JP2004218053A

JP2004218053A - Thin film deposition method, and thin film deposition system

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Publication number: JP2004218053A
Application number: JP2003010070A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kawanami; 博河南; Tadahiro Ishizaka; 忠大石坂; Yasuhiko Kojima; 康彦小島; Yasuhiro Oshima; 康弘大島; Takashi Shigeoka; 隆重岡
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: JP3973567B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To quickly deposit a thin film of high quality, as for a thin film deposition method and a thin film deposition system where film deposition is performed by alternatively feeding gases as raw materials. SOLUTION: In the thin film deposition method where TiCl4 as a gaseous starting material and NH<SB>3</SB>as a reaction gas are reacted to deposit a TiN thin film on a substrate, the NH<SB>3</SB>is irradiated with light with wavelength causing predissociation so as to be excited, and is then reacted with the gaseous starting material. COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に係り、特に原料となるガスを交互に供給することにより成膜を行なう薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体集積回路の微細化，高集積化に伴い，基板（例えば半導体基板）上に形成する絶縁膜および金属配線膜等に対しては，薄膜化、不純物が存在しない高品質な成膜、ウェハ全体に対し巨視的に均一な成膜、ナノメートルレベルの微視的に平滑な成膜等が望まれている。しかしながら、従来の化学的気相成長法（ＣＶＤ法）では，上記した要求の内、一部の要望を満たし切れない状況にある。
【０００３】
一方、これらの要望を満たす成膜方法として成膜時に複数種の原料ガスを１種類ずつ交互に供給することで、原料ガスの反応表面への吸着を経由して原子層・分子層レベルで成膜を行ない、これらの工程を繰り返して所定の厚さの薄膜を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
具体的には，第１の原料ガスを基板上に供給し、その吸着層を基板上に形成する。その後に、第２の原料ガスを基板上に供給し反応させる。この方法によれば、第１の原料ガスが基板に吸着した後第２の原料ガスと反応するため、成膜温度の低温化を図ることができる。また、ホールに成膜するにあたっては、従来のＣＶＤ法で問題となっていたような、原料ガスがホール上部で反応消費されることによる被覆性の低下を避けることもできる。
【０００５】
また、吸着層の厚さは、一般に原子・分子の単層或いは多くても２〜３層であるが、その温度と圧力で決定され、吸着層を作るのに必要以上の原料ガスが供給されると排出されるという自己整合性を持っているので、極薄膜の厚さを制御するのに良い。また、１回の成膜が、原子層・分子層レベルで行われるため反応が完全に進行し易く、膜中に不純物が残留しにくくなり好適である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−８９８７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記した手法を用いて基板上に窒化チタン（ＴｉＮ）を成膜する場合を想定する。ＴｉＮ膜を成膜する場合、原料ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）を用い、反応ガスとしてはアンモニア（ＮＨ_３）を用いる。そして、このＴｉＣｌ_４とＮＨ_３を、例えば基板温度１００〜２５０℃，反応時の処理容器内の全圧を１５〜２００Ｐａで処理することにより基板上にＴｉＮ膜を形成することができる。
【０００８】
しかしながらＴｉＣｌ_４は熱的に安定した物質であるため、基板表面に吸着しにくい。このように、熱に対して非常に安定していて分解しにくい原料ガスを用いる場合、基板表面への吸着量が低下し、よって成膜速度が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
また、基板の全面に均一にＴｉＣｌ_４が吸着されない場合が発生し、これに起因して成膜される薄膜の品質が低下してしまうという問題点があった。更に、安定状態（励起していない状態）のＮＨ_３を処理容器内に供給するだけでは、十分な反応速度を得ることができず、これによっても成膜速度が低下してしまう。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、高品質の薄膜を迅速に形成しうる薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１記載の発明は、原料ガスとＮＨ_３とを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成方法において、前記ＮＨ_３が前期解離を起こす波長の光を該ＮＨ_３に照射し、該ＮＨ_３を励起することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の薄膜の形成方法において、前記ＮＨ_３に照射する光の波長が１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の範囲であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の薄膜の形成方法において、前記原料ガスと前記ＮＨ_３とを処理容器内に交互に供給することを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法において、前記原料ガスがＴｉＣｌ_４であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、原料ガスとＮＨ_３とを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成装置において、前記ＮＨ_３が前期解離を起こす波長の光を該ＮＨ_３に照射する光照射手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の薄膜の形成装置において、前期光照射手段は、１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の波長の光をＮＨ_３に照射する構成であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、ＴｉＣｌ_４と反応ガスとを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成方法において、前記ＴｉＣｌ_４が解離を起こす波長の光を該ＴｉＣｌ_４に照射し、該前記ＴｉＣｌ_４を励起することを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の薄膜の形成方法において、前記ＴｉＣｌ_４に照射する光の波長が、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、及び４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲から選択される少なくとも一つの範囲を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項９記載の発明は、請求項７または８記載の薄膜の形成方法において、前記ＴｉＣｌ_４と前記反応ガスを前記処理容器に交互に供給することを特徴とするものである。
【００２１】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法において、前記反応ガスがＮＨ_３であることを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項１１記載の発明は、ＴｉＣｌ_４と反応ガスとを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成装置において、前記ＴｉＣｌ_４が解離を起こす波長の光を該ＴｉＣｌ_４に照射する光照射手段を設けたことを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の薄膜の形成装置において、前期光照射手段は、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、及び４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲から選択される少なくとも一つの範囲の波長の光をＴｉＣｌ_４に照射する構成であることを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１は、本発明の第１実施例である薄膜形成装置を示している。本実施例では、薄膜形成装置としてＣＶＤ装置を例に挙げている。
【００２５】
また、本実施例では窒化チタン（ＴｉＮ）を化学気相成長法によりウェハＷ上に成膜する処理を例に挙げて説明するものとする。具体的には、本実施例では原料ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを用い、反応ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを用い、このＴｉＣｌ_４ガスとＮＨ_３ガスを反応させることによりＴｉＮ膜を成膜する。尚、本実施例では、ＴｉＣｌ_４ガス及びＮＨ_３ガスを処理容器３０に搬送するキャリアガスとして窒素（Ｎ_２）ガスを用いている。
【００２６】
同図に示す薄膜形成装置は、大略するとガス供給源１０Ａ〜１０Ｃ、光照射装置２０Ａ、処理容器３０、サセプタ３３、及び制御装置６０等により構成されている。
【００２７】
ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃは、ガス供給通路１１〜１４を介して処理容器３０内に後述する原料ガス等を供給する。即ち、ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃは、処理容器３０内でウェハＷに所定の成膜処理を施すためのガスをそれぞれ供給する。
【００２８】
ガス供給源１０Ａは、ガス供給通路１１を介して原料ガスとなるＴｉＣｌ_４ガスを処理容器３０に向け供給する。ガス供給通路１１にはバルブＶ１が設けられており、ＴｉＣｌ_４ガスの流量はバルブＶ１の開閉により制御される。尚、このバルブＶ１の駆動は、後述する制御装置６０により制御される。
【００２９】
ガス供給源１０Ｂは、ガス供給通路１２を介して反応ガスとなるＮＨ_３ガスを処理容器３０に向け供給する。ガス供給通路１１にはバルブＶ２が設けられており、ＮＨ_３ガスの流量はバルブＶ２の開閉により制御される。尚、このバルブＶ２の駆動も、後述する制御装置６０により制御される。
【００３０】
更に、ガス供給源１０Ｃは、ガス供給通路１３，１４を介してキャリアガスであるＮ_２ガスを処理容器３０に向け供給する。ガス供給通路１３はガス供給源１０Ａに接続されたガス供給通路１１に連通しており、またガス供給通路１３にはバルブＶ３が設けられている。
【００３１】
一方、ガス供給通路１４はガス供給源１０Ｂに接続されたガス供給通路１２に連通しており、またガス供給通路１４にはバルブＶ４が設けられている。Ｎ_２ガスの流量は、各バルブＶ３，Ｖ４の開閉により制御される。このバルブＶ３，Ｖ４の駆動も、後述する制御装置６０により制御される。尚、図示しないが、ガス供給通路１１，１２には、上記した各種のガスの流量制御を行なうマスフローコントローラー等が設けられている。
【００３２】
処理容器３０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス等の金属よりなり、Ａｌを用いる場合は容器内部にアルマイト処理等の表面処理が施されている。この処理容器３０は、被処理基板であるウェハＷを保持する、例えばＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３のセラミック材料からなり、内部にヒータ３３Ａを埋設するサセプタ３３を有する。サセプタ３３は、サセプタ支持部３１，３２により処理容器３０の底部に固定される。
【００３３】
処理容器３０の底部には、排気ライン３５に接続する排気口３４が設けられている。また、排気ライン３５には、排気手段であるターボ分子ポンプ３７が接続されており、処理容器３０内を真空排気することが可能な構成となっている。更に、排気ライン３５には、コンタクタンスを変化させて処理容器３０内の圧力を調整することが可能であるＡＰＣ３６が設置されている。
【００３４】
一方、処理容器３０の側部には、処理容器内の圧力を測定する圧力計３８が取り付けられている。この圧力計３８が測定する圧力値は、制御装置６０に送られる構成となっている。このように、圧力計３８が測定する圧力値が制御装置６０にフィードバックされることにより、制御装置６０にはＡＰＣ３６のコンダクタンスを調整して処理容器３０内の圧力を所望の値に制御しうる構成となっている。
【００３５】
また、処理容器３０の上部には、拡散室４０Ａを有するシャワーヘッド４０が設置されている。このシャワーヘッド４０には、ガスライン１１，１２が接続されている。
【００３６】
光照射装置２０Ａは、処理容器３０のウェハＷと対向する位置に配置されている。この光照射装置２０Ａは、複数の光源２５Ａを有している。この光源２５Ａは、処理容器３０に供給されるガスに対し光を照射する構成とされている。
【００３７】
本実施例では、光源２５Ａは１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の波長の光を照射し得る構成とされている。この波長範囲の光は、例えばキセノン（Ｘｅ）ランプ、キセノン（Ｘｅ）エキシマランプ、或いはアルゴン（Ａｒ）−フッ素（Ｆ）エキシマランプを用いることにより生成することができる。
【００３８】
本実施例で用いている光の波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）は、反応ガスであるＮＨ_３が前期解離を起こす波長範囲である。この前期解離とは、分子が光により励起した際、当該分子が光を放射する以前に分解する現象をいう。よって本実施例では、光源２５Ａから上記の波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光が、処理容器３０に供給されたＮＨ_３ガスに照射されることにより、ＮＨ_３ガスは前期解離されてＮＨ_２が発生する（ＮＨ_３→ＮＨ_２＋Ｈ）。
【００３９】
尚、ＮＨ_３が上記の波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光を照射されることにより前期解離を起こす現象の詳細については、下記の３件の文献を参照されたい。
・Ａ．Ｅ．Ｄｏｕｇｌａｓ，ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎＦａｒａｄａｙＳｏｃ．３５（１９６３）１５８
・Ｇ．ＤｉＳｔｅｎｆａｎｏｅｔ．ＡｌＴｈｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ６７，Ｎｏ．８（１９７７）３８３２
・Ｖ．Ｍ．ＤＯＮＮＥＬＬＹｓｔ．ａｌ．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ４３（１９７９）２７１
一方、制御装置６０はコンピュータにより構成されており、前記した光照射装置２０Ａ及びバルブＶ１〜Ｖ４等が接続されている。この制御装置６０は、後述する成膜処理プログラムに従い接続された各機器の駆動制御を行ない、これにより良質なＴｉＮ膜を生成する。
【００４０】
尚、制御装置６０は、上記した機器の他にも薄膜形成装置を構成する各種装置の制御を実施する。しかしながら以下の説明においては、本発明の要部となる光照射装置２０Ａ及びバルブＶ１〜Ｖ４の制御処理を主に説明するものとする。
【００４１】
続いて、図１に示される薄膜形成装置を用いて実施されるＴｉＮ膜の成膜方法について説明する。図２は本発明の第１実施例であるＴｉＮ膜を形成する薄膜形成方法を示すフローチャートであり、図３は各バルブＶ１〜Ｖ４及び光源２５Ａの駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【００４２】
