JP2006022354A - 成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数のガスを用いて被処理基板に成膜を行う場合に、ガスの供給路で複数のガスが混合することを防止し、パーティクルの発生を抑制した安定で清浄な成膜を可能とする。
【解決手段】 被処理基板を保持する保持台を内部に備えた処理容器に、金属を含む第１の処理ガスと、当該第１の処理ガスを還元する第２の処理ガスを供給し、前記被処理基板上に前記金属を含む膜を成膜する成膜方法であって、第１のガス供給路から前記処理容器に前記第１の処理ガスを供給する第１の工程と、第２のガス供給路から前記処理容器に前記第２の処理ガスを供給し、前記処理容器に設けられたプラズマ励起手段によって当該第２の処理ガスをプラズマ励起する第２の工程と、を有し、前記第２の工程では、前記第１のガス供給路から前記処理容器に、Ｈ２またはＨｅよりなる逆流防止ガスが供給されることを特徴とする成膜方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、被処理基板に金属を含む膜を成膜する成膜方法に関する。
近年、半導体装置の高性能化に伴い、半導体デバイスの高集積化が進んで微細化の要求が著しくなっており、配線ルールは０．１０μｍ以下の領域へ開発が進んでいる。このような高性能の半導体装置のデバイスを形成するために用いられる薄膜に対しては、例えば膜中不純物が少なく、配向性がよいなど高品質な膜質が要求され、さらには微細パターンへ形成する際のカバレッジが良好である必要がある。
これらの要望を満たす成膜方法として、成膜時に複数種の処理ガスを１種類ずつ交互に供給することで、処理ガスの反応表面への吸着を経由して原子層・分子層に近い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。このような成膜方法をＡｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（ＡＬＤ法）と呼ぶことがある。
このようなＡＬＤ法による成膜を実施する場合の概略は、例えば、以下のようにすればよい。まず、第１のガスを供給する第１のガス供給路と、第２のガスを供給する第２のガス供給路を有する、内部に被処理基板を保持する処理容器を用意する。そこで、第１のガスと第２のガスを交互に前記処理容器に供給すればよい。具体的には、まず、第１のガスを処理容器内の基板上に供給し、その吸着層を基板上に形成する。その後に、第２のガスを処理容器内の基板上に供給し反応させ、必要に応じてこの処理を所定の回数繰り返せばよい。この方法によれば、第１のガスが基板に吸着した後、第２の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、不純物が少なく高品質な膜質が得られると同時に、微細パターン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、処理ガスがホール上部で反応消費されてボイドが形成されることがなく、良好なカバレッジ特性を得ることができる。
このような成膜方法で形成することが可能な膜として、第１のガスに金属を含む膜、第２のガスに当該第１のガスの還元ガスを用いて、当該金属を含む膜を形成することが可能であり、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、およびＷＮなどからなる膜を形成することが可能である。
例えば、ＴｉＮ膜を形成する場合を例にとってみると、前記第１の処理ガスにはＴｉを含む化合物、例えばＴｉＣｌ4、前記第２の処理ガスには窒素を含む還元性のガス、例えばＮＨ3をプラズマ励起したものを用いてＴｉＮ膜を形成することが可能である。この場合、ＮＨ3をプラズマ励起している理由は、形成されるＴｉＮ膜の膜中不純物濃度を低下させるためである。
このような成膜方法で形成される膜は、膜質が良好でカバレッジの特性に優れるため、例えば、半導体デバイスでＣｕ配線を形成する場合の絶縁膜とＣｕの間に形成される、Ｃｕ拡散防止膜に用いられる場合がある。
ＵＳＰ ６７５９３７２号公報 ＵＳＰ ６５７３１８４号公報 ＵＳＰ ５９１６３６５号公報 ＵＳＰ ６３８７１８５号公報 ＵＳＰ ６４１６８２２号公報
しかし、例えば複数のガスを処理容器内に供給して成膜する成膜方法を用いた場合、成膜対象となる被処理基板上以外で複数のガスが混合されて反応してしまい、パーティクルの発生源となる場合があった。例えば上記の第１のガスと第２のガスを交互に供給する分子層・原子層レベルの成膜を行う場合、処理容器に供給されたガスが、当該ガス以外のガスの供給路に拡散または侵入し、ガスが混合して反応してしまう問題があった。
例えば、第２のガスの供給路から処理容器に第２のガスを供給する場合に、第１のガスの供給路に当該第２のガスが侵入してしまい、第１のガスと第２のガスが反応してパーティクルの発生源となる場合があった。
また、このようなガスの混合の防止対策として、例えばＡｒなどの逆流防止ガスを処理容器に供給する方法をとった場合には、当該逆流防止が成膜に影響を与える懸念があった。例えば、成膜処理においてプラズマ励起を行う場合には、当該逆流防止ガスがプラズマ励起されることで乖離されてイオンが生成され、当該イオンによって処理容器内部などの壁面がスパッタリングされ、パーティクルや不純物が飛散することが問題となっていた。
そこで、本発明では上記の問題を解決した成膜方法を提供することを課題としている。
本発明の具体的な課題は、複数のガスを用いて被処理基板に成膜を行う場合に、ガスの供給路で複数のガスが混合することを防止し、パーティクルの発生を抑制した安定で清浄な成膜を可能とすることである。
本発明は、上記の課題を、請求項１に記載したように、
被処理基板を保持する保持台を内部に備えた処理容器に、金属を含む第１の処理ガスと、当該第１の処理ガスを還元する第２の処理ガスを供給し、前記被処理基板上に前記金属を含む膜を成膜する成膜方法であって、
第１のガス供給路から前記処理容器に前記第１の処理ガスを供給する第１の工程と、
