JP2002167672A - 成膜方法 - Google Patents
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Abstract
膜、金属酸化物膜および金属窒化物膜を制御性よく堆積
する。 【解決手段】 バブラー5内に有機金属原料としてTa
[N(C2H5)2]46を収容し、ヒータ7で暖めながら
H2ガス流して有機金属原料ガスを成膜室1内に輸送す
る。そしてヒータブロック2上の基板4上にTa膜を形
成する。Ta酸化膜を形成する場合には、Ta[N(C
2H5)2]4と共にO2を成膜室1内に供給する。またT
a窒化膜を形成する場合には、Ta[N(C2H5)2]4
と共にNH 3を成膜室1内に供給する。
Description
装置を製造する際に用いる成膜技術に関し、特に、CV
D(化学気相成長)法を用いて金属膜、金属酸化物膜お
よび金属窒化物膜を成膜する方法に関するものである。
ムLSIなどの半導体装置や、液晶ならびにプラズマデ
ィスプレイやプリント基板などの電子装置では、配線や
絶縁膜、バリア膜などを構成する金属(本明細書におい
て金属はSiを含むものとする)膜、金属酸化膜、金属
窒化膜が用いられている。これらの膜は、スパッタ法、
真空蒸着法、鍍金法などで成膜されることが多い。これ
らの成膜方法のうち、スパッタ法および真空蒸着法は比
較的簡便な成膜方法であるが、平坦な面上には均一な成
膜が可能なものの、凹凸面への均一な成膜は困難であ
る。特に、深い穴や溝の底および側壁への成膜は困難で
ある。また、鍍金法は凹凸面にも均一な成膜が可能であ
るが、一般に成膜速度が速いため薄膜の形成を制御する
ことが難しい。また、薬液に浸す湿式の成膜方法であ
り、所望しない部分にも金属を含む薬液が回りこみ汚染
の原因となる。
て、CVD (Chemical Vapor Deposition)法、特に大気
圧以下の雰囲気圧力で成膜するLPCVD(Low Pressu
re CVD)法は、凹凸面にも制御性良く薄膜を堆積するこ
とが出来る成膜方法であるが、気相で原料を成膜面にま
で輸送することが出来る原料が必要である。
る方法としては、Cl(塩素)等のハロゲンを金属と反
応させた金属ハロゲン化物を用いる方法と、TMA(ト
リメチルアルミニウム)、TEA(トリエチルアルミニ
ウム)等の有機金属を用いるMOCVD(Metal Organi
c CVD)法があるが、金属ハロゲン化物を用いる方法で
は、得られた膜中にCl等のハロゲンが残留するため長
時間の使用のためには腐食などによる劣化が懸念され
る。また、有機金属を用いるMOCVD法は、残留ハロ
ゲンによる劣化の心配はないが、適当な有機金属原料の
選択と合成が重要な課題となり、必ずしも所望の金属材
料に対して適切な有機金属原料が存在しているとは限ら
ない。
点を解決することであって、その目的は、半導体装置や
電子装置の成膜面に凹凸があっても、金属およびその化
合物を制御性と均一性良く堆積することができるように
して、良好な性能をもつ半導体装置や電子装置を製造で
きるようにすることである。
め、本発明によれば、成膜室内に、少なくとも1種若し
くは複数種のM[N(C2H5)2]4(但し、Mは金属
(Siを含む、以下同じ)元素)にて表される有機物原
料を導入し、化学的気相成長(CVD)法にて、金属
膜、若しくは、金属化合物膜を堆積し、堆積後に堆積中
の温度よりも高い温度にて熱処理を行うことを特徴とす
る成膜方法、が提供される。そして、好ましくは、前記
Mが、Hf、Ta、Zr、Ti、Siの中の何れかであ
る。そして、金属酸化物膜を形成するときには、前記成
膜室内に、前記有機物原料と同時に、O2 、N2O、N
O、H2Oの中の1種若しくは複数種を供給し、また、
金属窒化物膜を形成するときには、前記成膜室内に、前
記有機物原料と同時に、N2 、NH3の中の何れか一方
若しくは両方を供給する。
施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形
態を説明するための、成膜装置の一例を示す模式図であ
る。本発明においては、例えば、図1に示すコールドウ
