JP4192148B2 - 原子層堆積法処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウェハ等の被処理体に、所定の表面処理を施す原子層堆積法処理装置に関する。
現在、半導体集積回路の微細化、高集積化が進行した結果、基板等の基板表面に形成される配線溝等のパターンの微細化が進行している。これにより、配線金属の下地膜として薄膜を形成する場合など、微細な配線溝内に極めて薄い膜を均一に、良好なカバレッジで形成することが求められる。このため、近年、微細な溝内にも、良好な膜質で、原子層レベルの膜を形成可能な方法として、原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD)と呼ばれる方法が開発されている。
ALDは、例えば、以下のような工程から構成される。以下に示す例では、配線パターン(配線溝)が形成された基板の表面に、四塩化チタンガスおよびアンモニアガスを用いて、窒化チタンからなる下地膜を形成する場合について説明する。
まず、チャンバ内に基板を収容し、チャンバ内を所定の真空度まで減圧する。続いて、チャンバ内に四塩化チタンガスを所定時間導入する。これにより、基板の表面に四塩化チタン分子が多層に吸着する。その後、チャンバ内を不活性ガスでパージし、これにより、基板表面に吸着したほぼ1層分の四塩化チタン分子を除いて、チャンバ内から四塩化チタンを除去する。
パージ後、チャンバ内にアンモニアガスを所定時間導入する。これにより、基板の表面に吸着した四塩化チタン分子とアンモニア分子とが反応して、基板の表面にほぼ1原子層分の窒化チタン層が形成される。このとき、形成された窒化チタン層の上には、アンモニア分子が多層に吸着している。その後、チャンバ内を不活性ガスでパージし、窒化チタン層上に吸着したほぼ1層分のアンモニア分子を除いて、チャンバ内からアンモニア分子を除去する。
続いて、再び、四塩化チタンガスをチャンバ内に所定時間導入する。これにより、吸着したアンモニア分子と四塩化チタンとが反応して新たな窒化チタン層が形成される。すなわち、この状態ではほぼ2原子層の窒化チタン層が形成されていることになる。
また、このとき、窒化チタン層上には四塩化チタン分子が多層に吸着している。その後、チャンバ内を不活性ガスでパージすることにより、窒化チタン層上にほぼ1層分の四塩化チタンが吸着した状態となる。その後、上記のように、アンモニアガスの導入、パージ、四塩化チタンガスの導入、パージ、…、というように、チャンバ内の雰囲気を切り替え、所定原子層分、すなわち、所定厚さの窒化チタン層を形成する。例えば、チャンバ内のガス雰囲気を数百〜数千回切り替えることにより、数nm〜数十nmの窒化チタン膜を形成することができる。従って、このALDを用いて高いスループットを得るには、ガス雰囲気の切り換えを高速に行う必要がある。
上記ALDでは、チャンバ内のガス雰囲気の切り換えを多数回、高速で行うが、この場合、チャンバの内部表面や基板上に形成される境界層の影響が無視できない。通常、ガス等の流体が壁面等(基板面を含む)によって画定された空間内を流れる場合、壁面等に近い領域には、流体が壁面等に粘着されることによって境界層が形成される。境界層内部の速度場は、壁面等に略平行な速度成分のみから構成されるため、ガスの混合が起こり難く、境界層の厚さ方向では、実質的にガスは拡散によってのみ移動する。
一般に、完全流体の流れ場を想定した流体方程式を解くと、慣性項に対する粘性項の影響を無視できない境界層の存在が導かれることが知られている。境界層の壁面からの厚さδは、流体の粘性係数μ、流体の密度ρ、流速U、流体の流れる方向の所定地点からの距離Δxを用いて、式(1)のように表わせる。式(1)に示すように、境界層の厚さδは距離Δxの平方根に比例する。すなわち、図7に概略的に示すように、流体がx方向に流れるにつれて、境界層の厚さδが増大し、境界層は拡大する。
(式1)