第２のガス供給路から前記処理容器に前記第２の処理ガスを供給し、前記処理容器に設けられたプラズマ励起手段によって当該第２の処理ガスをプラズマ励起する第２の工程と、を有し、
前記第２の工程では、前記第１のガス供給路から前記処理容器に、Ｈ２またはＨｅよりなる逆流防止ガスが供給されることを特徴とする成膜方法により、また、
請求項２に記載したように、
前記第１の工程と前記第２の工程とを交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項１記載の成膜方法により、また、
請求項３に記載したように、
前記第１の工程の後、および前記第２の工程の後に、前記処理容器内をパージするパージ工程を有することを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法により、また、
請求項４に記載したように、
前記第１の工程では、前記第２のガス供給路から前記処理容器に、別の逆流防止ガスが供給されることを特徴とする請求項１乃至３のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項５に記載したように、
前記第２の処理ガスと前記逆流防止ガスが同一のガスであることを特徴とする請求項１乃至５のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項６に記載したように、
前記第２の処理ガスがＨ２よりなることを特徴とする請求項１乃至５のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項７に記載したように、
前記逆流防止ガスがＨ２よりなることを特徴とする請求項１乃至６のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項８に記載したように、
前記別の逆流防止ガスがＡｒよりなることを特徴とする請求項４記載の成膜方法により、また、
請求項９に記載したように、
前記金属は、Ｔａ、Ｔｉ、およびＷのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１０に記載したように、
前記第１の処理ガスが、アミド化合物ガス、ハロゲン化合物ガス、およびカルボニル化合物ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至９のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１１に記載したように、
前記アミド化合物ガスは、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３、Ｔａ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５ＣＨ３)]５、Ｔａ[Ｎ(ＣＨ３)２]５、Ｔａ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２]５、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ３)３)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、およびＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)３)(Ｎ(ＣＨ３)２)３、Ｔａ(ＮＣ２Ｈ５)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、Ｔａ(Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、Ｔｉ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５ＣＨ３)]４、Ｔｉ[Ｎ(ＣＨ３)２]４、およびＴｉ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２]４よりなる群より選ばれるガスであることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法により、また、
請求項１２に記載したように、
前記ハロゲン化合物ガスは、ＴａＣｌ５、ＴａＦ５、ＴａＢｒ５、ＴａＩ５、ＴｉＣｌ４、ＴｉＦ４、ＴｉＢｒ４、ＴｉＩ４、およびＷＦ６よりなる群より選ればれるガスであることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法により、また、
請求項１３に記載したように、
前記カルボニル化合物ガスは、Ｗ（ＣＯ）６であることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法により、また、
請求項１４に記載したように、
前記第１の処理ガス、および前記第２の処理ガスは、前記処理容器に設置されたシャワーヘッド部を介して前記処理容器内に供給されることを特徴とする請求項１乃至１３のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１５に記載したように、
前記プラズマ励起手段は、前記シャワーヘッド部よりなり、前記シャワーヘッド部には高周波電力が印加されてプラズマ励起が可能な構造であることを特徴とする請求項１４記載の成膜方法により、解決する。
本発明によれば、複数のガスを用いて被処理基板に成膜を行う場合に、ガスの供給路で複数のガスが混合することを防止し、パーティクルの発生を抑制した安定で清浄な成膜が可能となる。
次に、本発明の実施の形態に関して図面に基づき、以下に説明する。
図１は、実施例１による成膜方法を実施する成膜装置を、模式的に示した図である。
本図に示す成膜装置１０の概略は、内部に被処理基板Ｗを収納する処理容器１１を有し、当該処理容器１１内に形成される処理空間１１Ａに、ガスライン２００およびガスライン１００を介して、それぞれ第１の処理ガスおよび第２の処理ガスが供給される構造になっている。
