薄膜の成膜方法及び成膜装置
【課題】被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部に効率的に堆積させることが可能な薄膜の成膜方法を提供する。
【解決手段】表面に凹部６が形成されている被処理体Ｗの表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜１００を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜１０４を形成する窒化工程と、凹部の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜１０６を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程と、を有する。これにより、被処理体の凹部の径が小さくても、薄膜が凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部に効率的に堆積させる。
【解決手段】表面に凹部６が形成されている被処理体Ｗの表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜１００を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜１０４を形成する窒化工程と、凹部の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜１０６を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程と、を有する。これにより、被処理体の凹部の径が小さくても、薄膜が凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部に効率的に堆積させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板等の半導体ウエハの表面に、バリヤ層等の薄膜を形成するための薄膜の成膜方法及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＣ等の半導体デバイスを形成するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、酸化拡散処理、エッチング処理、改質処理等の各種の処理が繰り返し施される。
【０００３】
高集積化や高密度化が進んだ近年の半導体デバイスは，複数の配線層から成る、いわゆる多層配線構造を有している。このような半導体デバイスにおいては、良好な電気的特性を得るためにも、シリコン基板と配線層とを電気的に接続するためのコンタクトホールや上側配線層と下側配線層とを電気的に接続するためのビアホールに対する金属の埋め込み技術がより重要となってきている。特に近年では、埋め込み性能がより高いなどの理由から、コンタクトホールやビアホール等の凹部には、主としてＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってタングステンが埋め込まれる傾向にある。
【０００４】
上記タングステンが埋め込まれたシリコン基板等の半導体ウエハにおける一般的なコンタクト構造を図１４に示す。図１４（Ａ）に示すように、このようなコンタクト構造を得るためには例えば、まずシリコン基板等よりなる半導体ウエハＷ上の絶縁膜２のうち、シリコンが含まれる導電層４に対応する領域をエッチングしてホール等の凹部６を形成する。この導電層４が下層の配線層やトランジスタのソースやドレイン等を構成する不純物拡散層となる。
【０００５】
そして、上記凹部６内にタングステンを埋め込むことになるが、この場合、タングステン膜の密着性や凹部６の電気的特性などを向上させるため、タングステン膜の成膜に先立って凹部６の表面を含むウエハ表面全体に、チタン膜８と窒化チタン膜１０とを順に形成してから、その上にタングステン膜１２を形成する。
【０００６】
従来、これらの各成膜工程は、複数の処理装置で行うようになっていた。例えば先ず、第１の処理装置で例えば四塩化チタン（以下「ＴｉＣｌ４ 」とも称す）ガスと水素（以下「Ｈ２ 」とも称す）ガスとを用いてプラズマＣＶＤ法等により、凹部６内を含めてウエハＷの表面全体にチタン膜８を形成する。このとき、導電層４の表面には、導電層４中のシリコンとチタンとは反応してチタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ ）層１４が形成される。
【０００７】
続いて、このウエハＷを第２の処理装置へ搬送して、例えば四塩化チタンガスとアンモニア（以下「ＮＨ３ 」とも称す）ガスとを用いて熱ＣＶＤ法により、窒化チタン膜１０を形成する。そして、このウエハＷを第３の処理装置へ搬送して、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）ガスと水素ガスとの両方又は一方のガスと六フ ッ化タングステン（以下「ＷＦ６ 」とも称す）ガスを用いて熱ＣＶＤ法によりタングステン膜１２を形成する。これによって、凹部６内にはタングステンが埋め込まれる。
【０００８】
このようなタングステン膜１２を形成する際に用いられる六フッ化タングステンガスは、チタンなどの金属と高い反応性を示すフッ素（Ｆ）を含むため、もし窒化チタン膜１０を形成せずに、チタン膜８上に直接的にタングステン膜１２を形成すると、このチタン膜８がフッ素によりエッチングされてしまう。つまり、タングステン膜１２とチタン膜８との間に形成される窒化チタン膜１０は、タングステン膜１２の形成工程におけるフッ素の拡散を防止するバリヤ層として機能するものであり、これによって、チタン膜８はフッ素の侵入を受けることなく良好な状態に保たれる。
【０００９】
このような理由により、従来、チタン膜８上には窒化チタン膜１０を形成していた。この場合、チタン膜８を形成した後、窒化チタン膜１０を形成する前に、チタン膜８の表面を例えばプラズマにより窒化する処理を行っていた。これにより、チタン膜８表面（上層部）に薄い窒化チタン層１６が形成されるため、次の例えば熱ＣＶＤ法による窒化チタン膜１０の成膜工程で使用される四塩化チタンガスによってチタン膜８の表面がエッチングされてしまうことを防止できる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１４２４２５号公報
【特許文献２】特表２００２−５４２３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来、チタン膜８の表面のみを窒化するので、チタン膜８にはチタン層１８が残っていた。このため、チタン膜８の窒化チタン層１６及び窒化チタン膜１０に十分な膜厚がなければ、フッ素の一部が窒化チタン層１０及び窒化チタン膜１６を通過してチタン膜８のチタン層１８に達してしまい、脆弱なフッ化チタン（ＴｉＦｘ ）が生成される可能性があった。このようにフッ化チタンが生成されると、窒化チタン膜１０とタングステン膜１２は、下地層との密着性が劣化し、ウエハＷの表面から剥離する恐れがある。
【００１２】
また、微細化の要求が最近にあっては更に厳しくなり、上記凹部６の直径である例えばホール径の要求が６０ｎｍ、或いはそれ以下になると、上記第２の処理装置で熱ＣＶＤ法により窒化チタン膜１０を成膜する際、この熱ＣＶＤ法は成膜時の指向性が比較的小さいことから、図１４（Ｂ）に示すように上記凹部６内の底部は勿論のこと、凹部６の側壁６Ａに対応する部分にも比較的厚く窒化チタン膜１０が等方的に堆積してしまい、この結果、凹部６内が狭くなり過ぎて後工程のタングステン成膜工程時において、成膜ガスが上記凹部６内に十分に侵入できず、凹部６の埋め込み量の減少が発生してプラグ抵抗が増加する、といった問題もあった。
【００１３】
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、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部に効率的に堆積させることが可能な薄膜の成膜方法及び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】
【００１４】
請求項１の発明は、表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いて前記チタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程と、を有することを特徴とする薄膜の成膜方法である。
【００１５】
このように、表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、凹部の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有するようにしたので、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が異方的に、すなわち凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部には効率的に堆積することが可能となる。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記チタン膜形成工程と前記窒化工程とを交互に複数回繰り返した後に前記窒化チタン膜堆積工程を行うようにしたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記チタン膜形成工程と前記窒化工程は、それぞれプラズマの存在下で行われることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記凹部の底部には、シリコンを含む導電層が露出しており、前記チタン膜形成工程では前記導電層のシリコンと前記チタン膜のチタンとが反応してチタンシリサイド層が形成されるように前記被処理体を第１の温度に設定することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記第１の温度は４００〜６５０℃の範囲内であることを特徴とする。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン膜形成工程にて形成される前記チタン膜の膜厚は１５ｎｍ以下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、前記窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で前記第２の窒化チタン膜を堆積させるようにしたことを特徴とする。
【００１９】
このように、窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で第２の窒化チタン膜を堆積させるようにしたので、特に凹部の側壁への成膜を制御しつつ凹部の底部への成膜を促進させることができる。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項７記載の発明において、前記窒素ガスの流量Ｙ１ と、前記プラズマを生成するために投入する高周波電力Ｘ１ との関係が、前記チタン化合物ガスの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ１ と前記高周波電力Ｘ１ とが設定されていることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項８記載の発明において、前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの流量が２０ｓｃｃｍ以下の時には、下記の数１であることを特徴とする。
Ｙ１ ≦７．６２・１０−４・Ｘ１ ２ −２．３７・Ｘ１ ＋２．０２・１０３ …（数１）
請求項１０の発明は、請求項９記載の発明において、前記窒素ガスの流量Ｙ１ の下限は１ｓｃｃｍであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項７記載の発明において、前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ と、前記プラズマを形成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ２ との関係が、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ２ と前記高周波電力Ｘ２ とが設定されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２の発明は、請求項１１記載の発明において、前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２以下の時には、下記の数２であることを特徴とする。
Ｙ２ ≦５．３９・１０−１・Ｘ２ ２ −２．３７・Ｘ２ ＋２．８６ …（数２）
請求項１３の発明は、請求項１２記載の発明において、前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ の下限は、１．４１５・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ であることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項７記載の発明において、前記窒素ガスの分圧Ｙ３ と、プラズマを生成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ３ との関係が、前記チタン化合物ガスの分圧に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記分圧Ｙ３ と前記高周波電力Ｘ３ とが設定されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５の発明は、請求項１４記載の発明において、前記所定の関係式は、チタン化合物ガスの分圧が２．３７Ｐａ以下の時には、下記の数３であることを特徴とする。
Ｙ３ ≦２８．９・１０１ ・Ｘ３ ２ −１４０・Ｘ３ ＋１．８７・１０２ …（数３）
請求項１６の発明は、請求項１５記載の発明において、前記窒素ガスの分圧Ｙ３ の下限は、０．１２Ｐａであることを特徴とする。
【００２５】
請求項１７の発明は、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン膜形成工程と前記窒化工程と前記窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われることを特徴とする。
このように、チタン膜形成工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われるようにしたので、その分、必要とする成膜装置の台数を減少させることができ、設備コストの削減に寄与することができる。
【００２６】
請求項１８の発明は、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン化合物ガスは、四塩化チタンガスであることを特徴とする。
請求項１９の発明は、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の発明において、前記還元ガスは、Ｈ２ ガスであることを特徴とする。
請求項２０の発明は、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン膜堆積工程の後に、前記被処理体の表面にタングステン膜を形成して前記凹部を埋め込むタングステン膜形成工程を行うことを特徴とする。
【００２７】
請求項２１の発明は、表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、前記被処理体を収容する処理容器と、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が設けられた載置台と、前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内を真空排気する排気系と、前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するために装置全体を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
【００２８】
請求項２２の発明は、被処理体を収容する処理容器と、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が設けられた載置台と、前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内を真空排気する排気系と、前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、装置全体を制御する制御部とを備えた成膜装置を用いて表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成するに際して、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するように装置全体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ことを特徴とする記憶媒体である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る薄膜の成膜方法及び成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、凹部の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有するようにしたので、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部に効率的に堆積させることができる。このため後工程で凹部内を配線金属で埋め込んでプラグ（あるいはコンタクト）を形成する際、太いプラグを形成することができ、プラグ（コンタクト）抵抗の小さいデバイスをつくることができる。
【００３０】
特に、請求項７の発明によれば、窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で第２の窒化チタン膜を堆積させるようにしたので、特に凹部の側壁への成膜を制御しつつ凹部の底部への成膜を促進させることができる。
また特に請求項１７の発明によれば、チタン膜形成工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われるようにしたので、その分、必要とする成膜装置の台数を減少させることができ、設備コストの削減に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明に係る薄膜の成膜方法及び成膜装置の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る成膜装置の一例を示す断面構成図、図２は本発明の成膜方法の一例を示すフローチャート、図３は本発明方法により被処理体の表面に形成される薄膜の状態を説明するための説明図、図４は第１の窒化チタン膜の形成時の各ガスの供給状態を示すタイミングチャート、図５は第２の窒化チタン膜を堆積する場合においてＲＦ電力（高周波電力）を一定にした時のＮ２ ガス流量とＴｉＣｌ４ ガス流量との関係を説明する説明図、図６は第２の窒化チタン膜を形成する場合においてＮ２ ガス流量とＲＦ電力とＴｉＣｌ４ ガス流量とが膜厚のピークの変動に与える影響を説明するための説明図である。
【００３２】