ＴｉＮ膜を形成するには、先ずステップ１００（図では、ステップをＳと略称している）において、ウェハＷをサセプタ３３に載置する。サセプタ３３は、前記したステージヒーター３５により加熱されている。このため、サセプタ３３に載置されたウェハＷは加熱が行なわれる。本実施例では、ウェハＷは１００〜２５０℃まで昇温される（ステップ１０２）。
【００４３】
続いて、制御装置６０はバルブＶ３，Ｖ４を開弁する。これにより、ガス供給源１０Ｃからは、キャリアガスであるＮ_２ガスが処理容器３０に向け供給される。また、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、処理容器３０内の圧力は例えば全圧力で２００Ｐａとされる（ステップ１０４）。
【００４４】
上記したサセプタ３３の温度及び処理容器３０内の圧力は、図示しないセンサにより検出され、制御装置６０に送信される構成とされている。そして、ウェハＷの温度及び処理容器３０内圧力が所定値に達したと判断すると、ステップ１０６において、制御装置６０はバルブＶ１を開弁する。これにより、ＴｉＣｌ_４ガスは、キャリアガスであるＮ_２ガスと共にガス供給源１０Ａからガス供給通路１１を介して処理容器３０に供給される。
【００４５】
この処理容器３０へのＴｉＣｌ_４ガスの供給は、所定時間（図３に矢印Ｔ１で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして時間Ｔ１が経過すると、制御装置６０はバルブＶ１を閉弁する（ステップ１０８）。これにより、処理容器３０に対するガス供給源１０ＡからのＴｉＣｌ_４ガスの供給は停止される。この時間Ｔ１において、ＴｉＣｌ_４はウェハＷの表面に吸着する。
【００４６】
尚、前記したようにＴｉＣｌ_４ガスは熱的に安定した物質であるため、熱的処理のみでは分解しにくい特性を有している。このため、単に安定状態にあるＴｉＣｌ_４ガスを処理容器３０に供給してもウェハＷへの吸着量は少なく、よってＴｉＮ膜の成膜速度が遅くなってしまうことも前述した通りである。
【００４７】
ステップ１０６及びステップ１０８の処理によりウェハＷ上にＴｉＣｌ_４が吸着されると、続いて制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、ＴＭＰ３７による真空吸引力を増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未吸着のＴｉＣｌ_４ガスは処理容器３０から排出される（ステップ１１０）。この排気処理は、例えば２秒間（図３に矢印で示す時間Ｔｐ１）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００４８】
ステップ１１０の排気処理が終了すると、続いて制御装置６０は光照射装置２０Ａの光源２５Ａを点灯させる。これにより、ＮＨ_３ガスを前期解離しうる波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光が、光源２５Ａから処理容器３０に向け照射される。
【００４９】
次に、制御装置６０はバルブＶ２を開弁する。これにより、反応ガスであるＮＨ_３ガスはガス供給源１０Ｂからガス供給通路１２を介して処理容器３０に供給される（ステップ１１４）。
【００５０】
この際、ステップ１０６，１０８の処理により、ウェハＷ上にはＴｉＣｌ_４が吸着している。また、ステップ１１０の処理により、処理容器３０内には余剰なＴｉＣｌ_４は存在していない。更に、ステップ１１２の処理により、光源２５から処理容器３０内にはＮＨ_３ガスを前期解離しうる波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光が照射されている。
【００５１】
このため、処理容器３０に供給されたＮＨ_３ガスは、光源２５から上記所定波長の光が照射されることにより励起して前期解離が発生する。これにより、処理容器３０内にはＮＨ_２が発生する。このＮＨ_２は活性の高い、換言すれば反応性の高い分子である。このため、ウェハＷに吸着されたＴｉＣｌ_４は、ＮＨ_２と速やかに反応（窒化）してＴｉＮが成膜される。
【００５２】
このように、温度安定性が高いＴｉＣｌ_４であっても、これと反応するのはＮＨ_３が前期解離することにより生成された活性の高いＮＨ_２であるため反応速度は速い。このため、ＴｉＮ膜の成膜処理は、高いスループットで実施される。また、単に所定波長の光を反応ガスに照射するだけでスループットの向上を図れるため、装置構成の簡単化を図ることができる。
【００５３】
ところで、ＮＨ_３からのＮＨ_２の生成は、プラズマ処理を行なうことにより可能であるが、プラズマ処理では設備コストが上昇してしまうと共に、原料ガスの電子温度の増加とＮＨ_２の生成にムラが発生する可能性があり望ましくない。よって、プラズマ処理に比べ、本実施例のように所定波長の光を照射することによりＮＨ_２の生成する方法の方が、コスト面及び成膜される膜の品質からも効果が大である。
【００５４】
上記の処理容器３０へのＮＨ_３ガスの供給及び光照射装置２０Ａによる所定波長光の照射は、所定時間（図３に矢印Ｔ２で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして、この所定時間が経過すると、制御装置６０はバルブＶ２を閉弁する（ステップ１１６）。これにより、ガス供給源１０Ｂから処理容器３０へのＮＨ_３ガス（反応ガス）の供給は停止される。
【００５５】
また、バルブＶ２の閉弁と同時に、制御装置６０は光照射装置２０Ａの光源２５Ａを消灯する。このように本実施例では、光源２５の点灯時間はバルブＶ２が開弁している時間（即ち、反応ガスが処理容器３０に供給されている時間）と等しくなるよう構成されている。これにより、光源２５から照射される所定波長の光は、処理容器３０に供給されるＮＨ_３ガスのみに照射されることとなる（図３（Ｂ），（Ｃ）参照）。これにより、ＮＨ_３の前期解離処理を円滑かつ確実に行なうことができる。
【００５６】
この所定時間Ｔ２内において、前記したようにウェハＷの表面に吸着しているＴｉＣｌ_４は、前記のように生成されたＮＨ_２と反応し、これによりＴｉＮ膜が生成される。この際に成膜されるＴｉＮ膜は、ウェハＷ上に単層或いは複数層吸着したＴｉＣｌ_４が窒化されることにより生成される膜であるため、原子・分子レベルの薄膜となる。
【００５７】
続いて、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、ＴＭＰ３７による真空吸引力を再び増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未反応のＮＨ_３ガス及びＮＨ_２は、処理容器３０から排出される（ステップ１２０）。この排気処理は、例えば２秒間（図３に矢印で示す時間Ｔｐ２）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００５８】
続いて、制御装置６０はステップ１２２により再び処理をステップ１０６に戻し、以後ステップ１０６〜ステップ１２０の処理を所定回数（例えば、２００回）、繰り返し実施する。２回目以降のステップ１０６，１０８の処理では、下層となるＴｉＮ膜上にＴｉＣｌ_４が吸着される。尚、前記したウェハＷにＴｉＣｌ_４が吸着される１回目の吸着は化学吸着となるが、２回目以降のＴｉＮ膜上へのＴｉＣｌ_４の吸着は物理吸着となる。
【００５９】
また、２回目以降のステップ１１２〜１２０の処理においても、反応ガスとなるＮＨ_３は光源２５により光照射されて前期解離するため、２回目以降の吸着時においても、ＴｉＣｌ_４は反応速度の速いＮＨ_２により反応（窒化）処理がされるため、高いスループットでＴｉＮ膜を成膜することができる。
【００６０】
上記のステップ１０６〜ステップ１２０の処理が所定回数繰り返し実施され、所望の膜厚のＴｉＮ膜が形成されると、処理はステップ１２４に進む。制御装置６０は、このステップ１２４においてバルブＶ３，Ｖ４を閉弁し、ガス供給源１０Ｃから処理容器３０へのＮ_２ガス（キャリアガス）の供給を停止する。
【００６１】
その後、処理容器３０内を大気圧とした上で、ＴｉＮ膜が形成されウェハＷを取り出す。以上説明した一連の処理を実施することにより、良好なＴｉＮ膜を迅速に形成することができる。
【００６２】
ところで上記した実施例では、本願発明を原料ガスとしてＴｉＣｌ_４ガスを用い、これに光照射により反応ガスであるＮＨ_３を前期解離した上でＴｉＣｌ_４と反応させＴｉＮ膜を形成する例について説明したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、種々の原料ガスについて適用できるものである。
例えば、原料ガスとしてＴａＦ_５を用いると共にこれにＮＨ_３を反応させてＴａＮ膜を形成する場合、原料ガスとしてＴａＣｌ_５を用いると共にこれにＮＨ_３を反応させてＴａＮ膜を形成する場合、原料ガスとしてＷＦ_６を用いると共にこれにＮＨ_３を反応させてＷＮ膜を形成する場合、及び原料ガスとしてＳｉＨ_４を用いると共にこれにＮＨ_３を反応させてＳｉＮ膜を形成する場合等にも適用することができる。更に、上記した各原料ガスにＳｉＨ_４等も含めた３（多）成分系の反応による、ＴｉＳｉＮ，ＴａＳｉＮ，ＷＳｉＮ等の各薄膜の形成にも適用することができる。
【００６３】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施例である薄膜形成装置について説明する。本実施例に係る薄膜形成装置は、図１に示した薄膜形成装置に対して光照射装置２０Ｂが異なるのみで他の構成は同一である。そこで、尚、図４において、図１に示した薄膜形成装置と同一構成については同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【００６４】
図１に示した薄膜形成装置では、光照射装置２０Ａを処理容器３０に組み込んだ構成としたが、本変形例では光照射装置２０Ｂをガス供給通路１１に設けた構成としたことを特徴としている。即ち、本実施例では、原料ガスであるＴｉＣｌ_４に光を照射する構成とされている。
【００６５】
光照射装置２０Ｂは、大略すると光源２５Ｂ，透明配管２７、及びリフレクタ２８等により構成されている。光源２５Ｂは、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の内、いずれかの波長の光を照射し得る構成とされている。
【００６６】
尚、本実施例では、１個の光源２５Ｂを設けているため、光源２５Ｂは上記した３つの波長範囲から選択的に一の波長範囲を設定しているが、光源２５Ｂを複数個設ける場合には、上記した各波長範囲を同時に設定する構成とすることも可能である。具体的には、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の波長の光を照射する第１の光源と、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長の光を照射する第２の光源と、４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の光を照射する第３の光源を同時に光照射装置２０Ｂ内に配置することも可能である。
【００６７】
また、上記した各波長範囲の光は、例えばキセノン（Ｘｅ）ランプ、キセノン（Ｘｅ）エキシマランプ、或いはアルゴン（Ａｒ）−フッ素（Ｆ）エキシマランプを用いることにより生成することができる。
【００６８】
上記構成の光源２５Ｂは、ガス供給通路１１と対向するよう配置されている。また、ガス供給通路１１の光源２５Ｂと対向する所定範囲には、透明配管２７が設けられている。よって、光源２５Ｂから照射された上記の所定波長範囲の光は、透明配管２７を透過して透明配管２７内を流れるＴｉＣｌ_４に照射される。尚、リフレクタ２８は光源２５Ｂからの光を効率的に透明配管２７に反射されるものである。
【００６９】
本実施例で用いている光の波長範囲（２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下）は、原料ガスであるＴｉＣｌ_４が解離を起こす波長範囲である。よって、光源２５Ｂから上記の波長範囲の光が、透明配管２７を介してＴｉＣｌ_４ガスに照射されることにより、ＴｉＣｌ_４ガスは解離されてＴｉＣｌ_３或いはＴｉＣｌ_２が発生する。
尚、ＴｉＣｌ_４が上記の波長範囲（２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下）の光を照射されることにより解離を起こす現象の詳細については、Ｐ．ＫｕｂａｔＪ．Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍ．Ｐｈｏｔｏｂｉｏｌ．Ａ：Ｃｈｅｍ．，６３（１９９２）２５７を参照されたい。
【００７０】
続いて、図４に示される薄膜形成装置を用いて実施されるＴｉＮ膜の成膜方法について説明する。図５は本発明の第２実施例であるＴｉＮ膜を形成する薄膜形成方法を示すフローチャートであり、図６は各バルブＶ１〜Ｖ４及び光源２５Ａの駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【００７１】
ＴｉＮ膜を形成するには、先ずステップ２００においてウェハＷをサセプタ３３に載置し、ステップ２０２においてステージヒーター３５によりウェハＷの加熱が行なわれる。続いて、制御装置６０はバルブＶ３，Ｖ４を開弁し、ガス供給源１０ＣからキャリアガスであるＮ_２ガスを処理容器３０に向け供給する。この際、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御しており、これにより処理容器３０内の圧力は例えば全圧力で２００Ｐａとしている（ステップ２０４）。
【００７２】
そして、ウェハＷの温度及び処理容器３０内圧力が所定値に達したと判断すると、制御装置６０は光照射装置２０Ｂの光源２５Ｂを点灯させる（ステップ２０６）。これにより、ＴｉＣｌ_４ガスを解離しうる波長範囲（２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下）の光が、光源２５Ｂから透明配管２７を介してガス供給通路１１内に照射される。
【００７３】
次に、制御装置６０はバルブＶ１を開弁する。これにより、原料ガスであるＴｉＣｌ_４ガスはガス供給源１０Ａからガス供給通路１１を介して処理容器３０に供給される（ステップ２０８）。
【００７４】
この際、前記したように本実施例では、光源２５ＢからＴｉＣｌ_４を解離する波長範囲の光が、透明配管２７を介してガス供給通路１１を流れてくるＴｉＣｌ_４ガスに照射され、これによりＴｉＣｌ_４ガスは励起される。このように、ＴｉＣｌ_４ガスが励起されると解離現象が発生し、ＴｉＣｌ_４はＴｉＣｌ_３或いはＴｉＣｌ_２に解離する。このようにして発生したＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２は、キャリアガスに搬送されて処理容器３０に供給される。
【００７５】
ところで、前記したようにＴｉＣｌ_４ガスは熱的に安定した物質であるため、熱的処理のみでは分解しにくい特性を有している。このため、単に安定状態にあるＴｉＣｌ_４ガスを処理容器３０に供給してもウェハＷへの吸着量は少なく、よってＴｉＮ膜の成膜速度が遅くなってしまうことも前述した通りである。
【００７６】
しかしながら本実施例では、上記のようにＴｉＣｌ_４が励起し解離されることにより生成されたＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２が処理容器３０に供給される。このＴｉＣｌ_３，ＴｉＣｌ_２は、活性の高い、換言すれば吸着力の強い分子である。このため、ＴｉＣｌ_３，ＴｉＣｌ_２はウェハＷに速やかに吸着される。また、ＴｉＣｌ_３，ＴｉＣｌ_２は吸着力が強いため、短時間でウェハＷの全面に均一に吸着される。
【００７７】
この処理容器３０へのＴｉＣｌ_４ガスの供給は、所定時間（図６に矢印Ｔ１で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして時間Ｔ１が経過すると、制御装置６０はバルブＶ１を閉弁する（ステップ２１０）。これにより、処理容器３０に対するガス供給源１０ＡからのＴｉＣｌ_４ガスの供給は停止される。この時間Ｔ１において、ＴｉＣｌ_４はウェハＷの表面に吸着する。
【００７８】
また、ＴｉＣｌ_４ガスの供給は停止されると、制御装置６０は光源２５を消灯する（ステップ２１２）。このように本実施例では、光源２５の点灯時間は、バルブＶ１が開弁している時間（即ち、原料ガスが処理容器３０に供給されている時間）と等しくなるよう構成されている（図６（Ｂ），（Ｃ）参照）。
【００７９】
ステップ２０６及びステップ２１２の処理によりウェハＷ上にＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２が吸着されると、続いて制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することによりＴＭＰ３７による真空吸引力を増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未吸着のＴｉＣｌ_３，ＴｉＣｌ_２，ＴｉＣｌ_４は処理容器３０から排出される（ステップ２１４）。この排気処理は、例えば２秒間（図６に矢印で示す時間Ｔｐ１）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００８０】
