JP2018024927A - 成膜装置、およびそれに用いるガス吐出部材 - Google Patents

成膜装置、およびそれに用いるガス吐出部材 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマＣＶＤにより成膜する際に、基板外周部の膜厚を調整して、所望の膜厚面内均一性を得ることができる技術の提供。
【解決手段】成膜装置１００は、ウエハＷが収容される処理容器１と、処理容器１内でウエハが載置されるサセプタ２と、サセプタ２に載置されたウエハＷに対向配置され、処理ガスをサセプタ２上のウエハＷに向けて吐出するシャワーヘッド１０と、シャワーヘッド１０とサセプタ２との間にプラズマを生成して処理ガスを励起させる高周波電源４１とを有し、プラズマにより励起された処理ガスによりウエハＷ上に所定の膜を成膜する。シャワーヘッド１０は、サセプタ２に対向するガス吐出面１７を有し、ガス吐出面１７には複数のガス吐出孔１５が形成され、ガス吐出面１７における複数のガス吐出孔１５が形成されたガス吐出孔形成領域１８は、ガス吐出面１７のウエハＷに対応する領域よりも小さい成膜装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置、およびそれに用いるガス吐出部材に関する。
半導体ウエハ等の基板上に薄膜を成膜する手法として、化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）が知られている。ＣＶＤにより成膜する成膜装置としては、基板を載置する載置台の上方に、処理ガスを吐出するガス吐出部材であるシャワーヘッドを基板に対向して設け、シャワーヘッドのガス吐出面に設けられた複数のガス吐出孔から処理ガスを吐出させるものが広く知られている。
このような成膜装置においては、基板に対して処理ガスを均一に供給する観点から、シャワーヘッドのガス吐出面において複数のガス吐出孔が形成されたガス吐出孔形成領域の大きさは、載置台上の基板に対応する領域と同等かそれ以上であることが一般的である（例えば特許文献１の段落００２４および図１、２参照）。
そして、上記特許文献１では、シャワーヘッドにおけるガス吐出面のガス吐出孔形成領域の大きさを載置台上の基板に対応する領域と同等かそれ以上とした上で、膜厚の面内均一性を向上させるために、ガス吐出孔の径とガス吐出孔の配置を工夫することが記載されている。
特開２０１３−４８２２７号公報
ところで、ＣＶＤの一種として、処理ガスをプラズマにより励起させて処理ガスの解離をアシストするプラズマＣＶＤが知られているが、プラズマＣＶＤの場合、基板外周部の膜厚が薄くなることがあり、膜厚の面内均一性を向上させるためには、基板外周部の膜厚の調整が求められる。
しかし、プラズマＣＶＤにおいては、ガス吐出孔の径とガス吐出孔の配置を工夫しても、基板外周部の膜厚の調整が困難であり、所望の膜厚面内均一性を得ることが今まで困難であった。
したがって、本発明は、プラズマＣＶＤにより成膜する際に、基板外周部の膜厚を調整して、所望の膜厚面内均一性を得ることができる技術を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は、被処理基板が収容される処理容器と、前記処理容器内で被処理基板が載置される載置台と、前記載置台に載置された被処理基板に対向配置され、処理ガスを前記載置台上の被処理基板に向けて吐出するガス吐出部材と、前記ガス吐出部材と前記載置台との間にプラズマを生成して前記処理ガスを励起させるプラズマ生成手段とを有し、プラズマにより励起された処理ガスにより被処理基板上に所定の膜を成膜する成膜装置であって、前記ガス吐出部材は、前記載置台に対向するガス吐出面を有し、前記ガス吐出面には、複数のガス吐出孔が形成され、前記ガス吐出面における前記複数のガス吐出孔が形成されたガス吐出孔形成領域は、前記ガス吐出面の被処理基板に対応する領域よりも小さいことを特徴とする成膜装置を提供する。
また、本発明は、処理容器内において、載置台に載置された被処理基板に対向配置され、処理ガスを前記載置台上の被処理基板に向けて吐出し、前記載置台との間にプラズマが生成された状態で、前記処理ガスにより被処理基板上に所定の膜が成膜されるようにしたガス吐出部材であって、前記載置台に対向するガス吐出面を有し、前記ガス吐出面には、複数のガス吐出孔が形成され、前記ガス吐出面における前記複数のガス吐出孔が形成されたガス吐出孔形成領域は、前記ガス吐出面の被処理基板に対応する領域よりも小さいことを特徴とするガス吐出部材を提供する。
前記ガス吐出面における、前記ガス吐出孔形成領域と、前記被処理基板に対応する領域とは同心状をなしており、前記ガス吐出孔形成領域の直径は、前記被処理基板に対応する領域の直径よりも小さい構成とすることができる。
この場合に、前記ガス吐出孔形成領域の直径の、前記被処理基板に対応する領域の直径に対する割合は、６６．６〜９３．４％であることが好ましく、７３．３〜８６．７％であることがより好ましい。
前記ガス吐出部材から吐出される処理ガスは、原料ガスであるＴｉＣｌ４ガス、還元ガスであるＨ２ガス、プラズマ生成ガスであるＡｒガスであり、被処理基板上にＴｉを含む金属膜を成膜するものであってよい。この場合に、前記ＴｉＣｌ４ガスが前記プラズマにより励起されて、活性種としてＴｉＣｌｘ（ｘ＝１〜４）、主にＴｉＣｌ３またはＴｉＣｌ２が生成されることが好ましい。さらには、主にＴｉＣｌ３が生成される場合の方がより効果が期待できる。
前記載置台上の被処理基板を加熱する加熱機構をさらに有し、成膜の際に、前記加熱機構により、被処理基板が３００〜７００℃の温度に加熱されることが好ましい。３５０〜５００℃がより好ましい。
