JP2012062569A - 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】 基板を収容した処理室内にCVD反応が生じる条件下で、タンタルを含む原料ガスと窒化剤とを供給して、基板上に窒化タンタル層を形成する工程と、処理室内に酸化剤を供給して、窒化タンタル層の酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、窒化タンタル層を酸化する工程と、を交互に複数回繰り返すことで、基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成する。
【選択図】 図1
Description
Insulator)基板を使ったキャパシタレスDRAM(SOI型RAM)、MRAM(Magneto−resistive RAM)、PRAM(Phase change RAM)、ReRAM(Resistive RAM)等が挙げられる。
基板を収容した処理室内にCVD反応が生じる条件下で、タンタルを含む原料ガスと窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する工程と、
前記処理室内に酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する工程と、
を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
基板を収容した処理室内にCVD反応が生じる条件下で、タンタルを含む原料ガスと窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する工程と、
前記処理室内に酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する工程と、
を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成する工程を有する基板処理方法が提供
される。
基板を収容する処理室と、
前記処理室内の基板を加熱するヒータと、
前記処理室内にタンタルを含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理室内に窒化剤を供給する窒化剤供給系と、
前記処理室内に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
基板を収容した前記処理室内にCVD反応が生じる条件下で前記原料ガスと前記窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する処理と、前記処理室内に前記酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する処理と、を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成するように、前記ヒータ、前記原料ガス供給系、前記窒化剤供給系および前記酸化剤供給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、図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、図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。
ート205は、リング状の凹部205bと、凹部205bの内側上部に一体的に設けられたフランジ部205aとを備えている。凹部205bは、支持台203の外周部と、処理室201の内壁側面との隙間を塞ぐように設けられている。凹部205bの底部のうち排気口260付近の一部には、凹部205b内から排気口260側へガスを排出(流通)させるプレート排気口205cが設けられている。フランジ部205aは、支持台203の上部外周縁上に係止する係止部として機能する。フランジ部205aが支持台203の上部外周縁上に係止することにより、ロワープレート205が、支持台203の昇降に伴い、支持台203と共に昇降されるようになっている。
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および排気系の構成図である。
処理室201の外部には、液体原料を収容する原料容器としてのバブラ220aが設け
られている。バブラ220aは、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、バブラ220aの周りには、バブラ220a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。原料としては、例えば、タンタル(Ta)元素を含む有機金属液体原料であるTBTDET(トリス(ジエチルアミノ)ターシャリーブチルイミノタンタル、Ta[NC(CH3)3][N(C2H5)2]3)、TBTEMT(トリス(エチルメチルアミノ)ターシャリーブチルイミノタンタル、Ta[NC(CH3)3][N(C2H5)CH3]3)、または、TBTDMT(トリス(ジメチルアミノ)ターシャリーブチルイミノタンタル、Ta[NC(CH3)3][N(CH3)2]3)等の原料が用いられる。なお、TBTDET、TBTEMT、TBTDMTは、ブチルイミノ基、すなわち、ターシャリーブチルイミノ基を含む原料であり、さらに、エチル基およびメチル基のうち少なくとも一つと、アミノ基とを含む原料でもある。原料を構成する元素に着目すると、これらの原料は、タンタル(Ta)、窒素(N)、炭素(C)および水素(H)を含む原料ともいえる。原料としては、これらの他、五塩化タンタル(TaCl5)や五弗化タンタル(TaF5)やPET(ペンタエトキシタンタル、Ta(OC2H5)5)等を用いることもできる。本実施形態では、原料として、有機系原料であるTBTDETが用いられる。