そこで、前記処理空間１１Ａには、ガスライン２００とガスライン１００より、処理ガスを１種類ずつ交互に供給することで、処理ガスの反応表面への吸着を経由して原子層・分子層に近いレベルで成膜を行ない、これらの工程を繰り返し、いわゆるＡＬＤ法により、被処理基板Ｗ上に所定の厚さの薄膜を形成することが可能となっている。このようなＡＬＤ法で形成された膜は、成膜温度が低温でありながら、不純物が少なく高品質な膜質が得られると同時に、微細パターンに成膜するにあたっては、良好なカバレッジ特性を得ることができる。
本実施例による成膜方法では、成膜時に前記ガスライン２００または前記ガスライン１００より前記処理空間１１Ａに逆流防止ガスを供給するようにしたことで、第１の処理ガスと第２の処理ガスが、ガスの供給経路で混合するのを防止し、パーティクルの発生を抑制して清浄で安定した成膜を実施することを可能としている。このような、逆流防止ガスの具体的な供給方法については後述する。
次に、前記成膜装置１０の詳細についてみると、本図に示す成膜装置１０は、例えばアルミニウム、表面をアルマイト処理されたアルミニウムもしくはステンレススチールなどからなる処理容器１１を有し、前記処理容器１１の内部には基板保持台支持部１２ａに支持された、略円板状の、例えばハステロイからなる基板保持台１２が設置され、前記基板保持台１２の中心には被処理基板である半導体被処理基板Ｗが載置される。前記基板保持台１２には図示しないヒータが内蔵されて前記被処理基板を所望の温度に加熱することが可能な構造となっている。
前記基板処理容器１１内の処理空間１１Ａは、排気口１５に接続される、図示しない排気手段により真空排気され、前記処理空間１１Ａを減圧状態とすることが可能である。また、前記被処理基板Ｗは、前記処理容器１１に設置された図示しないゲートバルブより前記処理容器１１内に搬入もしくは搬出される。
また、前記処理容器１１内には、前記基板保持台１２に対向するように、例えばアルミニウムかなる略円筒状のシャワーヘッド部１３が設置されており、前記シャワーヘッド部１３の側壁面および当該シャワーヘッド部１３と前記処理容器１１の間には、例えば石英やＳｉＮ、ＡｌＮなどのセラミックなどからなるインシュレータ１６が設けられている。
また、前記シャワーヘッド部１３上の、前記処理容器１１の上の壁面には開口部が設けられて、絶縁体からなるインシュレータ１４が挿通されている。前記インシュレータ１４には、高周波電源１７に接続された導入線１７ａが挿通され、前記導入線１７ａは前記シャワーヘッド部１３に接続されて、前記導入線１７ａによって前記シャワーヘッド部１３には高周波電源が印加される構造となっている。
また、前記処理空間１１Ａに、第１の処理ガスを供給する前記ガスライン２００と、前記処理空間１１Ａに、第２の処理ガスを供給するガスライン１００は、前記シャワーヘッド部１３に接続され、前記第１の処理ガスと第２の処理ガスは、当該シャワーヘッド部１３を介して前記処理空間１１Ａに供給される構造になっている。また、前記ガスライン２００およびガスライン１００にはそれぞれ、インシュレータ２００ａおよび１００ａが挿入されており、ガスラインが高周波電力から隔絶される構造になっている。
図２は、前記シャワーヘッド部１３の詳細を模式的に示した断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。前記シャワーヘッド部１３は、内部に第１の処理ガスのガス流路２００Ｇと、第２の処理ガスのガス流路１００Ｇが形成されたシャワーヘッド本体１３Ａと、当該シャワーヘッド本体１３Ａに係合する、複数のガス孔１３ｃおよび１３ｄからなるガス孔１３Ｅが形成されたシャワープレート１３Ｂを有している。
前記ガスライン２００に接続された前記ガス流路２００Ｇは、さらに前記シャワープレート１３Ｂのガス孔１３ｄに接続されている。すなわち、前記第１の処理ガスは、前記ガスライン２００から前記ガス流路２００Ｇ、さらに前記ガス孔１３ｃへかけて構成されている第１のガス供給経路を介して前記処理空間１１Ａに供給される。一方、前記ガスライン１００に接続された前記ガス流路１００Ｇは、さらに前記シャワープレート１３Ｂのガス孔１３ｄに接続されている。すなわち、前記第２の処理ガスは、前記ガスライン１００から前記ガス流路１００Ｇ、さらに前記ガス孔１３ｄへかけて構成されている第２のガス供給経路を介して前記処理空間１１Ａに供給される。
このように、前記シャワーヘッド部１３は、第１の処理ガスと第２の処理ガスの流路が独立に形成されており、当該第１の処理ガスと第２の処理ガスはおもに前記処理空間１１Ａで混合される、いわゆるポストミックス型のシャワーヘッド構造となっている。
また、前記ガスライン２００には、当該ガスライン２００に第１の処理ガスを供給する、第１の処理ガス供給部２００Ａが、ガスライン２０４を介して接続され、また、当該ガスライン２００に逆流防止ガスを供給する逆流防止ガス供給部２００Ｂが、ガスライン２０１を介して接続されている。
同様に、前記ガスライン１００には、当該ガスライン１００に第２の処理ガスを供給する、第２の処理ガス供給部１００Ａと、当該ガスライン１００に逆流防止ガスを供給する逆流防止ガス供給部１００Ｂが接続されている。
まず、前記第１の処理ガス供給部２００Ａについてみると、前記ガスライン２０４には、バルブ２０５ａが付されたガスライン２０５と、バルブ２１０ａが付されたガスライン２１０がそれぞれ接続されている。すなわち、前記ガスライン２０４には、前記ガスライン２０５と前記ガスライン２１０からそれぞれ供給される、２種類の第１の処理ガスを、バルブの開閉によって切り替えて使用できる構造になっている。
前記ガスライン２０５には、バルブ２０５ａを介して、液体原料を気化する気化器２０５Ａが接続されている。当該気化器２０５Ａは、ライン２０６から供給される液体原料を気化して第１の処理ガスとし、当該第１の処理ガスを、ライン２０９から供給される例えばＡｒなどのキャリアガスと共に、前記ガスライン２０４からガスライン２００に供給する。
