JP2019039022A - Film deposition apparatus and gas supply mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板に金属膜を成膜するための成膜装置及びガス供給機構に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus and a gas supply mechanism for forming a metal film on a substrate.
半導体装置の製造工程においては、基板である半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)に金属塩化物を成膜原料として供給し、当該金属塩化物を構成する金属からなる膜を成膜する成膜処理が行われる場合が有る。特許文献1にはこの金属塩化物として、固体であるWCl6(六塩化タングステン)を気化させて、キャリアガスと共に処理容器内のウエハに供給し、さらに還元ガスを供給することにより、W(タングステン)膜を成膜する成膜装置について記載されている。 In a semiconductor device manufacturing process, a metal chloride is supplied as a film forming raw material to a semiconductor wafer (hereinafter referred to as “wafer”), which is a substrate, and a film made of a metal constituting the metal chloride is formed. May be performed. In Patent Document 1, as this metal chloride, WCl 6 (tungsten hexachloride) which is a solid is vaporized, supplied to a wafer in a processing container together with a carrier gas, and further supplied with a reducing gas, W (tungsten). ) A film forming apparatus for forming a film is described.
上記のW膜を形成するにあたり、成膜原料としてWCl6の代わりにWCl5(五塩化タングステン)を用いることが検討されている。しかし、そのようにWCl6を成膜原料として使用するとWCl5を成膜原料として使用する場合に比べて、W膜中に含まれる異物として、炭素からなるパーティクルの量が増加してしまうことが確認された。そのようにWCl5を使用したときに膜中に混入したパーティクルは、成膜原料であるWCl5の製造工程において用いられ、当該成膜原料中に残留した有機溶媒などの炭素化合物から生じたものと考えられる。 In forming the W film, it has been studied to use WCl 5 (tungsten pentachloride) instead of WCl 6 as a film forming material. However, when WCl 6 is used as a film forming raw material, the amount of carbon particles as foreign substances contained in the W film may increase as compared with the case where WCl 5 is used as a film forming raw material. confirmed. The particles mixed in the film when using WCl 5 as described above are used in the manufacturing process of WCl 5 which is a film forming raw material, and are generated from a carbon compound such as an organic solvent remaining in the film forming raw material. it is conceivable that.
このW膜へのパーティクルの混入を抑制するために、成膜装置を構成する処理容器内及び各配管をパージするためのパージガスを供給するバルブの開閉が適切なタイミングで行われるように調整したり、成膜処理中におけるウエハの温度が適切になるように調整する対策を行うことができる。また成膜装置の配管系にこのパーティクルが付着するが、この配管系に設けられるバルブのうち当該パーティクルが比較的多く堆積するバルブについては常時開いた状態とすることでパーティクルが装置から排出されやすい環境とし、当該パーティクルの膜中への混入を防ぐという対策を行うことができる。しかし、これらの対策を行っても膜中へのパーティクルの混入を抑制するには不十分であり、膜に混入するパーティクルの量をより低減させることができる技術が求められている。 In order to suppress the mixing of particles into the W film, adjustment is made so that the valve for supplying the purge gas for purging the inside of the processing container and each pipe constituting the film forming apparatus is opened and closed at an appropriate timing. Therefore, it is possible to take measures to adjust the temperature of the wafer during the film formation process to be appropriate. In addition, the particles adhere to the piping system of the film forming apparatus. Of the valves provided in the piping system, a valve in which a relatively large amount of the particles accumulates is always opened to easily discharge the particles from the apparatus. It is possible to take measures to prevent the particles from entering the film as an environment. However, even if these measures are taken, it is insufficient to suppress the mixing of particles into the film, and a technique capable of further reducing the amount of particles mixed into the film is required.
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、金属塩化物からなる成膜原料を用いて基板に金属膜を成膜するにあたり、当該金属膜に炭素により構成される異物が混入することを抑制することができる技術を提供することである。 The present invention has been made based on such circumstances, and its purpose is to form a metal film on a substrate using a film forming material made of metal chloride, and the metal film is made of carbon. It is providing the technique which can suppress that a foreign material mixes.
本発明の成膜装置は、基板を収容する処理容器と、
固体または液体の金属塩化物である成膜原料を貯留する成膜原料貯留部と、
前記基板に前記金属塩化物を構成する金属により構成される金属膜を形成するために、気化した前記成膜原料を前記処理容器に供給するための原料ガス供給路と、
前記成膜原料貯留部にキャリアガスを供給し、当該キャリアガスと共に気化した前記成膜原料を前記原料ガス供給路に導入するためのキャリアガス供給部と、
前記成膜原料からの炭素により構成される異物の析出を抑制するか、前記異物と反応して当該異物を気化させることにより前記金属膜における前記異物の混入を抑制するための異物の混入抑制ガスを、前記成膜原料貯留部に供給するかあるいは気化した前記成膜原料と混合されるように前記原料ガス供給路に供給する混入抑制ガス供給部と、
備えたことを特徴とする。
The film forming apparatus of the present invention includes a processing container for storing a substrate,
A film forming raw material reservoir for storing a film forming raw material that is a solid or liquid metal chloride;
A raw material gas supply path for supplying the vaporized film forming raw material to the processing vessel in order to form a metal film composed of a metal constituting the metal chloride on the substrate;
A carrier gas supply unit configured to supply a carrier gas to the film forming material storage unit and introduce the film forming material vaporized together with the carrier gas into the source gas supply path;
A foreign matter mixing suppression gas for suppressing the precipitation of foreign matter composed of carbon from the film forming raw material or by reacting with the foreign matter to vaporize the foreign matter, thereby preventing the foreign matter from entering the metal film. Is supplied to the film forming raw material storage unit or mixed with the vaporized film forming raw material to be mixed into the raw material gas supply path, a mixing suppression gas supply unit,
It is characterized by having.