δ=(μΔx/ρU)1/2 ・・・・(1)
ここで、境界層の最内層(壁面と接する側)では、実質的にx方向の速度は零であり、一方、境界層の最外層では、x方向の速度は流体全体のx方向の速度にほぼ等しい。すなわち、境界層内部において、x方向の平均流速は流体全体のx方向の速度よりも小さい。従って、境界層の発達とともに、流体全体としての(x方向の)速度は低下する。
チャンバ内にガスを供給した場合も同様に、チャンバの壁面近くに形成される境界層によって、ガスの供給側(例えば、ガス供給口)から排気側(例えば、排気口)との間で流速の低下が生じる。このような流速の低下は、上記ALDのように、高速なガス雰囲気の切り換えが求められる場合には大きな問題となる。
また、上述したように、境界層内でのガスの混合は起こり難いので、チャンバ内の雰囲気ガスを切り換えたときであっても、結果的に境界層内のガスは切り替わり難い。このため、境界層の発達は、境界層を含むチャンバ内全体のガスを十分に切り換えるための時間を増大させ、生産性を低下させる。
このように、ガスの給気側から排気側にかけての境界層の拡大が低減されるように考慮された、高速な雰囲気の切り換えが可能な、生産性の高い処理装置は、従来なかった。
上記実状に鑑みて、本発明は、高速な雰囲気の切り換えが可能な、生産性の高い原子層堆積法処理装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第の観点に係る原子層堆積法処理装置は、
チャンバと、
前記チャンバに設けられ、前記チャンバ内に複数種のガスを交互に供給するガス供給手段に接続されるガス供給口と、
前記チャンバに設けられ、前記チャンバ内を排気する排気手段に接続される排気口と、
を備え、
前記チャンバは、前記ガスの供給方向に対して略垂直の方向から見て略三角形状の断面を有し、前記ガス供給口は前記断面の一辺のほぼ全体に設けられ、前記排気口は前記断面の前記一辺に対向する頂点部分に設けられている、
ことを特徴とする。
流路断面は、前記ガス供給口からの距離に反比例し、漸減するように形成されてもよい。
前記ガスの流れ方向に沿って、前記チャンバの内壁に略一定の厚さを有する境界層が形成されてもよい。
チャンバ内圧力を調整する圧力調整手段を更に備えてもよい。
以下、本実施の形態にかかる原子層堆積法処理装置について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、四塩化チタン(TiCl)ガスとアンモニア(NH)ガスとをアルゴン(Ar)ガスによるパージを挟んでチャンバ内に交互に供給して、半導体ウェハ(以下、ウェハW)の表面に窒化チタン(TiN)膜を、いわゆる原子膜成膜法(Atomic Layer Deposition:ALD)を用いて成膜する処理装置を例として説明する。
図1に、本実施の形態にかかる処理装置11の側部断面を示す。図1に示すように、処理装置11は、アルミニウム、ステンレススチール等からなる中空のチャンバ12を備える。チャンバ12は、略長方形の縦断面を有して構成され、z軸方向に所定の高さHを有して構成されている。また、略長方形の断面の、x軸方向で対向する両辺には、ガス供給口13と、排気口14と、が形成されている。
ガス供給口13には、ガス供給部15が設けられている。ガス供給部15は、TiClガス源16と、NH源17と、Ar源18と、にそれぞれ、マスフローコントローラ19およびバルブ20を介して接続されている。
排気口14には、排気管21が接続されている。排気管21は、自動圧力調整装置(APC)22を介して排気装置23に接続されている。排気装置23により、チャンバ12内は、所定の真空度まで排気される。
チャンバ12の内部には、ウェハWを載置するための、円板状の載置台24が設けられている。載置台24は、窒化アルミニウムなどのセラミックス等から構成されている。また、載置台24には、図示しない、抵抗発熱体等のヒータが埋設されている。