前記気化器２０５Ａに液体原料を供給する前記ライン２０６は、液体用質量流量コントローラ２０６Ａと、バルブ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃを有し、原料２０７Ａが保持された、原料容器２０７に接続されている。当該原料容器２０７には、例えばＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３などの金属を含む原料が保持され、当該原料は、ガスライン２０８から供給される、例えばＨｅなどのガスによって押圧されて、気化器に供給される構造になっている。
また、前記ガスライン２１０には、質量流量コントローラ２１１Ａと、バルブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃが付されたライン２１１が接続され、当該ライン２１１は、例えば、ＴａＣｌ５などの原料２１３Ａが保持された原料容器２１３に接続されている。また、前記ガスライン２１０には、質量流量コントローラ２１２Ａと、バルブ２１２ａ、２１２ｂが付された、例えばＡｒなどのキャリアガスを導入するガスライン２１２が接続されている。前記ガスライン２１０からは、Ａｒなどのキャリアガスと共に前記第１の処理ガスが、前記ガスライン２００、さらに前記シャワーヘッド部１３を介して前記処理空間１１Ａに供給される構造になっている。
また、前記逆流防止ガス供給部２００Ｂは、例えばＨ２ガス供給源が接続されたガスライン２０２と、Ａｒガス供給源が接続されたガスライン２０３を有している。前記ガスライン２０２には、質量流量コントローラ２０２Ａと、バルブ２０２ａ、２０２ｂが付され、また、前記ガスライン２０３には、質量流量コントローラ２０３Ａと、バルブ２０３ａ、２０３ｂが付され、前記ガスライン２００に供給される逆流防止ガスが選択されると共に、供給される逆流防止ガスの流量が制御される構造になっている。
一方、前記ガスライン１００に接続された、第２の処理ガス供給部１００Ａは、例えばＨ２ガス供給源が接続されたガスライン１０１と、ＮＨ３ガス供給源が接続されたガスライン１０２を有している。前記ガスライン１０１には、質量流量コントローラ１０１Ａと、バルブ１０１ａ、１０１ｂが付され、また、前記ガスライン１０２には、質量流量コントローラ１０２Ａと、バルブ１０２ａ、１０２ｂが付され、前記ガスライン１００に供給される第２の処理ガスが選択されると共に、供給される第２の処理ガスの流量が制御される構造になっている。
また、前記ガスライン１００に接続された、逆流防止ガス供給部１００Ｂは、例えばＡｒガス供給源が接続された、質量流量コントローラ１０３Ａと、バルブ１０３ａ、１０３ｂが付された、ガスライン１０３を有しており、前記ガスライン１００に供給される逆流防止ガスの流量が制御される構造になっている。
前記成膜装置１０を用いて、例えば、前記保持台１２上に載置された、前記被処理基板Ｗ上に、金属を含む膜を形成する場合、成膜装置１０は、概ね以下のように制御される。
まず、前記第１の処理ガス供給部２００Ａより、前記ガスライン２００およびシャワーヘッド部１３を介して前記処理空間１１Ａに金属を含む第１の処理ガスを供給する。当該第１の処理ガスが、前記被処理基板上に吸着した後、当該処理空間１１Ａに残留する当該第１の処理ガスを、前記排気口１５より排気する。この場合、パージガスを用いて処理空間１１Ａをパージしてもよい。
次に、前記第２の処理ガス供給部１００Ａより、前記ガスライン１００およびシャワーヘッド部１３を介して前記処理空間１１Ａに、前記第１の処理ガスを還元する第２の処理ガスを供給する。また、この場合、前記シャワーヘッド部１３に、前記高周波電源１７に高周波を印加して前記処理空間１１Ａに、前記第２の処理ガスのプラズマを励起すると、当該第２の処理ガスの乖離が進行して前記第１の処理ガスの還元が促進され、好適である。
次に、当該処理空間１１Ａに残留する当該第２の処理ガスを、前記排気口１５より排気する。この場合、パージガスを用いて処理空間１１Ａをパージしてもよい。
このように、処理空間に第１の処理ガスを供給して排出し、さらに第２の処理ガスを供給して排出することを、所定の回数繰り返すことで、前記被処理基板Ｗ上に、所望の厚さの金属を含む膜、または金属窒化物を含む膜などが形成される。
このようにして、いわゆるＡＬＤ法により形成された膜は、膜中の不純物が少なく、膜質が良好である特長を有している。
しかし、従来は、第１の処理ガスと第２の処理ガス、すなわち金属を含むガスと還元ガスが、前記処理空間１１Ａ以外の空間で混合されてしまい、例えばパーティクルの発生源となって成膜処理や、当該成膜処理を用いた半導体装置の製造の歩留りの低下の原因となる場合があった。
例えば、前記第１の処理ガスを前記処理空間１１Ａに供給する工程では、当該処理空間１１Ａに供給された当該第１の処理ガスが、前記第２の処理ガスを供給する前記第２のガス供給経路、すなわち、図２に示した前記ガス孔１３ｄや、前記ガス流路１００Ｇ、さらには前記ガスライン１００などに、拡散または侵入などすることで、第１の処理ガスと第２の処理ガスが当該第２のガス供給経路で反応してしまい、パーティクルの発生原因となる場合があった。同様に、前記第２の処理ガスを前記処理空間１１Ａに供給する工程では、当該処理空間１１Ａに供給された当該第２の処理ガスが、前記第１の処理ガスを供給する前記第１のガス供給経路、すなわち、図２に示した前記ガス孔１３ｃや、前記ガス流路２００Ｇ、さらには前記ガスライン２００などに、拡散または侵入などすることで、第１の処理ガスと第２の処理ガスが当該第１のガス供給経路で反応してしまい、パーティクルの発生原因となる場合があった。
そこで、本実施例による成膜方法では、前記第１の処理ガスを前記処理空間１１Ａに供給する工程で、前記第２の供給経路より逆流防止ガスを当該処理空間１１Ａに供給するようにし、さらに、前記第２の処理ガスを前記処理空間１１Ａに供給する工程で、前記第２の供給経路より逆流防止ガスを当該処理空間１１Ａに供給するようにしている。そのため、前記第１の供給経路に前記第２の処理ガスが拡散または侵入することが抑制され、第１の処理ガスと第２の処理ガスが当該第１のガス供給経路で反応してパーティクルが発生することが抑制される。同様に、前記第２のガス供給経路に前記第１の処理ガスが拡散または侵入することが抑制され、第１の処理ガスと第２の処理ガスが当該第２のガス供給経路で反応してパーティクルが発生することが抑制される。
