JP2021172841A - 成膜方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性の改善と膜厚方向の元素濃度の均一性の向上を両立できる技術を提供する。【解決手段】本開示の一態様による成膜方法は、少なくとも3つの元素を含む膜の成膜方法であって、処理容器内に第1の元素を含む第1の反応ガスを供給するステップと、前記第1の反応ガスをパージするステップと、前記処理容器内に前記第1の反応ガスと反応する第2の元素を含む第2の反応ガスを供給するステップと、前記第2の反応ガスをパージするステップと、を有し、前記第1の反応ガスをパージするステップ及び前記第2の反応ガスをパージするステップの少なくとも一方において、前記処理容器内に第3の元素を含む第3の反応ガスを供給する。【選択図】図2
Description
本開示は、成膜方法に関する。
TiCl4供給、パージ、NH3供給、パージ、O2供給、パージを1サイクルとし、ウエハの上にALD法を用いて所定膜厚の酸窒化チタン膜を成膜する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
本開示は、生産性の改善と膜厚方向の元素濃度の均一性の向上を両立できる技術を提供する。
本開示の一態様による成膜方法は、少なくとも3つの元素を含む膜の成膜方法であって、処理容器内に第1の元素を含む第1の反応ガスを供給するステップと、前記第1の反応ガスをパージするステップと、前記処理容器内に前記第1の反応ガスと反応する第2の元素を含む第2の反応ガスを供給するステップと、前記第2の反応ガスをパージするステップと、を有し、前記第1の反応ガスをパージするステップ及び前記第2の反応ガスをパージするステップの少なくとも一方において、前記処理容器内に第3の元素を含む第3の反応ガスを供給する。
本開示によれば、生産性の改善と膜厚方向の元素濃度の均一性の向上を両立できる。
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
〔成膜方法〕
図1を参照し、実施形態の成膜方法について、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法により、基板の上に酸窒化チタン(TiON)膜を成膜する場合を例に挙げて説明する。図1は、実施形態の成膜方法の一例を示すフローチャートである。
図1を参照し、実施形態の成膜方法について、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法により、基板の上に酸窒化チタン(TiON)膜を成膜する場合を例に挙げて説明する。図1は、実施形態の成膜方法の一例を示すフローチャートである。
まず、処理容器内に基板を収容すると共に、処理容器内を減圧(真空)状態に保持し、基板を所定の温度に調整する。基板は、例えばシリコンウエハ等の半導体ウエハであってよい。
続いて、基板が収容された処理容器内にTi含有ガスである四塩化チタン(TiCl4)ガスを供給することにより、基板の上にTiCl4ガスを吸着させる(ステップS1)。なお、本実施形態において、Ti含有ガスとしてTiCl4ガスを用いているが、例えばテトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT)ガス、テトラキスエチルメチルアミノチタン(TEMAT)ガスを用いてもよい。
続いて、処理容器内に不活性ガスである窒素(N2)ガスを供給することにより、処理容器内に残存するTiCl4ガスをパージする(ステップS2)。このとき、N2ガスと共に酸素含有ガスである酸素(O2)ガスを供給する。これにより、基板の上に吸着したTiCl4ガスの一部が酸化される。O2ガスは、ステップS2の全期間において処理容器内に供給してもよく、ステップS2の一部の期間において処理容器内に供給してもよい。O2ガスを供給する期間やO2ガスの流量を調整することにより、TiCl4ガスを酸化させる量を制御できる。言い換えると、成膜されるTiON膜の膜中酸素濃度を制御できる。なお、本実施形態において、不活性ガスとしてN2ガスを用いているが、例えばアルゴン(Ar)ガスを用いてもよい。また、酸素含有ガスとしてO2ガスを用いているが、例えばオゾン(O3)ガスを用いてもよい。
続いて、処理容器内に窒素含有ガスであるアンモニア(NH3)ガスを供給することにより、基板の上に吸着したTiCl4ガスを窒化させる(ステップS3)。なお、本実施形態において、窒素含有ガスとしてNH3ガスを用いているが、例えばヒドラジン(N2H4)ガス、モノメチルヒドラジン(MMH)ガスを用いてもよい。
続いて、処理容器内に不活性ガスであるN2ガスを供給することにより、処理容器内に残存するNH3ガスをパージする(ステップS4)。このとき、N2ガスと共に酸素含有ガスであるO2ガスを供給する。これにより、基板の上に吸着したTiCl4ガスの一部が酸化される。O2ガスは、ステップS4の全期間において処理容器内に供給してもよく、ステップS4の一部の期間において処理容器内に供給してもよい。なお、本実施形態において、不活性ガスとしてN2ガスを用いているが、例えばArガスを用いてもよい。また、酸素含有ガスとしてO2ガスを用いているが、例えばO3ガスを用いてもよい。
続いて、ステップS1〜S4の実行回数が、予め定められた回数X(Xは1以上の整数)に達したか否かを判定する(ステップS5)。ステップS5において、ステップS1〜S4の実行回数が回数Xに到達していない場合、ステップS1に戻り、再びステップS1〜S4を実行する。ステップS5において、ステップS1〜S4の実行回数が回数Xに達した場合、処理を終了する。このようにステップS1〜S4を回数Xに達するまで繰り返すことにより、基板の上に予め定められた膜厚を有するTiON膜が形成される。
なお、図1に示される例では、ステップS2及びステップS4において処理容器内にO2ガスを供給する場合を説明したが、本開示はこれに限定されず、ステップS2とステップS4のいずれかにおいて処理容器内にO2ガスを供給すればよい。すなわち、ステップS2において処理容器内にO2ガスを供給し、ステップS4において処理容器内にO2ガスを供給しないようにしてもよい。また、ステップS4において処理容器内にO2ガスを供給し、ステップS2において処理容器内にO2ガスを供給しないようにしてもよい。