本発明のガス供給機構は、固体または液体の金属塩化物である成膜原料を貯留する成膜原料貯留部と、
処理容器に格納される基板に前記金属塩化物を構成する金属により構成される金属膜を形成するために、気化した前記成膜原料を前記処理容器に供給するための原料ガス供給路と、
前記成膜原料貯留部にキャリアガスを供給し、当該キャリアガスと共に気化した前記成膜原料を前記原料ガス供給路に導入するためのキャリアガス供給部と、
前記成膜原料からの炭素により構成される異物の析出を抑制するか、前記異物と反応して当該異物を気化させることにより前記金属膜における前記異物の混入を抑制するための異物の混入抑制ガスを、前記成膜原料貯留部に供給するかあるいは気化した前記成膜原料と混合されるように前記原料ガス供給路に供給する混入抑制ガス供給部と、
備えたことを特徴とする。
The gas supply mechanism of the present invention includes a film forming raw material storage section for storing a film forming raw material that is a solid or liquid metal chloride,
A raw material gas supply path for supplying the vaporized film forming raw material to the processing container in order to form a metal film composed of a metal constituting the metal chloride on a substrate stored in the processing container;
A carrier gas supply unit configured to supply a carrier gas to the film forming material storage unit and introduce the film forming material vaporized together with the carrier gas into the source gas supply path;
A foreign matter mixing suppression gas for suppressing the precipitation of foreign matter composed of carbon from the film forming raw material or by reacting with the foreign matter to vaporize the foreign matter, thereby preventing the foreign matter from entering the metal film. Is supplied to the film forming raw material storage unit or mixed with the vaporized film forming raw material to be mixed into the raw material gas supply path, a mixing suppression gas supply unit,
It is characterized by having.
本発明によれば、炭素により構成される異物の成膜原料からの析出を抑制するか、この異物と反応して当該異物を気化させることにより、処理容器内の基板に形成される金属膜における前記異物の混入を抑制するための混入抑制ガスを、成膜原料貯留部に供給するかあるいは気化した前記成膜原料と混合されるように処理容器に接続される原料ガス供給路に供給する。そのような構成により、基板に成膜される金属膜に上記の異物が混入することを抑制することができる。 According to the present invention, in the metal film formed on the substrate in the processing container by suppressing the precipitation of the foreign material composed of carbon from the film forming raw material or reacting with the foreign material to vaporize the foreign material. A mixing suppression gas for suppressing the mixing of foreign substances is supplied to a film forming raw material reservoir, or supplied to a raw material gas supply path connected to a processing container so as to be mixed with the vaporized film forming raw material. With such a configuration, it is possible to suppress the above foreign matter from being mixed into the metal film formed on the substrate.
本発明の実施の形態に係る成膜装置1について、図1を参照しながら説明する。この成膜装置1は、ALD(Atomic Layer Deposition)により、ウエハBに、W膜を形成するように構成されている。この実施形態において、W膜の成膜原料としてはWCl5が用いられる。成膜装置1はウエハBが収容される処理容器11と、固体状のWCl5を気化させて原料ガスとし、キャリアガスと共に当該ウエハBに供給するための原料ガス供給機構2と、を備えている。後述するように原料ガス供給機構2は、炭素からなる固体のパーティクルが含まれないように原料ガスを処理容器11に供給するように構成されている。なお、本明細書における気化には、昇華が含まれるものとする。
A film forming apparatus 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The film forming apparatus 1 is configured to form a W film on a wafer B by ALD (Atomic Layer Deposition). In this embodiment, WCl 5 is used as a raw material for forming the W film. The film forming apparatus 1 includes a
