JPH0722339A - 薄膜形成方法 - Google Patents

薄膜形成方法

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JPH0722339A
JPH0722339A JP5165644A JP16564493A JPH0722339A JP H0722339 A JPH0722339 A JP H0722339A JP 5165644 A JP5165644 A JP 5165644A JP 16564493 A JP16564493 A JP 16564493A JP H0722339 A JPH0722339 A JP H0722339A
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substrate
groove
gas
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Hitoshi Ito
仁 伊藤
Kyoichi Suguro
恭一 須黒
Nobuo Hayasaka
伸夫 早坂
Haruo Okano
晴雄 岡野
Shinji Himori
慎司 桧森
Kazuya Nagaseki
一也 永関
Shuji Mochizuki
修二 望月
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Toshiba Corp
Tokyo Electron Ltd
Tokyo Electron Yamanashi Ltd
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Toshiba Corp
Tokyo Electron Ltd
Tokyo Electron Yamanashi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体基板の表面に形成された溝が高アスペク
ト比でテーパ形状であっても、方向性の高い成膜が行な
える薄膜形成方法を提供すること。 【構成】表面に溝が形成された半導体基板1が収容され
た成膜室内を10-6Torr台以下に排気した後、成膜
室内にTiCl4 ,水素,窒素およびNF3 のガスを成
膜室内に導入し、次いでこれらのガスをプラズマ化して
溝の側壁部以外にTiN薄膜2を選択的に形成する工程
とを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成方法に係り、
特にプラズマを利用した薄膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、コンピューターや通信機器の重要
部分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達
成するようにむすびつけ、1チップ上に集積化して形成
した大規模集積回路(LSI)が多用されている。この
ため、機器全体の性能は、LSI単体の性能と大きく結
び付いている。
【0003】LSI単体の性能向上は、集積度を高める
こと、つまり、素子の微細化により実現できる。素子の
微細化が進むと、アスペクト比が大きい溝などに薄膜を
形成する成膜技術が必要となってくる。
【0004】このような成膜技術として、低圧プラズマ
源を用いたプラズマCVD法が注目されている。これは
気体の平均自由行程が長くなり、直進性の良い反応種が
得られるからである。低圧プラズマ源としては、EBE
P(Electron Beam ExcitedPlasma),ECR(Electro
n Cyclotron Resonance)プラズマ,HELICONプ
ラズマなどが知られている。
【0005】このような低圧プラズマ源を用いたプラズ
マCVD法によれば、被処理基体に電圧を印加してプラ
ズマ中から堆積種イオンを被処理基体に積極的に引き込
むことにより、図5に示すように、被処理基体81の表
面に形成された垂直形状の溝内に方向性の高い薄膜82
を形成できる。しかし、図5に示すように、溝の形状が
テーパ状の場合には、溝の側壁部にも薄膜82が形成さ
れ、方向性の高い成膜が困難になるという問題があっ
た。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の低
圧プラズマ源を用いたプラズマCVD法では、溝が高ア
