JP2011151356A - 半導体装置の製造方法、基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 処理容器内に基板を搬入する工程と、処理容器内に処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により基板上に金属膜を形成する工程と、処理容器内にアルミニウム原子を含む原料ガスと窒素原子を含むガスとを供給し排気して化学的蒸着法により金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、金属膜および窒化アルミニウム膜形成後の基板を処理容器内から搬出する工程と、を有し、金属膜を形成する工程と窒化アルミニウム膜を形成する工程は、処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われる。
【選択図】 図1
Description
処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内に処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記金属膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記金属膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われる半導体装置の製造方法が提供される。
処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内に処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記金属膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記金属膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われる基板処理方法が提供される。
基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスを供給するアルミニウム原料ガス供給系と、
前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記処理容器内を排気する排気系と、
基板を収容した前記処理容器内に前記処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、前記処理容器内に前記アルミニウムを含む原料ガスと前記窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程とを、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行うように、前記処理ガス供給系、前記アルミニウム原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系および前記排気系を制御する制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
まず、本実施形態にかかる基板処理装置の構成について、図3,4を参照しながら説明する。図3は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置のウェハ処理時における断面構成図であり、図4は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置のウェハ搬送時における断面構成図である。
図3,4に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置は処理容器202を備えている。処理容器202は、例えば横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器202は、例えばアルミニウム(Al)やステンレス(SUS)などの金属材料により構成されている。処理容器202内には、基板としてのシリコンウェハ等のウェハ200を処理する処理室201が形成されている。
処理室201内には、ウェハ200を支持する支持台203が設けられている。ウェハ200が直接触れる支持台203の上面には、例えば、石英(SiO2)、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al2O3)、又は窒化アルミニウム(AlN)などから構成された支持板としてのサセプタ217が設けられている。また、支持台203には、ウェハ200を加熱する加熱手段(加熱源)としてのヒータ206が内蔵されている。なお、支持台203の下端部は、処理容器202の底部を貫通している。
処理室201の外部には、支持台203を昇降させる昇降機構207bが設けられている。この昇降機構207bを作動させて支持台203を昇降させることにより、サセプタ217上に支持されるウェハ200を昇降させることが可能となっている。支持台203は、ウェハ200の搬送時には図4で示される位置(ウェハ搬送位置)まで下降し、ウェハ200の処理時には図3で示される位置(ウェハ処理位置)まで上昇する。なお、支持台203下端部の周囲は、ベローズ203aにより覆われており、処理室201内は気密に保持されている。
