスを供給するＴｉＣｌ_４ガス供給源７２、Ａｒガスを供給する第１のＡｒガス供給源７３、還元ガスであるＨ_２ガスを供給するＨ_２ガス供給源７４、窒化ガスであるＮＨ_３ガスを供給するＮＨ_３ガス供給源７５、Ａｒガスを供給する第２のＡｒガス供給源７６を有している。そして、ＣｌＦ_３ガス供給源７１にはＣｌＦ_３ガス供給ライン７７が、ＴｉＣｌ_４ガス供給源７２にはＴｉＣｌ_４ガス供給ライン７８が、第１のＡｒガス供給源７３には第１のＡｒガス供給ライン７９が、Ｈ_２ガス供給源７４にはＨ_２ガスライン８０が、ＮＨ_３ガス供給源７５にはＮＨ_３ガス供給ライン８０ａが、第２のＡｒガス供給源７６には第２のＡｒガス供給ライン８０ｂが、それぞれ接続されている。また、図示しないが、Ｎ_２ガス供給源も有している。そして、各ガス供給ラインにはマスフローコントローラ８２およびマスフローコントローラ８２を挟んで２つのバルブ８１が設けられている。

前記第１のガス導入口６１にはＴｉＣｌ_４ガス供給源７２から延びるＴｉＣｌ_４ガス供給ライン７８が接続されており、このＴｉＣｌ_４ガス供給ライン７８にはＣｌＦ_３ガス供給源７１から延びるＣｌＦ_３ガス供給ライン７７および第１のＡｒガス供給源７３から延びる第１のＡｒガス供給ライン７９が接続されている。また、前記第２のガス導入口６２にはＨ_２ガス供給源７４から延びるＨ_２ガス供給ライン８０が接続されており、このＨ_２ガス供給ライン８０には、ＮＨ_３ガス供給源７５から延びるＮＨ_３ガス供給ライン８０ａ、第２のＡｒガス供給源７６から延びる第２のＡｒガス供給ライン８０ｂが接続されている。したがって、プロセス時には、ＴｉＣｌ_４ガス供給源７２からのＴｉＣｌ_４ガスが第１のＡｒガス供給源７３からのＡｒガスとともにＴｉＣｌ_４ガス供給ライン７８を介してシャワーヘッド６０の第１のガス導入口６１からシャワーヘッド６０内に至り、ガス通路６３，６５を経て吐出孔６７からチャンバー５１内へ吐出される一方、Ｈ_２ガス供給源７４からの還元ガスであるＨ_２ガスが第２のＡｒガス供給源７６からのＡｒガスとともにＨ_２ガス供給ガスライン８０を介してシャワーヘッド６０の第２のガス導入口６２からシャワーヘッド６０内に至り、ガス通路６４，６６を経て吐出孔６８からチャンバー５１内へ吐出される。すなわち、シャワーヘッド６０は、ＴｉＣｌ_４ガスとＨ_２ガスとが全く独立してチャンバー５１内に供給されるマトリ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、窒化処理を行う場合には、ＮＨ_３ガス供給源７５からのＮＨ_３ガスを還元ガスであるＨ_２ガスのガスライン８０にＨ_２ガスおよびＡｒガスと同時に流して、第２のガス導入口６２からシャワーヘッド６０内へ導入し、吐出口６８から吐出させる。また、バルブ８１およびマスフローコントローラ８２はコントローラ９８によって制御され、後述するような交互的なガス供給を行うようになっている。

シャワーヘッド６０には、伝送路８３が接続されており、この伝送路８３には、電子整合式マッチングネットワーク１００を介して高周波電源８４が接続されており、成膜の際に高周波電源８４から伝送路８３を介してシャワーヘッド６０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８４から高周波電力を供給することにより、シャワーヘッド６０および電極５８の間に高周波電界が生じ、チャンバー５１内に供給されたガスをプラズマ化し、Ｔｉ膜を成膜するようになっている。伝送路８３にはコントローラ１０６が接続されている。このコントローラ１０６には伝送路８３を介してプラズマからの反射波が入力され、このプラズマからの反射波がゼロないしは最小になるように電子整合式マッチングネットワーク１００を制御する。高周波電源８４としては周波数が４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚのものが用いられる。

電子整合式マッチングネットワーク１００は、通常のマッチングネットワークと同様、コンデンサ１０１と２つのコイル１０２、１０４を有しているが、２つのコイル１０２、１０４はそれぞれ誘導コイル１０３および１０５からの磁界を電気的に変化させることによりリアクタンスが可変となっており、通常のマッチングネットワークのように機械的な可動部は存在しない。したがって、プラズマへの追従が極めて速く、０．５ｓｅｃ程度と通常のマッチングネットワークの１／１０程度の時間で定常状態とすることができる。このため、後述するようなプラズマを形成しつつ交互的なガス供給を行う場合に適している。

チャンバー５１の底壁５１ｂの中央部には円形の穴８５が形成されており、底壁５１ｂにはこの穴８５を覆うように下方に向けて突出する排気室８６が設けられている。排気室８６の側面には排気管８７が接続されており、この排気管８７には排気装置８８が接続されている。そしてこの排気装置８８を作動させることによりチャンバー５１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５２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８９がサセプタ５２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８９は支持板９０に固定されている。そして、ウエハ支持ピン８９は、エアシリンダ等の駆動機構９１により支持板９０を介して昇降される。

