JP3631984B2 - Ald薄膜蒸着方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体、例えば、ウェーハに薄膜を形成するためのALD(Atomic Layer Deposition)薄膜蒸着装置及び薄膜蒸着方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜蒸着装置は、反応容器内に収納されたウェーハに反応ガスを供給することにより、ウェーハ上に所定の薄膜を形成する装置である。この薄膜蒸着装置としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)、ALE(Atomic Layer Epitaxy)など各種の方式によるものがあり、半導体を製造するための各種の分野で応用されている。
【0003】
薄膜蒸着装置は、高集積度のチップを製作するために、かつ、運転効率及び生産性を高めるために持続的な改善がなされつつある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、不純物が最大限に除去された高純度、優れた電気特性、及びより優れたステップカーバレッジを有する薄膜が蒸着でき、しかも、運転効率及び生産性を高めることのできるALD薄膜蒸着装置及び蒸着方法を提供することである。
【0005】
本発明の他の目的は、薄膜蒸着の前後過程においても持続的に目的とする工程圧力を保ち、反応容器をポンピングする排気ラインを含むALD薄膜蒸着装置及び蒸着方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるALD薄膜蒸着方法は、ウェーハが内蔵されて蒸着される反応容器と、第1反応ガスを前記反応容器に供給するための第1反応ガス供給部と、前記第1反応ガス供給部と前記反応容器とを連結する第1反応ガス供給ラインと、第2反応ガスを前記反応容器に供給するための第2反応ガス供給部と、前記第2反応ガス供給部と前記反応容器とを連結する第2反応ガス供給ラインと、流量制御された不活性ガスを前記第1反応ガス供給ラインに供給する第1不活性ガス供給ラインと、流量制御された不活性ガスを前記第2反応ガス供給ラインに供給する第2不活性ガス供給ラインと、反応容器のガスを外部に排出する排気ラインとを含む薄膜蒸着装置に適用するものであって、流量制御された第1反応ガス及び流量制御された不活性ガスを混合して前記反応容器内のウェーハの上部の表面に噴射し、流量制御された第2反応ガス及び流量制御された不活性ガスを混合して前記反応容器内の内側面に向かって噴射することを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明によるALD薄膜蒸着装置の第1実施形態を示した図である。第1実施形態は、ウェーハにTiN、TaN薄膜を蒸着できるALD薄膜蒸着装置に関するものである。次に、TiN薄膜の蒸着について述べる。TiN薄膜を形成するために、第1反応ガスとしてTiClを、第2反応ガスとしてNHを、そして不活性ガスとしてArを使用する。
【0009】
図面を参照すれば、ALD薄膜蒸着装置は、ウェーハが内蔵されて蒸着される反応容器100と、反応容器100に反応ガスを供給するガスジャングルと、反応容器100内のガスを外部に排出する排気ライン400とを含む。
【0010】
図2は、図1のALD薄膜蒸着装置において、反応容器100の分解斜視図であり、図3は、図2に採用される反応容器100において、シャワーヘッドと拡散板とを分離して示した斜視図であり、図4は、図2の反応容器100の断面図であり、図5は、図4の反応容器100の第1混合部134の拡大図である。
【0011】
図面を参照すれば、反応容器100は、ウェーハwが内蔵されるリアクターブロック110と、リアクターブロック110にヒンジ128、129により結合されたシャワーヘッド板120と、シャワーヘッド板120に設けられて反応ガス及び/又は不活性ガスを噴射する拡散板130と、リアクターブロック110の内部に設けられ、ウェーハwが置かれるウェーハブロック140とを含む。
シャワーヘッド板120には、後述する第1接続パイプ111及び第2接続パイプ112と各々接続される第1連結ライン121及び第2連結ライン122が設けられている。
【0012】
リアクターブロック110には第1接続パイプ111及び第2接続パイプ112が設けられており、接続パイプ111、112は接続部113を通じて前記第1、第2連結ライン121、122に各々接続される。接続部113にはOリング113aが設けられていて、シャワーヘッド板120がリアクターブロック110を閉じるとき、第1、第2接続パイプ111、112と第1、第2連結ライン121、122とを密封するように連結する。シャワーヘッド板120が回転してリアクターブロック110から分離されるときには、第1、第2接続パイプ111、112と第1、第2連結ライン121、122は分離される。
【0013】