図７は第２の窒化チタン膜を堆積する時の高周波電力に対するＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図、図８は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対する被処理体の単位面積当りのＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図、図９は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対するＮ２ ガスの分圧の最適な範囲を説明するための説明図、図１０はＲＦ電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のＮ２ ガス流量と膜厚との関係を取り出して示したグラフ、図１１は凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を示す電子顕微鏡写真、図１２は第２の窒化チタン膜を堆積する時のＮ２ ガス流量が多い場合と少ない場合に生ずる反応の形態を模式的に示す図、図１３はタングステン膜を成膜する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。ここでは同一の成膜装置内でチタン膜形成工程と窒化工程と窒化チタン膜形成工程を実施する場合について説明する。
【００３３】
図１に示すように、この成膜装置２２は、略内部が円筒体状になされたアルミニウム、或いはアルミニウム合金製の処理容器２４を有している。この処理容器２４の中には被処理体としての半導体ウエハＷを水平に支持するための載置台としてのサセプタ２６がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材２８により支持された状態で配置されている。このサセプタ２６は窒化アルミニウム（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３０が設けられている。
【００３４】
また、サセプタ２６にはウエハＷを加熱する加熱手段としてヒータ３２が埋め込まれており，このヒータ３２はヒータ電源３４から給電されることによりウエハＷを所定の温度に加熱する。サセプタ２６には、下部電極３６がヒータ３２の上に埋設されており、この下部電極３６は例えば接地（図示せず）されている。
【００３５】
処理容器２４の天壁２４Ａには、絶縁部材３８を介してシャワーヘッド部４０が設けられている。このシャワーヘッド部４０は、大きく分けると上部分であるベース部材４２と下部分であるシャワープレート４４から構成されている。
【００３６】
ベース部材４２には、ヒータ４６が埋設されており、このヒータ４６はヒータ電源４８から給電されることにより、シャワーヘッド部４０を所定温度に加熱することが可能となっている。
【００３７】
シャワープレート４４には処理容器２４内にガスを吐出する多数の吐出孔５０が形成されている。各吐出孔５０は、ベース部材４２とシャワープレート４４の間に形成されるガス拡散空間５２に連通している。ベース部材４２の中央部には処理ガスをガス拡散空間５２に供給するためのガス導入ポート５４が設けられている。ガス導入ポート５４は、後述するガス供給手段５６の混合ガス供給ライン５８に接続されている。
【００３８】
ガス供給手段５６は、チタン化合物ガスとして例えば四塩化チタンガスを供給する四塩化チタンガス供給源６０、プラズマ安定用ガスとして例えばアルゴン（以下「Ａｒ」とも称す）ガスを供給するアルゴンガス供給源６２、還元ガスとして例えば水素ガスを供給する水素ガス供給源６４、窒素化合物ガスとして例えばアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給源６６及び窒素ガスを供給する窒素ガス供給源６８を有している。
【００３９】
そして、四塩化チタンガス供給源６０には四塩化チタンガス供給ライン６０Ｌが接続されており、アルゴンガス供給源６２にはアルゴンガス供給ライン６２Ｌが接続されており、水素ガス供給源６４には水素ガス供給ライン６４Ｌが接続されており、アンモニアガス供給源６６にはアンモニアガス供給ライン６６Ｌが接続されており、窒素ガス供給源６８には窒素ガス供給ライン６８Ｌが接続されている。各ガス供給ライン６０Ｌ〜６８Ｌにはそれぞれマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６０Ｃ〜６８Ｃ及びこのマスフローコントローラ６０Ｃ〜６８Ｃを挟んで２つのバルブ６０Ｖ〜６８Ｖが設けられている。
【００４０】
そして、上記各ライン６０Ｌ〜６８Ｌの先端はガス混合部７０に接続されている。このガス混合部７０は、上記の処理ガスを混合してシャワーヘッド部４０に供給する機能を有するものであり、そのガス流入側には、上記したように各ガス供給ライン６０Ｌ〜６８Ｌを介して各ガス供給源６０〜６８が接続されており、そのガス流出側には混合ガス供給ライン５８を介してシャワーヘッド部４０が接続されている。
【００４１】
プロセス時には、四塩化チタンガス、アルゴンガス、水素ガス、アンモニアガス及び窒素ガスの中から選択された一種類のガスまたは複数のガスの混合ガスが、シャワーヘッド部４０のガス導入ポート５４とガス拡散空間５２を経由して、複数の吐出孔５０から処理容器２４内に導入される。
【００４２】
このように本実施形態にかかるシャワーヘッド部４０は、各ガスを予め混合して処理容器２４内に供給する、いわゆるプリミックスタイプで構成されているが、各ガスを独立して処理容器２４内に供給する、いわゆるポストミックスタイプで構成するようにしてもよい。
【００４３】
シャワーヘッド部４０には、プラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電力供給手段７２が接続されている。この高周波電力供給手段７２は、シャワーヘッド部４０に接続された給電ライン７４を有し、この給電ライン７４には整合器７６及び高周波電源７８が順次介設されており、成膜等の際にこの高周波電源７８からシャワーヘッド部４０に、例えば４５０ｋＨｚの高周波電力を供給することにより、上部電極として兼用されるシャワーヘッド部４０と下部電極３６との間に高周波電界が生じ、処理容器２４内に供給されたガスをプラズマ化し得るようになっている。
【００４４】
また、処理容器２４の底壁２４Ｂの中央部には円形の穴が形成されており、底壁２４Ｂにはこの穴を覆うように下方に向けて突出する排気室８０が設けられている。排気室８０の側面には排気管８２が接続されており、この排気管８２には排気系８４が接続されている。そしてこの排気系８４を作動させることにより処理容器２４内を所定の真空度まで減圧することができる。この排気系８４は図示しない圧力調整弁や真空ポンプを有しており、上述のように真空排気を行う。
【００４５】
またサセプタ２６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８４がサセプタ２６の表面に対して出没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン８４は支持板８６に固定されている。そして、ウエハ支持ピン８４は、エアシリンダ等の駆動機構８８により支持板８６を介して昇降される。
【００４６】
また処理容器２４の側壁２４Ｃには、共通搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口９０と、この搬入出口９０を開閉するゲートバルブ９２が設けられている。
【００４７】
このような構成を有する成膜装置２２の全体の動作の制御、例えば各種ガスの供給開始と停止の制御、各ガスの流量制御、ウエハＷの温度制御、処理容器２４内の圧力制御等は、例えばコンピュータよりなる制御部９４によって行われる。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９６に記載されている。この記憶媒体９６は、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。
【００４８】
次に、以上のように構成された成膜装置２２を用いて行われる本発明の成膜方法について説明する。
まず、未処理の半導体ウエハＷは、図示しない例えばクラスタツール化された処理システムの共通搬送室より、搬送アームを用いて開放されたゲートバルブ９２及び搬入出口９０を介して、この処理容器２４内へ搬入される。このウエハＷは、サセプタ２６に設けたウエハ支持ピン８４を上昇させることにより、このウエハ支持ピン８４側に受け渡され、上記搬送アームを後退させた後に上記ウエハ支持ピン８４を降下させることによって上記ウエハＷはサセプタ２６上に載置されることになる。
【００４９】
この処理容器２４内は予め真空引きされており、上記ゲートバルブ９２を閉じることによって処理容器２４内を密閉する。上記半導体ウエハＷの表面には、図１４において説明したように、絶縁層２や凹部６が予め形成されており、その凹部６の底部に下層の配線層やトランジスタのソースやドレイン等の不純物拡散層となる導電層４が露出している。
【００５０】
そして、サセプタ２６に配置したヒータ３２を駆動してサセプタ２６上のウエハＷを所定の温度に昇温してその温度を維持する。これと同時に、ガス供給手段５６の各ガス源６０〜６８より必要な各ガスを流量制御しつつそれぞれ流し、これらの各ガスをガス混合部７０にて混合した後に混合ガス供給ライン５８を介してシャワーヘッド部４０のガス拡散室５２へ導入する。このガス拡散室５２内へ導入された混合ガスは、このガス拡散室５２内を平面方向へ拡散して多数の吐出孔５０より下方の処理空間Ｓに供給されることになる。
【００５１】
また、このガス供給と同時に、高周波電力供給手段７２を駆動してシャワーヘッド部４０よりなる上部電極とサセプタ２６に設けた下部電極３６との間に高周波電力を印加し、これにより処理空間ＳにＡｒガスを主体とするプラズマを発生させ、以下に説明する各種の処理を実行することになる。
【００５２】
まず、上記成膜装置２２を用いて行われる本発明の成膜方法は、凹部の内面を含む被処理体である半導体ウエハの表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いて上記チタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、上記凹部の内面を含む上記被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有する。
【００５３】
これを図２及び図３も参照して説明すると、まず、半導体ウエハＷの表面には図３（Ａ）に示すように、ＳｉＯ２ 等よりなる層間絶縁層等の絶縁層２に凹部６が前工程で予め形成されており、この凹部６の底部にＳｉを含む導電層４が露出している。そして、ステップＳ１に示すように、このウエハＷの表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜１００を形成するチタン膜形成工程を行う。上記チタン化合物ガスとしては例えばＴｉＣｌ４ ガスを用い、還元ガスとしては例えばＨ２ ガスを用いる。
【００５４】
このチタン膜形成工程は、後述するように例えばＳＦＤ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により行われる。また、この際、チタン膜１００と導電層４との境界部分ではチタンがシリサイド化してチタンシリサイド層１０２が形成される。
【００５５】
次に、ステップＳ２に示すように、窒化ガスを用いて上記チタン膜１００を全て窒化して第１の窒化チタン膜１０４を形成する窒化工程を行う。上記窒化ガスとしては例えばＮＨ３ ガスを用いる。
【００５６】
そして、ステップＳ３に示すように、上記ステップＳ１のチタン膜成膜工程とステップＳ２の窒化工程とを交互に所定の回数だけ繰り返す。この場合、繰り返し回数は”１”、或いは複数回でもよいが、繰り返し回数がゼロで、両ステップＳ１、Ｓ２を共に１回のみ行って（ワンパス）、次のステップへ移行するようにしてもよい。
【００５７】
次に、ステップＳ４に示すように、凹部６の内面を含むウエハＷの表面に第２の窒化チタン膜１０６を堆積させる。ここでは、後述するように、チタン化合物ガスと還元ガスと窒化ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で上記第２の窒化チタン膜１０６が形成される。これにより、上記第１と第２の窒化チタン膜１０４、１０６で構成されるバリヤ層１０８が形成されることになる。
【００５８】
このように、バリヤ層１０８を形成したならば、次にステップＳ５に示すように、ウエハＷの表面にタングステン膜１１０を形成して上記凹部６を埋め込むタングステン膜形成工程を行うことになる。
【００５９】
次に、上記各工程について詳しく説明する。
＜チタン膜形成工程と窒化工程＞
まず、チタン膜形成工程と窒化工程について説明する。ここでは図４に示すように、チタン膜形成工程と窒化工程とを交互に複数回繰り返し行う。すなわち、第１の窒化チタン膜１０４を形成するためには、薄いチタン膜１００を形成してこれを窒化する工程を何度か繰り返して第１の窒化チタン膜１０４を形成するプラズマＳＦＤ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。
【００６０】
このプラズマＳＦＤ法による第１の窒化チタン膜１０４の形成処理では、例えばチタン化合物ガスとアルゴンガスと水素ガスを同時期に供給しつつプラズマを生成して、薄いチタン膜１００を形成するチタン膜形成工程と、アンモニアガスとアルゴンガスと水素ガスを同時期に供給しつつプラズマを生成して、その薄いチタン膜１００の全てを窒化する窒化工程とを１サイクルとして、これを第１の窒化チタン膜１０４が所定の膜厚に達するまで複数回繰り返す。
【００６１】
具体的には、プロセス温度（ウエハ温度）を４００〜６５０℃の範囲内（請求項における第１の温度）、より好ましくは４００〜５６０℃の範囲内、例えば５５０℃に設定し、プロセス圧力を例えば５００〜８００Ｐａの範囲内、例えば６６７Ｐａに設定する。そして、期間Ｐ１１（ガス安定化）にて、四塩化チタンガス（チタン化合物ガス）と水素ガス（還元ガス）とアルゴンガスを供給する。このとき、四塩化チタンガスの流量を例えば１２ｓｃｃｍに調整し、水素ガスの流量を例えば４０００ｓｃｃｍに調整し、アルゴンガスの流量を例えば１６００ｓｃｃｍに調整する。なお、この期間Ｐ１１の主な目的は、次の期間Ｐ１２に先立って処理容器２４内の処理ガスを安定化させることにある。期間Ｐ１１の時間は例えば０〜５秒とする。
【００６２】
次に、期間Ｐ１２にて、四塩化チタンガス、水素ガス、およびアルゴンガスを、期間Ｐ１１から同じ流量で継続して供給したまま、シャワーヘッド部（上部電極）４０に例えば８００Ｗの高周波電力を印加してプラズマを形成する。これによって、チタン膜１００が堆積する。このチタン膜１００のチタンは、下層の導電層４との境界部分でシリコンと反応してシリサイド化する。期間Ｐ１２の時間は例えば４秒とする。
【００６３】
続いて、期間Ｐ１２の状態から四塩化チタンガスの供給を停止して期間Ｐ１３へ移行する。この期間Ｐ１３では、水素ガスとアルゴンガスを期間Ｐ１２と同じ流量で供給し、これらをプラズマ化する。これによって、先の期間Ｐ１２にて堆積したチタン膜１００がプラズマアニールされる。期間Ｐ１３の時間は例えば５秒とする。
【００６４】
次いで、期間Ｐ１３の状態からプラズマを消して期間Ｐ１４に移行する。この期間Ｐ１４は、次の期間Ｐ１５が開始されるまでの待ち時間であり、この時間は例えば１秒とする。以上の期間Ｐ１１〜Ｐ１４の処理を実行することで、極めて薄いチタン膜１００が形成される。なお，期間Ｐ１１〜Ｐ１４では、アルゴンガスを導入しないようにしてもよい。
【００６５】
次に、期間Ｐ１５にて、期間Ｐ１１〜Ｐ１４の処理によって形成されたチタン膜１００を全て窒化し、極めて薄い第１の窒化チタン膜１０４を形成する。ここでは、水素ガス、アルゴンガス、およびアンモニアガス（窒素化合物ガス）を供給するとともに、シャワーヘッド部（上部電極）４０に例えば８００Ｗの高周波電力を印加してプラズマを再び形成する。このとき水素ガスの流量を例えば２０００ｓｃｃｍに調整し、アルゴンガスの流量を例えば１６００ｓｃｃｍに調整し、アンモニアガスの流量を例えば１５００ｓｃｃｍに調整する。期間Ｐ１５の時間は例えば５秒とする。
【００６６】
次の期間Ｐ１６ではプラズマを消すとともに、アンモニアガスの供給を止める。水素ガスとアルゴンガスについては、期間Ｐ１５のときと同じ流量に調整し、これらのガスによって処理容器２４内に残留しているアンモニアガスをパージする。これによって、次のサイクルの期間Ｐ１１において、処理容器２４内に供給される四塩化チタンガスが残留アンモニアガスと混合してしまうことが防止され、より良質な第１の窒化チタン膜を形成することができる。この期間Ｐ１６の時間は例えば２秒とする。
【００６７】
以上の期間Ｐ１１〜Ｐ１６の各処理を１サイクルとして、第１の窒化チタン膜１０４が所定の膜厚１〜１５ｎｍの範囲内、例えば１０ｎｍに達するまで同サイクルを繰り返す。このようにして、図３（Ｃ）に示すように、所定の厚さの第１の窒化チタン１０４が形成される。尚、ここでは成膜のためにプラズマＳＦＤ法を用いたが、これに替えて、特開２００４−２３２０８０号公報に示されているようなプラズマＣＶＤ法を用いて、すなわち図４におけるＰ１２（チタン膜成膜）とＰ１３（プラズマアニール）からなるサイクルを１回あるいは複数回繰り返し、例えば１０ｎｍの膜厚のチタン膜を形成し、この後に図４におけるＰ１５（窒化処理）によりこのチタン膜の全てをプラズマによって窒化する方法を採用してもよい。
【００６８】
＜窒化チタン膜堆積工程＞
次に、図３（Ｄ）に示すように第２の窒化チタン膜１０６を形成する。この第２の窒化チタン膜１０６を形成する理由は、上記第１の窒化チタン膜１０４の膜厚だけでは、後工程で用いる六フッ化タングステンに起因するフッ素ガス成分に対するバリヤ性が不十分であり、また、プラズマＳＦＤ法でバリヤ性が十分な膜厚まで第１の窒化チタン膜を形成するにはこのプラズマＳＦＤ法の成膜レートが非常に小さいので、スループットが大幅に低下してしまう、といった理由からである。
【００６９】
この第２の窒化チタン膜堆積工程で重要な点は、後工程で凹部６に対するタングステンの埋め込み量を十分に確保するために、いかに凹部６の側面に対する成膜を抑制しつつ凹部６の底面への成膜を行うか、という点である。換言すれば、図３（Ｄ）において、凹部６内の第２の窒化チタン膜１０６に関して、凹部６内の側壁の厚さＴ１はできるだけ薄くし、且つ底面の厚さＴ２はできるだけ厚くすることが必要となる。特に、更なる微細化傾向により、凹部６の穴径が６０ｎｍ以下になると、凹部６内の表面への成膜のコントロールが重要となる。
【００７０】
本発明では、この窒化チタン膜堆積工程におけるＮ２ ガスの流量を最適化させることにより、上記目的を達成しようとするものである。具体的には、ここではチタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いており、チタン化合物ガスとしては例えばＴｉＣｌ４ ガスを用い、還元ガスとしては例えばＨ２ ガスを用い、プラズマ安定用ガスとしては例えばＡｒガスを用いている。そして、上記４種類のガスを同時に処理容器２４内へ供給すると共に、高周波電力をシャワーヘッド部４０に印加してプラズマを発生させ、これによって各ガスの活性種を発生させてウエハＷの凹部６内の表面を含むウエハ表面全体に第２の窒化チタン膜をプラズマＣＶＤ処理によって形成する。
【００７１】
この場合、各ガスの流量、特にＮ２ ガスの流量を最適化するように制御し、且つプラズマ形成用の投入する高周波電力等も制御することにより、凹部６の側壁への成膜を抑制しつつ凹部６の底部への成膜を促進させる。尚、この場合、ウエハＷの絶縁層２の上面にも窒化チタン膜が堆積するのは勿論である。
【００７２】
本発明者等は、凹部６内の表面に対する窒化チタンの成膜状態は、主に四塩化チタンとＮ２ の各ガス流量及び投入する高周波電力に大きく依存することを見い出し、これらを最適化するようにしている。
