JP2005082888A

JP2005082888A - 成膜装置

Info

Publication number: JP2005082888A
Application number: JP2003320217A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Oshima; 康弘大島; Yasuhiko Kojima; 康彦小島; Tadahiro Ishizaka; 忠大石坂; Naoki Yoshii; 直樹吉井; Takashi Shigeoka; 隆重岡
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】本発明は、プラズマ発生装置への原料ガスの流入を防止すると共に流入しても原料ガスの固化を防止することのできる成膜装置を提供することを課題とする。
【解決手段】複数種類の原料ガスを交互に供給しながら基板上に薄膜を生成する成膜装置は、基板Ｗが配置される処理チャンバ２を有する。処理チャンバ２には、原料ガスの少なくとも一種類のガスをプラズマ化して処理チャンバに供給するプラズマ発生装置２０が接続される。プラズマ発生装置２０のうち、原料ガスが接触する部分である遠隔室２１及びバタフライバルブ２４を、加熱機構２３により加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は成膜装置に係り、より詳細には、複数種のガスを交互に供給して基板上に薄膜を生成するための成膜装置に関する。

半導体の製造工程において、複数種の原料ガスを交互に供給しながら基板上で反応させて金属薄膜を生成する方法が注目されている。このような方法は一般的にＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）と称される。

ＡＬＤを用いた成膜方法において、金属を含む膜の原料ガスやそれを還元／酸化するためのガスを活性化して反応を促進するための方法として、原料ガスをプラズマ化する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

原料ガスをプラズマ化するには、通常、基板が配置される反応室に別個のプラズマ発生装置を接続し、このプラズマ発生装置を通して原料ガスをプラズマ化してから反応室に供給する。このようなプラズマ発生装置として高周波プラズマ発生装置が用いられる。

高周波プラズマ装置は、一般的にガスが通過する中空円筒状の室（反応室とは分離しているので遠隔室と称する）の外周に通電コイルを巻きつけて構成される。通電コイルに高周波電流を流すことで遠隔室内部の原料ガスをプラズマ化し、原料ガスのプラズマを反応室に供給する。このように反応室の外部でプラズマ化して反応室にプラズマを供給する方法をリモートプラズマ法と称することもある。
米国特許第５９１６３６５号明細書米国特許第６２００８９３号明細書

上述のようなリモートプラズマ法を用いた処理装置では、円筒状の遠隔室の一端がノズルを介して反応室に接続される。反応室の反対側の端部から供給された原料ガスは、遠隔室を通過する間にプラズマ化されてノズルを通じて反応室に供給される。

複数種の原料ガスを交互に供給するＡＬＤでは、一種類の原料ガスをプラズマ化して他の種類の原料ガスはそのまま反応室に供給することが多い。この場合、反応室には原料ガス及び原料ガスのプラズマが交互に供給され、反応室の排気口から排気される。この際、例えば原料ガスの切り替え時などに排気口を閉じると、反応室に直接供給した原料ガスが遠隔室に逆流することがある。

反応室に直接供給する原料ガスが、例えばＴａＦ_５のように金属化合物原料を昇華してガス化した原料ガスである場合、原料ガスは反応室内では加熱されて原料ガスのままであるが、遠隔室に逆流して遠隔室の内面等に接触すると温度が低下して固化することがある。固化した原料ガスは塵埃（パーティクル）となり基板や基板上に生成された薄膜の汚染源となるという問題がある。また、上述の付着した金属含有原料が誘電体内部で還元され、金属薄膜を形成すると、遠隔室に印加される高周波が誘導結合しにくい状態となるという問題がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、プラズマ発生装置への原料ガスの流入を防止すると共に流入しても原料ガスの固化を防止することのできる成膜装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明によれば、複数種類の原料ガスを交互に供給しながら基板上に薄膜を生成する成膜装置であって、前記基板が配置される反応室と、該反応室に接続され、前記原料ガスの少なくとも一種類のガスをプラズマ化して前記反応室に供給するプラズマ発生装置と該プラズマ発生装置のうち、前記原料ガスが接触する部分を加熱する加熱機構とを有することを特徴とする成膜装置が提供される。