バブラ220aには、バブラ220a内で生成された原料ガスを処理室201内に供給する原料ガス供給管213aが接続されている。原料ガス供給管213aの上流側端部は、バブラ220aの上部に存在する空間に連通している。原料ガス供給管213aの下流側端部は、ガス導入口210に接続されている。原料ガス供給管213aには、上流側から順にバルブva5,va3が設けられている。バルブva5は、バブラ220aから原料ガス供給管213a内への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、原料ガス供給管213aから処理室201内への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と後述するバルブve3は高耐久高速ガスバルブとして構成されている。高耐久高速ガスバルブは、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、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。
もに、バルブva5,va3を開くことにより、原料ガス供給管213aから処理室201内へ原料ガスを供給することが可能となる。主に、原料ガス供給管213a、バルブva5,va3により原料ガス供給系(原料ガス供給ライン)が構成される。
また、処理室201の外部には、窒化剤としての窒素含有ガス(還元性ガス)を供給する窒素含有ガス供給源220bが設けられている。窒素含有ガス供給源220bには、窒素含有ガス供給管213bの上流側端部が接続されている。窒素含有ガス供給管213bの下流側端部は、バルブvb3を介してガス導入口210に接続されている。窒素含有ガス供給管213bには、窒素含有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)222bと、窒素含有ガスの供給を制御するバルブvb1,vb2,vb3が設けられている。窒素含有ガスとしては、例えば、アンモニア(NH3)ガス、ジアジン(N2H2)ガス、ヒドラジン(N2H4)ガス、または、N3H8ガス等が用いられ、本実施形態では、例えばアンモニア(NH3)ガスが用いられる。主に、窒素含有ガス供給源220b、窒素含有ガス供給管213b、MFC222b、バルブvb1,vb2,vb3により、窒化剤供給系としての窒素含有ガス供給系(窒素含有ガス供給ライン)が構成される。
また、処理室201の外部には、酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給源220gが設けられている。酸素含有ガス供給源220gには、酸素含有ガス供給管213gの上流側端部が接続されている。酸素含有ガス供給管213gの下流側端部は、バルブvg3を介してガス導入口210に接続されている。酸素含有ガス供給管213gには、酸素含有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)222gと、酸素含有ガスの供給を制御するバルブvg1,vg2,vg3が設けられている。酸素含有ガスとしては、例えば、酸素(O2)ガス、オゾン(O3)ガス、水蒸気(H2O)等が用いられ、本実施形態では、例えば酸素(O2)ガスが用いられる。
水素含有ガス供給系は設けなくてもよい。
また、処理室201の外部には、パージガスを供給するパージガス供給源220c,220eが設けられている。パージガス供給源220c,220eには、パージガス供給管213c,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。パージガス供給管213eの下流側端部は、バルブve3を介して原料ガス供給管213aのバルブva3とガス導入口210との間の部分に合流し、ガス導入口210に接続されている。パージガス供給管213c,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)222c,222eと、パージガスの供給を制御するバルブvc1,vc2,vc3,ve1,ve2,ve3と、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ガスやHe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220c,220e、パージガス供給管213c,213e、MFC222c,222e、バルブvc1,vc2,vc3,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、原料ガス供給管213aのバルブva3よりも上流側には、ベント管215aの上流側端部が接続されている。また、ベント管215a下流側端部は排気管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。ベント管215aには、ガスの流通を制御するバルブva4が設けられている。
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〜vb3,vc1〜vc3,ve1〜ve3,vg1〜vg3,vh1〜vh3、マスフローコントローラ222a,222b,222c,222e,222g,222h等の動作を制御する。