【００７３】
まず、図５を参照して第２の窒化チタン膜を堆積する場合において、高周波電力（ＲＦ電力）を一定にした時のＮ２ ガス流量とＴｉＣｌ４ ガス流量との関係を説明する。図５において、横軸にはＮ２ ガス流量をとり、縦軸には膜厚をとっている。そして、ＴｉＣｌ４ ガスは８ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍまで変化させている。この時のＲＦ電力は８００Ｗ（ワット）で一定である。また、ここではウエハ直径が３００ｍｍに対応する処理容器を用いており、この容積は７０６．５ｃｍ３であり、この点はこれ以降に説明する各グラフにおいても同じである。
【００７４】
このグラフから明らかなように、Ｎ２ ガス流量に対して、膜厚はピーク値を有しており、しかもそのピーク値はＴｉＣｌ４ ガス流量に依存して左右方向へ移動している。例えばＴｉＣｌ４ ガス流量が８ｓｃｃｍの時のピークＫ１はＮ２ ガス流量が１００ｓｃｃｍ程度の時であり、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のピークＫ２はＮ２ ガス流量が２００ｓｃｃｍ程度の時であり、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１６ｓｃｃｍの時のピークＫ３はＮ２ ガス流量が３８０ｓｃｃｍ程度の時であり、ＴｉＣｌ４ ガス流量が２０ｓｃｃｍの時のピークＫ４はＮ２ ガス流量が４００ｓｃｃｍ程度の時である。
【００７５】
ここで、ウエハの凹部６内の表面の膜厚状態を電子顕微鏡写真で確認したところ、各ＴｉＣｌ４ ガス流量におけるピークＫ１〜Ｋ４よりもそれぞれの左側の領域の堆積状態が、それぞれの右側の領域と比較して非常に良好であった。すなわち、各ピークＫ１〜Ｋ４よりもそれぞれの左側の領域では、凹部６内の側面への堆積を抑制しつつ底面への堆積を促進させることができることが判った。
【００７６】
次に、図６を参照して第２の窒化チタン膜を堆積する場合において、Ｎ２ ガス流量とＲＦ電力とＴｉＣｌ４ ガス流量とが膜厚のピークの変動に与える影響について説明する。図６において、横軸はＮ２ ガス流量をとり、縦軸に膜厚をとっており、ＲＦ電力は４００Ｗ〜１２００Ｗまで変化させている。また、ＴｉＣｌ４ ガスの流量に関して、図６（Ａ）は２０ｓｃｃｍの場合を示し、図６（Ｂ）は１２ｓｃｃｍの場合を示し、図６（Ｃ）は６ｓｃｃｍの場合を示している。
【００７７】
ここで図６（Ａ）におけるＲＦ電力４００Ｗ、８００Ｗ、１２００Ｗの各曲線のピークをそれぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３とし、図６（Ｂ）におけるＲＦ電力４００Ｗ、８００Ｗ、１２００Ｗの各曲線のピークをそれぞれＮ１、Ｎ２、Ｎ３とし、図６（Ｃ）におけるＲＦ電力４００Ｗ、８００Ｗ、１２００Ｗの各曲線のピークをそれぞれＯ１、Ｏ２、Ｏ３とする。
【００７８】
この図６から明らかなように、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が一定の場合には、膜厚のピークは、ＲＦ電力が小さい程、右側へシフトしている。従って、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が一定の場合には、ＲＦ電力が小さい程、膜厚のピークはＮ２ ガス流量が多い方向へシフトしており、ＲＦ電力が大きい程、膜厚のピークはＮ２ ガス流量が少ない方向へシフトしている。この点は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の各グラフにおいて共通である。そして、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が少なくなる程、各グラフのピークは左側へシフトしていることが判る（図６（Ｃ）参照）。
【００７９】
ここでウエハの凹部６内の表面の膜厚状態を電子顕微鏡で確認したところ、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の各グラフの各ＴｉＣｌ４ ガス流量において、ピークＭ１〜Ｍ３、Ｎ１〜Ｎ３、Ｏ１〜Ｏ３よりも左側の領域における堆積状態が、右側の領域と比較して非常に良好であった。この点は、図５の場合と同様である。そして、上記図６における各ピークを連ねることによって形成される曲線のグラフを求めたので、その結果を図７に示す。図７は第２の窒化チタン膜を堆積する時の高周波電力に対するＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【００８０】
図７において、横軸には高周波電力（ＲＦ電力）：Ｘ１ をとっており、縦軸にはＮ２ ガス流量：Ｙ１ をとっている。図７に示すように、図６中の各ピークＭ１〜Ｍ３、Ｎ１〜Ｎ３、Ｏ１〜Ｏ３がＴｉＣｌ４ ガスの流量毎にプロットされており、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が異なる３本の曲線で表されている。そして、図６中の各ピークよりも左側の堆積状態の良好な領域が図７中で表される各曲線の下方の領域となる。すなわち、窒素ガスの流量Ｙ１ と、プラズマを生成するために投入する高周波電力Ｘ１ との関係が、チタン化合物ガスの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように上記流量Ｙ１ と上記高周波電力Ｘ１ とが設定されている。
【００８１】
ここで高周波電力の下限は２００Ｗであり、これよりも高周波電力が小さくなると、プラズマを安定的に形成して維持することが困難になってしまう。また、ＴｉＣｌ４ ガスの流量の下限は１ｓｃｃｍであり、この流量が１ｓｃｃｍよりも少なくなると、実質的に窒化チタン膜の成膜が困難になってしまう。特に、実質的な成膜レートを考慮した場合、このＴｉＣｌ４ ガスの流量は、４ｓｃｃｍ以上に設定するのが好ましい。また、Ｎ２ ガスの流量は上記ＴｉＣｌ４ ガスよりも遥かに多量に流すが、その下限は堆積されるＴｉＮ膜の組成を考慮するとＴｉＣｌ４ ガスと同じ１ｓｃｃｍであり、この場合も実質的な成膜レートを考慮した場合、４ｓｃｃｍ以上に設定するのが好ましい。
【００８２】
そして、上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が２０ｓｃｃｍの時に定まる窒素ガスの流量Ｙ１ と、高周波電力Ｘ１ との関係式は以下の数１のようになり、この数１を満たすように上記流量Ｙ１ と高周波電力Ｘ１ とが設定される。
【００８３】
Ｙ１ ≦７．６２・１０−４・Ｘ１ ２ −２．３７・Ｘ１ ＋２．０２・１０３ …（数１）
【００８４】
実際的には、上記数１で表される曲線の下方の領域が最適範囲であり、この領域内に納まるように上記高周波電力Ｘ１ とＮ２ ガス流量Ｙ１ とが設定される。そして図７から明らかなように、数１で示される領域内にＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時に定まる最適範囲、及びＴｉＣｌ４ ガス流量が６ｓｃｃｍの時に定まる最適範囲も含まれることとなり、数１で示される領域は、ＴｉＣｌ４ ガス流量が２０ｓｃｃｍ以下の時に定まる最適範囲を示していることになる。
【００８５】
また、上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時に定まる窒素ガスの流量Ｙ１ と、高周波電力Ｘ１ との関係式は以下の数１−２のようになり、この数１−２を満たすように上記流量Ｙ１ と高周波電力Ｘ１ とが設定される。
【００８６】
Ｙ１ ≦３．１３・１０−４・Ｘ１ ２ −１．１３・Ｘ１ ＋１０３ …（数１−２）
【００８７】
実際的には、上記数１−２で表される曲線の下方の領域が最適範囲であり、この領域内に納まるように上記高周波電力Ｘ１ とＮ２ ガス流量Ｙ１ とが設定される。
【００８８】
また、上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が６ｓｃｃｍの時に定まる窒素ガスの流量Ｙ１ と、高周波電力Ｘ１ との関係式は以下の数１−３のようになり、この数１−３を満たすように上記流量Ｙ１ と高周波電力Ｘ１ とが設定される。
【００８９】
Ｙ１ ≦３．１３・１０−４・Ｘ１ ２ −８．７５・１０−１・Ｘ１ ＋６・１０２ …（数１−３）
【００９０】
実際的には、上記数１−３で表される曲線の下方の領域が最適範囲であり、この領域内に納まるように上記高周波電力Ｘ１ とＮ２ ガス流量Ｙ１ とが設定される。
【００９１】
ここでは３本の曲線を一例として示したが、実際にはＴｉＣｌ４ ガスの例えば流量毎に多数の上述したような曲線が実験的に予め定まっており、プロセス条件の際に上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が定まったならば、当該ＴｉＣｌ４ ガス流量に対応する曲線（関係式）が図７に示すように予め定まっているので、その曲線よりも下方の流域の範囲に適合するように上記高周波電力Ｘ１ やＮ２ ガス流量Ｙ１ をそれぞれ定めることになる。これにより、ＴｉＣｌ４ガスの任意の設定値に対応 できることになる。
【００９２】
例えばＴｉＣｌ４ ガスの流量を２０ｓｃｃｍに設定した場合には、図７中の斜線で示された領域に対応するように上記高周波電力Ｘ１ やＮ２ ガス流量Ｙ１ をそれぞれ定めることになる。このように高周波電力Ｘ１ やＮ２ ガス流量Ｙ１ を定めることにより、第２のチタン窒化膜１０６の堆積状態を良好にすることができる。尚、この時のプロセス温度は例えば４００〜６５０℃程度の範囲内であり、より好ましくは４５０〜５５０℃程度の範囲内であり、またプロセス圧力は５００〜８００Ｐａ程度の範囲内であり、より好ましくは５００〜７００Ｐａ程度の範囲内である。
【００９３】
また、図７に示す場合では、最適な範囲を成膜装置のプロセス条件の全体（全体として流れるＴｉＣｌ４ ガスの流量）を基準として定めたが、これに限定されず、被処理体である半導体ウエハＷの単位面積当りの値に換算して定めるようにしてもよい。図８は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対する被処理体の単位面積当りのＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【００９４】
図８において横軸にはウエハの単位面積当りの高周波電力をとり、縦軸にはウエハ単位面積当りのＮ２ ガス流量をとっている。すなわち、ここでは窒素ガスの上記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ と、プラズマを形成するために投入する上記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ２ との関係が、上記チタン化合物ガスの上記被処理体の単位面積当りの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように上記流量Ｙ２ と上記高周波電力Ｘ２ とが設定されている。
【００９５】
まず、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （２０ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は以下の数２のようになる。
【００９６】
Ｙ２ ≦５．３９・１０−１・Ｘ２ ２ −２．３７・Ｘ２ ＋２．８６ …（数２）
そして図８から明らかなように、数２で示される領域内に、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が１．６９９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （１２ｓｃｃｍ対応）および０．８４９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる最適範囲も含まれることとなり、数２で示される領域は、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ 以下の時に定まる最適範囲を示していることになる。また、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が１．６９９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （１２ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は以下の数２−２のようになる。
【００９７】
Ｙ２ ≦２．２１・１０−１・Ｘ２ ２ −１．１３・Ｘ２ ＋１．４２…（数２−２）
また、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が０．８４９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は以下の数２−３のようになる。
【００９８】
Ｙ２ ≦２．２１・１０−１・Ｘ２ ２ −８．７６・１０−１Ｘ２ ＋０．８４９…（数２−３）
この時にウエハの単位面積当りのＮ２ ガス流量及びＴｉＣｌ４ ガス流量の下限は、それぞれ１．４１５・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （１ｓｃｃｍ対応）であり、好ましくは５．６６２・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （４ｓｃｃｍ対応）である。
【００９９】
また図８では半導体ウエハＷの単位面積当りの値に換算して示しているが、これに限定されず、各ガスを分圧に換算して定めるようにしてもよい。図９は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対するＮ２ ガスの分圧の最適な範囲を説明するための説明図である。
【０１００】
図９において横軸にはウエハ単位面積当りの高周波電力をとり、縦軸にはＮ２ ガス分圧をとっている。尚、Ａｒガス流量は１６００ｓｃｃｍ、Ｈ２ ガス流量は４０００ｓｃｃｍ、プロセス圧力は６６７Ｐａである。すなわち、ここでは上記窒素ガスの分圧Ｙ３ と、プラズマを生成するために投入する上記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ３ との関係が、上記チタン化合物ガスの分圧に依存して定まる所定の関係式を満たすように上記分圧Ｙ３ と上記高周波電力Ｘ３ とが設定されている。
【０１０１】
まず、ＴｉＣｌ４ の分圧が２．３７Ｐａ（２０ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は、以下の数３のようになる。
【０１０２】
Ｙ３ ≦２８．９・Ｘ３ ２ −１４０・Ｘ３ ＋１８７…（数３）
【０１０３】
そして図９から明らかなように、数３で示される領域内にＴｉＣｌ４ の分圧が１．４３Ｐａ（１２ｓｃｃｍ対応）および０．７１Ｐａ（６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる最適範囲も含まれることとなり、数３で示される領域は、ＴｉＣｌ４ の分圧が２．３７Ｐａ以下の時に定まる最適範囲を示していることになる。
また、ＴｉＣｌ４ の分圧が１．４３Ｐａ（１２ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は、以下の数３−２のようになる。
Ｙ３ ≦１３．１・Ｘ３ ２ −７６．３Ｘ３ ＋１０３…（数３−２）
また、ＴｉＣｌ４ の分圧が０．７１Ｐａ（６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は、以下の数３−３のようになる。
【０１０４】
Ｙ３ ≦１６．４・Ｘ３ ２ −６７．１・Ｘ３ ＋６６．６…（数３−３）
この時にＮ２ ガス及びＴｉＣｌ４ ガスの各分圧の下限はそれぞれ０．１２Ｐａ（１ｓｃｃｍ対応）であり、好ましくは０．４８Ｐａ（４ｓｃｃｍ対応）である。
【０１０５】
［第２の窒化チタン膜の堆積状態の評価］
ここで、本発明方法を用いて第２の窒化チタン膜を実際に成膜した時の凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を検査したので、その評価結果について説明する。図１０はＲＦ電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のＮ２ ガス流量と膜厚との関係を取り出して示したグラフであり、ここではＮ２ ガス流量を１〜１０００ｓｃｃｍまで種々変化させて第２の窒化チタン膜を堆積している。このグラフは図６（Ｂ）中の高周波電力が８００Ｗの時の特性と同じグラフである。従って、そのプロセス条件は、高周波電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍ、プロセス温度が５５０℃、凹部６の直径が６０ｎｍである。
【０１０６】
図１０に示すように、Ｎ２ ガス流量を１ｓｃｃｍから増加すると、膜厚は順次増加して行き、そして、Ｎ２ ガス流量が３００ｓｃｃｍ程度のところで膜厚はピークＮ２となる。更にＮ２ ガス流量を増加して行くと、今度は膜厚は次第に減少して行く。ここで上記ピークＮ２を含まないでこのピークＮ２から右側の領域をモード１と称し、ピークＮ２を含んでこのピークＮ２から左側の領域をモード２と称す。上記モード２の領域は先に説明していたように第２の窒化チタン膜の堆積状態が良好になる領域である。
【０１０７】
そして、モード１の領域を代表してポイントＡ１（Ｎ２ ＝１０００ｓｃｃｍ）の部分と、モード２の領域を代表してポイントＡ２（Ｎ２ ＝１００ｓｃｃｍ）の部分の堆積状態をそれぞれ調べたので、その結果を図１１に示す。
【０１０８】
図１１は凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を示す電子顕微鏡写真である。ここで図１１（Ａ）はモード１（ポイントＡ１）を示し、図１１（Ｂ）はモード２（ポイントＡ２）を示す。図１１において凹部の断面を示す写真の下部に、凹部の底面付近の拡大写真を併せて示している。堆積時間に関しては、モード１の場合は７０ｓｅｃであり、モード２の場合は２８ｓｅｃである。この結果、モード１の場合はモード２の場合よりも堆積時間が長いにもかかわらず、凹部の底面に堆積している窒化チタン膜（第２の窒化チタン膜）の厚さは略ゼロであるので、ボトムカバレジは０％（絶縁層の上面に堆積する窒化チタン膜厚に対する凹部底面に堆積する窒化チタン膜厚）であり、好ましくない結果が得られた。
【０１０９】
これに対して、モード２の場合は、堆積時間が短いにもかかわらず、凹部底面に十分に窒化チタン膜（第２の窒化チタン膜）が堆積してボトムカバレジも３０％程度に達し、好ましい結果を得ることができた。また、このモード２の場合には凹部内の側壁には非常に薄く僅かに窒化チタン膜が堆積している程度であり、この点からもモード２における堆積状態は良好であることを確認することができた。
【０１１０】
次に、上記モード１と堆積状態が良好になるモード２の時に生ずる反応形態の相異を模式的に説明する。図１２は第２の窒化チタン膜を堆積する時のＮ２ ガス流量が多い場合と少ない場合に生ずる反応の形態を模式的に示す図である。ここでＮ２ ガス流量が多い場合はモード１を示し、Ｎ２ ガス流量が少ない場合はモード２を示している。また図１２中の右側には、凹部内に侵入するガスの状態が模式的に併記されている。
【０１１１】
図１２（Ａ）に示すように、モード１の場合は、供給されるＮ２ ガスが多いことから、このＮ２ ガスと還元ガスとして供給されているＨ２ ガスとがプラズマにより活性化されて両者が反応して活性種であるＨ*、Ｎ*、ＮＨ＊ （＊は活性種 を示す）が多量に発生し、このＨ*、Ｎ*、ＮＨ＊ がウエハ表面に吸着すること になる。そして、このウエハ表面上に吸着したＨ*、Ｎ*、ＮＨ＊ にＴｉＣｌ４ をプラズマにより分解することにより発生したＴｉＣｌｘ（Ｘ：１〜３）が反応してこれを還元し、この結果、ＨＣｌが発生すると共に、ウエハ表面にＴｉＮ膜が堆積することになる。