また、リアクターブロック110の底面には、流入される不活性ガス及び/又は反応ガスが排出できる排気ホール117、118が2つ以上相互対称するように形成されている。リアクターブロック110の上部にはシャワーヘッド板120を閉じるとき、リアクターブロック110とシャワーヘッド板120との間の密封が確実になされるようにメインOリング114が設けられる。
【0014】
シャワーヘッド板120は、リアクターブロック110を覆ってリアクターブロック110の内部を所定の圧力に一定に保ち、シャワーヘッド板120がリアクターブロック110を覆うとき、拡散板130をリアクターブロック110の内部に位置づける。
【0015】
拡散板130は、薄膜蒸着工程時にガスを噴射する手段であって、拡散板130には第1連結ライン121と連結されてウェーハwの上部に第1反応ガス及び/又は不活性ガスを噴射する多数の噴射口131と、第2連結ライン122と連通された流路132と連結され、第2反応ガス及び/又は不活性ガスをウェーハwの縁側に噴射可能にリアクターブロック110の内側面に向かう多数のノズル133とが形成されている。
【0016】
拡散板130の内部の中心には、図4及び図5に示されるように、第1反応ガス及び不活性ガスを均一に混合して前記噴射口131に流す第1混合部134が形成されている。第1連結ライン121に流れる第1反応ガス及び不活性ガスは第1混合部134において渦巻いて混合された後に拡散されて全ての噴射口131から均一にウェーハ上に噴射される。
【0017】
前記噴射口131は、図3ないし図5に示されるように、第1混合部134に対応する拡散板130の下部には形成されていない。そして、噴射口131が形成された拡散板130の全体の面積は、望ましくは、噴射されるガスがウェーハの全面に一様に噴射可能に、ウェーハwの面積よりも大きい。
【0018】
望ましくは、前記噴射口131の直径は1mm〜2.5mmの範囲である。このような直径は何回かに亘っての実験によって得られたものであり、この範囲内であれば、ウェーハw上に優れた特性を有する薄膜が蒸着可能になる。また、噴射口131は直径に応じて約100〜1、000個形成される。この実施形態においては、160個以上形成されている。また、噴射口131と噴射口131との間の断面は凸状である。これは、ウェーハブロック140から伝わる熱エネルギーがシャワーヘッド板120に円滑に伝わるようにして拡散板130が過熱することを防止するためである。
【0019】
ノズル133は第2混合部135を中心として放射状に形成された流路132と連通されており、図3に示されるように、リアクターブロック110の内側面に向かうように斜めに形成されている。望ましくは、ノズル133の数は約30〜100個以内である。この実施形態においては、48個のノズル133が形成されている。
【0020】
一方、第2連結ライン122とシャワーヘッド板120との間には、図4に示されるように、第2反応ガス及び不活性ガスを均一に混合するための第2混合部135が形成されている。第2混合部135は、隔壁135aに穴135bが形成された構造となっている。
【0021】
リアクターブロック110の内部に設けられるウェーハブロック140はウェーハwが置かれるものであり、蒸着作業がなされるとき所定温度以上に保たれるようにヒーターHが設けられる。
【0022】
拡散板130とウェーハブロック140との間の間隔Dは、20mm〜50mmの範囲にある。図6は薄膜蒸着時に、間隔Dと比抵抗との関係を示したグラフである。これを参照すれば、拡散板130とウェーハブロック140との間の間隔Dが30mmである場合、比抵抗が最も低いことが分かる。しかし、他の条件、例えば、第1、第2反応ガスの種類及び流量、ウェーハブロック140の温度などの条件を変えたとき、間隔Dは略20mm〜50mmの範囲内において低い比抵抗値を示す。これから、間隔Dが優れた特性の薄膜を形成する上で重要な構造的な特徴を有するという結論が得られる。
【0023】
この値は、従来のCVD反応容器において、反応ガスが噴射される拡散板とウェーハが置かれるウェーハブロックとの間隔が略50mm〜100mmであったのと対照される。この発明においては、従来に比べて間隔Dが狭いため、噴射口131から噴射される第1反応ガス及び/又は不活性ガスの噴射圧力によってウェーハw上に密な第1反応ガス層が形成され、この第1反応ガス層は以降に流入される第2反応ガスと反応して、より高純度及び電気特性に優れた薄膜の形成を可能にする。
【0024】
ウェーハブロック140の外周にはポンピングバッフル150が形成される。ポンピングバッフル150には、ウェーハブロック140の側部に設けられた側壁150aと、対称する穴150cが形成された底壁150とbが形成されている。このとき、ポンピングバッフルの底壁150bの下部、すなわち、リアクターブロック110の底面には、排気ライン117、118と連結されたドーナツ状のポンピングポート115が形成されている。
【0025】
ポンピングバッフル150において、側壁150a及び底壁150bは、リアクターブロック110の内側面に噴射される第2反応ガス及び/又は不活性ガスがウェーハw上に形成された第1反応ガス層と均一に反応可能にする空間を与える。穴150cは、薄膜蒸着工程中に排出される工程副産物及び薄膜蒸着に利用できなかったガスを排出可能にし、このようなガスは排気ホール117、118を経由し、ポンピングポート115を通じて排気される。