Ｔｉを含む金属膜を成膜する際に、前記ガス吐出部材から吐出されるガス流量を、ＴｉＣｌ４ガス：１〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガス：１〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：１００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましく、ＴｉＣｌ４ガス：３〜５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガス：５〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ａｒガス：１００〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることがより好ましい。
前記載置台に接続される伝送路に設けられたインピーダンス調整回路をさらに有し、該インピーダンス調整回路により、プラズマから見た前記伝送路のインピーダンスを低下させてプラズマから基板に流れる電流を増加させ、Ａｒイオンを高エネルギー化することが好ましい。
前記プラズマ生成手段は、前記載置台を下部電極とし、ガス吐出部材を上部電極として、前記上部電極と前記下部電極との間に高周波電界を形成することによりプラズマを生成するものとすることができる。
本発明によれば、ガス吐出部材を、ガス吐出面における複数のガス吐出孔が形成されたガス吐出孔形成領域が、ガス吐出面の被処理基板に対応する領域よりも小さくなるように構成したので、被処理基板の外周の活性種の濃度を高くすることができ、基板外周部の膜厚を調整して、所望の膜厚面内均一性を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る成膜装置の一例を示す概略断面図である。 図１の成膜装置のシャワーヘッドを示す底面図である。 Ｔｉ膜を成膜する際に用いるウエハの構造例を示す断面図である。 Ｔｉ膜成膜後およびシリサイド化後のウエハの状態を示す断面図である。 インピーダンス調整回路の機能を説明するための成膜装置の模式図である。 従来のシャワーヘッドを示す底面図である。 従来のシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、成膜時間と、ウエハＷのセンターおよび外周の膜厚および平均膜厚との関係を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。 従来のシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、各成膜時間での径方向の膜厚分布を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。 従来シャワーヘッドを用いた場合と、ワイドシャワーヘッドを用いた場合で、径方向の成膜速度分布およびＴｉＣｌ３密度分布を求めたシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は成膜速度分布の結果であり、（ｂ）はＴｉＣｌ３密度分布の結果である。 従来シャワーヘッドを用いた場合と、ワイドシャワーヘッドを用いた場合の、シャワーヘッドおよびサセプタの間におけるプラズマ中の流速分布のシミュレーション結果を示す図である。 従来シャワーヘッドを用いて、シャワーヘッドとサセプタの間のガス流量が異なる条件でプラズマを生成した場合の、シャワーヘッドおよびサセプタの間のプラズマ中の流速分布のシミュレーション結果を示す図である。 従来シャワーヘッドを用いて、シャワーヘッドとサセプタの間のガス流量が異なる条件でプラズマを生成した場合で、径方向の成膜速度分布およびＴｉＣｌ３密度分布を求めたシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は成膜速度分布の結果であり、（ｂ）はＴｉＣｌ３密度分布の結果である。 従来シャワーヘッドと、実施形態のナローシャワーヘッドとについて、シャワーヘッドとサセプタの間のプラズマにおけるＴｉＣｌ３濃度とプラズマ中の流速分布をシミュレーションにより比較した結果を示す図である。 実施形態のナローシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、成膜時間と、ウエハＷのセンターおよび外周の膜厚および平均膜厚との関係を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。 実施形態のナローシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、各成膜時間での径方向の膜厚分布を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。 本発明の実施形態におけるウエハ外周部における膜厚調整の概念を説明するための模式図であり、（ａ）は従来のシャワーヘッドを用いた場合のＴｉＣｌ４およびＴｉＣｌ３の分布を示すものであり、（ｂ）は実施形態のシャワーヘッドを用いた場合のＴｉＣｌ４およびＴｉＣｌ３の分布を示すものである。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