チャンバー５１の側壁には、ウエハ搬送室１との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口９２と、この搬入出口９２を開閉するゲートバルブＧとが設けられている。

次に、このような装置を用いたＴｉ膜成膜方法について説明する。
まず、チャンバー５１内を排気して圧力を６６７Ｐａとし、ヒーター５５によりサセプタ５２を３５０〜７００℃に加熱するとともに、ヒーター９６によりシャワーヘッド６０を４５０℃以上の温度、例えば４７０〜４９０℃程度に加熱する。

この状態で高周波電源８４からシャワーヘッド６０に高周波電力を印加しつつ、ＴｉＣｌ_４ガス供給源７２、第１のＡｒガス供給源７３から第１のガス導入口６１へＴｉＣｌ_４ガスおよびＡｒガスを供給し、Ｈ_２ガス供給源７４、第２のＡｒガス供給源７６から第２のガス導入口６２へＨ_２ガスおよびＡｒガスを供給し、それぞれガス吐出孔６７，６８から吐出する。これによりチャンバー５１内にこれらガスのプラズマが形成され、チャンバー５１の内壁およびシャワーヘッド６０等のチャンバー内部材にＴｉ膜がプリコートされる。この際のガス流量は、ＴｉＣｌ_４ガス：０．０１〜０．０２Ｌ／ｍｉｎ（１０〜２０ｓｃｃｍ）、Ｈ_２ガス：１．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ（１５００〜４５００ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：０．８〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（８００〜２０００ｓｃｃｍ）程度である。また、高周波電源８４のパワーは５００〜１５００Ｗ程度である。

そして、サセプタ５２およびシャワーヘッド６０の温度は、そのまま維持した状態で、ゲートバルブＧを開にして真空状態のウエハ搬送室１から搬送装置１２のブレード１４ａまたは１４ｂにより搬入出口９２を介してウエハＷをチャンバー５１内へ搬入し、サセプタ５２から突出したウエハ支持ピン８９の上に載せる。ブレード１４ａまたは１４ｂをウエハ搬送室１へ戻し、ゲートバルブＧを閉じ、ウエハ支持ピン８９を下降させてサセプタ５２上にウエハＷを載置する。

この状態でウエハＷに対するＴｉ膜の成膜を開始する。この場合に、従来は、シャワーヘッド６０にヒーターが存在せず、シャワーヘッド６０はサセプタ５２により間接的に加熱されていたため、シャワーヘッド６０にプリコートしたＴｉ膜が剥がれない４５０℃以上を確保するためには、サセプタ５２の温度を５５０℃以上程度にする必要があった。この条件ではＳｉやＣｏＳｉ上への成膜の場合には問題がなかったが、近時種々のアプリケーションへの適用が検討されており、より低温での成膜が望まれている。例えば、ロジックコンタクトとして注目されているＮｉＳｉを下地とした場合には成膜温度が４５０〜５００℃程度に制限されるため、従来のＣＶＤ−Ｔｉ成膜条件では適用が困難であった。キャパシタ膜やＬｏｗ−ｋ膜、さらにはＡｌ膜の上への適用も考えられるが、この場合にもやはり成膜温度５００℃以下が必要であり、従来の条件では適用が困難であった。

これに対して、上記Ｔｉ膜成膜装置３においては、このようにヒーター９６によりシャワーヘッド６０を加熱することができるので、サセプタ５２の温度に関わらずシャワーヘッド６０を膜剥が生じない４５０℃以上にすることができる。したがって、下地膜がＮｉＳｉやＬｏｗ−ｋ膜等の５００℃より低い低温成膜が必要な材料であっても膜剥がれを生じさせることなくＴｉ膜を成膜することが可能である。したがって、比抵抗が低く膜質の良いＴｉ膜を成膜することができる。

実際に、シャワーヘッド６０内のヒーター９６での加熱による温度制御あり（４５０℃以上）の場合となしの場合とで、サセプタ設定温度とＳｉＯ_２膜上に形成されたＴｉ膜の比抵抗との関係を求めた結果、図５に示すように、ヒーター９６によりシャワーヘッド６０の温度を４５０℃以上に制御することにより、比抵抗が低い良質なＴｉ膜が形成されることが確認された。