上述の発明によれば、プラズマ化しないで反応室に供給する原料ガスがプラズマ発生装置に流入しても、プラズマ発生装置が加熱されているため低温にならない。したがって、プラズマ化しないで反応室に供給する原料ガスが原料の昇華により生成したガスであっても、プラズマ発生装置内で固化してパーティクル汚染源となることが防止又は抑制される。これにより、高品質の成膜処理を達成することができる。

上述の発明において、前記プラズマ発生装置は高周波プラズマ発生装置であって、プラズマ化される原料ガスが流れる中空円筒状の遠隔室と、該遠隔室の外周に巻回された通電コイルとを含み、前記加熱機構は加熱媒体を供給し回収するチラーユニットを有し、該加熱媒体を前記通電コイルの内部に供給することにより前記通電コイルと共に前記遠隔室を加熱することが好ましい。

また、前記遠隔室は窒化ケイ素（ＳｉＮ）により形成され、前記遠隔室の内面は封孔処理が施されていることが好ましい。前記成膜処理は、前記遠隔室の内面に生成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）の薄膜であることとしてもよい。また、前記反応室と前記プラズマ発生装置との間に、コンダクタンスを変更可能なコンダクタンスバルブを設け、該コンダクタンスバルブを加熱する加熱機構を更に設けることとしてもよい。

上述の如く本発明によれば、プラズマ化しないで反応室に供給する原料ガスがプラズマ発生装置に流入しても、プラズマ発生装置が加熱されているため低温にならない。したがって、プラズマ化しないで反応室に供給する原料ガスが原料の昇華により生成したガスであっても、プラズマ発生装置内で固化してパーティクル汚染源となることが防止又は抑制される。これにより、高品質の成膜処理を達成することができる。また、遠隔室内部で金属薄膜を形成しにくいため、高周波の誘導結合が妨げられることもない。

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実施例による処理装置の概略構成図である。図１に示す処理装置は、複数の原料ガスを交互に供給して薄膜を生成する成膜装置として構成され、より詳細には、塩化タンタル（ＴａＣｌ_５）と水素（Ｈ_２）＋アンモニア（ＮＨ_３）とを交互に供給して窒化タンタル（ＴａＮ）の薄膜を生成する成膜装置として構成される。ただし、原料ガスの種類及び生成する薄膜の種類はこれに限定されることなく、本発明は、様々な原料ガスを用いて様々な種類の薄膜を生成する成膜装置に適用することができる。

図１において、反応室である処理チャンバ２内には、薄膜を生成する基体としてシリコン基板Ｗが載置される載置台４が設けられている。載置台４の上方に配置されたシャワーヘッド６から原料ガスであるＴａＣｌ_５とＨ_２＋ＮＨ_３とが交互にキャリアガスＡｒと共に処理チャンバ２内に供給される。シャワーヘッド６にはガス供給管８が接続されており、Ｈ_２＋ＮＨ_３とＡｒはガス供給管８の一端から供給され、ガス供給管８を流れてシャワーヘッド６に供給される。一方、ＴａＣｌ_５はガス供給管８の側面に接続されたガス通路１０を介してガス供給管８に供給され、Ａｒと共にシャワーヘッド６に供給される。ここで、後述するようにＨ_２＋ＮＨ_３はガス供給管８に供給される前にプラズマ発生装置２０によりプラズマ化されてからシャワーヘッド６に供給される。

処理チャンバ２に供給されたＴａＣｌ_５とＨ_２＋ＮＨ_３のうち、反応に寄与しなかった部分は、処理チャンバ２の底部に設けられたバタフライバルブ１２を介して高真空ポンプ（ターボ分子ポンプ：ＴＭＰ）１４により処理チャンバ２内から排気され、さらに低真空ポンプ（ドライポンプ：ＤＰ）１６により外部に排気される。

