本発明の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。
本発明の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を図1のA−A線断面図で示す図である。
本発明の実施形態で好適に用いられる基板処理装置のコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系をブロック図で示す図である。
本発明の一実施形態の成膜シーケンスにおける成膜フローを示す図である。
(a)は本発明の一実施形態の成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミングを示す図であり、(b)は本発明の他の実施形態の成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミングを示す図である。
(a)(b)は、それぞれ、本発明の他の実施形態の成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミングを示す図である。
(a)〜(c)は、それぞれ、本発明の他の実施形態の成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミングを示す図である。
(a)(b)は、それぞれ、本発明の他の実施形態の成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミングを示す図である。
<本発明の一実施形態>
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図3を用いて説明する。
(1)基板処理装置の構成
図1に示すように、処理炉202は加熱手段(加熱機構)としてのヒータ207を有する。ヒータ207は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース(図示せず)に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ207は、後述するようにガスを熱で活性化(励起)させる活性化機構(励起部)としても機能する。
ヒータ207の内側には、ヒータ207と同心円状に反応容器(処理容器)を構成する反応管203が配設されている。反応管203は、例えば石英(SiO2)または炭化シリコン(SiC)等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管203の筒中空部には処理室201が形成されており、基板としてのウエハ200を後述するボート217によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。
処理室201内には、ノズル249a,249bが、反応管203の下部を貫通するように設けられている。ノズル249a,249bには、ガス供給管232a,232bがそれぞれ接続されている。ガス供給管232aにはガス供給管232cが接続されている。ガス供給管232bにはガス供給管232fが接続されている。このように、反応管203には、2本のノズル249a,249bと、4本のガス供給管232a〜232c,232fとが設けられており、処理室201内へ複数種類、ここでは4種類のガスを供給することができるように構成されている。
但し、本実施形態に係る処理炉202は上述の形態に限定されない。例えば、反応管203の下方に、反応管203を支持する金属製のマニホールドを設け、各ノズルを、マニホールドの側壁を貫通するように設けるようにしてもよい。この場合、マニホールドに、後述する排気管231をさらに設けるようにしてもよい。この場合であっても、排気管231を、マニホールドではなく、反応管203の下部に設けるようにしてもよい。このように、処理炉202の炉口部を金属製とし、この金属製の炉口部にノズル等を取り付けるようにしてもよい。
ガス供給管232a〜232c,232fには、上流方向から順に、流量制御器(流量制御部)であるマスフローコントローラ(MFC)241a〜241c,241f、及び開閉弁であるバルブ243a〜243c,243fがそれぞれ設けられている。ガス供給管232a,232bのバルブ243a,243bよりも下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管232d,232eがそれぞれ接続されている。ガス供給管232d,232eには、上流方向から順に、流量制御器(流量制御部)であるMFC241d,241e、及び開閉弁であるバルブ243d,243eがそれぞれ設けられている。
ガス供給管232a,232bの先端部には、上述のノズル249a,249bがそれぞれ接続されている。ノズル249a,249bは、図2に示すように、反応管203の内壁とウエハ200との間における円環状の空間に、反応管203の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ200の積載方向上方に向かって立ち上がるようにそれぞれ設けられている。すなわち、ノズル249a,249bは、ウエハ200が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うようにそれぞれ設けられている。ノズル249a,249bは、L字型のロングノズルとしてそれぞれ構成されており、それらの各水平部は反応管203の下部側壁を貫通するように設けられており、それらの各垂直部は少なくともウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように設けられている。ノズル249a,249bの側面には、ガスを供給するガス供給孔250a,250bがそれぞれ設けられている。ガス供給孔250a,250bは反応管203の中心を向くようにそれぞれ開口しており、ウエハ200に向けてガスを供給することが可能となっている。ガス供給孔250a,250bは、反応管203の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれが同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
このように、本実施形態では、反応管203の内壁と、積載された複数のウエハ200の端部(外周)と、で定義される円環状の縦長に伸びた空間内、つまり、円筒状の空間内に配置したノズル249a,249bを経由してガスを搬送している。そして、ノズル249a,249bにそれぞれ開口されたガス供給孔250a,250bから、ウエハ200の近傍で初めて反応管203内にガスを噴出させている。そして、反応管203内におけるガスの主たる流れを、ウエハ200の表面と平行な方向、すなわち水平方向としている。このような構成とすることで、各ウエハ200に均一にガスを供給でき、各ウエハ200に形成される薄膜の膜厚を均一にすることが可能となる。ウエハ200の表面上を流れたガス、すなわち、反応後の残ガスは、排気口、すなわち、後述する排気管231の方向に向かって流れる。但し、この残ガスの流れの方向は、排気口の位置によって適宜特定され、垂直方向に限ったものではない。
ガス供給管232aからは、金属元素を含みフッ素(F)非含有(Fフリー)の無機系のガスである第1の原料ガスとして、例えば、所定元素としてのタングステン(W)とハロゲン元素としての塩素(Cl)とを含むクロロタングステン系原料ガスが、MFC241a、バルブ243a、ノズル249aを介して処理室201内へ供給される。
クロロタングステン系原料ガスとは、気体状態のクロロタングステン系原料、例えば、常温常圧下で固体状態または液体状態であるクロロタングステン系原料を気化することで得られるガスや、常温常圧下で気体状態であるクロロタングステン系原料等のことである。クロロタングステン系原料とは、ハロゲン基としてのクロロ基を有するタングステン系原料のことであり、少なくともWおよびClを含む原料のことである。クロロタングステン系原料は、ハロゲン化物の一種とも言える。本明細書において「原料」という言葉を用いた場合は、「固体状態である固体原料」を意味する場合、「液体状態である液体原料」を意味する場合、「気体状態である原料ガス」を意味する場合、または、それらの全てを意味する場合がある。従って、本明細書において「クロロタングステン系原料」という言葉を用いた場合は、「固体状態であるクロロタングステン系原料」を意味する場合、「液体状態であるクロロタングステン系原料」を意味する場合、「気体状態であるクロロタングステン系原料ガス」を意味する場合、または、それらの全てを意味する場合がある。クロロタングステン系原料ガスとしては、Wを含みフッ素(F)非含有の無機系のガス、つまり、Wを含みFおよび炭素(C)非含有のガスを用いるのが好ましく、例えば、ヘキサクロロタングステン(WCl6)を好ましく用いることができる。WCl6のように常温常圧下で固体状態である固体原料を用いる場合は、例えば、固体原料を溶媒に溶かす等して液体化した液体化原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、クロロタングステン系原料ガス(WCl6ガス)として供給することとなる。
ガス供給管232bからは、還元性を有する第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、例えば、水素含有ガスであるジボラン(B2H6、略称:DB)ガスが、MFC241b、バルブ243b、ノズル249bを介して処理室201内へ供給される。B2H6ガスは、後述する第1のW膜形成工程において第1の反応ガスとして用いられ、後述する第2のW膜形成工程において第2の反応ガスとして用いられる。つまり、本実施形態では、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、同一のガスであるB2H6ガス、つまり、同一の化学構造を有するガスを用いている。
但し、本実施形態は係る態様に限定されない。例えば、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、それぞれ異なるガス、つまり、異なる化学構造を有するガスを用いてもよい。この場合、第1のW膜形成工程では、例えばガス供給管232bから第1の反応ガスを供給し、第2のW膜形成工程では、例えばガス供給管232fから第2の反応ガスを供給する。ガス供給管232fから供給されたガスは、MFC241f、バルブ243f、ガス供給管232b、ノズル249bを介して、処理室201内へ供給されることとなる。
ガス供給管232cからは、金属元素およびフッ素(F)を含む第2の原料ガスとして、例えば、所定元素としてのタングステン(W)とハロゲン元素としてのフッ素(F)とを含むフルオロタングステン系原料ガスが、MFC241c、バルブ243c、ガス供給管232a、ノズル249aを介して処理室201内へ供給される。
フルオロタングステン系原料ガスとは、気体状態のフルオロタングステン系原料、例えば、常温常圧下で液体状態であるフルオロタングステン系原料を気化することで得られるガスや、常温常圧下で気体状態であるフルオロタングステン系原料等のことである。フルオロタングステン系原料とは、ハロゲン基としてのフルオロ基を有するタングステン系原料のことであり、少なくともWおよびFを含む原料のことである。フルオロタングステン系原料は、ハロゲン化物の一種とも言える。本明細書において「フルオロタングステン系原料」という言葉を用いた場合は、「液体状態であるフルオロタングステン系原料」を意味する場合、「気体状態であるフルオロタングステン系原料ガス」を意味する場合、または、その両方を意味する場合がある。フルオロタングステン系原料ガスとしては、WおよびFを含む無機系のガス、つまり、WおよびFを含みC非含有のガスを用いるのが好ましく、例えば、ヘキサフルオロタングステン(WF6)を好ましく用いることができる。WF6のように常温常圧下で気体状態である気体原料を用いる場合は、WF6を気化器やバブラ等の気化システムにより気化することなく、フルオロタングステン系ガス(WF6ガス)として供給することができる。これに対し、常温常圧下で液体状態であるフルオロタングステン系原料を用いる場合は、液体状態のフルオロタングステン系原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、フルオロタングステン系原料ガスとして供給することとなる。
ガス供給管232d,232eからは、不活性ガスとして、例えば、窒素(N2)ガスが、それぞれMFC241d,241e、バルブ243d,243e、ガス供給管232a,232b、ノズル249a,249bを介して処理室201内へ供給される。
各ガス供給管から上述のようなガスをそれぞれ流す場合、主に、ガス供給管232a、MFC241a、バルブ243aにより、金属元素を含みF非含有の無機系のガスである第1の原料ガスを供給する第1原料ガス供給系、すなわち、クロロタングステン系原料ガス供給系が構成される。ノズル249aをクロロタングステン系原料ガス供給系に含めて考えてもよい。第1原料ガス供給系を第1原料供給系と称することもでき、クロロタングステン系原料ガス供給系をクロロタングステン系原料供給系と称することもできる。
また、主に、ガス供給管232b、MFC241b、バルブ243bにより、還元性を有する第1の反応ガスを供給する第1反応ガス供給系、および、還元性を有する第2の反応ガスを供給する第2反応ガス供給系が構成される。第1反応ガス供給系および第2反応ガス供給系は、それぞれ、還元ガス供給系(水素含有ガス供給系)として構成される。ノズル249bを、第1反応ガス供給系、第2反応ガス供給系にそれぞれ含めて考えてもよい。なお、本実施形態では、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして同一のガスであるB2H6ガスを用いているので、第1反応ガス供給系と第2反応ガス供給系とを、同一のガス供給系で構成している。
但し、本実施形態は係る態様に限定されない。上述したように、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、それぞれ異なるガスを用いることもできる。この場合、第1反応ガス供給系と第2反応ガス供給系とは、それぞれ異なるガス供給系で構成される。例えば、主に、ガス供給管232b、MFC241b、バルブ243bにより、第1反応ガス供給系が構成される。また例えば、主に、ガス供給管232f、MFC241f、バルブ243fにより、第2反応ガス供給系が構成される。この場合においても、ノズル249bを、第1反応ガス供給系、第2反応ガス供給系にそれぞれ含めて考えてもよい。また、ノズル249b、ガス供給管232bにおけるガス供給管232fとの接続部より下流側を、第2反応ガス供給系に含めて考えてもよい。
また、主に、ガス供給管232c、MFC241c、バルブ243cにより、金属元素およびFを含む第2の原料ガスを供給する第2原料ガス供給系、すなわち、フルオロタングステン系原料ガス供給系が構成される。ガス供給管232aにおけるガス供給管232cとの接続部より下流側、ノズル249aをフルオロタングステン系原料ガス供給系に含めて考えてもよい。第2原料ガス供給系を第2原料供給系と称することもでき、フルオロタングステン系原料ガス供給系をフルオロタングステン系原料供給系と称することもできる。