また、処理室201の底面(床面)には、例えば3本のリフトピン208bが鉛直方向に立ち上がるように設けられている。また、支持台203(サセプタ217も含む)には、かかるリフトピン208bを貫通させるための貫通孔208aが、リフトピン208bに対応する位置にそれぞれ設けられている。そして、支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた時には、図4に示すように、リフトピン208bの上端部がサセプタ217の上面から突出して、リフトピン208bがウェハ200を下方から支持するようになっている。また、支持台203をウェハ処理位置まで上昇させたときには、図3に示すようにリフトピン208bはサセプタ217の上面から埋没して、サセプタ217がウェハ200を下方から支持するようになっている。なお、リフトピン208bは、ウェハ200と直接触れるため、例えば、石英やアルミナなどの材質で形成することが望ましい。
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、処理室201の内外にウェハ200を搬送するためのウェハ搬送口250が設けられている。ウェハ搬送口250にはゲートバルブ251が設けられており、ゲートバルブ251を開くことにより、処理室201内
と搬送室(予備室)271内とが連通するようになっている。搬送室271は搬送容器(密閉容器)272内に形成されており、搬送室271内にはウェハ200を搬送する搬送ロボット273が設けられている。搬送ロボット273には、ウェハ200を搬送する際にウェハ200を支持する搬送アーム273aが備えられている。支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた状態で、ゲートバルブ251を開くことにより、搬送ロボット273により処理室201内と搬送室271内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。処理室201内に搬送されたウェハ200は、上述したようにリフトピン208b上に一時的に載置される。なお、搬送室271のウェハ搬送口250が設けられた側と反対側には、図示しないロードロック室が設けられており、搬送ロボット273によりロードロック室内と搬送室271内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。なお、ロードロック室は、未処理もしくは処理済のウェハ200を一時的に収容する予備室として機能する。
処理室201(処理容器202)の内壁側面であって、ウェハ搬送口250の反対側には、処理室201内の雰囲気を排気する排気口260が設けられている。排気口260には排気チャンバ260aを介して排気管261が接続されており、排気管261には、処理室201内を所定の圧力に制御するAPC(Auto Pressure Controller)等の圧力調整器262、原料回収トラップ263、及び真空ポンプ264が順に直列に接続されている。主に、排気口260、排気チャンバ260a、排気管261、圧力調整器262、原料回収トラップ263、真空ポンプ264により排気系(排気ライン)が構成される。
処理室201の上部に設けられる後述のシャワーヘッド240の上面(天井壁)には、処理室201内に各種ガスを供給するためのガス導入口210が設けられている。なお、ガス導入口210に接続されるガス供給系の構成については後述する。
ガス導入口210と処理室201との間には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド240が設けられている。シャワーヘッド240は、ガス導入口210から導入されるガスを分散させるための分散板240aと、分散板240aを通過したガスをさらに均一に分散させて支持台203上のウェハ200の表面に供給するためのシャワー板240bと、を備えている。分散板240aおよびシャワー板240bには、複数の通気孔が設けられている。分散板240aは、シャワーヘッド240の上面及びシャワー板240bと対向するように配置されており、シャワー板240bは、支持台203上のウェハ200と対向するように配置されている。なお、シャワーヘッド240の上面と分散板240aとの間、および分散板240aとシャワー板240bとの間には、それぞれ空間が設けられており、かかる空間は、ガス導入口210から供給されるガスを分散させるための第1バッファ空間(分散室)240c、および分散板240aを通過したガスを拡散させるための第2バッファ空間240dとしてそれぞれ機能する。
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、段差部201aが設けられている。そして、この段差部201aは、コンダクタンスプレート204をウェハ処理位置近傍に保持するように構成されている。コンダクタンスプレート204は、内周部にウェハ200を収容する穴が設けられた1枚のドーナツ状(リング状)をした円板として構成されている。コンダクタンスプレート204の外周部には、所定間隔を開けて周方向に配列された複数の排出口204aが設けられている。排出口204aは、コンダクタンスプレート204の外周部がコンダクタンスプレート204の内周部を支えることができるよう、不
連続に形成されている。
続いて、上述したガス導入口210に接続されるガス供給系の構成について、図2を参照しながら説明する。図2は、本発明の実施形態にかかる基板処理装置の有するガス供給系(ガス供給ライン)の構成図である。
処理室201の外部には、液体原料としての第1原料(原料A)を収容する第1原料容器(第1バブラ)220aと、液体原料としての第2原料(原料B)を供給する第2原料容器(第2バブラ)220bが設けられている。第1バブラ220a、第2バブラ220bは、それぞれ内部に液体原料を収容(充填)可能なタンク(密閉容器)として構成されており、また、液体原料をバブリングにより気化させて原料ガスを生成させる気化部としても構成されている。なお、第1バブラ220a、第2バブラ220bの周りには、第1バブラ220a、第2バブラ220bおよび内部の液体原料を加熱するサブヒータ206aが設けられている。第1原料としては、例えば、Ti(チタニウム)元素を含む有機金属液体原料であるTDMAT(Tetrakis−Dimethyl−Amido−Titanium、Ti[N(CH3)2]4)が用いられ、第2原料としては、例えばAl(アルミニウム)元素を含む有機金属液体原料であるTMA(Trimethylaluminium、Al(CH3)3)が用いられる。
