JP2021110030A - Film forming method, film forming device, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、成膜方法、成膜装置、および半導体装置の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a film forming method, a film forming apparatus, and a method for manufacturing a semiconductor apparatus.
半導体デバイスの製造工程においては、例えば、DRAMの下部電極等の電極やバリア膜等の種々の用途でTiN膜のような金属系膜が用いられる。TiN膜のような金属系膜の成膜には一般的な薄膜形成技術が用いられ、特許文献1には、原子層堆積法(Atomic Layer Deposition;ALD法)によりTiN膜を成膜することが記載されている。
In the manufacturing process of semiconductor devices, for example, metal-based films such as TiN films are used for various purposes such as electrodes such as lower electrodes of DRAMs and barrier membranes. A general thin film forming technique is used for forming a metal-based film such as a TiN film, and
本開示は、金属系膜を成膜する際に膜表面の酸化を抑制することができる成膜方法、成膜装置、および半導体装置の製造方法を提供する。 The present disclosure provides a film forming method, a film forming apparatus, and a method for manufacturing a semiconductor apparatus capable of suppressing oxidation of the film surface when forming a metal-based film.
本開示の一態様に係る成膜方法は、処理容器内に基板を設ける工程と、前記処理容器内の前記基板に対して金属系膜を成膜する工程と、その後、前記処理容器内に前記基板が設けられた状態で前記処理容器内にSi含有ガスを供給する工程と、を含む。 The film forming method according to one aspect of the present disclosure includes a step of providing a substrate in the processing container, a step of forming a metal-based film on the substrate in the processing container, and then the step of forming the metal-based film in the processing container. The step of supplying the Si-containing gas into the processing container with the substrate provided is included.
本開示によれば、金属系膜を成膜する際に膜表面の酸化を抑制することができる成膜方法、成膜装置、および半導体製造方法が提供される。 According to the present disclosure, there are provided a film forming method, a film forming apparatus, and a semiconductor manufacturing method capable of suppressing oxidation of the film surface when forming a metal film.
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.
<成膜方法の一実施形態>
まず、成膜方法の一実施形態について説明する。
図1は一実施形態に係る成膜方法を示すフローチャート、図2はその工程断面図である。図1、図2に示すように、本実施形態に係る成膜方法は、成膜装置の処理容器内に基板201を設ける工程(ステップ1、図2の(a))と、処理容器内の基板201に対して金属系膜202を成膜する工程(ステップ2、図2の(b))と、その後、処理容器内に基板201が設けられた状態で処理容器内にSi含有ガスを供給する工程(ステップ3、図2の(c))とを含む。
<One Embodiment of the film forming method>
First, one embodiment of the film forming method will be described.
FIG. 1 is a flowchart showing a film forming method according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the process. As shown in FIGS. 1 and 2, the film forming method according to the present embodiment includes a step of providing the
ステップ1では、金属系膜を成膜するための基板201を、成膜装置の処理容器内に配置して成膜に備える。基板201は特に限定されないが、シリコン等の半導体基体を有する半導体基板(半導体ウエハ)が例示される。この場合の基板201は、半導体基体そのものであってもよいし、半導体基体上に所望の機能を有する1または2以上の膜が形成されたものであってもよい。
In
ステップ2において、基板201上に成膜する金属系膜202としては、酸化により特性が劣化する可能性がある金属膜および金属化合物膜を挙げることができる。具体例としては、Ti膜、TiN膜、Ta膜、TaN膜、W膜、Al膜、Mo膜、Ru膜、Co膜、Ni膜を挙げることができる。
Examples of the metal-based
金属系膜202の成膜手法は特に限定されず、ALD法、CVD法、PVD法のような薄膜形成技術が例示される。良好なステップカバレッジを得る観点からは、ALD法が好ましい。
The film forming method of the metal-based
ステップ3は、金属系膜202を成膜後、処理容器内にSi含有ガスを供給する成膜後処理である。Si含有ガスを供給することにより金属系膜の表面にSi含有ガスが吸着され、Siを含有する表面層203が形成される。
Si含有ガスとともに他のガス、例えばSi含有ガスと反応する反応ガスであるアンモニア(NH3)や、不活性ガスを供給してもよい。Si含有ガスは特に限定されないが、シラン系化合物、クロロシラン系化合物、有機シラン系化合物を挙げることができる。シラン系化合物としては、シラン(モノシラン)、ジシランを挙げることができる。クロロシラン系化合物としては、ジクロロシラン、モノクロロシラン、トリクロロシラン、シリコンテトラクロライド、ヘキサクロロジシランを挙げることができる。有機シラン系化合物としては、ブチルアミノシラン、ビスターシャリブチルアミノシラン、ジメチルアミノシランのようなアミノシラン系化合物を挙げることができる。これらの中では、半導体製造プロセスに一般的に用いられるジクロロシラン、シラン、ジシランの少なくとも1種を好適に用いることができる。 Ammonia (NH 3 ), which is a reaction gas that reacts with another gas, for example, the Si-containing gas, or an inert gas may be supplied together with the Si-containing gas. The Si-containing gas is not particularly limited, and examples thereof include silane compounds, chlorosilane compounds, and organic silane compounds. Examples of the silane compound include silane (monosilane) and disilane. Examples of the chlorosilane compound include dichlorosilane, monochlorosilane, trichlorosilane, silicontetrachloride, and hexachlorodisilane. Examples of the organic silane compound include aminosilane compounds such as butylaminosilane, Vistashaributylaminosilane, and dimethylaminosilane. Among these, at least one of dichlorosilane, silane, and disilane, which are generally used in the semiconductor manufacturing process, can be preferably used.
