JP2011006782A - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】TiCl4と、このTiCl4と反応するNH3をウエハに供給し、TiCl4の一部に、置換反応を起こさせないままの結合枝を所定の濃度で残すよう処理条件を制御してウエハにTiN中間膜を形成する第1の工程と、H2をこのウエハに供給し、TiN中間膜に含まれる結合枝を置換する第2の工程と、を有し、前記第1の工程と前記第2の工程を順に行うことにより、TiN膜を形成する。
【選択図】図4
Description
また、基板上に形成される金属膜としては、例えば、特許文献1のようにTiN(窒化チタン)膜が挙げられる。
本実施例に係る基板処理装置は、半導体装置(IC(Integrated Circuits))の製造に使用される半導体製造装置の一例として構成されているものである。下記の説明では、基板処理装置の一例として、基板に対し成膜処理等をおこなう縦型の装置を使用した場合について述べる。しかし、本発明は、縦型装置の使用を前提としたものでなく、例えば、枚葉装置を使用しても良い。
図1に示す通り、基板処理装置101では、基板の一例となるウエハ200を収納したカセット110が使用されており、ウエハ200はシリコン等の材料から構成されている。基板処理装置101は筐体111を備えており、筐体111の内部にはカセットステージ114が設置されている。カセット110はカセットステージ114上に工程内搬送装置(図示略)によって搬入されたり、カセットステージ114上から搬出されたりされる。
続いて、基板処理装置101の主な動作について説明する。
次に図2及び図3を用いて前述した基板処理装置に適用される処理炉202について説明する。
次に、上述の基板処理装置の処理炉202を用いて、半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、大規模集積回路(Large Scale Integration;LSI)を製造する際などに、基板上に絶縁膜を成膜する方法の例について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ280により制御される。
本実施形態では、ALD法を用いて、金属化合物膜としてTiN膜を形成する方法について説明する。Cl含有金属化合物としてTi含有原料であるTiCl4を用い、TiCl4を置換する窒化ガス(TiCl4と反応する反応性ガス)としてNH3を用いて一部に置換反応を起こさせないままの結合枝を残したままTiN中間膜を基板上に形成した後、水素をこの結合枝に反応させることにより、TiN膜(Ti−N−H基を有するTiNH膜を含む場合もある)を基板上に形成する例について説明する。なお、この例では、第1のガス供給系によりCl含有金属化合物供給系(第1の元素含有ガス供給系)が構成され、第2のガス供給系により窒素含有ガス供給系(第2の元素含有ガス供給系)が構成される。
処理室201内の温度が550℃よりも高い場合、この処理室201内に供給される原料が熱分解し、面内均一性の確保が困難となる。処理室201内の温度が300℃よりも低い場合、成形される膜中に残留する不純物が増加する。
ステップ11では、TiCl4を流す。TiCl4は常温で液体であり、処理室201に供給するには、加熱して気化させてから供給する方法、気化器700を使用してキャリアガスと呼ばれるHe(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、N2(窒素)などの不活性ガスをTiCl4容器の中に通し、気化している分をそのキャリアガスと共に処理室201へと供給する方法などがあるが、例として後者のケースで説明する。
TiCl4にウエハ200を晒す時間は3〜10秒間である。ウエハ200をTiCl4に晒す時間が10秒よりも長い場合、生産性が低下し、量産が困難となる。ウエハ200をTiCl4に晒す時間が3秒よりも短い場合、この晒す時間が上記範囲にあるときと比較して、面内均一性が悪化する。
このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が300℃〜550℃の範囲であって、例えば450℃になるよう設定してある。
ガス供給管310のバルブ314を閉めて処理室へのTiCl4の供給を停止し、バルブ614を開けてベントライン610へTiCl4を流す。これによりTiCl4を常に安定して処理室へ供給することができる。このときガス排気管231のAPCバルブ243は開いたままとし、真空ポンプ246により処理室201内を20Pa以下となるまで排気し、残留TiCl4を処理室201内から排除する。このときN2等の不活性ガスを処理室201内へ供給すると、更に残留TiCl4を排除する効果が高まる。