以下の説明においては、プラズマＣＶＤによりＴｉを含む金属膜としてＴｉ膜を成膜する場合を例にとって説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る成膜装置の一例を示す概略断面図、図２は成膜装置のガス吐出部材であるシャワーヘッドを示す底面図である。
成膜装置１００は、平行平板電極に高周波電界を形成することによりプラズマを形成しつつＴｉ膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置として構成される。
この成膜装置１００は、略円筒状をなす金属製のチャンバ１を有している。チャンバ１の底壁１ｂの中央部には円形の穴５０が形成されており、底壁１ｂにはこの穴５０を覆うように下方に向けて突出する排気室５１が設けられている。排気室５１の側面には排気管５２が接続されており、この排気管５２には排気装置５３が接続されている。そしてこの排気装置５３を作動させることによりチャンバ１内を所定の真空度まで減圧することが可能となっている。
チャンバ１の側壁には、チャンバ１と隣接して設けられた図示しないウエハ搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口５７と、この搬入出口５７を開閉するゲートバルブ５８とが設けられている。
チャンバ１の内部には、被処理基板である半導体ウエハ、例えばシリコンウエハ（以下単にウエハと記す）Ｗを水平に支持するための載置台（ステージ）であるサセプタ２がその中央を円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。支持部材３は、排気室５１の底部に支持されている。サセプタ２および支持部材３は、ＡｌＮやＡｌ２Ｏ３等のセラミックスで形成されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。ガイドリング４を設けずに、サセプタ２の上面にウエハＷ保持用の凹部を設けてもよい。また、サセプタ２にはヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５はヒーター電源（図示せず）から給電されることにより発熱し、サセプタ２を介してウエハＷを所定の温度に加熱する。サセプタ２内には、ヒーター５の上に後述する電極４２も埋め込まれている。なお、サセプタ２はニッケル等の金属製であってもよく、その場合には電極４２は不要である。また、サセプタ２が金属製である場合は、チャンバ１との絶縁をとるために絶縁部材を挿入してもよい。
また、サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン５４がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン５４は支持板５５に支持されている。そして、ウエハ支持ピン５４は、エアシリンダ等の駆動機構５６により支持板５５を介して昇降される。
チャンバ１の天壁１ａには、絶縁部材９を介して平行平板電極の上部電極としても機能するプリミックスタイプのシャワーヘッド１０がサセプタ２に対向するように設けられている。シャワーヘッド１０は、ベース部材１１とシャワープレート１２とを有しており、シャワープレート１２の外周部は、貼り付き防止用の円環状をなす中間部材１３を介してベース部材１１に図示しないネジにより固定されている。シャワープレート１２は円板状をなし、その外周にフランジが形成されている。そして、ベース部材１１とシャワープレート１２との間にガス拡散空間１４が形成されている。ベース部材１１はその外周にフランジ部１１ａが形成されており、このフランジ部１１ａが絶縁部材９に支持されている。シャワープレート１２は、サセプタ２に対向するガス吐出面１７を有し、シャワープレート１２にはガス吐出面１７からガスを吐出する複数のガス吐出孔１５が形成されている。ベース部材１１の中央付近には一つのガス導入孔１６が形成されている。ガス導入孔１６には、後述するガス供給機構２０のガス配管が接続され、ガス供給機構２０から供給された処理ガスがシャワーヘッド１０を介してチャンバ１内に導入される。
また、シャワーヘッド１０のベース部材１１には、シャワーヘッド１０を加熱するためのヒーター４７が設けられている。このヒーター４７にはヒーター電源（図示せず）が接続されており、ヒーター電源からヒーター４７に給電することによりシャワーヘッド１０が所望の温度に加熱される。ベース部材１１の上部に形成された凹部には断熱部材４９が設けられている。
図２に示すように、シャワープレート１２のガス吐出面１７は円形をなし、サセプタ２上に載置されたウエハＷと同心状になるように設けられている。ガス吐出面１７の直径Ｄ１はウエハＷの直径Ｄ３よりも大きくなっている。また、シャワープレート１２のガス吐出面１７における複数のガス吐出孔１５が形成されたガス吐出孔形成領域１８は、ガス吐出面１７のウエハＷに対応する領域よりも小さくなっており、ウエハＷの外周部分に対応する位置にはガス吐出孔は存在していない。具体的には、ガス吐出孔形成領域１８は、円形状をなし、サセプタ２上に載置されたウエハＷと同心状をなしていて、ガス吐出孔形成領域１８の直径Ｄ２は、ウエハＷの直径Ｄ３よりも小さくなっている。ただし、ここでいう同心状とは、厳密な意味ではなく、多少中心位置がずれていても同心状に含まれる。
ウエハＷの直径Ｄ３が３００ｍｍの場合、ガス吐出孔形成領域１８の直径Ｄ２は２００〜２８０ｍｍが好ましく、２２０〜２６０ｍｍがより好ましい。すなわち、Ｄ２のＤ３に対する割合は、６６．６〜９３．４％が好ましく、７３．３〜８６．７％がより好ましい。