【０１１２】
このような反応形態において、ウエハＷの凹部６内の表面には上述のように活性種であるＮＨ＊ が付着しているが、上記ＴｉＣｌｘは凹部６の開口付近で多く消費されてしまい、凹部６の底部まで十分に届かない状態が生ずる。この結果、モード１の場合には凹部６内の底面にはＴｉＮ膜が十分に堆積しない状態が生ずる。
【０１１３】
これに対して、図１２（Ｂ）に示すように、モード２の場合は、供給されるＮ２ ガスが少ないことから、ＴｉＣｌ４ をプラズマにより分解することにより発生したＴｉＣｌｘ（Ｘ：１〜３）がモード１の場合に比べて多くなり、このＴｉＣｌｘがウエハ表面に吸着することになる。そして、このウエハ表面に吸着したＴｉＣｌｘは、Ｎ２ 及びＨ２ をプラズマにより活性化させることにより発生したＮ＊ 、Ｈ＊ 、ＮＨ＊ と反応してこれを還元し、この結果、ＨＣｌが発生すると共に、ウエハ表面にＴｉＮ膜が堆積することになる。
【０１１４】
このような反応形態において、ウエハＷの凹部６内の表面には上述のようにＴｉＣｌｘが付着しているが、Ｎ＊ 、Ｈ＊ 、ＮＨ＊ はＴｉＣｌｘよりも相対的に多いので、Ｎ＊ 、Ｈ＊ 、ＮＨ＊ は凹部６の開口付近で消費されても十分に残存していることになって凹部６の底部まで十分に届き、この凹部６の底面上にＴｉＮ膜を十分に堆積させることができることになる。
【０１１５】
このように、本発明によれば、表面に凹部６が形成されている被処理体、例えば半導体ウエハＷの表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部６の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜１０４を形成する窒化工程と、凹部６の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜１０６を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有するようにしたので、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が凹部６の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部６の底部に効率的に堆積させることができる。
【０１１６】
＜タングステン膜成膜工程＞
次に、タングステン膜成膜工程について説明する。上述のように第１の窒化チタン膜１０４と第２の窒化チタン膜１０６とを形成することによりバリヤ層１０８を形成したならば、次に、凹部６を埋め込むためのタングステン膜を形成する。図１３はタングステン膜を成膜する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【０１１７】
このタングステン膜を形成するには、上記ウエハＷを図示しない別のタングステン用の成膜装置へ移載する。このタングステン膜を成膜するには図１に示す成膜装置と同様で、別途設けた熱ＣＶＤ装置等を用いればよい。ここではタングステン含有ガスと還元ガスであるモノシランガスと交互に繰り返し供給して成膜を行うＳＦＤ法を用いるのが好ましい。
【０１１８】
ただし、このときのウエハ温度（プロセス温度）については、従来の一般的な熱ＣＶＤ処理におけるプロセス温度４００〜４５０℃程度よりも低い２５０〜３５０℃程度に調整する。また、プロセス圧力については、１００〜１０００Ｐａ程度に調整する。そして、期間Ｐ２１にて、熱ＣＶＤ装置内に六フッ化タングステンガスを供給する。このとき、六フッ化タングステンガスの流量を１０〜３０ｓｃｃｍに調整する。また、この期間Ｐ２１では、上記六フッ化タングステンガスとともにアルゴンガスまたは窒素ガスをキャリアガスとして供給する。期間Ｐ２１の時間は例えば０．５〜５秒とする。
【０１１９】
次に、期間Ｐ２１の状態から六フッ化タングステンガスの供給を停止して期間Ｐ２２に移行する。この期間Ｐ２２は、次の期間Ｐ２３が開始されるまでの待ち時間であり、この時間は例えば０．５〜３．０秒とする。この期間Ｐ２２では、熱ＣＶＤ装置内に、アルゴンガスまたは窒素ガスをパージガスとして供給し続けることが好ましい。
【０１２０】
続いて、期間Ｐ２３にて、モノシランガスを供給する。このとき、モノシランガスの流量を５０〜１００ｓｃｃｍに調整する。また，この期間Ｐ２３では、上記モノシランガスとともにアルゴンガスまたは窒素ガスをキャリアガスとして供給する。期間Ｐ２３の時間は例えば０．５〜５秒とする。なお、還元ガスとしては、このモノシランガスに代えて、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスなどを用いることができる。
【０１２１】
次いで、期間Ｐ２３の状態からモノシランガスの供給を停止して期間Ｐ２４に移行する。この期間Ｐ２４は、次のサイクルの期間Ｐ２１が開始されるまでの待ち時間であり、この時間は例えば０．５〜３．０秒とする。この期間Ｐ２４では、熱ＣＶＤ装置内に、アルゴンガスまたは窒素ガスをパージガスとして供給し続けることが好ましい。
【０１２２】
以上の期間Ｐ２１〜Ｐ２４の処理を実行することで、極めて薄いタングステン膜が形成される。そして，期間Ｐ２１〜Ｐ２４の処理を１サイクルとして、タングステン膜１１０（図３（Ｅ）参照）が所定の膜厚に達し、凹部６内がタングステンで埋められるまで同サイクルを繰り返す。
【０１２３】
このように、本実施形態にかかるＳＦＤタングステン膜形成処理によれば、六フッ化タングステンガスとモノシランガスを交互に繰り返し供給して、極めて薄いタングステン膜を積層させるようにしてタングステン膜１１０を形成する。したがって、従来の一般的な熱ＣＶＤ処理時のプロセス温度４００〜４５０℃よりも遥かに低い２５０〜３５０℃であっても、特性の良好なタングステン膜１１０を形成することができる。
【０１２４】
ところで、ＳＦＤタングステン膜形成処理によれば、上述のように１サイクルで堆積するタングステンの量は極めて少ないため、例えば２００〜３００ｎｍの厚さのタングステン膜を形成しようとすると、かなり長いプロセス時間が必要となり、スループットが低下してしまう。そこで、このスループット低下を防止するために、上記のＳＦＤタングステン膜形成処理の後に、高い成膜レートが得られる第２のタングステン膜形成処理を行うようにしてもよい。
【０１２５】
この第２のタングステン膜形成処理では、例えば、プロセス温度を４００〜４５０℃程度まで上昇させ、プロセス圧力を２０００〜２００００Ｐａ程度に調整する。また、還元ガスとしてのモノシランガスを水素ガスに切り換え、キャリアガスとともにこの水素ガスと六フッ化タングステンガスとを同時にかつ連続的に供給する。このとき、水素ガスの流量を例えば３００〜３０００ｓｃｃｍ程度とし、六フッ化タングステンガスの流量を３０〜３００ｓｃｃｍ程度に調整する。このようなプロセスレシピを用いることによって、高い成膜レート、例えば１０００〜５０００Å／ｍｉｎでタングステン膜１１０を形成することができる。
【０１２６】
以上のように、本実施形態にかかる成膜処理によれば、チタン膜成膜工程によって、薄いチタン膜１００を形成し、これを窒化工程にて窒化することによって例えば１０ｎｍの厚さの別の窒化チタン膜１０４を形成する。このとき、チタン膜が薄いために、チタン膜を残すことなくそのすべてを確実に窒化することができる。このように、本実施形態によれば、タングステン膜１１０を形成するために用いられる六フッ化タングステンガスに含まれるフッ素と活発に反応するおそれのあるチタン膜が第１の窒化チタン膜１０４の下に存在しなくなるため、第２の窒化チタン膜１０６とタングステン膜１１０がこれらの下地層から剥離することを防止することができる。
【０１２７】
更に、本実施形態では、窒化チタン膜堆積工程にて上記第１の窒化チタン膜１０４上に第２の窒化チタン膜１０６を形成するようにしたので、バリヤ機能を十分に発揮することができ、この結果、この後工程であるタングステン膜形成工程で用いられる六フッ化タングステンのフッ素による拡散を防止することができる。
【０１２８】
またこの第２の窒化チタン膜１０６を堆積する際、Ｎ２ ガス量とプラズマ発生用の高周波電力とＴｉＣｌ４ ガス量との関係を最適化するようにしたので、例えば直径が６０ｎｍ以下の微細な凹部（ホール）内であっても、その凹部内の側壁への成膜を抑制しつつ、底面側には十分に窒化チタン膜を成膜することができ、凹部内が閉塞されることを防止することができる。
【０１２９】
このため、後工程のタングステン膜形成工程で上記凹部内に十分にタングステン膜を堆積させることができ、このコンタクト抵抗（プラグ抵抗）等を小さくすることができる。上記実施形態では、チタン膜成膜工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とを同一の成膜装置内で連続的に行うようにしたので、スループットを向上させることができる。
【０１３０】
尚、上記実施形態では、プラズマ安定用ガスとしてＡｒガスを用いたが、これに限定されず、Ｈｅ等の他の希ガスを用いてもよい。また、上記実施形態では、チタン膜成膜工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とを同一の成膜装置内で連続的に行うようにしたが、これに限定されず、窒化チタン膜堆積工程を別途設けた別の成膜装置で行うようにしてもよい。
【０１３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明に係る成膜装置の一例を示す断面構成図である。
【図２】本発明の成膜方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明方法により被処理体の表面に形成される薄膜の状態を説明するための説明図である。
【図４】第１の窒化チタン膜の形成時の各ガスの供給状態を示すタイミングチャートである。
【図５】第２の窒化チタン膜を堆積する場合においてＲＦ電力（高周波電力）を一定にした時のＮ２ ガス流量とＴｉＣｌ４ ガス流量との関係を説明する説明図である。
【図６】第２の窒化チタン膜を形成する場合においてＮ２ ガス流量とＲＦ電力とＴｉＣｌ４ ガス流量とが膜厚のピークの変動に与える影響を説明するための説明図である。
【図７】第２の窒化チタン膜を堆積する時の高周波電力に対するＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【図８】第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対する被処理体の単位面積当りのＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【図９】第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対するＮ２ ガスの分圧の最適な範囲を説明するための説明図である。
【図１０】ＲＦ電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のＮ２ ガス流量と膜厚との関係を取り出して示したグラフである。
【図１１】凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図１２】第２の窒化チタン膜を堆積する時のＮ２ ガス流量が多い場合と少ない場合に生ずる反応の形態を模式的に示す図である。
【図１３】タングステン膜を成膜する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図１４】半導体ウエハにおける一般的なコンタクト構造を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
２ 絶縁層
４ 導電層
６ 凹部
２２ 成膜装置
２４ 処理容器
２６ サセプタ（載置台）
３２ ヒータ（加熱手段）
３６ 下部電極
４０ シャワーヘッド部
５６ ガス供給手段
６０ ＴｉＣｌ４ ガス供給源
６２ Ａｒガス供給源
６４ Ｈ２ ガス供給源
６６ ＮＨ３ ガス供給源
６８ Ｎ２ ガス供給源
７２ 高周波電力供給手段
９４ 制御部
９８ 記憶媒体
１００ チタン膜
１０２ チタンシリサイド層
１０４ 第１の窒化チタン膜
１０６ 第２の窒化チタン膜
１０８ バリヤ層
１１０ タングステン膜
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板等の半導体ウエハの表面に、バリヤ層等の薄膜を形成するための薄膜の成膜方法及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＣ等の半導体デバイスを形成するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、酸化拡散処理、エッチング処理、改質処理等の各種の処理が繰り返し施される。
【０００３】
高集積化や高密度化が進んだ近年の半導体デバイスは，複数の配線層から成る、いわゆる多層配線構造を有している。このような半導体デバイスにおいては、良好な電気的特性を得るためにも、シリコン基板と配線層とを電気的に接続するためのコンタクトホールや上側配線層と下側配線層とを電気的に接続するためのビアホールに対する金属の埋め込み技術がより重要となってきている。特に近年では、埋め込み性能がより高いなどの理由から、コンタクトホールやビアホール等の凹部には、主としてＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってタングステンが埋め込まれる傾向にある。
【０００４】
上記タングステンが埋め込まれたシリコン基板等の半導体ウエハにおける一般的なコンタクト構造を図１４に示す。図１４（Ａ）に示すように、このようなコンタクト構造を得るためには例えば、まずシリコン基板等よりなる半導体ウエハＷ上の絶縁膜２のうち、シリコンが含まれる導電層４に対応する領域をエッチングしてホール等の凹部６を形成する。この導電層４が下層の配線層やトランジスタのソースやドレイン等を構成する不純物拡散層となる。
【０００５】
そして、上記凹部６内にタングステンを埋め込むことになるが、この場合、タングステン膜の密着性や凹部６の電気的特性などを向上させるため、タングステン膜の成膜に先立って凹部６の表面を含むウエハ表面全体に、チタン膜８と窒化チタン膜１０とを順に形成してから、その上にタングステン膜１２を形成する。
【０００６】
従来、これらの各成膜工程は、複数の処理装置で行うようになっていた。例えば先ず、第１の処理装置で例えば四塩化チタン（以下「ＴｉＣｌ４ 」とも称す）ガスと水素（以下「Ｈ２ 」とも称す）ガスとを用いてプラズマＣＶＤ法等により、凹部６内を含めてウエハＷの表面全体にチタン膜８を形成する。このとき、導電層４の表面には、導電層４中のシリコンとチタンとは反応してチタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ ）層１４が形成される。
【０００７】
続いて、このウエハＷを第２の処理装置へ搬送して、例えば四塩化チタンガスとアンモニア（以下「ＮＨ３ 」とも称す）ガスとを用いて熱ＣＶＤ法により、窒化チタン膜１０を形成する。そして、このウエハＷを第３の処理装置へ搬送して、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）ガスと水素ガスとの両方又は一方のガスと六フ ッ化タングステン（以下「ＷＦ６ 」とも称す）ガスを用いて熱ＣＶＤ法によりタングステン膜１２を形成する。これによって、凹部６内にはタングステンが埋め込まれる。
【０００８】
このようなタングステン膜１２を形成する際に用いられる六フッ化タングステンガスは、チタンなどの金属と高い反応性を示すフッ素（Ｆ）を含むため、もし窒化チタン膜１０を形成せずに、チタン膜８上に直接的にタングステン膜１２を形成すると、このチタン膜８がフッ素によりエッチングされてしまう。つまり、タングステン膜１２とチタン膜８との間に形成される窒化チタン膜１０は、タングステン膜１２の形成工程におけるフッ素の拡散を防止するバリヤ層として機能するものであり、これによって、チタン膜８はフッ素の侵入を受けることなく良好な状態に保たれる。
【０００９】
このような理由により、従来、チタン膜８上には窒化チタン膜１０を形成していた。この場合、チタン膜８を形成した後、窒化チタン膜１０を形成する前に、チタン膜８の表面を例えばプラズマにより窒化する処理を行っていた。これにより、チタン膜８表面（上層部）に薄い窒化チタン層１６が形成されるため、次の例えば熱ＣＶＤ法による窒化チタン膜１０の成膜工程で使用される四塩化チタンガスによってチタン膜８の表面がエッチングされてしまうことを防止できる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１４２４２５号公報
【特許文献２】特表２００２−５４２３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来、チタン膜８の表面のみを窒化するので、チタン膜８にはチタン層１８が残っていた。このため、チタン膜８の窒化チタン層１６及び窒化チタン膜１０に十分な膜厚がなければ、フッ素の一部が窒化チタン層１０及び窒化チタン膜１６を通過してチタン膜８のチタン層１８に達してしまい、脆弱なフッ化チタン（ＴｉＦｘ ）が生成される可能性があった。このようにフッ化チタンが生成されると、窒化チタン膜１０とタングステン膜１２は、下地層との密着性が劣化し、ウエハＷの表面から剥離する恐れがある。
【００１２】
また、微細化の要求が最近にあっては更に厳しくなり、上記凹部６の直径である例えばホール径の要求が６０ｎｍ、或いはそれ以下になると、上記第２の処理装置で熱ＣＶＤ法により窒化チタン膜１０を成膜する際、この熱ＣＶＤ法は成膜時の指向性が比較的小さいことから、図１４（Ｂ）に示すように上記凹部６内の底部は勿論のこと、凹部６の側壁６Ａに対応する部分にも比較的厚く窒化チタン膜１０が等方的に堆積してしまい、この結果、凹部６内が狭くなり過ぎて後工程のタングステン成膜工程時において、成膜ガスが上記凹部６内に十分に侵入できず、凹部６の埋め込み量の減少が発生してプラグ抵抗が増加する、といった問題もあった。
【００１３】
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、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部に効率的に堆積させることが可能な薄膜の成膜方法及び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】
【００１４】
請求項１の発明は、表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いて前記チタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程と、を有することを特徴とする薄膜の成膜方法である。
【００１５】