制御装置100は、上記構成を有する処理装置11の各構成部の動作を制御する。また、制御装置100は、所定の処理を実行するための処理シーケンスを記憶し、この処理シーケンスに基づいて、後述する処理を実行する。なお、制御装置100の構成及び詳細な動作については、ここでは説明を省略する。
図2に、チャンバ12の平面図を示す。図2に示すように、チャンバ12は、略三角形状の断面を有する。チャンバ12は、略三角形状の断面の、y軸方向に平行な一辺にガス供給口13を備え、この一辺に対向する頂点部分に排気口14を備える。
ガス供給口13は、図2に示すチャンバ12のy軸方向に平行な一辺のほぼ全体にわたるように形成され、ガス供給部15は、ガス供給口13を覆うように設けられている。ガス供給部15は、TiClガス源16と、NH源17と、Ar源18と、に接続されたガス供給管25に接続されている。ガス供給部15は内部に中空の拡散部26を備え、ガス供給管25は拡散部26に接続されている。
また、ガス供給部15は、チャンバ12の内部に露出した部分に、y軸方向に略等間隔に配置された複数のガス供給穴27を備える。ガス供給穴27はそれぞれ拡散部26に接続されている。ガス供給管25を通過したガスは、拡散部26において拡散され、複数のガス供給穴27からチャンバ12の内部にx軸方向に供給される。なお、ガスは、拡散部26により拡散され、複数のガス供給穴27からほぼ等しい供給速度で供給される。
チャンバ12は、ガス供給口13から、ガス供給方向(x軸方向)への距離Δxにおけるチャンバ12のy軸方向の幅Bが、Δxに反比例するように構成されている。一方、x軸方向のガス流路(チャンバ12)の断面積Sは、チャンバ12のz軸方向の高さHとy軸方向の幅Bとの積である。すなわち、ガス流路の断面積Sは、SΔx=(定数)を満たして、ガス供給方向の距離Δxに反比例するように構成されている。
ここで、ガス供給口13からの距離Δxにおける、チャンバ12の壁面に形成される境界層の厚さδは、流体(ガス)の粘性係数μ、密度ρおよび流速Uを用いて、式(2)のように表される。
(式2)
δ=(μΔx/ρU)1/2 ・・・・(2)
また、流速Uは、マスバランスに基づいて、ガスの流量Qと、流路断面積Sと、を用いて、U=Q/Sと表わせる。これを式(2)に代入すると、式(3)が得られる。
(式3)
δ=(μSΔx/ρQ)1/2 ・・・・(3)
式(3)において、粘性係数μおよび密度ρは、所定のガス成分では一定である。また、流量Qが一定に制御される場合には、式(3)は、定数kを用いて、以下のように表される。
(式4)
δ=k(SΔx)1/2 ・・・・(4)
ここで、上述したように、本実施の形態では、チャンバ12は、SΔx=(定数)を満たすように構成されている。従って、式(4)において、境界層の厚さδ=(定数)となるので、x軸方向の任意の位置において、境界層の厚さδは一定となることが理解される。
このように、チャンバ12内に形成されるガス流路の断面積Sはガス供給口13からの距離Δxと反比例し、これにより、チャンバ12の壁面近傍に形成される境界層の厚さδはほぼ一定となる。処理装置11を用いた場合に形成される境界層の様子を図3に概略的に示す。図3に示すように、供給側から排気側に向かうにつれ、すなわち、Δxの増大とともに、流路断面積S(すなわち、幅B)は漸減し、一方、境界層28の厚さδは一定となっている。ここで、流路断面積Sは、チャンバ12内を流れるガスが通過する空間部における、ガスの流れ方向に略垂直な面の面積を表す。
上述したように、チャンバ12は、流路断面積が次第に減少し、境界層28の厚さδがほぼ一定となるように構成されている。これにより、ガス供給口13から排気口14にかけてのガスの(x軸方向の)流速の低下は抑制される。
また、前述したように、チャンバ12内に導入するガスを切り換えた場合であっても、境界層28内のガスは切り替わり難い。本実施の形態においては、このような境界層28の発達が抑制されているので、短時間でチャンバ12内のガス雰囲気の切り換えを行うことができる。このように、高速な雰囲気の切り換えが可能であることから、高いスループット、および、高い生産性が得られる。