なお、本実施形態では、ガス吐出面１７には、ガス吐出孔形成領域１８の外側にガス吐出孔１５が形成されていないが、所望の効果が得られる範囲内の数であればガス吐出孔形成領域１８の外側にガス吐出孔１５が形成されていてもよい。
ガス吐出孔１５の径や間隔は、従来のシャワーヘッドと同様であり、ガス吐出孔の径は、例えば０．５０〜７．０ｍｍ程度であり、好ましくは０．６５〜１．８ｍｍである。ガス吐出孔の間隔（孔の中心間の距離）は、例えば３．０〜１０．０ｍｍ程度であり、好ましくは４．３〜８．６ｍｍである。
ガス供給機構２０は、Ｔｉ原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスを供給するＴｉＣｌ４ガス供給源２１、プラズマ生成ガスやパージガスとして用いるＡｒガスを供給するＡｒガス供給源２２、還元ガスであるＨ２ガスを供給するＨ２ガス供給源２３、窒化ガスであるＮＨ３ガスを供給するＮＨ３ガス供給源２４、およびＮ２ガスを供給するＮ２ガス供給源２５を有している。そして、ＴｉＣｌ４ガス供給源２１にはＴｉＣｌ４ガス供給ライン３１が、Ａｒガス供給源２２にはＡｒガス供給ライン３２が、Ｈ２ガス供給源２３にはＨ２ガス供給ライン３３が、ＮＨ３ガス供給源２４にはＮＨ３ガス供給ライン３４が、Ｎ２ガス供給源２５にはＮ２ガス供給ライン３５が、それぞれ接続されている。そして、各ガスラインにはマスフローコントローラ３７およびマスフローコントローラ３７を挟んで２つのバルブ３６が設けられている。
ＴｉＣｌ４ガス供給ライン３１にはＡｒガス供給ライン３２が接続されている。また、Ｈ２ガス供給ライン３３には、ＮＨ３ガス供給ライン３４およびＮ２ガス供給ライン３５が接続されている。ＴｉＣｌ４ガス供給ライン３１およびＨ２ガス供給ライン３３はガス混合部３８に接続され、そこで混合された混合ガスがガス配管３９を介して上記ガス導入孔１６に接続される。そして、混合ガスは、ガス導入孔１６を経てガス拡散空間１４に至り、シャワープレート１２のガス吐出孔１５を通ってチャンバ１内のウエハＷに向けて吐出される。
シャワーヘッド１０には、整合器４０を介して高周波電源４１が接続されており、この高周波電源４１からシャワーヘッド１０に高周波電力が供給されるようになっている。シャワーヘッド１０は平行平板電極の上部電極として機能する。一方、サセプタ２に埋め込まれた上記電極４２は、平行平板電極の下部電極として機能する。したがって、シャワーヘッド１０に高周波電力が供給されることによって、シャワーヘッド１０と電極４２との間に高周波電界が形成され、この高周波電界により、シャワーヘッド１０から吐出された処理ガスがプラズマ化される。高周波電源４１の周波数は２００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚに設定されることが好ましく、典型的には４５０ｋＨｚが用いられる。
電極４２に接続された伝送路４２ａにはインピーダンス調整回路４３が接続されている。インピーダンス調整回路４３は、プラズマから見た電極４２につながる伝送路４２ａのインピーダンスを低下させてプラズマから電極４２に流れる電流を増加させるためのものであり、例えば、コイル４４と可変コンデンサ４５からなっている。伝送路４２ａに流れる電流は電流計４６により検出され、その検出値に基づいてインピーダンス調整回路４３のリアクタンスが制御される。
成膜装置１００は、その構成部であるバルブ３６、マスフローコントローラ３７、整合器４０、高周波電源４１、可変コンデンサ４５、駆動機構５６、ヒーター電源等を制御する制御部６０を有している。制御部６０は、ＣＰＵ（コンピュータ）を有し、上記各構成部の制御を行う主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置を有している。記憶装置には、成膜装置１００で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされ、主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて成膜装置１００に所定の処理を行わせるように制御する。
次に、以上のような成膜装置１００を用いて行われるＴｉ膜の成膜処理について説明する。
本実施形態においては、ウエハＷとして、例えば、図３に示すように、Ｓｉ基板１１０上に層間絶縁膜１１１が形成され、層間絶縁膜１１１にＳｉ基板１１０の不純物拡散領域１１０ａに達するコンタクトホール１１２が形成された構造を有するものを用いる。
まず、チャンバ１内の圧力を調整した後、ゲートバルブ５８を開にして、搬送室（図示せず）から搬入出口５７を介して図３の構造を有するウエハＷをチャンバ１内へ搬入する。そして、チャンバ１内を所定の真空度に維持しつつ、ウエハＷを予備加熱する。所定の時間、加熱を行い、ウエハＷの温度がほぼ安定した時点で、プラズマ生成ガスであるＡｒガス、還元ガスであるＨ２ガス、Ｔｉ原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスを図示しないプリフローラインに流してプリフローを行った後、ガス流量および圧力を同じに保ったまま成膜用のラインに切り替え、これらのガスをシャワーヘッド１０を介してチャンバ１内に導入する。
そして、これらのガスの導入開始後、シャワーヘッド１０に高周波電源４１から高周波電力を印加し、チャンバ１内に導入されたＡｒガス、Ｈ２ガス、ＴｉＣｌ４ガスのプラズマを生成し、ヒーター５により所定温度に加熱されたウエハＷ上でプラズマ化されたガスを反応させる。これにより、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板（Ｓｉ部分）１１０表面にＴｉ膜１１３を堆積させる。そして、図４（ｂ）に示すように、このＴｉ膜１１３とコンタクトホール１１２の底のＳｉ基板１１０とが反応し、ＴｉＳｉｘ膜１１４が形成される。