続いて、半導体装置の製造工程の一工程として、上述の基板処理装置を用いて、処理室201内でウェハ200上に酸化タンタル系の膜として化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した酸窒化タンタル膜を形成する基板処理工程について、図1、図6を参照しながら説明する。図1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。図6は、本発明の実施形態における成膜工程のガス供給のタイミング図である。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
り制御される。
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)。なお、温度調整工程(S4)は、圧力調整工程(S3)と並行して行うようにしてもよいし、圧力調整工程(S3)よりも先行して行うようにしてもよい。ここで、所定の処理温度、処理圧力とは、後述するCVD−TaN層形成工程(S5a)において、CVD法によりCVD−TaN層を形成可能な処理温度、処理圧力である。すなわち、CVD−TaN層形成工程(S5a)で用いる原料が自己分解する程度の処理温度、処理圧力である。なお、ここでいう所定の処理温度、処理圧力は、後述する酸化工程(S5c)において、ウェハ200上に形成したCVD−TaN層に対して酸化処理がなされ得る処理温度、処理圧力でもある。
め、本実施形態では、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、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。
〔CVD−TaN層形成工程(S5a)〕
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内への原料ガス(TBTDETガス)の供給を開始する。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。また、同時に、真空ポンプ264を作動させたまま、バルブvb1,vb2,vb3を開いて、処理室201内への窒化剤としての窒素含有ガス(NH3ガス)の供給を開始する。なお、窒素含有ガスの供給は、原料ガスの供給よりも先行して開始するようにしてもよい。すなわち、原料ガスと窒素含有ガスとを同時に供給する前に、窒素含有ガスを単独で流す工程(第1窒素含有ガスパージ工程)を設けるようにしてもよい。窒素含有ガスは、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。余剰な窒素含有ガスは、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。なお、窒素含有ガスは、シャワーヘッド240内にて原料ガスと混合されることとなる。すなわち、シャワーヘッド240からは窒素含有ガスと原料ガスとの混合ガスが供給され、この混合ガスがウェハ200に対して均一に供給されることとなる。
解タンタル層とを反応(窒化反応)させることができるので、その反応が進行する過程において熱分解タンタル層中に混入していた不純物を除去でき、不純物の少ないCVD−TaN層を形成することができる。そして、後述する所定回数実施工程(S5e)で形成するTaNxOy膜中の不純物濃度を低減させることができる。なお、これらの作用は、原料として、TBTDET、TBTEMT、TBTDMTなどの有機系の原料を用いる場合に特に顕著に働くこととなる。
バルブva3,vb1,vb2,vb3を閉じ、原料ガス及び窒素含有ガスの供給を停止した後は、バルブvc1,vc2,vc3,ve1,ve2,ve3が開いた状態を維持し、処理室201内へのN2ガスの供給を継続する。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内に残留している原料ガス、窒素含有ガス、反応副生成物等を除去し、処理室201内をN2ガスによりパージする。
処理室201内をパージしたら、真空ポンプ264を作動させたまま、バルブvg1,vg2,vg3を開いて、処理室201内への酸化剤の供給を開始する。上述したように、本実施形態では酸化剤としてO2ガスを単体で用いる。酸化剤は、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。余剰な酸化剤は、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、ウェハ200上に供給された酸化剤が、ウェハ200上に形成されているCVD−TaN層を酸化させることで、酸窒化タンタル層(TaNxOy層)がウェハ200上に形成
される。このとき、CVD−TaN層の酸化は、ノンプラズマの雰囲気下で熱的に行われ、さらに、CVD−TaN層の酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で行われる。なお、CVD−TaN層の酸化はプラズマを用いて行うこともできるが、その場合、CVD−TaN層の酸化剤による酸化反応を不飽和とするのが難しくなる。一方、CVD−TaN層の酸化をノンプラズマの雰囲気下で熱的に行うようにすると、酸化をソフトに行うことができ、CVD−TaN層の酸化剤による酸化反応を不飽和とするのが容易となる。よって、本実施形態では、CVD−TaN層の酸化を、ノンプラズマの雰囲気下で熱的に行うようにしている。
バルブvg1,vg2,vg3を閉じ、酸化剤の供給を停止した後は、バルブvc1,vc2,vc3,ve1,ve2,ve3が開いた状態を維持し、処理室201内へのN2ガスの供給を継続する。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内に残留している酸化剤や反応副生成物等を除去し、処理室201内をN2ガスによりパージする。