図１に示す成膜装置で生成される窒化タンタル（ＴａＮ）の薄膜は、例えば多層薄膜構造中に銅ビア等を形成する際に層間絶縁膜と銅ビアとの間に設けられるバリア膜の下地層として用いられる。図２はバリア膜としてＴａＮ膜及びＴａ膜を生成する工程を示す図である。

図２に示す例では、半導体装置等の薄膜多層構造において、上下の配線層を接続する銅ビアを形成している。まず、図２（ａ）に示すように、配線層としての銅膜３０の上に層間絶縁膜３１とエッチストッパ膜３２とが形成される。次に、図２（ｂ）に示すように、図１に示す成膜装置で生成される窒化タンタル（ＴａＮ）の薄膜は、例えば多層薄膜構造中に銅ビア等を形成する際に層間絶縁膜と銅ビアとの間に設けられるバリア膜の下地層として用いられる。図２はバリア膜としてＴａＮ膜及びＴａ膜を生成する工程を示す図である。

図２に示す例では、半導体装置等の薄膜多層構造において、上下の配線層を接続する銅ビアを形成している。まず、図２（ａ）に示すように、配線層としての銅膜３０の上に層間絶縁膜３１とエッチストッパ膜３２とが形成される。次に、図２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜３１とエッチストッパ膜３２とを貫通してビア孔３３が形成される。続いて、図２（ｃ）に示すように、ビア孔３３の上部にトレンチ３４が形成される。

本実施例では、ビア孔３３の内面及びトレンチ３４の内面にバリア膜としてＴａＮ膜３５とＴａ膜３６を形成し、ビア３３及びトレンチに埋め込まれた銅が層間絶縁膜３１中に拡散することを防止する。ＴａＮ膜はＴａ膜を生成するための下地層として機能する。したがって、本実施例では、バリア膜としてタンタル（Ｔａ）の薄膜を形成する前に、図２（ｄ）に示すようにビア孔３３の内面及びトレンチ３４の内面に極薄のＴａＮ膜３５を生成する。

ＴａＮ膜３５を生成した後、図２６（ｅ）に示すように、ＴａＮ膜３５の上にＴａ膜３６を生成する。ＴａＮ膜を生成することによりＴａ膜を良好に生成することができるようになる。その後、図２（ｆ）に示すように、トレンチ３４及びビア孔３３の中に銅を埋め込んで銅ビア３７を形成する。

次に、本実施例による処理装置の特徴に関して説明する。本発明の一つの特徴は、遠隔室２１を高温媒体で加熱することである。すなわち、ＴａＣｌ_５が、何らかの理由で逆流してプラズマ発生装置２０に流入した場合でも、ＴａＣｌ_５とＨ_２＋ＮＨ_３のプラズマとの反応が抑えられるように、遠隔室２１の温度を上げておくことである。

プラズマ発生装置２０は、中空円筒状の遠隔室２１と、遠隔室の外周の巻回された通電コイル２２とよりなる。通電コイル２２は高周波発生器２３に接続され、原料ガスであるＨ_２＋ＮＨ_３が遠隔室２１の内部を通過する際に、通電コイル２２に高周波電流を流すことにより、Ｈ_２＋ＮＨ_３はプラズマ化される。

本実施例における高周波源は、周波数が１３．５６ＭＨｚであり、１０００Ｗの出力を有するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施例による成膜装置でＴａＮ膜を生成する処理のタイムチャートを図３に示す。

まず、載置台４（サセプタ）の温度を３００℃〜４００℃とする。次に、処理チャンバ２に原料ガスとしてＴａＣｌ_５とキャリアガスとしてＡｒとを０．１／１００ｓｃｃｍの流量で供給する。このとき、連続して排気を行なっているため、ＴａＣｌ_５とＡｒとは基板Ｗ近傍を流れてから排気用のバタフライバルブ１２を通じて排気される。したがって、ＴａＣｌ_５は遠隔室２１の方向に流れることはなく、バタフライバルブ２４は閉じていても開いていてもよい。