このとき、ＴｉＣｌ４ガスが前記プラズマにより励起されて、活性種としてＴｉＣｌｘ（ｘ＝１〜４）、主にＴｉＣｌ３またはＴｉＣｌ２が生成されることが好ましい。特に、ＴｉＣｌ４ガスの流量に対してＨ２ガスの流量を極力低くし、プラズマにより生成される活性種を、ＴｉＣｌ２よりも付着係数が低いＴｉＣｌ３を主体とするものとし、かつＡｒガス流量を極力多くしてＡｒイオンのエッチング作用を高めることが好ましい。ここでいう“ＴｉＣｌ３が主体”とは、ＴｉＣｌ４がＴｉＣｌ２とＴｉＣｌ３に分解され、ＴｉＣｌ２＜ＴｉＣｌ３である状態のことである。これにより、ホール開口のオーバーハングを極力少なくしてステップカバレッジが高いＴｉ膜を得ることができる。また、Ａｒイオンの衝撃によるＴｉ膜表面に吸着するＣｌ脱離促進作用により、成膜温度が５００℃以下の低温においても残留塩素が少ない低抵抗のＴｉ膜を形成することができる。
このような観点から成膜の際のガス流量は、
ＴｉＣｌ４ガス流量：１〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス流量：１００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ２ガス流量：１〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
の範囲が好ましい。
より好ましくは、
ＴｉＣｌ４ガス流量：３〜５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス流量：１００〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ２ガス流量：５〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
である。
また、Ｈ２ガス／Ａｒガスの流量比は、０．００１〜５０が好ましい。
なお、ガスの流量の単位はｍＬ／ｍｉｎを用いているが、ガスは温度および気圧により体積が大きく変化するため、本発明では標準状態に換算した値を用いている。なお、標準状態に換算した流量は通常ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅｓ）で表記されるためｓｃｃｍを併記している。ここにおける標準状態は、温度０℃（２７３．１５Ｋ）、気圧１ａｔｍ（１０１３２５Ｐａ）の状態である。
成膜温度については、３００〜７００℃の範囲とすることが可能である。ただし、デバイスの耐熱性および不純物拡散の抑制の観点から５００℃以下が好ましい。上述したように、本実施形態では、Ａｒイオンの作用が大きいため、５００℃以下の低温でも残留塩素が少ない低抵抗のＴｉ膜とすることができ、デバイス上好ましい成膜温度とすることができる。一方、温度が低すぎると良好な膜質が得難いため、３５０℃以上が好ましい。すなわち、好ましい成膜温度（ウエハ温度）は、３５０〜５００℃である。
チャンバ１内の圧力は、圧力が低いほどプラズマダメージが低下するが、圧力が低下しすぎると著しくＴｉ膜の面内均一性（抵抗値）が悪化してしまう。また、圧力が高くなりすぎるとＴｉ膜の抵抗値が高くなってしまうため好ましくない。そのため、それらの点を考慮して好ましい範囲が規定される。好ましい範囲は、１３．３〜１３３３Ｐａ（０．１〜１０Ｔｏｒｒ）である。
Ａｒイオンの作用を高めるためには、大きなパワーが必要であるが、高周波パワーを大きくすると、プラズマからチャンバ壁部へ流れる電流が大きくなり、プラズマが不安定になって異常放電等が生じるおそれがある。このため、高周波パワーを大きくすることなくＡｒイオンの作用を極力高める観点から、サセプタ２内の電極４２に接続された伝送路４２ａにインピーダンス調整回路４３を設け、プラズマから見た伝送路４２ａのインピーダンスを調整可能とする。
つまり、プラズマからウエハＷまでの間には、プラズマシースとサセプタ２という容量成分があり、それらが抵抗となるが、図５に示すように、インピーダンス調整回路４３により、それらの容量成分をキャンセルするようにして、伝送路４２のインピーダンスを極力低下させることにより、プラズマからウエハＷを介して伝送路４２ａに流れる電流を効果的に大きくし、比較的小さいパワーでＡｒイオンの作用を十分に発揮させることができる。また、このようにプラズマからウエハＷに流れる電流を大きくすることにより、プラズマからチャンバ壁部へ流れる電流を相対的に小さくすることができ、プラズマの安定性を高めることができる。
なお、インピーダンス調整回路は、図１のようなコイル４４と可変コンデンサ４５を組み合わせて可変コンデンサを調整する構成に限るものではない。
ところで、以上のようにしてＴｉＣｌ３およびＡｒイオンの作用を主体とするプロセスとすることにより、ステップカバレッジが高く低抵抗のＴｉ膜を５００℃以下の低温で得ることができるものの、従来の成膜装置では、膜厚の不均一が生じ、ウエハＷの外周部分の膜厚が薄くなることが判明した。
具体的には、従来の成膜装置では、図６に示すように、シャワープレート１２のガス吐出面１７のほぼ全面にガス吐出孔１５が形成され、ガス吐出孔形成領域の直径がウエハＷの直径と同等かそれ以上のシャワーヘッドを用いており、その膜厚分布は、図７、図８に示すようなものであった。