第1バブラ220a、第2バブラ220bには、第1バブラ220a、第2バブラ220b内で生成された第1原料ガス、第2原料ガスを処理室201内に供給する第1原料ガス供給管213a、第2原料ガス供給管213bがそれぞれ接続されている。第1原料ガス供給管213a、第2原料ガス供給管213bの上流側端部は、それぞれ第1バブラ220a、第2バブラ220bの上部に存在する空間に連通している。第1原料ガス供給管213a、第2原料ガス供給管213bの下流側端部は合流して、ガス導入口210に接続されている。
られている。バルブva5はバブラ220aから第1原料ガス供給管213a内への第1原料ガスの供給を制御するバルブであり、バブラ220aの近傍に設けられている。バルブva3は、第1原料ガス供給管213aから処理室201内への第1原料ガスの供給を制御するバルブであり、ガス導入口210の近傍に設けられている。また、第2原料ガス供給管213bには、上流側から順にバルブvb5,vb3が設けられている。バルブvb5はバブラ220bから第2原料ガス供給管213b内への第2原料ガスの供給を制御するバルブであり、バブラ220bの近傍に設けられている。バルブvb3は、第2原料ガス供給管213bから処理室201内への第2原料ガスの供給を制御するバルブであり、ガス導入口210の近傍に設けられている。バルブva3、バルブvb3、及び後述するve3は、高耐久高速ガスバルブVとして構成されている。高耐久高速ガスバルブVは、短時間で素早くガス供給の切り替えおよびガス排気ができるように構成された集積バルブである。なお、バルブve3は、第1原料ガス供給管213aのバルブva3とガス導入口210との間の空間、及び第2原料ガス供給管213bのバルブvb3とガス導入口210との間の空間を高速にパージしたのち、処理室201内をパージするパージガスの導入を制御するバルブである。
また、処理室201の外部には、反応ガスを供給する反応ガス供給源220cが設けられている。反応ガス供給源220cには、反応ガス供給管213cの上流側端部が接続されている。反応ガス供給管213cの下流側端部は、バルブvc3を介してガス導入口210に接続されている。反応ガス供給管213cには、反応ガスの供給流量を制御する流量制御器としてのマスフローコントローラ(MFC)222cと、反応ガスの供給を制御するバルブvc1,vc2が設けられている。反応ガスとしては、窒素原子を含むガス、例えばアンモニア(NH3)ガスが用いられる。主に、反応ガス供給源220c、反応ガス供給管213c、MFC222c、バルブvc1,vc2,vc3により、反応ガス供給系(反応ガス供給ライン)が構成される。本実施形態では、反応ガス供給系により、窒素原子を含むガスを供給する窒素含有ガス供給系が構成される。
また、処理室201の外部には、パージガスを供給するためのパージガス供給源220d,220eが設けられている。パージガス供給源220d,220eには、パージガス供給管213d,213eの上流側端部がそれぞれ接続されている。パージガス供給管213dの下流側端部はバルブvd3を介して反応ガス供給管213cのバルブvc3とガ
ス導入口210との間に接続されている。パージガス供給管213eの下流側端部はバルブve3を介して第1原料ガス供給管213a、第2原料ガス供給管213bのバルブva3,vb3とガス導入口210との間に接続されている。パージガス供給管213d,213eには、パージガスの供給流量を制御する流量制御器としてのマスフローコントローラ(MFC)222d,222eと、パージガスの供給を制御するバルブvd1,vd2,ve1,ve2がそれぞれ設けられている。パージガスとしては、例えばN2ガスやArガス等の不活性ガスが用いられる。主に、パージガス供給源220d,220e、パージガス供給管213d,213e、MFC222d,222e、バルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3により、パージガス供給系(パージガス供給ライン)が構成される。
また、第1原料ガス供給管213a、第2原料ガス供給管213bのバルブva3,vb3よりも上流側には、第1ベント管215a、第2ベント管215bの上流側端部がそれぞれ接続されている。また、第1ベント管215a、第2ベント管215bの下流側端部は合流して、排気管261の圧力調整器262よりも下流側であって原料回収トラップ263よりも上流側に接続されている。第1ベント管215a、第2ベント管215bには、ガスの流通を制御するためのバルブva4,vb4がそれぞれ設けられている。
なお、本実施形態にかかる基板処理装置は、基板処理装置の各部の動作を制御する制御部としてのコントローラ280を有している。コントローラ280は、ゲートバルブ251、昇降機構207b、搬送ロボット273、ヒータ206、サブヒータ206a、圧力調整器(APC)262、真空ポンプ264、バルブva1〜va5,vb1〜vb5,vc1〜vc3,vd1〜vd3、ve1〜ve3、流量コントローラ222a,222b,222c,222d,222e等の動作を制御する。