ステップ２１４の排気処理が終了すると、制御装置６０はバルブＶ２を開弁する。これにより、反応ガスであるＮＨ_３ガスはガス供給源１０Ｂからガス供給通路１２を介して処理容器３０に供給される（ステップ２１６）。
【００８１】
この際、ステップ２０６〜２１２の処理により、ウェハＷ上にはＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２が均一に吸着している。また、ステップ２１４の処理により、処理容器３０内には余剰なＴｉＣｌ_３，ＴｉＣｌ_２，ＴｉＣｌ_４は存在していない。このため、ウェハＷに吸着されたＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２は、ＮＨ_２と速やかに反応（窒化）してＴｉＮが成膜される。
【００８２】
このように、温度安定性が高いＴｉＣｌ_４であっても、これに解離を行なわせる所定波長を有した光を照射することにより、ウェハＷとの吸着速度を速めることができる。このため、ＴｉＮ膜の成膜処理は、高いスループットで実施される。また、単に所定波長の光を原料ガスに照射するだけでスループットの向上を図れるため、本実施例においても装置構成の簡単化を図ることができる。
【００８３】
上記の処理容器３０へのＮＨ_３ガスの供給は、所定時間（図６に矢印Ｔ２で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして、この所定時間が経過すると、制御装置６０はバルブＶ２を閉弁する（ステップ２１８）。これにより、ガス供給源１０Ｂから処理容器３０へのＮＨ_３ガス（反応ガス）の供給は停止される。
【００８４】
この所定時間Ｔ２内において、前記したようにウェハＷの表面に吸着しているＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２はＮＨ_３と反応し、これによりＴｉＮ膜が生成される。この際に成膜されるＴｉＮ膜は、ウェハＷ上に単層或いは複数層吸着したＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２が窒化されることにより生成される膜であるため、原子・分子レベルの薄膜となる。
【００８５】
続いて、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、ＴＭＰ３７による真空吸引力を再び増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未反応のＮＨ_３ガスは、処理容器３０から排出される（ステップ２２０）。この排気処理は、例えば２秒間（図６に矢印で示す時間Ｔｐ２）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００８６】
続いて、制御装置６０はステップ２２２により再び処理をステップ２０６に戻し、以後ステップ２０６〜ステップ２２０の処理を所定回数（例えば、２００回）、繰り返し実施する。この際、２回目以降のステップ２０６〜２１２の処理においても、原料ガスとなるＴｉＣｌ_４は光源２５により光照射されて解離するため、２回目以降の吸着時においても、ＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２は強い吸着力により速やかにウェハＷに吸着し、よって高いスループットでＴｉＮ膜を成膜することができる。
【００８７】
上記のステップ２０６〜ステップ２２０の処理が所定回数繰り返し実施され、所望の膜厚のＴｉＮ膜が形成されると、処理はステップ２２４に進む。制御装置６０は、このステップ２２４においてバルブＶ３，Ｖ４を閉弁し、ガス供給源１０Ｃから処理容器３０へのＮ_２ガス（キャリアガス）の供給を停止する。
【００８８】
その後、処理容器３０内を大気圧とした上で、ＴｉＮ膜が形成されウェハＷを取り出す。以上説明した一連の処理を実施することにより、良好なＴｉＮ膜を迅速に形成することができる。
【００８９】
ところで上記した実施例では、本願発明を原料ガスであるＴｉＣｌ_４ガスを光照射により解離し、これにより生成されたＴｉＣｌ_３及び／或いはＴｉＣｌ_２をウェハＷに吸着させ、これに反応ガスであるＮＨ_３を反応させてＴｉＮ膜を形成する例について説明したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、種々の反応ガスについて適用できるものである。
例えば、ＴｉＣｌ_４に反応ガスとしてＳｉＨ_４を反応させてＴｉ膜またはチタンシリサイド膜を形成する場合、ＴｉＣｌ_４に反応ガスとしてＨ_２Ｏを反応させてＴｉＯ２膜を形成する場合、ＴｉＣｌ_４に反応ガスとしてＯ_２を反応させてＴｉＯ２膜を形成する場合等にも適用することができる。
【００９０】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、原料ガス或いは反応ガスに光を照射して励起を行なうため、基板への原料ガスの吸着速度及び原料ガスと反応ガスとの反応速度が速くなり、成膜のスループットを高めることができる。また、原料ガスを基板上に均一に吸着させることができるため、成膜される薄膜の品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例である薄膜形成方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施例である薄膜形成方法を実施した場合のバルブ及び光源の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２実施例である薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例である薄膜形成方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施例である薄膜形成方法を実施した場合のバルブ及び光源の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｃガス供給源
１１〜１４ガス供給通路
２０Ａ，２０Ｂ光照射装置
２５Ａ，２５Ｂ光源
２７透明配管
３０処理容器
３３サセプタ
６０制御装置
Ｗウェハ
Ｖ１〜Ｖ４バルブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for forming a thin film, and more particularly, to a method and an apparatus for forming a thin film in which a film is formed by alternately supplying a raw material gas.
[0002]
[Prior art]
With the recent miniaturization and high integration of semiconductor integrated circuits, thinning of insulating films and metal wiring films formed on a substrate (for example, a semiconductor substrate), high-quality film free of impurities, There is a demand for macroscopically uniform film formation over the entire wafer, microscopically smooth film formation at the nanometer level, and the like. However, in the conventional chemical vapor deposition (CVD) method, some of the above requirements cannot be satisfied.
[0003]
On the other hand, as a film formation method that satisfies these demands, a plurality of kinds of source gases are alternately supplied one by one at the time of film formation, so that the source gases are adsorbed on the reaction surface and formed at the atomic layer / molecular layer level. A method of forming a film and repeating these steps to obtain a thin film having a predetermined thickness has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
Specifically, the first source gas is supplied onto the substrate, and the adsorption layer is formed on the substrate. Thereafter, the second source gas is supplied onto the substrate to cause a reaction. According to this method, the first source gas is adsorbed on the substrate and then reacts with the second source gas, so that the film formation temperature can be lowered. Further, when forming a film in a hole, it is possible to avoid a decrease in coverage due to the reaction gas consumption of the raw material gas in the upper portion of the hole, which is a problem in the conventional CVD method.
[0005]
The thickness of the adsorption layer is generally a single layer of atoms or molecules or at most two to three layers, but is determined by the temperature and pressure, and a source gas more than necessary for forming the adsorption layer is supplied. It is self-consistent that it is discharged when it is discharged, which is good for controlling the thickness of the ultra-thin film. Further, since one film formation is performed at the atomic layer / molecular layer level, the reaction easily proceeds, and impurities hardly remain in the film, which is preferable.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-89873
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Here, it is assumed that titanium nitride (TiN) is formed on a substrate by using the above-described method. When forming a TiN film, titanium tetrachloride (TiCl ₄ ) And ammonia (NH ₃ ) Is used. And this TiCl ₄ And NH ₃ Is processed, for example, at a substrate temperature of 100 to 250 ° C. and a total pressure in the processing vessel during the reaction of 15 to 200 Pa, whereby a TiN film can be formed on the substrate.
[0008]
However, TiCl ₄ Is a thermally stable substance, so it is not easily adsorbed on the substrate surface. As described above, when a raw material gas that is very stable to heat and hardly decomposes is used, there is a problem that the amount of adsorption on the substrate surface is reduced, and thus the film forming speed is reduced.
[0009]
Also, TiCl is uniformly formed on the entire surface of the substrate. ₄ May not be adsorbed, which causes a problem that the quality of the formed thin film is deteriorated. Furthermore, NH in a stable state (state not excited) ₃ Is not enough to obtain a sufficient reaction rate, and this also lowers the film formation rate.
[0010]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a thin film forming method and a thin film forming apparatus capable of rapidly forming a high-quality thin film.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is characterized by taking the following means.
[0012]
According to the first aspect of the present invention, the source gas and NH ₃ And forming a thin film on the substrate by reacting ₃ Emits light having a wavelength at which predissociation occurs to the NH ₃ And the NH ₃ Is excited.
[0013]
The invention according to claim 2 is a method for forming a thin film according to claim 1, wherein ₃ Wherein the wavelength of the light to be applied to the substrate is in the range of 170 nm or more and 230 nm or less.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the method for forming a thin film according to the first or second aspect, the source gas and the NH ₃ Are alternately supplied into the processing container.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method of forming a thin film according to any one of the first to third aspects, the source gas is TiCl ₄ It is characterized by being.
[0016]