実際のＴｉ成膜は、上記のようにウエハＷをサセプタ５２に載置した後、以下に説明する第１および第２の実施形態により実施される。
まず、第１の実施形態について説明する。
第１の実施形態では、ヒーター５５およびヒーター９６をプリコートの際と同様の条件に維持し、図６のタイミングチャートに示すように、最初に、高周波電源８４からシャワーヘッド６０に高周波電力を印加しつつ、ＴｉＣｌ_４ガス供給源７２、第１のＡｒガス供給源７３、Ｈ_２ガス供給源７４、第２のＡｒガス供給源７６からＴｉＣｌ_４ガス、Ａｒガス、Ｈ_２ガスを供給しこれらのガスのプラズマ（第１のプラズマ）を生成し、これを４〜８秒間維持する第１ステップを行う。次いで、ＴｉＣｌ_４ガスのみを停止し、高周波電力およびＡｒガス、Ｈ_２ガスをそのままとして、Ａｒガス、Ｈ_２ガスのプラズマ（第２のプラズマ）による還元処理である第２ステップを２〜３０秒間行う。これら第１ステップおよび第２ステップを交互に複数回、好ましくは３回以上、例えば１２〜２４回程度繰り返す。このときのガスの切替は、コントローラ９８によりバルブを切り替えることにより行われる。また、このようなガスの切替によりプラズマの状態が変化するが、コントローラ１０６からの指令に基づいて電子整合式マッチングネットワーク１００が自動的にかつプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させるので、良好なプラズマ状態が維持される。このようにして、所定の厚さのＴｉ膜が成膜される。この際のガス流量は、ＴｉＣｌ_４ガス：０．０１〜０．０２Ｌ／ｍｉｎ（１０〜２０ｓｃｃｍ）、Ｈ_２ガス：１．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ（１５００〜４５００ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：０．８〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（８００〜２０００ｓｃｃｍ）程度であり、圧力は４００〜１０００Ｐａ程度である。また、高周波電源８４のパワーは５００〜１５００Ｗ程度である。

このように、ＴｉＣｌ_４ガス＋Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより成膜を行う第１ステップと、Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより還元を行う第２ステップとを比較的短時間に交互に複数回行うので、ＴｉＣｌ_４を還元する還元作用が高まり、Ｔｉ膜中の残留塩素濃度を少なくすることができる。特に、ウエハ温度４５０℃以下の低温の際にＴｉ膜中への塩素の残留が多くなるが、そのような低温であっても、本実施形態のシーケンスを用いることにより、残留塩素濃度を低くして、比抵抗の低い良好な膜質を得ることができる。

このようにしてＴｉ膜の成膜後、窒化処理が行われる。この窒化処理は、高周波電力およびガスの供給を停止してＴｉ成膜が終了した後、図６に示すように、高周波電源８４からシャワーヘッド６０に高周波電力を印加しつつ、第１のＡｒガス供給源７３、Ｈ_２ガス供給源７４、ＮＨ_３ガス供給源７５、第２のＡｒガス供給源７６からＡｒガス、Ｈ_２ガス、ＮＨ_３ガスを供給し、これらガスのプラズマによりＴｉ膜表面を窒化させる。この処理の時間は３０〜６０秒間程度である。また、この際のガス流量は、Ｈ_２ガス：１．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ（１５００〜４５００ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：０．８〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（８００〜２０００ｓｃｃｍ）程度、ＮＨ_３ガス：０．５〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（５００〜２０００ｓｃｃｍ）程度であり、圧力は４００〜１０００Ｐａ程度である。また、高周波電源６４のパワーは５００〜１５００Ｗ程度である。

このような窒化処理を行うことにより、Ｔｉ膜の酸化等による劣化を防止するとともに、次に成膜されるＴｉＮ膜との密着性を良好にすることができる。ただし、この窒化処理は必須なものではない。

次に、実際にこのような第１の実施形態に基づいてＴｉ膜成膜を行った場合と、従来の方法でＴｉ膜成膜を行った場合とを比較した結果について説明する。ここでは、両方ともサセプタ温度を５００℃としＳｉの上に厚さ１０ｎｍのＴｉ膜を成膜し、比抵抗を測定した。第１の実施形態のサンプルでは第１ステップを４秒、第２ステップを４秒のサイクルを１６回繰り返してＴｉ膜とした。その結果、図７に示すように、従来の方法で成膜したＴｉ膜の場合には残留塩素の影響で比抵抗が２８０μΩ・ｃｍと高かったが、第１の実施形態で成膜したＴｉ膜は２２５μΩ・ｃｍと比抵抗が低下した。

次に、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態では、ヒーター５５およびヒーター９６をプリコートの際と同様の条件に維持し、図８のタイミングチャートに示すように、最初に、高周波電源８４からシャワーヘッド６０に高周波電力を印加しつつ、ＴｉＣｌ_４ガス供給源７２、第１のＡｒガス供給源７３、Ｈ_２ガス供給源７４、第２のＡｒガス供給源７６から、ＴｉＣｌ_４ガス、Ａｒガス、Ｈ_２ガスを供給しこれらのガスのプラズマ（第１のプラズマ）を生成し、これを４〜８秒間維持する第１ステップを行う。次いで、Ａｒガス、Ｈ_２ガスをそのまま維持し、ＴｉＣｌ_４ガスを停止するとともに高周波電力を停止し、ＮＨ_３ガス供給源７５からのＮＨ_３ガスの供給を開始し、かつ高周波電力の供給を再開して、Ａｒガス、Ｈ_２ガス、ＮＨ_３ガスのプラズマ（第２のプラズマ）による還元・窒化処理である第２ステップを４〜８秒間行う。これら第１ステップおよび第２ステップを交互に複数回、好ましくは３回以上、例えば１２〜２４回程度繰り返す。このときのガスの切替は、コントローラ９８によりバルブを切り替えることにより行われる。また、このようなガスの切替によるプラズマの状態の変化に対応して、コントローラ１０６からの指令に基づいて電子整合式マッチングネットワーク１００が自動的にかつプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる。このようにして、所定の厚さのＴｉ膜が成膜される。この際のガス流量は、ＴｉＣｌ_４ガス：０．０１〜０．０２Ｌ／ｍｉｎ（１０〜２０ｓｃｃｍ）、Ｈ_２ガス：１．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ（１５００〜４５００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３ガス：０．５〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（５００〜２０００ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：０．８〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（８００〜２０００ｓｃｃｍ）程度であり、圧力は４００〜１０００Ｐａ程度である。また、高周波電源８４のパワーは５００〜１５００Ｗ程度である。