Si含有ガスのみまたはSi含有ガスと不活性ガスを供給する場合は、Si含有ガスが熱分解して表面層203としてSi層が形成され得る。表面層203がSiと下地が反応した反応層を有するものであってもよい。また、Si含有ガスの他に反応ガスを供給する場合は、Si含有ガスと反応ガスの反応により表面層203としてSi化合物層が形成され得る。例えば、反応ガスとしてNH3ガスのような窒素含有ガスを用いた場合は、表面層203としてSiN層が形成され得る。
When only the Si-containing gas or the Si-containing gas and the inert gas are supplied, the Si-containing gas can be thermally decomposed to form a Si layer as the
ステップ3のSi含有ガスを供給する工程の温度や圧力の条件は、用いるSi含有ガスにより多少異なるが、温度は400〜700℃の範囲であることが好ましく、圧力は266.6〜13332.2Pa(2〜100Torr)の範囲であることが好ましい。
The temperature and pressure conditions in the step of supplying the Si-containing gas in
Si含有ガスの供給は、1回であっても複数回繰り返してもよい。Si含有ガスの供給を1回で行う場合は、供給時間で吸着量を制御することができ、この場合には、Si含有ガスの供給時間は、0.05〜20secであることが好ましい。また、Si含有ガスの供給を複数回繰り返すことにより、Si含有ガスの吸着量を回数で制御することができ、表面層203の層厚の制御性を高めることができる。この場合は、1回のSi含有ガスの供給時間は、0.05〜4sec、Si含有ガスの供給回数(サイクル数)は、1〜5回の範囲が好ましい。また、Si含有ガス供給の間に不活性ガスによるパージを行うことが好ましい。
The supply of the Si-containing gas may be repeated once or a plurality of times. When the Si-containing gas is supplied once, the adsorption amount can be controlled by the supply time. In this case, the supply time of the Si-containing gas is preferably 0.05 to 20 sec. Further, by repeating the supply of the Si-containing gas a plurality of times, the adsorption amount of the Si-containing gas can be controlled by the number of times, and the controllability of the layer thickness of the
また、Si含有ガスの他に反応ガスを供給する場合は、Si含有ガスを供給した後に反応ガスを供給してもよいし、Si含有ガスと反応ガスとを交互に複数回供給してもよい。交互に複数回供給することにより表面層203としてSi化合物層を良好な層厚制御性で形成することができる。Si含有ガスと反応ガスを同時に供給してもよい。反応ガスとして例えばNH3ガスを用いることにより表面層203としてSiN層を形成することができる。
When the reaction gas is supplied in addition to the Si-containing gas, the reaction gas may be supplied after the Si-containing gas is supplied, or the Si-containing gas and the reaction gas may be alternately supplied a plurality of times. .. By alternately supplying the surface layer 203 a plurality of times, the Si compound layer can be formed as the
Si含有ガスを供給して表面層203を形成する場合、Si含有ガスの吸着量は特に限定されず、1分子層以上で酸化抑制効果は得られる。Si含有ガスの吸着量が多くなりすぎると特性に対する影響が懸念されるため、吸着量は膜厚に換算して15nm以下であることが好ましく、表面層203の厚さとしては、0.5〜1nmの範囲が好ましい。Si含有ガスと反応ガスを供給して表面層203としてSiN層のようなSi化合物層を形成する場合にも同様に、表面層203の厚さとしては、0.5〜1nmの範囲が好ましい。
When the
このように金属系膜を成膜後にSi含有ガスを供給する工程を実施する理由について、以下に説明する。 The reason for carrying out the step of supplying the Si-containing gas after forming the metal film in this way will be described below.
金属系膜を成膜した後の基板は、処理容器から搬出されて次の工程に供される。次の工程までの間に基板が大気中に搬出されると、成膜された金属系膜は大気中の酸素や水分に曝されるため、表面からバルク方向に酸化されてしまい、特性が劣化する。例えば、膜の抵抗が上昇する。特に、膜厚が薄い場合、表面からの酸化の影響が大きくなるため、特性の劣化が顕著に現れる。 After the metal film is formed, the substrate is carried out from the processing container and used for the next step. If the substrate is carried out to the atmosphere before the next process, the formed metal film is exposed to oxygen and moisture in the atmosphere, so that it is oxidized from the surface in the bulk direction, and the characteristics deteriorate. do. For example, the resistance of the membrane increases. In particular, when the film thickness is thin, the influence of oxidation from the surface becomes large, so that the deterioration of the characteristics becomes remarkable.
そこで、処理容器内で基板201上に金属系膜202を成膜した後、処理容器内にSi含有ガスを供給することで、金属系膜202の表面にSi含有ガスを吸着させ、Siを含有する表面層203を形成する。これにより、金属系膜202の表面が露出していない状態で基板が搬出されるため、金属系膜202の酸化が抑制される。
Therefore, after forming a metal-based
次の工程が真空システムの他の処理容器内で実施される場合もあるが、その場合でも真空搬送系において酸素や水分による金属系膜の酸化が多少生じるため、Si含有ガスを供給する工程による酸化抑制効果は有効である。 The next step may be carried out in another processing container of the vacuum system, but even in that case, the metal-based film is slightly oxidized by oxygen and moisture in the vacuum transfer system, so it depends on the step of supplying the Si-containing gas. The antioxidant effect is effective.
表面層203は、金属系膜202表面に吸着されたSi含有ガスが加熱されて形成されるため、吸着したSi含有ガスと金属系膜表面との反応による反応層を有するものであってもよい。
Since the
上述したように、金属系膜の酸化の影響は膜厚が薄いほど大きく、抵抗の増大等、特性の劣化が顕著に現れるため、金属系膜の膜厚が5nm以下の場合に、Si含有ガスによる酸化抑制の効果がより大きくなる。 As described above, the effect of oxidation of the metal-based film is greater as the film thickness is thinner, and deterioration of characteristics such as increased resistance is noticeable. Therefore, when the film thickness of the metal-based film is 5 nm or less, the Si-containing gas The effect of suppressing oxidation is greater.