ステップ13では、NH3を流す。ガス供給管320にNH3を、キャリアガス供給管520にキャリアガス(N2)を流す。ガス供給管320のバルブ324、キャリアガス供給管520のバルブ522、および排気管231のAPCバルブ243を共に開ける。キャリアガスは、キャリアガス供給管520から流れ、マスフローコントローラ522により流量調整される。NH3は、ガス供給管320から流れ、マスフローコントローラ322により流量調整され、流量調整されたキャリアガスを混合し、ノズル420のガス供給孔420aから処理室201内に供給されつつ排気管231から排気される。NH3を流すときは、APCバルブ243を適正に調節して処理室201内圧力を50〜1000Paの範囲であって、例えば60Paに維持する。
NH3にウエハ200を晒す時間は10〜30秒間である。ウエハ200をNH3に晒す時間が30秒よりも長い場合、生産性が低下し、量産が困難となる。ウエハ200をNH3に晒す時間が10秒よりも短い場合、この晒す時間が上記範囲にあるときと比較して、面内均一性が悪化する。
このときのヒータ207の温度は、300℃〜550℃の範囲の所定の温度であって、例えばステップ11と同じ450℃になるよう設定してある。
ステップ14では、ガス供給管320のバルブ324を閉めて、NH3の供給を止める。また、ガス排気管231のAPCバルブ243は開いたままにし、真空ポンプ246により、処理室201を20Pa以下に排気し、残留NH3を処理室201から排除する。また、この時には、N2等の不活性ガスを、NH3供給ラインであるガス供給管320およびTiCl4供給ラインであるガス供給管310からそれぞれ処理室201に供給してパージすると、残留NH3を排除する効果が更に高まる。
ステップ21では、H2を流す。ガス供給管330のバルブ334および排気管231のAPCバルブ243を共に開ける。H2は、ガス供給管330から流れ、マスフローコントローラ332により流量調整される。H2は、ノズル420のガス供給孔420aから処理室201内に供給されつつ排気管231から排気される。H2を流すときは、APCバルブ243を適正に調節して処理室201内圧力を50〜1000Paの範囲であって、例えば60Paに維持する。マスフローコントローラ324で制御するH2の供給流量は1〜20slmである。H2にウエハ200を晒す時間10〜1800秒間である。このときのヒータ207の温度は、600℃〜700℃の範囲の所定の温度であって、例えば700℃になるよう設定してある。
図5は、H2アニールによりClがTiN中間膜から離脱する機構を模式的に示す図である。
ステップ11〜14の処理後、ウエハ200上に形成されたTiN中間膜は、原料のTiCl4に起因するClを含んだ状態にある(図5(a))。このTiN中間膜をH2アニール(ステップ21)すると、このTiN中間膜に含まれるClとH2とが反応し、HClとなって、TiN中間膜から離脱する(図5(b))。このようにして、TiN中間膜からClが除去され、TiN膜が形成される。
TiNH膜成分が含まれる理由は、以下の通りである。Ti−N−H基のHにTiCl4が衝突して反応すればHClとなってHが抜けるためTi−N−Ti結合となってTiN膜が形成される。しかし、この反応が起きなければTi−N−H基が残り、TiNH膜となる。尚、温度が高いほどより反応が促進されるためTiN膜となる確率が増えると考えられる。上記のステップ21を行なうことにより、TiN膜からClを除去することが可能となる。
また、H2アニールを行うことにより、H2アニールを行わない場合と比較して、形成される膜の抵抗(コンタクト抵抗)を低くすることができ、また、拡散防止(バリア)性を向上することができる。
図6に示すように、抵抗率は、ウエハ200の温度を350℃に設定すると460μΩcm、ウエハ200の温度を380℃に設定すると240μΩcm、ウエハ200の温度を450℃に設定すると150μΩcmとなった。
本実施形態では、CVD法を用いて、金属化合物膜としてTiN膜を形成する方法について説明する。Cl含有金属化合物としてチタン(Ti)含有原料であるTiCl4を用い、TiCl4を置換する窒化ガス(TiCl4と反応する反応性ガス)としてNH3を用いて一部に置換反応を起こさせないままの結合枝を残したままTiN中間膜を基板上に形成した後、水素をこの結合枝に反応させることにより、TiN膜(Ti−N−H基を有するTiNH膜を含む場合もある)を基板上に形成する例について説明する。尚、第1の実施形態と異なる点は第1の実施形態はALD法にてTiN中間膜を形成するのに対し、本実施形態はCVD法にてTiN中間膜を形成する点である。異なる箇所のみ説明する。本実施形態で好適に用いる基板処理装置等は、第1の実施形態におけるものと同じである。