このように、ＴｉＣｌ_４ガス＋Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより成膜を行う第１ステップと、ＮＨ_３ガス＋Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより還元および窒化を行う第２ステップとを比較的短時間に交互に複数回行うので、ＴｉＣｌ_４を還元する還元作用が高まり、また、Ｔｉ膜の窒化を効果的に行ってＴｉ膜の劣化を防止することができるので、塩素等の残留物を低減することができ、比抵抗の低い良質なＴｉ膜を得ることができる。特に、ウエハ温度４５０℃以下の低温の際にＴｉ膜中への塩素の残留が多くなるが、そのような低温であっても、本実施形態のシーケンスを用いることにより、残留塩素濃度を低くして、比抵抗の低い良好な膜質を得ることができる。

なお、本実施形態では、第２ステップにおけるＮＨ_３ガスの量および第２ステップの時間を制御することにより、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を形成することもできる。すなわち、ＮＨ_３ガスの供給量が少ないか、または第２ステップの時間が短い場合には、窒化は補助的であり、形成された膜はＴｉ膜として機能するが、ＮＨ_３ガスの供給量が多いか、または第２ステップの時間が長い場合には、十分な量のＴｉＮ膜を形成することができ、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜とが交互に積層された積層膜とすることができる。このような積層膜は、Ｔｉ／ＴｉＮ膜として機能させることができ、１種類の装置でＴｉ／ＴｉＮ膜を成膜することができることとなる。この場合には、ＴｉＮ膜成膜装置４は不要であるか、必要であっても補助的なものとなる。

次に、実際にこのような第２の実施形態に基づいてＴｉ膜成膜を行った場合と、従来の方法でＴｉ膜成膜を行った場合とを比較した結果について説明する。ここでは、両方ともサセプタ温度を５００℃としＳｉの上に厚さ１０ｎｍのＴｉ膜を成膜し、比抵抗を測定した。第２の実施形態のサンプルでは第１ステップを４秒、第２ステップを４秒のサイクルを１６回繰り返してＴｉ膜とした。その結果、図９に示すように、従来の方法で成膜したＴｉ膜の場合には残留塩素の影響で比抵抗が２８０μΩ・ｃｍと高かったが、第２の実施形態で成膜したＴｉ膜は１３０μΩ・ｃｍと比抵抗が著しく低下した。ただし、この場合には第２ステップの時間が長かったため、ＴｉＮ膜も若干形成されたものと考えられる。したがって、第２の実施形態に基づくサンプルの比抵抗は、ＴｉＮ膜が形成されたことによる低下分も多少含んでいたものと考えられる。

次に、ＴｉＮ膜成膜装置４について説明する。
図１０は、ＴｉＮ膜成膜装置４を示す断面図である。このＴｉＮ膜成膜装置４は、プラズマ生成手段およびシャワーヘッドを加熱する手段が存在せず、ガス供給機構のガス系が多少異なる以外は、ほぼＴｉ膜成膜装置３と同一の構成を有しているので、ガス供給機構以外は、図４と同じ符号を付して説明を省略する。

ガス供給機構１１０は、クリーニングガスであるＣｌＦ_３ガスを供給するＣｌＦ_３ガス供給源１１１、Ｔｉ含有ガスであるＴｉＣｌ_４ガスを供給するＴｉＣｌ_４ガス供給源１１２、Ｎ_２ガスを供給する第１のＮ_２ガス供給源１１３、窒化ガスであるＮＨ_３ガスを供給するＮＨ_３ガス供給源１１４、Ｎ_２ガスを供給する第２のＮ_２ガス供給源１１５を有している。そして、ＣｌＦ_３ガス供給源１１１にはＣｌＦ_３ガス供給ライン１１６が、ＴｉＣｌ_４ガス供給源１１２にはＴｉＣｌ_４ガス供給ライン１１７が、第１のＮ_２ガス供給源１１３には第１のＮ_２ガス供給ライン１１８が、ＮＨ_３ガス供給源１１４にはＮＨ_３ガス供給ライン１１９が、第２のＮ_２ガス供給源１１５には第２のＮ_２ガス供給ライン１２０が、それぞれ接続されている。また、図示しないがＡｒガス供給源も有している。そして、各ガス供給ラインにはマスフローコントローラ１２２およびマスフローコントローラ１２２を挟んで２つのバルブ１２１が設けられている。