また、特に第２の処理ガスを前記処理空間１１Ａ供給した場合に、プラズマを励起した場合、逆流防止ガスのガス種によっては、成膜処理に問題が生じる懸念があった。例えば、逆流防止ガスとして、Ａｒなどの比較的質量の大きい（原子数の大きい）ガスを用いた場合、逆流防止ガスが乖離されて生成されるイオンによって、前記処理空間１１Ａ内で、例えば前記シャワーヘッド部１３や前記処理容器１１の内壁がスパッタリングされてしまい、パーティクルまたは汚染源が飛散してしまう問題があった。例えば、当該シャワーヘッド部１３や前記処理容器１１の内壁を構成する材料、例えばＡｌやその他の金属がスパッタリングされて被処理基板上の膜に取り込まれ、汚染源となってしまう懸念があった。
そこで、本実施例では、前記第２の処理ガスが供給される場合に、前記第１のガス供給経路から供給される逆流防止ガスに、質量の小さい（原子数の小さい）ガス、例えばＨ２ガスを用いることで、シャワーヘッド部がスパッタリングされる量を低減し、パーティクルや汚染物質の飛散を抑制して、膜中への不純物の混入を抑制している。また、この逆流防止ガスは、Ｈ２に限定されるものではなく、他の質量の小さいガス、例えばＨｅガスを用いることも可能である。
さらに、前記第１のガス供給経路から供給される逆流防止ガスが、前記第２のガス供給経路から供給される前記第２の処理ガスと同一であると、さらに好適である。この場合、例えば前記第２の処理ガス、すなわち第１の処理ガスを還元する還元ガスとしてＨ２ガスが用いられる場合には、前記第１のガス供給経路より供給される逆流防止ガスとして、Ｈ２ガスを用いると好適である。
この場合、前記第１のガス供給経路と前記第２のガス供給経路から処理空間１１Ａに供給されるガスは、実質的にＨ２ガスのみとなり、成膜処理において逆流防止ガスから膜中に不純物が混入することが無く、さらにシャワーヘッド部がスパッタリングされる量が低減されて、汚染物質の飛散が低減されるため、膜中に取り込まれる汚染物質が抑制されて、形成される膜質が良好となる。
次に、前記成膜装置１０を用いて成膜を行う場合の詳細な一例について、図３に示すフローチャートに基づき、説明する。
図３は、本実施例による成膜方法を示すフローチャートである。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
まず、ステップ１（図中Ｓ１と表記する、以下同様）において、被処理基板Ｗを前記成膜装置１０に搬入する。
次に、ステップ２において、前記被処理基板Ｗを前記基板保持台１２に載置する。
ステップ３においては、前記保持台１２に内蔵したヒータによって前記被処理基板が昇温される。
次にステップ４において、前記バルブ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃを開放し、前記原料容器６６から、液体であるＴａ(ＮＣ(ＣＨ3)2Ｃ2Ｈ5)(Ｎ(ＣＨ3)2)3からなる液体原料２０７Ａを、液体質量流量コントローラ２０６Ａで流量を制御しながら、前記前記ライン２０６から前記気化器２０５Ａに供給する。
前記気化器２０５Ａでは前記液体原料２０７Ａを気化して第１の処理ガスとし、当該第１の処理ガスは、前記ガスライン２０９から前記気化器２０５Ａに供給されるＡｒと共に、前記ガスライン２０５からガスライン２０４、さらにガスライン２００を介して、前記処理空間１１Ａに供給される。
本ステップにおいて、前記第１の処理ガスが被処理基板上に供給されることで、被処理基板上に前記第１の処理ガスが吸着される。
また、本ステップにおいては、バルブ１０３ａおよびバルブ１０３ｂを開放して前記質量流量コントローラ１０３Ａで流量を制御して、逆流防止ガスであるＡｒを、前記ガスライン１００より前記処理空間１１Ａに供給する。このため、第１の処理ガスが前記第２のガス供給経路に拡散または侵入などすることで第１の処理ガスと第２の処理ガスが当該第１のガス供給経路で反応し、パーティクルが発生することが抑制される。
次に、ステップ５で、前記バルブ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃを閉じて前記処理空間１１Ａへの前記第１の処理ガスの供給を停止し、前記被処理基板上に吸着していない、未吸着で前記処理空間１１Ａに残留していた第１の処理ガスを、前記排気口１５より前記処理容器１１の外へと排出する。この場合、前記バルブ２０３ａ、２０３ｂ、および前記バルブ１０３ａ、１０３ｂを開放して、それぞれ前記ガスライン２００およびガスライン１００からパージガスとしてＡｒを導入して、前記処理空間１１Ａをパージしてもよい。この場合、速やかに残留した第１の処理ガスが処理空間より排出される。所定の時間のパージが終了後、前記バルブ２０３ａ、２０３ｂ、および前記バルブ１０３ａ、１０３ｂを閉じる。
次に、ステップ６において、前記バルブ１０１ａおよび１０１ｂを開放し、前記質量流量コントローラ１０１Ａで流量を制御することで、Ｈ2ガスを前記ガスライン１００より前記処理空間１１Ａに導入し、さらに、前記高周波電源１７より前記シャワーヘッド部１３に高周波電力（ＲＦ）を印加して、前記処理空間１１Ａにてプラズマ励起を行う。この場合、前記処理空間のＨ2が解離されて、Ｈ+／Ｈ*（水素イオンと水素ラジカル）となり、前記被処理基板Ｗ上に吸着している前記第１の処理ガス（Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ3)2Ｃ2Ｈ5)(Ｎ(ＣＨ3)2)3）とＨ+／Ｈ*が反応してＴａ（Ｃ）Ｎが形成される。この場合、プラズマを励起する前に、第２の処理ガスの流量安定のため、また処理空間の圧力上昇のために、第２の処理ガスを所定の時間供給するようにしてもよい。