続いて、上述の基板処理装置を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、ウェハ上に薄膜を形成する基板処理工程について、図1及び図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の実施形態にかかる基板処理工程のフロー図である。また、図1は、本発明の実施形態にかかる基板処理工程における金属膜形成工程と酸化防止層形成工程の成膜シーケンス図である。なお、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によって制御される。
まず、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図4に示すウェハ搬送位置まで下降させる。そして、ゲートバルブ251を開き、処理室201と搬送室271とを連通させる。そして、搬送ロボット273により搬送室271内から処理室201内へ処理対象のウェハ200を搬送アーム273aで支持した状態で搬入する(S1)。処理室201内に搬入したウェハ200は、支持台203の上面から突出しているリフトピン208b上に一時的に載置される。搬送ロボット273の搬送アーム273aが処理室201内から搬送室271内へ戻ると、ゲートバルブ251が閉じられる。
続いて、圧力調整器(APC)262により、処理室201内の圧力が所定の処理圧力となるように制御する(S3)。また、ヒータ206に供給する電力を調整し、ウェハ200の表面温度が所定の処理温度となるように制御する(S4)。ここで、所定の処理温度、処理圧力とは、後述する金属膜形成工程において、CVD法によりTiN膜を形成可能な処理温度、処理圧力であって、かつ、後述する酸化防止層形成工程において、ALD法によりAlN膜を形成可能な処理温度、処理圧力である。すなわち、金属膜形成工程で用いる第1原料ガスが自己分解する程度の処理温度、処理圧力であって、酸化防止層形成工程で用いる第2原料ガスが自己分解しない程度の処理温度、処理圧力である。
ンプ264を作動させつつ、バルブva3を閉じたまま、バルブva4を開くことにより、第1原料ガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。第1バブラにて第1原料ガスを安定して生成させるには所定の時間を要する。このため、本実施形態では、第1原料ガスを予め生成させておき、バルブva3,va4の開閉を切り替えることにより、第1原料ガスの流路を切り替える。その結果、バルブの切り替えにより、処理室201内への第1原料ガスの安定した供給を迅速に開始あるいは停止できるようになり、好ましい。
(第1原料ガスおよび反応ガス供給工程)
続いて、真空ポンプ264を作動させたまま、バルブva4を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内への第1原料ガス(Ti原料ガス)の供給を開始する。また、同時に、バルブvc1,vc2,vc3を開いて、処理室201内への反応ガス(NH3ガス)の供給を開始する。第1原料ガスと反応ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰な第1原料ガスと反応ガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260、排気管261へと排気される。このとき処理温度、処理圧力は第1原料ガスが自己分解する程度の処理温度、処理圧力とされるので、ウェハ200上に供給された第1原料ガスが熱分解して、また、反応ガスと反応してCVD反応が生じ、これによりウェハ200上に金属膜としてのTiN膜が形成される。正確には、ウェハ200表面にSiON膜を介して形成されているHfSiON膜上に、TiN分子が堆積して、TiN膜が形成される。
バルブva3,vc1,vc2,vc3を閉じ、第1原料ガスと反応ガスの供給を停止した後は、バルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3を開き、処理室201内にN2ガスを供給する。N2ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260、排気管261へと排気される。これにより、処理室201内に残留している第1原料ガスや反応ガスや反応副生成物を除去し、処理室201内をN2ガスによりパージする(パージ工程)。
2原料ガスを予め生成させておき、バルブvb3,vb4の開閉を切り替えることにより、第2原料ガスの流路を切り替える。その結果、バルブの切り替えにより、処理室201内への第2原料ガスの安定した供給を迅速に開始あるいは停止できるようになり、好ましい。
(第2原料ガス供給工程)
続いて、真空ポンプ264を作動させたまま、バルブvb4を閉じ、バルブvb3を開いて、処理室201内への第2原料ガス(Al原料)の供給を開始する。第2原料ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰な第2原料ガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260、排気管261へと排気される(第2原料ガス供給工程)。なお、このとき処理温度、処理圧力は、第2原料ガスが自己分解しない程度の処理温度、処理圧力とされるので、ウェハ200上に供給された第2原料ガスはウェハ200表面に吸着する。正確には、上述の金属膜形成工程(S6)でウェハ200上に形成されたTiN膜上に第2原料ガスのガス分子が吸着する。
バルブvb3を閉じ、第2原料ガスの供給を停止した後は、バルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3を開き、処理室201内にN2ガスを供給する。N2ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260、排気管261へと排気される。これにより、処理室201内に残留している第2原料ガスを除去し、処理室201内をN2ガスによりパージする(パージ工程)。