The invention according to claim 5 is characterized in that the raw material gas and NH ₃ In the thin film forming apparatus for forming a thin film on a substrate by reacting ₃ Emits light having a wavelength at which predissociation occurs to the NH ₃ A light irradiating means for irradiating the light is provided.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the thin film forming apparatus of the fifth aspect, the light irradiating means emits light having a wavelength of 170 nm to 230 nm. ₃ Irradiating the light.
[0018]
The invention according to claim 7 is characterized in that TiCl ₄ Forming a thin film on a substrate by reacting the TiCl with a reactive gas. ₄ Is dissociated by the TiCl ₄ And the TiCl ₄ Is excited.
[0019]
The invention according to claim 8 is a method for forming a thin film according to claim 7, wherein the TiCl ₄ The wavelength of the light to be applied to the light is at least one selected from the range of 260 nm to 270 nm, 440 nm to 450 nm, and 480 nm to 500 nm.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, in the method for forming a thin film according to the seventh or eighth aspect, the TiCl ₄ And the reaction gas are supplied alternately to the processing vessel.
[0021]
According to a tenth aspect of the present invention, in the method for forming a thin film according to any one of the seventh to ninth aspects, the reaction gas is NH. ₃ It is characterized by being.
[0022]
The eleventh aspect of the present invention relates to TiCl ₄ An apparatus for forming a thin film on a substrate by reacting the TiCl with a reactive gas. ₄ Is dissociated by the TiCl ₄ A light irradiating means for irradiating the light is provided.
[0023]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the thin film forming apparatus of the eleventh aspect, the light irradiating means is at least one selected from the range of 260 nm to 270 nm, 440 nm to 450 nm, and 480 nm to 500 nm. Range of wavelengths of light ₄ Irradiating the light.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a thin film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, a CVD apparatus is taken as an example of a thin film forming apparatus.
[0025]
In this embodiment, a process of forming a film of titanium nitride (TiN) on a wafer W by a chemical vapor deposition method will be described as an example. Specifically, in this embodiment, titanium tetrachloride (TiCl ₄ ) Gas and ammonia (NH ₃ ) The TiCl ₄ Gas and NH ₃ A TiN film is formed by reacting a gas. In this embodiment, TiCl ₄ Gas and NH ₃ Nitrogen (N) as a carrier gas for transporting the gas to the processing vessel 30 ₂ ) Gas is used.
[0026]
The thin film forming apparatus shown in FIG. 1 is roughly composed of gas supply sources 10A to 10C, a light irradiation device 20A, a processing vessel 30, a susceptor 33, a control device 60, and the like.
[0027]
The gas supply sources 10 A to 10 C supply a raw material gas and the like to be described later into the processing container 30 via the gas supply passages 11 to 14. That is, the gas supply sources 10 A to 10 C respectively supply gases for performing a predetermined film forming process on the wafer W in the processing container 30.
[0028]
The gas supply source 10A is supplied with TiCl as a source gas through the gas supply passage 11. ₄ The gas is supplied toward the processing container 30. A valve V1 is provided in the gas supply passage 11, and TiCl ₄ The flow rate of the gas is controlled by opening and closing the valve V1. The driving of the valve V1 is controlled by a control device 60 described later.
[0029]
The gas supply source 10B is connected to a NH 3 serving as a reaction gas through the gas supply passage 12. ₃ The gas is supplied toward the processing container 30. The gas supply passage 11 is provided with a valve V2, ₃ The flow rate of the gas is controlled by opening and closing the valve V2. The driving of the valve V2 is also controlled by the control device 60 described later.
[0030]
Further, the gas supply source 10C is connected to the carrier gas N via the gas supply passages 13 and 14. ₂ The gas is supplied toward the processing container 30. The gas supply passage 13 communicates with the gas supply passage 11 connected to the gas supply source 10A, and the gas supply passage 13 is provided with a valve V3.
[0031]
On the other hand, the gas supply passage 14 communicates with the gas supply passage 12 connected to the gas supply source 10B, and the gas supply passage 14 is provided with a valve V4. N ₂ The gas flow rate is controlled by opening and closing the valves V3 and V4. The driving of the valves V3 and V4 is also controlled by the control device 60 described later. Although not shown, the gas supply passages 11 and 12 are provided with a mass flow controller for controlling the flow rates of the various gases described above.
[0032]
The processing container 30 is made of, for example, a metal such as aluminum (Al) or stainless steel. When Al is used, the inside of the container is subjected to a surface treatment such as an alumite treatment. The processing container 30 holds a wafer W as a substrate to be processed, for example, AlN or Al. ₂ O ₃ And a susceptor 33 in which a heater 33A is embedded. The susceptor 33 is fixed to the bottom of the processing container 30 by susceptor supports 31 and 32.
[0033]
An exhaust port 34 connected to an exhaust line 35 is provided at the bottom of the processing container 30. Further, a turbo molecular pump 37 as an exhaust means is connected to the exhaust line 35 so that the inside of the processing container 30 can be evacuated. Further, the exhaust line 35 is provided with an APC 36 capable of adjusting the pressure in the processing chamber 30 by changing the contactance.
[0034]
On the other hand, a pressure gauge 38 for measuring the pressure in the processing container is attached to the side of the processing container 30. The pressure value measured by the pressure gauge 38 is sent to the control device 60. In this way, the pressure value measured by the pressure gauge 38 is fed back to the control device 60, so that the control device 60 can adjust the conductance of the APC 36 to control the pressure in the processing chamber 30 to a desired value. It has become.
[0035]
A shower head 40 having a diffusion chamber 40 A is provided above the processing container 30. Gas lines 11 and 12 are connected to the shower head 40.
[0036]
The light irradiation device 20A is arranged at a position facing the wafer W in the processing container 30. This light irradiation device 20A has a plurality of light sources 25A. The light source 25A is configured to irradiate the gas supplied to the processing container 30 with light.
[0037]
In this embodiment, the light source 25A is configured to be able to emit light having a wavelength of 170 nm or more and 230 nm or less. Light in this wavelength range can be generated by using, for example, a xenon (Xe) lamp, a xenon (Xe) excimer lamp, or an argon (Ar) -fluorine (F) excimer lamp.
[0038]
The wavelength range of light (170 nm or more and 230 nm or less) used in this embodiment is NH 3 which is a reaction gas. ₃ Is the wavelength range in which predissociation occurs. The predissociation refers to a phenomenon in which when a molecule is excited by light, the molecule decomposes before emitting light. Therefore, in the present embodiment, the light in the above wavelength range (170 nm or more and 230 nm or less) is supplied from the light source 25 A to the NH 3 supplied to the processing container 30. ₃ By irradiating the gas, NH ₃ The gas is dissociated in the previous ₂ Occurs (NH ₃ → NH ₂ + H).
[0039]
In addition, NH ₃ For the details of the phenomenon in which predissociation occurs when irradiated with light in the above wavelength range (170 nm to 230 nm), refer to the following three documents.
A. E. FIG. Douglas, Discussion Faraday Soc. 35 (1963) 158