上記の処理容器11内には、ウエハBが載置される水平な載置台12が設けられている。載置台12にはヒーター13が埋設されており、載置されたウエハBを所望の温度に加熱することができる。図中14は処理容器11内にその一端が開口した排気管であり、排気管14の他端は真空ポンプなどにより構成される真空排気部15に接続されている。この真空排気部15により、排気管14を介して処理容器11内が所望の圧力の真空雰囲気となるように排気される。図中16は、処理容器11の天井部において載置台12に対向するように設けられたガスシャワーヘッドである。ガスシャワーヘッド16の下面には多数の吐出孔17が設けられており、当該吐出孔17を介してガスシャワーヘッド16に供給された各種のガスが、載置台12に向けてシャワー状に吐出される。
In the
続いて、原料ガス供給機構2について説明する。原料ガス供給機構2は、原料ガス供給管21、キャリアガス供給管22、添加ガス供給管23及びバイパス配管24と、これらの各管に介設されるバルブと、N2(窒素)ガス供給源25と、H2(水素)ガス供給源26と、マスフローコントローラ(MFC)27、28と、原料容器31と、を備えている。上記の処理容器11には、原料ガスをガスシャワーヘッド16に供給するための原料ガス供給路をなす原料ガス供給管21の一端が接続されており、原料ガス供給管21の他端はバルブV1、V2、V3を介して、その内部に固体状のWCl5が貯留された原料容器31に接続されている。原料ガス供給管21は例えばその外側に図示しないヒーターを備えており、成膜処理中においては管内が加熱され、当該管内を流通する原料ガスが冷却されることによって固化してしまうことが抑制される。
Next, the source
上記の原料容器31内において、WCl5はその下部側に貯留されており、原料ガス供給管21の他端は、原料容器31内の上部側の気相部分に開口している。この原料容器31はヒーター32を備えている。当該ヒーター32は原料容器31の外側を囲み、原料容器31内にキャリアガスが供給されるときにWCl5が気化するように、当該原料容器31内を加熱する。
In the
成膜原料貯留部をなす原料容器31にはキャリアガス供給管22が接続されており、キャリアガス供給管22の一端は上記の原料容器31内の気相部分に開口している。そして、キャリアガス供給管22の他端は、バルブV4、バルブV5、MFC27をこの順に介して、N2ガス供給源25に接続されている。キャリアガス供給部であるN2ガス供給源25からキャリアガスとして、不活性ガスであるN2ガスが、キャリアガス供給管22を介して、原料容器31に供給される。MFC27は、当該MFC27の下流側へと供給されるN2ガスの流量を調整する。なお、このキャリアガスとしてはWCl5に対して不活性なガスであればよく、従ってN2ガスの代わりに例えばAr(アルゴン)ガスを用いてもよい。
A carrier
キャリアガス供給管22におけるバルブV4とバルブV5との間と、原料ガス供給管21におけるバルブV2とバルブV3との間とは、バルブV6が介設されたバイパス配管24により接続されている。このバイパス配管24は、原料容器31のキャリアガス供給管22及び原料ガス供給管21への接続前にバルブV3、V4を閉じ、バルブV2、V5及びV6を開き、キャリアガス供給管22、バイパス配管24及び原料ガス供給管21にN2ガス供給源25からN2ガスを流し、これらの各管中に残る気体を除去するために用いられる。
The valve V4 and the valve V5 in the carrier
また、キャリアガス供給管22におけるバルブV5とMFC27との間には、添加ガス供給管23の一端が接続されており、当該添加ガス供給管23の他端はMFC28を介してH2ガス供給源26に接続されている。従って、H2ガスを原料容器31に供給することができる。このH2ガスはウエハBに形成されるW膜に既述のパーティクルが混入されることを抑制する異物の混入抑制ガスであり、従ってH2ガス供給源26は異物の混入抑制ガス供給部である。当該H2ガスは比較的少量がキャリアガスに添加されて原料容器31へと供給される添加ガスであるが、このH2ガスの作用について、詳しくは後述する。なお、上記のMFC28は、当該MFC28の下流側へと供給される当該H2ガスの流量を調整する。
One end of the additive
また、上記の原料ガス供給管21におけるバルブV1の下流側には、配管34の一端、配管35の一端が各々接続されている。配管34の他端はバルブV7を介してH2ガス供給源36に接続されており、配管35の他端はバルブV8を介してN2ガス供給源37に接続されている。従って、H2ガス供給源36、N2ガス供給源37からH2ガス、N2ガスが夫々ガスシャワーヘッド16に供給され、処理容器11内に吐出される。
In addition, one end of the
反応ガス供給部であるH2ガス供給源36から供給されるH2ガスは、ウエハBに吸着したWCl5からなる原料ガスと還元反応することで、W膜を形成するための反応ガス(還元ガス)である。これ以降、H2ガス供給源26から原料容器31へ供給されるH2ガスと区別するために、このようにH2ガス供給源36から処理容器11へ供給されるH2ガスについては、還元用H2ガスと記載する場合が有る。また、N2ガス供給源37から供給されるN2ガスは、処理容器11内におけるガスをパージして、当該処理容器11内における雰囲気をN2ガス雰囲気に置換するための置換ガスである。N2ガス供給源25から原料容器31へ供給されるN2ガスと区別するために、このようにN2ガス供給源37から処理容器11へ供給されるN2ガスについてはパージ用N2ガスと記載する場合が有る。なお、このようにN2ガス供給源及びH2ガス供給源について、原料容器31と処理容器11とで個別に設けられているように示しているが、原料容器31と処理容器11とで共通のものが用いられるようにしてもよい。
The H 2 gas supplied from the H 2
また、成膜装置1は制御部10を備えている。この制御部10はコンピュータにより構成されており、プログラム、メモリ、CPUを備えている。プログラムには、成膜装置1における後述の一連の動作を実施することができるようにステップ群が組み込まれており、当該プログラムによって制御部10は成膜装置1の各部に制御信号を出力し、当該各部の動作が制御される。具体的には、各バルブV1〜V8の開閉、ガス供給源25、26、36、37から各管へのガスの供給、MFC27、28による下流側へ流れるガスの流量の調整、真空排気部15による処理容器11内の圧力の調整、載置台12のヒーター13によるウエハBの温度の調整、ヒーター32による原料容器31内の温度の調整などの各動作が、制御信号によって制御される。上記のプログラムは、例えばコンパクトディスク、ハードディスク、DVDなどの記憶媒体に格納されて、制御部10にインストールされる。
Further, the film forming apparatus 1 includes a
続いて上記の成膜装置1において、H2ガス供給源26からH2ガスを原料容器31に供給できるように構成している理由を説明する。発明が解決しようとする課題の項目で述べたように、成膜原料であるWCl5の製造過程において、炭素化合物が混入する場合が有る。例えばその炭素化合物がCH4(メタン)であるものとする。成膜装置1は例えば常温雰囲気に設けられるが、常温以上の温度において下記の式1のギブス自由エネルギーは負の値となる。つまり、式1の反応は自発的に進行し、WCl5及びCH4からWC(炭化タングステン)及びCl2(塩素)が生じる。また、室温〜250℃において下記の式2のギブス自由エネルギーは負の値となる。つまり、式2の反応についても自発的に進行し、WC及びCl2からC(炭素)が生じる。