以上に説明した実施形態の成膜方法によれば、TiCl4ガスをパージするステップS2及びNH3ガスをパージするステップS4の少なくとも一方において、処理容器内にO2ガスを供給することにより、TiON膜を成膜する。これにより、ステップS1〜S4とは別にO2ガスを供給するステップを行うことでTiON膜を成膜する場合と比較してステップ数を削減でき、TiN膜を成膜する場合と同等の時間でTiON膜を成膜できる。また、すべてのサイクルにおいてO2ガスが供給されるので、膜厚方向の酸素濃度の均一性が向上する。すなわち、生産性の改善と膜厚方向の酸素濃度の均一性の向上を両立できる。
これに対し、TiCl4供給、パージ、NH3供給、パージ、O2供給、パージを1サイクルとし、基板の上にALD法を用いて所定膜厚のTiON膜を成膜する場合、O2供給及びパージの分だけステップ数が多くなるため、成膜時間が長くなる。また、TiCl4供給、パージ、NH3供給、パージのサイクルを複数回繰り返すごとにO2供給を行うことによりTiON膜を成膜する場合、膜厚方向の酸素濃度に分布が生じやすく、また膜厚方向の酸素濃度の調整が困難である。
〔成膜装置〕
図2を参照し、前述のTiON膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例について説明する。図2は、実施形態の成膜装置の一例を示す概略図である。
図2を参照し、前述のTiON膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例について説明する。図2は、実施形態の成膜装置の一例を示す概略図である。
成膜装置は、処理容器1、載置台2、シャワーヘッド3、排気部4、ガス供給部5及び制御部6を有する。
処理容器1は、アルミニウム等の金属により構成され、略円筒状を有する。処理容器1は、基板の一例である半導体ウエハ(以下「ウエハW」という。)を収容する。処理容器1の側壁には、ウエハWを搬入又は搬出するための搬入出口11が形成されている。搬入出口11は、ゲートバルブ12により開閉される。処理容器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13が設けられている。排気ダクト13には、内周面に沿ってスリット13aが形成されている。排気ダクト13の外壁には、排気口13bが形成されている。排気ダクト13の上面には、処理容器1の上部開口を塞ぐように天壁14が設けられている。排気ダクト13と天壁14との間は、シールリング15で気密に封止されている。
載置台2は、処理容器1内でウエハWを水平に支持する。載置台2は、ウエハWよりも大きい円板状を有し、窒化アルミニウム(AlN)等のセラミックス材料や、アルミニウムやニッケル合金等の金属材料で構成されている。載置台2の内部には、ウエハWを加熱するためのヒータ21が埋め込まれている。ヒータ21は、ヒータ電源(図示せず)から給電されて発熱する。そして、載置台2の上面の近傍に設けられた熱電対(図示せず)の温度信号によりヒータ21の出力を制御することにより、ウエハWが所定の温度に制御される。載置台2には、上面の外周領域及び側面を覆うようにアルミナ等のセラミックスにより形成されたカバー部材22が設けられている。
載置台2は、支持部材23に支持されている。支持部材23は、載置台2の底面中央から処理容器1の底壁に形成された孔部を貫通して処理容器1の下方に延び、その下端が昇降機構24に接続されている。載置台2は、昇降機構24により、図1で示す処理位置と、その下方の二点鎖線で示すウエハWの搬送が可能な搬送位置との間で昇降する。支持部材23の処理容器1の下方には、鍔部25が取り付けられている。処理容器1の底面と鍔部25との間には、ベローズ26が設けられている。ベローズ26は、処理容器1内の雰囲気を外気と区画し、載置台2の昇降動作にともなって伸縮する。
処理容器1の底面近傍には、昇降板27a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27が設けられている。ウエハ支持ピン27は、処理容器1の下方に設けられた昇降機構28により昇降板27aを介して昇降する。ウエハ支持ピン27は、搬送位置にある載置台2に設けられた貫通孔2aに挿通されて載置台2の上面に対して突没可能となっている。ウエハ支持ピン27を昇降させることにより、搬送ロボット(図示せず)と載置台2との間でウエハWの受け渡しが行われる。
シャワーヘッド3は、処理容器1内に処理ガスをシャワー状に供給する。シャワーヘッド3は、例えば金属材料により形成され、載置台2に対向して配置されている。シャワーヘッド3は、載置台2とほぼ同じ直径を有する。シャワーヘッド3は、本体部31及びシャワープレート32を含む。本体部31は、天壁14の下面に固定されている。シャワープレート32は、本体部31の下に接続されている。本体部31とシャワープレート32との間には、ガス拡散空間33が形成されている。ガス拡散空間33には、天壁14及び本体部31の中央を貫通するようにガス導入孔36,37が設けられている。シャワープレート32の周縁部には、下方に突出する環状突起部34が形成されている。シャワープレート32における環状突起部34の内側の平坦面には、多数のガス吐出孔35が形成されている。
載置台2が処理位置に存在した状態では、載置台2とシャワープレート32との間に処理空間38が形成され、カバー部材22の上面と環状突起部34とが近接して環状隙間39が形成される。
排気部4は、処理容器1の内部を排気する。排気部4は、排気配管41及び排気機構42を含む。排気配管41は、排気口13bに接続されている。排気機構42は、排気配管41に接続されており、真空ポンプ、圧力制御バルブ等を含む。排気機構42は、排気ダクト13及び排気配管41を介して、処理容器1内のガスを排気する。
ガス供給部5は、シャワーヘッド3に各種のガスを供給する。ガス供給部5は、TiCl4供給源51a、NH3供給源52a、N2供給源53a、N2供給源54a、O2供給源55a、NH3供給源56a、N2供給源57a及びN2供給源58aを有する。