ＴａＣｌ_５とＡｒとを一秒間流した後、ＴａＣｌ_５とＡｒの供給を停止して処理チャンバを５秒間真空排気する。この際、遠隔室２１と処理チャンバ２との間のバタフライバルブ２４は開いてコンダクタンスを大きくしておき、遠隔室２１の排気も行なう。

次に、プラズマ発生装置２０にＨ_２＋ＮＨ_３とキャリアガスとしてＡｒとを、１００／１００／５０ｓｃｃｍの流量でプラズマ発生装置２０に供給しながら、高周波源（ＲＦ）から高周波電流を通電コイル２２に供給する。これにより、Ｈ_２＋ＮＨ_３は遠隔室２１内でプラズマ化される。プラズマ化されたＨ_２＋ＮＨ_３は、バタフライバルブ２４、ガス供給管８及びシャワーヘッド６を通って、処理チャンバ２内に供給される。高周波源の周波数は１３．５６ＭＨｚであり、出力は８００Ｗに調整される。

プラズマ化されたＨ_２＋ＮＨ_３を６秒間供給した後、Ｈ_２＋ＮＨ_３とＡｒの供給を停止し、且つ高周波電流の供給も停止して、処理チャンバ２及び遠隔室２１を真空排気する。この真空排気は５秒間行なわれる。

以上の処理を繰り返すことで、処理チャンバ２内の基板Ｗ上にＴａＮ膜が生成される。

以上のような処理において、原料ガスであるＴａＣｌ５が遠隔室２１に流入した場合、ＴａＣｌ_５が遠隔室２１の内面に付着して冷却され、固化するおそれがある。すなわち、ＴａＣｌ_５は常温では固体であり、これを昇華させて原料ガスとしているため、ＴａＣｌ_５の原料ガスが冷却されると固化する。これにより、ＴａＣｌ_５のパーティクルが発生し、汚染源となってしまう。

また、更に付着したＴａＣｌ_５が遠隔室内で還元されると、遠隔室内面に金属薄膜を形成してしまい、印加された高周波が誘導結合できない状態となってしまうことがある。

上述の問題を解決するために、本実施例では遠隔室２１の内面の温度を所定の温度となるように加熱し、ＴａＣｌ_５の原料ガスの冷却による固化を防止している。

ここで、本実施例では、プラズマ化された原料ガスとの反応を防止するために、遠隔室２１は窒化ケイ素（ＳｉＮ）により形成される。一般的にＳｉＮのように遠隔室２１として用いられる材料は多孔室の材料が多い。そこで、遠隔室２１の内面の微細な孔を埋めるために封孔処理が施される。封孔処理は、例えば遠隔室２１の材料と同じ材料のＳｉＮ膜をＡＬＤにより遠隔室２１内面に形成する処理である。また、ＡＬＤにより生成したＳｉＮ膜の上にＣＶＤにより更にＳｉＮ膜を生成することとしてもよい。すなわち、ＡＬＤにより細孔にＳｉＮを埋め込み、ＣＶＤによりその上に厚いＳｉＮ膜を生成する。

封孔処理を施すことにより、遠隔室２１の内面へのガスの吸着を防止することができ、残留ガスの排気速度を向上することができる。また、反応室である処理チャンバ２から原料ガスであるＴａＣｌ_５が逆流して遠隔室２１に入ってしまった場合でも、ＴａＣｌ_５が遠隔室２１の内面に吸着されることがない。したがって、吸着されたＴａＣｌ_５が後から供給されるＨ_２＋ＮＨ_３のプラズマと反応して副生成物が生成されることが防止される。

上述のように、遠隔室２１の温度を所定の温度に上げておく手段として、本実施例では、図１に示すように加熱機構２３を設けている。加熱機構２３は、例えば加熱したガルデン等の加熱媒体を供給するチラーユニット（ＣＨ）２５を有する。通電コイル２２を中空の銅パイプで形成し、銅パイプ中に加熱媒体を流すことにより通電コイル２２と遠隔室２１とを所定の温度に加熱する。