シャワーヘッド６０の第１のガス導入口６１にはＴｉＣｌ_４ガス供給源１１２から延びるＴｉＣｌ_４ガス供給ライン１１７が接続されており、このＴｉＣｌ_４ガス供給ライン１１７にはＣｌＦ_３ガス供給源１１１から延びるＣｌＦ_３ガス供給ライン１１６および第１のＮ_２ガス供給源１１３から延びる第１のＮ_２ガス供給ライン１１８が接続されている。また、第２のガス導入口６２にはＮＨ_３ガス供給源１１４から延びるＮＨ_３ガス供給ライン１１９が接続されており、このＮＨ_３ガス供給ライン１１９には、第２のＮ_２ガス供給源１１５から延びる第２のＮ_２ガス供給ライン１２０が接続されている。したがって、プロセス時には、ＴｉＣｌ_４ガス供給源１１２からのＴｉＣｌ_４ガスが第１のＮ_２ガス供給源１１３からのＮ_２ガスとともにＴｉＣｌ_４ガス供給ライン１１７を介してシャワーヘッド６０の第１のガス導入口６１からシャワーヘッド６０内に至り、ガス通路６３，６５を経て吐出孔６７からチャンバー５１内へ吐出される一方、ＮＨ_３ガス供給源１１４からの窒化ガスであるＮＨ_３ガスが第２のＮ_２ガス供給源１１５からのＮ_２ガスとともにＮＨ_３ガス供給ライン１１９を介してシャワーヘッド６０の第２のガス導入口６２からシャワーヘッド６０内に至り、ガス通路６４，６６を経て吐出孔６８からチャンバー５１内へ吐出される。すなわち、シャワーヘッド６０は、ＴｉＣｌ_４ガスとＮＨ_３ガスとが全く独立してチャンバー５１内に供給されるマトリ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、バルブ１２１およびマスフローコントローラ１２２はコントローラ１２３によって制御される。

次に、このような装置を用いたＴｉＮ膜成膜方法について説明する。
まず、チャンバー５１内を排気装置８８により引き切り状態とし、第１および第２のＮ_２ガス供給源１１３および１１５からＮ_２ガスをシャワーヘッド６０を介してチャンバー５１内に導入しつつ、ヒーター５５によりチャンバー５１内を予備加熱する。温度が安定した時点で、第１のＮ_２ガス供給源１１３、ＮＨ_３ガス供給源１１４およびＴｉＣｌ_４ガス供給源１１２からそれぞれＮ_２ガス、ＮＨ_３ガスおよびＴｉＣｌ_４ガスをシャワーヘッド６０を介して所定流量で導入し、チャンバー内圧力を所定値に維持しつつプリフローを行う。そして、ガス流量および圧力を同じに保ったまま、ヒーター５５による加熱によりチャンバー５１内壁、排気室８６内壁およびシャワーヘッド６０等のチャンバー内部材表面にＴｉＮ膜をプリコートする。

プリコート処理が終了後、ＮＨ_３ガスおよびＴｉＣｌ_４ガスを停止し、第１および第２のＮ_２ガス供給源１１３および１１５からＮ_２ガスをパージガスとしてチャンバー５１内に供給してチャンバー５１内のパージを行い、その後、必要に応じて、Ｎ_２ガスおよびＮＨ_３ガスを流し、成膜したＴｉＮ薄膜の表面のナイトライド処理を行う。

その後、排気装置８８によりチャンバー５１内を急激に真空排気して引き切り状態とし、ゲートバルブＧを開にして、真空状態のウエハ搬送室１からウエハ搬送装置１２により搬入出口９２を介してウエハＷをチャンバー５１内へ搬入する。そして、チャンバー５１内にＮ_２ガスを供給してウエハＷを予備加熱する。ウエハの温度がほぼ安定した時点で、ＴｉＮ膜の成膜を開始する。

ＴｉＮ膜の成膜は、以下に説明する第１、第２の実施形態により実施される。 第１の実施形態においては、まず、Ｎ_２ガス、ＮＨ_３ガスをシャワーヘッド６０を介して所定流量で導入し、チャンバー内圧力を所定値に維持しつつＴｉＣｌ_４ガスのプリフローを行う。そして、ガス流量およびチャンバー５１内の圧力を同じに保ったまま、ＴｉＣｌ_４ガスをチャンバーに導入する。この際に、ウエハＷはヒーター５５により加熱されているから、熱ＣＶＤによりウエハＷのＴｉ膜上にＴｉＮ膜が成膜される。このようにして、所定時間Ｎ_２ガス、ＮＨ_３ガス、ＴｉＣｌ_４ガスを流すことにより、所定の厚さのＴｉ膜が成膜される。この際のガス流量は、ＴｉＣｌ_４ガス：０．０３〜０．１０Ｌ／ｍｉｎ（３０〜１００ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガス：０．８〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（８００〜２０００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３ガス：０．０３〜１Ｌ／ｍｉｎ（３０〜１０００ｓｃｃｍ）程度であり、圧力は２００〜１００００Ｐａ程度である。この際のウエハＷの加熱温度は４００〜７００℃程度、好ましくは５００℃程度である。