本ステップでは、バルブ２０２ａおよびバルブ２０２ｂを開放して前記質量流量コントローラ２０２Ａで流量を制御して、逆流防止ガスであるＨ２ガスを、前記ガスライン２００より前記処理空間１１Ａに供給する。このため、第２の処理ガスが前記第１のガス供給経路に拡散または侵入などすることで第１の処理ガスと第２の処理ガスが当該第２のガス供給経路で反応し、パーティクルが発生することが抑制される。
また、この場合、前記第１のガス供給経路から供給される逆流防止ガスが、前記第２のガス供給経路から供給される前記第２の処理ガスと同一であるため、前記第１のガス供給経路と前記第２のガス供給経路から処理空間１１Ａに供給されるガスは、実質的にＨ２ガスのみとなり、成膜処理において逆流防止ガスから膜中に不純物が混入することが無く、さらに励起されるプラズマが安定し、また逆流防止ガスが質量の小さいＨ２ガスであるため、シャワーヘッド部がスパッタリングされる量が低減されて、汚染物質の飛散が低減されるため、膜中に取り込まれる汚染物質が抑制されて、形成される膜質が良好となる。
次に、ステップ７で、前記バルブ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃを閉じて前記処理空間１１Ａへの前記第２の処理ガスの供給を停止し、前記被処理基板上の前記第１の処理ガスと反応していない前記処理空間１１Ａに残留していた第２の処理ガスを、前記排気口１５より前記処理容器１１の外へと排出する。この場合、前記バルブ２０３ａ、２０３ｂ、および前記バルブ１０３ａ、１０３ｂを開放して、それぞれ前記ガスライン２００およびガスライン１００からパージガスとしてＡｒを導入して、前記処理空間１１Ａをパージしてもよい。この場合、速やかに残留した第２の処理ガスが処理空間より排出される。所定の時間のパージが終了後、前記バルブ１０１ａ、１０１ｂ、および前記バルブ２０２ａ、２０２ｂを閉じる。
次に、ステップ８においては、被処理基板上に必要な膜厚の薄膜を形成するために、成膜工程を再びステップ４に戻し、所望の膜厚となるまでステップ４〜７を繰り返し、必要な回数終了後に次のステップ９に移行する。
次に、ステップ９では前記被処理基板Ｗを前記基板保持台１２より離間し、ステップ１０で前記処理容器１１から前記被処理基板Ｗを搬出する。
このようにして、本実施例よる成膜処理によって、被処理基板上に金属を含む膜、例えばＴａ（Ｃ）Ｎ膜が形成される。なお、Ｔａ（Ｃ）Ｎ膜は、膜中の成分に、Ｔａ、Ｃ、Ｎ、を少なくとも含む膜であり、その結合状態や含有率が限定されるものではなく、さらに、不純物を含むようにしてもよい。また、成膜条件や用いるガスを変更することによって上記の含有率を変更することが可能である。
また、本実施例によって形成される金属を含む膜は、不純物が少なく高品質な膜質であり、微細パターンに成膜するにあたっては、良好なカバレッジ特性を得ることができるため、微細化された配線パターンを有する高性能半導体装置の、Ｃｕ配線の拡散防止膜（バリア膜または密着膜）に用いると好適である。
また、本実施例による成膜方法によって成膜が可能である膜は、Ｔａ（Ｃ）Ｎ膜などの、Ｔａを含有する膜に限定されず、例えば、Ｔｉ、Ｗなどの金属を含む膜を形成することが可能で有り、Ｔａを含む膜を形成する場合と同様の効果を奏する。
例えば、本実施例による成膜方法によって、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、Ｔａ（Ｃ）Ｎ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ｔｉ（Ｃ）Ｎ膜、Ｗ膜、ＷＮ膜、Ｗ（Ｃ）Ｎ膜などを形成することが可能である。なお、この場合、なお、Ｔａ（Ｃ）Ｎ膜は、膜中の成分に、Ｔａ、Ｃ、Ｎ、を少なくとも含む膜であり、その結合状態や含有率が限定されるものではなく、同様に、Ｔｉ（Ｃ）Ｎ膜、および、Ｗ（Ｃ）Ｎ膜は、それぞれ、膜中の成分に、Ｔｉ、Ｃ、Ｎ、およびＷ、Ｃ、Ｎを少なくとも含む膜であり、その結合状態や含有率が限定されるものではない。また、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜、ＷＮ膜などを形成する場合にも、特に第１の処理ガス中にＣを含むガスを用いた場合には膜中にＣが残留する場合がある。また、これらの膜の組成や元素の含有率は、様々に変更して形成することが可能である。
例えば、上記図３に示した成膜方法において、用いる原料を、原料２０７Ａから、原料２１３Ａに換えて、すなわち第１の処理ガスを、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ3)2Ｃ2Ｈ5)(Ｎ(ＣＨ3)2)3から、ＴａＣｌ５に換えて、前記第１の処理ガスが、前記ガスライン２１０から前記ガスライン２０４を介して前記ガスライン２００から前記シャワーヘッド部１３に供給されるようにして、同様の処理を行うことが可能である。この場合、被処理基板上には、Ｔａ膜が形成される。
また、上記図３に示した成膜方法において、第２の処理ガスを、Ｈ２から、ＮＨ３に換えて、前記第２の処理ガスが、前記ガスライン１０２から前記ガスライン１００を介して前記シャワーヘッド部１３に供給されるようにして、同様の処理を行うことが可能である。この場合、被処理基板上には、おもにＴａとＮを含有する膜（ＴａＮ膜）が形成される。この場合、第２の処理ガスは必ずしもプラズマ励起して用いる必要は無く、例えばプラズマ励起されないＮＨ３を用いて、被処理基板上に形成された、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ3)2Ｃ2Ｈ5)(Ｎ(ＣＨ3)2)3を還元することが可能である。
また、前記第１の処理ガスは、上記に示した例に限定されるものではなく、他にも様々な処理ガスを用いることが可能であり、例えば、前記第１の処理ガスとして、アミド化合物ガス、ハロゲン化合物ガス、およびカルボニル化合物ガスのいずれかを用いることが可能である。