また、主に、ガス供給管232d,232e、MFC241d,241e、バルブ243d,243eにより、不活性ガス供給系が構成される。ガス供給管232a,232bにおけるガス供給管232d,232eとの接続部より下流側、ノズル249a,249bを不活性ガス供給系に含めて考えてもよい。不活性ガス供給系はパージガス供給系としても機能する。
なお、第1の原料ガスと第2の原料ガスとを単に原料ガスと称することもでき、この場合、第1原料ガス供給系と第2原料ガス供給系とにより原料ガス供給系が構成される。原料ガス供給系を原料供給系と称することもできる。また、第1の反応ガスと第2のガスガスとを単に反応ガスと称することもでき、この場合、第1反応ガス供給系と第2反応ガス供給系とにより反応ガス供給系が構成される。反応ガス供給系を還元ガス供給系(水素含有ガス供給系)と称することもできる。
反応管203には、処理室201内の雰囲気を排気する排気管231が設けられている。排気管231には、処理室201内の圧力を検出する圧力検出器(圧力検出部)としての圧力センサ245および圧力調整器(圧力調整部)としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ244を介して、真空排気装置としての真空ポンプ246が接続されている。APCバルブ244は、真空ポンプ246を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室201内の真空排気および真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ246を作動させた状態で、圧力センサ245により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室201内の圧力を調整することができるように構成されているバルブである。主に、排気管231、APCバルブ244、圧力センサ245により排気系が構成される。真空ポンプ246を排気系に含めて考えてもよい。
反応管203の下方には、反応管203の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ219が設けられている。シールキャップ219は反応管203の下端に垂直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ219は例えばステンレス(SUS)等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ219の上面には反応管203の下端と当接するシール部材としてのOリング220が設けられている。シールキャップ219の処理室201と反対側には、後述するボート217を回転させる回転機構267が設置されている。回転機構267の回転軸255は、シールキャップ219を貫通してボート217に接続されている。回転機構267は、ボート217を回転させることでウエハ200を回転させるように構成されている。シールキャップ219は、反応管203の外部に垂直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ115によって垂直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ115は、シールキャップ219を昇降させることで、ボート217を処理室201内外に搬入および搬出することが可能なように構成されている。ボートエレベータ115は、ボート217すなわちウエハ200を、処理室201内外に搬送する搬送装置(搬送機構)として構成されている。
基板支持具としてのボート217は、複数、例えば100〜200枚のウエハ200を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持するように、つまり、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート217は、例えば石英やSiC等の耐熱性材料からなる。ボート217の下部には、例えば石英やSiC等の耐熱性材料からなる断熱板218が水平姿勢で多段に支持されており、ヒータ207からの熱がシールキャップ219側に伝わりにくくなるよう構成されている。但し、本実施形態は係る形態に限定されない。例えば、ボート217の下部に断熱板218を設けずに、石英やSiC等の耐熱性材料からなる筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
反応管203内には温度検出器としての温度センサ263が設置されている。温度センサ263により検出された温度情報に基づきヒータ207への通電具合を調整することで、処理室201内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ263は、ノズル249a,249bと同様にL字型に構成されており、反応管203の内壁に沿って設けられている。
図3に示すように、制御部(制御手段)であるコントローラ121は、CPU(Central Processing Unit)121a、RAM(Random Access Memory)121b、記憶装置121c、I/Oポート121dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM121b、記憶装置121c、I/Oポート121dは、内部バス121eを介して、CPU121aとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ121には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置122が接続されている。
記憶装置121cは、例えばフラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)等で構成されている。記憶装置121c内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件などが記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ121に実行させ、所定の結果を得ることが出来るように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。RAM121bは、CPU121aによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域(ワークエリア)として構成されている。
I/Oポート121dは、上述のMFC241a〜241e、バルブ243a〜243e、圧力センサ245、APCバルブ244、真空ポンプ246、ヒータ207、温度センサ263、回転機構267、ボートエレベータ115等に接続されている。
CPU121aは、記憶装置121cから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置122からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置121cからプロセスレシピを読み出すように構成されている。CPU121aは、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、MFC241a〜241eによる各種ガスの流量調整動作、バルブ243a〜243eの開閉動作、APCバルブ244の開閉動作及び圧力センサ245に基づくAPCバルブ244による圧力調整動作、真空ポンプ246の起動および停止、温度センサ263に基づくヒータ207の温度調整動作、回転機構267によるボート217の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ115によるボート217の昇降動作等を制御するように構成されている。
コントローラ121は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置(例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、CDやDVD等の光ディスク、MO等の光磁気ディスク、USBメモリやメモリカード等の半導体メモリ)123を用意し、係る外部記憶装置123を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすること等により、本実施形態に係るコントローラ121を構成することができる。但し、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置123を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置123を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。記憶装置121cや外部記憶装置123は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置121c単体のみを含む場合、外部記憶装置123単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。
(2)基板処理工程
次に、上述の基板処理装置の処理炉を用いて、半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、基板上に薄膜を成膜するシーケンス例について説明する。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121により制御される。
本実施形態の成膜シーケンスでは、
基板に対して金属元素を含みフッ素非含有の無機系のガスである第1の原料ガスを供給する工程と、前記基板に対して還元性を有する第1の反応ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、前記金属元素を含む第1の膜を形成する工程と、
前記基板に対して前記金属元素およびフッ素を含む第2の原料ガスを供給する工程と、前記基板に対して還元性を有する第2の反応ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記第1の膜上に、前記金属元素を含む第2の膜を形成する工程と、
を行うことで、前記基板上に、前記第1の膜と前記第2の膜とが積層されてなる前記金属元素を含む膜を形成する。
なお、「原料ガスを供給する工程と、反応ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行う」とは、原料ガスを供給する工程と、反応ガスを供給する工程と、を交互に、または、同時に行うサイクルを1サイクルとした場合、このサイクルを1回もしくは複数回行うことを意味する。すなわち、このサイクルを1回以上行うことを意味する。換言すると、原料ガスを供給する工程と、反応ガスを供給する工程と、を交互に、または、同時に行うサイクルを、1回行うこと、もしくは、複数回繰り返すことを意味する。但し、このサイクルは複数回繰り返すのが好ましい。
また、「金属元素を含む膜」とは、金属元素を含む導電性の物質で構成される膜を意味しており、これには、金属元素単体で構成される膜、すなわち、金属元素を主成分とする膜が含まれる。また、「金属元素を含む膜」には、金属元素単体で構成される膜の他、導電性の金属窒化膜、導電性の金属酸化膜、導電性の金属酸窒化膜、導電性の金属複合膜、導電性の金属合金膜、導電性の金属シリサイド膜、導電性の金属炭化膜(金属カーバイド膜)等が含まれる。なお、これらを総称して、単に、金属膜(メタル膜)という場合もある。
以下、本実施形態の成膜シーケンスについて、図4、図5(a)を用いて説明する。
図4、図5(a)に示す成膜シーケンスでは、
ウエハ200に対してWを含みF非含有の無機系のガスである第1の原料ガスとしてWCl6ガスを供給する工程と、ウエハ200に対して還元性を有する第1の反応ガスとしてB2H6ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、ウエハ200上に、Wを含む第1の膜(第1のW膜)を形成する工程と、
ウエハ200に対してWおよびFを含む第2の原料ガスとしてWF6ガスを供給する工程と、ウエハ200に対して還元性を有する第2の反応ガスとしてB2H6ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、第1の膜上に、Wを含む第2の膜(第2のW膜)を形成する工程と、
を行うことで、ウエハ200上に、第1の膜(第1のW膜)と第2の膜(第2のW膜)とが積層されてなるWを含む膜(W膜)を形成する。
図4、図5(a)は、第1の原料ガスを供給する工程と、第1の反応ガスを供給する工程と、を交互に所定回数(m回)行うことで第1のW膜を形成し、第2の原料ガスを供給する工程と、第2の反応ガスを供給する工程と、を交互に所定回数(n回)行うことで第2のW膜を形成する例を示している。
なお、第1のW膜および第2のW膜は、それぞれ、W単体で構成される膜、すなわち、Wを主成分とする膜である。また、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜も、W単体で構成される膜、すなわち、Wを主成分とする膜である。また、後述する第1のW層および第2のW層も、それぞれ、W単体で構成される層、すなわち、Wを主成分とする層である。本明細書において、「W単体で構成される膜(又は層)」と表現された箇所は、それぞれ、「Wを主成分とする膜(又は層)」と読み替えることができる。これは、後述する他の実施形態や変形例等でも同様である。
また、本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体(集合体)」を意味する場合、すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合がある。また、本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。
従って、本明細書において「ウエハに対して所定のガスを供給する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)に対して所定のガスを直接供給する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層や膜等に対して、すなわち、積層体としてのウエハの最表面に対して所定のガスを供給する」ことを意味する場合がある。また、本明細書において「ウエハ上に所定の層(又は膜)を形成する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)上に所定の層(又は膜)を直接形成する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層や膜等の上、すなわち、積層体としてのウエハの最表面の上に所定の層(又は膜)を形成する」ことを意味する場合がある。
本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同様である。その場合、上記説明において、「ウエハ」を「基板」に置き換えて考えればよい。