このように、表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、凹部の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有するようにしたので、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が異方的に、すなわち凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部には効率的に堆積することが可能となる。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記チタン膜形成工程と前記窒化工程とを交互に複数回繰り返した後に前記窒化チタン膜堆積工程を行うようにしたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記チタン膜形成工程と前記窒化工程は、それぞれプラズマの存在下で行われることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記凹部の底部には、シリコンを含む導電層が露出しており、前記チタン膜形成工程では前記導電層のシリコンと前記チタン膜のチタンとが反応してチタンシリサイド層が形成されるように前記被処理体を第１の温度に設定することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記第１の温度は４００〜６５０℃の範囲内であることを特徴とする。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン膜形成工程にて形成される前記チタン膜の膜厚は１５ｎｍ以下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、前記窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で前記第２の窒化チタン膜を堆積させるようにしたことを特徴とする。
【００１９】
このように、窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で第２の窒化チタン膜を堆積させるようにしたので、特に凹部の側壁への成膜を制御しつつ凹部の底部への成膜を促進させることができる。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項７記載の発明において、前記窒素ガスの流量Ｙ１ と、前記プラズマを生成するために投入する高周波電力Ｘ１ との関係が、前記チタン化合物ガスの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ１ と前記高周波電力Ｘ１ とが設定されていることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項８記載の発明において、前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの流量が２０ｓｃｃｍ以下の時には、下記の数１であることを特徴とする。
Ｙ１ ≦７．６２・１０−４・Ｘ１ ２ −２．３７・Ｘ１ ＋２．０２・１０３ …（数１）
請求項１０の発明は、請求項９記載の発明において、前記窒素ガスの流量Ｙ１ の下限は１ｓｃｃｍであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項７記載の発明において、前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ と、前記プラズマを形成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ２ との関係が、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ２ と前記高周波電力Ｘ２ とが設定されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２の発明は、請求項１１記載の発明において、前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２以下の時には、下記の数２であることを特徴とする。
Ｙ２ ≦５．３９・１０−１・Ｘ２ ２ −２．３７・Ｘ２ ＋２．８６ …（数２）
請求項１３の発明は、請求項１２記載の発明において、前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ の下限は、１．４１５・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ であることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項７記載の発明において、前記窒素ガスの分圧Ｙ３ と、プラズマを生成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ３ との関係が、前記チタン化合物ガスの分圧に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記分圧Ｙ３ と前記高周波電力Ｘ３ とが設定されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５の発明は、請求項１４記載の発明において、前記所定の関係式は、チタン化合物ガスの分圧が２．３７Ｐａ以下の時には、下記の数３であることを特徴とする。
Ｙ３ ≦２８．９・１０１ ・Ｘ３ ２ −１４０・Ｘ３ ＋１．８７・１０２ …（数３）
請求項１６の発明は、請求項１５記載の発明において、前記窒素ガスの分圧Ｙ３ の下限は、０．１２Ｐａであることを特徴とする。
【００２５】
請求項１７の発明は、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン膜形成工程と前記窒化工程と前記窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われることを特徴とする。
このように、チタン膜形成工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われるようにしたので、その分、必要とする成膜装置の台数を減少させることができ、設備コストの削減に寄与することができる。
【００２６】
請求項１８の発明は、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン化合物ガスは、四塩化チタンガスであることを特徴とする。
請求項１９の発明は、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の発明において、前記還元ガスは、Ｈ２ ガスであることを特徴とする。
請求項２０の発明は、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の発明において、前記チタン膜堆積工程の後に、前記被処理体の表面にタングステン膜を形成して前記凹部を埋め込むタングステン膜形成工程を行うことを特徴とする。
【００２７】
請求項２１の発明は、表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、前記被処理体を収容する処理容器と、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が設けられた載置台と、前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内を真空排気する排気系と、前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するために装置全体を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
【００２８】
請求項２２の発明は、被処理体を収容する処理容器と、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が設けられた載置台と、前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内を真空排気する排気系と、前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、装置全体を制御する制御部とを備えた成膜装置を用いて表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成するに際して、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するように装置全体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ことを特徴とする記憶媒体である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る薄膜の成膜方法及び成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、凹部の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有するようにしたので、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が凹部の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部の底部に効率的に堆積させることができる。このため後工程で凹部内を配線金属で埋め込んでプラグ（あるいはコンタクト）を形成する際、太いプラグを形成することができ、プラグ（コンタクト）抵抗の小さいデバイスをつくることができる。
【００３０】
特に、請求項７の発明によれば、窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で第２の窒化チタン膜を堆積させるようにしたので、特に凹部の側壁への成膜を制御しつつ凹部の底部への成膜を促進させることができる。
また特に請求項１７の発明によれば、チタン膜形成工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われるようにしたので、その分、必要とする成膜装置の台数を減少させることができ、設備コストの削減に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明に係る薄膜の成膜方法及び成膜装置の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る成膜装置の一例を示す断面構成図、図２は本発明の成膜方法の一例を示すフローチャート、図３は本発明方法により被処理体の表面に形成される薄膜の状態を説明するための説明図、図４は第１の窒化チタン膜の形成時の各ガスの供給状態を示すタイミングチャート、図５は第２の窒化チタン膜を堆積する場合においてＲＦ電力（高周波電力）を一定にした時のＮ２ ガス流量とＴｉＣｌ４ ガス流量との関係を説明する説明図、図６は第２の窒化チタン膜を形成する場合においてＮ２ ガス流量とＲＦ電力とＴｉＣｌ４ ガス流量とが膜厚のピークの変動に与える影響を説明するための説明図である。
【００３２】
図７は第２の窒化チタン膜を堆積する時の高周波電力に対するＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図、図８は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対する被処理体の単位面積当りのＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図、図９は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対するＮ２ ガスの分圧の最適な範囲を説明するための説明図、図１０はＲＦ電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のＮ２ ガス流量と膜厚との関係を取り出して示したグラフ、図１１は凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を示す電子顕微鏡写真、図１２は第２の窒化チタン膜を堆積する時のＮ２ ガス流量が多い場合と少ない場合に生ずる反応の形態を模式的に示す図、図１３はタングステン膜を成膜する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。ここでは同一の成膜装置内でチタン膜形成工程と窒化工程と窒化チタン膜形成工程を実施する場合について説明する。
【００３３】
図１に示すように、この成膜装置２２は、略内部が円筒体状になされたアルミニウム、或いはアルミニウム合金製の処理容器２４を有している。この処理容器２４の中には被処理体としての半導体ウエハＷを水平に支持するための載置台としてのサセプタ２６がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材２８により支持された状態で配置されている。このサセプタ２６は窒化アルミニウム（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３０が設けられている。
【００３４】
また、サセプタ２６にはウエハＷを加熱する加熱手段としてヒータ３２が埋め込まれており，このヒータ３２はヒータ電源３４から給電されることによりウエハＷを所定の温度に加熱する。サセプタ２６には、下部電極３６がヒータ３２の上に埋設されており、この下部電極３６は例えば接地（図示せず）されている。
【００３５】
処理容器２４の天壁２４Ａには、絶縁部材３８を介してシャワーヘッド部４０が設けられている。このシャワーヘッド部４０は、大きく分けると上部分であるベース部材４２と下部分であるシャワープレート４４から構成されている。
【００３６】
ベース部材４２には、ヒータ４６が埋設されており、このヒータ４６はヒータ電源４８から給電されることにより、シャワーヘッド部４０を所定温度に加熱することが可能となっている。
【００３７】
シャワープレート４４には処理容器２４内にガスを吐出する多数の吐出孔５０が形成されている。各吐出孔５０は、ベース部材４２とシャワープレート４４の間に形成されるガス拡散空間５２に連通している。ベース部材４２の中央部には処理ガスをガス拡散空間５２に供給するためのガス導入ポート５４が設けられている。ガス導入ポート５４は、後述するガス供給手段５６の混合ガス供給ライン５８に接続されている。
【００３８】
ガス供給手段５６は、チタン化合物ガスとして例えば四塩化チタンガスを供給する四塩化チタンガス供給源６０、プラズマ安定用ガスとして例えばアルゴン（以下「Ａｒ」とも称す）ガスを供給するアルゴンガス供給源６２、還元ガスとして例えば水素ガスを供給する水素ガス供給源６４、窒素化合物ガスとして例えばアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給源６６及び窒素ガスを供給する窒素ガス供給源６８を有している。
【００３９】
そして、四塩化チタンガス供給源６０には四塩化チタンガス供給ライン６０Ｌが接続されており、アルゴンガス供給源６２にはアルゴンガス供給ライン６２Ｌが接続されており、水素ガス供給源６４には水素ガス供給ライン６４Ｌが接続されており、アンモニアガス供給源６６にはアンモニアガス供給ライン６６Ｌが接続されており、窒素ガス供給源６８には窒素ガス供給ライン６８Ｌが接続されている。各ガス供給ライン６０Ｌ〜６８Ｌにはそれぞれマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６０Ｃ〜６８Ｃ及びこのマスフローコントローラ６０Ｃ〜６８Ｃを挟んで２つのバルブ６０Ｖ〜６８Ｖが設けられている。
【００４０】
そして、上記各ライン６０Ｌ〜６８Ｌの先端はガス混合部７０に接続されている。このガス混合部７０は、上記の処理ガスを混合してシャワーヘッド部４０に供給する機能を有するものであり、そのガス流入側には、上記したように各ガス供給ライン６０Ｌ〜６８Ｌを介して各ガス供給源６０〜６８が接続されており、そのガス流出側には混合ガス供給ライン５８を介してシャワーヘッド部４０が接続されている。
【００４１】
プロセス時には、四塩化チタンガス、アルゴンガス、水素ガス、アンモニアガス及び窒素ガスの中から選択された一種類のガスまたは複数のガスの混合ガスが、シャワーヘッド部４０のガス導入ポート５４とガス拡散空間５２を経由して、複数の吐出孔５０から処理容器２４内に導入される。
【００４２】
このように本実施形態にかかるシャワーヘッド部４０は、各ガスを予め混合して処理容器２４内に供給する、いわゆるプリミックスタイプで構成されているが、各ガスを独立して処理容器２４内に供給する、いわゆるポストミックスタイプで構成するようにしてもよい。
【００４３】
シャワーヘッド部４０には、プラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電力供給手段７２が接続されている。この高周波電力供給手段７２は、シャワーヘッド部４０に接続された給電ライン７４を有し、この給電ライン７４には整合器７６及び高周波電源７８が順次介設されており、成膜等の際にこの高周波電源７８からシャワーヘッド部４０に、例えば４５０ｋＨｚの高周波電力を供給することにより、上部電極として兼用されるシャワーヘッド部４０と下部電極３６との間に高周波電界が生じ、処理容器２４内に供給されたガスをプラズマ化し得るようになっている。
【００４４】
また、処理容器２４の底壁２４Ｂの中央部には円形の穴が形成されており、底壁２４Ｂにはこの穴を覆うように下方に向けて突出する排気室８０が設けられている。排気室８０の側面には排気管８２が接続されており、この排気管８２には排気系８４が接続されている。そしてこの排気系８４を作動させることにより処理容器２４内を所定の真空度まで減圧することができる。この排気系８４は図示しない圧力調整弁や真空ポンプを有しており、上述のように真空排気を行う。
【００４５】
またサセプタ２６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８４がサセプタ２６の表面に対して出没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン８４は支持板８６に固定されている。そして、ウエハ支持ピン８４は、エアシリンダ等の駆動機構８８により支持板８６を介して昇降される。
【００４６】
また処理容器２４の側壁２４Ｃには、共通搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口９０と、この搬入出口９０を開閉するゲートバルブ９２が設けられている。
【００４７】
このような構成を有する成膜装置２２の全体の動作の制御、例えば各種ガスの供給開始と停止の制御、各ガスの流量制御、ウエハＷの温度制御、処理容器２４内の圧力制御等は、例えばコンピュータよりなる制御部９４によって行われる。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９６に記載されている。この記憶媒体９６は、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。
【００４８】
次に、以上のように構成された成膜装置２２を用いて行われる本発明の成膜方法について説明する。
まず、未処理の半導体ウエハＷは、図示しない例えばクラスタツール化された処理システムの共通搬送室より、搬送アームを用いて開放されたゲートバルブ９２及び搬入出口９０を介して、この処理容器２４内へ搬入される。このウエハＷは、サセプタ２６に設けたウエハ支持ピン８４を上昇させることにより、このウエハ支持ピン８４側に受け渡され、上記搬送アームを後退させた後に上記ウエハ支持ピン８４を降下させることによって上記ウエハＷはサセプタ２６上に載置されることになる。
【００４９】
この処理容器２４内は予め真空引きされており、上記ゲートバルブ９２を閉じることによって処理容器２４内を密閉する。上記半導体ウエハＷの表面には、図１４において説明したように、絶縁層２や凹部６が予め形成されており、その凹部６の底部に下層の配線層やトランジスタのソースやドレイン等の不純物拡散層となる導電層４が露出している。
【００５０】