マスフローコントローラ322で制御するNH3の供給量は0.1〜0.5slmである。NH3の供給量が0.5slmよりも多い場合、過剰な気相反応が生じ、この供給量が上記範囲にあるときと比較して、面内均一性が悪化したり、パーティクルの発生量が増加したりする。NH3の供給量が0.1slmよりも少ない場合、この供給量が上記範囲にあるときと比較して、面内均一性が悪化する。
TiCl4及びNH3にウエハ200を晒す時間は所望の膜厚に達するまでである。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
Cl含有金属化合物と、Cl含有金属化合物を反応する反応性ガスを基板に供給し、Cl含有金属化合物の一部に置換反応を起こさせないままの結合枝を所定の濃度で残すよう処理条件を制御して基板に金属中間膜を形成する第1の工程と、
H2を基板に供給し、金属中間膜に含まれる結合枝を置換する第2の工程を有し、第1の工程と第2の工程を順に行なうことにより、金属膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
(付記2)
好ましくは、処理条件は、基板の加熱温度、反応性ガスの供給量、反応性ガスの供給時間のいずれかである。
(付記3)
好ましくは、Cl含有金属化合物はTiCl4であり、反応性ガスはNH3であり、金属膜はTiN膜である。
(付記4)
好ましくは、TiN膜は、Ti−N−H基を含む。
(付記5)
好ましくは、金属中間膜は、Cl含有金属化合物と反応性ガスを交互に基板に供給して形成する。
(付記6)
好ましくは、金属中間膜は、Cl含有金属化合物と反応性ガスを同時に基板に供給して形成する。
(付記7)
好ましくは、基板の下地膜がSi、SiGe、Al合金、Cu、Cu合金のいずれかである。
(付記8)
好ましくは、基板の下地膜がSiであり、基板と金属膜との界面にTixSiyNz膜が形成される。
(付記9)
好ましくは、第1の工程と第2の工程は、基板の温度を変えて行なう。
(付記10)
好ましくは、第1の工程と第2の工程は、同じ処理室内で行なう。
(付記11)
好ましくは、第1の工程と第2の工程は、異なる処理室内で行なう。
(付記12)
好ましくは、H2は、プラズマ、電子ビーム及びフィラメント電極のいずれかを用いて活性化させて用いる。
(付記13)
本発明の他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
基板を加熱する加熱手段と、
基板にCl含有金属化合物を供給する第1のガス供給手段と、
基板にCl含有金属化合物と反応する反応性ガスを供給する第2のガス供給手段と、
基板にH2を供給する第3のガス供給手段と、
処理室内の雰囲気を排気する排気手段と、
加熱手段、第1のガス供給手段、第2のガス供給手段、第3のガス供給手段及び排気手段を制御する制御部と、を有し、
制御部は、加熱手段、第1のガス供給手段、第2のガス供給手段、第3のガス供給手段及び排気手段を制御して、
基板を加熱しつつ、Cl含有金属化合物及び反応性ガスを基板に供給し、Cl含有金属化合物の一部に置換反応を起こさせないままの結合枝を所定の濃度で残すよう処理条件を制御して基板に金属中間膜を形成した後、
H2を基板に供給し、金属中間膜に含まれる結合枝を置換することにより、金属膜を形成することを特徴とする基板処理装置が提供される。
(付記14)
好ましくは、処理条件とは、基板の加熱温度、反応性ガスの供給量、反応性ガスの供給時間のいずれかである。
(付記15)
本発明の一態様によれば、上記の半導体装置の製造方法で形成された半導体装置が提供される。
(付記16)
本発明の一態様によれば、上記の基板処理装置で形成された半導体装置が提供される。
(付記17)
本発明の他の態様によれば、
無機金属化合物または有機金属化合物のいずれかと、金属化合物に対して反応性を有する第1のガスを反応させることにより、被処理基板上に純金属もしくは金属化合物膜を形成する成膜方法であって、一部に置換反応を起こさないままの結合枝を残したまま成膜を行った後、結合枝に対して第2のガスを反応させることにより、金属膜化合物の組成を制御することを特徴とする成膜方法、及び成膜装置が提供される。
(付記18)
好ましくは、上記の成膜はALD法またはCVD法にて行なう。
(付記19)
好ましくは、金属化合物がTiCl4、第1のガスがNH3、第2のガスがH2である。
(付記20)
好ましくは、処理後の金属化合物膜がTixNy、TixNyHzである。
(付記21)
本発明の他の態様によれば、
無機金属化合物または有機金属化合物のいずれかと、金属化合物に対して反応性を有する第1のガスを反応させることにより、被処理基板上に純金属もしくは金属化合物膜を形成する成膜方法であって、一部に置換反応を起こさないままの結合枝を残したまま成膜を行った後、結合枝に対して第2のガスを反応させると同時に下地膜の構成元素との結合枝を形成することを特徴とする成膜方法、及び成膜装置が提供される。