(ウエハチャージ及びボートロード)
複数のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)されると、図1に示すように、複数のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内に搬入(ボートロード)される。この状態で、シールキャップ219はOリング220を介して反応管203の下端をシールした状態となる。
ウエハ200の表面には、例えば、シリコン膜(Si膜)、シリコン酸化膜(SiO膜)、シリコン窒化膜(SiN膜)、シリコン炭化膜(SiC膜)、シリコン炭窒化膜(SiCN膜)、シリコン酸窒化膜(SiON膜)、シリコン酸炭化膜(SiOC膜)、シリコン酸炭窒化膜(SiOCN膜)等のSi含有膜や、アルミニウム酸化膜(AlO膜)、ハフニウム酸化膜(HfO膜)、ジルコニウム酸化膜(ZrO膜)、チタン酸化膜(TiO膜)等の金属酸化膜、すなわち、高誘電率絶縁膜(High−k膜)や、チタン窒化膜(TiN膜)等の金属窒化膜等が、予め形成されている。また例えば、ウエハ200の表面には、これらの膜が積層された積層膜、例えば、AlO膜やHfO膜やZrO膜上にTiN膜が積層された積層膜(TiN/AlO、TiN/HfO、TiN/ZrO)等が、予め形成されている場合もある。これらの膜は、後述する第1のW膜形成工程において、第1のW膜を形成する際の下地膜の少なくとも一部となる。また、これらの膜は、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜を形成する際の下地膜の少なくとも一部となるということもできる。ここでいう酸化膜(或いは酸窒化膜、酸炭化膜、酸炭窒化膜)には、例えば熱酸化処理やプラズマ酸化処理等の所定の処理を施すことで意図的に形成された酸化膜の他、搬送中等に大気に晒されること等で自然に形成された自然酸化膜が含まれる。
(圧力調整及び温度調整)
処理室201内の圧力、すなわち、ウエハ200が存在する空間の圧力が所望の圧力(真空度)となるように真空ポンプ246によって真空排気される。この際、処理室201内の圧力は圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ244がフィードバック制御される(圧力調整)。真空ポンプ246は、少なくともウエハ200に対する処理が終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室201内のウエハ200が所望の温度となるようにヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電具合がフィードバック制御される(温度調整)。ヒータ207による処理室201内の加熱は、少なくともウエハ200に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。続いて、回転機構267によるボート217及びウエハ200の回転を開始する。回転機構267によるボート217及びウエハ200の回転は、少なくとも、ウエハ200に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
(第1のW膜形成工程)
その後、次の2つのステップ、すなわち、ステップ1a,2aを順次実行する。
[ステップ1a]
(WCl6ガス供給)
バルブ243aを開き、ガス供給管232a内にWCl6ガスを流す。WCl6ガスは、MFC241aにより流量調整され、ガス供給孔250aから処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してWCl6ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ243dを開き、ガス供給管232d内にN2ガス等の不活性ガスを流す。N2ガスは、MFC241dにより流量調整され、WCl6ガスと一緒に処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。
このとき、ノズル249b内へのWCl6ガスの侵入を防止するため、バルブ243eを開き、ガス供給管232e内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管232b、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。
このとき、APCバルブ244を適正に調整して、処理室201内の圧力を、例えば1〜5000Pa、好ましくは10〜1000Pa、より好ましくは50〜500Paの範囲内の圧力とする。MFC241aで制御するWCl6ガスの供給流量は、例えば1〜2000sccmの範囲内の流量とする。MFC241d,241eで制御するN2ガスの供給流量は、それぞれ例えば100〜10000sccmの範囲内の流量とする。WCl6ガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわち、ガス供給時間(照射時間)は、例えば1〜120秒、好ましくは1〜60秒の範囲内の時間とする。このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が、例えば150〜700℃、好ましくは180〜600℃、より好ましくは200〜400℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。
ウエハ200の温度が150℃未満となると、ウエハ200上にWCl6が化学吸着しにくくなり、実用的な成膜速度が得られなくなることがある。ウエハ200の温度を150℃以上とすることで、これを解消することが可能となる。ウエハ200の温度を180℃以上、さらには200℃以上とすることで、ウエハ200上にWCl6をより十分に吸着させることが可能となり、より十分な成膜速度が得られるようになる。
ウエハ200の温度が700℃を超えると、CVD反応が強くなる(気相反応が支配的になる)ことで、膜厚均一性が悪化しやすくなり、その制御が困難となってしまう。ウエハ200の温度を700℃以下とすることで、膜厚均一性の悪化を抑制でき、その制御が可能となる。特にウエハ200の温度を600℃以下、さらには400℃以下とすることで、表面反応が支配的になり、膜厚均一性を確保しやすくなり、その制御が容易となる。
よって、ウエハ200の温度は150〜700℃、好ましくは180〜600℃、より好ましくは200〜400℃の範囲内の温度とするのがよい。
上述の条件下でウエハ200に対してWCl6ガスを供給することにより、ウエハ200表面の下地膜上に、例えば1原子層未満から数原子層程度の厚さのClを含むW含有層が形成される。Clを含むW含有層はWCl6ガスの吸着層であってもよいし、Clを含むW層であってもよいし、その両方を含んでいてもよい。
Clを含むW層とは、Wにより構成されClを含む連続的な層の他、不連続な層や、これらが重なってできるClを含むW薄膜をも含む総称である。Wにより構成されClを含む連続的な層を、Clを含むW薄膜という場合もある。Clを含むW層を構成するWは、Clとの結合が完全に切れていないものの他、Clとの結合が完全に切れているものも含む。
WCl6ガスの吸着層は、WCl6ガスのガス分子の連続的な吸着層の他、不連続な吸着層をも含む。すなわち、WCl6ガスの吸着層は、WCl6分子で構成される1分子層もしくは1分子層未満の厚さの吸着層を含む。WCl6ガスの吸着層を構成するWCl6分子は、WとClとの結合が一部切れたものも含む。すなわち、WCl6ガスの吸着層は、WCl6ガスの物理吸着層であってもよいし、WCl6ガスの化学吸着層であってもよいし、その両方を含んでいてもよい。
なお、本明細書において、1原子層未満の厚さの層とは不連続に形成される原子層のことを意味しており、1原子層の厚さの層とは連続的に形成される原子層のことを意味している。1分子層未満の厚さの層とは不連続に形成される分子層のことを意味しており、1分子層の厚さの層とは連続的に形成される分子層のことを意味している。
WCl6ガスが自己分解(熱分解)する条件下、すなわち、WCl6ガスの熱分解反応が生じる条件下では、ウエハ200上にWが堆積することでClを含むW層が形成される。WCl6ガスが自己分解(熱分解)しない条件下、すなわち、WCl6ガスの熱分解反応が生じない条件下では、ウエハ200上にWCl6ガスが吸着することでWCl6ガスの吸着層が形成される。ウエハ200上にWCl6ガスの吸着層を形成するよりも、Clを含むW層を形成する方が、成膜レートを高くすることができ、好ましい。
ウエハ200上に形成されるClを含むW含有層の厚さが数原子層を超えると、後述するステップ2aでの改質の作用がClを含むW含有層の全体に届かなくなる。また、ウエハ200上に形成可能なClを含むW含有層の厚さの最小値は1原子層未満である。よって、Clを含むW含有層の厚さは、1原子層未満から数原子層程度とするのが好ましい。また、Clを含むW含有層の厚さを1原子層以下、すなわち、1原子層または1原子層未満とすることで、後述するステップ2aでの改質反応の作用を相対的に高めることができ、ステップ2aでの改質反応に要する時間を短縮することができる。ステップ1aでのClを含むW含有層形成に要する時間を短縮することもできる。結果として、1サイクルあたりの処理時間を短縮することができ、トータルでの処理時間を短縮することも可能となる。すなわち、成膜レートを高くすることも可能となる。また、Clを含むW含有層の厚さを1原子層以下とすることで、膜厚均一性の制御性を高めることも可能となる。
(残留ガス除去)
Clを含むW含有層が形成された後、バルブ243aを閉じ、WCl6ガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ244は開いたままとし、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはClを含むW含有層形成に寄与した後のWCl6ガスを処理室201内から排除する。このとき、バルブ243d,243eは開いたままとし、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室201内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内に残留する未反応もしくはClを含むW含有層形成に寄与した後のWCl6ガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。
このとき、処理室201内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室201内を完全にパージしなくてもよい。処理室201内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップ2aにおいて悪影響が生じることはない。このとき、処理室201内へ供給するN2ガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、反応管203(処理室201)の容積と同程度の量を供給することで、ステップ2aにおいて悪影響が生じない程度のパージを行うことができる。処理室201内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。また、N2ガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。
第1の原料ガスとしては、WCl6ガスの他、ジクロロタングステン(WCl2)ガス、オキシテトラクロロタングステン(WOCl5)ガス、アジドペンタクロロタングステン(Cl5N3W)ガス等の無機系のクロロタングステン系ガスを用いてもよい。
不活性ガスとしては、N2ガスの他、Arガス、Heガス、Neガス、Xeガス等の希ガスを用いてもよい。
[ステップ2a]
(B2H6ガス供給)
ステップ1aが終了し処理室201内の残留ガスを除去した後、バルブ243bを開き、ガス供給管232b内にB2H6ガスを流す。B2H6ガスは、MFC241bにより流量調整され、ガス供給孔250bから処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対して熱で活性化されたB2H6ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ243eを開き、ガス供給管232e内に不活性ガスとしてのN2ガスを流す。N2ガスは、MFC241eにより流量調整され、B2H6ガスと一緒に処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。
このとき、ノズル249a内へのB2H6ガスの侵入を防止するため、バルブ243dを開き、ガス供給管232d内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管232a、ノズル249aを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。
このとき、APCバルブ244を適正に調整して、処理室201内の圧力を、例えば1〜5000Pa、好ましくは10〜1000Pa、より好ましくは50〜500Paの範囲内の圧力とする。処理室201内の圧力をこのような圧力帯とすることで、B2H6ガスをノンプラズマで熱的に活性化させることが可能となる。B2H6ガスを熱で活性化させて供給することで、ソフトな反応を生じさせることができ、後述する改質をソフトに行うことが出来る。MFC241bで制御するB2H6ガスの供給流量は、例えば1〜2000sccmの範囲内の流量とする。MFC241d,241eで制御するN2ガスの供給流量は、それぞれ例えば100〜10000sccmの範囲内の流量とする。熱で活性化させたB2H6ガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわち、ガス供給時間(照射時間)は、例えば1〜120秒、好ましくは1〜60秒の範囲内の時間とする。このときのヒータ207の温度は、ステップ1aと同様、ウエハ200の温度が、例えば150〜700℃、好ましくは180〜600℃、より好ましくは200〜400℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。
上述の条件下でウエハ200に対してB2H6ガスを供給することにより、ステップ1aでウエハ200の下地膜上に形成されたClを含むW含有層とB2H6ガスとが反応する。すなわち、Clを含むW含有層中に含まれるハロゲン元素(ハロゲン基)であるCl(クロロ基)と、B2H6ガスと、を反応させることができる。それにより、B2H6と反応させたClを含むW含有層中のClを、Clを含むW含有層中から分離させる(引き抜く)ことができる。この反応により、Clを含むW含有層中からClが脱離し、Clを含むW含有層は、Wを含む第1の層(第1のW層)へと変化する(改質される)。第1のW層は、1原子層未満から数原子層程度の厚さのW単体で構成される層、すなわち、Wを主成分とする層となる。