TiCl4供給源51aは、ガス供給ライン51bを介してTi含有ガスの一例であるTiCl4ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン51bには、上流側から流量制御器51c、貯留タンク51d及びバルブ51eが介設されている。ガス供給ライン51bのバルブ51eの下流側は、ガス導入孔37に接続されている。TiCl4供給源51aから供給されるTiCl4ガスは処理容器1内に供給される前に貯留タンク51dで一旦貯留され、貯留タンク51d内で所定の圧力に昇圧された後、処理容器1内に供給される。貯留タンク51dから処理容器1へのTiCl4ガスの供給及び停止は、バルブ51eにより行われる。このように貯留タンク51dへTiCl4ガスを一旦貯留することで、TiCl4ガスを比較的大きい流量で安定して処理容器1内に供給できる。
NH3供給源52aは、ガス供給ライン52bを介して窒素含有ガスの一例であるNH3ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン52bには、上流側から流量制御器52c、貯留タンク52d及びバルブ52eが介設されている。ガス供給ライン52bのバルブ52eの下流側は、ガス供給ライン51bに接続されている。NH3供給源52aから供給されるNH3ガスは処理容器1内に供給される前に貯留タンク52dで一旦貯留され、貯留タンク52d内で所定の圧力に昇圧された後、処理容器1内に供給される。貯留タンク52dから処理容器1へのNH3ガスの供給及び停止は、バルブ52eにより行われる。このように貯留タンク52dへNH3ガスを一旦貯留することで、NH3ガスを比較的大きい流量で安定して処理容器1内に供給できる。
N2供給源53aは、ガス供給ライン53bを介してパージガスの一例であるN2ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン53bには、上流側から流量制御器53c、貯留タンク53d及びバルブ53eが介設されている。ガス供給ライン53bのバルブ53eの下流側は、ガス供給ライン51bに接続されている。N2供給源53aから供給されるN2ガスは処理容器1内に供給される前に貯留タンク53dで一旦貯留され、貯留タンク53d内で所定の圧力に昇圧された後、処理容器1内に供給される。貯留タンク53dから処理容器1へのN2ガスの供給及び停止は、バルブ53eにより行われる。このように貯留タンク53dへN2ガスを一旦貯留することで、N2ガスを比較的大きい流量で安定して処理容器1内に供給できる。
N2供給源54aは、ガス供給ライン54bを介してキャリアガスの一例であるN2ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン54bには、上流側から流量制御器54c、バルブ54e及びオリフィス54fが介設されている。ガス供給ライン54bのオリフィス54fの下流側は、ガス供給ライン51bに接続されている。N2供給源54aから供給されるN2ガスはウエハWの成膜中に連続して処理容器1内に供給される。N2供給源54aから処理容器1へのN2ガスの供給及び停止は、バルブ54eにより行われる。オリフィス54fは、貯留タンク51d,52d,53dによってガス供給ライン51b,52b,53bに供給される比較的大きい流量のガスがN2ガス供給ライン54bに逆流することを抑制する。
O2供給源55aは、ガス供給ライン55bを介して酸素含有ガスの一例であるO2ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン55bには、上流側から流量制御器55c、貯留タンク55d及びバルブ55eが介設されている。ガス供給ライン55bのバルブ55eの下流側は、ガス導入孔36に接続されている。O2供給源55aから供給されるO2ガスは処理容器1内に供給される前に貯留タンク55dで一旦貯留され、貯留タンク55d内で所定の圧力に昇圧された後、処理容器1内に供給される。貯留タンク55dから処理容器1へのO2ガスの供給及び停止は、バルブ55eにより行われる。このように貯留タンク55dへO2ガスを一旦貯留することで、O2ガスを比較的大きい流量で安定して処理容器1内に供給できる。
NH3供給源56aは、ガス供給ライン56bを介して窒素含有ガスの一例であるNH3ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン56bには、上流側から流量制御器56c、貯留タンク56d及びバルブ56eが介設されている。ガス供給ライン56bのバルブ56eの下流側は、ガス供給ライン55bに接続されている。NH3供給源56aから供給されるNH3ガスは処理容器1内に供給される前に貯留タンク56dで一旦貯留され、貯留タンク56d内で所定の圧力に昇圧された後、処理容器1内に供給される。貯留タンク56dから処理容器1へのNH3ガスの供給及び停止は、バルブ56eにより行われる。このように貯留タンク56dへNH3ガスを一旦貯留することで、NH3ガスを比較的大きい流量で安定して処理容器1内に供給できる。
N2供給源57aは、ガス供給ライン57bを介してパージガスの一例であるN2ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン57bには、上流側から流量制御器57c、貯留タンク57d及びバルブ57eが介設されている。ガス供給ライン57bのバルブ57eの下流側は、ガス供給ライン55bに接続されている。N2供給源57aから供給されるN2ガスは処理容器1内に供給される前に貯留タンク57dで一旦貯留され、貯留タンク57d内で所定の圧力に昇圧された後、処理容器1内に供給される。貯留タンク57dから処理容器1へのN2ガスの供給及び停止は、バルブ57eにより行われる。このように貯留タンク57dへN2ガスを一旦貯留することで、N2ガスを比較的大きい流量で安定して処理容器1内に供給できる。