成膜工程終了後、ＮＨ_３ガスおよびＴｉＣｌ_４ガスを停止し、図示しないパージガスラインからＮ_２ガスをパージガスとして好ましくはそれぞれ０．５〜１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流して、チャンバー５１内のパージを行い、その後、Ｎ_２ガスおよびＮＨ_３ガスを流し、ウエハＷに成膜したＴｉＮ薄膜の表面のナイトライド処理を行う。この際のＮ_２ガスの供給は、第１および第２のＮ_２ガス供給源１１３および１１５のいずれか、または両方から行われる。なお、このナイトライド処理は必須なものではない。

所定時間経過後、Ｎ_２ガスおよびＮＨ_３ガスを徐々に停止し、これらのガスの供給が完全に停止された時点で成膜プロセスを終了する。

次に、ＴｉＮ成膜の第２の実施形態について説明する。ヒーター５５によるウエハＷの温度を上記と同様４００〜７００℃程度に維持し、図１１のタイミングチャートに示すように、最初に、ＴｉＣｌ_４ガス供給源１１２、ＮＨ_３ガス供給源１１４から、ＴｉＣｌ_４ガス、ＮＨ_３ガスを、第１および第２のＮ_２ガス供給源１１３，１１５からのＮ_２ガスにキャリアさせてチャンバー５１内に供給し、熱ＣＶＤによりＴｉＮ膜を成膜する第１ステップを２〜８秒間行う。次いで、ＴｉＣｌ_４ガス、ＮＨ_３ガスを停止し、図示しないパージガスラインからパージガスとしてＮ_２ガスをチャンバー５１内に導入し、チャンバー５１内のパージを０．５〜２０秒間行う。その後、ＮＨ_３ガス供給源１１４からＮＨ_３ガスを、第２のＮ_２ガス供給源１１５からのＮ_２ガスにキャリアさせてチャンバー５１内に供給してアニールを行う第２ステップを０．５〜８秒間行う。次いで、ＮＨ_３ガスを停止し、図示しないパージガスラインからパージガスとしてＮ_２ガスをチャンバー５１内に導入し、チャンバー５１内のパージを０．５〜２０秒間行う。以上の工程を１サイクルとして複数サイクル、好ましくは３サイクル以上、例えば１２〜２４回程度繰り返す。このときのガスの切替は、コントローラ１２３によりバルブを切り替えることにより行われる。

このように交互的なガスフローを行うことにより、第１ステップで成膜されたＴｉＮ膜が第２ステップのアニールにより効率的に脱Ｃｌされ、膜中の残留塩素を著しく低くすることができ、低温成膜であっても残留塩素の少ない良質のＴｉＮ膜を成膜することができる。

以上のいずれのＴｉＮ膜を形成した場合でも、下地のＴｉ膜が上述したような第１の実施形態または第２の実施形態に示した交互的なガスフローを用いたプロセスで成膜されていることから、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜との間の膜剥がれがほとんど生じない状態とすることができ、Ｔｉ／ＴｉＮ膜全体の膜質も従来よりも良好なものとなる。なお、Ｔｉ膜を従来のガスフローで成膜した場合には、ＴｉＮ膜をいずれの方法で成膜しても、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜との間の膜剥がれが頻発してしまう。

次に、以上のような工程により、実際にプリクリーニング、Ｔｉ膜成膜、ＴｉＮ膜成膜を図１の成膜システムによりｉｎ ｓｉｔｕで行って製造されたサンプルの膜剥がれの有無を調査した。この際のサンプルとしては、Ｔｉ膜を上記第１および第２の実施形態で形成し、その上にＴｉＮ膜をそれぞれ上記２つの方法で成膜したものを用いた。その際の条件を表１および表２に示す。なお、比較のため、Ｔｉ成膜を従来のＴｉ膜成膜の際の条件（表１に併記）で行った後に、ＴｉＮ成膜を行ったサンプルについても膜剥がれの有無を調査した。膜剥がれは、目視観察および変色（膜剥がれが生じている部分は変色している）によって把握した。

その結果、Ｔｉ膜成膜を上記第１および第２の実施形態の範囲の上記条件で行ったものは、いずれの方法でＴｉＮ膜を成膜しても目視による膜剥がれおよび変色が全く見られず、膜剥がれが全く生じていないことが確認された。これに対してＴｉ膜を従来の方法で成膜した場合には、いずれの方法でＴｉＮ膜を成膜しても膜剥がれおよび変色が確認された。また、Ｔｉ膜成膜を上記第１および第２の実施形態の範囲の上記条件で行ったＴｉ／ＴｉＮ膜サンプルは従来のものよりも電気抵抗が低く、膜質が良好であることが確認された。