G. Di Stenfano et. Al The Journal of Chemical Physics, Vol 67, No. 8 (1977) 3832
* V. M. DONNELLY st. al. Chemical Physics 43 (1979) 271
On the other hand, the control device 60 is configured by a computer, and is connected to the light irradiation device 20A and the valves V1 to V4. The control device 60 controls the driving of each connected device according to a film formation processing program described later, thereby generating a high-quality TiN film.
[0040]
The control device 60 controls various devices constituting the thin film forming apparatus in addition to the above-described devices. However, in the following description, control processing of the light irradiation device 20A and the valves V1 to V4, which are the main parts of the present invention, will be mainly described.
[0041]
Next, a method of forming a TiN film using the thin film forming apparatus shown in FIG. 1 will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a thin film forming method for forming a TiN film according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a timing chart showing drive timings of the bulbs V1 to V4 and the light source 25A.
[0042]
To form the TiN film, first, in step 100 (the step is abbreviated as S in the figure), the wafer W is mounted on the susceptor 33. The susceptor 33 is heated by the stage heater 35 described above. Thus, the wafer W placed on the susceptor 33 is heated. In this embodiment, the temperature of the wafer W is raised to 100 to 250 ° C. (Step 102).
[0043]
Subsequently, the control device 60 opens the valves V3 and V4. Thereby, the carrier gas N 10 is supplied from the gas supply source 10C. ₂ Gas is supplied to the processing container 30. Further, the control device 60 controls the APC 36, so that the pressure inside the processing container 30 is set to, for example, 200 Pa at a total pressure (step 104).
[0044]
The temperature of the susceptor 33 and the pressure in the processing container 30 are detected by a sensor (not shown) and transmitted to the control device 60. When determining that the temperature of the wafer W and the pressure in the processing chamber 30 have reached the predetermined values, the control device 60 opens the valve V1 in step 106. Thereby, TiCl ₄ The gas is N which is a carrier gas. ₂ The gas is supplied from the gas supply source 10A to the processing container 30 via the gas supply passage 11 together with the gas.
[0045]
TiCl to this processing container 30 ₄ The gas is supplied for a predetermined time (the time indicated by the arrow T1 in FIG. 3, for example, 10 seconds). Then, when the time T1 has elapsed, the control device 60 closes the valve V1 (step 108). Thereby, the TiCl from the gas supply source 10A to the processing container 30 is ₄ The gas supply is stopped. At this time T1, TiCl ₄ Is attracted to the surface of the wafer W.
[0046]
Incidentally, as described above, TiCl ₄ Since gas is a thermally stable substance, it has characteristics that it is difficult to decompose only by thermal treatment. For this reason, TiCl which is simply in a stable state ₄ As described above, even when the gas is supplied to the processing container 30, the amount of adsorption to the wafer W is small, and thus the deposition rate of the TiN film is reduced.
[0047]
By the processing of steps 106 and 108, TiCl ₄ Then, the control device 60 controls the APC 36 to increase the vacuum suction force by the TMP 37. Thereby, the unadsorbed TiCl remaining in the processing vessel 30 ₄ The gas is exhausted from the processing container 30 (Step 110). This exhaust processing is performed, for example, for 2 seconds (time Tp1 indicated by an arrow in FIG. 3). When the predetermined time has elapsed, control device 60 returns APC 36 to the original state again.
[0048]
When the exhaust processing in step 110 is completed, the control device 60 turns on the light source 25A of the light irradiation device 20A. Thereby, NH ₃ Light in a wavelength range (170 nm or more and 230 nm or less) that can dissociate the gas is irradiated from the light source 25 A toward the processing container 30.
[0049]
Next, the control device 60 opens the valve V2. Thereby, the reaction gas NH ₃ The gas is supplied from the gas supply source 10B to the processing container 30 via the gas supply passage 12 (Step 114).
[0050]
At this time, by the processing of steps 106 and 108, TiCl ₄ Is adsorbed. In addition, by the processing of step 110, the excess TiCl ₄ Does not exist. Further, by the processing of step 112, NH 3 is supplied from the light source 25 into the processing container 30. ₃ Light in a wavelength range (170 nm or more and 230 nm or less) at which the gas can be dissociated is irradiated.
[0051]
Therefore, the NH supplied to the processing vessel 30 ₃ The gas is excited by the irradiation of the light having the predetermined wavelength from the light source 25, and the predissociation occurs. As a result, NH 3 ₂ Occurs. This NH ₂ Are highly active, in other words, highly reactive molecules. Therefore, the TiCl adsorbed on the wafer W ₄ Is NH ₂ (Nitride) quickly to form a TiN film.
[0052]
Thus, TiCl with high temperature stability ₄ However, it is NH 3 that reacts with this. ₃ Is highly active NH generated by dissociation of ₂ Therefore, the reaction speed is high. For this reason, the process of forming the TiN film is performed at a high throughput. Further, the throughput can be improved only by irradiating the reaction gas with light of a predetermined wavelength, and thus the apparatus configuration can be simplified.
[0053]
By the way, NH ₃ NH from ₂ Can be generated by performing a plasma treatment. However, the plasma treatment increases the equipment cost, increases the electron temperature of the source gas, and reduces ₂ There is a possibility that non-uniformity may occur in the generation of this, which is not desirable. Therefore, as compared with the plasma processing, the irradiation of light having a predetermined wavelength as in this embodiment makes ₂ Is more effective in terms of cost and quality of the film to be formed.
[0054]
NH to the processing vessel 30 ₃ The supply of the gas and the irradiation of the light of the predetermined wavelength by the light irradiation device 20A are performed for a predetermined time (the time indicated by the arrow T2 in FIG. 3, for example, 10 seconds). Then, when the predetermined time has elapsed, the control device 60 closes the valve V2 (step 116). Thereby, NH from the gas supply source 10B to the processing vessel 30 is ₃ The supply of gas (reaction gas) is stopped.
[0055]
At the same time as the closing of the valve V2, the control device 60 turns off the light source 25A of the light irradiation device 20A. As described above, in the present embodiment, the lighting time of the light source 25 is configured to be equal to the time during which the valve V2 is opened (that is, the time during which the reaction gas is supplied to the processing container 30). Thereby, the light of the predetermined wavelength emitted from the light source 25 is supplied to the processing container 30 by NH. ₃ Irradiation is performed only on the gas (see FIGS. 3B and 3C). Thereby, NH ₃ Can be smoothly and reliably performed.
[0056]
Within the predetermined time T2, the TiCl adsorbed on the surface of the wafer W as described above ₄ Is the NH generated as described above. ₂ And a TiN film is thereby generated. The TiN film formed at this time is made of TiCl adsorbed on the wafer W in a single layer or a plurality of layers. ₄ Is a film formed by nitriding, and thus becomes a thin film at the atomic / molecular level.
[0057]