図７は、従来のシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、成膜時間と、ウエハＷのセンターおよび外周の膜厚および平均膜厚との関係を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。この図から、成膜時間が長くなるほどセンターと外周の膜厚差が広がることがわかる。また、図８は、従来のシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、各成膜時間での径方向の膜厚分布を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。これらの図から、従来のシャワーヘッドを用いた場合は、ウエハの外周部分で膜厚が薄くなることがわかる。
ウエハの外周部分で膜厚が薄くなる原因と考えられるのは、成膜に寄与するＴｉＣｌ３の密度がウエハ外周で低くなることである。このため、まず、従来のシャワーヘッドよりもガス吐出孔が広い領域で形成されているシャワーヘッド（ワイドシャワーヘッド）を用い、従来よりも外側までＴｉＣｌ４を供給することを試みた。ここでは、従来シャワーヘッドのガス吐出孔形成領域の直径がφ３１４ｍｍであるのに対し、ワイドシャワーヘッドではシャワープレートのガス吐出面の面積を大きくしてガス吐出孔形成領域の直径をφ３６２ｍｍとした。
従来シャワーヘッドを用いた場合と、ワイドシャワーヘッドを用いた場合で、径方向の成膜速度分布およびＴｉＣｌ３密度分布を求めた結果を図９に示す。図９の（ａ）は成膜速度分布の結果であり、（ｂ）はＴｉＣｌ３シミュレーション密度分布の結果である。この図に示すように、予想とは逆に、ワイドシャワーヘッドのほうが従来シャワーヘッドよりも、より内側で成膜速度およびＴｉＣｌ３密度が低下するこが示された。
図１０は、両者のシャワーヘッドおよびサセプタの間におけるプラズマの流速分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）が従来シャワーヘッドの結果、（ｂ）がワイドシャワーヘッドの結果である。この図では、主に外周側の結果を示しており、色の濃いほうが流速が大きいことを示している。この図から、ワイドシャワーヘッドではガス吐出孔形成領域が外側に拡大した分だけ、シャワーヘッドとサセプタの間の流速が低下していることがわかる。したがって、ワイドシャワーヘッドでは、シャワーヘッドとサセプタの間の流速低下にともなって圧力が低下し、ＴｉＣｌ３の下流への対流フラックスが低下することにより、成膜速度の低下開始位置が、より内側に移動したものと推測された。
このことを検証するために、従来シャワーヘッドを用いて、シャワーヘッドとサセプタの間に供給するガス流量が異なる条件で実験を行った。条件１に対し、条件２ではＴｉＣｌ４／Ｈ２／Ａｒそれぞれのガス流量を約２倍としている。図１１は、両者のシャワーヘッドおよびサセプタの間のプラズマの流速分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）が条件１の結果、（ｂ）が条件２の結果である。この図においても、主に外周側の結果を示しており、色の濃いほうが流速が大きいことを示している。この図から、条件１よりも条件２のほうが外周部分における流速が大きいことがわかる。
図１２は、両者の径方向の成膜速度分布およびＴｉＣｌ３密度分布を求めたシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は条件１の結果、（ｂ）は条件２の結果である。この図に示すように、流速の小さい条件１のほうが条件２よりも、より内側で成膜速度およびＴｉＣｌ３密度が低下することが示され、シャワーヘッドとサセプタの間の流速が低下することにより、ウエハ外周部分のＴｉＣｌ３密度が低下し、成膜速度が低下することが確認された。
したがって、ワイドシャワーヘッドを用いた際に、シャワーヘッドおよびサセプタの間のガスの流速が小さくなり、これがウエハ外周部におけるＴｉＣｌ３の密度低下につながって、ウエハ外周部における成膜速度の低下開始位置が内側に移動することが検証された。
そこで、本実施形態では、シャワーヘッドおよびサセプタの間のガスの流速を上昇させるべく、シャワーヘッド１０を、シャワープレート１２のガス吐出面１７における、複数のガス吐出孔１５が形成されたガス吐出孔形成領域１８が、ウエハＷに対応する領域よりも小さくなる構成とした。
従来シャワーヘッドと、ガス吐出孔形成領域をウエハ領域よりも狭くした本実施形態のシャワーヘッド（ナローシャワーヘッド）とについて、シャワーヘッドとサセプタの間のプラズマにおけるＴｉＣｌ３濃度と流速をシミュレーションにより比較した。ナローシャワーヘッドのガス吐出孔形成領域の直径はφ２００ｍｍとした（ウエハ直径３００ｍｍ）。
その結果を図１３に示す。図１３中、（ａ）は従来シャワーの結果であり、（ｂ）はナローシャワーヘッドの結果である。この図において、外周側では、色の濃いほうが、ＴｉＣｌ３濃度および流速が高いことを示す。この図に示すように、従来シャワーヘッドを用いた場合は、シャワーヘッドとサセプタの間の流速が低く、ウエハ外周部においてＴｉＣｌ３濃度が低くなる傾向があるのに対し、本実施形態のナローシャワーヘッドでは従来シャワーヘッドよりも、より内側から流速が上昇し、ＴｉＣｌ３濃度については、ガス吐出孔形成領域のすぐ外側で上昇し、ガス吐出孔が存在しない外周部分においても高い濃度を維持していることが示された。
次に、ナローシャワーヘッドを用いて実際の膜厚分布を求めた。