【0026】
一方、薄膜蒸着工程を行うに当たって、反応容器の内部の圧力は1Torr〜10Torrの範囲内に保つ必要があるが、このような圧力を観察及び制御するために、反応容器100には圧力測定部160が設けられている。
【0027】
反応容器100の内部及び外部には多数のヒーターHが設けられていて、薄膜蒸着工程が行われる時に反応容器100を加熱する。この実施形態において、リアクターブロック110の内側面の温度は約120℃〜200℃の範囲に、そして拡散板130は約150℃〜260℃の範囲に保たれる。また、ウェーハブロック140は約425℃〜650℃の範囲に、そしてポンピングバッフル150は150℃〜230℃の範囲に保たれる。そして、ウェーハwを供給及び移送する移送モジュール102と反応容器100との間のバット弁101の温度は約140℃〜170℃の範囲に保たれる。
【0028】
前述のような反応容器100は、ウェーハ移送穴116を通じて移送されたウェーハwがウェーハブロック140に置かれ、所定の温度に加熱された状態で、第1反応ガス及び/又は不活性ガスが第1接続パイプ111→第1連結ライン121を経由し、拡散板130の噴射口131を通じてウェーハwの上部に噴射される。また、第2反応ガス及び/又は不活性ガスが第2接続パイプ112→第2連結ライン122→流路132を経由し、ノズル133を通じてウェーハwの縁側に噴射される。これらの第1及び第2反応ガスはウェーハw上に薄膜を形成し、工程副産物や薄膜蒸着に利用できなかったガスは排気ホール117、118及びポンピングポート115を通じて外部に排出される。
【0029】
ガスジャングルは、図1に示されるように、第1反応ガスを反応容器100に供給するための第1反応ガス供給部210と、第2反応ガスを反応容器100に供給するための第2反応ガス供給部230とを含む。
【0030】
第1反応ガス供給部210は第1反応ガス供給ライン220を通じて反応容器100と連結され、第2反応ガス供給部230は第2反応ガス供給ライン240を通じて反応容器100と連結される。
【0031】
不活性ガス供給源250から供給される不活性ガスが流れる第1不活性ガス供給ライン260は第1反応ガス供給ライン220と連結され、不活性ガス供給源250から供給される不活性ガスが流れる第2不活性ガス供給ライン270は第2反応ガス供給ライン240と連結される。
【0032】
第1反応ガス供給部210は、第1反応原料をガス化するバブラー211と、バブラー211から供給される第1反応ガスの流量を制御する第1反応ガス流量制御器(MFC;Mass Flow Controller)212と、バブラー211と第1反応ガス流量制御器212との間のラインに設けられて第1反応ガスの流れをオン/オフする第1弁V1及び第2弁V2を含む。
【0033】
第1反応ガス供給ライン220には、第1反応ガス流量制御器212により制御された第1反応ガスの流れをオン/オフする第3弁V3が設けられる。
第2反応ガス供給部230は、第2反応ガスの流れをオン/オフする第4弁V4と、第4弁V4を経由した第2反応ガスの流量を制御する第2反応ガス流量制御器232とを含む。第2反応ガス供給ライン240には、第2反応ガス流量制御器232により制御された第2反応ガスの流れをオン/オフする第5弁V5が設けられる。
【0034】
第1不活性ガス供給ライン260には、供給される不活性ガスの流れをオン/オフする第6弁V6と、前記第6弁V6を経由した不活性ガスの流量を制御する第1不活性ガス流量制御器262と、第1不活性ガス流量制御器262により制御された不活性ガスの流れをオン/オフする第7弁V7とが設けられる。
【0035】
第2不活性ガス供給ライン270には、供給される不活性ガスの流れをオン/オフする第8弁V8と、第8弁V8を経由した不活性ガスの流量を制御する第2不活性ガス量制御器272と、第2不活性ガス流量制御器272により制御された不活性ガスの流れをオン/オフする第9弁V9とが設けられる。
【0036】
ガスジャングルは、第1反応ガス及び/又は不活性ガスを反応容器100を経ずに直ちに排気ライン400に流すための第1バイパスライン280と、第2反応ガス及び/又は不活性ガスを反応容器100を経ずに直ちに排気ライン400に流すための第2バイパスライン290とを含む。
【0037】
第1バイパスライン280は、第1反応ガス流量制御器212と第3弁V3との間のラインに連結され、排気ライン400への第1反応ガスの流れをオン/オフする第10弁V10と、第1不活性ガス流量制御器262と第7弁V7との間のラインに連結され、排気ライン400への不活性ガスの流れをオン/オフする第11弁V11とを含む。
【0038】
第2バイパスライン290は、第2反応ガス流量制御器232と第5弁V5との間のラインと連結され、排気ライン400への第2反応ガスの流れをオン/オフする第12弁V12と、第2不活性ガス流量制御器272と第9弁V9との間のラインと連結され、排気ライン400への不活性ガスの流れをオン/オフする第13弁V13とを含む。
【0039】