第1のW層を形成する際、Clを含むW含有層中に含まれていたClと、B2H6ガスとは、B2H6ガスによるClを含むW含有層の改質反応の過程において、Cl、BおよびHの少なくともいずれかを含むガス状物質を構成し、排気管231を介して処理室201内から排出される。すなわち、Clを含むW含有層中のCl等の不純物は、Clを含むW含有層中から引き抜かれたり、脱離したりすることで、Clを含むW含有層から分離することとなる。これにより、第1のW層は、Clを含むW含有層に比べてCl等の不純物が少ない層となる。
(残留ガス除去)
第1のW層が形成された後、バルブ243bを閉じ、B2H6ガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ244は開いたままとし、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくは第1のW層形成に寄与した後のB2H6ガスや反応副生成物を処理室201内から排除する。このとき、バルブ243d,243eは開いたままとし、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室201内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内に残留する未反応もしくは第1のW層形成に寄与した後のB2H6ガスや反応副生成物を処理室201内から排除する効果を高めることができる。
このとき、処理室201内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室201内を完全にパージしなくてもよい。処理室201内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップ1aにおいて悪影響が生じることはない。このとき処理室201内へ供給するN2ガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、反応管203(処理室201)の容積と同程度の量を供給することで、ステップ1aにおいて悪影響が生じない程度のパージを行うことができる。処理室201内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。また、N2ガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。
第1の反応ガスとしては、B2H6ガスの他、トリボラン(B3H8、略称:TB)ガス、モノボラン(BH3、略称:MB)ガス等の無機ボラン系ガス、トリシラン(Si3H8、略称:TS)ガス、ジシラン(Si2H6、略称:DS)ガス、モノシラン(SiH4、略称:MS)ガス等の無機シラン系ガス、水素(H2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、ヒドラジン(N2H4)ガス、ジアゼン(N2H2)ガス等を用いることができる。すなわち、第1の反応ガスとしては、C非含有の水素含有ガス、つまり、無機系の水素含有ガスを用いることができる。
不活性ガスとしては、N2ガスの他、Arガス、Heガス、Neガス、Xeガス等の希ガスを用いてもよい。
(所定回数実施)
上述したステップ1a,2aを1サイクルとして、このサイクルを1回以上(所定回数)行うことにより、すなわち、ステップ1a,2aを交互に1回以上(所定回数)行うことにより、ウエハ200表面の下地膜上に、第1のW膜として、所定膜厚のW単体で構成される膜、すなわち、Wを主成分とする膜であるW膜を形成することができる。
第1のW膜の厚さが1原子層未満であると、すなわち、第1のW膜が不連続であると、後述する第2のW膜形成工程においてウエハ200表面の下地膜に対して第2の原料ガス(WF6ガス)が直接供給されてしまうことがある。つまり、WF6ガスがウエハ200表面の下地膜に直接接触してしまうことがある。また、第2のW膜形成工程や後述する熱処理工程において、第1のW膜によるFの拡散抑制効果(バリア効果)が低下してしまうことがある。これらの結果、ウエハ200表面の下地膜がFによりエッチングされたり、ウエハ200表面の下地膜にFが拡散したりしてしまうことがある。第1のW膜の厚さを1原子層以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは5nm以上の厚さとすることで、ウエハ200表面の下地膜に対してWF6ガスが直接供給されなくなり、また、第1のW膜によるFの拡散抑制効果を増大させることができ、その結果、ウエハ200表面の下地膜へのFの影響を抑制することができる。
また、第1のW膜の厚さが15nmを超えると、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜のトータルでの成膜時間が長くなり、成膜処理の生産性が低下してしまうことがある。WCl6ガスはWF6ガスに比べて反応性が低く、同様な条件下で成膜した場合、WCl6ガスを用いる場合の方が、WF6ガスを用いる場合よりも成膜レートが低下してしまう。よって、第1のW膜の厚さが15nmを超える場合のように、WCl6ガスを用いた成膜時間が長くなり過ぎると、トータルでの成膜時間に影響を及ぼしてしまう。また、第1のW膜の厚さが15nmを超えると、比較的高価なWCl6ガスの使用量が増加し、成膜処理のコストが増大してしまうこともある。第1のW膜の厚さを15nm以下、好ましくは10nm以下の厚さとすることで、W膜のトータルでの成膜時間を短縮させ、成膜処理の生産性を向上させることが可能となる。また、WCl6ガスの使用量を適正に抑制することができ、成膜処理のコストを低減させることが可能となる。
よって、第1のW膜の厚さは、1原子層以上の厚さ、好ましくは1nm以上15nm以下の厚さ、より好ましくは5nm以上10nm以下の厚さとするのがよい。
上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成する第1のW層の厚さを所望の膜厚よりも小さくして、上述のサイクルを所望の膜厚になるまで複数回繰り返すのが好ましい。
サイクルを複数回行う場合、少なくとも2サイクル目以降の各ステップにおいて、「ウエハ200に対して所定のガスを供給する」と記載した部分は、「ウエハ200上に形成されている層に対して、すなわち、積層体としてのウエハ200の最表面に対して所定のガスを供給する」ことを意味し、「ウエハ200上に所定の層を形成する」と記載した部分は、「ウエハ200上に形成されている層の上、すなわち、積層体としてのウエハ200の最表面の上に所定の層を形成する」ことを意味している。この点は、上述の通りである。この点は、後述する第2のW膜形成工程および他の実施形態においても同様である。
(第2のW膜形成工程)
その後、次の2つのステップ、すなわち、ステップ1b,2bを順次実行する。
[ステップ1b]
(WF6ガス供給)
バルブ243cを開き、ガス供給管232c内にWF6ガスを流す。WF6ガスは、MFC241cにより流量調整され、ガス供給管232a内を経由して、ガス供給孔250aから処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してWF6ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ243dを開き、ガス供給管232d内にN2ガス等の不活性ガスを流す。N2ガスは、MFC241dにより流量調整され、WF6ガスと一緒に処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。
このとき、ノズル249b内へのWF6ガスの侵入を防止するため、バルブ243eを開き、ガス供給管232e内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管232b、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。
このとき、APCバルブ244を適正に調整して、処理室201内の圧力を、例えば1〜5000Pa、好ましくは10〜1000Pa、より好ましくは50〜500Paの範囲内の圧力とする。MFC241cで制御するWF6ガスの供給流量は、例えば1〜2000sccmの範囲内の流量とする。MFC241d,241eで制御するN2ガスの供給流量は、それぞれ例えば100〜10000sccmの範囲内の流量とする。WF6ガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわち、ガス供給時間(照射時間)は、例えば1〜120秒、好ましくは1〜60秒の範囲内の時間とする。このときヒータ207の温度は、第1のW膜形成工程と同様の温度、つまり、ウエハ200の温度が、例えば150〜700℃、好ましくは180〜600℃、より好ましくは200〜400℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。
ウエハ200の温度が150℃未満となると、ウエハ200上にWF6が化学吸着しにくくなり、実用的な成膜速度が得られなくなることがある。ウエハ200の温度を150℃以上とすることで、これを解消することが可能となる。ウエハ200の温度を180℃以上、さらには200℃以上とすることで、ウエハ200上にWF6をより十分に吸着させることが可能となり、より十分な成膜速度が得られるようになる。
ウエハ200の温度が700℃を超えると、CVD反応が強くなる(気相反応が支配的になる)ことで、膜厚均一性が悪化しやすくなり、その制御が困難となってしまう。ウエハ200の温度を700℃以下とすることで、膜厚均一性の悪化を抑制でき、その制御が可能となる。特にウエハ200の温度を600℃以下、さらには400℃以下とすることで、表面反応が支配的になり、膜厚均一性を確保しやすくなり、その制御が容易となる。
よって、ウエハ200の温度は150〜700℃、好ましくは180〜600℃、より好ましくは200〜400℃の範囲内の温度とするのがよい。
上述の条件下でウエハ200に対してWF6ガスを供給することにより、第1のW膜上に、例えば1原子層未満から数原子層程度の厚さのFを含むW含有層が形成される。Fを含むW含有層はWF6ガスの吸着層であってもよいし、Fを含むW層であってもよいし、その両方を含んでいてもよい。
Fを含むW層とは、Wにより構成されFを含む連続的な層の他、不連続な層や、これらが重なってできるFを含むW薄膜をも含む総称である。Wにより構成されFを含む連続的な層を、Fを含むW薄膜という場合もある。Fを含むW層を構成するWは、Fとの結合が完全に切れていないものの他、Fとの結合が完全に切れているものも含む。
WF6ガスの吸着層は、WF6ガスのガス分子の連続的な吸着層の他、不連続な吸着層をも含む。すなわち、WF6ガスの吸着層は、WF6分子で構成される1分子層もしくは1分子層未満の厚さの吸着層を含む。WF6ガスの吸着層を構成するWF6分子は、WとFとの結合が一部切れたものも含む。すなわち、WF6ガスの吸着層は、WF6ガスの物理吸着層であってもよいし、WF6ガスの化学吸着層であってもよいし、その両方を含んでいてもよい。
WF6ガスが自己分解(熱分解)する条件下、すなわち、WF6ガスの熱分解反応が生じる条件下では、第1のW膜上にWが堆積することでFを含むW層が形成される。WF6ガスが自己分解(熱分解)しない条件下、すなわち、WF6ガスの熱分解反応が生じない条件下では、第1のW膜上にWF6ガスが吸着することでWF6ガスの吸着層が形成される。第1のW膜上にWF6ガスの吸着層を形成するよりも、Fを含むW層を形成する方が、成膜レートを高くすることができ、好ましい。
第1のW膜上に形成されるFを含むW含有層の厚さが数原子層を超えると、後述するステップ2bでの改質の作用がFを含むW含有層の全体に届かなくなる。また、第1のW膜上に形成可能なFを含むW含有層の厚さの最小値は1原子層未満である。よって、Fを含むW含有層の厚さは、1原子層未満から数原子層程度とするのが好ましい。また、Fを含むW含有層の厚さを1原子層以下、すなわち、1原子層または1原子層未満とすることで、後述するステップ2bでの改質反応の作用を相対的に高めることができ、ステップ2bでの改質反応に要する時間を短縮することができる。ステップ1bでのFを含むW含有層形成に要する時間を短縮することもできる。結果として、1サイクルあたりの処理時間を短縮することができ、トータルでの処理時間を短縮することも可能となる。すなわち、成膜レートを高くすることも可能となる。また、Fを含むW含有層の厚さを1原子層以下とすることで、膜厚均一性の制御性を高めることも可能となる。
(残留ガス除去)
Fを含むW含有層が形成された後、バルブ243cを閉じ、WF6ガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ244は開いたままとし、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはFを含むW含有層形成に寄与した後のWF6ガスを処理室201内から排除する。このとき、バルブ243d,243eは開いたままとし、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室201内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内に残留する未反応もしくはFを含むW含有層形成に寄与した後のWF6ガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。
このとき、処理室201内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室201内を完全にパージしなくてもよい。処理室201内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップ2bにおいて悪影響が生じることはない。このとき、処理室201内へ供給するN2ガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、反応管203(処理室201)の容積と同程度の量を供給することで、ステップ2bにおいて悪影響が生じない程度のパージを行うことができる。処理室201内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。また、N2ガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。
第2の原料ガスとしては、WF6ガスの他、他の無機系のフルオロタングステン系ガスを用いてもよい。
不活性ガスとしては、N2ガスの他、Arガス、Heガス、Neガス、Xeガス等の希ガスを用いてもよい。
[ステップ2b]
(B2H6ガス供給)
ステップ1bが終了し処理室201内の残留ガスを除去した後、ウエハ200に対して、第2の反応ガスとしてのB2H6ガスを供給するステップ2bを行う。ステップ2bは、上述したステップ2aと同様に行う。
ステップ2aと同様の手順、同様の条件下でウエハ200に対してB2H6ガスを供給することにより、ステップ1bで第1のW膜上に形成されたFを含むW含有層とB2H6ガスとが反応する。すなわち、Fを含むW含有層中に含まれるハロゲン元素(ハロゲン基)であるF(フルオロ基)と、B2H6ガスと、を反応させることができる。それにより、B2H6と反応させたFを含むW含有層中のFを、Fを含むW含有層中から分離させる(引き抜く)ことができる。この反応により、Fを含むW含有層中からFが脱離し、Fを含むW含有層は、Wを含む第2の層(第2のW層)へと変化する(改質される)。第2のW層は、1原子層未満から数原子層程度の厚さのW単体で構成される層、すなわち、Wを主成分とする層となる。