そして、サセプタ２６に配置したヒータ３２を駆動してサセプタ２６上のウエハＷを所定の温度に昇温してその温度を維持する。これと同時に、ガス供給手段５６の各ガス源６０〜６８より必要な各ガスを流量制御しつつそれぞれ流し、これらの各ガスをガス混合部７０にて混合した後に混合ガス供給ライン５８を介してシャワーヘッド部４０のガス拡散室５２へ導入する。このガス拡散室５２内へ導入された混合ガスは、このガス拡散室５２内を平面方向へ拡散して多数の吐出孔５０より下方の処理空間Ｓに供給されることになる。
【００５１】
また、このガス供給と同時に、高周波電力供給手段７２を駆動してシャワーヘッド部４０よりなる上部電極とサセプタ２６に設けた下部電極３６との間に高周波電力を印加し、これにより処理空間ＳにＡｒガスを主体とするプラズマを発生させ、以下に説明する各種の処理を実行することになる。
【００５２】
まず、上記成膜装置２２を用いて行われる本発明の成膜方法は、凹部の内面を含む被処理体である半導体ウエハの表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いて上記チタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、上記凹部の内面を含む上記被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有する。
【００５３】
これを図２及び図３も参照して説明すると、まず、半導体ウエハＷの表面には図３（Ａ）に示すように、ＳｉＯ２ 等よりなる層間絶縁層等の絶縁層２に凹部６が前工程で予め形成されており、この凹部６の底部にＳｉを含む導電層４が露出している。そして、ステップＳ１に示すように、このウエハＷの表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜１００を形成するチタン膜形成工程を行う。上記チタン化合物ガスとしては例えばＴｉＣｌ４ ガスを用い、還元ガスとしては例えばＨ２ ガスを用いる。
【００５４】
このチタン膜形成工程は、後述するように例えばＳＦＤ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により行われる。また、この際、チタン膜１００と導電層４との境界部分ではチタンがシリサイド化してチタンシリサイド層１０２が形成される。
【００５５】
次に、ステップＳ２に示すように、窒化ガスを用いて上記チタン膜１００を全て窒化して第１の窒化チタン膜１０４を形成する窒化工程を行う。上記窒化ガスとしては例えばＮＨ３ ガスを用いる。
【００５６】
そして、ステップＳ３に示すように、上記ステップＳ１のチタン膜成膜工程とステップＳ２の窒化工程とを交互に所定の回数だけ繰り返す。この場合、繰り返し回数は”１”、或いは複数回でもよいが、繰り返し回数がゼロで、両ステップＳ１、Ｓ２を共に１回のみ行って（ワンパス）、次のステップへ移行するようにしてもよい。
【００５７】
次に、ステップＳ４に示すように、凹部６の内面を含むウエハＷの表面に第２の窒化チタン膜１０６を堆積させる。ここでは、後述するように、チタン化合物ガスと還元ガスと窒化ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で上記第２の窒化チタン膜１０６が形成される。これにより、上記第１と第２の窒化チタン膜１０４、１０６で構成されるバリヤ層１０８が形成されることになる。
【００５８】
このように、バリヤ層１０８を形成したならば、次にステップＳ５に示すように、ウエハＷの表面にタングステン膜１１０を形成して上記凹部６を埋め込むタングステン膜形成工程を行うことになる。
【００５９】
次に、上記各工程について詳しく説明する。
＜チタン膜形成工程と窒化工程＞
まず、チタン膜形成工程と窒化工程について説明する。ここでは図４に示すように、チタン膜形成工程と窒化工程とを交互に複数回繰り返し行う。すなわち、第１の窒化チタン膜１０４を形成するためには、薄いチタン膜１００を形成してこれを窒化する工程を何度か繰り返して第１の窒化チタン膜１０４を形成するプラズマＳＦＤ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。
【００６０】
このプラズマＳＦＤ法による第１の窒化チタン膜１０４の形成処理では、例えばチタン化合物ガスとアルゴンガスと水素ガスを同時期に供給しつつプラズマを生成して、薄いチタン膜１００を形成するチタン膜形成工程と、アンモニアガスとアルゴンガスと水素ガスを同時期に供給しつつプラズマを生成して、その薄いチタン膜１００の全てを窒化する窒化工程とを１サイクルとして、これを第１の窒化チタン膜１０４が所定の膜厚に達するまで複数回繰り返す。
【００６１】
具体的には、プロセス温度（ウエハ温度）を４００〜６５０℃の範囲内（請求項における第１の温度）、より好ましくは４００〜５６０℃の範囲内、例えば５５０℃に設定し、プロセス圧力を例えば５００〜８００Ｐａの範囲内、例えば６６７Ｐａに設定する。そして、期間Ｐ１１（ガス安定化）にて、四塩化チタンガス（チタン化合物ガス）と水素ガス（還元ガス）とアルゴンガスを供給する。このとき、四塩化チタンガスの流量を例えば１２ｓｃｃｍに調整し、水素ガスの流量を例えば４０００ｓｃｃｍに調整し、アルゴンガスの流量を例えば１６００ｓｃｃｍに調整する。なお、この期間Ｐ１１の主な目的は、次の期間Ｐ１２に先立って処理容器２４内の処理ガスを安定化させることにある。期間Ｐ１１の時間は例えば０〜５秒とする。
【００６２】
次に、期間Ｐ１２にて、四塩化チタンガス、水素ガス、およびアルゴンガスを、期間Ｐ１１から同じ流量で継続して供給したまま、シャワーヘッド部（上部電極）４０に例えば８００Ｗの高周波電力を印加してプラズマを形成する。これによって、チタン膜１００が堆積する。このチタン膜１００のチタンは、下層の導電層４との境界部分でシリコンと反応してシリサイド化する。期間Ｐ１２の時間は例えば４秒とする。
【００６３】
続いて、期間Ｐ１２の状態から四塩化チタンガスの供給を停止して期間Ｐ１３へ移行する。この期間Ｐ１３では、水素ガスとアルゴンガスを期間Ｐ１２と同じ流量で供給し、これらをプラズマ化する。これによって、先の期間Ｐ１２にて堆積したチタン膜１００がプラズマアニールされる。期間Ｐ１３の時間は例えば５秒とする。
【００６４】
次いで、期間Ｐ１３の状態からプラズマを消して期間Ｐ１４に移行する。この期間Ｐ１４は、次の期間Ｐ１５が開始されるまでの待ち時間であり、この時間は例えば１秒とする。以上の期間Ｐ１１〜Ｐ１４の処理を実行することで、極めて薄いチタン膜１００が形成される。なお，期間Ｐ１１〜Ｐ１４では、アルゴンガスを導入しないようにしてもよい。
【００６５】
次に、期間Ｐ１５にて、期間Ｐ１１〜Ｐ１４の処理によって形成されたチタン膜１００を全て窒化し、極めて薄い第１の窒化チタン膜１０４を形成する。ここでは、水素ガス、アルゴンガス、およびアンモニアガス（窒素化合物ガス）を供給するとともに、シャワーヘッド部（上部電極）４０に例えば８００Ｗの高周波電力を印加してプラズマを再び形成する。このとき水素ガスの流量を例えば２０００ｓｃｃｍに調整し、アルゴンガスの流量を例えば１６００ｓｃｃｍに調整し、アンモニアガスの流量を例えば１５００ｓｃｃｍに調整する。期間Ｐ１５の時間は例えば５秒とする。
【００６６】
次の期間Ｐ１６ではプラズマを消すとともに、アンモニアガスの供給を止める。水素ガスとアルゴンガスについては、期間Ｐ１５のときと同じ流量に調整し、これらのガスによって処理容器２４内に残留しているアンモニアガスをパージする。これによって、次のサイクルの期間Ｐ１１において、処理容器２４内に供給される四塩化チタンガスが残留アンモニアガスと混合してしまうことが防止され、より良質な第１の窒化チタン膜を形成することができる。この期間Ｐ１６の時間は例えば２秒とする。
【００６７】
以上の期間Ｐ１１〜Ｐ１６の各処理を１サイクルとして、第１の窒化チタン膜１０４が所定の膜厚１〜１５ｎｍの範囲内、例えば１０ｎｍに達するまで同サイクルを繰り返す。このようにして、図３（Ｃ）に示すように、所定の厚さの第１の窒化チタン１０４が形成される。尚、ここでは成膜のためにプラズマＳＦＤ法を用いたが、これに替えて、特開２００４−２３２０８０号公報に示されているようなプラズマＣＶＤ法を用いて、すなわち図４におけるＰ１２（チタン膜成膜）とＰ１３（プラズマアニール）からなるサイクルを１回あるいは複数回繰り返し、例えば１０ｎｍの膜厚のチタン膜を形成し、この後に図４におけるＰ１５（窒化処理）によりこのチタン膜の全てをプラズマによって窒化する方法を採用してもよい。
【００６８】
＜窒化チタン膜堆積工程＞
次に、図３（Ｄ）に示すように第２の窒化チタン膜１０６を形成する。この第２の窒化チタン膜１０６を形成する理由は、上記第１の窒化チタン膜１０４の膜厚だけでは、後工程で用いる六フッ化タングステンに起因するフッ素ガス成分に対するバリヤ性が不十分であり、また、プラズマＳＦＤ法でバリヤ性が十分な膜厚まで第１の窒化チタン膜を形成するにはこのプラズマＳＦＤ法の成膜レートが非常に小さいので、スループットが大幅に低下してしまう、といった理由からである。
【００６９】
この第２の窒化チタン膜堆積工程で重要な点は、後工程で凹部６に対するタングステンの埋め込み量を十分に確保するために、いかに凹部６の側面に対する成膜を抑制しつつ凹部６の底面への成膜を行うか、という点である。換言すれば、図３（Ｄ）において、凹部６内の第２の窒化チタン膜１０６に関して、凹部６内の側壁の厚さＴ１はできるだけ薄くし、且つ底面の厚さＴ２はできるだけ厚くすることが必要となる。特に、更なる微細化傾向により、凹部６の穴径が６０ｎｍ以下になると、凹部６内の表面への成膜のコントロールが重要となる。
【００７０】
本発明では、この窒化チタン膜堆積工程におけるＮ２ ガスの流量を最適化させることにより、上記目的を達成しようとするものである。具体的には、ここではチタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いており、チタン化合物ガスとしては例えばＴｉＣｌ４ ガスを用い、還元ガスとしては例えばＨ２ ガスを用い、プラズマ安定用ガスとしては例えばＡｒガスを用いている。そして、上記４種類のガスを同時に処理容器２４内へ供給すると共に、高周波電力をシャワーヘッド部４０に印加してプラズマを発生させ、これによって各ガスの活性種を発生させてウエハＷの凹部６内の表面を含むウエハ表面全体に第２の窒化チタン膜をプラズマＣＶＤ処理によって形成する。
【００７１】
この場合、各ガスの流量、特にＮ２ ガスの流量を最適化するように制御し、且つプラズマ形成用の投入する高周波電力等も制御することにより、凹部６の側壁への成膜を抑制しつつ凹部６の底部への成膜を促進させる。尚、この場合、ウエハＷの絶縁層２の上面にも窒化チタン膜が堆積するのは勿論である。
【００７２】
本発明者等は、凹部６内の表面に対する窒化チタンの成膜状態は、主に四塩化チタンとＮ２ の各ガス流量及び投入する高周波電力に大きく依存することを見い出し、これらを最適化するようにしている。
【００７３】
まず、図５を参照して第２の窒化チタン膜を堆積する場合において、高周波電力（ＲＦ電力）を一定にした時のＮ２ ガス流量とＴｉＣｌ４ ガス流量との関係を説明する。図５において、横軸にはＮ２ ガス流量をとり、縦軸には膜厚をとっている。そして、ＴｉＣｌ４ ガスは８ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍまで変化させている。この時のＲＦ電力は８００Ｗ（ワット）で一定である。また、ここではウエハ直径が３００ｍｍに対応する処理容器を用いており、この容積は７０６．５ｃｍ３であり、この点はこれ以降に説明する各グラフにおいても同じである。
【００７４】
このグラフから明らかなように、Ｎ２ ガス流量に対して、膜厚はピーク値を有しており、しかもそのピーク値はＴｉＣｌ４ ガス流量に依存して左右方向へ移動している。例えばＴｉＣｌ４ ガス流量が８ｓｃｃｍの時のピークＫ１はＮ２ ガス流量が１００ｓｃｃｍ程度の時であり、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のピークＫ２はＮ２ ガス流量が２００ｓｃｃｍ程度の時であり、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１６ｓｃｃｍの時のピークＫ３はＮ２ ガス流量が３８０ｓｃｃｍ程度の時であり、ＴｉＣｌ４ ガス流量が２０ｓｃｃｍの時のピークＫ４はＮ２ ガス流量が４００ｓｃｃｍ程度の時である。
【００７５】
ここで、ウエハの凹部６内の表面の膜厚状態を電子顕微鏡写真で確認したところ、各ＴｉＣｌ４ ガス流量におけるピークＫ１〜Ｋ４よりもそれぞれの左側の領域の堆積状態が、それぞれの右側の領域と比較して非常に良好であった。すなわち、各ピークＫ１〜Ｋ４よりもそれぞれの左側の領域では、凹部６内の側面への堆積を抑制しつつ底面への堆積を促進させることができることが判った。
【００７６】
次に、図６を参照して第２の窒化チタン膜を堆積する場合において、Ｎ２ ガス流量とＲＦ電力とＴｉＣｌ４ ガス流量とが膜厚のピークの変動に与える影響について説明する。図６において、横軸はＮ２ ガス流量をとり、縦軸に膜厚をとっており、ＲＦ電力は４００Ｗ〜１２００Ｗまで変化させている。また、ＴｉＣｌ４ ガスの流量に関して、図６（Ａ）は２０ｓｃｃｍの場合を示し、図６（Ｂ）は１２ｓｃｃｍの場合を示し、図６（Ｃ）は６ｓｃｃｍの場合を示している。
【００７７】
ここで図６（Ａ）におけるＲＦ電力４００Ｗ、８００Ｗ、１２００Ｗの各曲線のピークをそれぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３とし、図６（Ｂ）におけるＲＦ電力４００Ｗ、８００Ｗ、１２００Ｗの各曲線のピークをそれぞれＮ１、Ｎ２、Ｎ３とし、図６（Ｃ）におけるＲＦ電力４００Ｗ、８００Ｗ、１２００Ｗの各曲線のピークをそれぞれＯ１、Ｏ２、Ｏ３とする。
【００７８】
この図６から明らかなように、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が一定の場合には、膜厚のピークは、ＲＦ電力が小さい程、右側へシフトしている。従って、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が一定の場合には、ＲＦ電力が小さい程、膜厚のピークはＮ２ ガス流量が多い方向へシフトしており、ＲＦ電力が大きい程、膜厚のピークはＮ２ ガス流量が少ない方向へシフトしている。この点は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の各グラフにおいて共通である。そして、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が少なくなる程、各グラフのピークは左側へシフトしていることが判る（図６（Ｃ）参照）。
【００７９】
ここでウエハの凹部６内の表面の膜厚状態を電子顕微鏡で確認したところ、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の各グラフの各ＴｉＣｌ４ ガス流量において、ピークＭ１〜Ｍ３、Ｎ１〜Ｎ３、Ｏ１〜Ｏ３よりも左側の領域における堆積状態が、右側の領域と比較して非常に良好であった。この点は、図５の場合と同様である。そして、上記図６における各ピークを連ねることによって形成される曲線のグラフを求めたので、その結果を図７に示す。図７は第２の窒化チタン膜を堆積する時の高周波電力に対するＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【００８０】
図７において、横軸には高周波電力（ＲＦ電力）：Ｘ１ をとっており、縦軸にはＮ２ ガス流量：Ｙ１ をとっている。図７に示すように、図６中の各ピークＭ１〜Ｍ３、Ｎ１〜Ｎ３、Ｏ１〜Ｏ３がＴｉＣｌ４ ガスの流量毎にプロットされており、ＴｉＣｌ４ ガスの流量が異なる３本の曲線で表されている。そして、図６中の各ピークよりも左側の堆積状態の良好な領域が図７中で表される各曲線の下方の領域となる。すなわち、窒素ガスの流量Ｙ１ と、プラズマを生成するために投入する高周波電力Ｘ１ との関係が、チタン化合物ガスの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように上記流量Ｙ１ と上記高周波電力Ｘ１ とが設定されている。
【００８１】
ここで高周波電力の下限は２００Ｗであり、これよりも高周波電力が小さくなると、プラズマを安定的に形成して維持することが困難になってしまう。また、ＴｉＣｌ４ ガスの流量の下限は１ｓｃｃｍであり、この流量が１ｓｃｃｍよりも少なくなると、実質的に窒化チタン膜の成膜が困難になってしまう。特に、実質的な成膜レートを考慮した場合、このＴｉＣｌ４ ガスの流量は、４ｓｃｃｍ以上に設定するのが好ましい。また、Ｎ２ ガスの流量は上記ＴｉＣｌ４ ガスよりも遥かに多量に流すが、その下限は堆積されるＴｉＮ膜の組成を考慮するとＴｉＣｌ４ ガスと同じ１ｓｃｃｍであり、この場合も実質的な成膜レートを考慮した場合、４ｓｃｃｍ以上に設定するのが好ましい。
【００８２】
そして、上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が２０ｓｃｃｍの時に定まる窒素ガスの流量Ｙ１ と、高周波電力Ｘ１ との関係式は以下の数１のようになり、この数１を満たすように上記流量Ｙ１ と高周波電力Ｘ１ とが設定される。
【００８３】
Ｙ１ ≦７．６２・１０−４・Ｘ１ ２ −２．３７・Ｘ１ ＋２．０２・１０３ …（数１）
【００８４】
実際的には、上記数１で表される曲線の下方の領域が最適範囲であり、この領域内に納まるように上記高周波電力Ｘ１ とＮ２ ガス流量Ｙ１ とが設定される。そして図７から明らかなように、数１で示される領域内にＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時に定まる最適範囲、及びＴｉＣｌ４ ガス流量が６ｓｃｃｍの時に定まる最適範囲も含まれることとなり、数１で示される領域は、ＴｉＣｌ４ ガス流量が２０ｓｃｃｍ以下の時に定まる最適範囲を示していることになる。
【００８５】
また、上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時に定まる窒素ガスの流量Ｙ１ と、高周波電力Ｘ１ との関係式は以下の数１−２のようになり、この数１−２を満たすように上記流量Ｙ１ と高周波電力Ｘ１ とが設定される。
【００８６】
Ｙ１ ≦３．１３・１０−４・Ｘ１ ２ −１．１３・Ｘ１ ＋１０３ …（数１−２）
【００８７】
実際的には、上記数１−２で表される曲線の下方の領域が最適範囲であり、この領域内に納まるように上記高周波電力Ｘ１ とＮ２ ガス流量Ｙ１ とが設定される。
【００８８】
また、上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が６ｓｃｃｍの時に定まる窒素ガスの流量Ｙ１ と、高周波電力Ｘ１ との関係式は以下の数１−３のようになり、この数１−３を満たすように上記流量Ｙ１ と高周波電力Ｘ１ とが設定される。
【００８９】
Ｙ１ ≦３．１３・１０−４・Ｘ１ ２ −８．７５・１０−１・Ｘ１ ＋６・１０２ …（数１−３）
【００９０】
実際的には、上記数１−３で表される曲線の下方の領域が最適範囲であり、この領域内に納まるように上記高周波電力Ｘ１ とＮ２ ガス流量Ｙ１ とが設定される。
【００９１】
ここでは３本の曲線を一例として示したが、実際にはＴｉＣｌ４ ガスの例えば流量毎に多数の上述したような曲線が実験的に予め定まっており、プロセス条件の際に上記ＴｉＣｌ４ ガス流量が定まったならば、当該ＴｉＣｌ４ ガス流量に対応する曲線（関係式）が図７に示すように予め定まっているので、その曲線よりも下方の流域の範囲に適合するように上記高周波電力Ｘ１ やＮ２ ガス流量Ｙ１ をそれぞれ定めることになる。これにより、ＴｉＣｌ４ガスの任意の設定値に対応 できることになる。
【００９２】