Subsequently, the control device 60 controls the APC 36 to increase the vacuum suction force by the TMP 37 again. Thereby, unreacted NH remaining in the processing container 30 ₃ Gas and NH ₂ Is discharged from the processing container 30 (step 120). This exhaust processing is performed, for example, for 2 seconds (time Tp2 indicated by an arrow in FIG. 3). When the predetermined time has elapsed, control device 60 returns APC 36 to the original state again.
[0058]
Subsequently, the control device 60 returns the processing to step 106 again in step 122, and thereafter repeatedly performs the processing of steps 106 to 120 a predetermined number of times (for example, 200 times). In the processing of steps 106 and 108 after the second time, TiCl is formed on the underlying TiN film. ₄ Is adsorbed. It should be noted that TiCl ₄ The first adsorption, in which TiCl is adsorbed, is a chemisorption, but the second and subsequent TiCl on the TiN film ₄ Is physical adsorption.
[0059]
Also, in the processing of steps 112 to 120 after the second time, NH 3 serving as a reaction gas is used. ₃ Is dissociated in the first half by being irradiated with light from the light source 25, so that TiCl ₄ Is NH which has a fast reaction rate ₂ , A reaction (nitriding) process is performed, so that a TiN film can be formed at a high throughput.
[0060]
When the processes of steps 106 to 120 are repeatedly performed a predetermined number of times to form a TiN film having a desired thickness, the process proceeds to step 124. The control device 60 closes the valves V3 and V4 in this step 124, and sends the N from the gas supply source 10C to the processing container 30. ₂ The supply of gas (carrier gas) is stopped.
[0061]
After that, the inside of the processing container 30 is set to the atmospheric pressure, and the TiN film is formed and the wafer W is taken out. By performing the series of processes described above, a good TiN film can be quickly formed.
[0062]
By the way, in the above-described embodiment, TiCl ₄ The reaction gas NH3 is irradiated by light irradiation using a gas. ₃ After dissociation of ₄ Has been described, the application of the present invention is not limited to this, but can be applied to various source gases.
For example, as a source gas, TaF ₅ With NH3 ₃ Are reacted to form a TaN film, TaCl is used as a source gas. ₅ With NH3 ₃ Is reacted to form a TaN film, WF is used as a source gas. ₆ With NH3 ₃ Is reacted to form a WN film, and SiH is used as a source gas. ₄ With NH3 ₃ Can be applied to form a SiN film. Further, SiH is added to each of the above-mentioned source gases. ₄ The present invention can also be applied to the formation of thin films of TiSiN, TaSiN, WSiN, etc. by the reaction of a three (multi) component system including the above.
[0063]
Next, a thin film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The thin film forming apparatus according to the present embodiment is the same as the thin film forming apparatus shown in FIG. Therefore, in FIG. 4, the same components as those of the thin film forming apparatus shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0064]
In the thin film forming apparatus shown in FIG. 1, the light irradiating device 20A is incorporated in the processing vessel 30, but in this modification, the light irradiating device 20B is provided in the gas supply passage 11. . That is, in the present embodiment, the source gas TiCl ₄ Is irradiated with light.
[0065]
The light irradiation device 20B is generally constituted by a light source 25B, a transparent pipe 27, a reflector 28, and the like. The light source 25B is configured to be capable of irradiating light of any wavelength of 260 nm to 270 nm, 440 nm to 450 nm, or 480 nm to 500 nm.
[0066]
In the present embodiment, since one light source 25B is provided, the light source 25B selectively sets one wavelength range from the three wavelength ranges described above. May be configured to simultaneously set the respective wavelength ranges described above. Specifically, a first light source that emits light having a wavelength of 260 nm or more and 270 nm or less, a second light source that emits light having a wavelength of 440 nm or more and 450 nm or less, and a light that emits light having a wavelength of 480 nm or more and 500 nm or less are emitted. It is also possible to arrange the third light source in the light irradiation device 20B at the same time.
[0067]
The light in each of the above wavelength ranges can be generated by using, for example, a xenon (Xe) lamp, a xenon (Xe) excimer lamp, or an argon (Ar) -fluorine (F) excimer lamp.
[0068]
The light source 25B having the above configuration is arranged to face the gas supply passage 11. A transparent pipe 27 is provided in a predetermined range of the gas supply passage 11 facing the light source 25B. Therefore, the light in the above-mentioned predetermined wavelength range emitted from the light source 25B passes through the transparent pipe 27 and flows through the transparent pipe 27. ₄ Is irradiated. The reflector 28 reflects light from the light source 25B to the transparent pipe 27 efficiently.
[0069]
The wavelength range of light (260 nm or more and 270 nm or less, 440 nm or more and 450 nm or less, or 480 nm or more and 500 nm or less) used in this embodiment is TiCl which is a source gas. ₄ Is the wavelength range in which dissociation occurs. Therefore, light in the above wavelength range is emitted from the light source 25B through the transparent pipe 27 to TiCl. ₄ By irradiating the gas, TiCl ₄ The gas is dissociated into TiCl ₃ Or TiCl ₂ Occurs.
In addition, TiCl ₄ Is dissociated by irradiation with light in the above wavelength range (260 nm to 270 nm, 440 nm to 450 nm, or 480 nm to 500 nm). Kubat J. et al. Photochem. Photobiol. A: Chem. , 63 (1992) 257.
[0070]
Next, a method of forming a TiN film using the thin film forming apparatus shown in FIG. 4 will be described. FIG. 5 is a flowchart showing a thin film forming method for forming a TiN film according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a timing chart showing drive timings of the bulbs V1 to V4 and the light source 25A.
[0071]
To form a TiN film, first, in step 200, the wafer W is placed on the susceptor 33, and in step 202, the wafer W is heated by the stage heater 35. Subsequently, the control device 60 opens the valves V3 and V4, and receives N as carrier gas from the gas supply source 10C. ₂ The gas is supplied toward the processing container 30. At this time, the control device 60 controls the APC 36, whereby the pressure inside the processing container 30 is set to, for example, 200 Pa in total pressure (step 204).
[0072]
Then, when determining that the temperature of the wafer W and the pressure in the processing chamber 30 have reached the predetermined values, the control device 60 turns on the light source 25B of the light irradiation device 20B (step 206). Thereby, TiCl ₄ Light having a wavelength range capable of dissociating gas (260 nm or more and 270 nm or less, 440 nm or more and 450 nm or less, or 480 nm or more and 500 nm or less) is emitted from the light source 25 B into the gas supply passage 11 through the transparent pipe 27.
[0073]
Next, the control device 60 opens the valve V1. Thus, the raw material gas TiCl ₄ The gas is supplied from the gas supply source 10A to the processing container 30 via the gas supply passage 11 (Step 208).
[0074]
At this time, as described above, in the present embodiment, the TiCl ₄ Light in the wavelength range that dissociates the TiCl flowing through the gas supply passage 11 through the transparent pipe 27. ₄ Irradiated with gas, thereby producing TiCl ₄ The gas is excited. Thus, TiCl ₄ When the gas is excited, a dissociation phenomenon occurs and TiCl ₄ Is TiCl ₃ Or TiCl ₂ To dissociate. TiCl generated in this way ₃ And / or TiCl ₂ Is transported by the carrier gas and supplied to the processing container 30.