第1、第2バイパスライン280、290は、第1反応ガスや第2反応ガスまたは不活性ガスなどの原料を詰め替えるときに流入される少量の空気を反応容器100を経ずに直ちに排気ライン400に流す場合に、またはライン内に汚染源が生じる場合に、またはガスジャングルを新しいものに取り替える場合に、ガスジャングル内のラインをパージするために使用される。
【0040】
このように、ライン内に残存する第1、第2反応ガスや空気または汚染源などは不活性ガスによって第1、第2バイパスライン280、290を通じて直ちに排気ライン400にパージされるので、反応容器100が汚染されることを防止できる。このため、これら第1、第2バイパスライン280、290は、薄膜を蒸着する工程などにおいては使用されず、特殊な場合に限って使用される。
【0041】
ガスジャングルは、ラインに残存するガス及び/又は汚染源をパージするためのものであって、不活性ガス供給源310からの不活性ガスを供給する別途の不活性ガス供給ライン320をさらに含む。不活性ガス供給ライン320は、第1反応ガス供給部210、第2反応ガス供給部230、第1不活性ガス供給ライン260、第2不活性ガス供給ライン270、第1バイパスライン280、第2バイパスライン290、排気ライン400などと有機的に連結されている。
【0042】
このような不活性ガス供給ライン320は、第1反応ガス供給部210への不活性ガスの流れをオン/オフするための第14弁V14と、第2反応ガス供給部230への不活性ガスの流れをオン/オフするための第15弁V15と、第1不活性ガス供給ライン260への不活性ガスの流れをオン/オフするための第16弁V16と、第2不活性ガス供給ライン270への不活性ガスの流れをオン/オフするための第17弁V17と、第1バイパスライン280への不活性ガスの流れをオン/オフするための第18弁V18と、第2バイパスライン290への不活性ガスの流れをオン/オフするための第19弁V19とを通じて、工程に必要な基本的なガスラインに接続される。
【0043】
ガスジャングルは、反応容器100をクリーニングするために、第1、第2反応ガス供給ライン220、240のうち少なくともいずれか一つと連結されるクリーニングガス供給ライン340を含む。クリーニングガス供給ライン340は、この実施形態において、クリーニングガス供給部330からのクリーニングガスを第1反応ガス供給ライン220を通じて反応容器100に流す。
【0044】
クリーニングガス供給ライン340には、供給されるクリーニングガスの流れをオン/オフする第21弁V21と、第21ガス弁V21を経由したクリーニングガスの流量を制御するクリーニングガス流量制御器342と、クリーニングガス流量制御器342により制御されたクリーニングガスの流れをオン/オフする第22弁V22とが設けられる。
【0045】
排気ライン400には、反応容器100及び第1、第2バイパスライン280、290、クリーニングガス供給ライン340などが連結されている。排気ライン400には、圧力測定部160において測定された反応容器100内の圧力によって制御されるものであって、排出されるガス量を調節するスロットル弁TVと、排気ガスの流れをオン/オフする第23弁V23、第24弁V24、第25弁V25、排気ポンプ410などが設けられている。このとき、第1バイパスライン280は第23弁V23と第24弁V24との間のラインに連結され、第2バイパスライン290は第25弁V25と排気ポンプ410との間のラインに連結されている。
【0046】
一方、前述のようなガスジャングルにおいて、反応ガスが流れる時に望ましくない凝縮現象によるコールドスポットが形成される場合がある。コールドスポットは薄膜蒸着工程時に悪影響を及ぼすため、ラインにはコールドスポットの発生を抑えるためのヒーター(図示せず)が設けられる。望ましくは、これらヒーターはライン別にできる限り領域区分けをして独立的に設けられる。また、望ましくは、ライン内の全ての領域において温度勾配を形成する。この実施形態においては、反応容器100に行くほど温度勾配を40℃〜200℃の範囲に設定される。
【0047】
次に、前述のような構造のALD薄膜蒸着装置の第1実施形態の動作について述べる。
以上のような構造を有する本実施形態の動作において、第1反応ガスとしてTiClを、第2反応ガスとしてNHを、そして不活性ガスとしてArを使用する。従って、バブラー211には液状のTiClが入れられている。
【0048】
反応容器100は、図7に示されるように、ウェーハwを供給及び移送する移送モジュール102にバット弁101を挟んで装着される。ウェーハwは、移送モジュール102のロボットアーム(図示せず)によりウェーハ移送穴116を通じて反応容器100の内部に移送されてウェーハブロック140に置かれる。
【0049】
ウェーハwがヒーターブロック140上に置かれると、ウェーハブロック140の温度は425℃〜650℃に上がってウェーハwを400℃〜600℃まで上昇させ、ウェーハの温度が安定化した後に反応容器100へのガス流入を行う。
【0050】