N2供給源58aは、ガス供給ライン58bを介してキャリアガスの一例であるN2ガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン58bには、上流側から流量制御器58c、バルブ58e及びオリフィス58fが介設されている。ガス供給ライン58bのオリフィス58fの下流側は、ガス供給ライン55bに接続されている。N2供給源58aから供給されるN2ガスはウエハWの成膜中に連続して処理容器1内に供給される。N2供給源58aから処理容器1へのN2ガスの供給及び停止は、バルブ58eにより行われる。オリフィス58fは、貯留タンク55d,56d,57dによってガス供給ライン55b,56b,57bに供給される比較的大きい流量のガスがガス供給ライン58bに逆流することを抑制する。
制御部6は、例えばコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、補助記憶装置等を備える。CPUは、ROM又は補助記憶装置に格納されたプログラムに基づいて動作し、成膜装置の動作を制御する。制御部6は、成膜装置の内部に設けられていてもよく、外部に設けられていてもよい。制御部6が成膜装置の外部に設けられている場合、制御部6は、有線又は無線等の通信ネットワークによって、成膜装置を制御できる。
〔成膜装置の動作〕
図2及び図3を参照し、前述の成膜装置を用いてウエハWの上にTiON膜を成膜する方法の一例について説明する。図3は、実施形態の成膜方法のガス供給シーケンスの一例を示す図であり、ステップS2において処理容器1内にO2ガスを供給し、ステップS4において処理容器1内にO2ガスを供給しない場合のガス供給シーケンスを示す。
図2及び図3を参照し、前述の成膜装置を用いてウエハWの上にTiON膜を成膜する方法の一例について説明する。図3は、実施形態の成膜方法のガス供給シーケンスの一例を示す図であり、ステップS2において処理容器1内にO2ガスを供給し、ステップS4において処理容器1内にO2ガスを供給しない場合のガス供給シーケンスを示す。
最初に、バルブ51e〜58eが閉じられた状態で、ゲートバルブ12を開いて搬送ロボット(図示せず)によりウエハWを処理容器1内に搬送し、搬送位置にある載置台2に載置する。搬送ロボットを処理容器1内から退避させた後、ゲートバルブ12を閉じる。載置台2のヒータ21によりウエハWを所定の温度(例えば300℃〜700℃)に加熱すると共に載置台2を処理位置まで上昇させ、処理空間38を形成する。また、排気機構42の圧力制御バルブにより処理容器1内を所定の圧力(例えば200Pa〜1200Pa)に調整する。
次いで、バルブ54e,58eを開き、N2供給源54a,58aから夫々ガス供給ライン54b,58bに所定の流量(例えば300sccm〜10000sccm)のキャリアガス(N2ガス)を供給する。また、TiCl4供給源51a、NH3供給源52a、O2供給源55a及びNH3供給源56aから夫々TiCl4ガス、NH3ガス、O2ガス及びNH3ガスをガス供給ライン51b,52b,55b,56bに供給する。このとき、バルブ51e,52e,55e,56eが閉じられているので、TiCl4ガス、NH3ガス、O2ガス及びNH3ガスは、貯留タンク51d,52d,55d,56dに夫々貯留され、貯留タンク51d,52d,55d,56d内が昇圧する。
次いで、バルブ51eを開き、貯留タンク51dに貯留されたTiCl4ガスを処理容器1内に供給し、ウエハWの上に吸着させる(ステップS1)。また、処理容器1内へのTiCl4ガスの供給と並行して、N2供給源53a,57aからガス供給ライン53b,57bに夫々パージガス(N2ガス)を供給する。このとき、バルブ53e,57eが閉じられているので、パージガスは貯留タンク53d,57dに貯留され、53d,57d内が昇圧する。
バルブ51eを開いてから所定の時間(例えば0.03秒〜3.0秒)が経過した後、バルブ51eを閉じると共にバルブ53e,57e,55eを開く。これにより、処理容器1内へのTiCl4ガスの供給を停止すると共に、貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガス及び貯留タンク55dに貯留されたO2ガスを処理容器1内に供給する(ステップS2)。このとき、圧力が上昇した状態の貯留タンク53d,57dから供給されるので、処理容器1内には比較的大きな流量、例えばキャリアガスの流量よりも大きい流量でパージガスが供給される。そのため、処理容器1内に残留するTiCl4ガスが速やかに排気配管41へと排出され、処理容器1内がTiCl4ガス雰囲気からN2ガス雰囲気に短時間で置換される。また、処理容器1内にO2ガスが供給されるので、ウエハWの上に吸着したTiCl4ガスの一部が酸化される。一方、バルブ51eが閉じられたことにより、TiCl4供給源51aからガス供給ライン51bに供給されるTiCl4ガスが貯留タンク51dに貯留され、貯留タンク51d内が昇圧する。
バルブ53e,57e,55eを開いてから所定の時間(例えば0.03秒〜3.0秒)が経過した後、バルブ53e,57e,55eを閉じると共にバルブ52e,56eを開く。これにより、処理容器1内へのパージガス及びO2ガスの供給を停止すると共に貯留タンク52d,56dに貯留されたNH3ガスを処理容器1内に供給し、ウエハWの上に吸着したTiCl4ガスを窒化する(ステップS3)。このとき、バルブ53e,57eが閉じられたことにより、N2供給源53a,57aからガス供給ライン53b,57bに夫々供給されるパージガスが貯留タンク53d,57dに貯留され、貯留タンク53d,57d内が昇圧する。また、バルブ55eが閉じられたことにより、O2供給源55aからガス供給ライン55bに供給されるO2ガスが貯留タンク55dに貯留され、貯留タンク55d内が昇圧する。