Si含有ガスを供給する工程の後、基板は処理容器から搬出され、別の成膜装置により次の成膜工程が実施される。このとき、基板上の金属系膜の表面にはSiを含有した表面層が形成されているため、次の成膜工程がSi含有膜を成膜する工程であれば親和性が高くなる。このとき、Si含有膜を成膜する表面にSiが存在するため、Si含有膜を成膜する際のインキュベーションタイムが短縮されるといった良好な影響をもたらし得る。 After the step of supplying the Si-containing gas, the substrate is carried out from the processing container, and the next film forming step is carried out by another film forming apparatus. At this time, since a surface layer containing Si is formed on the surface of the metal-based film on the substrate, the affinity is high if the next film forming step is a step of forming a Si-containing film. At this time, since Si is present on the surface on which the Si-containing film is formed, it can have a good effect such that the incubation time when the Si-containing film is formed is shortened.
<TiN膜の成膜への適用>
次に、具体的な適用例としてTiN膜の成膜について説明する。
金属系膜としてのTiN膜は、バリア膜や電極として用いられ、電気抵抗が低いことが求められる。TiN膜の成膜には、高いステップカバレッジで良好な膜質の膜を得ることができるALD法が用いられることが多い。TiN膜を成膜した後は、次工程の成膜処理、例えばSiGe膜の成膜が行われるが、その場合、両者の成膜が異なる装置で行われるため、TiN膜を成膜した後、大気中に搬出される。このとき、大気中の水分や酸素によりTiN膜が酸化し抵抗が上昇してしまい良好なデバイス特性が得難いという問題が生じる。このため、Si含有ガスを供給する工程を実施し、TiN膜の表面に表面層を形成して基板が処理容器から搬出された後のTiN膜の酸化を抑制する。
以下、具体的に説明する。
<Application of TiN film to film formation>
Next, the film formation of the TiN film will be described as a specific application example.
The TiN film as a metal-based film is used as a barrier membrane or an electrode, and is required to have low electrical resistance. For the formation of a TiN film, the ALD method, which can obtain a film of good film quality with high step coverage, is often used. After the TiN film is formed, the next step of the film formation process, for example, the formation of the SiGe film is performed. In that case, since the film formation of both is performed by different devices, after the TiN film is formed, It is carried out into the atmosphere. At this time, there arises a problem that it is difficult to obtain good device characteristics because the TiN film is oxidized by moisture and oxygen in the atmosphere and the resistance is increased. Therefore, a step of supplying the Si-containing gas is carried out to form a surface layer on the surface of the TiN film and suppress the oxidation of the TiN film after the substrate is carried out from the processing container.
Hereinafter, a specific description will be given.
[TiN膜の成膜装置]
図3は、一実施形態の成膜方法をTiN膜の成膜に適用する場合の成膜装置の一例を示す断面図である。
[TiN film forming apparatus]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a film forming apparatus when the film forming method of one embodiment is applied to film formation of a TiN film.
成膜装置100は、処理容器であるチャンバー1と、サセプタ(基板載置台)2と、シャワーヘッド3と、排気部4と、ガス供給機構5と、制御部6とを有する。
The
チャンバー1は、アルミニウム等の金属により構成され、略円筒状を有している。チャンバー1の側壁部には真空搬送室(図示せず)に対して搬送機構(図示せず)により基板である半導体ウエハ(以下、単にウエハ)Wを搬入出するための搬入出口26が形成され、搬入出口26はゲートバルブ27で開閉可能となっている。チャンバー1の本体の上には、断面が矩形状をなす円環状の排気ダクト28が設けられている。排気ダクト28には、内周面に沿ってスリット28aが形成されている。また、排気ダクト28の外壁には排気口28bが形成されている。排気ダクト28の上面にはチャンバー1の上部開口を塞ぐように天壁29が設けられている。天壁29と排気ダクト28の間はシールリング30で気密にシールされている。
The
サセプタ2は、チャンバー1内で基板であるウエハWを載置するためのものであり、ウエハWに対応した大きさの円板状をなし、水平に設けられている。サセプタ2は、支持部材33に支持されている。サセプタ2の内部には、ウエハWを加熱するためのヒーター31が埋め込まれている。ヒーター31はヒーター電源(図示せず)から給電されて発熱するようになっている。そして、ヒーター31の出力を制御することにより、ウエハWを所定の温度に制御するようになっている。サセプタ2には、ウエハ載置面の外周領域、および側面を覆うようにセラミックス製のカバー部材32が設けられている。
The
サセプタ2を支持する支持部材33は、サセプタ2の底面中央からチャンバー1の底壁に形成された孔部を貫通してチャンバー1の下方に延び、その下端が昇降機構34に接続されており、昇降機構34によりサセプタ2が支持部材33を介して、図3に示す処理位置と、その下方の一点鎖線で示すウエハの搬送が可能な搬送位置との間で昇降可能となっている。また、支持部材33のチャンバー1の下方位置には、鍔部35が取り付けられており、チャンバー1の底面と鍔部35の間には、チャンバー1内の雰囲気を外気と区画し、サセプタ2の昇降動作にともなって伸縮するベローズ36が設けられている。
The support member 33 that supports the