[0075]
By the way, as described above, TiCl ₄ Since gas is a thermally stable substance, it has characteristics that it is difficult to decompose only by thermal treatment. For this reason, TiCl which is simply in a stable state ₄ As described above, even when the gas is supplied to the processing container 30, the amount of adsorption to the wafer W is small, and thus the deposition rate of the TiN film is reduced.
[0076]
However, in this embodiment, as described above, TiCl ₄ Is excited and dissociated produces TiCl ₃ And / or TiCl ₂ Is supplied to the processing container 30. This TiCl ₃ , TiCl ₂ Is a molecule with high activity, in other words, strong adsorption power. For this reason, TiCl ₃ , TiCl ₂ Is quickly attracted to the wafer W. Also, TiCl ₃ , TiCl ₂ Is strongly attracted to the entire surface of the wafer W in a short period of time.
[0077]
TiCl to this processing container 30 ₄ The gas is supplied for a predetermined time (the time indicated by the arrow T1 in FIG. 6, for example, 10 seconds). Then, when the time T1 has elapsed, the control device 60 closes the valve V1 (step 210). Thereby, the TiCl from the gas supply source 10A to the processing container 30 is ₄ The gas supply is stopped. At this time T1, TiCl ₄ Is attracted to the surface of the wafer W.
[0078]
Also, TiCl ₄ When the supply of gas is stopped, the control device 60 turns off the light source 25 (step 212). As described above, in the present embodiment, the lighting time of the light source 25 is configured to be equal to the time during which the valve V1 is open (that is, the time during which the source gas is supplied to the processing container 30) (FIG. 6 (B), (C)).
[0079]
By the processing of steps 206 and 212, TiCl ₃ And / or TiCl ₂ Then, the control device 60 controls the APC 36 to increase the vacuum suction force by the TMP 37. Thereby, the unadsorbed TiCl remaining in the processing vessel 30 ₃ , TiCl ₂ , TiCl ₄ Is discharged from the processing container 30 (step 214). This exhaust processing is performed, for example, for 2 seconds (time Tp1 indicated by an arrow in FIG. 6). When the predetermined time has elapsed, control device 60 returns APC 36 to the original state again.
[0080]
When the exhaust processing in step 214 ends, the control device 60 opens the valve V2. Thereby, the reaction gas NH ₃ The gas is supplied from the gas supply source 10B to the processing container 30 via the gas supply passage 12 (Step 216).
[0081]
At this time, due to the processing of steps 206 to 212, TiCl ₃ And / or TiCl ₂ Are uniformly adsorbed. In addition, by the processing in step 214, excess TiCl ₃ , TiCl ₂ , TiCl ₄ Does not exist. Therefore, the TiCl adsorbed on the wafer W ₃ And / or TiCl ₂ Is NH ₂ (Nitride) quickly to form a TiN film.
[0082]
Thus, TiCl with high temperature stability ₄ However, by irradiating the wafer with light having a predetermined wavelength to cause the wafer W to be dissociated, the suction speed with the wafer W can be increased. For this reason, the process of forming the TiN film is performed at a high throughput. In addition, since the throughput can be improved simply by irradiating the source gas with light having a predetermined wavelength, the apparatus configuration can be simplified in this embodiment.
[0083]
NH to the processing vessel 30 ₃ The gas is supplied for a predetermined time (the time indicated by the arrow T2 in FIG. 6, for example, 10 seconds). Then, when the predetermined time has elapsed, the control device 60 closes the valve V2 (step 218). Thereby, NH from the gas supply source 10B to the processing vessel 30 is ₃ The supply of gas (reaction gas) is stopped.
[0084]
Within the predetermined time T2, the TiCl adsorbed on the surface of the wafer W as described above ₃ And / or TiCl ₂ Is NH ₃ And a TiN film is thereby generated. The TiN film formed at this time is made of TiCl adsorbed on the wafer W in a single layer or a plurality of layers. ₃ And / or TiCl ₂ Is a film formed by nitriding, and thus becomes a thin film at the atomic / molecular level.
[0085]
Subsequently, the control device 60 controls the APC 36 to increase the vacuum suction force by the TMP 37 again. Thereby, unreacted NH remaining in the processing container 30 ₃ The gas is exhausted from the processing container 30 (Step 220). This exhaust processing is performed, for example, for 2 seconds (time Tp2 indicated by an arrow in FIG. 6). When the predetermined time has elapsed, control device 60 returns APC 36 to the original state again.
[0086]
Subsequently, the control device 60 returns the processing to step 206 again in step 222, and thereafter repeatedly performs the processing of step 206 to step 220 a predetermined number of times (for example, 200 times). At this time, the TiCl used as the source gas is also used in the second and subsequent steps 206 to 212. ₄ Is dissociated by being irradiated with light from the light source 25, so that TiCl ₃ And / or TiCl ₂ Is quickly attracted to the wafer W by a strong attracting force, so that a TiN film can be formed at a high throughput.
[0087]
When the processes of steps 206 to 220 are repeatedly performed a predetermined number of times to form a TiN film having a desired thickness, the process proceeds to step 224. The control device 60 closes the valves V3 and V4 in this step 224, and sends N from the gas supply source 10C to the processing container 30. ₂ The supply of gas (carrier gas) is stopped.
[0088]
After that, the inside of the processing container 30 is set to the atmospheric pressure, and the TiN film is formed and the wafer W is taken out. By performing the series of processes described above, a good TiN film can be quickly formed.
[0089]
By the way, in the above-described embodiment, the present invention is applied to TiCl which is a source gas. ₄ The gas is dissociated by light irradiation, and the TiCl ₃ And / or TiCl ₂ Is adsorbed on the wafer W, and the reaction gas NH 3 ₃ Has been described, the application of the present invention is not limited to this, but can be applied to various reaction gases.
For example, TiCl ₄ SiH as a reaction gas ₄ Is reacted to form a Ti film or a titanium silicide film, TiCl ₄ H as a reaction gas ₂ When O is reacted to form a TiO2 film, TiCl ₄ O as a reaction gas ₂ Can be applied to form a TiO2 film.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the source gas or the reaction gas is irradiated with light to excite the source gas or the reaction gas, the adsorption speed of the source gas on the substrate and the reaction speed between the source gas and the reaction gas are increased. Throughput can be increased. Further, since the source gas can be uniformly adsorbed on the substrate, the quality of a thin film to be formed can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a thin film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a thin film forming method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a timing chart showing drive timings of the bulb and the light source when the thin film forming method according to the first embodiment of the present invention is performed.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a thin film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a thin film forming method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a timing chart showing drive timings of a bulb and a light source when a thin film forming method according to a second embodiment of the present invention is performed.
[Explanation of symbols]
10A-10C gas supply source
11-14 gas supply passage
20A, 20B Light irradiation device
25A, 25B light source
27 Transparent piping
30 processing container
33 Susceptor
60 control device
W wafer
V1-V4 valve