ガスの流入は、先ず第1弁V1、第6弁V6、第8弁V8、第4弁V4を数秒間開くことで始まる。すると、バブリングされたTiClガスは第2弁V2まで満たされ、Arガスは第1、第2不活性ガス流量制御器262、272によって適切に流量制御された後、第7弁V7及び第9弁V9まで満たされ、NHガスは第2反応ガス流量制御器232によって適切に流量制御された後、第5弁V5まで満たされる。
【0051】
次に、第7弁V7、第9弁V9を開いて不活性ガスを反応容器100の内部に流入させる。ガスが流入される前に、反応容器100の内部の圧力は10−4〜5×10−3torに保たれるが、不活性ガスが流入されるに伴い、反応容器100の内部の圧力は1〜10Torrとなる。このような圧力は、反応容器100に設けられた圧力測定部160が排気ライン400のスロットル弁TVを適切に開くことで可能となる。ここで、第7弁及び第9弁V7、V9を第6弁及び第8弁V6、V8を開いた後で順次開く理由は、第7弁、第9弁V7、V9を突然開く場合、これら弁を通じて反応容器100内のガスが逆流する場合があるからである。
【0052】
次に、薄膜蒸着工程時に生じるパーティクルの生成を防止するために、パーティクル生成防止段階を行う。薄膜蒸着過程中に生じるパーティクルは薄膜の品質を落とすため、パーティクルの生成を防止するパーティクル生成防止段階は極めて重要な段階である。パーティクル生成防止段階は、Arガスを反応容器100に流入しつつ、TiClガスを反応容器100に流入する少なくとも数秒前に第5弁V5を開いてNHガスを反応容器100に流入させることで行われる。
【0053】
もし、NHガスよりもTiClガスが反応容器100に先に流入されると、TiClガスの一部が拡散板130の表面において反応し、その副産物としてパーティクルが生じる。パーティクル生成防止段階とは、このようなパーティクルの生成を防止する段階である。パーティクルは拡散板130の表面に蒸着されたTiNxCly層、或いは拡散板の材質であるAlの極めて微細な欠片であろう。
【0054】
したがって、TiClガスが拡散板130の表面においてパーティクルを生じないようにするため、TiClガスが流入される数秒前にNHガスを先に流入させて、拡散板130の表面にNH層を予め形成する。拡散板130の表面に形成されたNHガス層は、後続する本格的な薄膜蒸着工程中に流入されるTiClガスと反応して、TiClガスが拡散板130の表面においてパーティクルを生じることを最大限に抑える。
【0055】
この理由は、拡散板130の表面に予め形成されたNHガス層がTiClガスと反応して後述する気相のHClを生成させることにより、TiClガスが拡散板130の表面と反応したり、或いは瞬間エッチングできなくなり、その結果、微細なパーティクルの生成が防止されることにある。前述した気相副産物は直ちに排気ライン400を通じて外部に排出される。反応容器100内において起こる一連の反応を化学式で表わせば、
2NH+TiCl→TiN(s)+4HCl(g)+H(g)+0.5Nとなる。
【0056】
パーティクル生成防止段階を行った後に、反応容器100へのTiClガス及びNHガスの流入量を調節することにより、ウェーハw上にTiN薄膜を本格的に蒸着する。
【0057】
TiN薄膜の蒸着は、反応容器100内にNHガス及びTiClガスを交互に流入させることにより行われるが、どちらを先に流入させてもよい。例えば、TiClガスを先に流入する場合には、反応容器に、先ず第1段階としてTiClガス及びArガスを共に流入させ、所定時間経過後TiClガスを排除させる。すると、ウェーハw上にTiClガス層が形成され、このガス層は流入され続けるArガスによって圧着される。
【0058】
次に、第2段階として、NHガス及びArガスを共に流入させておいて、NHガスの供給を所定時間遮断する。NHガスは、既にウェーハw上に形成されているTiClガス層と反応してウェーハwにTiN薄膜を形成する。すなわち、第1、第2段階の連続的な進行を通じてTiN+NH層が形成される。
次に、TiN+NH層上に継続的な薄膜成長のために第1段階を再び実施する。すると、TiN+NH層はTiN+TiN+TiCl層に変わる。次に、2段階の実施によりTiN+TiN+TiN+NH層を形成し、このような過程を繰り返すことにより所望の厚さのTiN薄膜が得られる。
【0059】
このようなTiN薄膜蒸着過程は、第6、第7弁V6、V7及び第8、第9弁V8、V9を開いてArガスを反応容器100内に流入しつつ、第1弁V1及び第4弁V4を常に開いた状態で第3弁V3及び第5弁V5を交互に開いたり閉めたりすることで行われる。
【0060】
このとき、第2弁V2は第3弁V3が開く前に開かれてTiClガスが第1反応ガス流量制御器212を経由して第3弁V3まで満たされるようにし、次に、第3弁V3を開いて第1反応ガスを反応容器100に送るときに第2弁V2は閉じられるようにする。すなわち、第1反応ガスは弁と弁との間を単位として順次に第1反応ガス供給ライン220を流れる。そして、反応過程によって生じた工程副産物は、排気ライン400のスロットル弁TV、常に開かれている第23、第24、第25弁V23、V24、V25を経由して排出される。
【0061】