例えばＴｉＣｌ４ ガスの流量を２０ｓｃｃｍに設定した場合には、図７中の斜線で示された領域に対応するように上記高周波電力Ｘ１ やＮ２ ガス流量Ｙ１ をそれぞれ定めることになる。このように高周波電力Ｘ１ やＮ２ ガス流量Ｙ１ を定めることにより、第２のチタン窒化膜１０６の堆積状態を良好にすることができる。尚、この時のプロセス温度は例えば４００〜６５０℃程度の範囲内であり、より好ましくは４５０〜５５０℃程度の範囲内であり、またプロセス圧力は５００〜８００Ｐａ程度の範囲内であり、より好ましくは５００〜７００Ｐａ程度の範囲内である。
【００９３】
また、図７に示す場合では、最適な範囲を成膜装置のプロセス条件の全体（全体として流れるＴｉＣｌ４ ガスの流量）を基準として定めたが、これに限定されず、被処理体である半導体ウエハＷの単位面積当りの値に換算して定めるようにしてもよい。図８は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対する被処理体の単位面積当りのＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【００９４】
図８において横軸にはウエハの単位面積当りの高周波電力をとり、縦軸にはウエハ単位面積当りのＮ２ ガス流量をとっている。すなわち、ここでは窒素ガスの上記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ と、プラズマを形成するために投入する上記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ２ との関係が、上記チタン化合物ガスの上記被処理体の単位面積当りの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように上記流量Ｙ２ と上記高周波電力Ｘ２ とが設定されている。
【００９５】
まず、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （２０ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は以下の数２のようになる。
【００９６】
Ｙ２ ≦５．３９・１０−１・Ｘ２ ２ −２．３７・Ｘ２ ＋２．８６ …（数２）
そして図８から明らかなように、数２で示される領域内に、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が１．６９９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （１２ｓｃｃｍ対応）および０．８４９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる最適範囲も含まれることとなり、数２で示される領域は、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ 以下の時に定まる最適範囲を示していることになる。また、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が１．６９９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （１２ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は以下の数２−２のようになる。
【００９７】
Ｙ２ ≦２．２１・１０−１・Ｘ２ ２ −１．１３・Ｘ２ ＋１．４２…（数２−２）
また、ウエハの単位面積当りのＴｉＣｌ４ ガス流量が０．８４９・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は以下の数２−３のようになる。
【００９８】
Ｙ２ ≦２．２１・１０−１・Ｘ２ ２ −８．７６・１０−１Ｘ２ ＋０．８４９…（数２−３）
この時にウエハの単位面積当りのＮ２ ガス流量及びＴｉＣｌ４ ガス流量の下限は、それぞれ１．４１５・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （１ｓｃｃｍ対応）であり、好ましくは５．６６２・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ （４ｓｃｃｍ対応）である。
【００９９】
また図８では半導体ウエハＷの単位面積当りの値に換算して示しているが、これに限定されず、各ガスを分圧に換算して定めるようにしてもよい。図９は第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対するＮ２ ガスの分圧の最適な範囲を説明するための説明図である。
【０１００】
図９において横軸にはウエハ単位面積当りの高周波電力をとり、縦軸にはＮ２ ガス分圧をとっている。尚、Ａｒガス流量は１６００ｓｃｃｍ、Ｈ２ ガス流量は４０００ｓｃｃｍ、プロセス圧力は６６７Ｐａである。すなわち、ここでは上記窒素ガスの分圧Ｙ３ と、プラズマを生成するために投入する上記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ３ との関係が、上記チタン化合物ガスの分圧に依存して定まる所定の関係式を満たすように上記分圧Ｙ３ と上記高周波電力Ｘ３ とが設定されている。
【０１０１】
まず、ＴｉＣｌ４ の分圧が２．３７Ｐａ（２０ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は、以下の数３のようになる。
【０１０２】
Ｙ３ ≦２８．９・Ｘ３ ２ −１４０・Ｘ３ ＋１８７…（数３）
【０１０３】
そして図９から明らかなように、数３で示される領域内にＴｉＣｌ４ の分圧が１．４３Ｐａ（１２ｓｃｃｍ対応）および０．７１Ｐａ（６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる最適範囲も含まれることとなり、数３で示される領域は、ＴｉＣｌ４ の分圧が２．３７Ｐａ以下の時に定まる最適範囲を示していることになる。
また、ＴｉＣｌ４ の分圧が１．４３Ｐａ（１２ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は、以下の数３−２のようになる。
Ｙ３ ≦１３．１・Ｘ３ ２ −７６．３Ｘ３ ＋１０３…（数３−２）
また、ＴｉＣｌ４ の分圧が０．７１Ｐａ（６ｓｃｃｍ対応）の時に定まる関係式は、以下の数３−３のようになる。
【０１０４】
Ｙ３ ≦１６．４・Ｘ３ ２ −６７．１・Ｘ３ ＋６６．６…（数３−３）
この時にＮ２ ガス及びＴｉＣｌ４ ガスの各分圧の下限はそれぞれ０．１２Ｐａ（１ｓｃｃｍ対応）であり、好ましくは０．４８Ｐａ（４ｓｃｃｍ対応）である。
【０１０５】
［第２の窒化チタン膜の堆積状態の評価］
ここで、本発明方法を用いて第２の窒化チタン膜を実際に成膜した時の凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を検査したので、その評価結果について説明する。図１０はＲＦ電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のＮ２ ガス流量と膜厚との関係を取り出して示したグラフであり、ここではＮ２ ガス流量を１〜１０００ｓｃｃｍまで種々変化させて第２の窒化チタン膜を堆積している。このグラフは図６（Ｂ）中の高周波電力が８００Ｗの時の特性と同じグラフである。従って、そのプロセス条件は、高周波電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍ、プロセス温度が５５０℃、凹部６の直径が６０ｎｍである。
【０１０６】
図１０に示すように、Ｎ２ ガス流量を１ｓｃｃｍから増加すると、膜厚は順次増加して行き、そして、Ｎ２ ガス流量が３００ｓｃｃｍ程度のところで膜厚はピークＮ２となる。更にＮ２ ガス流量を増加して行くと、今度は膜厚は次第に減少して行く。ここで上記ピークＮ２を含まないでこのピークＮ２から右側の領域をモード１と称し、ピークＮ２を含んでこのピークＮ２から左側の領域をモード２と称す。上記モード２の領域は先に説明していたように第２の窒化チタン膜の堆積状態が良好になる領域である。
【０１０７】
そして、モード１の領域を代表してポイントＡ１（Ｎ２ ＝１０００ｓｃｃｍ）の部分と、モード２の領域を代表してポイントＡ２（Ｎ２ ＝１００ｓｃｃｍ）の部分の堆積状態をそれぞれ調べたので、その結果を図１１に示す。
【０１０８】
図１１は凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を示す電子顕微鏡写真である。ここで図１１（Ａ）はモード１（ポイントＡ１）を示し、図１１（Ｂ）はモード２（ポイントＡ２）を示す。図１１において凹部の断面を示す写真の下部に、凹部の底面付近の拡大写真を併せて示している。堆積時間に関しては、モード１の場合は７０ｓｅｃであり、モード２の場合は２８ｓｅｃである。この結果、モード１の場合はモード２の場合よりも堆積時間が長いにもかかわらず、凹部の底面に堆積している窒化チタン膜（第２の窒化チタン膜）の厚さは略ゼロであるので、ボトムカバレジは０％（絶縁層の上面に堆積する窒化チタン膜厚に対する凹部底面に堆積する窒化チタン膜厚）であり、好ましくない結果が得られた。
【０１０９】
これに対して、モード２の場合は、堆積時間が短いにもかかわらず、凹部底面に十分に窒化チタン膜（第２の窒化チタン膜）が堆積してボトムカバレジも３０％程度に達し、好ましい結果を得ることができた。また、このモード２の場合には凹部内の側壁には非常に薄く僅かに窒化チタン膜が堆積している程度であり、この点からもモード２における堆積状態は良好であることを確認することができた。
【０１１０】
次に、上記モード１と堆積状態が良好になるモード２の時に生ずる反応形態の相異を模式的に説明する。図１２は第２の窒化チタン膜を堆積する時のＮ２ ガス流量が多い場合と少ない場合に生ずる反応の形態を模式的に示す図である。ここでＮ２ ガス流量が多い場合はモード１を示し、Ｎ２ ガス流量が少ない場合はモード２を示している。また図１２中の右側には、凹部内に侵入するガスの状態が模式的に併記されている。
【０１１１】
図１２（Ａ）に示すように、モード１の場合は、供給されるＮ２ ガスが多いことから、このＮ２ ガスと還元ガスとして供給されているＨ２ ガスとがプラズマにより活性化されて両者が反応して活性種であるＨ*、Ｎ*、ＮＨ＊ （＊は活性種 を示す）が多量に発生し、このＨ*、Ｎ*、ＮＨ＊ がウエハ表面に吸着すること になる。そして、このウエハ表面上に吸着したＨ*、Ｎ*、ＮＨ＊ にＴｉＣｌ４ をプラズマにより分解することにより発生したＴｉＣｌｘ（Ｘ：１〜３）が反応してこれを還元し、この結果、ＨＣｌが発生すると共に、ウエハ表面にＴｉＮ膜が堆積することになる。
【０１１２】
このような反応形態において、ウエハＷの凹部６内の表面には上述のように活性種であるＮＨ＊ が付着しているが、上記ＴｉＣｌｘは凹部６の開口付近で多く消費されてしまい、凹部６の底部まで十分に届かない状態が生ずる。この結果、モード１の場合には凹部６内の底面にはＴｉＮ膜が十分に堆積しない状態が生ずる。
【０１１３】
これに対して、図１２（Ｂ）に示すように、モード２の場合は、供給されるＮ２ ガスが少ないことから、ＴｉＣｌ４ をプラズマにより分解することにより発生したＴｉＣｌｘ（Ｘ：１〜３）がモード１の場合に比べて多くなり、このＴｉＣｌｘがウエハ表面に吸着することになる。そして、このウエハ表面に吸着したＴｉＣｌｘは、Ｎ２ 及びＨ２ をプラズマにより活性化させることにより発生したＮ＊ 、Ｈ＊ 、ＮＨ＊ と反応してこれを還元し、この結果、ＨＣｌが発生すると共に、ウエハ表面にＴｉＮ膜が堆積することになる。
【０１１４】
このような反応形態において、ウエハＷの凹部６内の表面には上述のようにＴｉＣｌｘが付着しているが、Ｎ＊ 、Ｈ＊ 、ＮＨ＊ はＴｉＣｌｘよりも相対的に多いので、Ｎ＊ 、Ｈ＊ 、ＮＨ＊ は凹部６の開口付近で消費されても十分に残存していることになって凹部６の底部まで十分に届き、この凹部６の底面上にＴｉＮ膜を十分に堆積させることができることになる。
【０１１５】
このように、本発明によれば、表面に凹部６が形成されている被処理体、例えば半導体ウエハＷの表面に薄膜を形成する成膜方法において、凹部６の内面を含む被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、窒化ガスを用いてチタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜１０４を形成する窒化工程と、凹部６の内面を含む被処理体の表面に第２の窒化チタン膜１０６を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程とを有するようにしたので、被処理体の凹部の径が小さくても、例えばバリヤ層として機能する薄膜が凹部６の側壁へ堆積することを抑制しつつ、凹部６の底部に効率的に堆積させることができる。
【０１１６】
＜タングステン膜成膜工程＞
次に、タングステン膜成膜工程について説明する。上述のように第１の窒化チタン膜１０４と第２の窒化チタン膜１０６とを形成することによりバリヤ層１０８を形成したならば、次に、凹部６を埋め込むためのタングステン膜を形成する。図１３はタングステン膜を成膜する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【０１１７】
このタングステン膜を形成するには、上記ウエハＷを図示しない別のタングステン用の成膜装置へ移載する。このタングステン膜を成膜するには図１に示す成膜装置と同様で、別途設けた熱ＣＶＤ装置等を用いればよい。ここではタングステン含有ガスと還元ガスであるモノシランガスと交互に繰り返し供給して成膜を行うＳＦＤ法を用いるのが好ましい。
【０１１８】
ただし、このときのウエハ温度（プロセス温度）については、従来の一般的な熱ＣＶＤ処理におけるプロセス温度４００〜４５０℃程度よりも低い２５０〜３５０℃程度に調整する。また、プロセス圧力については、１００〜１０００Ｐａ程度に調整する。そして、期間Ｐ２１にて、熱ＣＶＤ装置内に六フッ化タングステンガスを供給する。このとき、六フッ化タングステンガスの流量を１０〜３０ｓｃｃｍに調整する。また、この期間Ｐ２１では、上記六フッ化タングステンガスとともにアルゴンガスまたは窒素ガスをキャリアガスとして供給する。期間Ｐ２１の時間は例えば０．５〜５秒とする。
【０１１９】
次に、期間Ｐ２１の状態から六フッ化タングステンガスの供給を停止して期間Ｐ２２に移行する。この期間Ｐ２２は、次の期間Ｐ２３が開始されるまでの待ち時間であり、この時間は例えば０．５〜３．０秒とする。この期間Ｐ２２では、熱ＣＶＤ装置内に、アルゴンガスまたは窒素ガスをパージガスとして供給し続けることが好ましい。
【０１２０】
続いて、期間Ｐ２３にて、モノシランガスを供給する。このとき、モノシランガスの流量を５０〜１００ｓｃｃｍに調整する。また，この期間Ｐ２３では、上記モノシランガスとともにアルゴンガスまたは窒素ガスをキャリアガスとして供給する。期間Ｐ２３の時間は例えば０．５〜５秒とする。なお、還元ガスとしては、このモノシランガスに代えて、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスなどを用いることができる。
【０１２１】
次いで、期間Ｐ２３の状態からモノシランガスの供給を停止して期間Ｐ２４に移行する。この期間Ｐ２４は、次のサイクルの期間Ｐ２１が開始されるまでの待ち時間であり、この時間は例えば０．５〜３．０秒とする。この期間Ｐ２４では、熱ＣＶＤ装置内に、アルゴンガスまたは窒素ガスをパージガスとして供給し続けることが好ましい。
【０１２２】
以上の期間Ｐ２１〜Ｐ２４の処理を実行することで、極めて薄いタングステン膜が形成される。そして，期間Ｐ２１〜Ｐ２４の処理を１サイクルとして、タングステン膜１１０（図３（Ｅ）参照）が所定の膜厚に達し、凹部６内がタングステンで埋められるまで同サイクルを繰り返す。
【０１２３】
このように、本実施形態にかかるＳＦＤタングステン膜形成処理によれば、六フッ化タングステンガスとモノシランガスを交互に繰り返し供給して、極めて薄いタングステン膜を積層させるようにしてタングステン膜１１０を形成する。したがって、従来の一般的な熱ＣＶＤ処理時のプロセス温度４００〜４５０℃よりも遥かに低い２５０〜３５０℃であっても、特性の良好なタングステン膜１１０を形成することができる。
【０１２４】
ところで、ＳＦＤタングステン膜形成処理によれば、上述のように１サイクルで堆積するタングステンの量は極めて少ないため、例えば２００〜３００ｎｍの厚さのタングステン膜を形成しようとすると、かなり長いプロセス時間が必要となり、スループットが低下してしまう。そこで、このスループット低下を防止するために、上記のＳＦＤタングステン膜形成処理の後に、高い成膜レートが得られる第２のタングステン膜形成処理を行うようにしてもよい。
【０１２５】
この第２のタングステン膜形成処理では、例えば、プロセス温度を４００〜４５０℃程度まで上昇させ、プロセス圧力を２０００〜２００００Ｐａ程度に調整する。また、還元ガスとしてのモノシランガスを水素ガスに切り換え、キャリアガスとともにこの水素ガスと六フッ化タングステンガスとを同時にかつ連続的に供給する。このとき、水素ガスの流量を例えば３００〜３０００ｓｃｃｍ程度とし、六フッ化タングステンガスの流量を３０〜３００ｓｃｃｍ程度に調整する。このようなプロセスレシピを用いることによって、高い成膜レート、例えば１０００〜５０００Å／ｍｉｎでタングステン膜１１０を形成することができる。
【０１２６】
以上のように、本実施形態にかかる成膜処理によれば、チタン膜成膜工程によって、薄いチタン膜１００を形成し、これを窒化工程にて窒化することによって例えば１０ｎｍの厚さの別の窒化チタン膜１０４を形成する。このとき、チタン膜が薄いために、チタン膜を残すことなくそのすべてを確実に窒化することができる。このように、本実施形態によれば、タングステン膜１１０を形成するために用いられる六フッ化タングステンガスに含まれるフッ素と活発に反応するおそれのあるチタン膜が第１の窒化チタン膜１０４の下に存在しなくなるため、第２の窒化チタン膜１０６とタングステン膜１１０がこれらの下地層から剥離することを防止することができる。
【０１２７】
更に、本実施形態では、窒化チタン膜堆積工程にて上記第１の窒化チタン膜１０４上に第２の窒化チタン膜１０６を形成するようにしたので、バリヤ機能を十分に発揮することができ、この結果、この後工程であるタングステン膜形成工程で用いられる六フッ化タングステンのフッ素による拡散を防止することができる。
【０１２８】
またこの第２の窒化チタン膜１０６を堆積する際、Ｎ２ ガス量とプラズマ発生用の高周波電力とＴｉＣｌ４ ガス量との関係を最適化するようにしたので、例えば直径が６０ｎｍ以下の微細な凹部（ホール）内であっても、その凹部内の側壁への成膜を抑制しつつ、底面側には十分に窒化チタン膜を成膜することができ、凹部内が閉塞されることを防止することができる。
【０１２９】
このため、後工程のタングステン膜形成工程で上記凹部内に十分にタングステン膜を堆積させることができ、このコンタクト抵抗（プラグ抵抗）等を小さくすることができる。上記実施形態では、チタン膜成膜工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とを同一の成膜装置内で連続的に行うようにしたので、スループットを向上させることができる。
【０１３０】
尚、上記実施形態では、プラズマ安定用ガスとしてＡｒガスを用いたが、これに限定されず、Ｈｅ等の他の希ガスを用いてもよい。また、上記実施形態では、チタン膜成膜工程と窒化工程と窒化チタン膜堆積工程とを同一の成膜装置内で連続的に行うようにしたが、これに限定されず、窒化チタン膜堆積工程を別途設けた別の成膜装置で行うようにしてもよい。
【０１３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明に係る成膜装置の一例を示す断面構成図である。