処理室201内のパージが完了したら、バルブvc1,vc2,vc3を開いて、処理室201内への反応ガス(NH3ガス)の供給を開始する。反応ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給され、ウェハ200表面に吸着している第2原料ガスと反応し、これにより、ウェハ200上にAlN膜が生成される。正確には、反応ガスは、上述の金属膜形成工程(S6)でウェハ200上に形成されたTiN膜上に吸着している第2原料ガスのガス分子と反応し、これにより、TiN膜上に1原子層未満(1Å未満)程度のAlN膜が生成される。余剰な反応ガスや反応副生成物は、排気ダクト259内を流れ、排気口260、排気管261へと排気される(反応ガス供給工程)。なお、処理室201内への反応ガスの供給時には、第1原料ガス供給管213a、第2原料ガス供給管213b内への反応ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における反応ガスの拡散を促すように、バルブve1,ve2,ve3は開いたままとし、処理室201内にN2ガスを常に流しておくことが好ましい。
止する。
バルブvc1,vc2,vc3を閉じ、反応ガスの供給を停止した後は、バルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3を開き、処理室201内にN2ガスを供給する。N2ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260、排気管261へと排気される。これにより、処理室201内に残留している反応ガスや反応副生成物を除去し、処理室201内をN2ガスによりパージする(パージ工程)。
以上の第2原料ガス供給工程、パージ工程、反応ガス供給工程、パージ工程を1サイクルとして、このALDサイクルを所定回数(nサイクル)実施するサイクル処理を行うことにより、上述の金属膜形成工程(S6)でウェハ200(HfSiON膜)上に形成されたTiN膜上に、所望膜厚の酸化防止層としてのAlN膜が形成される。酸化防止層としてのAlN膜は、TiN膜表面の全面を覆うように形成する。なお、酸化防止層形成工程(S8)終了後、バルブvb1,vb2を閉じて、第2バブラ220bへのキャリアガスの供給を停止する。
ウェハ200上に、所定膜厚の金属膜と酸化防止層が形成された後、処理室201内の真空引きを行い、バルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3を開き、処理室201内にN2ガスを供給する。N2ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260、排気管261へと排気される。これにより、処理室201内に残留しているガスや反応副生成物を除去し、処理室201内をN2ガスによりパージする。
その後、上述した基板搬入工程(S1)、基板載置工程(S2)に示した手順とは逆の手順により、所望膜厚の金属膜と酸化防止層が形成された後のウェハ200を処理室201内から搬送室271内へ搬出して、本実施形態にかかる基板処理工程を完了する。
処理温度:250〜450℃、好ましくは350〜450℃、
処理圧力:30〜266Pa、好ましくは30〜100Pa、
第1原料(TDMAT)供給流量:10〜1000sccm、
反応ガス(NH3)供給流量:50〜500sccm、
膜厚(TiN):10〜30nm、
が例示される。
処理温度:250〜450℃、好ましくは350〜450℃、
処理圧力:30〜266Pa、好ましくは30〜100Pa、
第2原料(TMA)供給流量:10〜1000sccm、
反応ガス(NH3)供給流量:50〜500sccm、
膜厚(AlN):1〜5nm、好ましくは3nm
が例示される。
本実施形態によれば、金属膜としてのTiN膜形成後に、TiN膜を大気に曝すことなく真空雰囲気を維持したまま、in−situで、TiN膜上に酸化防止層としてのAlN膜(AlNキャップ)を形成するようにしたので、AlN膜により大気中の酸素をブロックすることができるようになり、TiN膜の大気中の酸素による酸化を抑制することが可能となる。このように、本実施形態によれば、AlNキャップによる酸素バリア効果により、TiN膜の酸化の影響を最小限に抑えることができ、TiN膜表面の酸化により生じる抵抗増大やEOT増加等の特性劣化を最小限に抑えることが可能となる。
上述の実施形態では、バブラ内部に収容された液体原料をバブリングにより気化させる例について説明したが、バブラの代わりに気化器を用いて液体原料を気化させるようにし
てもよい。
膜をエッチバックし、TiN膜の表面を露出させた後、そのTiN膜表面を大気に曝すことなく非酸素雰囲気を維持したまま、in−situでそのTiN膜上に、W膜などのメタル膜を形成するようにすることができる。
なお、上述の実施形態では、基板処理装置として一度に1枚の基板を処理する枚葉式の装置を用いて成膜する例について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、基板処理装置として一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置を用いて成膜するようにしてもよい。以下、この縦型装置を用いて成膜する方法について説明する。
2原料ガス)と、反応ガスとを、別々のノズルにより供給する。なお、さらに各原料ガスを別々のノズルにより供給するようにしてもよい。