図１４は、ナローシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、成膜時間と、ウエハＷのセンターおよび外周の膜厚および平均膜厚との関係を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。図７と対比すると明らかなように、従来シャワーヘッドを用いた場合は成膜時間が長くなるとセンターと外周の膜厚差が広がるのに対し、ナローシャワーヘッドを用いることにより、成膜時間が長くなってもセンターと外周の膜厚差が広がらないことがわかる。また、図１５は、ナローシャワーヘッドを用いてＴｉ膜を成膜した場合における、各成膜時間での径方向の膜厚分布を示す図であり、（ａ）はＳｉＯ２膜上、（ｂ）はＳｉ基板上の結果である。図８と対比すると明らかなように、従来のシャワーヘッドを用いた場合はウエハの外周部分で膜厚が急激に薄くなるのに対し、ナローシャワーヘッドを用いることによりウエハ外周部分の膜厚が従来シャワーヘッドよりも厚くなることがわかる。
このことから、シャワーヘッド１０を、シャワープレート１２のガス吐出面１７における、複数のガス吐出孔１５が形成されたガス吐出孔形成領域１８が、ウエハＷに対応する領域よりも小さくなる構成とすることにより、ウエハ外周部の膜厚が厚くなるように調整が可能となることが確認された。
このときのウエハ外周部における膜厚調整の概念を図１６に模式的に説明する。従来のシャワーヘッドを用いた場合は、図１６（ａ）に示すように、ウエハＷの外側に対応する領域までガス吐出孔１５形成されており、これらのガス吐出孔１５からＴｉＣｌ４が吐出され、プラズマ中でＴｉＣｌ３となる。この場合に、上述したように、ウエハＷの外周部では成膜に寄与するＴｉＣｌ３の濃度が小さくなって、膜厚が薄くなる。これに対して、本実施形態のナローシャワーヘッドでは、図１６（ｂ）に示すように、ガス吐出孔をウエハＷの中央領域に対応する領域のみに形成することにより、ウエハＷの外周部においてＴｉＣｌ４からＴｉＣｌ３に効率的に変換することで、ウエハＷの外周部に対応する部分にＴｉＣｌ３が増加し、ウエハＷの外周部分の膜厚が増加する。
ウエハ外周部の膜厚は、ガス吐出孔形成領域１８の大きさにより調整することができ、そのときの膜厚分布に応じてガス吐出孔形成領域１８の大きさを最適化することにより、径方向の膜厚分布を均一性の高いものとすることができる。
具体的には、ガス吐出孔形成領域１８は、円形状をなし、サセプタ２上に載置されたウエハＷと同心状をなしていて、ガス吐出孔形成領域１８の直径Ｄ２は、ウエハＷの直径Ｄ３よりも小さくなっている。ウエハ外周部の膜厚を有効に調整する観点から、ウエハＷの直径Ｄ３が３００ｍｍの場合、ガス吐出孔形成領域１８の直径Ｄ２は２００〜２８０ｍｍが好ましく、２２０〜２６０ｍｍがより好ましい。すなわち、Ｄ２のＤ３に対する割合は、６６．６〜９３．４％が好ましく、７３．３〜８６．７％がより好ましい。
このようなシャワーヘッドを用いた成膜装置１００によりＴｉ膜の成膜を行った後、必要に応じてＴｉ膜の窒化処理を実施してもよい。この窒化処理では、上記Ｔｉ膜の成膜が終了後、ＴｉＣｌ４ガスを停止し、Ｈ２ガスおよびＡｒガスを流したままの状態とし、チャンバ１内を適宜の温度に加熱しつつ、窒化ガスとしてＮＨ３ガスを流すとともに、高周波電源４１からシャワーヘッド１０に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し、プラズマ化した処理ガスによりＴｉ膜の表面を窒化する。これにより、Ｔｉ膜が保護される。
Ｔｉ膜成膜後または窒化処理後、ゲートバルブ５８を開き、搬入出口５７を介して図示しないウエハ搬送室へウエハＷを搬出する。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく本発明の要旨の範囲内で種々変形可能である。
例えば、本例においては、原料ガス、還元ガスを同時に供給して成膜する場合について示したが、成膜ガスと還元ガスとの供給を、Ａｒガス等の不活性ガスによるパージを挟んで交互に繰り返してプラズマを生成した状態で原子層堆積法（ＡＬＤ法）により成膜する場合も含まれる。
また、上記実施形態では、プラズマＣＶＤによってＴｉ膜を成膜する場合について説明したが、Ｔｉ成膜時に窒素源を添加するようなＴｉを含む金属膜を成膜する場合でもよく、また、シャワーヘッドとサセプタとの間にプラズマを形成し、原料ガスの活性種を生成して所定の膜を成膜する装置であれば適用可能である。
さらに、本実施形態では、シャワーヘッドに高周波電力を印加することにより高周波電界を形成してプラズマを生成したが、サセプタに高周波電力を印加してもよく、また、上記実施形態のような平行平板型のプラズマ生成機構に限らず、誘導結合プラズマや、マイクロ波プラズマ等を生成する他のプラズマ生成機構であってもよい。
さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用いる場合を例にとって説明したが、これに限らず、ガラス基板やセラミック基板等の他の被処理基板にも本発明を適用できることはいうまでもない。
１；チャンバ
２；サセプタ
５；ヒーター
１０；シャワーヘッド
１２；シャワープレート
１５；ガス吐出孔
１７；ガス吐出面
１８；ガス吐出孔形成領域
２０；ガス供給機構
２１；ＴｉＣｌ４ガス供給源
２２；Ａｒガス供給源
２３；Ｈ２ガス供給源
４１；高周波電源
４３；インピーダンス調整回路
５３；排気装置
６０；制御部
１００；成膜装置
１１０；Ｓｉ基板
１１１；層間絶縁膜
１１２；コンタクトホール
１１３；Ｔｉ膜
１１４；ＴｉＳｉｘ膜
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (14)