ォール型のLPCVD装置を用いて成膜が行われる。成
膜室1内には、基板を加熱するためのヒータブロック2
が設置されており、その上に基板台3を介して基板4が
搭載される。成膜時の基板4の温度は、ヒータブロック
2内のヒータにより例えば100〜600℃に制御す
る。ステップカバレッジが優先される場合には、450
℃以下、より好ましくは400℃以下の基板温度が選択
される。バブラー5内に原料として例えばTa[N(C
2H5)2]46を供給し、ヒータ7で暖めながらキャリア
ガスであるH2ガスを流して原料ガスを成膜室1へ輸送
する。原料ガスの供給量は、H2ガスの流量をマスフロ
ーコントローラ8aにより調節することにより制御す
る。成膜室1内部は、オリフィス9を介してターボ分子
ポンプ10とロータリーポンプ11の組み合わせにより
排気され、膜堆積時の成膜室内圧力はこれらにより例え
ば1〜100Torr(133.3〜13332Pa)
に制御される。
原料ガスとしてはTa[N(C2H5)2]4のみが供給さ
れる〔但し、後述するようにTa[N(C2H5)2]4に
はNC2H5Ta[N(C2H5)2]3が混入している〕。
Ta膜に代え他の金属膜であるHf(ハフニウム)膜、
Zr(ジルコニウム)膜、Ti(チタン)膜、Si(シ
リコン)膜を形成する場合には、原料ガスとしてHf
[N(C2H5)2]4、Zr[N(C2H5)2]4、Ti
[N(C2H5)2]4またはSi[N(C2H5)2]4を供
給する。また、これらの金属の合金膜を形成する場合に
はこれらの中の複数の原料を同時に供給する。例えばT
iSiを形成する場合にはTi[N(C2H5)2]4ガス
とSi[N(C2H5)2]4ガスとを同時に成膜室内に供
給する。金属(合金を含む)膜の成膜後、成膜時の温度
より例えば50〜200℃高い温度にて熱処理を行う。
これにより膜中に遊離して残存するC、N等を放出させ
て膜質の緻密化やシート抵抗の低減等を図ることができ
る。この熱処理は、400℃以上の温度にて行うことが
望ましい。これ以下の温度では膜質の改善を十分に行う
ことが難しいからである。この膜堆積後の熱処理は、成
膜室1内において膜堆積に引き続いて行うことができる
が、成膜室から取り出してランプアニーラ等を用いて熱
処理を行うようにしてもよい。
(C2H5)2]4(但し、Mは金属元素)と共に基板4上
に酸素を供給できる原料、例えばO2 を成膜室1に供給
する。O2 ガスの流量はマスフローコントローラ8bに
より調整する。例えばTa2 O5 膜を形成する場合に
は、Ta[N(C2H5)2]4ガスと共にO2 を成膜室へ
導入する。O2 に代えN2O、NO、H2Oを用いてもよ
く、またこれらの酸化性ガスの中の複数種を同時に供給
するようにしてもよい。合金の酸化物膜ないし金属酸化
物の混合物膜を形成する場合には、複数種のM[N(C
2H5)2]4と共に酸化性ガスを供給する。
(C2H5)2]4(但し、Mは金属元素)と共に基板4上
に窒素を供給できる原料例えばNH3 を成膜室1に導入
する。NH3 ガスの流量はマスフローコントローラ8c
により調整する。例えばTiN膜を形成する場合には、
Ti[N(C2H5)2]4ガスと共にNH 3 を成膜室へ導
入する。NH3 に代えN2 を用いてもよく、またNH3
ガスとN 2 ガスの両方を同時に供給するようにしてもよ
い。合金の窒化物膜ないし金属窒化物の混合物膜を形成
する場合には、複数種のM[N(C2H5)2]4と共に窒
化性ガスを供給する。
金属原料をクロマトグラフィ法等の手法を用いて分析し
た結果判った分子構造である。この有機原料には実際に
は2種類の異なった構造を持つ分子が混在していること
が明らかとなった。Taの代わりに中心の金属元素Mが
Hf、Zr、Ti、Siの場合には、図3に示すよう
に、M[N(C2H5)2]4の構造であった。
を参照して詳細に説明する。 [実施例1]実施例1として、図1に示すLPCVD装
置により、Ta[N(C2H5)2]4ガスを原料ガスに用
いてTa膜を成膜した。基板4には未処理のSi基板、
Si基板表面を熱酸化して作成したSiO2基板、Si
基板に幅2.0μm、深さ5μm(アスペクト比=2.