第2のW層を形成する際、Fを含むW含有層中に含まれていたFと、B2H6ガスとは、B2H6ガスによるFを含むW含有層の改質反応の過程において、F、BおよびHの少なくともいずれかを含むガス状物質を構成し、排気管231を介して処理室201内から排出される。すなわち、Fを含むW含有層中のF等の不純物は、Fを含むW含有層中から引き抜かれたり、脱離したりすることで、Fを含むW含有層から分離することとなる。これにより、第2のW層は、Fを含むW含有層に比べてF等の不純物が少ない層となる。
(残留ガス除去)
第2のW層が形成された後、上述のステップ2aと同様の手順、同様の条件により、処理室201内に残留する未反応もしくは反応に寄与した後のB2H6ガスや反応副生成物を処理室201内から排除する。このとき、処理室201内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室201内を完全にパージしなくてもよい点は、上述したステップ2aと同様である。
第2の反応ガスとしては、第1の反応ガスと同様のガス、つまり、無機系の水素含有ガスを用いることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、同一のガスを用いることもでき、異なるガスを用いることもできる。
不活性ガスとしては、N2ガスの他、Arガス、Heガス、Neガス、Xeガス等の希ガスを用いてもよい。
(所定回数実施)
上述したステップ1b,2bを1サイクルとして、このサイクルを1回以上(所定回数)行うことにより、すなわち、ステップ1b,2bを交互に1回以上(所定回数)行うことにより、第1のW膜上に、第2のW膜として、所定膜厚のW単体で構成される膜、すなわち、Wを主成分とする膜であるW膜を形成することができる。つまり、ウエハ200表面の下地膜上に、Wを含む膜として、第1のW膜と第2のW膜とがこの順に積層されてなる所定膜厚のW膜を形成することができる。なお、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜は、W単体で構成される膜、すなわち、Wを主成分とする膜となる。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成する第2のW層の厚さを所望の膜厚よりも小さくして、上述のサイクルを所望の膜厚になるまで複数回繰り返すのが好ましい。
(熱処理工程)
続いて、ウエハ200表面の下地膜上に形成されたW膜を熱処理する。ここでは、ウエハ200の温度が600℃以上、例えば800〜850℃の温度となるように、ヒータ207への通電量を調整し、W膜を熱処理(アニール処理)する。アニール処理は、例えばN2ガス等の不活性ガス雰囲気下で行う。このアニール処理の処理時間は、例えば1〜120秒間の範囲内の所定の時間とする。アニール処理を行うことにより、ウエハ200表面の下地膜上に形成されたW膜の結晶状態を、所望の結晶状態とすることができ、また、この結晶状態を安定化させることができる。また、W膜中に残留する不純物を脱離させることもできる。すなわち、アニール処理により、W膜を改質することができる。また、アニール処理により、W膜を緻密化させることもできる。
なお、本実施形態では、W膜形成工程(第1のW膜形成工程および第2のW膜形成工程)と熱処理工程とを同一の処理室201内にて(in−situで)行う例について説明しているが、W膜形成工程と熱処理工程とをそれぞれ異なる処理室内にて(ex−situで)行うこともできる。in−situで両工程を行えば、途中、ウエハ200が大気曝露されることなく、ウエハ200を真空下に置いたまま一貫して処理を行うことができ、安定した成膜処理を行うことができる。ex−situで両工程を行えば、それぞれの処理室内の温度を例えば各工程での処理温度又はそれに近い温度に予め設定しておくことができ、温度調整に要する時間を短縮させ、生産効率を高めることができる。
(パージ及び大気圧復帰)
ウエハ200に対するアニール処理が終了したら、バルブ243d,243eを開き、ガス供給管232d,232eのそれぞれから不活性ガスとしてのN2ガスを処理室201内へ供給し、排気管231から排気する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内が不活性ガスでパージされ、処理室201内に残留するガスや反応副生成物が処理室201内から除去される(パージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
(ボートアンロード及びウエハディスチャージ)
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降されて、反応管203の下端が開口されるとともに、処理済のウエハ200がボート217に支持された状態で反応管203の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される。その後、処理済のウエハ200はボート217より取出される(ウエハディスチャージ)。
(3)本実施形態に係る効果
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。
(a)本実施形態によれば、ウエハ200に対してF非含有(Fフリー)の第1の原料ガス(WCl6ガス)を供給する工程と、ウエハ200に対して還元性を有する第1の反応ガス(B2H6ガス)を供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、ウエハ200表面の下地膜上に第1のW膜を形成する。つまり、ウエハ200に対してFを含むガスを供給することなく、第1のW膜を形成する。これにより、ウエハ200表面の下地膜に対してFが供給されてしまうことを回避することができ、ウエハ200表面の下地膜のFによるエッチングを防止することが可能となる。
また、本実施形態によれば、ウエハ200表面の下地膜上に第1のW膜を形成した後に、ウエハ200に対してFを含む第2の原料ガス(WF6ガス)を供給する工程と、ウエハ200に対して還元性を有する第2の反応ガス(B2H6ガス)を供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、第1のW膜上に第2のW膜を形成する。また、第1のW膜の厚さを、1原子層以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは5nm以上の厚さとする。つまり、第2のW膜形成工程を実施する際、ウエハ200表面の下地膜は、露出することなく、連続膜である第1のW膜によって覆われている。これにより、第2のW膜形成工程において、ウエハ200表面の下地膜に対してWF6ガスが直接供給されてしまうことを防ぐことができ、WF6ガス、つまり、WF6ガスに含まれるFによるウエハ200表面の下地膜のエッチングを防止することが可能となる。
このように、本実施形態によれば、Fを含む原料ガスを用いてウエハ200上にW膜を形成する際、成膜の下地、すなわち、ウエハ200表面の下地膜のエッチングを防止することが可能となる。そして、形成したW膜の成膜の下地からの剥離を抑制することが可能となる。また、W膜の面内膜厚均一性を向上させたり、W膜表面の平坦性を向上させたりすることも可能となる。本効果は、FによりエッチングされやすいSi含有膜等を成膜の下地として成膜処理を行う際、特に有効となる。
(b)本実施形態に係る第1のW膜は、第2のW膜形成工程において、第2の原料ガス(WF6ガス)に含まれるFがウエハ200表面の下地膜に拡散(移動)してしまうことを抑制するよう作用する。また、第1のW膜は、ウエハ200表面の下地膜上に形成されたW膜を熱処理する工程においても、第2のW膜に含まれるFがウエハ200表面の下地膜に拡散(移動)してしまうことを抑制するよう作用する。つまり、第1のW膜は、第2のW膜形成工程および熱処理工程において、Fの拡散抑制膜(バリア膜)として作用する。
このように、本実施形態によれば、Fを含む原料ガスを用いてウエハ200上にW膜を形成する際、成膜の下地となるウエハ200表面の下地膜へのFの拡散を防止することが可能となる。これにより、成膜の下地がFにより受ける影響を低減することが可能となる。例えば、AlO膜やHfO膜のような絶縁膜(金属絶縁膜)を成膜の下地としてW膜を成膜する際において、絶縁膜中へのFの拡散を防止することで、絶縁膜の絶縁性低下を抑制することが可能となる。
(c)本実施形態によれば、ウエハ200に対して第1の原料ガス(WCl6ガス)と第1の反応ガス(B2H6ガス)とを交互に供給する交互供給法により、第1のW膜を形成する。交互供給法を用いることで、ウエハ200に対してWCl6ガスとB2H6ガスとを同時に供給する同時供給法を用いる場合よりも、第1のW膜による上述のFの拡散抑制効果(バリア効果)を向上させることが可能となる。その結果、第2のW膜形成工程および熱処理工程におけるウエハ200表面の下地膜へのFの拡散を、より確実に防止することが可能となる。
(d)本実施形態によれば、第1の原料ガスとして、無機系のガス、つまり、C非含有のガスを用いている。これにより、第1のW膜へのC等の不純物の混入を防止することができ、W膜の不純物濃度を低減させ、W膜の導電性低下等を回避することが可能となる。
なお、第1の原料ガスは、C非含有であるだけでなく、O非含有でもあることが好ましい。すなわち、第1の原料ガスは、CおよびO非含有のガスであることが好ましい。このようなガスを用いることで、第1のW膜へのCおよびO等の不純物の混入を防止することができ、W膜の不純物の濃度を更に低減させ、W膜の導電性低下等をよりいっそう回避することが可能となる。また、O非含有のガスを用いることで、第1のW膜、および、ウエハ200表面の下地膜の酸化をそれぞれ防止することも可能となる。なお、本実施形態において第1の原料ガスとして用いるWCl6ガスは、C非含有であるだけでなく、O非含有でもある。
また、第1の原料ガスは、C非含有であるだけでなく、N非含有でもあり、H非含有でもあり、O非含有でもあることがより好ましい。すなわち、第1の原料ガスは、C、N、HおよびO非含有のガスであることがより好ましい。このようなガスを用いることで、第1のW膜へのC、N、HおよびO等の不純物の混入を防止することができ、W膜の不純物の濃度を更に低減させ、W膜の導電性低下等をよりいっそう回避することが可能となる。また、N非含有のガスを用いることで、第1のW膜、および、ウエハ200表面の下地膜の窒化をそれぞれ防止することも可能となる。また、O非含有のガスを用いることで、第1のW膜、および、ウエハ200表面の下地膜の酸化をそれぞれ防止することも可能となる。なお、本実施形態において第1の原料ガスとして用いるWCl6ガスは、C非含有であるだけでなく、N非含有でもあり、H非含有でもあり、O非含有でもある。
(e)本実施形態によれば、ステップ2aで、Clを含むW含有層とB2H6ガスとを反応させることで、Clを含むW含有層中から、Cl等の不純物を引き抜いたり脱離させたりすることができる。これにより、第1のW層、つまり、第1のW膜中の不純物濃度を低減させることができる。また、ステップ2bで、Fを含むW含有層とB2H6ガスとを反応させることで、Fを含むW含有層中から、F等の不純物を引き抜いたり脱離させたりすることができる。これにより、第2のW層、つまり、第2のW膜中の不純物濃度を低減させることができる。これらの結果、W膜の不純物濃度を低減させ、W膜の導電性低下等を回避することが可能となる。
(f)本実施形態によれば、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、それぞれ、C非含有の水素含有ガス、つまり、無機系の水素含有ガスを用いている。これにより、第1のW膜および第2のW膜へのC等の不純物の混入をそれぞれ防止することができ、W膜の不純物濃度を低減させ、W膜の導電性低下等を回避することが可能となる。
(g)本実施形態によれば、第1のW膜形成工程および第2のW膜形成工程を、同一の処理室201内で、ウエハ200の温度を同一温度に設定した状態で行う。つまり、本実施形態によれば、第1のW膜形成工程と第2のW膜形成工程との間に、温度調整時間(待ち時間)を設ける必要がない。これにより、W膜形成に要する合計時間を短縮させ、基板処理のトータルでの生産性を向上させることが可能となる。
(h)本実施形態によれば、WCl6ガスとB2H6ガスとを用いて第1のW膜を形成した後、WF6ガスとB2H6ガスとを用いて第2のW膜を形成する。つまり、成膜処理の初期段階では原料ガスとしてWCl6ガスを用い、その後は原料ガスをWF6ガスに切り替えるようにしている。これにより、W膜のトータルでの生産性を向上させることが可能となる。つまり、反応性の比較的高いWF6ガスを用いたW膜の成膜レートは、反応性の比較的穏やかなWCl6ガスを用いたW膜の成膜レートよりも大きいことから、本実施形態では、原料ガスとしてWCl6ガスのみを用いて成膜を行う場合と比較して、成膜処理の生産性を向上させることが可能となる。また、WCl6ガスはWF6ガスよりもコストが高いことから、本実施形態では、原料ガスとしてWCl6ガスのみを用いて成膜を行う場合と比較して、成膜コストを低減させることも可能となる。
なお、第1のW膜を形成する際の成膜時間を、第2のW膜を形成する際の成膜時間よりも短くすることで、これらの効果がより顕著に生じることとなる。すなわち、第1のW膜の膜厚を第2のW膜の膜厚よりも小さく(薄く)することで、これらの効果がより顕著に生じることとなる。この場合において、第1のW膜の膜厚を1原子層以上の厚さ、好ましくは1nm以上15nm以下、より好ましくは5nm以上10nm以下の厚さとすることで、これらの効果が更に顕著に生じることとなる。
(i)本実施形態によれば、第1のW膜および第2のW膜を、それぞれ、ウエハ200に対して原料ガスと反応ガスとを交互に供給する交互供給法により形成する。これにより、第1のW膜および第2のW膜の成膜処理を、それぞれ、表面反応が支配的な条件下で適正に進行させることができる。その結果、W膜の段差被覆性(ステップカバレッジ特性)を向上させ、W膜の膜厚制御の制御性を高めることができる。
<本発明の他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、以下に示す各変形例のように、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
(変形例1)
例えば、上述の実施形態では、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、それぞれ、B2H6ガス、つまり、金属元素(W)非含有のガスを用いる例について説明した。但し、本発明は係る形態に限定されない。例えば、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスのうち少なくともいずれかのガスとして、Wおよびアミノ基を含むガス、つまり、アミノタングステン系ガスを用いてもよい。アミノタングステン系ガスとしては、例えば、ヘキサジメチルアミノジタングステン(W2[N(CH3)2]6)ガスを用いることができる。