次に、上記ＴｉＮ膜成膜装置４を用いずに、Ｔｉ膜成膜装置３のみで、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を形成する方法について図４を参照しながら説明する。
ここでは、ヒーター５５およびヒーター９６をプリコートの際と同様の条件に維持し、図１２のタイミングチャートに示すように、最初に、高周波電源８４からシャワーヘッド６０に高周波電力を印加しつつ、ＴｉＣｌ_４ガス供給源７２、第１のＡｒガス供給源７３、Ｈ_２ガス供給源７４、第２のＡｒガス供給源７６からＴｉＣｌ_４ガス、Ａｒガス、Ｈ_２ガスを供給しこれらのガスのプラズマ（第１のプラズマ）を生成し、これを４〜８秒間維持する第１ステップを行う。次いで、ＴｉＣｌ_４ガスのみを停止し、高周波電力およびＡｒガス、Ｈ_２ガスをそのままとして、Ａｒガス、Ｈ_２ガスのプラズマ（第２のプラズマ）による還元処理である第２ステップを２〜３０秒間行う。これら第１ステップおよび第２ステップを交互に複数回、好ましくは３回以上、例えば１２〜２４回程度繰り返してまずＴｉ膜を成膜する。この際のガス流量は、ＴｉＣｌ_４ガス：０．０１〜０．０２Ｌ／ｍｉｎ（１０〜２０ｓｃｃｍ）、Ｈ_２ガス：１．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ（１５００〜４５００ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：０．８〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（８００〜２０００ｓｃｃｍ）程度であり、圧力は４００〜１０００Ｐａ程度である。また、高周波電源８４のパワーは５００〜１５００Ｗ程度である。

このようにしてＴｉ膜の成膜後、引き続いてＴｉＮ膜の成膜が行われる。このＴｉＮ膜の成膜は、高周波電力およびガスの供給を停止してＴｉ成膜が終了した後、ヒーター５５によりサセプタ５２を４５０〜５５０℃に加熱するとともに、ヒーター９６によりシャワーヘッド６０を４５０℃以上の温度、例えば４７０〜４９０℃程度に加熱する。そして、図１２に示すように、最初に、高周波電源８４からシャワーヘッド６０に高周波電力を印加しつつ、ＴｉＣｌ_４ガス供給源７２、第１のＡｒガス供給源７３、Ｈ_２ガス供給源７４、第２のＡｒガス供給源７６から、ＴｉＣｌ_４ガス、Ａｒガス、Ｈ_２ガスを供給しこれらのガスのプラズマ（第３のプラズマ）を生成し、これを４〜１２秒間維持する第３ステップを行う。次いで、Ａｒガス、Ｈ_２ガスをそのまま維持し、ＴｉＣｌ_４ガスを停止するとともに高周波電力を停止し、ＮＨ_３ガス供給源７５からのＮＨ_３ガスの供給を開始し、かつ高周波電力の供給を再開して、Ａｒガス、Ｈ_２ガス、ＮＨ_３ガスのプラズマ（第４のプラズマ）による還元・窒化処理である第４ステップを２〜３０秒間行う。これら第３ステップおよび第４ステップを交互に複数回、好ましくは３回以上、例えば１２〜２４回程度繰り返してＴｉ膜の上にＴｉＮ膜を形成する。この際のガス流量は、ＴｉＣｌ_４ガス：０．０１〜０．０２Ｌ／ｍｉｎ（１０〜２０ｓｃｃｍ）、Ｈ_２ガス：１．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ（１５００〜４５００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３ガス：０．５〜１．５Ｌ／ｍｉｎ（５００〜１５００ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：０．８〜２．０Ｌ／ｍｉｎ（８００〜２０００ｓｃｃｍ）程度であり、圧力は４００〜１０００Ｐａ程度である。また、高周波電源８４のパワーは５００〜１５００Ｗ程度である。

このときのガスの切替は、コントローラ９８によりバルブを切り替えることにより行われる。また、このようなガスの切替によるプラズマの状態の変化に対応して、コントローラ１０６からの指令に基づいて電子整合式マッチングネットワーク１００が自動的にかつプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる。

このように、ＴｉＣｌ_４ガス＋Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより成膜を行う第１ステップと、Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより還元を行う第２ステップとを比較的短時間に交互に複数回行ってＴｉ膜を成膜し、引き続き、ＴｉＣｌ_４ガス＋Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより成膜を行う第３ステップと、ＮＨ_３ガス＋Ａｒガス＋Ｈ_２ガス＋プラズマにより還元および窒化を行う第４ステップとを比較的短時間に交互に複数回行ってＴｉＮ膜を成膜するので、Ｔｉ化合物を還元する還元作用が高まり、かつ効果的に窒化を行うことができる。このため、Ｔｉ膜中の残留塩素濃度を少なくすることができる。特に、ウエハ温度４５０℃以下の低温の際にＴｉ膜やＴｉＮ膜中への塩素の残留が多くなるが、そのような低温であっても、本実施形態のシーケンスを用いることにより、残留塩素濃度を低くして、比抵抗の低い良好な膜質のＴｉ／ＴｉＮ積層構造を得ることができる。また、従来は２種類の成膜装置が必要だったＴｉ／ＴｉＮ積層構造を１つの成膜装置で連続的に成膜することができるので極めて効率的である。

第３ステップおよび第４ステップで、良好なＴｉＮ膜を得るためには、第３ステップで成膜したＴｉ膜を第４ステップにおいて確実に窒化する必要があるが、そのためにＮＨ_３ガス流量および第４ステップの時間を調整することが好ましい。特に、第４ステップの時間を第３ステップの時間以上に設定することが好ましい。