例えば、前記アミド化合物ガスは、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３、Ｔａ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５ＣＨ３)]５、Ｔａ[Ｎ(ＣＨ３)２]５、Ｔａ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２]５、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ３)３)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、およびＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)３)(Ｎ(ＣＨ３)２)３、Ｔａ(ＮＣ２Ｈ５)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、Ｔａ(Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、Ｔｉ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５ＣＨ３)]４、Ｔｉ[Ｎ(ＣＨ３)２]４、およびＴｉ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２]４よりなる群より選ばれるガスを用いることが可能である。
また、例えば、前記ハロゲン化合物ガスは、ＴａＦ５、ＴａＢｒ５、ＴａＩ５、ＴｉＣｌ４、ＴｉＦ４、ＴｉＢｒ４、ＴｉＩ４、およびＷＦ６よりなる群より選ればれるガスを用いることが可能である。
また、例えば、前記カルボニル化合物ガスとしてはは、Ｗ（ＣＯ）６を用いることが可能である。
また、これらの第１の処理ガスは、例えば常温で固体であったり液体であったりまた、気体である場合もあるが、例えば、固体や液体の場合には、必要に応じて加熱して気化させる、または気化器を用いて気化させる、または加熱して昇華させる、などの方法を用いて気化させてガスとして用いればよい。また、固体原料は、溶媒に溶かして一旦液体にし、さらに当該液体を気化させて第１の処理ガスとする方法もある。
例えば、本実施例で原料２０７Ａの一例としてあげたＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３の場合、常温では固体であるが、例えばヘキサン（Ｈｅｘａｎｅ）の溶液からなる溶媒に溶解させることにより、常温で液体として扱うことが可能となり、当該液体を図１に示したような気化器を用いて気化し、第１の処理ガスとすることが可能である。なお、図１に示した前記成膜装置１０の前記原料容器２０７には、図示を省略した加熱ヒータが付されており、加熱により固体原料を液体とすることも可能である。
次に、図１に示した前記成膜装置１０を用いて、図３に示した成膜方法を実施して被処理基板上に形成した膜を、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）により、分析した分析結果を、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示す。この場合、図４（Ａ）は、第１の処理ガスにＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３を、第２の処理ガスにＨ２を用いて、被処理基板上にＴａ（Ｃ）Ｎ膜を形成した場合であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の場合と同様のガスを用いた場合であって、固体のＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３を溶解させるための溶媒に、ヘキサン（Ｈｅｘａｎｅ）の０．１ｍｏｌ／ｌ溶液を用いた場合に形成された膜の分析結果であり、図４（Ｃ）は、第１の処理ガスにＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３を、第２の処理ガスにＮＨ３を用いて、被処理基板上にＴａＮ膜を形成した場合であり、図４（Ｄ）は、第１の処理ガスにＴａＣｌ５、第２の処理ガスにＨ２を用いて、被処理基板上にＴａ膜を形成した場合に、それぞれ形成された膜をＸＲＤにより分析した結果を示している。
図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照するに、例えば図４（Ａ）の場合、Ｔａ−Ｎ結合、Ｔａ−Ｃ結合が、また、図４（Ｂ）の場合も同様の結合が観察された。また、図４（Ｃ）の場合には、Ｔａ−Ｎ結合が、また、図４（Ｄ）の場合には、α―Ｔａが観察され、図４（Ａ）〜（Ｄ）の場合において、所望の、金属を含む膜が形成されていることが確認された。
また、上記いずれの膜に関しても目立ったパーティクルなどの不純物・欠陥などは観察されず、良好に安定した成膜が実施されていることが確認された。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
本発明によれば、複数のガスを用いて被処理基板に成膜を行う場合に、ガスの供給路で複数のガスが混合することを防止し、パーティクルの発生を抑制した安定で清浄な成膜が可能となる。
本発明の実施例１による成膜方法を実施可能な成膜装置の一例を模式的に示した図である。 図１の成膜装置に用いるシャワーヘッド部を模式的に示した断面図である。 本発明の実施例１による成膜方法の一例を示すフローチャートである。 （Ａ）〜（Ｄ）は、実施例１による成膜方法により形成された膜の分析結果を示す図である。
符号の説明
１０ 成膜装置
１１ 処理容器
１２ 基板保持台
１２ａ 基板保持台支持
１３ シャワーヘッド部
１３Ａ シャワーヘッド本体
１３Ｂ シャワープレート
１３ｃ，１３ｄ，１３Ｅ ガス孔
１４，１６，１００ａ，１００ｂ インシュレータ
１５ 排気口
１７ 高周波電力
１７ａ 電源ライン
１００，１０１，１０２，１０３，２００，２０４，２０５，２０６，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２ ガスライン