第1の反応ガスとしてW2[N(CH3)2]6ガスを用いる場合、ステップ2aでは、ステップ1aで形成したClを含むW含有層に対してW2[N(CH3)2]6ガスを供給する。W2[N(CH3)2]6ガスは、ガス供給管232bから、MFC241b、バルブ243b、ノズル249bを介して処理室201内へ供給する。このときの処理手順および処理条件は、上述の実施形態のステップ2aにおける処理手順および処理条件と同様とすることができる。この場合、ガス供給管232b、MFC241b、バルブ243bにより、第1反応ガス供給系としてのアミノタングステン系ガス供給系が構成されることとなる。なお、ノズル249bをアミノタングステン系ガス供給系に含めて考えてもよい。
上述の条件下でウエハ200に対してW2[N(CH3)2]6ガスを供給することにより、ステップ1aでウエハ200上に形成されたClを含むW含有層とW2[N(CH3)2]6ガスとが反応する。すなわち、上述の温度に加熱したウエハ200に対してW2[N(CH3)2]6ガスを供給することで、W2[N(CH3)2]6ガスにおけるWからアミノ基を含むリガンドが分離し、分離したリガンドが、Clを含むW含有層におけるClと反応して、Clを含むW含有層からClを引き抜く。さらに、W2[N(CH3)2]6ガスにおけるリガンドが分離して未結合手(ダングリングボンド)を有することとなったWが、Clが引き抜かれたW含有層に含まれ未結合手を有することとなったW、もしくは、未結合手を有していたWと結合して、W−W結合を形成する。このとき、上述の条件下においては、W2[N(CH3)2]6ガスにおけるWから分離したリガンドが、Clを含むW含有層におけるWと結合することが阻害される。これにより、ステップ1aでウエハ200上に形成されたClを含むW含有層は、Wを含み、ClやCやN等の不純物の含有量が極めて少ない第1の層(第1のW層)へと変化する(改質される)。第1のW層は、1原子層未満から数原子層程度の厚さのW単体で形成される層となる。
第1のW層を形成する際、改質前のClを含むW含有層中に含まれていたClと、W2[N(CH3)2]6ガスに含まれていたアミノ基を含むリガンドとは、W2[N(CH3)2]6ガスによるClを含むW含有層の改質反応の過程において反応し、例えばアミノ塩等のガス状の反応生成物を構成し、排気管231を介して処理室201内から排出される。これにより、改質後のClを含むW含有層、すなわち、第1のW層中に含まれるCl、C、N等の不純物の量を低減させることが可能となる。
第2の反応ガスとしてW2[N(CH3)2]6ガスを用いる場合、ステップ2bでは、ステップ1bで形成したFを含むW含有層に対してW2[N(CH3)2]6ガスを供給する。W2[N(CH3)2]6ガスは、ガス供給管232bから、MFC241b、バルブ243b、ノズル249bを介して処理室201内へ供給する。このときの処理手順および処理条件は、上述の実施形態のステップ2bにおける処理手順および処理条件と同様とすることができる。この場合、ガス供給管232b、MFC241b、バルブ243bにより、第2反応ガス供給系としてのアミノタングステン系ガス供給系が構成されることとなる。なお、ノズル249bをアミノタングステン系ガス供給系に含めて考えてもよい。
上述の条件下でウエハ200に対してW2[N(CH3)2]6ガスを供給することにより、ステップ1bで第1のW膜上に形成されたFを含むW含有層とW2[N(CH3)2]6ガスとが反応する。すなわち、上述の温度に加熱したウエハ200に対してW2[N(CH3)2]6ガスを供給することで、W2[N(CH3)2]6ガスにおけるWからアミノ基を含むリガンドが分離し、分離したリガンドが、Fを含むW含有層におけるFと反応して、Fを含むW含有層からFを引き抜く。さらに、W2[N(CH3)2]6ガスにおけるリガンドが分離して未結合手(ダングリングボンド)を有することとなったWが、Fが引き抜かれたW含有層に含まれ未結合手を有することとなったW、もしくは、未結合手を有していたWと結合して、W−W結合を形成する。このとき、上述の条件下においては、W2[N(CH3)2]6ガスにおけるWから分離したリガンドが、Fを含むW含有層におけるWと結合することが阻害される。これにより、ステップ1bで第1のW膜上に形成されたFを含むW含有層は、Wを含み、FやCやN等の不純物の含有量が極めて少ない第2の層(第2のW層)へと変化する(改質される)。第2のW層は、1原子層未満から数原子層程度の厚さのW単体で構成される層となる。
第2のW層を形成する際、改質前のFを含むW含有層中に含まれていたFと、W2[N(CH3)2]6ガスに含まれていたアミノ基を含むリガンドとは、W2[N(CH3)2]6ガスによるFを含むW含有層の改質反応の過程において反応し、例えばアミノ塩等のガス状の反応生成物を構成し、排気管231を介して処理室201内から排出される。これにより、改質後のFを含むW含有層、すなわち、第2のW層中に含まれるF、C、N等の不純物の量を低減させることが可能となる。
図5(b)は、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、それぞれ、W2[N(CH3)2]6ガスを用いる成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミングを示す図である。この場合においても、上述の実施形態と同様の作用効果を奏する。また、第1のW膜形成工程および第2のW膜形成工程において、それぞれ、1サイクル中に2種類のタングステンソース(ダブルタングステンソース)を用いて成膜を行うことにより、第1のW膜の成膜レートおよび第2のW膜の成膜レートをそれぞれ高めることができ、W膜の成膜処理の生産性をさらに向上させることが可能となる。なお、W膜形成工程全体で考えると、3種類のタングステンソース(トリプルタングステンソース)を用いていることから、この成膜手法をトリプルタングステンソースデポジション、または、トリプルメタルソースデポジションと称することもできる。これに対し、上述の実施形態の成膜手法を、ダブルタングステンソースデポジション、または、ダブルメタルソースデポジションと称することもできる。
アミノタングステン系ガスとしては、W2[N(CH3)2]6ガスの他、ヘキサメチルエチルアミノジタングステン(W2[N(CH3)(C2H3)]6)ガス、ヘキサジエチルアミノジタングステン(W2[N(C2H3)6]6)ガス、ブチルイミドビスブチルアミノタングステンガス、ビスターシャリブチルイミドビスジメチルアミドタングステン((t−C4H9NH)2W=(Nt−C4H9)2)ガス等を用いることができる。
(変形例2)
上述の実施形態では、第1のW膜形成工程において、WCl6ガスを供給する工程と、B2H6ガスを供給する工程と、を交互に所定回数(m回)行う例について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、図6(a)に示すように、B2H6ガスの供給を連続的に行い、その間、WCl6ガスの供給を間欠的に複数回(m回)行うようにしてもよい。また、例えば、図6(b)に示すように、WCl6ガスの供給を連続的に行い、その間、B2H6ガスの供給を間欠的に複数回(m回)行うようにしてもよい。また例えば、図7に示すように、WCl6ガスおよびB2H6ガスの供給をそれぞれ間欠的に複数回行い、この際、WCl6ガスおよびB2H6ガスのうち一方のガスの供給期間中に、他方のガスの供給を間欠的に所定回数行うようにしてもよい。図7(a)は、WCl6ガスの供給を間欠的に複数回(m回)行い、各WCl6ガスの供給期間中に、B2H6ガスの供給を間欠的に1回ずつ行う例を示している。図7(b)は、B2H6ガスの供給を間欠的に複数回(m回)行い、各B2H6ガスの供給期間中に、WCl6ガスの供給を間欠的に1回ずつ行う例を示している。図7(c)は、WCl6ガスの供給を間欠的に複数回(m回)行い、各WCl6ガスの供給期間中に、B2H6ガスの供給を間欠的に2回ずつ行う例を示している。このときの処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
このように、第1のW膜形成工程において、WCl6ガスの供給期間の一部にB2H6ガスの供給期間を重複させるようにしても、また、B2H6ガスの供給期間の一部にWCl6ガスの供給期間を重複させるようにしても、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。また、このように、ガスの供給期間の一部を重複させるようにした場合、これらの供給期間を重複させず交互に行う場合と比較して、第1のW膜の成膜レートを向上させることができ、結果として、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜のトータルでの成膜レートを向上させることが可能となる。但し、図5(a)に示す成膜シーケンスのように、WCl6ガスの供給とB2H6ガスの供給とを、それらの間に処理室201内の残留ガス除去を挟んで交互に行う方が、WCl6ガスとB2H6ガスとを表面反応が支配的な条件下で適正に反応させることができ、膜厚制御の制御性および段差被覆性をそれぞれ高めることが可能となる点で、好ましい。また、処理室201内におけるWCl6ガスとB2H6ガスとの気相反応を回避することができ、処理室201内でのパーティクルの発生を抑制することが可能となる点でも、好ましい。
(変形例3)
上述の実施形態では、第2のW膜形成工程において、WF6ガスを供給する工程と、B2H6ガスを供給する工程と、を交互に所定回数(n回)行う例について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。
例えば、図6(a)に示すように、B2H6ガスの供給を連続的に行い、その間、WF6ガスの供給を間欠的に複数回(n回)行うようにしてもよい。また、例えば、図6(b)に示すように、WF6ガスの供給を連続的に行い、その間、B2H6ガスの供給を間欠的に複数回(n回)行うようにしてもよい。また例えば、図7に示すように、WF6ガスおよびB2H6ガスの供給をそれぞれ間欠的に複数回行い、この際、WF6ガスおよびB2H6ガスのうち一方のガスの供給期間中に、他方のガスの供給を間欠的に所定回数行うようにしてもよい。図7(a)は、WF6ガスの供給を間欠的に複数回(n回)行い、各WF6ガスの供給期間中に、B2H6ガスの供給を間欠的に1回ずつ行う例を示している。図7(b)は、B2H6ガスの供給を間欠的に複数回(n回)行い、各B2H6ガスの供給期間中に、WF6ガスの供給を間欠的に1回ずつ行う例を示している。図7(c)は、WF6ガスの供給を間欠的に複数回(n回)行い、各WF6ガスの供給期間中に、B2H6ガスの供給を間欠的に2回ずつ行う例を示している。このときの処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
このように、第2のW膜形成工程において、WF6ガスの供給期間の一部にB2H6ガスの供給期間を重複させるようにしても、また、B2H6ガスの供給期間の一部にWF6ガスの供給期間を重複させるようにしても、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。また、このように、ガスの供給期間の一部を重複させるようにした場合、これらの供給期間を重複させず交互に行う場合と比較して、第2のW膜の成膜レートを向上させることができ、結果として、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜のトータルでの成膜レートを向上させることが可能となる。但し、図5(a)に示す成膜シーケンスのように、WF6ガスの供給とB2H6ガスの供給とを、それらの間に処理室201内の残留ガス除去を挟んで交互に行う方が、WF6ガスとB2H6ガスとを表面反応が支配的な条件下で適正に反応させることができ、膜厚制御の制御性および段差被覆性をそれぞれ高めることが可能となる点で、好ましい。また、処理室201内におけるWF6ガスとB2H6ガスとの気相反応を回避することができ、処理室201内でのパーティクルの発生を抑制することが可能となる点でも、好ましい。
(変形例4)
上述の実施形態では、第1のW膜および第2のW膜を、それぞれ、原料ガスと反応ガスとを交互に供給する交互供給法により形成する例について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。
例えば、図8(a)に示すように、WCl6ガスを供給する工程と、B2H6ガスを供給する工程と、を同時に複数回(m回)行う同時供給法により第1のW膜を形成したり、WF6ガスを供給する工程と、B2H6ガスを供給する工程と、を同時に複数回(n回)行う同時供給法により第2のW膜を形成してもよい。また、図8(b)に示すように、WCl6ガスを供給する工程と、B2H6ガスを供給する工程と、を同時に1回行う同時供給法により第1のW膜を形成したり、WF6ガスを供給する工程と、B2H6ガスを供給する工程と、を同時に1回行う同時供給法により第2のW膜を形成してもよい。このときの処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
このように、第1のW膜形成工程および第2のW膜形成工程において、原料ガスの供給期間と反応ガスとを同時に供給するようにしても、つまり、これらのガスの供給期間を重複させるようにしても、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。また、このように、ガスの供給期間を重複させるようにした場合、これらの供給期間を重複させず交互に行う場合と比較して、第1のW膜および第2のW膜の成膜レートをそれぞれ向上させることができ、結果として、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜のトータルでの成膜レートを向上させることが可能となる。但し、図5(a)に示す成膜シーケンスのように、原料ガスの供給と反応ガスの供給を、それらの間に処理室201内の残留ガス除去を挟んで交互に行う方が、原料ガスと反応ガスとを表面反応が支配的な条件下で適正に反応させることができ、膜厚制御の制御性を高めることが可能となる点で、好ましい。また、処理室201内における原料ガスと反応ガスとの気相反応を回避することができ、処理室201内でのパーティクルの発生を抑制することが可能となる点でも、好ましい。
(変形例5)
図5〜図8に示す成膜シーケンスは、任意に組み合わせることが可能である。つまり、図5(a),(b)、図6(a),(b)、図7(a)〜(c)、図8(a),(b)に示す成膜シーケンスのうちいずれかに示された第1のW膜形成工程と、図5(a),(b)、図6(a),(b)、図7(a)〜(c)、図8(a),(b)に示す成膜シーケンスのうちいずれかに示された第2のW膜形成工程とは、任意に組み合わせて行うことが可能である。このときの処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