以上のような反応を要約すれば、TiClガスは第1、第2弁V1、V2を経て流量制御された後、第3弁V3を通じて第1反応ガス供給ライン220に流れ、Arガスは流量制御された後、第7弁V7を経て第1反応ガス供給ライン220においてTiClガスと混合されて反応容器100に流れる。
【0062】
次に、混合されたTiCl及びArは、第1接続パイプ111及び第1連結ライン121を経由し、第1混合部134において再び均一に混合されて噴射口131を通じてウェーハw上に一様に噴射される。NH反応ガスは第4弁V4を経て流量制御された後、第5弁V5を通じて第2反応ガス供給ライン240に流れ、Arガスは流量制御された後、第9弁V9を経て第2反応ガス供給ライン240においてNHガスと混合されて反応容器100に流れる。
【0063】
次に、混合されたNHガス及びArガスは、第2接続パイプ112及び第2連結ライン122を経由し、第2混合部135において再び混合された後、ノズル133を通じてリアクターブロック110の内側壁に向かって噴射される。
【0064】
このとき、望ましくは、流量制御されるTiClガスの流量を1SCCM以上、TiClガスと混合されるArガスの流量を50SCCM以上、NHの流量を50SCCM以上、NHガスと混合されるArガスの流量を60SCCM以上にする。この値は何回かに亘っての実験によって得られたものであり、流量が少なくとも前記値以上であるとき、高純度を有し、電気特性が優秀であるほか、ステップカーバレッジが良好な薄膜が得られる。
【0065】
この実施形態においては、TiClガスを排除した後、NHガスを流入させるまでには少なくとも1秒以上の時間間隔をおいた。
また、TiClガス及び不活性ガスを反応容器100の内部に流入させる時間と、その次に反応容器100へNHガスを流入させる前に前記TiClガスを排除する時間との比は1:1.2以上にした。
【0066】
また、第1不活性ガス供給ライン260を通じて流入される不活性ガスの流量値と、第2不活性ガス供給ライン270を通じて流入される不活性ガスの流量値との比を1:1.2以上にして、拡散性の強いTiClガスが前記第2反応ガス供給ライン240を経由して逆流できないようにした。
【0067】
このような方式により行う薄膜蒸着は、反応容器100への連続的なガス噴射によりなされ、また圧力測定部160及びスロットル弁を含む弁との適切な信号交換及び制御により反応容器100の工程圧力が一定に保たれる。その結果、蒸着される薄膜の均一化などが一層向上される。
【0068】
一方、ウェーハw上にTiN薄膜を蒸着する過程において、薄膜にClが含まれ得る。Clは薄膜の純度、電気特性などを悪くするため、Clを除去するCl除去段階もやはり重要である。Cl除去段階は、TiClガスが流入されないように第3弁V3を閉じ、第6、第7弁V6、V7、第8、第9弁V8、V9、第4、第5弁V4、V5を開いておくことにより行われる。すなわち、反応容器100にArガス及びNHガスだけを供給する。すると、NHガスがウェーハw上に形成されたTiN薄膜内のClと反応してHClが形成され、次に反応容器100の外部に排出される。このようなCl除去段階は、薄膜のCl含量が十分に低い場合には省略できる。
【0069】
そして、第1反応ガスとしてTa元素を含む化合物ガスを用い、第2反応ガスとしてNを含む化合物、例えばNHガスを用いる場合にも、前記のような方式を行うことでウェーハw上にTaN薄膜を蒸着できる。
【0070】
次に、本発明によるALD薄膜蒸着装置の第2実施形態について説明する。
図8は、本発明によるALD薄膜蒸着装置の第2実施形態を示した図である。ここで、図1と同一の参照符号は同一の機能をする同一の部材である。
【0071】
第2実施形態が第1実施形態と異なる点は、第1実施形態がウェーハw上にTiNまたはTaN薄膜を蒸着できるのに比べ、第2実施形態においてはWNなどの薄膜を形成できる。これを可能にするために、第1実施形態の構成のうち、第1反応ガス供給部210が第1反応ガス供給部510に取り替えられる。
【0072】
第1反応ガス供給部510は、第1反応ガスの流れをオン/オフする第31弁V31と、第31弁V31を経由した第1反応ガスの流量を制御する第1反応ガス流量制御器512とを含む。この第1反応ガス供給部510は第3弁V3と連結される。そして、第1反応ガスの原料としてWFを使用し、第2反応ガスとしてNを含む化合物ガス、例えば、NHを使用し、不活性ガスとしてArガスを使用する。
【0073】
WN薄膜を蒸着する場合には、反応容器100内にNHガス及びWFガスを交互に流入させることにより行われるが、例えば、WFガスを先に流入する場合には、先ず第1段階としてWFガス及びArガスを共に流入させておいて、所定時間WFガスを排除させる。すると、ウェーハw上にWFガス層が形成され、このガス層は継続して流入されるArガスにより圧着される。次に、第2段階としてNHガス及びArガスを共に流入させておいて、所定時間NHガスの流入を遮断する。NHガスは既にウェーハw上に形成されているWFガス層と反応してウェーハwにWN薄膜を形成する。すなわち、第1、第2段階の連続的な進行を通じて結局WN+NH層が形成される。
【0074】