１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，２０２Ａ，２０３Ａ，２０６Ａ，２０９Ａ，２１１Ａ，２１２Ａ 質量流量コントローラ
１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，２０２Ａ，２０２Ｂ，２０５ａ，２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２１０ａ，２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１２ａ，２１２ｂ バルブ

Claims (15)

  1. 被処理基板を保持する保持台を内部に備えた処理容器に、金属を含む第１の処理ガスと、当該第１の処理ガスを還元する第２の処理ガスを供給し、前記被処理基板上に前記金属を含む膜を成膜する成膜方法であって、
    第１のガス供給路から前記処理容器に前記第１の処理ガスを供給する第１の工程と、
    第２のガス供給路から前記処理容器に前記第２の処理ガスを供給し、前記処理容器に設けられたプラズマ励起手段によって当該第２の処理ガスをプラズマ励起する第２の工程と、を有し、
    前記第２の工程では、前記第１のガス供給路から前記処理容器に、Ｈ２またはＨｅよりなる逆流防止ガスが供給されることを特徴とする成膜方法。
  2. 前記第１の工程と前記第２の工程とを交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
  3. 前記第１の工程の後、および前記第２の工程の後に、前記処理容器内をパージするパージ工程を有することを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
  4. 前記第１の工程では、前記第２のガス供給路から前記処理容器に、別の逆流防止ガスが供給されることを特徴とする請求項１乃至３のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
  5. 前記第２の処理ガスと前記逆流防止ガスが同一のガスであることを特徴とする請求項１乃至５のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
  6. 前記第２の処理ガスがＨ２よりなることを特徴とする請求項１乃至５のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
  7. 前記逆流防止ガスがＨ２よりなることを特徴とする請求項１乃至６のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
  8. 前記別の逆流防止ガスがＡｒよりなることを特徴とする請求項４記載の成膜方法。
  9. 前記金属は、Ｔａ、Ｔｉ、およびＷのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
  10. 前記第１の処理ガスが、アミド化合物ガス、ハロゲン化合物ガス、およびカルボニル化合物ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至９のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
  11. 前記アミド化合物ガスは、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ３)２Ｃ２Ｈ５)(Ｎ(ＣＨ３)２)３、Ｔａ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５ＣＨ３)]５、Ｔａ[Ｎ(ＣＨ３)２]５、Ｔａ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２]５、Ｔａ(ＮＣ(ＣＨ３)３)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、およびＴａ(ＮＣ(ＣＨ３)３)(Ｎ(ＣＨ３)２)３、Ｔａ(ＮＣ２Ｈ５)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、Ｔａ(Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２)(Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２)３、Ｔｉ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５ＣＨ３)]４、Ｔｉ[Ｎ(ＣＨ３)２]４、およびＴｉ[Ｎ(Ｃ２Ｈ５)２]４よりなる群より選ばれるガスであることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法。
  12. 前記ハロゲン化合物ガスは、ＴａＣｌ５、ＴａＦ５、ＴａＢｒ５、ＴａＩ５、ＴｉＣｌ４、ＴｉＦ４、ＴｉＢｒ４、ＴｉＩ４、およびＷＦ６よりなる群より選ばれるガスであることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法。
  13. 前記カルボニル化合物ガスは、Ｗ（ＣＯ）６であることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法。
  14. 前記第１の処理ガス、および前記第２の処理ガスは、前記処理容器に設置されたシャワーヘッド部を介して前記処理容器内に供給されることを特徴とする請求項１乃至１３のうち、いずれか１項記載の成膜方法
  15. 前記プラズマ励起手段は、前記シャワーヘッド部よりなり、前記シャワーヘッドには高周波電力が印加されてプラズマ励起が可能な構造であることを特徴とする請求項１４記載の成膜方法。
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