このようにして１種類の成膜装置でＴｉ／ＴｉＮ膜を成膜することができるので、この方法を用いる場合には、ＴｉＮ膜成膜装置４は不要である。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施の形態ではＴｉ膜を成膜する場合について示したが、本発明はこれに限らず、プラズマＣＶＤで成膜される他の膜に対しても有効である。また、Ｔｉ化合物はＴｉＣｌ_４に限らずＴｉＦ_４やＴｉＩ_４等の他のハロゲン化合物や、その他の化合物を用いることができる。還元ガスもＨ_２に限るものではない。ＮとＨとを含むガスもＮＨ_３ガスに限らず、Ｎ_２とＨ_２との混合ガス等を用いることができる。さらにまた、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを用いたが、これ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。

本発明によれば、効果的な還元を行うことができ、より低温での成膜が可能となるとともに、膜中の残留物を低減することができ、より良好な膜質の膜を形成することができるので、耐熱性の低い材料、例えばＮｉＳｉやキャパシタ膜上への成膜用途に好適である。

本発明の成膜方法の実施形態を実施するＴｉ膜成膜装置が搭載されたマルチチャンバータイプの成膜システムを示す概略構成図。 Ｔｉ／ＴｉＮ膜を形成した半導体装置のビアホール部分を示す断面図。 図１の成膜システムに搭載されたプリクリーニング装置を示す断面図。 図１の成膜システムに搭載された本発明の実施に用いられるＴｉ膜成膜装置を示す断面図。 シャワーヘッドの温度制御ありとなしとの場合における、成膜の際のサセプタ温度とＴｉ膜の比抵抗値との関係を示すグラフ。 Ｔｉ膜成膜方法の第１の実施形態のガス供給および高周波電力供給のタイミングを示すタイミングチャート。 Ｔｉ膜成膜方法の第１の実施形態による効果を示すグラフ。 Ｔｉ膜成膜方法の第２の実施形態のガス供給および高周波電力供給のタイミングを示すタイミングチャート。 Ｔｉ膜成膜方法の第２の実施形態による効果を示すグラフ。 図１の成膜システムに搭載されたＴｉＮ膜成膜装置を示す断面図。 ＴｉＮ膜成膜方法の第２の実施形態のガス供給のタイミングを示すタイミングチャート。 本発明に基づいてＴｉ／ＴｉＮを同一装置で成膜する場合のガス供給および高周波電力供給のタイミングを示すタイミングチャート。

符号の説明

２……プリクリーニング装置
３……Ｔｉ膜成膜装置
４……ＴｉＮ膜成膜装置
５１……チャンバー
５２……サセプタ
５５，９６……ヒーター
６０……シャワーヘッド
７０……ガス供給機構
９８……コントローラ
１００……電子整合式マッチングネットワーク
Ｗ……半導体ウエハ

Claims (11)

1. 処理チャンバー内で被処理基板に成膜しようとする膜の成分を含む化合物ガスと還元ガスとを供給するとともに、チャンバー内でプラズマを生成して被処理基板上にＣＶＤにより薄膜を形成する成膜方法であって、
   前記化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、前記化合物ガスを停止し前記還元ガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回繰り返し、前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとは、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えられることを特徴とする成膜方法。
2. 前記第２ステップは、前記還元ガスの他に窒化ガスを導入することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記第１ステップと前記第２ステップとを複数回繰り返した後に、前記還元ガスおよび窒化ガスを導入しつつ第３のプラズマを生成して窒化処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
4. 処理チャンバー内で被処理基板にＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する成膜方法であって、
   Ｔｉ化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、Ｔｉ化合物ガスを停止し前記還元ガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回繰り返し、前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとは、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えられることを特徴とする成膜方法。
5. 前記第１ステップと前記第２ステップとを複数回繰り返した後に、前記還元ガスおよびＮとＨとを含むガスを導入しつつ第３のプラズマを生成する窒化処理を行うことを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
6. 処理チャンバー内で被処理基板にＣＶＤによりＴｉまたはＴｉ／ＴｉＮ膜を成膜する成膜方法であって、
   Ｔｉ化合物ガスおよび還元ガスを導入しつつ第１のプラズマを生成する第１ステップと、Ｔｉ化合物ガスを停止し前記還元ガスおよびＮとＨとを含むガスを導入しつつ第２のプラズマを生成する第２ステップとを交互に複数回繰り返し、前記第１のプラズマと前記第２のプラズマとは、前記交互的なガスの切り換えにより変化するプラズマの変化に追従してプラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合するように切り換えられることを特徴とする成膜方法。
7. 前記Ｔｉ化合物ガスとしてＴｉＣｌ_４ガスを用い、前記還元ガスとしてＨ_２ガスを用いることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の成膜方法。
8. 前記ＮとＨとを含むガスは、ＮＨ_３ガスであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の成膜方法。
9. 前記被処理基板は載置台に載置された状態で処理中に被処理基板の温度が３００〜７００℃に設定されることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の成膜方法。
10. Ｔｉ膜の成膜に先立って、下地の表面の自然酸化膜を除去することを特徴とする請求項４から請求項９のいずれか１項に記載の成膜方法。
11. プラズマは、一対の平行平板電極の少なくとも一方に高周波電力を供給することにより生成され、プラズマインピーダンスと伝送路インピーダンスとの整合を電子整合式のマッチングネットワークにより行うことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の成膜方法。

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