WCl5+CH4→WC+HCl+1/2Cl2・・・式1
2WC+5Cl2→2WCl5+2C・・・式2
Next, the reason why the film forming apparatus 1 is configured to be able to supply H 2 gas from the H 2
WCl 5 + CH 4 → WC + HCl + 1 / 2Cl 2 Formula 1
2WC + 5Cl 2 → 2WCl 5 +
さらに具体的に述べると、成膜原料として原料容器31に貯留されているWCl5は比較的大きな固体の粒である。その粒の表面が上記の式1で示すように変質してWCとなり、そのように変質した表面から、上記の式2で示すように炭素が微小な固体の粒として析出する。そのように析出する炭素は微小であるために、成膜処理時においてキャリアガス(N2ガス)が原料容器31に供給された際に、当該キャリアガスの流れに乗って処理容器11に供給される。そして、ウエハBに形成されるW膜中に混入してしまうことになる。
More specifically, WCl 5 stored in the
そこで成膜装置1においては、成膜処理時にWCl5を気化させるために例えば原料容器31内が125℃〜165℃に加熱されているときに、当該原料容器31内にキャリアガスに添加してH2ガスを供給する。なお、この原料容器31内の温度は、WCl5が分解せず、且つキャリアガスが供給されることで当該WCl5の気化を行うことができる温度である。原料容器31内においては、上記の式1で示すようにWCl5からCl2が生成している。また、式1以外の経路でWCl5から分解したCl2も存在している。原料容器31内に供給されたH2ガスはこのCl2と反応することによって、HCl(塩化水素)を生じる。当該WCとHClとから炭素のパーティクルが生じるには、下記の式3で示す反応が起こる必要が有る。しかし、常温以上の温度において式3のギブス自由エネルギーは正の値である。従って、上記のように加熱された原料容器31内において式3の反応は自発的に起こらず、HClによって炭素のパーティクルは発生しない。そして、上記のように原料容器31内に供給されたH2ガスと反応することでCl2が消費される結果、上記の式2で示す反応の進行は抑制される。その結果、原料容器31内において炭素のパーティクルの発生が抑制される。
WC+5HCl→WCl5+C+2.5H2・・・式3
Therefore, in the film forming apparatus 1, in order to vaporize WCl 5 during the film forming process, for example, when the inside of the
WC + 5HCl → WCl 5 + C + 2.5H 2 Formula 3
また式4として、CとHClとからCCl4(四塩化炭素)が生じる反応を下に示す。室温〜300℃において式4のギブス自由エネルギーは負の値であるため、式4の反応は自発的に進行する。そして、上記のように加熱された原料容器31内の温度において、Cは固体であるがCCl4は気体である。つまり、Cは式4の反応によりCCl4となることで気化される。このようにCを気化させることで、ウエハBにCが固体のパーティクルの状態で付着することが抑制される。
C+4HCl→CCl4+H2・・・式4
In addition, as a formula 4, a reaction in which CCl 4 (carbon tetrachloride) is generated from C and HCl is shown below. Since the Gibbs free energy of Formula 4 is negative at room temperature to 300 ° C., the reaction of Formula 4 proceeds spontaneously. And in the temperature in the
C + 4HCl → CCl 4 + H 2 Formula 4
このようにH2ガスはCの析出を抑制し、且つHClに変化することでCを気化させる。ところで、メタンからWCが生成するものとして説明したが、メタン以外の炭素を含む有機化合物、例えばトルエン、キシレンなどのCとHとから成る化合物(炭化水素化合物)からも上記のWCは生成し得る。つまり、不純物としてメタンを含む金属塩化物を成膜原料として用いることに、本発明が限定されるものでは無い。 Thus, the H 2 gas suppresses the precipitation of C, and vaporizes C by changing to HCl. By the way, although explained as what WC produces | generates from methane, said WC can be produced | generated also from the compound (hydrocarbon compound) which consists of C and H, such as organic compounds containing carbon other than methane, for example, toluene, xylene. . That is, the present invention is not limited to using a metal chloride containing methane as an impurity as a film forming material.
続いて成膜装置1の動作について、図2〜図4の成膜装置1の概略図を参照して説明する。図2〜図4については、各管においてガスが流通している部位を、ガスが流通していない部位より太く示している。また、バルブV1〜V8のうち、閉じられたものについては斜線を付し、開かれたバルブに対して区別して示している。 Next, the operation of the film forming apparatus 1 will be described with reference to the schematic views of the film forming apparatus 1 shown in FIGS. 2 to 4, the part where the gas is circulating in each pipe is shown thicker than the part where the gas is not flowing. In addition, among the valves V1 to V8, those that are closed are shaded to distinguish the opened valves.