次に、WN+NH層上に継続的な薄膜成長のために第1段階を再び実施する。すると、WN+NH層はWN+WN+WFガス層に変わる。次に、第2段階の実施によりWN+WN+WN+NH層を形成し、これらの過程を繰り返すことにより所望の厚さのWN薄膜が得られる。
【0075】
次に、本発明によるALD薄膜蒸着装置の第3実施形態について説明する。
図9は、本発明によるALD薄膜蒸着装置の第3実施形態を示した図である。ここで、図1と同一の参照符号は同一の機能をする同一の部材である。
【0076】
第3実施形態が第1実施形態と異なる点は、第1実施形態がTiNまたはTaN薄膜を蒸着できるのに比べ、第3実施形態においては、TiNまたはTaNはもちろん、Ti、TiAINなどの薄膜を形成できる。これを可能にするために、第1実施形態の構成に加え、第3反応ガスであるトリメチルアルミニウムガスを第2反応ガス供給ライン240に供給する第3反応ガス供給部620と、第4反応ガスであるHガスを前記第2反応ガス供給ライン240に供給する第4反応ガス供給部610とをさらに含む。
【0077】
第4反応ガス供給部610は、供給するHの流れをオン/オフする第32弁V32、第32弁V32を経由したHの流量を制御する第4反応ガス流量制御器612、第4反応ガス流量制御器612により制御されたHガスの流れをオン/オフする第33弁V33を含む。
【0078】
第3反応ガス供給部620は、第3反応原料をガス化するバブラー621と、流れる第3反応ガスの流量を制御する第3反応ガス流量制御器622と、バブラー621と第3反応ガス流量制御器622との間のラインに設けられて第3反応ガスの流れをオン/オフする第34弁V34と、第2反応ガス供給ライン240に第3反応ガス流量制御器622により制御された第3反応ガスの流れをオン/オフする第35弁V35とを含む。
【0079】
すなわち、前記した構成において、第1反応ガスとしてTi、Ta転移金属元素を含む化合物ガスを使用し、不活性ガスとしてArを、第3反応ガスとしてTMAガスを、そして第4反応ガスとしてHガスを使用する。
【0080】
このような構造の薄膜蒸着装置の第3実施形態は、前述した第1実施形態とほぼ同一なため、その詳細な説明は省略する。
前記各実施形態において、第1反応ガスとしてTiClやTi、Ta、Wなどの転移金属元素を含む化合物ガスを使用したが、他のガスを使用しても良い。同様に、不活性ガスとしてArガスを使用したが、これに限定されることなく、He、Nなど、他の種類のガスを使用しても良い。また、第2反応ガスとしてNHガスを使用したが、これに限定されることなく、Nを含む他の種類の化合物ガスを使用しても良い。
【0081】
本発明によるALD薄膜蒸着装置の第1、第2、第3実施形態においては、薄膜蒸着工程において共通的に中心となる第1、第2反応ガスに関し、混合された第1反応ガス及び不活性ガスをウェーハの上部に噴射し、混合されたNHガス及び不活性ガスをリアクターブロックの内側壁に噴射させる。そして、拡散板130とウェーハブロック140との間の間隔を20mm〜50mmに近づけて様々な反応ガスをウェーハ上に順次圧着させつつ反応させることにより、より優れた純度及び電気特性を有し、ステップカーバレッジに優れたTi、TiAIN、TiN、TaN、WN膜などを蒸着できる。
また、初期にNHガスを第1反応ガスよりも数秒前に予め反応容器に噴射させることにより、パーティクルの発生を抑えることができる。
【0082】
また、薄膜蒸着がなされた後、或いはなされる過程において、NHガスを反応容器100に噴射することにより、薄膜内に存在するClを除去して膜の電気特性を高めることができる。
【0083】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、より優れた純度及び電気特性を有し、ステップカーバレッジに優れた薄膜、すなわち高品質な薄膜を効率的に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるALD薄膜蒸着装置の第1実施形態を示した図である。
【図2】図1のALD薄膜蒸着装置において、反応容器の分解斜視図である。
【図3】図2に採用される反応容器において、シャワーヘッドと拡散板とを分離して示した斜視図である。
【図4】図2の反応容器の断面図である。
【図5】図4の反応容器の第1混合部を拡大した図である。
【図6】薄膜形成時に、間隔Dと比抵抗との関係を示したグラフである。
【図7】反応容器が移送モジュールにバット弁を通じて結合された状態を示した図である。
【図8】本発明によるALD薄膜蒸着装置の第2実施形態を示した図である。
【図9】本発明によるALD薄膜蒸着装置の第3実施形態を示した図である。
【符号の説明】
100…反応容器、210,510…第1反応ガス供給部、211…バブラー、212,512…第1反応ガス流量制御部、220…第1反応ガス供給ライン、230…第2反応ガス供給部、232…第2反応ガス流量制御部、240…第2反応ガス供給ライン、260…第1不活性ガス供給ライン、262…第1不活性ガス流量制御部、270…第2不活性ガス供給ライン、272…第2不活性ガス流量制御部、280…第1バイパスライン、290…第2バイパスライン、400…排気ライン、610…第4反応ガス供給部、612…第4反応ガス流量制御部、620…第3反応ガス供給部、621…バブラー、622…第3反応ガス流量制御部、V1…第1弁、V2…第2弁、V3…第3弁、V4…第4弁、V5…第5弁、V6…第6弁、V7…第7弁、V8…第8弁、V9…第9弁、V10…第10弁、V11…第11弁、V12…第12弁、V13…第13弁、V31…第31弁、V32…第32弁、V33…第33弁、V34…第34弁、V35…第35弁。