次に、上記のように構成された処理装置11を用いて、ウェハW表面にTiN膜を成膜する方法について、図4を参照して説明する。図4は、本実施の形態におけるTiN膜の形成方法を示すフローチャートである。なお、図4に示すフローチャートは、処理の一例であり、同様の結果物が得られれば、このフローチャートに示された手順に限定されない。
まず、例えば図示しない搬送アームを動作させてチャンバ12内にウェハWを搬入し、載置台24上に載置する(ステップS11)。続いて、載置台24内部のヒータを制御して、ウェハWを、所定の温度、例えば、450℃に加熱する。また、同時に、チャンバ12内に、Arガスを供給する(ステップS12)。ここで、Arガスは、例えば、200sccmの流量に制御されて供給される。このとき、チャンバ12内の圧力は、例えば、400Pa(3Torr)に保持されている。なお、Arガスは、以下に述べる処理工程中、常にチャンバ12内に流されている。
続いて、チャンバ12内に所定時間、例えば、0.5秒間TiClガスを供給する(ステップS13)。ここで、TiClガスは、例えば、30sccmの流量に制御されて供給される。このとき、ウェハWの表面にTiCl分子が吸着する。
所定時間後、TiClガスの供給は停止される。この状態で、Arガスは依然として流れており、チャンバ12内は、Arガスによりパージされる(ステップS14)。このとき、ウェハWの表面に吸着した、ほぼ1原子層分のTiCl分子を除いて、TiClガス(分子)は、チャンバ12内から排気され、除去される。
次いで、所定時間、例えば、0.5秒間パージを行った後、チャンバ12内に所定時間、例えば、0.5秒間NHガスを供給する(ステップS15)。ここで、NHガスは、例えば、50sccmに制御されて供給される。
このとき、NH分子は、ウェハWの表面に吸着したTiCl分子と反応し、ほぼ1原子層分のTiN層が形成される。さらに、形成されたTiN層の上には、NH分子が吸着する。
所定時間後、NHガスは停止される。この状態で、Arガスは依然として流れており、チャンバ12内は、Arガスによりパージされる(ステップS16)。このとき、TiN層上に吸着したほぼ1層分のNH分子を除いて、チャンバ12内のNH分子は排気され、除去される。
所定時間、例えば、0.5秒間パージを行った後、ステップS13に戻り、チャンバ12内にTiClガスを供給する。このとき、TiCl分子は、TiN層上のNH分子と反応し、ほぼ1原子層分のTiN層が新たに形成される。また、このTiN層上に、TiCl分子が吸着する。
TiClガスの供給後、Arガスによるパージを行う(ステップS14)。これにより、TiN層上に吸着したほぼ1原子層分のTiCl分子を除いて、TiCl分子はチャンバ12内から排気され、除去される。
次に、チャンバ12内にNHガスを供給する(ステップS15)。これにより、NH分子とTiN層上に吸着したTiCl分子とが反応して、新たなTiN層が形成される。また、このTiN層上にはNH分子が吸着する。
NHガスの供給後、Arガスによるパージを行う(ステップS16)。これにより、TiN層上に吸着されたほぼ1原子層分のNH分子を除いて、NH分子は、チャンバ12外に排気され、除去される。
以降、上記のように、ステップS13〜ステップS16の工程を繰り返し、TiN層をほぼ1原子層ずつ積層する。上記工程を所定回数繰り返すことにより、所定厚さのTiN膜が形成される。ここで、制御装置100は、所定厚さのTiN層を形成するために必要な繰り返し回数を記憶している。