ガス)とを交互に供給して、化学的蒸着法としてのALD法により金属膜(TiN膜)上に酸化防止層(AlN膜)を形成する酸化防止層形成工程と、を同一処理室内で、処理室内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行う例について説明する。なお、以下の説明において、縦型装置を構成する各部の動作は、コントローラ380により制御される。
本発明の実施例1として、酸化防止層としてのAlN膜をTiN膜およびTiAlN膜上に形成した場合と形成しなかった場合のTiN膜およびTiAlN膜の抵抗率の大気放置時間依存性について説明する。なお、AlN膜はALD法により上述の実施形態と同様な方法で形成した。TiN膜はCVD法により上述の実施形態と同様な方法で形成した。TiAlN膜は、ALD法によるAlN膜の形成とCVD法によるTiN膜の形成とを交互に繰り返すことで形成した。いずれの膜も上述の実施形態における基板処理装置を用いて形成した。また、そのときの処理条件は、上述の実施形態に記載の処理条件範囲内の条件に設定した。
とにより、この課題を解決することができる。これについては、次の実施例2において詳しく説明する。
本発明の実施例2として、ゲートファーストプロセスで作成したゲートスタックにおいて、酸化防止層としてのAlN膜をTiN膜上に形成した場合(AlNキャップ有りの場合)と形成しなかった場合(AlNキャップ無しの場合)の断面TEM画像分析について説明する。AlNキャップ有りの評価サンプルは、シリコンウェハ上に界面層としてSiON膜を形成し、その上に高誘電率ゲート絶縁膜としてHfSiON膜を形成し、その上にメタルゲート電極(金属ゲート電極)としてTiN膜を形成し、その上に酸化防止層としてAlN膜を形成し、さらにその上にW膜を形成して作成した。AlNキャップ無しの評価サンプルは、シリコンウェハ上に界面層としてSiON膜を形成し、その上に高誘電率ゲート絶縁膜としてHfSiON膜を形成し、その上にメタルゲート電極としてTiN膜を形成し、さらにその上にW膜を形成して作成した。なお、いずれの評価サンプルも、ゲートスタック形成後、1000℃での活性化アニール(Spike)を行った。
本発明の実施例3として、ゲートファーストプロセスで作成したゲートスタックにおけるEOTと実効仕事関数の酸化防止層としてのAlN膜の膜厚依存性について説明する。図9(a)は、評価サンプル構造を示している。評価サンプルは、シリコンウェハ(Si
sub.)上に界面層としてSiON膜を形成し、その上に高誘電率ゲート絶縁膜としてHfSiON膜を形成し、その上にメタルゲート電極としてCVD−TiN膜を10n
m形成し、その上に酸化防止層としてAlN膜(AlN capping)を形成し、さらにその上にW膜を形成し、その後、1000℃での活性化アニール(Spike)を行って作成した。なお、AlN膜はALD法により上述の実施形態と同様な方法で形成した。TiN膜はCVD法により上述の実施形態と同様な方法で形成した。いずれの膜も上述の実施形態における基板処理装置を用いて形成した。また、そのときの処理条件は、上述の実施形態に記載の処理条件範囲内の条件に設定した。また、SiON膜、HfSiON膜は通常のCVD法で形成した。W膜は通常のPVD法で形成した。なお、界面層としてはSiON膜の代わりにSiO2膜を用いても良い。また、高誘電率ゲート絶縁膜としては、HfSiON膜の代わりにHfSiO膜、HfO膜、HfON膜、HfAlO膜、HfLaO膜等の高誘電率絶縁膜を用いてもよい。図9(b)は、EOTと実効仕事関数のAlN膜の膜厚依存性を示す図である。図9(b)の横軸はAlN膜の膜厚を示しており、左側の縦軸はEOTを示しており、右側の縦軸は実効仕事関数を示している。図中○印及び□印は、EOT及び実効仕事関数をそれぞれ示している。なお、この評価では、AlN膜の膜厚を0nm、3nm、5nm、10nmと変えた4種類のサンプルを用意した。AlN膜の膜厚0nmとはAlNキャップ無しの場合を示している。また、実効仕事関数は、1000℃での活性化アニール(Spike)後のデータを示している。
本発明の実施例4として、ゲートファーストプロセスで作成したゲートスタックにおけるリーク電流とEOTの関係について説明する。本実施例では、実施例2と同様な評価サンプルを用いた。図10は、リーク電流とEOTの関係図を示す図である。図10の横軸はEOTを示しており、縦軸はリーク電流を示している。図中▼はCVD−TiN/AlN構造(AlNキャップ有り)の評価サンプルでの結果を示しており、○はPVD−TiN構造(AlNキャップ無し)の評価サンプルでの結果を示しており、□はCVD−TiN構造(AlNキャップ無し)の評価サンプルでの結果を示している。
同等もしくはそれよりも少なくなることが分かる。これらのことから、酸化の影響を受けやすいCVD−TiN膜等のCVDメタル膜は、その表面にAlNキャップ層のような酸化防止層(酸素ブロック層)を設けることによって、PVDメタル膜、すなわち物理的蒸着法により形成したメタル膜(金属膜)と同等もしくはそれ以上の特性を実現可能であることを確認できた。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内に処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記金属膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記金属膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われる半導体装置の製造方法が提供される。