バルブ52e,56eを開いてから所定の時間(例えば0.03秒〜3.0秒)が経過した後、バルブ52e,56eを閉じると共にバルブ53e,57eを開く。これにより、処理容器1内へのNH3ガスの供給を停止すると共に貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガスを処理容器1内に供給する(ステップS4)。このとき、圧力が上昇した状態の貯留タンク53d,57dから供給されるので、処理容器1内には比較的大きな流量、例えばキャリアガスの流量よりも大きい流量でパージガスが供給される。そのため、処理容器1内に残留するNH3ガスが速やかに排気配管41へと排出され、処理容器1内がNH3ガス雰囲気からN2ガス雰囲気に短時間で置換される。一方、バルブ52e,56eが閉じられたことにより、NH3供給源52a,56aからガス供給ライン52b,56bに供給されるNH3ガスが貯留タンク52d,56dに貯留され、貯留タンク52d,56d内が昇圧する。
上記のステップS1〜S4のサイクルを1サイクル実施することにより、ウエハWの上にTiNに酸素(O)が添加されたTiON単位膜を形成する。そして、ステップS1〜S4のサイクルを予め定められた回数Xだけ繰り返すことで(ステップS5)、ウエハWの上に予め定められた膜厚を有するTiON膜が形成される。
その後、処理容器1内への搬入時とは逆の手順でウエハWを処理容器1から搬出する。
なお、上記の例では、ステップS2及びステップS4において、貯留タンク53d,57dに貯留されたパージガス(N2ガス)を処理容器1内に供給して処理容器1内をパージする場合を説明したが、これに限定されない。例えば、貯留タンク53d,57dに貯留されたパージガス(N2ガス)を処理容器1内に供給することなく、N2供給源54a,58aから処理容器1内に供給されるキャリアガス(N2ガス)によって処理容器1内をパージしてもよい。
図2及び図4を参照し、前述の成膜装置を用いてウエハWの上にTiON膜を成膜する方法の別の一例について説明する。図4は、実施形態の成膜方法のガス供給シーケンスの別の一例を示す図であり、ステップS4において処理容器1内にO2ガスを供給し、ステップS2において処理容器1内にO2ガスを供給しない場合のガス供給シーケンスを示す。
図4に示される例では、ステップS2において、バルブ51eを開いてから所定の時間が経過した後、バルブ51eを閉じると共にバルブ53e,57eを開く。これにより、処理容器1内へのTiCl4ガスの供給を停止すると共に、貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガスを処理容器1内に供給する。
また、ステップS4において、バルブ52e,56eを開いてから所定の時間が経過した後、バルブ52e,56eを閉じると共にバルブ53e,57e,55eを開く。これにより、処理容器1内へのNH3ガスの供給を停止すると共に、貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガス及び貯留タンク55dに貯留されたO2ガスを処理容器1内に供給する。なお、ステップS1及びステップS3については図3に示される例と同様であってよい。
図4に示される例においても、図3に示される例と同様に、ステップS1〜S4のサイクルを1サイクル実施することにより、ウエハWの上にTiNに酸素(O)が添加されたTiON単位膜を形成する。そして、ステップS1〜S4のサイクルを予め定められた回数Xだけ繰り返すことで(ステップS5)、ウエハWの上に予め定められた膜厚を有するTiON膜が形成される。
図2及び図5を参照し、前述の成膜装置を用いてウエハWの上にTiON膜を成膜する方法の更に別の一例について説明する。図5は、実施形態の成膜方法のガス供給シーケンスの更に別の一例を示す図であり、ステップS2及びステップS4において処理容器1内にO2ガスを供給する場合のガス供給シーケンスを示す。
図5に示される例では、ステップS2において、バルブ51eを開いてから所定の時間が経過した後、バルブ51eを閉じると共にバルブ53e,57e,55eを開く。これにより、処理容器1内へのTiCl4ガスの供給を停止すると共に、貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガス及び貯留タンク55dに貯留されたO2ガスを処理容器1内に供給する。
また、ステップS4において、バルブ52e,56eを開いてから所定の時間が経過した後、バルブ52e,56eを閉じると共にバルブ53e,57e,55eを開く。これにより、処理容器1内へのNH3ガスの供給を停止すると共に、貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガス及び貯留タンク55dに貯留されたO2ガスを処理容器1内に供給する。なお、ステップS1及びステップS3については図3に示される例と同様であってよい。
図5に示される例においても、図3に示される例と同様に、ステップS1〜S4のサイクルを1サイクル実施することにより、ウエハWの上にTiNに酸素(O)が添加されたTiON単位膜を形成する。そして、ステップS1〜S4のサイクルを予め定められた回数Xだけ繰り返すことで(ステップS5)、ウエハWの上に予め定められた膜厚を有するTiON膜が形成される。
図2及び図6を参照し、前述の成膜装置を用いてウエハWの上にTiON膜を成膜する方法の更に別の一例について説明する。図6は、実施形態の成膜方法のガス供給シーケンスの更に別の一例を示す図であり、ステップS2の一部の期間において処理容器1内にO2ガスを供給する場合のガス供給シーケンスを示す。
図6に示される例では、ステップS2において、バルブ51eを開いてから所定の時間が経過した後、バルブ51eを閉じると共にバルブ53e,57eを開く。これにより、処理容器1内へのTiCl4ガスの供給を停止すると共に、貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガスを処理容器1内に供給する。また、バルブ53e,57eを開いてから所定の時間が経過した後、バルブ55eを開く。これにより、ステップS2の期間の途中から貯留タンク55dに貯留されたO2ガスを処理容器1内に供給する。また、ステップS2においては、バルブ55eを閉じてから所定の時間が経過した後、バルブ53e,57eを閉じる。
また、ステップS4において、バルブ52e,56eを開いてから所定の時間が経過した後、バルブ52e,56eを閉じると共にバルブ53e,57eを開く。これにより、処理容器1内へのNH3ガスの供給を停止すると共に、貯留タンク53d,57dに夫々貯留されたパージガスを処理容器1内に供給する。なお、ステップS1及びステップS3については図3に示される例と同様であってよい。