Claims (11)

  1. ウェーハが内蔵されて蒸着される反応容器と、第1反応ガスを前記反応容器に供給するための第1反応ガス供給部と、前記第1反応ガス供給部と前記反応容器とを連結する第1反応ガス供給ラインと、第2反応ガスを前記反応容器に供給するための第2反応ガス供給部と、前記第2反応ガス供給部と前記反応容器とを連結する第2反応ガス供給ラインと、流量制御された不活性ガスを前記第1反応ガス供給ラインに供給する第1不活性ガス供給ラインと、流量制御された不活性ガスを前記第2反応ガス供給ラインに供給する第2不活性ガス供給ラインと、反応容器のガスを外部に排出する排気ラインとを含む薄膜蒸着装置に適用するものであって、
    流量制御された第1反応ガス及び流量制御された不活性ガスを混合して前記反応容器内のウェーハの上部の表面に噴射し、流量制御された第2反応ガス及び流量制御された不活性ガスを混合して前記反応容器内の内側面に向かって噴射することを特徴とするALD薄膜蒸着方法。
  2. 前記第1反応ガスとしてCl元素を含む化合物ガスを使用し、前記第2反応ガスとしてNH を使用する場合、薄膜蒸着工程時にパーティクルの生成を防止するために、初期の第1反応ガスを前記反応容器に流入させる少なくとも数秒前に前記NH ガスを反応容器の内部に流入させるパーティクル生成防止段階を含むことを特徴とする請求項1に記載のALD薄膜蒸着方法。
  3. 前記反応容器に前記第1反応ガス及び不活性ガスを混合して流入させていて前記第1反応ガスを所定時間排除させる第1段階と、前記反応容器に前記第2反応ガス及び不活性ガスを流入させていて前記第2反応ガスを所定時間排除させる第2段階を繰り返して行うことを特徴とする請求項1に記載のALD薄膜蒸着方法。
  4. 前記第1反応ガスとしてTi、Ta、W転移金属元素を含む化合物ガスを使用し、第2反応ガスとしてNH ガスを使用する場合、
    薄膜蒸着工程時に前記ウェーハの温度を400℃〜600℃の範囲に保ち、前記反応容器に連結されるラインの温度を40℃〜200℃の範囲に保つことを特徴とする請求項3に記載のALD薄膜蒸着方法。
  5. 流量制御される第1反応ガスの流量は1SCCM以上であり、前記第1反応ガスと混合される不活性ガスの流量制御された流量は50SCCM以上であり、流量制御されるNH の流量は50SCCM以上であり、前記NH ガスと混合される不活性ガスの流量制御された流量は60SCCM以上であることを特徴とする請求項4に記載のALD薄膜蒸着方法。
  6. 前記第1反応ガスとしてCl元素を含む化合物ガスを使用する場合、蒸着されるウェーハ上の薄膜からClを除去するために、
    反応容器に不活性ガス及びNH ガスだけを流入させるCl除去段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のALD薄膜蒸着方法。
  7. 前記第1、第2反応ガス及び/又は不活性ガスが反応容器の内部に流入されるとき、前記反応容器内の圧力が1Torr〜10Torrの範囲にあることを特徴とする請求項5に記載のALD薄膜蒸着方法。
  8. 前記第1反応ガスとしてTiCl を使用し、第2反応ガスとしてNH 3 ガスを使用する場合、
    前記TiCl 4 ガスの排除後に前記NH ガスを流入させるまでは少なくとも1秒以上の時間間隔をおくことを特徴とする請求項3に記載のALD薄膜蒸着方法。
  9. 前記TiCl ガス及び不活性ガスを反応容器の内部に流入させる時間と、その次に反応容器へのNH ガス流入前まで前記TiCl ガスを排除する時間との比は1:1.2以上であることを特徴とする請求項8に記載のALD薄膜蒸着方法。
  10. 前記第1不活性ガス供給ラインを通じて流入される不活性ガスの流量値と、前記第2不活性ガス供給ラインを通じて流入される不活性ガスの流量値との比を1:1.2以上にして、拡散性の強いTiCl ガスが前記第2反応ガス供給ラインを経由して逆流できないようにすることを特徴とする請求項9に記載のALD薄膜蒸着方法。
  11. 前記反応容器は、ウェーハを載置するためのウェーハブロックと、ウェーハブロックと前記反応容器の内側面との間に設けられたポンピングバッフルであって、ウェーハブロックの側部に設けられた側壁と、前記側壁の下端と前記内側面との間に設けられた底壁とを有するポンピングバッフルとを含み、
    第2反応ガス及び不活性ガスの混合ガスを前記反応容器内の内側面に向かって噴射して、前記ポンピングバッフルの側壁及び底壁が与える空間により第2反応ガスが第1反応ガスと均一に反応させることを特徴とする請求項1に記載のALD薄膜蒸着方法。
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