チャンバー1の底面近傍には、昇降板37aから上方に突出するように3本(2本のみ図示)のウエハ支持ピン37が設けられている。ウエハ支持ピン37は、チャンバー1の下方に設けられた昇降機構38により昇降板37aを介して昇降可能になっており、搬送位置にあるサセプタ2に設けられた貫通孔22に挿通されてサセプタ2の上面に対して突没可能となっている。これにより、ウエハ搬送機構(図示せず)とサセプタ2との間でウエハWの受け渡しが行われる。
Near the bottom surface of the
シャワーヘッド3は、チャンバー1内に処理ガスをシャワー状に供給するためのもので、チャンバー1の上部にサセプタ2に対向するように設けられており、サセプタ2とほぼ同じ直径を有している。シャワーヘッド3は、チャンバー1の天壁29に固定された本体部39と、本体部39の下に接続されたシャワープレート40とを有している。本体部39とシャワープレート40との間にはガス拡散空間41が形成されている。
The
ガス拡散空間41内には、複数個のガス分散部材42が設けられている。ガス分散部材42の周囲には複数のガス吐出孔が形成されている。ガス分散部材42は、本体部39に設けられた複数のガス供給路43のそれぞれの一端に接続されている。ガス供給路43の他端は、本体部39の上面中央部に形成された拡散部44に接続されている。また、本体部39の中央部には、その上面から拡散部44へ貫通する3つのガス導入孔45a、45b、45cが設けられている。
A plurality of
シャワープレート40の周縁部には下方に突出する環状突起部40bが形成され、シャワープレート40の環状突起部40bの内側の平坦面にはガス吐出孔40aが形成されている。サセプタ2が処理位置に存在した状態では、シャワープレート40とサセプタ22との間に処理空間Sが形成され、環状突起部40bとサセプタ2のカバー部材32の上面が近接して環状隙間48が形成される。
An
排気部4は、排気ダクト28の排気口28bに接続された排気配管46と、排気配管46に接続された、真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気機構47とを備えている。処理に際しては、チャンバー1内のガスはスリット28aを介して排気ダクト28に至り、排気ダクト28から排気部4の排気機構47により排気配管46を通って排気される。
The
処理ガス供給機構5は、TiCl4ガス供給源51と、NH3ガス供給源52と、ジクロロシラン(DCS)ガス供給源53と、第1N2ガス供給源54と、第2N2ガス供給源55と、第3N2ガス供給源56とを有している。TiCl4ガス供給源51は、Ti原料ガスであるTiCl4ガスを供給する。NH3ガス供給源52は、窒化ガス(還元ガス)であるNH3ガスを供給する。DCSガス供給源53は、Si含有ガスであるDCSガスを供給する。第1〜第3N2ガス供給源54、55、56はキャリアガスおよびパージガスとしてのN2ガスを供給する。なお、キャリアガスおよびパージガスとしては、N2ガスに限らず、Arガス等の他の不活性ガスを用いることができる。
The processing gas supply mechanism 5 includes a TiCl 4
TiCl4ガス供給源51には、TiCl4ガス供給配管61の一端が接続されている。NH3ガス供給源52には、NH3ガス供給配管62の一端が接続されている。DCSガス供給源53には、DCS供給配管63の一端が接続されている。第1N2ガス供給源54、第2N2ガス供給源55、および第3N2ガス供給源56には、それぞれ、第1N2ガス供給配管64、第2N2ガス供給配管65、および第3N2ガス供給配管66の一端が接続されている。TiCl4ガス供給配管61の他端はガス導入孔45aに接続されており、NH3ガス供給配管62の他端はガス導入孔45bに接続されており、DCSガス供給配管63の他端はガス導入孔45cに接続されている。第1N2ガス供給配管64の他端はTiCl4ガス供給配管61に接続されており、第2N2ガス供給配管65の他端はNH3ガス供給配管62に接続されており、第3N2ガス供給配管66の他端はDCSガス供給配管63に接続されている。NH3ガス供給配管62の途中で分岐配管62aが分岐しており、分岐配管62aの他端はNH3ガス供給配管62に合流している。このように分岐配管62aを設けることにより、大流量のNH3ガスを供給することが可能となる。TiCl4ガス供給配管61、NH3ガス供給配管62、分岐配管62a、DCSガス供給配管63には、N2ガス供給配管の合流部分の上流側に、それぞれ開閉バルブ71、72、72a、73が設けられている。また、第1N2ガス供給配管64、第2N2ガス供給配管65、および第3N2ガス配管66には、それぞれ、開閉バルブ74、75、76が設けられている。また、TiCl4ガス供給配管61、NH3ガス供給配管62、DCSガス供給配管63、第1N2ガス供給配管64、第2N2ガス供給配管65、および第3N2ガス配管66の開閉バルブの上流側に、それぞれ流量制御器81〜86が設けられている。流量制御器としては、例えばマスフローコントローラを用いることができる。
One end of the TiCl 4
そして、TiN膜成膜の際には、第1N2ガス供給配管64、第2N2ガス供給配管65、および第3N2ガス供給配管66の開閉バルブ74、75、76を常時開にしてN2ガスを常時供給し、開閉バルブ73を閉じた状態で、開閉バルブ71、72、72aを高速で操作することによりALD成膜が行えるようになっている。また、成膜後にSi含有ガスであるDCSガスを供給する場合は、バルブ71、72、72aを閉じ、開閉バルブ73を開にする。
Then, when the TiN film formation, the second 1N 2
なお、第1N2ガス供給配管64、第2N2ガス供給配管65、および第3N2ガス供給配管66からそれぞれ分岐してパージのときのみN2ガスの流量を増加する配管を設けてパージ工程の際にN2ガス流量を増加させてもよい。また、パージガスとしては、N2ガスに限らず、Arガス等、他の不活性ガスであってもよい。
In the purging process, a pipe for branching from the first N 2
Ti原料ガスとしては、TiCl4以外に、テトラ(イソプロポキシ)チタン(TTIP)、四臭化チタン(TiBr4)、四ヨウ化チタン(TiI4)、テトラキスエチルメチルアミノチタン(TEMAT)、テトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT)、テトラキスジエチルアミノチタン(TDEAT)等を用いることもできる。また、窒化ガス(還元ガス)としては、NH3ガスの他、モノメチルヒドラジン(MMH)のようなヒドラジン系ガス等を用いることができる。また、シリコン含有ガスとしてはDCSガスの他、上述したような種々のものを用いることができる。 In addition to TiCl 4 , the Ti raw material gas includes tetra (isopropoxy) titanium (TTIP), titanium tetrabromide (TiBr 4 ), titanium tetraiodide (TiI 4 ), tetrakisethylmethylaminotitanium (TEMAT), and tetrakisdimethyl. Amino titanium (TDMAT), tetrakis diethylamino titanium (TDEAT) and the like can also be used. As the nitriding gas (reducing gas), other NH 3 gas may be used hydrazine gas, such as monomethyl hydrazine (MMH) and the like. Further, as the silicon-containing gas, in addition to the DCS gas, various gases as described above can be used.