スペクト比でテーパ形状の場合、溝の側壁部にも薄膜が
形成され、方向性の高い成膜が困難であるという問題が
あった。
【0007】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、被処理基体の表面に形
成された溝が、高アスペクト比でテーパ形状であって
も、溝内に方向性の高い薄膜を形成できる薄膜形成方法
を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の薄膜形成方法(請求項1)は、表面に溝
が形成された被処理基体が収容された成膜室内に、金属
物質からなる原料ガスを導入し、この原料ガスをプラズ
マ化して前記被処理基体上に薄膜を形成する薄膜形成方
法において、前記成膜室内に前記原料ガスとともにハロ
ゲン系のガスを導入し、このハロゲン系のガスと前記原
料ガスとの混合ガスを10-4Torr台以下の圧力でプ
ラズマ化し、前記被処理基体上に前記薄膜を異方的に形
成することを特徴とする。
【0009】また、本発明の他の薄膜形成方法(請求項
2)は、表面に溝が形成された被処理基体が収容された
成膜室内に、金属物質からなる原料ガスを導入し、この
原料ガスをプラズマ化して前記被処理基体上に薄膜を形
成する薄膜形成方法において、前記成膜室内の前記原料
ガスを10-4Torr台以下の圧力でプラズマ化し、前
記被処理基体上に前記薄膜を形成する工程と、前記成膜
室内にプラズマにより励起せしめたハロゲン系のガスを
前記被処理基体に供給し、このハロゲン系のガスにより
前記薄膜の全面をエッチングし、被処理基体上に前記薄
膜を異方的に残置する工程とを有することを特徴とする
なお、上記金属物質は、単体の金属の他、有機金属や金
属ハロゲン化物等の金属を含む物質も意味している。
【0010】
【作用】本発明の薄膜形成方法(請求項1,2)では、
以下のメカニズムにより原料ガスのプラズマにより生じ
た膜材料となる金属物質の正イオンが、溝の側壁部より
溝の底部に優先的に輸送される。
【0011】本発明では、10-4Torr台以下の低圧
力でプラズマを形成しているため、ガス同志が衝突する
頻度は十分小さくなる。この結果、正イオンはほとんど
ガスの散乱を受けず、正イオンの運動は基本的には電界
に沿ったものとなり、被処理基体の溝の側壁部に形成さ
れる薄膜は、溝の底部のそれに比べて十分薄いものとな
る。
【0012】一方、成膜室内には、原料ガスと同時(請
求項1)に、または成膜後(請求項2)に、ハロゲン系
のガスが導入されるため、被処理基体上に形成された薄
膜は中性のハロゲンや、ラジカル化したハロゲン等によ
りエッチングされる。
【0013】ここで、被処理基体の溝の側壁部に形成さ
れた薄膜は、上述したように、溝の底部のそれより十分
薄いので、先にエッチング除去される。したがって、被
処理基体の溝の側壁部以外の部分に薄膜が選択的に形成
されることになる。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。先ず、基板表面に高アスペクト比でテーパ状の溝が
形成された半導体基板を成膜室内に設けられた試料台に
載置する。上記溝は深さが3〜4μm,幅が0.5〜
1.0μm程度のものである。成膜室はアースに接地さ
れており、また、試料台には所定のバイアス電圧が印加
される。
【0015】次に成膜室内を10-6Torr台以下に排
気した後、TiCl4 と水素と窒素とNF3 の混合ガス
を導入する。各ガスの流量は、例えば、TiCl4 は
0.1〜1.0SCCM程度、水素は30〜50SCC
M程度、窒素は10〜50SCCM程度、NF3 は0.
1〜5SCCM程度とする。このとき、排気速度等を調
整し、成膜室内を0.1〜0.5mTorr程度の圧力
に維持する。
【0016】そして、試料台に−70〜−100V程度
のバイアス電圧を印加して、成膜室内の混合ガスをプラ
ズマ化するとともに、半導体基板1を加熱する。加熱温
度は200℃以上800℃以下が好ましい。この結果、
図1に示すように、半導体基板1の溝の側壁部を除いた
部分に、TiN薄膜2が選択的に形成される。なお、成
膜は常温で行なっても良い。
【0017】このような方法によりTiN薄膜2を選択
的に形成できるのは次のように考えられる。本実施例に
よれば、成膜の際に半導体基板1の溝の側壁部以外の部