図6に示される例においても、図3に示される例と同様に、ステップS1〜S4のサイクルを1サイクル実施することにより、ウエハWの上にTiNに酸素(O)が添加されたTiON単位膜を形成する。そして、ステップS1〜S4のサイクルを予め定められた回数Xだけ繰り返すことで(ステップS5)、ウエハWの上に予め定められた膜厚を有するTiON膜が形成される。
以上、図2〜図6を参照して成膜装置を用いてウエハWの上にTiON膜を成膜する方法の例を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、図4に示される例において、ステップS4の一部の期間において処理容器1内にO2ガスを供給するようにしてもよい。また、図5に示される例において、ステップS2及びステップS4の少なくとも一方の一部の期間において処理容器1内にO2ガスを供給するようにしてもよい。
〔評価〕
(成膜速度及び面内均一性)
図7を参照し、前述の成膜装置を用いた実施形態の成膜方法により成膜されるTiON膜の成膜速度及び面内均一性について説明する。図7は、サイクル数と膜厚との関係を示す図である。図7中、横軸にサイクル数[回]を示し、縦軸に膜厚[Å]を示す。
(成膜速度及び面内均一性)
図7を参照し、前述の成膜装置を用いた実施形態の成膜方法により成膜されるTiON膜の成膜速度及び面内均一性について説明する。図7は、サイクル数と膜厚との関係を示す図である。図7中、横軸にサイクル数[回]を示し、縦軸に膜厚[Å]を示す。
図7の黒丸(●)印で示されるプロットは、前述の図3に示される成膜方法により基板の上にTiON膜を成膜した場合(以下「実施例1」という。)の結果を示す。すなわち、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給し、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給しなかった場合の結果を示す。
図7の白丸(〇)印で示されるプロットは、前述の図4に示される成膜方法により基板の上にTiON膜を成膜した場合(以下「実施例2」という。)の結果を示す。すなわち、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給し、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給しなかった場合の結果を示す。
図7の四角(■)印で示されるプロットは、TiCl4供給、パージ、NH3供給、パージを1サイクルとし、パージの際にO2ガスを供給することなく、このサイクルを繰り返して基板の上にTiN膜を成膜した場合(以下「比較例1」という。)の結果を示す。
図7の菱形(◆)印で示されるプロットは、TiCl4供給、パージ、NH3供給、パージ、O2供給、パージを1サイクルとし、このサイクルを繰り返して基板の上にTiON膜を成膜した場合(以下「比較例2」という。)の結果を示す。
なお、上記のいずれの成膜方法においても、基板温度を300℃に設定して成膜を行った。
図7に示されるように、いずれの成膜方法においても、TiON膜(TiN膜)の膜厚がサイクル数に比例することが分かる。すなわち、TiCl4ガスをパージするステップS2及びNH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給しても、O2ガスを供給しない場合と同様の膜厚制御性が得られると言える。
また、実施例1、実施例2及び比較例2において、基板の面内における複数箇所のTiON膜の膜厚を測定し、測定した膜厚に基づいて1σ%(標準偏差σを平均値で割って百分率表示した値)を算出した。その結果、実施例1、実施例2及び比較例2における1σ%の値は、それぞれ1.09、1.37、1.07であった。この結果によれば、TiCl4ガスをパージするステップS2及びNH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給しても、パージするステップとは別にO2ガスを供給するステップを行う場合と同等の面内均一性が得られると言える。
(パーティクル)
まず、前述の成膜装置を用いて図3及び図4のそれぞれに示される成膜方法により基板の一例であるベアシリコンウエハの上にTiON膜を成膜した。続いて、該TiON膜の表面に付着した、粒径が0.032μm以上のパーティクルの数を測定し、パーティクルの数が基準値(10個)以下であるかを確認した。なお、パーティクル評価では、図3及び図4に示される成膜方法をそれぞれ5回行い、それぞれについてパーティクルの数を測定した。
まず、前述の成膜装置を用いて図3及び図4のそれぞれに示される成膜方法により基板の一例であるベアシリコンウエハの上にTiON膜を成膜した。続いて、該TiON膜の表面に付着した、粒径が0.032μm以上のパーティクルの数を測定し、パーティクルの数が基準値(10個)以下であるかを確認した。なお、パーティクル評価では、図3及び図4に示される成膜方法をそれぞれ5回行い、それぞれについてパーティクルの数を測定した。
図3に示される成膜方法では、パーティクルの数は0個、4個、0個、1個、9個であり、5回とも基準値を下回る結果であった。すなわち、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを添加してもパーティクル性能への悪影響は確認されなかった。
図4に示される成膜方法では、パーティクルの数は0個、2個、1個、0個、5個であり、5回とも基準値を下回る結果であった。すなわち、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを添加してもパーティクル性能への悪影響は確認されなかった。
なお、パーティクルの評価における図3及び図4に示される成膜方法の条件はそれぞれ以下である。
(図3に示される成膜方法の条件)
基板温度:300℃
TiCl4(流量制御器51c):140sccm
NH3(流量制御器52c):7000sccm