以上のCVD−TaN層形成工程(S5a)、パージ工程(S5b)、酸化工程(S5c)、パージ工程(S5d)を1サイクルとして、このサイクルを少なくとも1回、好ましくは複数回行うことで、ウェハ200上に、所定膜厚の酸窒化タンタル膜(TaNxOy膜)を形成する。なお、このとき、化学量論的にタンタル(Ta)に対し酸素(O)が不足すると共に、窒素(N)に対し酸素(O)が不足した導電性のTaNxOy膜が形成されることとなる。本実施形態の手法によれば、膜中の酸素とタンタルとの比が、1:1〜1:30の範囲内にあり、膜中の酸素と窒素との比が、1:5〜1:50の範囲内にあ
る導電性のTaNxOy膜を形成できることを確認した。なお、このときのTaNxOy膜の膜中酸素濃度は1〜15%であることを確認した。また、本実施形態の手法によれば、抵抗値が、1〜10000mmΩ・cmであるTaNxOy膜を形成できることを確認した。
ウェハ200上に所定膜厚のTaNxOy膜が形成された後、処理室201内の真空引きを行い、バルブvc1,vc2,vc3,ve1,ve2,ve3が開いた状態を維持し、処理室201内へのN2ガスの供給を継続する。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、所定膜厚のTaNxOy膜を形成した後のウェハ200を、処理室201内から搬送室271内へ搬出し、本実施形態にかかる基板処理工程を完了する。
処理温度(ウェハ温度):300〜450℃、
処理圧力(処理室内圧力):20〜1330Pa、
バブリング用キャリアガス供給流量:10〜1000sccm、
(原料(TBTDET)ガス供給流量:10〜200sccm)
窒素含有ガス(NH3ガス)供給流量:50〜1000sccm、
1サイクル毎の原料ガス及び窒素含有ガス供給時間:10秒〜30分、好ましくは、10〜600秒、
酸化剤(O2ガス)供給流量:10〜500sccm、
1サイクル毎の酸化剤供給時間:10〜600秒、
パージガス(N2)供給流量:1000〜3000sccm、
1サイクル毎のパージ時間:0.1〜600秒、
サイクル数:1〜400回、
TaNxOy膜の膜厚:10〜50nm
が例示される。
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果を奏する。
厚さ方向全域に渡って均一に酸化させることが容易となる。すなわち、1サイクル毎に酸化させるCVD−TaN層の厚さを薄くして、形成したCVD−TaN層を酸化させ易くすることで、CVD−TaN層の酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下であっても、CVD−TaN層の酸化反応を促すことができ、TaNxOy膜を厚さ方向全域に渡り均一に酸化させることができる。
上述の実施形態では酸化剤として酸素(O2)ガスを単体で用い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、酸化剤として、酸素含有ガスとしての酸素(O2)ガスと水素含有ガスとしての水素(H2)ガスとの混合ガスを用いるようにしてもよい。以下、酸化剤としてO2ガスとH2ガスとの混合ガスを用いる例について説明する。図7は、本実施形態における成膜工程(S5)のガス供給のタイミング図であり、酸化剤として酸素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する例を示している。なお、本実施形態は、上述の実施形態とは使用する酸化剤と酸化工程(S5c)が異なるだけなので、ここでは、酸化工程(S5c)についてのみ説明する。なお、他の工程は、上述の実施形態と同様である。
との混合ガスを供給する。そして、加熱された減圧雰囲気下において酸素ガスと水素ガスとを反応させて原子状酸素(O)等の酸素原子を含む酸化種を生成させ、この酸化種を用いてCVD−TaN層を酸化させる。また、酸化種の持つエネルギーにより、CVD−TaN層中に含まれるTa−N結合の少なくとも一部を切り離す。タンタル原子との結合を切り離された窒素原子は、CVD−TaN層中から除去され、N2等として排出される。また、窒素原子との結合が切られることで余ったタンタル原子の結合手は、酸化種に含まれる酸素原子と結びつく。このように、CVD−TaN層中から窒素が除去され、これにより、所定回数実施工程(S5e)にて形成するTaNxOy膜中の窒素濃度を低減させることができる。
上述の実施形態では、基板処理装置(成膜装置)として1度に1枚の基板を処理する枚葉式のCVD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1度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型CVD装置を用いて成膜するようにしてもよい。以下、この縦型CVD装置について説明する。
ド309が配設されている。マニホールド309は、例えばステンレス等からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド309は、プロセスチューブ303に係合しており、プロセスチューブ303を支持するように設けられている。なお、マニホールド309とプロセスチューブ303との間には、シール部材としてのOリング320aが設けられている。マニホールド309がヒータベースに支持されることにより、プロセスチューブ303は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ303とマニホールド309とにより反応容器が形成される。