分に、プラズマ中の膜材料としてのTi等の正イオンが
優先的に輸送される。
【0018】このとき、混合ガスは0.1〜0.5mT
orr(10-4Torr台以下)の低圧力下でプラズマ
化されているため、ガス同志が衝突する頻度は十分小さ
くなる。このため、正イオンはほとんどガスの散乱を受
けず、正イオンの運動は基本的には試料台に印加したバ
イアス電圧によって形成された電界に沿ったものとな
る。この結果、半導体基板の溝の側壁部に形成されるT
iN薄膜は他の部分に比べて十分薄いものとなる。
【0019】一方、混合ガス中にはTiCl4 ,NF3
のハロゲン系のガスも含まれているので、混合ガスのプ
ラズマ化により、ラジカル化したCl,Fや中性のC
l,Fが発生するため、これらエッチング種により半導
体基板に形成されるTiN薄膜は略一様にエッチングさ
れる。
【0020】ここで、半導体基板の溝の側壁部に形成さ
れたTiN薄膜は、上述したように、他の部分のものに
比べて十分薄いので、溝の側壁部のTiN薄膜は他の部
分のものより先にエッチング除去される。
【0021】したがって、図1に示したように、半導体
基板1の溝の側壁部以外の部分にTiN薄膜2が選択的
に形成されることになる。図2は、本実施例で述べたT
iCl4 ,水素,窒素およびNF3 を導入し成長を行な
う例において、成膜形状の基板バイアス依存性を示す図
である。図2(a)に示されるように、−20V程度の
バイアス電圧の場合には、イオンが十分な直進性を持つ
ことができず、本発明の効果が得られない。更に、図2
(c)に示されるように、−150V程度のバイアス電
圧の場合には、イオンが得た運動量により既に堆積した
金属膜の一部がスパッタリングされ、側壁に再付着する
ので、異方性形状を示さないことが分かる。一方、図2
(b)に示されるように、バイアス電圧が−80V程度
の場合には、異方性形状を示すことが分かる。本実施例
においては、種々のバイアス電圧で試みた実験結果によ
り、先に述べたように、バイアス電圧を−70〜−10
0Vとしたとき本発明の効果が十分得られることが判明
した。
【0022】以上述べたように、本実施例では、膜材料
およびエッチング種となるガスを成膜室に同時に導入し
てプラズマを生成することによって、半導体基板の溝の
側壁部以外の部分に選択的にTiN薄膜を形成できる。
【0023】なお、上記混合ガスの代わりに、流量10
〜50SCCMのキャリアガスとしてのTi[N(C2
H5 )2 ]4 またはTi[N(CH3 )2 ]4 と、流量
10〜100SCCMの水素と、流量0.1〜5SCC
MのNF3 との混合ガスを用いても、同様に溝の側壁部
以外の部分に選択的にTiN薄膜を形成できる。成膜温
度、バイアス電圧等の条件は上述した実施例の場合と同
じである。
【0024】また、TiN薄膜の代わりに、W薄膜を選
択的に形成する場合には、例えば、上記混合ガスの代わ
りに、流量5〜10SCCMのキャリアガスとしてのW
F6、流量10〜30SCCMの水素および流量0.1
〜5SCCMのNF3 を用いれば良い。この場合、上記
実施例と同程度のバイアス電圧で試料を600℃以上に
加熱することが好ましい。
【0025】また、TiN薄膜の代わりに、TiSi2
薄膜を選択的に形成する場合には、例えば、上記ガスの
代わりに、流量0.5〜1.0SCCMのTiCl4
と、流量1.0〜10SCCMのSiCl4 と、流量1
0〜100SCCMの水素と、流量0.1〜5SCCM
のNF3 との混合ガスを用いれば良い。
【0026】TiSi2 薄膜を形成するための他の混合
ガスとしては、例えば、流量0.5〜1.0SCCMの
TiCl4 と、流量1.0〜100SCCMのSiH4
と、流量0.1〜5SCCMのNF3 との混合ガスが挙
げられる。TiSi2 薄膜を形成する場合、上記二つの
場合とも、前述したTiN薄膜の成膜と同程度のバイア
ス電圧,温度に設定すると良い。
【0027】次に本発明の第2の実施例に係るTiN薄
膜の形成方法を説明する。まず、基板表面に溝が形成さ
れた半導体基板を成膜室内に設けれた試料台に載置す
る。ここで、先の実施例と同様に試料台に所定のバイア
ス電圧を印加する。
【0028】次に成膜室内にTiCl4 を0.1〜1.
0SCCM程度,水素を30〜50SCCM程度および
窒素を流量10〜50SCCM程度導入する。このと
き、排気速度等を調整することにより、成膜室内を0.