N2(流量制御器53c):3600sccm
N2(流量制御器54c):4500sccm
N2(流量制御器57c):3600sccm
N2(流量制御器58c):4500sccm
O2(流量制御器55c):1130sccm
時間:S1/S2/S3/S4=0.05/0.2(O2ガス添加)/0.3/0.3秒
O2ガスの貯留タンク55dへの貯留時間:0.75秒
O2ガスの供給時間:0.1秒
サイクル数:96回
基板温度:300℃
TiCl4(流量制御器51c):140sccm
NH3(流量制御器52c):7000sccm
N2(流量制御器53c):3600sccm
N2(流量制御器54c):4500sccm
N2(流量制御器57c):3600sccm
N2(流量制御器58c):4500sccm
O2(流量制御器55c):1130sccm
時間:S1/S2/S3/S4=0.05/0.2(O2ガス添加)/0.3/0.3秒
O2ガスの貯留タンク55dへの貯留時間:0.75秒
O2ガスの供給時間:0.1秒
サイクル数:96回
(図4に示される成膜方法の条件)
基板温度:300℃
TiCl4(流量制御器51c):140sccm
NH3(流量制御器52c):7000sccm
N2(流量制御器53c):3600sccm
N2(流量制御器54c):4500sccm
N2(流量制御器57c):3600sccm
N2(流量制御器58c):4500sccm
O2(流量制御器55c):1130sccm
時間:S1/S2/S3/S4=0.05/0.2/0.3/0.3秒(O2ガス添加)
貯留タンク55dへの貯留時間:0.75秒
O2ガスの供給時間:0.1秒
サイクル数:107回
基板温度:300℃
TiCl4(流量制御器51c):140sccm
NH3(流量制御器52c):7000sccm
N2(流量制御器53c):3600sccm
N2(流量制御器54c):4500sccm
N2(流量制御器57c):3600sccm
N2(流量制御器58c):4500sccm
O2(流量制御器55c):1130sccm
時間:S1/S2/S3/S4=0.05/0.2/0.3/0.3秒(O2ガス添加)
貯留タンク55dへの貯留時間:0.75秒
O2ガスの供給時間:0.1秒
サイクル数:107回
(膜中酸素濃度)
図8〜図10を参照し、前述の成膜装置を用いた実施形態の成膜方法により成膜されるTiON膜の膜中酸素濃度の評価結果について説明する。
図8〜図10を参照し、前述の成膜装置を用いた実施形態の成膜方法により成膜されるTiON膜の膜中酸素濃度の評価結果について説明する。
図8は、酸素供給時間と膜中酸素濃度との関係を示す図である。図8中、横軸に酸素供給時間[秒]を示し、縦軸に膜中酸素濃度[%]を示す。
図8の黒丸(●)印で示されるプロットは、前述の図3に示される成膜方法により基板の上にTiON膜を成膜した場合の結果を示す。すなわち、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給し、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給しなかった場合の結果を示す。
図8の白丸(〇)印で示されるプロットは、前述の図4に示される成膜方法により基板の上にTiON膜を成膜した場合の結果を示す。すなわち、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給し、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給しなかった場合の結果を示す。
図8に示されるように、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給し、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給しない場合、O2ガスの供給時間を長くするほど膜中酸素濃度が高くなることが分かる。すなわち、TiCl4ガスをパージするステップS2におけるO2ガスの供給時間を変更することで、膜中酸素濃度を調整できると言える。
一方、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給し、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給しない場合、O2ガスの供給時間を変更しても膜中酸素濃度は略一定であることが分かる。
これらの結果から、膜中酸素濃度を調整する際には、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給し、O2ガスの供給時間を変更することが有効であると考えられる。
図9は、基板温度が一定であるときの酸素流量と膜中酸素濃度との関係を示す図である。図9中、横軸に酸素流量[sccm]を示し、縦軸に膜中酸素濃度[%]を示す。
図9の黒丸(●)印で示されるプロットは、前述の図3に示される成膜方法により基板の上にTiON膜を成膜した場合の結果を示す。すなわち、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給し、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給しなかった場合の結果を示す。
図9の白丸(〇)印で示されるプロットは、前述の図4に示される成膜方法により基板の上にTiON膜を成膜した場合の結果を示す。すなわち、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給し、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給しなかった場合の結果を示す。
図9に示されるように、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給し、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給しない場合、酸素流量を大きくするほど膜中酸素濃度が高くなることが分かる。すなわち、TiCl4ガスをパージするステップS2における酸素流量を変更することで、膜中酸素濃度を調整できると言える。