上述の実施形態では、処理室内でウェハ上に化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性のTaNxOy膜を形成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、図13、図14、図15に示すように、処理室内でウェハ上に化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性のTaNxOy膜を形成した後、TaNxOy膜形成後のウェハを処理室内から取り出すことなく処理室内に収容したままの状態で、同一処理室内で連続的に、TaNxOy膜上に、絶縁性の酸化タンタル膜(Ta2O5膜)を形成するようにしてもよい。すなわち、処理室内でウェハ上に導電性のTaNxOy膜と絶縁性のTa2O5膜とを、in−situで連続的に形成するようにしてもよい。
ては上述の実施形態と同様な酸化剤を用いることができる。ただし、酸化剤としては、TaNxOy膜を形成する場合に用いる酸化剤よりも酸化力の高い酸化剤を用いるのが好ましい。TaNxOy膜を形成する場合は、CVD−TaN層の酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、CVD−TaN層を酸化する必要があったが、Ta2O5膜を形成する場合には、その必要がなく、寧ろ、酸化反応が飽和するような条件下で成膜する必要があるからである。また、酸化力の高い酸化剤を用いることで、CVD−Ta2O5膜中への不純物の混入を抑制する効果や、CVD−Ta層中や原料吸着層中からの不純物除去効果を高めることが可能となり、更に、成膜速度を向上させることも可能となるからである。例えば、TaNxOy膜を形成する場合に酸化剤としてO2ガスを用い、Ta2O5膜を形成する場合に酸化剤としてO3や、O2+H2を用いるのが好ましい。
処理温度(ウェハ温度):300〜450℃、
処理圧力(処理室内圧力):20〜1330Pa、
バブリング用キャリアガス供給流量:10〜1000sccm、
(原料ガス供給流量:10〜200sccm)
酸化剤供給流量:10〜1000sccm、
Ta2O5膜の膜厚:1〜50nm
が例示される。
処理温度(ウェハ温度):300〜450℃、
処理圧力(処理室内圧力):20〜1330Pa、
バブリング用キャリアガス供給流量:10〜1000sccm、
(原料ガス供給流量:10〜200sccm)
1サイクル毎の原料ガス供給時間:10秒〜30分、好ましくは、10〜600秒、
酸化剤(O3ガス)供給流量:10〜1000sccm、
1サイクル毎の酸化剤供給時間:10〜600秒、
パージガス(N2)供給流量:500〜3000sccm、
1サイクル毎のパージ時間:0.1〜600秒、
サイクル数:1〜400回、
Ta2O5膜の膜厚:1〜50nm
が例示される。
処理温度(ウェハ温度):200〜400℃、
処理圧力(処理室内圧力):20〜1330Pa、
バブリング用キャリアガス供給流量:10〜1000sccm、
(原料ガス供給流量:10〜200sccm)
1サイクル毎の原料ガス供給時間:10秒〜30分、好ましくは、10〜600秒、
酸化剤(O3ガス)供給流量:10〜1000sccm、
1サイクル毎の酸化剤供給時間:10〜600秒、
パージガス(N2)供給流量:500〜3000sccm、
1サイクル毎のパージ時間:0.1〜600秒、
サイクル数:1〜1000回、
Ta2O5膜の膜厚:1〜50nm
が例示される。
<CVD法による成膜レートに関する検証>
上述の実施形態で説明した基板処理装置を用い、処理室内にTBTDETガスを単独で供給してCVD法により形成したタンタル膜(比較例)、処理室内にTBTDETガスとH2ガスとを同時に供給してCVD法により形成したタンタル膜(比較例)、及び処理室内にTBTDETガスとNH3ガスとを同時に供給してCVD法により形成した窒化タンタル膜(実施例)の成膜レートをそれぞれ測定した。いずれも、処理圧力を100Paとし、処理温度は350℃〜450℃の間で変化させた。また、TBTDETが収容されたバブラ内温度を100℃、バブリングに用いるキャリアガスの流量を100sccm、H2ガス及びNH3ガスの流量をそれぞれ300sccmとした。また、成長の下地となるウェハ上にはSiN膜(下地膜)を予め形成しておき、その膜厚を100nmとした。
<抵抗率に関する検証>
上述の実施形態で説明した基板処理装置を用い、TBTDETガスを単独で供給してC
VD法により形成したタンタル膜(比較例)、及びTBTDETガスとNH3ガスとを同時に供給してCVD法により形成した窒化タンタル膜(実施例)の抵抗率をそれぞれ測定した。タンタル膜及び窒化タンタル膜の膜厚はそれぞれ50nmとした。他の処理条件は実施例1と同様とした。
<不純物濃度に関する検証>
上述の実施形態で説明した基板処理装置を用い、TBTDETガスを単独で供給してCVD法により形成したタンタル膜(比較例)、及びTBTDETガスとNH3ガスとを同時に供給してCVD法により形成した窒化タンタル膜(実施例)の抵抗率をそれぞれ検証した。処理温度はいずれも400℃とし、タンタル膜及び窒化タンタル膜の膜厚はそれぞれ50nmとした。他の処理条件は実施例1と同様とした。
。なお、図10に示すタンタル膜(厚さ50nm)の抵抗率は856[mΩ・cm]であるのに対し、図11に示す窒化タンタル膜(厚さ50nm)の抵抗率は14[mΩ・cm]であり、不純物濃度の低減に伴い、抵抗率も大幅に低下することが分かる。
<酸素濃度及び抵抗率とサイクル数との関係>