1〜0.5mTorr程度の圧力に維持する。
【0029】次に試料台に−70〜−100V程度のバ
イアス電圧を印加することにより、上記ガスをプラズマ
化して第1の実施例と同様に半導体基板にTiN薄膜を
形成する。このとき、先の実施例と同様の理由により、
半導体基板の溝の側壁部に形成されるTiN薄膜の膜厚
は、他の部分に形成されるTiN薄膜のそれより薄いも
のとなる。
【0030】次に成膜室内に流量10〜50SCCMの
CF4 をハロゲン系のガスとして導入すると共に、排気
速度を調整して成膜室内の圧力を1〜5mTorrに維
持して、CF4 をプラズマ化してTiN薄膜のエッチン
グを行なう。このとき、半導体基板の溝の側壁部に形成
されたTiN薄膜は相対的に薄いので先にエッチング除
去されてしまう。
【0031】このような形成方法であれば、溝が高アス
ペクト比でテーパ形状のものであっても、先の実施例と
同様に、半導体基板の溝の側壁部以外の部分にTiN薄
膜を選択的に形成できる。
【0032】更に、本実施例では、TiN薄膜を形成し
た後にTiN薄膜のエッチングを行なっているので、T
iN薄膜の成膜とエッチングとを同時に行なう先の実施
例に比べて、半導体基板に与えるダメージが小さくなる
という利点がある。
【0033】更にまた、エッチング用のハロゲン系ガス
を励起する方法は、上記した反応性イオンエッチングに
限らない。例えば、成長室内の半導体基板設置部から隔
離された該室内の励起部において又は成膜室外のプラズ
マ励起手段において、上記ハロゲン系ガスを励起せし
め、このガスをダウンフロー方式で半導体基板等の被処
理基体に供給しても良い。
【0034】なお、TiN薄膜を形成した後、例えば、
ダウンフローエッチング装置や反応性イオンエッチング
のエッチング室に移して、TiN薄膜のエッチングを行
なっても良い。
【0035】次に本発明の第3の実施例に係るリフトオ
フを利用したTiN薄膜の形成方法を説明する。まず、
図3(a)に示すように、シリコン基板11上に厚さ1
00〜500nm程度のAl薄膜12を形成する。
【0036】次にAl薄膜12上に溝形成用のフォトレ
ジストパターン(不図示)を形成し、このフォトレジス
トパターンをマスクとしてシリコン基板11,Al薄膜
12をエッチングして、図3(b)に示すように、シリ
コン基板11の表面に高アスペクト比の溝を形成する。
【0037】次に第1または第2の実施例で説明した方
法を用いて、図3(c)に示すように、溝の側壁部以外
の部分にTiN薄膜13を選択的に形成する。最後に、
シリコン基板11を硫酸溶液中に浸すと、Alは溶解す
るがTiNはほとんど溶解しないため、図3(d)に示
すように、溝の底部以外に形成されたTiN薄膜13が
除去され、溝の底部にTiN薄膜13を選択的に残置で
きる。
【0038】かくして本実施例によれば、垂直形状でな
くテーパ形状の高アスペクト比の溝が形成されても、リ
フトオフの利用により、溝の底部にTiN薄膜13を選
択的に形成できる。すなわち、本実施例の場合、フォト
レジストパターンをマスクとしてTiN薄膜13をエッ
チング加工せずに溝の底部にTiN薄膜13を選択的に
形成できる。
【0039】次に本発明の第4の実施例に係る埋め込み
配線の形成方法を説明する。まず、第1または第2の実
施例と同様な方法を用いて、図4(a)に示すように、
表面に高アスペクト比でテーパ状の溝が形成されたシリ
コン基板21上に選択的に厚さ50nm程度のTiN薄
膜22,Cu薄膜23を順次形成する。
【0040】ここで、Cu薄膜23の成膜には、例え
ば、Cu(DPM)2 ,H2 等のガスを用い、TiN薄
膜の成膜と同程度のバイアス電圧,温度に設定する。次
に図4(b)に示すように、Cu薄膜23が完全に被覆
されるように全面にフォトレジスト24を塗布する。な
お、後述するように、フォトレジスト24の代わりにS
iO2 を用いても良い。
【0041】次に図4(c)に示すように、溝の外側の
TiN薄膜22,Cu薄膜23が露出し、溝の底部のC
u薄膜23が露出しない程度に、フォトレジスト24を
反応性イオンエッチングにより全面エッチングする。
【0042】次に図4(d)に示すように、シリコン基
板21をH2 SO4 中に浸して、フォトレジスト24で
マスクされていない溝の底部以外のCu薄膜23を選択
的に除去した後、H2 O2 溶液を用いてTiN薄膜22
を選択的に除去する。
【0043】最後に、溝内のフォトレジスト24を除去
して、TiN薄膜22とCu薄膜23との積層構造を有
する埋め込み配線が完成する。以上述べた方法によれ