ステップS17にて、制御装置100は、ステップST3〜ステップS16の工程を、上記必要な回数だけ繰り返したか否かを判別する。所定回数に達していないと判別した場合には(ステップS17:NO)、ステップS13に戻り、上記工程を繰り返す。所定回数に達していると判別した場合には(ステップS17:YES)、Arガスの供給を停止する(ステップS18)。続いて、例えば搬送アームによりウェハWをチャンバ12の外部に搬出する(ステップS19)。以上で、成膜処理は終了する。
以上説明したように、本実施の形態の処理装置11は、ガスの流路断面積が供給側から排気側に向かって次第に減少し、内部の壁面に形成される境界層28の厚さがほぼ一定となるように形成されている。すなわち、処理装置11のチャンバ12は、その流路断面積が、ガス供給口13からの距離に反比例するように構成され、これにより、排気側における境界層28の拡大は抑制される。
上記のように境界層28の拡大が抑制されているので、高速でガス雰囲気を切り換えることが可能になる。また、チャンバ12内の壁面近傍に形成される境界層28の厚さが従来の処理装置に比較して実質的に低減されるので、雰囲気の切り換えが容易となり、より短時間かつ高速の雰囲気の切り換えが可能となる。これらのことから、高い生産性が得られる。
本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用等が可能である。以下、本発明に適用可能な上記実施の形態の変形態様について、説明する。
上記実施の形態では、ガス供給口13には拡散部26を有するガス供給部15を設けるものとした。しかし、ガス供給部15を、図5に示すようなノズル構造としてもよい。図5に示すような構成においても、ノズル構造を有するガス供給部15から供給されるガスがチャンバ12内に供給された直後チャンバ12内に拡散し、ガス供給口13を備えたチャンバ12の壁面全体から供給される場合と近似したガスの流れを実現することができ、同様の効果が得られる。
上記実施の形態では、ウェハWは、載置台24に埋設されたヒータによって加熱するものとした。しかし、ウェハWを、例えば、チャンバ内壁に配設された赤外線ランプ等によって加熱するようにしてもよい。
上記実施の形態では、流路断面積S(=HB)を構成するパラメータの内、y軸方向の幅Bが、距離Δxに応じて変化するものとした。しかし、幅Bを一定とし、例えば、図6Aおよび図6Bに示すように、z軸方向の高さHが変化する構成としてもよい。図6Aはチャンバ12の側断面図を示し、図6Bは平面図を示す。
図6Bに示すように、チャンバ12は、z軸方向から見て矩形の断面を有し、y軸方向の幅Bはx軸方向について一定となっている。また、図6Aに示すように、チャンバ12は、y軸方向から見て上底が弧状に形成された略台形形状の断面を有する。すなわち、チャンバ12は、ガスの供給方向(x軸方向)に向かって、z軸方向の高さHが漸減するように構成されている。これにより、ガスの流路断面積Sは排気側に向かって漸減し、Δxの増加に反比例する。従って、上記実施の形態と同様の効果が得られ、境界層の厚さδを一定に維持することができる。この場合、ウェハW上に形成される境界層の厚さもほぼ一定に維持されるので、ウェハW上に成膜される膜の厚さの面内均一性を一層向上させることができる。
さらに、上記のように、高さHおよび幅Bのいずれか一方がx軸方向に沿って変化するのではなく、双方がS=H(x)×B(x)=(定数)を満たすように、x軸方向に沿って変化する関数として表わされる構成であってもよい。
また、チャンバ12の形状は、必ずしも厳密に上式を満たすように構成されていなくてもよく、少なくとも、境界層の厚さδがほぼ一定となるように形成されていればよい。
上記実施の形態では、チャンバ12の壁面に形成される境界層28のみを考慮した。しかし、載置台24の側面、ウェハWの表面等を考慮して、より詳細に、例えば、有限要素法等の計算手法を用いたシミュレーションを行って、チャンバ12の形状を決定してもよい。
上記実施の形態では、TiClとNHとを用いて、ウェハWの表面にTiN膜を1原子層づつ形成するものとした。しかし、ウェハWの表面に形成されるTiN膜は、原子層レベルの厚さを有する層からなる積層膜であればよく、1層の厚さは、1原子層に限定されない。