Claims

In a method for forming a thin film on a substrate by reacting a source gas with NH ₃ ,
Wherein NH ₃ is irradiated with light of wavelength causing predissociation to the NH _3, forming a thin film, which comprises pumps the NH _3.

The method for forming a thin film according to claim 1,
A method for forming a thin film, wherein the wavelength of the light applied to the NH ₃ is in a range of 170 nm to 230 nm.

The method for forming a thin film according to claim 1 or 2,
A method for forming a thin film, wherein the source gas and the NH ₃ are alternately supplied into a processing container.

The method for forming a thin film according to any one of claims 1 to 3,
Method of forming a thin film wherein the raw material gas is TiCl _4.

In a thin film forming apparatus for forming a thin film on a substrate by reacting a source gas and NH ₃ ,
Forming apparatus of thin film in which the NH ₃ is characterized in that light of a wavelength that causes predissociation provided with light irradiation means for irradiating the NH _3.

An apparatus for forming a thin film according to claim 5,
An apparatus for forming a thin film, wherein the light irradiating means is configured to irradiate light having a wavelength of 170 nm or more and 230 nm or less to NH ₃ .

A method of forming a thin film on a substrate by reacting TiCl ₄ with a reaction gas, the method comprising:
The thin film forming method, wherein the TiCl ₄ is light of a wavelength that causes dissociation irradiated to the TiCl _4, to excite the front Symbol TiCl _4.

The method for forming a thin film according to claim 7,
A method for forming a thin film, wherein the wavelength of light applied to the TiCl ₄ includes at least one range selected from a range of 260 nm to 270 nm, 440 nm to 450 nm, and 480 nm to 500 nm.

The method for forming a thin film according to claim 7 or 8,
The method of forming a thin film, wherein the TiCl ₄ and the reaction gas are alternately supplied to the processing container.

The method for forming a thin film according to any one of claims 7 to 9,
A method for forming a thin film, wherein the reaction gas is NH ₃ .

In a thin film forming apparatus for forming a thin film on a substrate by reacting TiCl ₄ with a reaction gas,
Forming apparatus of a thin film, wherein the TiCl ₄ is light of a wavelength that causes dissociation is provided a light irradiation means for irradiating the TiCl _4.

An apparatus for forming a thin film according to claim 11,
The thin film is characterized in that the light irradiating means irradiates the TiCl ₄ with light having at least one wavelength selected from the range of 260 nm to 270 nm, 440 nm to 450 nm, and 480 nm to 500 nm. Forming equipment.