図４は上述の加熱機構２３を示す図である。遠隔室２１は中空円筒状であり、通電コイル２２は遠隔室２１の外周面に接触するように巻回されている。チラーユニット２５は通電コイル２２の両端部分に接続され、通電コイル２２一端側から加熱媒体を供給する。加熱媒体が通電コイル２２中を流れると、通電コイル２２及び遠隔室２１は所定の温度に加熱される。加熱媒体は通電コイル２２の他端側から回収されてチラーユニット２５に戻される。チラーユニット２５は回収された加熱媒体を再び加熱して通電コイル２２に供給する。

ここで、遠隔室２１が中空円筒状である場合には、通電コイル２２の巻きピッチＰを一定とすれば、遠隔室２１全体を一様に加熱することができる。しかし、遠隔室２１Ａが例えば図５に示すように中空円錐形状である場合には、遠隔室の外周が大きい部分ほど巻きピッチＰを小さくし、大きいほどピッチを大きくすることで、遠隔室２１Ａ全体を一様に加熱することができる。

ここで、本実施例では、ガス供給管８の側部から処理チャンバ２に直接供給されるＴａＣｌ_５が逆流して遠隔室２１に入った場合を想定して、遠隔室２１の内面がＴａＣｌ_５の反応速度が遅い温度領域で且つ反応副生成物が発生しないような温度になるように、加熱媒体の温度をチラーユニット２５で制御する。本実施例のように、原料ガスがＴａＣｌ_５とＨ_２＋ＮＨ_３の場合、遠隔室２１の内面温度が例えば１２０℃〜１８０℃の範囲となるように、加熱媒体の温度を制御する。

本実施例では、加熱媒体の通路として通電コイル２２を利用しているが、加熱媒体の通路は通電コイル２２に限ることなく、通電コイル２２が巻回されていない部分に加熱媒体専用の通路を設けて加熱することとしてもよい。また、通電コイル２２とは別個に加熱媒体用の通路を形成して遠隔室２１全体を加熱することとしてもよい。さらに、加熱媒体を用いるのではなく電熱ヒータを設けることで遠隔室２１を加熱することとしてもよい。

ここで、図１に示すように、本実施例では、遠隔室２１とガス供給管８との間にバタフライバルブ２４が設けられている。バタフライバルブ２４は、コンダクタンスを調整するためのコンダクタンスバルブとして機能する。すなわち、バタフライバルブ２４により、処理チャンバ２から遠隔室２１へとガスが流れるコンダクタンスを調整可能にし、処理チャンバ２から遠隔室２１への逆流を防止あるいは抑制する。

ここで、バタフライバルブ２４も、遠隔室２１と同様に、上述の遠隔室２１を加熱する加熱機構２３により加熱することが好ましい。あるいは、バタフライバルブ２４用に、電熱ヒータや電熱ヒータや加熱媒体の通路等の加熱機構を設けて加熱することとしてもよい。

バタフライバルブ２４は弁体の回転により開度を調整するバルブであるが、コンダクタンスを調整するバルブとしてはバタフライバルブに限られず、例えば、シャッターのように弁体を直線方向に移動して弁開度を調節するようなバルブであってもよい。また、コンダクタンスが既知であれば、所定のコンダクタンスとなるような配管をバタフライバルブ２４の代わりに設けてもよい。

次に本発明の第２実施例による処理装置について図６を参照しながら説明する。本発明の第２実施例による処理装置は、上述の第１実施例と同様に、複数種類に原料ガスを交互に供給しながら基板上に薄膜を形成する成膜装置である。ここで、図６において図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図６から明らかなように、本実施例では、プラズマ発生装置２０を処理チャンバ２の側部に接続し、Ｈ_２＋ＮＨ_３のプラズマを処理チャンバ２の側部から供給している。一方、ＴａＣｌ_５はＡｒと共に処理チャンバの上部から処理チャンバに直接供給される。処理チャンバ２からの排気は、処理チャンバのプラズマ発生装置２０とは反対側の側部から行なわれる。