制御部6はコンピュータで構成されており、CPUを備えた主制御部と、入力装置(キーボード、マウス等)、出力装置(プリンタ等)、表示装置(ディスプレイ等)、記憶装置(記憶媒体)を有している。主制御部は、例えば、開閉バルブ71〜76の開閉、流量制御器81〜86によるガスの流量の調整、圧力制御バルブによるチャンバー1内の圧力の調整、ヒーター31によるウエハWの温度の調整などの各構成部の動作を制御する。これらの動作の制御は、記憶装置に内蔵された記憶媒体(ハードディスク、光デスク、半導体メモリ等)に記憶された制御プログラムである処理レシピにより実行される。
The
[図3の成膜装置によるTiN膜の成膜方法]
次に、以上のように構成された成膜装置100におけるTiN膜の成膜方法について説明する。
まず、ゲートバルブ27を開放して真空搬送室から搬送装置によりウエハWをチャンバー1内に搬入し、サセプタ2上に載置する。ウエハWとしては、例えば、図4に示すように、Si基体301上に、パターン化されたSiO2膜302を有するものが用いられる。
[Method of forming a TiN film by the film forming apparatus of FIG. 3]
Next, a method for forming a TiN film in the
First, the
搬送装置を退避させた後、ゲートバルブ27を閉じ、サセプタ2を処理位置まで上昇させる。次いで、第1N2ガス供給源54、第2N2ガス供給源55、第3N2ガス供給源56から、処理空間S内にN2ガスを連続的に供給し、チャンバー1内を所定の減圧状態に保持するとともに、ヒーター31によりサセプタ2の温度を所定温度に制御する。
After retracting the transport device, the
そして、N2ガスを連続的に供給した状態を維持したまま、開閉バルブ71,72,72aを操作し、原料ガスであるTiCl4ガスと、窒化ガス(還元ガス)であるNH3ガスをシーケンシャルに供給してALD法により、ウエハW上に金属系膜であるTiN膜を成膜する。例えば、図5に示すように、ウエハWのパターン化されたSiO2膜302上に、TiN膜303が形成される。
Then, while maintaining the state of being continuously supplied N 2 gas, by operating the opening and closing
このときの条件は、サセプタ2の温度を200〜600℃、チャンバー1内の圧力を266.6〜13332.2Pa(2〜100Torr)とすることが好ましい。
The conditions at this time are preferably such that the temperature of the
成膜後、開閉バルブ71,72,72aを閉じてTiCl4ガスおよびNH3ガスの供給を停止し、チャンバー1内をN2ガスによりパージする。
After the film formation, the on-off
その後、成膜後のウエハWをサセプタ2上に載置したままの状態で、開閉バルブ73を開にして処理容器であるチャンバー1内にSi含有ガスであるDCSガスを供給する。このとき、少なくとも第3N2ガス供給源56からキャリアガスとしてのN2ガスを供給する。
After that, with the wafer W after film formation still placed on the
このように成膜後処理であるSi含有ガス供給工程を実施することにより、ウエハW上に形成されたTiN膜の表面にSi含有ガスであるDCSガスが吸着され、図6に示すように、ウエハWに成膜されたTiN膜303の表面に表面層304としてSi含有層が形成される。表面層304を構成するSi含有層としてはSi含有ガスが加熱されて形成されたSi層であってもよいし、Si中にSiとTiNとが反応して形成されたTiSiNを含むものであってもよい。
By carrying out the Si-containing gas supply step which is the post-film formation treatment in this way, DCS gas, which is a Si-containing gas, is adsorbed on the surface of the TiN film formed on the wafer W, and as shown in FIG. A Si-containing layer is formed as a
DCSガスを供給する際の条件は、サセプタ2の温度を400〜600℃、チャンバー1内の圧力を266.6〜13332.2Pa(2〜100Torr)とすることが好ましい。他のSi含有ガスにおいても、これに近い条件を用いることができる。また、サセプタ温度は、スループットを低下させない観点から、TiN膜を成膜する際と同じ温度であることが好ましい。
The conditions for supplying the DCS gas are preferably such that the temperature of the
このように、ウエハW上に成膜されたTiN膜303の表面にSi含有ガスが吸着されて表面層304が形成することにより、ウエハWはTiN膜303の表面が露出していない状態で搬出される。このため、ウエハWが大気中に曝されてもTiN膜303の酸化が抑制され、TiN膜303の抵抗の上昇を防ぐことができる。特に、TiN膜303の膜厚が5nm以下と薄くなると、酸化の影響が大きくなるため、このようなSi含有ガスであるDCSガスの供給による酸化抑制効果がより高くなる。
In this way, the Si-containing gas is adsorbed on the surface of the
Si含有ガスの供給は、1回であっても複数回繰り返してもよい。Si含有ガスの供給を1回で行う場合は、供給時間で吸着量を制御することができ、この場合には、Si含有ガス、例えばDCSガスやSiH4ガス等の供給時間は、1〜20secであることが好ましい。また、Si含有ガス、DCSガスやSiH4ガス等の供給を複数回繰り返すことにより、DCSガスやSiH4ガス等の吸着量を回数で制御することができ、表面層304の層厚の制御性を高めることができる。このため、TiN膜の抵抗をより低くすることができる。この場合は、DCSガスやSiH4ガス等の1回の供給時間は、0.05〜4sec、、DCSガスやSiH4ガス等の供給回数(サイクル数)は、1〜5回の範囲が好ましい。他のSi含有ガスを用いた場合も同様である。また、Si含有ガスの供給を複数回繰り返す場合には、Si含有ガス供給の間に、N2ガスによりチャンバー1内をパージすることが好ましい。
The supply of the Si-containing gas may be repeated once or a plurality of times. When performing the supply of Si-containing gas in one, it is possible to control the amount of adsorption in the supply time, in this case, Si-containing gas, for example DCS gas and SiH 4 supply time such as gas, 1~20Sec Is preferable. Further, by repeating the supply of the Si-containing gas, the DCS gas, the SiH 4 gas, etc. a plurality of times , the adsorption amount of the DCS gas, the SiH 4 gas, etc. can be controlled by the number of times, and the layer thickness of the