【図２】本発明の成膜方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明方法により被処理体の表面に形成される薄膜の状態を説明するための説明図である。
【図４】第１の窒化チタン膜の形成時の各ガスの供給状態を示すタイミングチャートである。
【図５】第２の窒化チタン膜を堆積する場合においてＲＦ電力（高周波電力）を一定にした時のＮ２ ガス流量とＴｉＣｌ４ ガス流量との関係を説明する説明図である。
【図６】第２の窒化チタン膜を形成する場合においてＮ２ ガス流量とＲＦ電力とＴｉＣｌ４ ガス流量とが膜厚のピークの変動に与える影響を説明するための説明図である。
【図７】第２の窒化チタン膜を堆積する時の高周波電力に対するＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【図８】第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対する被処理体の単位面積当りのＮ２ ガス流量の最適な範囲を説明するための説明図である。
【図９】第２の窒化チタン膜を堆積する時の被処理体の単位面積当りの高周波電力に対するＮ２ ガスの分圧の最適な範囲を説明するための説明図である。
【図１０】ＲＦ電力が８００Ｗ、ＴｉＣｌ４ ガス流量が１２ｓｃｃｍの時のＮ２ ガス流量と膜厚との関係を取り出して示したグラフである。
【図１１】凹部の底面近傍における薄膜の堆積状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図１２】第２の窒化チタン膜を堆積する時のＮ２ ガス流量が多い場合と少ない場合に生ずる反応の形態を模式的に示す図である。
【図１３】タングステン膜を成膜する時の各ガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図１４】半導体ウエハにおける一般的なコンタクト構造を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
２ 絶縁層
４ 導電層
６ 凹部
２２ 成膜装置
２４ 処理容器
２６ サセプタ（載置台）
３２ ヒータ（加熱手段）
３６ 下部電極
４０ シャワーヘッド部
５６ ガス供給手段
６０ ＴｉＣｌ４ ガス供給源
６２ Ａｒガス供給源
６４ Ｈ２ ガス供給源
６６ ＮＨ３ ガス供給源
６８ Ｎ２ ガス供給源
７２ 高周波電力供給手段
９４ 制御部
９８ 記憶媒体
１００ チタン膜
１０２ チタンシリサイド層
１０４ 第１の窒化チタン膜
１０６ 第２の窒化チタン膜
１０８ バリヤ層
１１０ タングステン膜
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、
窒化ガスを用いて前記チタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、
前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程と、
を有することを特徴とする薄膜の成膜方法。
【請求項２】
前記チタン膜形成工程と前記窒化工程とを交互に複数回繰り返した後に前記窒化チタン膜堆積工程を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の薄膜の成膜方法。
【請求項３】
前記チタン膜形成工程と前記窒化工程は、それぞれプラズマの存在下で行われることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜の成膜方法。
【請求項４】
前記凹部の底部には、シリコンを含む導電層が露出しており、前記チタン膜形成工程では前記導電層のシリコンと前記チタン膜のチタンとが反応してチタンシリサイド層が形成されるように前記被処理体を第１の温度に設定す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薄膜の成膜方法。
【請求項５】
前記第１の温度は４００〜６５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項４記載の薄膜の成膜方法。
【請求項６】
前記チタン膜形成工程にて形成される前記チタン膜の膜厚は１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項７】
前記窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で前記第２の窒化チタン膜を堆積させるようにした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薄膜の成膜方法。
【請求項８】
前記窒素ガスの流量Ｙ１ と、前記プラズマを生成するために投入する高周波電力Ｘ１ との関係が、前記チタン化合物ガスの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ１ と前記高周波電力Ｘ１ とが設定されていることを特徴とする請求項７記載の薄膜の成膜方法。
【請求項９】
前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの流量が２０ｓｃｃｍ以下の時には、下記の数１であることを特徴とする請求項８記載の薄膜の成膜方法。
Ｙ１ ≦７．６２・１０−４・Ｘ１ ２ −２．３７・Ｘ１ ＋２．０２・１０３ …（数１）
【請求項１０】
前記窒素ガスの流量Ｙ１ の下限は１ｓｃｃｍであることを特徴とする請求項９記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１１】
前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ と、前記プラズマを形成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ２ との関係が、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ２ と前記高周波電力Ｘ２ とが設定されていることを特徴とする請求項７記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１２】
前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ 以下の時には、下記の数２であることを特徴とする請求項１１記載の薄膜の成膜方法。
Ｙ２ ≦５．３９・１０−１・Ｘ２ ２ −２．３７・Ｘ２ ＋２．８６ …（数２）
【請求項１３】
前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ の下限は、１．４１５・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ であることを特徴とする請求項１２記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１４】
前記窒素ガスの分圧Ｙ３ と、プラズマを生成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ３ との関係が、前記チタン化合物ガスの分圧に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記分圧Ｙ３ と前記高周波電力Ｘ３ とが設定されていることを特徴とする請求項７記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１５】
前記所定の関係式は、チタン化合物ガスの分圧が２．３７Ｐａ以下の時には、下記の数３であることを特徴とする請求項１４記載の薄膜の成膜方法。
Ｙ３ ≦２８．９・Ｘ３ ２ −１４０・Ｘ３ ＋１．８７・１０２ …（数３）
【請求項１６】
前記窒素ガスの分圧Ｙ３ の下限は、０．１２Ｐａであることを特徴とする請求項１５記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１７】
前記チタン膜形成工程と前記窒化工程と前記窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１８】
前記チタン化合物ガスは、四塩化チタンガスであることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１９】
前記還元ガスは、水素ガスであることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項２０】
前記チタン膜堆積工程の後に、前記被処理体の表面にタングステン膜を形成して前記凹部を埋め込むタングステン膜形成工程を行うことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項２１】
表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、
前記被処理体を収容する処理容器と、
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が設けられた載置台と、
前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、
前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内を真空排気する排気系と、
前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するために装置全体を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項２２】
被処理体を収容する処理容器と、
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が設けられた載置台と、
前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、
前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内を真空排気する排気系と、
前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
装置全体を制御する制御部とを備えた成膜装置を用いて表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成するに際して、
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するように装置全体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ことを特徴とする記憶媒体。
【請求項１】
表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面にチタン化合物ガスと還元ガスとを用いてチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、
窒化ガスを用いて前記チタン膜を全て窒化して第１の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、
前記凹部の内面を含む前記被処理体の表面に第２の窒化チタン膜を堆積させて形成する窒化チタン膜堆積工程と、
を有することを特徴とする薄膜の成膜方法。
【請求項２】
前記チタン膜形成工程と前記窒化工程とを交互に複数回繰り返した後に前記窒化チタン膜堆積工程を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の薄膜の成膜方法。
【請求項３】
前記チタン膜形成工程と前記窒化工程は、それぞれプラズマの存在下で行われることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜の成膜方法。
【請求項４】
前記凹部の底部には、シリコンを含む導電層が露出しており、前記チタン膜形成工程では前記導電層のシリコンと前記チタン膜のチタンとが反応してチタンシリサイド層が形成されるように前記被処理体を第１の温度に設定す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薄膜の成膜方法。
【請求項５】
前記第１の温度は４００〜６５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項４記載の薄膜の成膜方法。
【請求項６】
前記チタン膜形成工程にて形成される前記チタン膜の膜厚は１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項７】
前記窒化チタン膜堆積工程では、チタン化合物ガスと還元ガスと窒素ガスとプラズマ安定用ガスとを用いてプラズマの存在下で前記第２の窒化チタン膜を堆積させるようにした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薄膜の成膜方法。
【請求項８】
前記窒素ガスの流量Ｙ１ と、前記プラズマを生成するために投入する高周波電力Ｘ１ との関係が、前記チタン化合物ガスの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ１ と前記高周波電力Ｘ１ とが設定されていることを特徴とする請求項７記載の薄膜の成膜方法。
【請求項９】
前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの流量が２０ｓｃｃｍ以下の時には、下記の数１であることを特徴とする請求項８記載の薄膜の成膜方法。
Ｙ１ ≦７．６２・１０−４・Ｘ１ ２ −２．３７・Ｘ１ ＋２．０２・１０３ …（数１）
【請求項１０】
前記窒素ガスの流量Ｙ１ の下限は１ｓｃｃｍであることを特徴とする請求項９記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１１】
前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ と、前記プラズマを形成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ２ との関係が、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記流量Ｙ２ と前記高周波電力Ｘ２ とが設定されていることを特徴とする請求項７記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１２】
前記所定の関係式は、前記チタン化合物ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量が２．８３１・１０−２ｓｃｃｍ／ｃｍ２ 以下の時には、下記の数２であることを特徴とする請求項１１記載の薄膜の成膜方法。
Ｙ２ ≦５．３９・１０−１・Ｘ２ ２ −２．３７・Ｘ２ ＋２．８６ …（数２）
【請求項１３】
前記窒素ガスの前記被処理体の単位面積当りの流量Ｙ２ の下限は、１．４１５・１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２ であることを特徴とする請求項１２記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１４】
前記窒素ガスの分圧Ｙ３ と、プラズマを生成するために投入する前記被処理体の単位面積当りの高周波電力Ｘ３ との関係が、前記チタン化合物ガスの分圧に依存して定まる所定の関係式を満たすように前記分圧Ｙ３ と前記高周波電力Ｘ３ とが設定されていることを特徴とする請求項７記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１５】
前記所定の関係式は、チタン化合物ガスの分圧が２．３７Ｐａ以下の時には、下記の数３であることを特徴とする請求項１４記載の薄膜の成膜方法。
Ｙ３ ≦２８．９・Ｘ３ ２ −１４０・Ｘ３ ＋１．８７・１０２ …（数３）
【請求項１６】
前記窒素ガスの分圧Ｙ３ の下限は、０．１２Ｐａであることを特徴とする請求項１５記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１７】
前記チタン膜形成工程と前記窒化工程と前記窒化チタン膜堆積工程とは同一の成膜装置内で行われることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１８】
前記チタン化合物ガスは、四塩化チタンガスであることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項１９】
前記還元ガスは、水素ガスであることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項２０】
前記チタン膜堆積工程の後に、前記被処理体の表面にタングステン膜を形成して前記凹部を埋め込むタングステン膜形成工程を行うことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法。
【請求項２１】
表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、
前記被処理体を収容する処理容器と、
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が設けられた載置台と、
前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、
前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内を真空排気する排気系と、
前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するために装置全体を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項２２】
被処理体を収容する処理容器と、
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が設けられた載置台と、
前記処理容器内へガスを導入すると共に上部電極として兼用されるシャワーヘッド部と、
前記シャワーヘッド部に接続されて必要なガスを供給するガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内を真空排気する排気系と、
前記処理容器内でプラズマを形成するために高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
装置全体を制御する制御部とを備えた成膜装置を用いて表面に凹部が形成されている被処理体の表面に薄膜を形成するに際して、
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の薄膜の成膜方法を実施するように装置全体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ことを特徴とする記憶媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１６１３６（Ｐ２０１０−１６１３６Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７４０１７（Ｐ２００８−１７４０１７）
【出願日】平成２０年７月２日（２００８．７．２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２日（２００８．７．２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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