  1. 被処理基板が収容される処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板が載置される載置台と、
    前記載置台に載置された被処理基板に対向配置され、処理ガスを前記載置台上の被処理基板に向けて吐出するガス吐出部材と、
    前記ガス吐出部材と前記載置台との間にプラズマを生成して前記処理ガスを励起させるプラズマ生成手段と
    を有し、プラズマにより励起された処理ガスにより被処理基板上に所定の膜を成膜する成膜装置であって、
    前記ガス吐出部材は、前記載置台に対向するガス吐出面を有し、前記ガス吐出面には、複数のガス吐出孔が形成され、
    前記ガス吐出面における前記複数のガス吐出孔が形成されたガス吐出孔形成領域は、前記ガス吐出面の被処理基板に対応する領域よりも小さいことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記ガス吐出面における、前記ガス吐出孔形成領域と、前記被処理基板に対応する領域とは同心状をなしており、前記ガス吐出孔形成領域の直径は、前記被処理基板に対応する領域の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記ガス吐出孔形成領域の直径の、前記被処理基板に対応する領域の直径に対する割合は、６６．６〜９３．４％であることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
  4. 前記ガス吐出孔形成領域の直径の、前記被処理基板に対応する領域の直径に対する割合は、７３．３〜８６．７％であることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
  5. 前記ガス吐出部材から吐出される処理ガスは、原料ガスであるＴｉＣｌ４ガス、還元ガスであるＨ２ガス、プラズマ生成ガスであるＡｒガスであり、被処理基板上にＴｉを含む金属膜を成膜することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の成膜装置。
  6. 前記ＴｉＣｌ４ガスが前記プラズマにより励起されて、活性種として主にＴｉＣｌ３が生成されることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
  7. 前記載置台上の被処理基板を加熱する加熱機構をさらに有し、成膜の際に、前記加熱機構により、被処理基板が３５０〜５００℃の温度に加熱されることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
  8. 成膜の際に、前記ガス吐出部材から吐出されるガス流量が、
    ＴｉＣｌ４ガス：１〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、
    Ｈ２ガス：１〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、
    Ａｒガス流量：１００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
    であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の成膜装置。
  9. 前記載置台に接続される伝送路に設けられたインピーダンス調整回路をさらに有し、該インピーダンス調整回路により、プラズマから見た前記伝送路のインピーダンスを低下させてプラズマから基板に流れる電流を増加させ、Ａｒイオンを高エネルギー化することを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の成膜装置。
  10. 前記プラズマ生成手段は、前記載置台を下部電極とし、ガス吐出部材を上部電極として、前記上部電極と前記下部電極との間に高周波電界を形成することによりプラズマを生成することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の成膜装置。
  11. 処理容器内において、載置台に載置された被処理基板に対向配置され、処理ガスを前記載置台上の被処理基板に向けて吐出し、前記載置台との間にプラズマが生成された状態で、前記処理ガスにより被処理基板上に所定の膜が成膜されるようにしたガス吐出部材であって、
    前記載置台に対向するガス吐出面を有し、前記ガス吐出面には、複数のガス吐出孔が形成され、
    前記ガス吐出面における前記複数のガス吐出孔が形成されたガス吐出孔形成領域は、前記ガス吐出面の被処理基板に対応する領域よりも小さいことを特徴とするガス吐出部材。
  12. 前記ガス吐出面における、前記ガス吐出孔形成領域と、前記被処理基板に対応する領域とは同心状をなしており、前記ガス吐出孔形成領域の直径は、前記被処理基板に対応する領域の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１１に記載のガス吐出部材。
  13. 前記ガス吐出孔形成領域の直径の、前記被処理基板に対応する領域の直径に対する割合は、６６．６〜９３．４％であることを特徴とする請求項１２に記載のガス吐出部材。
  14. 前記ガス吐出孔形成領域の直径の、前記被処理基板に対応する領域の直径に対する割合は、７３．３〜８６．７％であることを特徴とする請求項１２に記載のガス吐出部材。
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