この場合のTiN膜の成膜工程とSi含有ガス供給工程の具体的なガス供給シーケンスは、例えば、図7および図8に示すようになる。ここでは、Si含有ガスとしてDCSガスまたはSiH4ガスを用いる場合を示している。図7は、Si含有ガスであるDCSガスまたはSiH4ガスを1回(1サイクル)供給した場合のタイミングチャート、図8はDCSガスまたはSiH4ガスを複数回(複数サイクル)供給した場合のタイミングチャートである。 Specific gas supply sequences of the TiN film forming step and the Si-containing gas supply step in this case are shown in FIGS. 7 and 8, for example. Here it is shown a case of using the DCS gas or SiH 4 gas as the Si-containing gas. FIG. 7 is a timing chart when DCS gas or SiH 4 gas, which is a Si-containing gas, is supplied once (1 cycle), and FIG. 8 is a timing when DCS gas or SiH 4 gas is supplied multiple times (multiple cycles). It is a chart.
成膜後処理であるSi含有ガス供給工程の際には、NH3ガスを供給してもよい。この場合には、Si含有ガスであるDCSガスまたはSiH4ガスを供給した後にNH3ガスを供給してもよいし、DCSガスまたはSiH4ガスとNH3ガスとを交互に複数回供給してもよい。DCSガスまたはSiH4ガスとNH3ガスとを供給することにより表面層304としてSiN層を形成することができる。これらを交互に複数回供給することにより、膜厚の均一性をより高めることができる。この場合のTiN膜の成膜工程とSi含有ガス供給工程の具体的なガス供給シーケンスは、例えば図9に示すタイミングチャートのようになる。図9は、成膜工程終了後、TiCl4ガスを停止し、パージを行った後、NH3ガスとDCSガスまたはSiH4ガスとを交互に複数回供給する例を示す。
During Si-containing gas supply step is deposition aftertreatment may supply the NH 3 gas. In this case, the NH 3 gas may be supplied after supplying the DCS gas or the SiH 4 gas which is the Si-containing gas, or the DCS gas or the SiH 4 gas and the NH 3 gas may be alternately supplied a plurality of times. May be good. A SiN layer can be formed as the
Si含有ガス供給工程の後、開閉バルブ73を閉じてSi含有ガスであるDCSガスの供給を停止し、チャンバー1内をN2ガスによりパージする。次いで、ゲートバルブ27を開き、搬入出口26を介してウエハWを搬出する。
After Si-containing gas supply step, by closing the opening and closing
実際に、ALD法により膜厚3〜5nmのTiN膜を成膜した後、Si含有ガス供給工程を実施しない場合と、種々の条件でSi含有ガス供給工程としてDCSガスの供給を実施した場合について、大気中に放置後の比抵抗の変化について調査した。図10はDCSガス流量とTiN膜の比抵抗との関係を示す図であり、図11はDCSガス供給時間とTiN膜の比抵抗との関係を示す図である。なお、DCSガス供給工程の温度は450〜500℃、圧力は266.6〜1199.9Pa(2〜9Torr)の範囲とし、図7はDCSガス供給時間が0.05secの場合であり、図8はDCSガス流量が30sccmの場合である。これらの図に示すように、Si含有ガス供給工程を実施することにより、大気中に放置後の比抵抗(μΩ・cm)が低下しており、DCSガス供給工程によるTiN膜の表面の酸化を抑制する効果が確認された。また、DCSガス流量が多くなるほど、DCSガス供給時間が長くなるほど、比抵抗が低下し、流量を100sccmとすることにより比抵抗が26.8%低減し、時間を10secとすることで比抵抗が37.8%低減することが確認された。 In the case where the Si-containing gas supply step is not actually performed after the TiN film having a film thickness of 3 to 5 nm is actually formed by the ALD method, and the case where the DCS gas is supplied as the Si-containing gas supply step under various conditions. , The change in resistivity after being left in the atmosphere was investigated. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the DCS gas flow rate and the specific resistance of the TiN film, and FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the DCS gas supply time and the specific resistance of the TiN film. The temperature of the DCS gas supply process is 450 to 500 ° C., the pressure is in the range of 266.6 to 1199.9 Pa (2 to 9 Torr), and FIG. 7 shows the case where the DCS gas supply time is 0.05 sec. FIG. Is the case where the DCS gas flow rate is 30 sccm. As shown in these figures, by carrying out the Si-containing gas supply step, the specific resistance (μΩ · cm) after being left in the atmosphere is reduced, and the surface of the TiN film is oxidized by the DCS gas supply step. The suppressive effect was confirmed. Further, as the DCS gas flow rate increases and the DCS gas supply time becomes longer, the specific resistance decreases. By setting the flow rate to 100 sccm, the specific resistance is reduced by 26.8%, and by setting the time to 10 sec, the specific resistance is increased. It was confirmed that the reduction was 37.8%.