先ず、バルブV1〜V8が閉じた状態で、ヒーター32により原料容器31内が既述した温度となるように加熱される。その一方で、図示しない基板搬送機構により、例えばその表面にTiN(窒化チタン)膜が形成されたウエハBが処理容器11内に搬入され、載置台12に載置される。そして、成膜が行えるようにウエハBが例えば300℃〜550℃に加熱されると共に、処理容器11内が所定の圧力の真空雰囲気とされる。
First, in a state where the valves V1 to V8 are closed, the inside of the
然る後、バルブV1〜V5が開かれ、N2ガス供給源25、H2ガス供給源26からキャリアガスであるN2ガス、添加ガスであるH2ガスが夫々原料容器31内に供給される。図5は、このようにN2ガス及びH2ガスが供給されたときに原料容器31内で起きる反応を示したものである。この図5も参照して説明すると、原料容器31内にて加熱されている固体のWCl5は、N2ガス及びH2ガスに曝されることで気化し、原料ガスとなる。また、H2ガスは、既述したように原料容器31内で生成しているCl2と反応して、HClが生成する。その反応によりCl2が消費され、且つ上記の式3で説明したようにHClはWCと反応しないため、WCからCが析出されることが抑制される。さらにこのHClにより、原料容器31内において析出済みの炭素である固体のパーティクルは、上記の式4で説明したようにCCl4となって気化される。そして、N2ガス、H2ガスは原料ガス供給管21へと流れ、その流れに乗って、気化したWCl5(原料ガス)、CCl4ガス、HClガスも原料ガス供給管21へ流れる。また、原料容器31内でHClと反応しなかったCについても原料ガス供給管21へ流れる。このCは原料ガス供給管21を流通中にHClと反応し、CCl4となって気化する。
Thereafter, the valve V1~V5 is opened, N 2 gas from the N 2
そして、このように原料ガス供給管21を流通する各ガスは、ガスシャワーヘッド16からウエハBに吐出され、WCl5ガスはウエハBの表面に形成されたTiN膜に吸着される(図2、ステップS1)。なお、このようにCCl4ガスについて、ウエハBに供給されることになる。つまりウエハBに炭素が供給されることになる。しかしこのように炭素は気体の化合物として供給されているため、その多くはウエハBの表面に留まらずに排気される。即ち、原料容器31にH2ガスが供給されず、固体のCがウエハBに供給される場合に比べて、W膜に混入するCの量は抑制される。
Each gas flowing this way the raw material
その後、バルブV1が閉じられ処理容器11へのガスの供給が停止する。このバルブV1の閉鎖と共にバルブV8が開かれ、パージ用N2ガスがガスシャワーヘッド16から処理容器11内に供給される。このパージ用N2ガスにより、ステップS1で処理容器11内に供給され、当該処理容器11内に残留している各ガスが、処理容器11内からパージされて除去される(図3、ステップS2)。
Thereafter, the valve V1 is closed and the supply of gas to the
然る後、バルブV8が閉じられて処理容器11内へのパージ用N2ガスの供給が停止すると共にバルブV7が開かれ、還元用H2ガスがガスシャワーヘッド16から処理容器11内に供給される。この還元用H2ガスによって、ウエハBに吸着されたWCl5ガスが還元されて、Wの薄層が形成される(図4、ステップS3)。その後、バルブV7が閉じられて処理容器11内への還元用H2ガスの供給が停止すると共にバルブV8が開かれ、パージ用N2ガスがガスシャワーヘッド16から処理容器11内に供給される。このパージ用N2ガスにより、処理容器11内に残留している還元用H2ガスが、当該処理容器11内からパージされて除去される(図3、ステップS4)。
Thereafter, the valve V8 is closed to stop the supply of the purge N 2 gas into the
続いて、バルブV8が閉じられてパージ用N2ガスの処理容器11内への供給が停止すると共に、バルブV1が開かれて処理容器11へのガスの供給が再度行われる。つまり、上記のステップS1が再度行われる。なお、ステップS2〜S4実行中にバルブV2〜V5が閉じられているため、原料容器31内及び原料ガス供給管21内は加圧された状態となっており、バルブV1が開かれると比較的大きな流量で処理容器11へ原料ガスが供給される。このステップS1が行われた後は上記のステップS2〜S4が行われ、その後は、さらにステップS1〜S4が行われる。つまり上記のステップS1〜S4を一つのサイクルとすると、このサイクルが繰り返し行われる。それによりWの薄層が堆積し、ウエハBの表面に形成されたTiN膜に積層されるようにW膜が形成される。そして、所定の回数のサイクルが実行されて、W膜が所定の厚さとなると処理容器11内への各ガスの供給が停止し、ウエハBは処理容器11から搬出される。
Subsequently, the valve V8 is closed to stop the supply of the purge N2 gas into the
このように成膜装置1によれば、成膜原料である固体のWCl5が収納された原料容器31内にH2ガスが供給される。このH2ガスにより、原料容器31内におけるCの析出は抑制される。また、H2ガスから生じたHClガスにより析出済みのCがCCl4となって気化することで、固体の状態でCがウエハBに付着することが抑制される。従って、ウエハBに形成されるW膜中に異物としてCのパーティクルが混入することを抑制することができる。
As described above, according to the film forming apparatus 1, the H 2 gas is supplied into the
ところで上記のステップS1では、例えばWCl5(分子量361.12)を140mg/分、即ち3.88×10−4mol/分でウエハBに供給して成膜を行う。H2ガスを原料容器31に供給しないとした場合、原料ガス供給管21を流通するWCl5の量に対して炭素が1%含まれると推定されている。つまり炭素は3.88×10−5mol/分で原料容器31から処理容器11に供給される。ところで上記の式4より、1molの炭素を気化させるためには4molのHClが存在すればよい。H2ガスとしては2mol存在すれば、4molのHClを生成することができるため、1molの炭素に対して2molのH2ガスが存在すれば1molの炭素を気化させることができることになる。しかし現実的には供給されたH2ガスの一部のみがHClとなって炭素と反応し、他の一部は未反応となることから、例えば炭素1molに対して4倍以上の量のH2ガスを供給する。従って、上記のように炭素の原料容器31からの供給量が3.88×10−5mol/分であるとすると、H2ガス1sccm(=mL/分)は4.4E−5mol/分であることから、例えば原料容器31には1sccmでH2ガスを供給する。後述するようにH2ガスの流量が大きすぎると不具合が生じることから、この1sccm前後、より具体的には例えば0.5sccm〜1.5sccmでH2ガスを供給することが好ましい。