例えば、図5(a)に示す成膜シーケンスの第1のW膜形成工程と、図6(a)に示す成膜シーケンスの第2のW膜形成工程と、を組み合わせて行うことで、ウエハ200上に、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜を形成するようにしてもよい。また、例えば、図5(a)に示す成膜シーケンスの第1のW膜形成工程と、図8(a)に示す成膜シーケンスの第2のW膜形成工程と、を組み合わせて行うことで、ウエハ200上に、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜を形成するようにしてもよい。これらの場合、図5(a)に示す成膜シーケンスにより第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜を形成した場合と比較して、W膜のトータルでの成膜レートを高めることが可能となる。また、図6(a)や図8(a)に示す成膜シーケンスにより第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜を形成した場合と比較して、W膜のトータルでの膜厚制御の制御性および段差被覆性を高めることが可能となる。
(変形例6)
上述の実施形態では、第1の反応ガスと第2の反応ガスとが同じ種類のガス(同じ化学構造を有するガス)である例について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。つまり、第1の反応ガスと第2の反応ガスとが異なる種類のガス(異なる化学構造を有するガス)であってもよい。例えば、第1の反応ガスとして、無機ボラン系ガス、無機シラン系ガス、H2ガス等の無機系の水素含有ガス、アミノタングステン系ガスのうちいずれかの種類のガスを用い、第2の反応ガスとしてそれとは異なる他の種類のガスを用いるようにしてもよい。
第1のW膜形成工程および第2のW膜形成工程の各工程で用いる反応ガスの種類や、各工程で用いる成膜シーケンス等は、原料ガスの種類、ウエハ200の温度、形成しようとする膜の特性等に応じて、適宜選択することができる。
例えば、第1の原料ガスとしてWCl6ガスを用いる場合、第1の反応ガスとしてSi2H6ガス等の無機シラン系ガスやH2ガス等を用いる方が、第1の反応ガスとしてB2H6ガス等の無機ボラン系ガスを用いるよりも、適正な反応を生じさせることができ、好ましい場合がある。
特に、第1の原料ガスとしてWCl6ガスを用いる場合、第1の反応ガスとしてSi2H6ガスを用いる方が、第1の反応ガスとしてB2H6ガスを用いる場合よりも、ノンプラズマの雰囲気下での第1のW膜の形成が容易となる場合がある。この場合、WCl6ガスを供給する工程と、Si2H6ガスを供給する工程と、を交互に行うことでも、また、これらの工程を同時に行うことでも、第1のW膜を形成することができる。但し、これらの工程を交互に行う方が、これらの工程を同時に行う場合よりも、より適正な反応を生じさせることができる。
また、第1の原料ガスとしてWCl6ガスを用いる場合、第1の反応ガスとしてH2ガスを用いる方が、第1の反応ガスとしてB2H6ガスを用いる場合よりも、ノンプラズマの雰囲気下での第1のW膜の形成が容易となる場合がある。この場合、WCl6ガスを供給する工程と、H2ガスを供給する工程と、を同時に行う方が、これらの工程を交互に行う場合よりも、より適正な反応を生じさせることができる。但し、第1の反応ガスとしてH2ガスを用いる場合、第1の反応ガスとしてSi2H6ガスを用いる場合よりも、ウエハ200の温度を高くする必要があり、成膜の下地、つまり、ウエハ200表面の下地膜がClによりダメージを受け、半導体装置の信頼性が低下する懸念がある場合がある。
また例えば、第2の原料ガスとしてWF6ガスを用いる場合、第2の反応ガスとしては、B2H6ガス等の無機ボラン系ガスだけでなく、Si2H6ガス等の無機シラン系ガスや、H2ガス等を、好適に用いることができる。
第2の原料ガスとしてWF6ガスを、第2の反応ガスとしてSi2H6ガスを用いる場合、第2の反応ガスとしてB2H6ガスを用いる場合と同様に、ノンプラズマの雰囲気下で第2のW膜を形成することができる。この場合、WF6ガスを供給する工程と、Si2H6ガスやB2H6ガスを供給する工程と、を交互に行うことでも、また、これらの工程を同時に行うことでも、第2のW膜を形成することができる。また、これらの工程を交互に行う方が、これらの工程を同時に行う場合よりも、より適正な反応を生じさせることができる。
また、第2の原料ガスとしてWF6ガスを、第2の反応ガスとしてH2ガスを用いる場合、第2の反応ガスとしてB2H6ガスを用いる場合と同様に、ノンプラズマの雰囲気下で第2のW膜を形成することができる。この場合、WF6ガスを供給する工程と、H2ガスを供給する工程と、を同時に行う方が、これらの工程を交互に行う場合よりも、より適正な反応を生じさせることができる。
なお、W膜の抵抗率は、反応ガスとしてH2ガスを用いる場合、B2H6ガスを用いる場合、Si2H6ガスを用いる場合の順に高く(大きく)なる。すなわち、W膜の抵抗率は、反応ガスとしてH2ガスを用いる場合に最も低く(小さく)なる。つまり、第2の反応ガスとしてH2ガスを用いることで、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜のトータルでの抵抗率を、小さくすることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとしてそれぞれH2ガスを用いることで、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜のトータルでの抵抗率を、更に小さくすることができる。
但し、第2の原料ガスとしてWF6ガスを、第2の反応ガスとしてH2ガスを用いる場合、例えば200〜250℃程度の低温領域では、下地膜の種類(TiN,SiO,Si等々)によっては膜を形成するのが困難となることがある。これに対して、例えば、第1の原料ガスとしてWCl6ガスを、第1の反応ガスとしてSi2H6ガスを用い、これらを反応させることで形成した第1のW膜を下地膜とした場合、上述の低温領域であっても、第2の原料ガスとしてWF6ガスを、第2の反応ガスとしてH2ガスを用いて第2のW膜を形成することが可能となる。また、このとき、ウエハ200表面の下地に、アスペクト比が例えば10程度のトレンチ等が形成されていても、第1のW膜および第2のW膜を連続的な膜とすることができ、また、その段差被覆性を良好(実用レベル)とすることができる。
以上のことから、ウエハ200の温度を高くすることなく、抵抗率の低いW膜を形成するには、
ウエハ200に対して第1の原料ガスとしてWCl6ガスを供給する工程と、ウエハ200に対して第1の反応ガスとしてSi2H6ガスを供給する工程と、を交互に所定回数行うことで、ウエハ200上に、第1のW膜を形成する工程と、
ウエハ200に対して第2の原料ガスとしてWF6ガスを供給する工程と、ウエハ200に対して第2の反応ガスとしてH2ガスを供給する工程と、を同時に行うことで、第1のW膜上に、第2のW膜を形成する工程と、
を行うことで、第1のW膜と第2のW膜とが積層されてなるW膜を形成することが有効であることが分かる。
(変形例7)
また、上述の実施形態では、遷移金属元素であるWを含む膜を形成する例について説明した。本発明は上述の実施形態に限定されず、例えば、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)等の遷移金属元素や、アルミニウム(Al)等の典型金属元素を含む金属系薄膜を形成する場合にも、好適に適用することができる。
例えば、Tiを含む膜として、例えばTi単体で構成されるTi膜を形成する場合は、第1の原料ガスとして、チタニウムテトラクロライド(TiCl4)等のTiおよびクロロ基(Cl)を含むガス(クロロチタニウム系ガス)を、第2の原料ガスとして、チタニウムテトラフルオライド(TiF4)等のTiおよびフルオロ基(F)を含むガス(フルオロチタニウム系ガス)を用いることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、上述の実施形態で示した反応ガスの他、テトラキスエチルメチルアミノチタニウム(Ti[N(C2H5)(CH3)]4、略称:TEMAT)等のTiおよびアミノ基を含むガス(アミノチタニウム系ガス)を用いることができる。このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
また例えば、Moを含む膜として、例えばMo単体で構成されるMo膜を形成する場合は、第1の原料ガスとして、モリブデンペンタクロライド(MoCl5)等のMoおよびクロロ基を含むガス(クロロモリブデン系ガス)を、第2の原料ガスとして、モリブデンペンタフルオライド(MoF5)等のMoおよびフルオロ基を含むガス(フルオロモリブデン系ガス)を用いることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、上述の実施形態で示した反応ガスの他、Moおよびアミノ基を含むガス(アミノモリブデン系ガス)を用いることができる。このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
また例えば、Taを含む膜として、例えばTa単体で構成されるTa膜を形成する場合は、第1の原料ガスとして、タンタルペンタクロライド(TaCl5)等のTaおよびクロロ基を含むガス(クロロタンタル系ガス)を、第2の原料ガスとして、タンタルペンタフルオライド(TaF5)等のTaおよびフルオロ基を含むガス(フルオロタンタル系ガス)を用いることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、上述の実施形態で示した反応ガスの他、Taおよびアミノ基を含むガス(アミノタンタル系ガス)を用いることができる。このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
また例えば、Ruを含む膜として、例えばRu単体で構成されるRu膜を形成する場合は、第1の原料ガスとして、ルテニウムトリクロライド(RuCl3)等のRuおよびクロロ基を含むガス(クロロルテニウム系ガス)を、第2の原料ガスとして、ルテニウムトリフルオライド(RuF3)等のRuおよびフルオロ基を含むガス(フルオロルテニウム系ガス)を用いることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、上述の実施形態で示した反応ガスの他、Ruおよびアミノ基を含むガス(アミノルテニウム系ガス)を用いることができる。このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
また例えば、Hfを含む膜として、例えばHf単体で構成されるHf膜を形成する場合は、第1の原料ガスとして、ハフニウムテトラクロライド(HfCl4)等のHfおよびクロロ基を含むガス(クロロハフニウム系ガス)を、第2の原料ガスとして、ハフニウムテトラフルオライド(HfF4)等のHfおよびフルオロ基を含むガス(フルオロハフニウム系ガス)を用いることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、上述の実施形態で示した反応ガスの他、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム(Hf[N(C2H5)(CH3)]4、略称:TEMAH)等のHfおよびアミノ基を含むガス(アミノハフニウム系ガス)を用いることができる。このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
また例えば、Alを含む膜として、例えばAl単体で構成されるAl膜を形成する場合は、第1の原料ガスとして、アルミニウムトリクロライド(AlCl3)等のAlおよびクロロ基を含むガス(クロロアルミニウム系ガス)を、第2の原料ガスとして、アルミニウムトリフルオライド(AlF3)等のAlおよびフルオロ基を含むガス(フルオロアルミニウム系ガス)を用いることができる。また、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとして、上述の実施形態で示した反応ガスの他、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3、略称:TMA)等の有機アルミニウム系ガスを用いることができる。このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
このように、本発明は、遷移金属元素を含む膜であるW膜だけでなく、W以外の遷移金属元素や典型金属元素等の金属元素を含む膜の成膜にも適用することができ、この場合であっても、上述の実施形態と同様な作用効果が得られる。
(変形例8)
上述の実施形態では、基板としてのウエハ200上に、W単体で構成されるW膜を形成する例、すなわち、金属元素を主成分とする膜を形成する例について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、ウエハ200上に、Wを含む膜として、例えば、窒化タングステン膜(WN膜)、酸化タングステン膜(WO膜)、酸窒化タングステン膜(WON膜)、タングステン−チタン合金膜(WTi膜)等を形成する場合にも、本発明は好適に適用可能である。なお、WN膜、WO膜、WON膜、WTi膜は、いずれも導電性の金属膜である。
例えば、ウエハ200上に例えばWN膜のような金属窒化膜を形成する場合は、上述の第1の膜を形成する工程および第2の膜を形成する工程のうち少なくともいずれかの工程において、ウエハ200に対して原料ガスを供給する工程、ウエハ200に対して反応ガスを供給する工程に加え、ウエハ200に対して窒化ガス、つまり窒素含有ガスとして、例えば、アンモニア(NH3)ガスを供給する工程を更に含むサイクルを所定回数行うようにすればよい。NH3ガスの供給流量は、例えば100〜1000sccmの範囲内の流量とすることができる。その他の処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
また、ウエハ200上に例えばWO膜のような金属酸化膜を形成する場合は、上述の第1の膜を形成する工程および第2の膜を形成する工程のうち少なくともいずれかの工程において、ウエハ200に対して原料ガスを供給する工程、ウエハ200に対して反応ガスを供給する工程に加え、ウエハ200に対して酸化ガス、つまり酸素含有ガスとして、例えば、酸素(O2)ガスを供給する工程を更に含むサイクルを所定回数行うようにすればよい。O2ガスの供給流量は、例えば100〜1000sccmの範囲内の流量とすることができる。その他の処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
また、ウエハ200上に例えばWON膜のような金属酸窒化膜を形成する場合は、上述の第1の膜を形成する工程および第2の膜を形成する工程のうち少なくともいずれかの工程において、ウエハ200に対して原料ガスを供給する工程、ウエハ200に対して反応ガスを供給する工程に加え、ウエハ200に対して窒素含有ガスとして、例えば、NH3ガスを供給する工程、および、ウエハ200に対して酸素含有ガスとして、例えば、O2ガスを供給する工程を更に含むサイクルを所定回数行うようにすればよい。NH3ガス、O2ガスの供給流量は、それぞれ、例えば100〜1000sccmの範囲内の流量とすることができる。その他の処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