一方、NH3ガスをパージするステップS4においてO2ガスを供給し、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給しない場合、酸素流量を変更しても膜中酸素濃度は略一定であることが分かる。
これらの結果から、膜中酸素濃度を調整する際には、TiCl4ガスをパージするステップS2においてO2ガスを供給し、酸素流量を変更することが有効であると考えられる。
図10は、基板温度を変化させたときの酸素流量と膜中酸素濃度との関係を示す図である。図10中、横軸に酸素流量[sccm]を示し、縦軸に膜中酸素濃度[%]を示す。
図10の三角(▲)印、丸(●)印、四角(■)印及び菱形(◆)印で示されるプロットは、それぞれ基板温度を300℃、350℃、375℃及び400℃に設定し、前述の図3に示される成膜方法により基板の上にTiON膜を成膜した場合の結果を示す。
図10に示されるように、基板温度が300℃〜400℃の範囲におけるいずれの温度でも、TiCl4ガスをパージするステップS2における酸素流量を大きくするほど膜中酸素濃度が高くなることが分かる。すなわち、基板温度が300℃〜400℃の範囲におけるいずれの温度でも、TiCl4ガスをパージするステップS2における酸素流量を変更することで、膜中酸素濃度を調整できると言える。また、TiCl4ガスをパージするステップS2において酸素ガスを供給する時間及び流量を小さくすることで、膜中酸素濃度が低い(例えば25〜40%)TiON膜を形成できると言える。
なお、膜中酸素濃度の評価における図3に示される成膜方法の条件はそれぞれ以下である。
(図3に示される成膜方法の条件)
基板温度:300、350、375、400℃
TiCl4(流量制御器51c):140sccm
NH3(流量制御器52c):7000sccm
N2(流量制御器53c):3600sccm
N2(流量制御器54c):4500sccm
N2(流量制御器57c):3600sccm
N2(流量制御器58c):4500sccm
O2(流量制御器55c):15、30、50、100、300sccm
時間:S1/S2/S3/S4=0.05/0.2(O2ガス添加)/0.3/0.3秒
O2ガスの貯留タンク55dへの貯留時間:0.82秒
O2ガスの供給時間:0.03秒
サイクル数:96回
基板温度:300、350、375、400℃
TiCl4(流量制御器51c):140sccm
NH3(流量制御器52c):7000sccm
N2(流量制御器53c):3600sccm
N2(流量制御器54c):4500sccm
N2(流量制御器57c):3600sccm
N2(流量制御器58c):4500sccm
O2(流量制御器55c):15、30、50、100、300sccm
時間:S1/S2/S3/S4=0.05/0.2(O2ガス添加)/0.3/0.3秒
O2ガスの貯留タンク55dへの貯留時間:0.82秒
O2ガスの供給時間:0.03秒
サイクル数:96回
なお、上記の実施形態において、チタン(Ti)は第1の元素の一例であり、TiCl4ガスは第1の反応ガスの一例である。また、窒素(N)は第2の元素の一例であり、NH3ガスは第2の反応ガスの一例である。また、酸素(O)は第3の元素の一例であり、O2ガスは第3の反応ガスの一例である。
今回開示された実施形態はすべ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、添付の請求の範囲及びその趣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。
上記の実施形態では、成膜方法としてTiON膜を成膜する場合を例に挙げて説明したが、本開示はこれに限定されず、少なくとも3つの元素を含む膜を成膜する場合に適用できる。3つの元素を含む膜の別の例としては、例えばTiSiN膜が挙げられる。TiSiN膜を成膜する場合には、酸素含有ガスに代えて、モノシラン(SiH4)ガス、ジクロロシラン(DCS)ガス等のシリコン含有ガスを用いればよい。
1 処理容器
Claims (6)
- 少なくとも3つの元素を含む膜の成膜方法であって、
処理容器内に第1の元素を含む第1の反応ガスを供給するステップと、
前記第1の反応ガスをパージするステップと、
前記処理容器内に前記第1の反応ガスと反応する第2の元素を含む第2の反応ガスを供給するステップと、
前記第2の反応ガスをパージするステップと、
を有し、
前記第1の反応ガスをパージするステップ及び前記第2の反応ガスをパージするステップの少なくとも一方において、前記処理容器内に第3の元素を含む第3の反応ガスを供給する、
成膜方法。 - 前記第1の反応ガスをパージするステップにおいて前記処理容器内に前記第3の反応ガスを供給し、
前記第2の反応ガスをパージするステップにおいて前記処理容器内に前記第3の反応ガスを供給しない、
請求項1に記載の成膜方法。 - 前記第1の反応ガスを供給するステップ、前記第1の反応ガスをパージするステップ、前記第2の反応ガスを供給するステップ及び前記第2の反応ガスをパージするステップを繰り返すステップを更に有する、
請求項1又は2に記載の成膜方法。 - 前記第1の反応ガスをパージするステップ及び前記第2の反応ガスをパージするステップにおいて、前記処理容器内に不活性ガスを供給する、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 前記第1の反応ガスは、金属を含むガスであり、
前記第2の反応ガスは、窒素含有ガスであり、
前記第3の反応ガスは、酸素含有ガス又はシリコン含有ガスである、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 前記第1の反応ガスは、TiCl4ガスであり、
前記第2の反応ガスは、NH3ガスであり、
前記第3の反応ガスは、O2ガスである、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の成膜方法。
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