5)の溝を加工した基板を用いた。配管内部での原料ガ
スの液化を防ぐため、バブラー5から成膜室1までの配
管を図示しない手段で約80℃に加熱した。本実施例に
おいて、基板温度をヒータブロック2内のヒータを制御
して100〜600℃と変化させ、ヒータ7の温度を6
0℃に保持し、マスフローコントローラ8aによりH2
ガス流量を10sccmに調整した。また、成膜室1内
の圧力を10Torr(1333Pa)に保持した。膜
堆積後、温度を成膜温度より50〜200℃上昇させ
て、1秒から1時間の熱処理を加えた。
(scanning electron microscope; 走査顕微鏡)観察に
より、膜の抵抗値は4探針法測定により、膜の結晶構造
はTEM(transparent electron microscope;透過顕微
鏡)観察により、膜中の不純物はSIMS(secondary
ion mass spectroscopy; 二次イオン質量分析)によ
り、それぞれ調べた。堆積温度400℃以下では温度の
減少に伴い成長速度の急速な低下が見られたが、400
℃以上では基板温度によらずほぼ一定の成長速度が得ら
れた。溝を加工した基板に成膜した後SEMで観察した
結果によれば、基板温度400℃以下では溝の上部、底
および側面のどの場所もほぼ一定の膜厚が達成されてい
ることが確認された。この結果は比較のために行った従
来法であるスパッタ法ではまったく達成できない優れた
特徴である。基板温度を450℃まで上げると、ステッ
プカバレッジの指標である溝底部膜厚/平坦部膜厚は
0.75程度にまで低下したが、バリア性を確保するに
必要となる膜厚は十分に得ることができた。
板温度400〜600℃において、0.01−1.0Ω
・cmを得ることができた。よって、本発明により、L
SIのバリア膜を形成するに必要となるステップカバレ
ッジと低抵抗の両特性を備えた膜を形成できることが分
かった。但し、堆積後の後熱処理を行わない試料につい
ては、膜中の残留Cも多く膜の密度も低いため、抵抗値
も熱処理後の10〜100倍の値を示した。SIMSを
用いた分析によれば、得られた膜はTaに少量のCおよ
びNが含まれた組成を示し、Cl等の膜の劣化に寄与す
る成分は見られなかった。また、TEMによる解析によ
れば400℃で堆積した膜は非晶質構造であった。
2H5)2]4、Zr[N(C2H5)2]4、Ti[N(C2
H5)2]4、Si[N(C2H5)2]4を用いても、それ
ぞれの特性に応じてバブラー5のヒータ7の温度をそれ
ぞれの原料にふさわしい値に選ぶことで、Ta[N(C
2H5)2]4の場合と同様に成膜を行うことが出来た。さ
らに、2種類以上の原料を同時に供給することで合金膜
を形成することができた。この合金成膜に関しては、他
の方法に比べて、原料の構造が類似するものを使うこと
で、組成の制御が容易であるなどの利点が得られた。
に示すLPCVD装置を用い、その他の条件を同じにし
て、Ta[N(C2H5)2]4と同時にO2 をマスフロー
コントローラ5bにより流量を毎分0.01〜1000
mlに調整して成膜室内に供給したところ、Ta酸化物
膜を成膜することができた。膜中の酸素量はO2流量の
増加に伴い増加し、化学量論的な値で飽和した。また、
誘電率にも同様の変化が見られた。Ta[N(C2H5)
2]4に代え、Hf[N(C2H5)2]4、Zr[N(C2
H5)2]4、Ti[N(C2H5)2]4、Si[N(C2H
5)2]4等と同時にO2を供給したところ、それぞれの材
料の金属酸化物膜を成膜することができた。また、これ
らの材料についても膜中の酸素量はO2流量の増加に伴
い増加し、化学量論的な値で飽和した。さらに、実施例
1の場合と同様に、2種類以上の原料を同時に供給する
ことによって、合金の酸化物が得られた。
率を持ち、半導体装置や電子装置で誘電体として利用す
ることが可能である。また、他の金属とSiの合金から
なる酸化物はシリケートと呼ばれ、熱的に安定なことが
知られている。さらにO2の代わりに、またはO2と同時
にN2O、NO、H2O等を供給しても同様に金属酸化物
膜が得られた。比較のために堆積したスパッタ法による
膜に比べて、トレンチ穴などへの回り込みが良く、どの
ような面にも均一な成膜が出来ることと、Cl等の信頼
性への影響が懸念される残留不純物が存在しないこと、
さらに堆積後の熱処理によって密度が向上し、そのほか
の特性も改善したことは実施例1と同様であった。
に示すLPCVD装置を用い、その他の条件を同じし
て、Ta[N(C2H5)2]4と同時に、マスフローコン
トローラ8cにより流量を毎分0.01〜1000ml
に調整してNH3を成膜室1内に供給したところ、Ta
窒化物膜が成膜された。膜中の窒素量はNH3流量の増
加に伴い増加し、化学量論的な値で飽和した。また、T
a[N(C2H5)2]4に代え、Hf[N(C
2H5)2]4、Zr[N(C2H5)2]4、Ti[N(C2