次に、Si含有ガス供給工程としてSiH4ガスの供給を1回(1サイクル)行った場合と、SiH4ガスの供給をパージを挟んで5回(5サイクル)行った場合について、大気中に放置後のTiN膜のシート抵抗(Ω/sq.)を測定した。比較のため、TiN膜成膜後にSiH4ガスの供給を行わない場合についてもシート抵抗を測定した。ここでは、SiH4ガスの1回あたりの供給時間および流量を、それぞれ0.05sec、50sccmとし、Si含有ガス供給工程の温度は450〜700℃、圧力は266.6〜1199.9Pa(2〜9Torr)の範囲とした。その際のシート抵抗およびその均一性(uniformity)を図12に示す。 Next, as a Si-containing gas supply step, when the SiH 4 gas is supplied once (1 cycle) and when the SiH 4 gas is supplied 5 times (5 cycles) with a purge in between, it is introduced into the atmosphere. The sheet resistance (Ω / sq.) Of the TiN film after being left to stand was measured. For comparison, were measured sheet resistance also when after TiN film formation is not performed the supply of the SiH 4 gas. Here, the supply time and flow rate of SiH 4 gas are set to 0.05 sec and 50 sccm, respectively, the temperature of the Si-containing gas supply step is 450 to 700 ° C, and the pressure is 266.6 to 1199.9 Pa (2 to 2). The range was 9 Torr). The sheet resistance and its uniformity at that time are shown in FIG.
図12に示すように、Si含有ガス供給工程を行わない場合は、シート抵抗の平均値が44.4Ω/sq.、均一性が3.9%であったのに対し、SiH4ガスの供給回数(サイクル)が1回(1サイクル)ではシート抵抗の平均値が39.1Ω/sq.、均一性が1.2%、SiH4ガスの供給回数(サイクル)が5回(5サイクル)ではシート抵抗の平均値が38.9Ω/sq.、均一性が1.0%となった。すなわち、SiH4ガスの供給を行うことにより比抵抗およびその均一性が向上し、さらにSiH4ガスを複数回供給することにより、比抵抗およびその均一性がさらに向上した。 As shown in FIG. 12, when the Si-containing gas supply step is not performed, the average value of the sheet resistance is 44.4 Ω / sq. The uniformity was 3.9%, whereas the average value of sheet resistance was 39.1 Ω / sq. When the number of times (cycle) of SiH 4 gas supply was 1 (1 cycle). When the uniformity is 1.2% and the number of times (cycle) of SiH 4 gas is supplied is 5 (5 cycles), the average value of sheet resistance is 38.9Ω / sq. , The uniformity was 1.0%. That improves the resistivity and its uniformity by performing the supply of SiH 4 gas, by further supply multiple times the SiH 4 gas, the specific resistance and the uniformity is further improved.
次に、Si含有ガス供給工程としてSiH4ガスとNH3ガスを1回ずつ供給した場合(1サイクル)と、SiH4ガスとNH3ガスとをパージを挟んで交互に5回(5サイクル)供給した場合について、大気中に放置後のTiN膜のシート抵抗(Ω/sq.)を測定した。ここでは、SiH4ガスの1回あたりの供給時間および流量を、それぞれ0.05sec、50sccmとし、NH3ガスの1回あたりの供給時間および流量を、それぞれ0.05sec、600sccmとした。また、Si含有ガス供給工程の温度は450〜700℃、圧力は266.6〜1199.9Pa(2〜9Torr)の範囲とした。その際のシート抵抗およびその均一性(uniformity)を図13に示す。図13では図12のSi含有ガス供給工程を行わない場合の結果も併せて示している。 Next, as a Si-containing gas supply step, when SiH 4 gas and NH 3 gas are supplied once (1 cycle), SiH 4 gas and NH 3 gas are alternately supplied 5 times (5 cycles) with a purge in between. In the case of supplying, the sheet resistance (Ω / sq.) Of the TiN film after being left in the air was measured. Here, the supply time and flow rate of SiH 4 gas were set to 0.05 sec and 50 sccm, respectively, and the supply time and flow rate of NH 3 gas were set to 0.05 sec and 600 sccm, respectively. The temperature of the Si-containing gas supply step was 450 to 700 ° C., and the pressure was in the range of 266.6 to 1199.9 Pa (2 to 9 Torr). The sheet resistance and its uniformity at that time are shown in FIG. FIG. 13 also shows the results when the Si-containing gas supply step of FIG. 12 is not performed.
図13に示すように、Si含有ガス供給工程を行わない場合のシート抵抗の平均値44.4Ω/sq.、均一性3.9%に対し、SiH4ガスおよびNH3ガスの供給回数が1回ではシート抵抗の平均値が39.7Ω/sq.、均一性が1.2%、SiH4ガスおよびNH3ガスの供給回数が5回ではシート抵抗の平均値が39.1Ω/sq.、均一性が1.2%となった。すなわち、SiH4ガスおよびNH3ガスの供給を行うことによりシート抵抗およびその均一性が向上し、さらにSiH4ガスおよびNH3ガスを複数回供給することにより、シート抵抗がさらに向上した。 As shown in FIG. 13, the average value of the sheet resistance when the Si-containing gas supply step is not performed is 44.4 Ω / sq. , To homogeneity 3.9%, the average 39.7Ω / sq sheet resistance of once the supply number of SiH 4 gas and NH 3 gas. When the uniformity is 1.2% and the number of times of supplying SiH 4 gas and NH 3 gas is 5, the average value of the sheet resistance is 39.1 Ω / sq. , The uniformity was 1.2%. That improves sheet resistance and uniformity by performing the supply of SiH 4 gas and NH 3 gas, by supplying further SiH 4 gas and NH 3 gas a plurality of times, the sheet resistance was further improved.