ば、フォトリソグラフィによるTiN薄膜22,Cu薄
膜23のパターニングを行なわなくても、高アスペクト
比でテーパ状の溝内に良好な形状の埋め込み配線を形成
できる。
【0044】なお、本実施例では、フォトレジスト24
を用いたが、その代わりにSiO2膜を用いても良い。
この場合、SiO2 膜は、例えば、TEOS,O3 を用
いて形成する。また、Cu薄膜の材料としてCu(HF
A)2 ,H2 を用いる。
【0045】また、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、エッチング
用のハロゲン系ガスとしてNF3 ,CF4 を用いたが、
他のハロゲン系ガスとして、例えば、F2 ,Cl2 を用
いても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。
【0046】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、溝
が高アスペクト比でテーパ形状であっても、溝の側壁部
に薄膜が残留することなく、溝の底部に薄膜を形成でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係るTiN薄膜の形成
方法により得られたTiN薄膜の形状を示す図。
【図2】成膜形状の基板バイアス依存性を示す図。
【図3】本発明の第3の実施例に係るリフトオフを利用
したTiN薄膜の形成方法を示す工程断面図。
【図4】本発明の第4の実施例に係る埋め込み配線の形
成方法を示す工程断面図。
【図5】従来の薄膜形成方法を説明するための図。
【図6】従来の薄膜形成方法の問題点を説明するための
図。
【符号の説明】
1…半導体基板、2,13,22…TiN薄膜、11,
21…シリコン基板、12…Al薄膜、23…Cu薄
膜、24…フォトレジスト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須黒 恭一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 早坂 伸夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 岡野 晴雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 桧森 慎司 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の1 東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 永関 一也 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の1 東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 望月 修二 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の1 東京エレクトロン山梨株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面に溝が形成された被処理基体が収容さ
    れた成膜室内に、金属物質からなる原料ガスを導入し、
    この原料ガスをプラズマ化して前記被処理基体上に薄膜
    を形成する薄膜形成方法において、 前記成膜室内に前記原料ガスとともにハロゲン系のガス
    を導入し、このハロゲン系のガスと前記原料ガスとの混
    合ガスを10-4Torr台以下の圧力でプラズマ化し、
    前記被処理基体上に前記薄膜を異方的に形成することを
    特徴とする薄膜形成方法。
  2. 【請求項2】表面に溝が形成された被処理基体が収容さ
    れた成膜室内に、金属物質からなる原料ガスを導入し、
    この原料ガスをプラズマ化して前記被処理基体上に薄膜
    を形成する薄膜形成方法において、 前記成膜室内の前記原料ガスを10-4Torr台以下の
    圧力でプラズマ化し、前記被処理基体上に前記薄膜を形
    成する工程と、 前記成膜室内にプラズマにより励起せしめたハロゲン系
    のガスを前記被処理基体に供給し、このハロゲン系のガ
    スにより前記薄膜の全面をエッチングし、被処理基体上
    に前記薄膜を異方的に残置する工程とを有することを特
    徴とする薄膜形成方法。
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