また、ウエハ200上に例えばWTi膜のような金属合金膜を形成する場合は、上述の第1の膜を形成する工程および第2の膜を形成する工程のうち少なくともいずれかの工程において、ウエハ200に対して原料ガスを供給する工程、ウエハ200に対して反応ガスを供給する工程に加え、ウエハ200に対して他の金属元素を含む原料ガスとして、例えばTiCl4ガスを供給する工程を更に含むサイクルを所定回数行うようにすればよい。また例えば、図5(b)の成膜シーケンスにおいて、WCl6ガスの代わりにTiCl4ガスを用いるようにすることでも、WTi膜を形成することができる。TiCl4ガスの供給流量は、それぞれ、例えば100〜2000sccmの範囲内の流量とすることができる。その他の処理条件は、例えば図4、図5(a)を用いて説明した上述の成膜シーケンスと同様な処理条件とすることができる。
窒素含有ガスとしては、NH3ガスの他、例えば、ジアゼン(N2H2)ガス、ヒドラジン(N2H4)ガス、N3H8ガス等を用いることができる。窒素含有ガスは、金属窒化膜や金属酸窒化膜を形成する際のN源(窒素ソース)として作用する。また、酸素含有ガスとしては、O2ガスの他、例えば、亜酸化窒素(N2O)ガス、一酸化窒素(NO)ガス、二酸化窒素(NO2)ガス、オゾン(O3)ガス、水素(H2)ガス+O2ガス、H2ガス+O3ガス、水蒸気(H2O)ガス、一酸化炭素(CO)ガス、二酸化炭素(CO2)ガス等を用いることができる。酸素含有ガスは、金属酸化膜や金属酸窒化膜を形成する際のO源(酸素ソース)として作用する。他の金属元素を含む原料ガスとしては、TiCl4ガスの他、TiF4ガス等を用いることができる。他の金属元素を含む原料ガスは、金属合金膜を形成する際の金属源(金属ソース)として作用する。
上述した薄膜の形成に用いられるプロセスレシピ(処理手順や処理条件が記載されたプログラム)は、基板処理の内容(形成する膜の膜種、組成比、膜質、膜厚等)に応じて、それぞれ個別に用意する(複数用意する)ことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理の内容に応じて、複数のプロセスレシピの中から、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。具体的には、基板処理の内容に応じて個別に用意された複数のプロセスレシピを、電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体(外部記憶装置123)を介して、基板処理装置が備える記憶装置121c内に予め格納(インストール)しておくことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理装置が備えるCPU121aが、記憶装置121c内に格納された複数のプロセスレシピの中から、基板処理の内容に応じて、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。このように構成することで、1台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の薄膜を汎用的に、かつ、再現性よく形成できるようになる。また、オペレータの操作負担(処理手順や処理条件の入力負担等)を低減でき、操作ミスを回避しつつ、基板処理を迅速に開始できるようになる。
上述のプロセスレシピは、新たに作成する場合に限らず、例えば、基板処理装置に既にインストールされていた既存のプロセスレシピを変更することで用意してもよい。プロセスレシピを変更する場合は、変更後のプロセスレシピを、電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体を介して、基板処理装置にインストールしてもよい。また、既存の基板処理装置が備える入出力装置122を操作し、基板処理装置に既にインストールされていた既存のプロセスレシピを直接変更するようにしてもよい。
上述の実施形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の基板処理装置を用いて薄膜を成膜する例について説明した。本発明は上述の実施形態に限定されず、例えば、一度に1枚または数枚の基板を処理する枚葉式の基板処理装置を用いて薄膜を成膜する場合にも、好適に適用できる。また、上述の実施形態では、ホットウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する例について説明した。本発明は上述の実施形態に限定されず、コールドウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する場合にも、好適に適用できる。これらの場合においても、処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
上述の各実施形態や各変形例等は、適宜組み合わせて用いることができる。また、このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
<本発明の好ましい態様>
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
(付記1)
本発明の一態様によれば、
基板に対して金属元素を含みフッ素非含有の無機系のガスである第1の原料ガスを供給する工程と、前記基板に対して還元性を有する第1の反応ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、前記金属元素を含む第1の膜を形成する工程と、
前記基板に対して前記金属元素およびフッ素を含む第2の原料ガスを供給する工程と、前記基板に対して還元性を有する第2の反応ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記第1の膜上に、前記金属元素を含む第2の膜を形成する工程と、
を行うことで、前記基板上に、前記第1の膜と前記第2の膜とが積層されてなる前記金属元素を含む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。
(付記2)
付記1に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の原料ガスは、前記金属元素および塩素(クロロ基)を含むガスである。
(付記3)
付記1または2に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の原料ガスは、前記金属元素を含みフッ素(フルオロ基)、炭素および酸素非含有のガスである。
(付記4)
付記1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の原料ガスは、前記金属元素を含みフッ素(フルオロ基)、炭素、窒素、水素および酸素非含有のガスである。
(付記5)
付記1〜4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の反応ガスおよび前記第2の反応ガスのうち少なくともいずれかのガスは、水素含有ガスである。
(付記6)
付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の反応ガスおよび前記第2の反応ガスのうち少なくともいずれかのガスは、前記金属元素およびアミノ基を含むガスである。
ここで、前記第1の反応ガスと前記第2の反応ガスとは、同一のガス(同一の化学構造を有するガス)であってもよいし、異なるガス(異なる化学構造を有するガス)であってもよい。
(付記7)
付記1〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の膜を形成する工程および前記第2の膜を形成する工程を、同一の処理室内で、前記基板の温度を同一温度に設定した状態で行う。
(付記8)
付記1〜7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の膜を、前記基板上に形成されているシリコン含有膜、金属酸化膜および金属窒化膜のうち少なくともいずれかの膜上に形成する。
(付記9)
付記1〜8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の膜の厚さを、1原子層以上15nm以下の厚さ、好ましくは1nm以上15nm以下の厚さ、より好ましくは5nm以上10nm以下の厚さとする。
(付記10)
付記1〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記基板上に形成された前記第1の膜および前記第2の膜を熱処理する工程を更に有する。
(付記11)
付記1〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の膜を形成する工程では、前記第1の原料ガスを供給する工程と、前記第1の反応ガスを供給する工程と、を交互に所定回数(1回以上)行う。
(付記12)
付記1〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の膜を形成する工程では、前記第1の原料ガスおよび前記第1の反応ガスのうち少なくともいずれかのガスの供給を間欠的に(複数回)行う。
例えば、前記第1の原料ガスの供給を連続的に行い、その間、前記第1の反応ガスの供給を間欠的に複数回行う。
また、例えば、前記第1の反応ガスの供給を連続的に行い、その間、前記第1の原料ガスの供給を間欠的に複数回行う。
また、例えば、前記第1の原料ガスの供給および前記第1の反応ガスの供給をそれぞれ間欠的に複数回行い、この際、前記第1の原料ガスおよび前記第1の反応ガスのうち一方のガスの供給期間中に、他方のガスの供給を間欠的に所定回数(1回以上)行う。
(付記13)
付記1〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1の膜を形成する工程では、前記第1の原料ガスを供給する工程と、前記第1の反応ガスを供給する工程と、を同時に所定回数(1回以上)行う。
(付記14)
付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第2の膜を形成する工程では、前記第2の原料ガスを供給する工程と、前記第2の反応ガスを供給する工程と、を交互に所定回数(1回以上)行う。
(付記15)
付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第2の膜を形成する工程では、前記第2の原料ガスおよび前記第2の反応ガスのうち少なくともいずれかのガスの供給を間欠的に(複数回)行う。
例えば、前記第2の原料ガスの供給を連続的に行い、その間、前記第2の反応ガスの供給を間欠的に複数回行う。
また、例えば、前記第2の反応ガスの供給を連続的に行い、その間、前記第2の原料ガスの供給を間欠的に複数回行う。
また、例えば、前記第2の原料ガスの供給および前記第2の反応ガスの供給をそれぞれ間欠的に複数回行い、この際、前記第2の原料ガスおよび前記第2の反応ガスのうち一方のガスの供給期間中に、他方のガスの供給を間欠的に所定回数(1回以上)行う。
(付記16)
付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第2の膜を形成する工程では、前記第2の原料ガスを供給する工程と、前記第2の反応ガスを供給する工程と、を同時に所定回数(1回以上)行う。
(付記17)
付記1〜16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記金属元素を含む膜は、前記金属元素単体で構成される膜(前記金属元素を主成分とする膜)である。
(付記18)
本発明の他の態様によれば、
基板に対して金属元素を含みフッ素非含有の無機系のガスである第1の原料ガスを供給する工程と、前記基板に対して還元性を有する第1の反応ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、前記金属元素を含む第1の膜を形成する工程と、
前記基板に対して前記金属元素およびフッ素を含む第2の原料ガスを供給する工程と、前記基板に対して還元性を有する第2の反応ガスを供給する工程と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記第1の膜上に、前記金属元素を含む第2の膜を形成する工程と、
を行うことで、前記基板上に、前記第1の膜と前記第2の膜とが積層されてなる前記金属元素を含む膜を形成する工程を有する基板処理方法が提供される。
(付記19)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記処理室内へ金属元素を含みフッ素非含有の無機系のガスである第1の原料ガスを供給する第1原料ガス供給系と、
前記処理室内へ前記金属元素およびフッ素を含む第2の原料ガスを供給する第2原料ガス供給系と、
前記処理室内へ還元性を有する第1の反応ガスを供給する第1反応ガス供給系と、
前記処理室内へ還元性を有する第2の反応ガスを供給する第2反応ガス供給系と、
前記処理室内の基板に対して前記第1の原料ガスを供給する処理と、前記処理室内の前記基板に対して前記第1の反応ガスを供給する処理と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、前記金属元素を含む第1の膜を形成する処理と、前記処理室内の前記基板に対して前記第2の原料ガスを供給する処理と、前記処理室内の前記基板に対して前記第2の反応ガスを供給する処理と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記第1の膜上に、前記金属元素を含む第2の膜を形成する処理と、を行うことで、前記基板上に、前記第1の膜と前記第2の膜とが積層されてなる前記金属元素を含む膜を形成するように、前記第1原料ガス供給系、前記第2原料ガス供給系、前記第1反応ガス供給系および前記第2反応ガス供給系を制御するよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
(付記20)
処理室内の基板に対して金属元素を含みフッ素非含有の無機系のガスである第1の原料ガスを供給する手順と、前記処理室内の前記基板に対して還元性を有する第1の反応ガスを供給する手順と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、前記金属元素を含む第1の膜を形成する手順と、
前記処理室内の前記基板に対して前記金属元素およびフッ素を含む第2の原料ガスを供
給する手順と、前記処理室内の前記基板に対して還元性を有する第2の反応ガスを供給する手順と、を含むサイクルを所定回数行うことで、前記第1の膜上に、前記金属元素を含む第2の膜を形成する手順と、
を行うことで、前記基板上に、前記第1の膜と前記第2の膜とが積層されてなる前記金属元素を含む膜を形成する手順をコンピュータに実行させるプログラム、及び該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。