上述の実施形態で説明した基板処理装置を用い、CVD−TaN層形成工程(S5a)、パージ工程(S5b)、酸化工程(S5c)、パージ工程(S5d)を1サイクルとして、このサイクルを少なくとも1回行うことで、ウェハ上に、所定膜厚のTaNxOy膜を形成した。なお、処理圧力を100Pa、処理温度を325℃、TBTDETが収容されたバブラ内温度を100℃、バブリングに用いるキャリアガスの流量を100sccm、NH3ガスの流量を300sccm、酸化剤としてのO2ガスの流量を200sccm、1サイクル毎の酸化剤の供給時間を5秒とした。また、形成するTaNxOy膜の膜厚を50nmに固定しつつ、1サイクル毎に形成するCVD−TaN層の厚さを50nm、25nm、16.7nm、8.3nmと変化させ、また、サイクル数をそれぞれ1回、2回、3回、6回と変化させて評価サンプルを作成し、それぞれの場合について酸素濃度及び抵抗率を測定した。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
基板を収容した処理室内にCVD反応が生じる条件下で、タンタルを含む原料ガスと窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する工程と、
前記処理室内に酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する工程と、
を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
基板を収容した処理室内にCVD反応が生じる条件下で、タンタルを含む原料ガスと窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する工程と、
前記処理室内に酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する工程と、
を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成する工程を有する基板処理方法が提供される。
基板を収容する処理室と、
前記処理室内の基板を加熱するヒータと、
前記処理室内にタンタルを含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理室内に窒化剤を供給する窒化剤供給系と、
前記処理室内に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
基板を収容した前記処理室内にCVD反応が生じる条件下で前記原料ガスと前記窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する処理と、前記処理室内に前記酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する処理と、を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成するように、前記ヒータ、前記原料ガス供給系、前記窒化剤供給系および前記酸化剤供給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 原料ガス供給管
213b 窒素含有ガス供給管
213c パージガス供給管
213e パージガス供給管
213g 酸素含有ガス供給管
213h 水素含有ガス供給管
237a キャリアガス供給管
220a バブラ
261 排気管
280 コントローラ(制御部)
Claims (3)
- 基板を収容した処理室内にCVD反応が生じる条件下で、タンタルを含む原料ガスと窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する工程と、
前記処理室内に酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する工程と、
を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板を収容した処理室内にCVD反応が生じる条件下で、タンタルを含む原料ガスと窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する工程と、
前記処理室内に酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する工程と、
を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成する工程を有することを特徴とする基板処理方法。 - 基板を収容する処理室と、
前記処理室内の基板を加熱するヒータと、
前記処理室内にタンタルを含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理室内に窒化剤を供給する窒化剤供給系と、
前記処理室内に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
基板を収容した前記処理室内にCVD反応が生じる条件下で前記原料ガスと前記窒化剤とを供給して、前記基板上に窒化タンタル層を形成する処理と、前記処理室内に前記酸化剤を供給して、前記窒化タンタル層の前記酸化剤による酸化反応が不飽和となる条件下で、前記窒化タンタル層を酸化する処理と、を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に、化学量論的にタンタルおよび窒素に対し酸素が不足した導電性の酸窒化タンタル膜を形成するように、前記ヒータ、前記原料ガス供給系、前記窒化剤供給系および前記酸化剤供給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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