上記実施の形態では、TiClとNHとを用いて、ウェハWの表面にTiN膜を形成するものとした。しかし、膜形成のために用いる物質、および、成膜する膜の種類は、これに限られない。TiN膜の他に、Al、ZrO、TaN、SiO、SiN、SiON、WN、WSi、RuO等、他の金属膜であってもよい。また、この場合、使用するガス種は、TiClの代わりに、TaBr、Ta(OC、SiCl、SiH、Si、SiHCl、WF等のいずれか1種を用い、NHの代わりに、N、O、O、NO、NO、N、N等のいずれか1種を用いることができる。
また、パージガスは、不活性なガスであればよく、Arに限らず、窒素、ネオン等を用いてもよい。
本発明の処理装置11は、アニール等の他の処理を行う処理装置と、インラインで接続され、または、クラスタリングされてもよい。
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、当業者により上記の実施形態に種々の改良等が加えられるであろう。上記の実施形態は、図解目的であり、本発明の範囲を限定するものではない。従って、本発明の範囲は、上記記載を参照するのではなく、下記のクレームが権利を与えられる均等の全範囲に沿って決定されるべきである。
本出願は、日本国特願2002−169321(2002年6月10日受理)を基礎とするものであり、その明細書、請求の範囲、図面及び要約書の内容を含む。この出願の全ての内容は、ここで、援用される。
本発明は、成膜処理に限らず、エッチング処理等、複数種のガスを用い、プロセス雰囲気を高速に切り替える必要のあるすべての処理に適用することができる。
また、本発明は、半導体ウェハに限らず、液晶表示装置用の基板にも適用することができる。
以上説明したように、本発明によれば、高速な雰囲気の切り換えが可能な、生産性の高い原子層堆積法処理装置が提供される。
図1は、本発明の実施の形態にかかる処理装置の側断面図である。 図2は、本発明の実施の形態にかかる処理装置の平面図である。 図3は、本発明の実施の形態にかかる処理装置を用いた場合に形成される境界層を模式的に示す図である。 図4は、ALD処理のフローチャートの一例を示す。 図5は、本発明の他の実施の形態を示す図である。 図6Aは、本発明の別の実施の形態を示す図である。 図6Bは、本発明の別の実施の形態を示す図である。 図7は、壁面近傍に形成される境界層を模式的に示す図である。

Claims (4)

  1. チャンバ(12)と、
    前記チャンバ(12)に設けられ、前記チャンバ(12)内に複数種のガスを交互に供給するガス供給手段に接続されるガス供給口(13)と、
    前記チャンバ(12)に設けられ、前記チャンバ(12)内を排気する排気手段に接続される排気口(14)と、
    を備え、
    前記チャンバ(12)は、前記ガスの供給方向に対して略垂直の方向から見て略三角形状の断面を有し、前記ガス供給口(13)は前記断面の一辺のほぼ全体に設けられ、前記排気口(14)は前記断面の前記一辺に対向する頂点部分に設けられている、
    ことを特徴とする原子層堆積法処理装置。
  2. 路断面は、前記ガス供給からの距離に反比例し、漸減するように形成される、ことを特徴とする請求項1に記載の原子層堆積法処理装置。
  3. 前記ガスの流れ方向に沿って、前記チャンバの内壁に略一定の厚さを有する境界層が形成される、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の原子層堆積法処理装置。
  4. チャンバ内圧力を調整する圧力調整手段を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の原子層堆積法処理装置。
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