本実施例では、処理チャンバの側部にノズル４０が接続され、ノズル４０にバタフライバルブ２４が接続される。ノズル４０は処理チャンバ２に接続される端部が拡大された形状であり、Ｈ_２＋ＮＨ_３のプラズマを処理チャンバ２の内部に拡散させながら供給するために設けられる。したがって、第１実施例のようにシャワーヘッドは設けられていない。

本実施例による成膜処理は、上述の第１実施例と同様であり、その説明は省略する。

本実施例では、真空排気を行なう時は、バタフライバルブ２４を開いてコンダクタンスを大きくし、遠隔室２１を迅速に排気する。一方、Ｈ_２＋ＮＨ_３のプラズマを供給する時は、バタフライバルブ２４をある程度閉じてコンダクタンスを小さくしておき、遠隔室２１の出口でのガス流速を大きくする。これにより、ノズル４０に流れるＨ_２＋ＮＨ_３のプラズマの流速が大きくなり処理チャンバ２の全体にわたって（すなわち、基板Ｗの全体にわたって）一様に原料ガスを供給することができ、基板Ｗの全体にわたって一様な膜質の薄膜を生成することができる。

本実施例では、原料ガスとしてのＨ_２＋ＮＨ_３のプラズマは、ノズル４０を通じて処理チャンバ２内に拡散するように供給されるが、図７に示すように、ノズル４０の出口付近に拡散板４１を配置して、ノズル４０から供給されるＨ_２＋ＮＨ_３のプラズマを左右及び上下にさらに拡散させることもできる。

本発明の第１実施例による成膜装置の概略構成図である。バリア膜としてＴａＮ膜及びＴａ膜を生成する工程を示す図である。ＴａＮ膜を生成する処理のタイムチャートである。プラズマ発生装置の遠隔室の断面図である遠隔室を中空円錐形状とした場合の通電コイルの配置を示す図である。本発明の第２実施例による成膜装置の概略構成図である。ノズルの出口に拡散板を配置した構成を示す図である。

符号の説明

２処理チャンバ
４載置台
６シャワーヘッド
８ガス供給管
１０ガス供給通路
１２バタフライバルブ
１４ターボ分子ポンプ
１６ドライポンプ
２０プラズマ発生装置
２１遠隔室
２２通電コイル
２３加熱機構
２４バタフライバルブ
２５チラーユニット
４０ノズル
４１拡散板

Claims

複数種類の原料ガスを交互に供給しながら基板上に薄膜を生成する成膜装置であって、
前記基板が配置される反応室と、
該反応室に接続され、前記原料ガスの少なくとも一種類のガスをプラズマ化して前記反応室に供給するプラズマ発生装置と
該プラズマ発生装置のうち、前記原料ガスが接触する部分を加熱する加熱機構と
を有することを特徴とする成膜装置。
請求項１記載の成膜装置であって、
前記プラズマ発生装置は高周波プラズマ発生装置であって、プラズマ化される原料ガスが流れる中空円筒状の遠隔室と、該遠隔室の外周に巻回された通電コイルとを含み、
前記加熱機構は加熱媒体を供給し回収するチラーユニットを有し、該加熱媒体を前記通電コイルの内部に供給することにより前記通電コイルと共に前記遠隔室を加熱する
ことを特徴とする成膜装置。
請求項２記載の成膜装置であって、
前記遠隔室は窒化ケイ素（ＳｉＮ）により形成され、前記遠隔室の内面は封孔処理が施されていることを特徴とする成膜装置。
請求項３記載の成膜装置であって、
前記成膜処理は、前記遠隔室の内面に生成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）の薄膜であることを特徴とする成膜装置。
請求項１記載の成膜装置であって、
前記反応室と前記プラズマ発生装置との間に、コンダクタンスを変更可能なコンダクタンスバルブを設け、且つ該コンダクタンスバルブを加熱する加熱機構を更に設けたことを特徴とする成膜装置。