H5)2]4、Si[N(C2H5)2]4等と同時に毎分
0.01〜1000mlのNH3を供給したところ、そ
れぞれの材料の金属窒化物膜を成膜することができた。
これらの材料の金属窒化物膜においても膜中の窒素量は
NH3流量の増加に伴い増加し、化学量論的な値で飽和
した。さらに、実施例1の場合と同様に2種類以上の原
料を同時に供給することによって、合金の窒化物が得ら
れた。
の拡散を阻止する能力が高く、半導体装置や電子装置で
バリア膜として利用することが可能である。図4は、S
i基板上にTiN(チタン窒化物)薄膜を400℃にて
0.1μmの膜厚に堆積し470℃にて30分の熱処理
を行った後その上にCuを堆積し、その後550℃、1
時間の後熱処理を行って、TiN薄膜のCuに対するバ
リア性能を評価した結果を示す図である。横軸に深さを
とり、縦軸にCu濃度をとった。この図から明らかなよ
うに、TiN薄膜によりCuの拡散が阻止されているこ
とが分かる。また、NH3の代わりにN2 を用いてもあ
るいはNH3と同時にN2を供給しても同様に金属窒化物
膜が得られた。比較のために堆積したスパッタ法による
膜に比べて、トレンチ穴などへの回り込みが良く、どの
ような面にも均一な成膜が出来ることと、Cl等の信頼
性への影響が懸念される残留不純物が存在しないこと、
さらに堆積後の熱処理によって密度が向上し、そのほか
の特性も改善したことは実施例1および実施例2と同様
に確認された。
明したが、本発明は、これら実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱することのない範囲内にお
いて適宜の変更が可能なものである。
膜、金属酸化物膜若しくは金属窒化物膜の成膜方法は、
有機金属原料にHf[N(C2H5 )2]4、Ta[N
(C2H5)2]4、Zr[N(C2H5)2]4、Ti[N
(C2H5)2]4、Si[N(C2H5)2]4を用い、さら
にこの各金属膜を堆積後に堆積中の温度より高い温度で
熱処理を行うものであるので、半導体装置や電子装置の
製造に欠かせない、金属およびその化合物(酸化物、窒
化物など)を凹凸面にも制御性良く堆積することが可能
となり、良好な性能をもつ半導体装置および電子装置を
製造することが可能になる。
のLPCVD装置の模式図。
(その1)。
(その2)。
対するバリア性能を表す図。
Claims (12)
- 【請求項1】 成膜室内に、少なくとも1種若しくは複
数種のM[N(C2H5)2]4(但し、Mは金属(Siを
含む、以下同じ)元素)にて表される有機物原料を導入
し、化学的気相成長(CVD)法にて、金属(合金を含
む)膜、若しくは、金属化合物膜を堆積し、堆積後に堆
積中の温度よりも高い温度にて熱処理を行うことを特徴
とする成膜方法。 - 【請求項2】 前記Mが、Hf、Ta、Zr、Ti、S
iの中の何れかであることを特徴とする請求項1記載の
成膜方法。 - 【請求項3】 前記MがTaであるとき、Ta[N(C
2H5)2]4に加えてN(C2H5)Ta[N(C
2H5)2]3が成膜室内に導入されることを特徴とする請
求項1記載の成膜方法。 - 【請求項4】 金属膜の堆積を行い、堆積後の前記熱処
理を真空中もしくは酸素を含まない雰囲気中にて行うこ
とを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の成膜方
法。 - 【請求項5】 前記成膜室内に、前記有機物原料と同時
に、O2 、N2O、NO、H2Oの中の1種若しくは複数
種を供給して金属酸化物膜を堆積することを特徴とする
請求項1〜3の何れかに記載の成膜方法。 - 【請求項6】 金属酸化物膜堆積後の前記熱処理を、酸
素を含む雰囲気中にて行うことを特徴とする請求項5記
載の成膜方法。 - 【請求項7】 前記成膜室内に、前記有機物原料と同時
に、N2 、NH3の中の何れか一方若しくは両方を供給
して金属窒化物膜を堆積することを特徴とする請求項1
〜3の何れかに記載の成膜方法。 - 【請求項8】 金属窒化物膜堆積後の前記熱処理を、窒
素を含む雰囲気中にて行うことを特徴とする請求項7記
載の成膜方法。 - 【請求項9】 前記有機物原料に対するキャリアガスと
してH2を用いることを特徴とする請求項1〜8の何れ
かに記載の成膜方法。 - 【請求項10】 膜堆積を450℃以下の温度で行うこ
とを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載の成膜方
法。 - 【請求項11】 前記熱処理を400℃以上の温度で行
うことを特徴とする請求項1〜10の何れかに記載の成
膜方法。 - 【請求項12】 前記熱処理を堆積時の温度より50〜
200℃高い温度で行うことを特徴とする請求項1〜1
1の何れかに記載の成膜方法。
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