In step S1, for example, WCl 5 (molecular weight 361.12) is supplied to the wafer B at 140 mg / min, that is, 3.88 × 10 −4 mol / min, to form a film. When H 2 gas is not supplied to the
ところで、H2ガスはWCl5を還元してWとしてしまう。それ故に、原料容器31へ供給するH2ガスの流量が大きすぎると、そのようにWが生じて原料ガスを生成できなくなってしまう。従って、上記のステップS1では、H2ガスについては比較的小さい流量で原料容器31に供給されるようにしている。具体的に、WCl5の還元を防ぐために、上記のステップS1において、H2ガス供給源26から原料容器31へ供給されるH2ガスの流量は、N2ガス供給源25から原料容器31へ供給されるN2ガスの流量よりも小さくなるようにする。また、原料容器31へ供給するH2ガスの流量が小さすぎると、既述したH2ガスによる作用が十分に得られなくなってしまう。そこで、H2ガスの原料容器31へ供給される流量:N2ガスの原料容器31へ供給される流量は、例えば1:100〜1:200とすることが好ましい。
By the way, H 2 gas reduces WCl 5 to W. Therefore, if the flow rate of the H 2 gas supplied to the
また、上記の成膜装置1において成膜を行うにあたり、H2ガスについてはステップS1の実行中に原料容器31に供給されることには限られず、例えばステップS2〜S4が行われているときに原料容器31に供給されるようにしてもよい。つまり、原料容器31にN2ガスを供給する期間と、原料容器31にH2ガスを供給する期間とは互いに重なっていなくてもよい。ただし、H2ガスの流量は既述したように比較的小さいため、H2ガスを単独で原料容器31に供給した場合、当該H2ガスの濃度が原料容器31内で偏るおそれが有る。そのように比較的少量のH2ガスを原料容器31に均一性高く行き渡らせて、原料容器31内全体でWCからCの析出の抑制及びCCl4の生成を十分に行うためには、既述した成膜処理の例のように、H2ガスが供給される期間と、N2ガスが供給される期間とが重なるようにすることが好ましい。
Further, when performing film formation in the film formation apparatus 1 described above, the H 2 gas is not limited to being supplied to the
ところで図2〜図4で説明した成膜処理によって、原料ガス供給管21にWCl5が堆積して堆積物をなし、さらに原料容器31から成膜原料に含まれる不純物であるメタンなどの有機化合物が原料ガス供給管21に流入し、堆積物の表面がWCとなり、当該堆積物の表面に炭素が析出するおそれが有る。つまり、成膜処理後は、原料ガス供給管21において上記の式1、式2の反応が起こり、炭素のパーティクルが発生するおそれが有る。そこで、図2〜図4で説明した成膜処理が行われた後、原料ガス供給管21のクリーニングを行うようにしてもよい。以下、このクリーニングについて説明する。バルブV1〜V8が閉じられ、ウエハBが処理容器11に搬入されておらず、当該処理容器11内が排気された状態でバルブV1、V2、V5、V6を開き、図6に示すように原料ガス供給管21にH2ガスを供給する。なお、この図6及び後述の図7では、図2〜図4と同様に、各管においてガスが流通する部位を太く示し、且つ閉じられているバルブVに斜線を付して示している。
2 to 4, WCl 5 is deposited on the source
上記のように原料ガス供給管21に供給されたH2ガスは、原料ガス供給管21においてWCl5から生じたCl2と反応してHClを生じ、このHClにより、上記の堆積物の表面に析出した炭素がCCl4となる。このようにH2ガスの供給中、原料ガス供給管21内は、例えば原料ガス供給管21に設けられるヒーターによって、そのように生成したCCl4が気体の状態の温度となるように加熱される。つまり、上記の式4で説明した反応が原料ガス供給管21で起こるようにする。そして、このように原料ガス供給管21で発生したCCl4ガスは、H2ガスと共に処理容器11に供給され、排気されて除去される。このようにH2ガス供給源26から原料ガス供給管21に供給されるH2ガスは、当該原料ガス供給管21をクリーニングするためのクリーニングガスとして用いられる。このように成膜装置1に設けられる原料ガス供給機構2は、成膜を行うことの他に、配管のクリーニングを行うことができる。
The H 2 gas supplied to the source
成膜原料としてWCl5を用いる例を示したが、WCl5の代わりにWCl4(四塩化タングステン)またはWCl6を成膜原料として用いて原料ガスを生成して、W膜を成膜してもよい。そのようにWCl4、WCl6を用いた場合も既述の式1と同様の反応によってWCが生じることが考えられるため、H2ガスを供給することでCの析出の抑制とCCl4の生成とを行い、W膜に混入するパーティクルを低減させることができる。ただし、上記のようにウエハBの表面にTiN膜が形成されている場合、使用する原料ガスにより当該TiN膜がエッチングされる場合が有る。上記のWCl5は、このTiN膜がエッチングされることを抑制することができるため、既述のようにTiN膜にW膜を積層する場合は、WCl5を成膜原料として用いることが好ましい。 Although an example of using WCl 5 as a film forming raw material has been shown, a raw material gas is generated using WCl 4 (tungsten tetrachloride) or WCl 6 instead of WCl 5 as a film forming raw material to form a W film. Also good. When WCl 4 and WCl 6 are used in such a manner, WC is considered to be generated by the same reaction as in the above-described formula 1. Therefore, by supplying H 2 gas, suppression of C precipitation and generation of CCl 4 are possible. The particles mixed in the W film can be reduced. However, when the TiN film is formed on the surface of the wafer B as described above, the TiN film may be etched by the source gas used. Since the above WCl 5 can suppress the etching of the TiN film, it is preferable to use WCl 5 as a film forming raw material when the W film is laminated on the TiN film as described above.