処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内にチタンを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に窒化チタン膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記窒化チタン膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記窒化チタン膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記窒化チタン膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われる半導体装置の製造方法が提供される。
処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内にチタンを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気してCVD法により前記基板上に窒化チタン膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気してALD法により前記窒化チタン膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記窒化チタン膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記窒化チタン膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われる半導体装置の製造方法が提供される。
処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内に処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記金属膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記金属膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われる基板処理方法が提供される。
基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスを供給するアルミニウム原料ガス供給系と、
前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記処理容器内を排気する排気系と、
基板を収容した前記処理容器内に前記処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、前記処理容器内に前記アルミニウムを含む原料ガスと前記窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程とを、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行うように、前記処理ガス供給系、前記アルミニウム原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系および前記排気系を制御する制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
201 処理室
202 処理容器
203 支持台
206 ヒータ
213a 第1原料ガス供給管
213b 第2原料ガス供給管
213c 反応ガス供給管
213d パージガス供給管
213e パージガス供給管
237a 第1キャリアガス供給管
237b 第2キャリアガス供給管
220a 第1バブラ
220b 第2バブラ
280 コントローラ
Claims (3)
- 処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内に処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記金属膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記金属膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記処理容器内に処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程と、
前記金属膜および前記窒化アルミニウム膜形成後の前記基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記金属膜を形成する工程と前記窒化アルミニウム膜を形成する工程は、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行われることを特徴とする基板処理方法。 - 基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記処理容器内にアルミニウムを含む原料ガスを供給するアルミニウム原料ガス供給系と、
前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記処理容器内を排気する排気系と、
基板を収容した前記処理容器内に前記処理ガスを供給し排気して化学的蒸着法により前記基板上に金属膜を形成する工程と、前記処理容器内に前記アルミニウムを含む原料ガスと前記窒素含有ガスとを供給し排気して化学的蒸着法により前記金属膜上に窒化アルミニウム膜を形成する工程とを、前記処理容器内を非酸素雰囲気に保った状態で連続的に行うように、前記処理ガス供給系、前記アルミニウム原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系および前記排気系を制御する制御部と、
を有することを特徴とする基板処理装置。
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