(付記22)
好ましくは、上記の成膜はALD法またはCVD法にて行なう。
(付記23)
好ましくは、金属化合物がTiCl4、第1のガスがNH3、第2のガスがH2、下地のうち反応させる対象物がSi、SiGe、Al合金、Cu、Cu合金のいずれかである。
(付記24)
好ましくは、処理後の金属化合物膜がTixNySizである。
(付記25)
好ましくは、第1の反応と第2の反応を異なる温度領域で実施する。
(付記26)
好ましくは、第1の反応と第2の反応を異なる処理室または処理装置で実施する
(付記27)
本発明の他の態様によれば、少なくとも2種類の還元性材料を独自に制御し、同時あるいは別々のタイミングと流量で任意に反応室内に導入することができることを特徴とするCVD成膜装置およびALD成膜装置が提供される。
(付記28)
好ましくは、同時に複数枚の基板を処理できる。
(付記29)
好ましくは、第2の反応において、プラズマ、電子ビーム、フィラメント電極のいずれかを用いてガスを活性化する。
200 ウエハ
201 処理室
202 処理炉
203 反応管
207 ヒータ
217 ボート
218 ボート支持台
231 排気管
243 APCバルブ
246 真空ポンプ
267 ボート回転機構
280 コントローラ
310,320、330 ガス供給管
312,322,332 マスフローコントローラ
314,324,334 バルブ
410,420 ノズル
410a,420a ガス供給孔
Claims (10)
- Cl含有金属化合物と、前記Cl含有金属化合物と反応する反応性ガスを基板に供給し、前記Cl含有金属化合物の一部に、置換反応を起こさせないままの結合枝を所定の濃度で残すよう処理条件を制御して前記基板に金属中間膜を形成する第1の工程と、
H2を前記基板に供給し、前記金属中間膜に含まれる結合枝を置換する第2の工程と、
を有し、
前記第1の工程と前記第2の工程を順に行うことにより、金属膜を形成する半導体装置の製造方法。 - 前記処理条件は、前記基板の加熱温度、前記反応性ガスの供給量、前記反応性ガスの供給時間のいずれかである請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記Cl含有金属化合物は、TiCl4であり、前記反応性ガスは、NH3であり、前記金属膜は、TiNである請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程は、前記Cl含有金属化合物と前記反応性ガスを交互に基板に供給して前記金属中間膜を形成する請求項1乃至3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程は、前記Cl含有金属化合物と前記反応性ガスを同時に基板に供給して前記金属中間膜を形成する請求項1乃至3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程と前記第2の工程とは、基板の加熱温度が異なる請求項1乃至5いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程と前記第2の工程は、同一の処理室内で行われる請求項1乃至6いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程と前記第2の工程は、異なる処理室内で行われる請求項1乃至6いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記H2は、プラズマ、電子ビーム、及びフィラメント電極のいずれかを用いて活性化させて用いられる請求項1乃至8いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 基板を収容する処理室と、
前記基板を加熱する加熱系と、
前記処理室に金属化合物を供給する第1のガス供給系と、
前記処理室に前記金属化合物と反応する反応性ガスを供給する第2のガス供給系と、
前記処理室にH2を供給する第3のガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
前記加熱系、前記第1のガス供給系、前記第2のガス供給系、前記第3のガス供給系、及び前記排気系を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記基板を加熱しつつ、前記基板を前記金属化合物及び前記反応性ガスに晒し、前記金属化合物の一部に置換反応が起こさせないままの結合枝を所定の濃度で残した金属中間膜を形成した後、前記基板をH2に晒し、前記金属中間膜に含まれる前記結合枝を置換することにより、金属膜を形成するように制御する基板処理装置。
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