上記のようにH2ガスから生じたHClガスがパーティクルと反応するため、HClガスを原料容器31に供給することが考えられるが、原料ガス供給管21及び処理容器11は例えば金属により構成され、上記のHClガスはH2ガスに比べて金属に対する腐食性が高い。上記の成膜装置1では原料ガス供給管21及び処理容器11に直接HClガスが供給されず、既述のようにH2ガスがCl2と反応した分のみHClが生じる。つまり、成膜装置1では、原料ガス供給管21及び処理容器11におけるHClの濃度を低く抑えることができ、そのように原料ガス供給管21及び処理容器11の寿命を長く保つことができるため好ましい。また、成膜装置1ではウエハBに吸着されたWCl5を還元するために供給する還元用H2ガスと同種のガスであるH2ガスを原料容器31に供給している。従って、この原料容器31に供給されたH2ガスが処理容器11に流入しても、W膜の性質に与える影響は無いか、或いは略無いため好ましい。
Since the HCl gas generated from the H2 gas reacts with the particles as described above, it is conceivable to supply the HCl gas to the
ところで、H2ガスを供給する位置としては、原料容器31であることには限られない。図7に示す成膜装置42を例に挙げて説明すると、この成膜装置42における成膜装置1との差異点としては、原料ガス供給管21にはタンク43が介設されていることが挙げられる。そして、添加ガス供給管23の下流端は、キャリアガス供給管22に接続される代わりに、このタンク43に接続されている。つまり、原料ガス供給管21の一部がタンク43として構成され、当該タンク43にH2ガスが供給される。
By the way, the position where the
この成膜装置42においては、バルブV1〜V6のうち図7に示すようにバルブV1、V6については閉じられ、バルブV2〜V5については開かれることで、N2ガスがN2ガス供給源25から原料容器31に供給され、WCl5からなる原料ガスが原料ガス供給管21に流入してタンク43に貯留される。このとき原料容器31で生じているCl2ガスや炭素であるパーティクルも原料ガスと共にタンク43に供給されて貯留される。また、このタンク43への原料ガスの供給に並行してH2ガス供給源26からH2ガスが当該タンク43に供給されて、貯留される。従って、タンク43で原料ガスとH2ガスとが混合されるように構成されている。タンク43内では、H2とCl2とからHClが生じ、CがCCl4となって気化する。つまり、上記の式4の反応がタンク43内で起こる。
In the
タンク43内に貯留された各ガスはバルブV1が開かれることで、処理容器11内に供給され、上記した原料ガスの吸着工程であるステップS1が行われる。その後、バルブV1が閉じられ、再度タンク43に原料ガス及びH2ガスが貯留される。このようにタンク43に各ガスが貯留される間に、既述のステップS2〜S4が行われるようにバルブV7、V8が開閉される。なお、図7はステップS3で還元用H2ガスが処理容器11に供給されるときの状態を示している。
Each gas stored in the
この成膜装置42においても成膜装置1と同様の効果が得られる。ところで成膜装置42において原料ガス供給管21の一部をタンク43として原料ガス及びH2ガスが貯留される構成としているのは、供給されたH2ガスからHClが生成し、炭素のパーティクルがCCl4となって気化するまでに要する反応時間を十分に確保するためである。上記の成膜装置1では処理容器11から比較的大きく離れた原料容器31にH2ガスを供給しているため、炭素のパーティクルが処理容器11に到達するまでに、炭素がCCl4となり気化するための十分な時間を確保することができる。つまり、成膜装置1ではタンク43を設けなくても十分に炭素をCCl4として気化させることができるため、装置構成を簡素にすることができるためより好ましい。また、既述のように炭素のパーティクルはWCとなった成膜原料から生じるが、成膜装置1はその成膜原料が貯留される原料容器31にH2ガスを供給することで、上記のようにWCからのCの析出を抑制するため、より確実に炭素のパーティクルがW膜に混入することを抑えることができるため好ましい。
In this
上記の成膜処理では、WCl5からなる原料ガスと還元用H2ガスとをウエハBに交互に繰り返し供給するALDによって成膜を行う例を示したが、このようにALDにより成膜を行うことには限られない。例えばWCl5からなる原料ガスを比較的長い時間、ウエハBに供給してWCl5を堆積させて膜を形成し、その後にH2ガスを比較的長い時間、ウエハBに供給して堆積させたWCl5を還元することで、W膜を形成してもよい。つまりCVD(Chemical Vapor Deposition)による成膜を行ってもよい。また、WCl5を還元させてW膜を成膜するために用いる還元ガスとしては、例えばジボラン(B2H6)などのH2以外のWCl5に対して還元性を有するガスを用いてもよい。
In the above film forming process, an example is shown in which film formation is performed by ALD in which a source gas composed of WCl 5 and a reducing H 2 gas are alternately and repeatedly supplied to the wafer B. In this way, film formation is performed by ALD. Not limited to that. For example, a source gas composed of WCl 5 is supplied to wafer B for a relatively long time to deposit WCl 5 to form a film, and then
また、原料容器31に供給するガスはH2ガスに限られず、原料容器31内のCl2と反応させて当該Cl2を消費させることで、WCからCの析出が抑制されるものを用いることができる。
Further, the gas supplied to the
単体である炭素がパーティクルであるものとして説明したが、HClと反応し、CCl4を生成して気化される炭素により構成される化合物であれば、単体である炭素がパーティクルであることに限られない。 Although it has been described that carbon as a simple substance is a particle, if it is a compound composed of carbon that reacts with HCl to generate CCl 4 and is vaporized, the carbon as a simple substance is limited to being a particle. Absent.