Si含有ガスを供給してTiN膜303の表面層304を形成した後は、ウエハWは大気中に取り出され、その後、図14に示すように、別の成膜装置で次工程の成膜処理、例えばSiGe膜305の成膜が行われる。そして、必要な後処理が行われた後、所望の半導体デバイス(半導体装置)が得られる。このとき、TiN膜303の表面には、Si含有ガスの供給により、Siを含有する表面層304が形成されているので、TiN膜303の酸化が抑制され、比抵抗が低く維持される。このため、良好なデバイス特性が得られる。
After supplying the Si-containing gas to form the
次工程で成膜する膜がSi含有層であるSiGe膜305であるから、酸化抑制のために形成されたSiを含有する表面層304に対して親和性の高いものとなる。また、このように次工程のSiGe膜の成膜が、Siを含有する表面層304上で行われるため、一般的なCVD法でSiGe膜を成膜する際に、インキュベーションタイムが短縮される等の効果を得ることができる。
Since the film formed in the next step is the
<他の適用>
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
<Other applications>
Although the embodiments have been described above, the embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary in all respects and not restrictive. The above embodiments may be omitted, replaced or modified in various forms without departing from the scope of the appended claims and their gist.
例えば、上記実施形態では、金属系膜としてALD法によりTiN膜の成膜を行う場合を中心に説明したが、上述したように、酸化により特性が劣化する可能性がある金属膜および金属化合物膜であれば適用可能であるし、成膜手法もALD法に限らない。 For example, in the above embodiment, the case where the TiN film is formed as the metal film by the ALD method has been mainly described, but as described above, the metal film and the metal compound film whose characteristics may be deteriorated by oxidation. If so, it can be applied, and the film forming method is not limited to the ALD method.
また、図3の成膜装置としては、TiN膜のALD成膜用のものを例示したが、図3の成膜装置は他の金属系膜の成膜にも適用可能である。また、図3に示した成膜装置は例示にすぎず、成膜処理と処理容器(チャンバー)内へのSi含有ガスの供給を行うことができれば、CVD成膜装置、PVD成膜装置等、どのような成膜装置であってもよい。また、図3の成膜装置は枚葉式であるが、縦型装置のように、複数の基板に対して一度に成膜するバッチ式の成膜装置であってもよい。さらに、ステージ上に複数の基板を配置して成膜処理を行うセミバッチ式の成膜装置であってもよい。 Further, as the film forming apparatus of FIG. 3, the one for ALD film forming of the TiN film is exemplified, but the film forming apparatus of FIG. 3 can also be applied to the film forming of other metal-based films. Further, the film forming apparatus shown in FIG. 3 is merely an example, and if the film forming process and the Si-containing gas can be supplied into the processing container (chamber), a CVD film forming apparatus, a PVD film forming apparatus, etc. can be used. Any film forming apparatus may be used. Further, although the film forming apparatus of FIG. 3 is a single-wafer type apparatus, it may be a batch type film forming apparatus for forming a film on a plurality of substrates at once, such as a vertical type apparatus. Further, it may be a semi-batch type film forming apparatus in which a plurality of substrates are arranged on a stage to perform a film forming process.
また、上記実施形態では、基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハに限定されず、FPD(フラットパネルディスプレイ)に用いるガラス基板や、セラミック基板等の他の基板であってもよい。 Further, in the above embodiment, the semiconductor wafer has been described as an example of the substrate, but the substrate is not limited to the semiconductor wafer, and may be a glass substrate used for an FPD (flat panel display) or another substrate such as a ceramic substrate.
1;チャンバー
2;サセプタ
3;シャワーヘッド
4;排気部
5;ガス供給機構
6;制御部
51;TiCl4ガス供給源
52;NH3ガス供給源
53;DCSガス供給源
54,55,56;N2ガス供給源
100;成膜装置
201;基板
202;金属系膜
203;表面層
301;Si基体
302;SiO2膜
303;TiN膜
304;表面層
W;半導体ウエハ(基板)
1;
Claims (25)
前記処理容器内の前記基板に対して金属系膜を成膜する工程と、
その後、前記処理容器内に前記基板が設けられた状態で前記処理容器内にSi含有ガスを供給する工程と、
を含む、成膜方法。 The process of installing the substrate in the processing container and
A step of forming a metal-based film on the substrate in the processing container, and
After that, a step of supplying the Si-containing gas into the processing container with the substrate provided in the processing container, and a step of supplying the Si-containing gas into the processing container.
A film forming method including.
前記処理容器内に、金属系膜を成膜するためのガス、およびSi含有ガスを供給するガス供給機構と、
前記処理容器内を排気する排気機構と、
前記基板を加熱する加熱機構と、
制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記処理容器内に基板を設ける工程と、
前記処理容器内の前記基板に対して前記金属系膜を成膜する工程と、
その後、前記処理容器内に前記Si含有ガスを供給する工程と、
が実行されるように制御する、成膜装置。 The processing container that houses the substrate and
A gas supply mechanism for supplying a gas for forming a metal-based film and a Si-containing gas in the processing container,
An exhaust mechanism that exhausts the inside of the processing container and
A heating mechanism for heating the substrate and
Control unit and
Have,
The control unit
The process of providing the substrate in the processing container and
A step of forming the metal-based film on the substrate in the processing container, and
After that, a step of supplying the Si-containing gas into the processing container and
A film forming apparatus that controls the execution of.
前記処理容器内の前記基板に対して金属系膜を成膜する工程と、
その後、前記処理容器内に前記基板が設けられた状態で前記処理容器内にSi含有ガスを供給する工程と、
前記処理容器から前記基板を搬出し、第2の成膜装置により前記基板上にSi含有膜を成膜する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。 The process of providing the substrate in the processing container of the first film forming apparatus and
A step of forming a metal-based film on the substrate in the processing container, and
After that, a step of supplying the Si-containing gas into the processing container with the substrate provided in the processing container, and a step of supplying the Si-containing gas into the processing container.
A step of carrying out the substrate from the processing container and forming a Si-containing film on the substrate by a second film forming apparatus.
A method for manufacturing a semiconductor device.
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