また、成膜原料である金属塩化物としてはタングステンの塩化物に限られるものでは無く、他の金属塩化物を成膜原料として用いてもよい。その場合にも成膜原料にH2ガスを供給することで、H2ガスと金属塩化物とからHClが発生し、そのHClによって成膜原料に含まれる炭素により構成される化合物であるパーティクルを気化させ、成膜原料に含まれる金属によってウエハBに形成される膜中に、当該パーティクルが混入することを抑制することができる。また、既述の例では金属塩化物に対してH2ガスを供給して還元して金属膜をウエハWに形成しているが、H2ガスの代わりにO2(酸素)、O3(オゾン)などの酸化ガスを供給して金属酸化膜をウエハWに形成する場合や、NH3(アンモニア)ガスなどの窒化ガスを供給して金属窒化膜をウエハWに形成する場合にも本発明を適用することができる。なお、成膜原料としては気化されて、ウエハBに供給される際にパーティクルが除去されていればよく、原料容器31に貯留される状態が固体であることには限られず、液体の状態で原料容器31に貯留されていてもよい。なお、本発明は既述した実施形態に限定されるものでは無く、各実施形態は適宜変更したり、互いに組み合わせたりすることが可能である。
Further, the metal chloride as a film forming raw material is not limited to tungsten chloride, and other metal chlorides may be used as the film forming raw material. Even in that case, by supplying H2 gas to the film forming raw material, HCl is generated from the H2 gas and the metal chloride, and particles that are compounds composed of carbon contained in the film forming raw material are vaporized by the HCl. The particles can be prevented from being mixed into the film formed on the wafer B by the metal contained in the film forming raw material. In the example described above, H 2 gas is supplied to the metal chloride and reduced to form a metal film on the wafer W. However, instead of H 2 gas, O 2 (oxygen), O 3 ( The present invention also applies when forming a metal oxide film on the wafer W by supplying an oxidizing gas such as ozone) or when forming a metal nitride film on the wafer W by supplying a nitriding gas such as NH 3 (ammonia) gas. Can be applied. It should be noted that the film forming raw material only needs to be vaporized and particles removed when being supplied to the wafer B. The state stored in the
B ウエハ
1 成膜装置
10 制御部
11 処理容器
2 原料ガス供給機構
21 原料ガス供給管
25 N2ガス供給源
26 H2ガス供給源
31 原料容器
B Wafer 1
Claims (9)
固体または液体の金属塩化物である成膜原料を貯留する成膜原料貯留部と、
前記基板に前記金属塩化物を構成する金属により構成される金属膜を形成するために、気化した前記成膜原料を前記処理容器に供給するための原料ガス供給路と、
前記成膜原料貯留部にキャリアガスを供給し、当該キャリアガスと共に気化した前記成膜原料を前記原料ガス供給路に導入するためのキャリアガス供給部と、
前記成膜原料からの炭素により構成される異物の析出を抑制するか、前記異物と反応して当該異物を気化させることにより前記金属膜における前記異物の混入を抑制するための異物の混入抑制ガスを、前記成膜原料貯留部に供給するかあるいは気化した前記成膜原料と混合されるように前記原料ガス供給路に供給する混入抑制ガス供給部と、
備えたことを特徴とする成膜装置。 A processing container for containing a substrate;
A film forming raw material reservoir for storing a film forming raw material that is a solid or liquid metal chloride;
A raw material gas supply path for supplying the vaporized film forming raw material to the processing vessel in order to form a metal film composed of a metal constituting the metal chloride on the substrate;
A carrier gas supply unit configured to supply a carrier gas to the film forming material storage unit and introduce the film forming material vaporized together with the carrier gas into the source gas supply path;
A foreign matter mixing suppression gas for suppressing the precipitation of foreign matter composed of carbon from the film forming raw material or by reacting with the foreign matter to vaporize the foreign matter, thereby preventing the foreign matter from entering the metal film. Is supplied to the film forming raw material storage unit or mixed with the vaporized film forming raw material to be mixed into the raw material gas supply path, a mixing suppression gas supply unit,
A film forming apparatus comprising the film forming device.
前記反応ガス及び前記混入抑制ガスは、互いに成膜原料に対して還元性を有するガスであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の成膜装置。 In order to form the metal film, there is provided a reaction gas supply unit that supplies a reaction gas that reacts with a film forming raw material supplied to the substrate to the processing container,
The film forming apparatus according to claim 1, wherein the reaction gas and the mixing suppression gas are gases having a reducing property with respect to a film forming raw material.
処理容器に格納される基板に前記金属塩化物を構成する金属により構成される金属膜を形成するために、気化した前記成膜原料を前記処理容器に供給するための原料ガス供給路と、
前記成膜原料貯留部にキャリアガスを供給し、当該キャリアガスと共に気化した前記成膜原料を前記原料ガス供給路に導入するためのキャリアガス供給部と、
前記成膜原料からの炭素により構成される異物の析出を抑制するか、前記異物と反応して当該異物を気化させることにより前記金属膜における前記異物の混入を抑制するための異物の混入抑制ガスを、前記成膜原料貯留部に供給するかあるいは気化した前記成膜原料と混合されるように前記原料ガス供給路に供給する混入抑制ガス供給部と、
備えたことを特徴とするガス供給機構。 A film forming raw material reservoir for storing a film forming raw material that is a solid or liquid metal chloride;
A raw material gas supply path for supplying the vaporized film forming raw material to the processing container in order to form a metal film composed of a metal constituting the metal chloride on a substrate stored in the processing container;
A carrier gas supply unit configured to supply a carrier gas to the film forming material storage unit and introduce the film forming material vaporized together with the carrier gas into the source gas supply path;
A foreign matter mixing suppression gas for suppressing the precipitation of foreign matter composed of carbon from the film forming raw material or by reacting with the foreign matter to vaporize the foreign matter, thereby preventing the foreign matter from entering the metal film. Is supplied to the film forming raw material storage unit or mixed with the vaporized film forming raw material to be mixed into the raw material gas supply path, a mixing suppression gas supply unit,
A gas supply mechanism comprising:
前記混入抑制ガス供給部は、前記原料ガス供給路へ前記異物の混入抑制ガスを、当該原料ガス供給路における前記異物を除去するためのクリーニングガスとして供給することを特徴とする請求項8記載のガス供給機構。 After the vaporized film forming raw material is supplied to the raw material gas supply path,
The said mixing suppression gas supply part supplies the mixing suppression gas of the said foreign material to the said raw material gas supply path as a cleaning gas for removing the said foreign material in the said raw material gas supply path. Gas supply mechanism.
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WO2021054216A1 (en) * | 2019-09-18 | 2021-03-25 | 東京エレクトロン株式会社 | Feed gas supply system and feed gas supply method |
-
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- 2017-08-22 JP JP2017159516A patent/JP2019039022A/en active Pending
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