JP4545433B2 - 成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）とアンモニア（ＮＨ3）とを反応させることにより、被処理基板上に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を成膜する成膜方法に関する。
従来のＴｉＮ膜を成膜する成膜方法として、特開２０００−６８２３２号公報（特許文献１）に開示されたものがある。上記特許文献１に開示された成膜方法では、ＴｉＣｌ4対ＮＨ3の流量比を変えてＴｉＮ膜を成膜している。
特開２０００−６８２３２号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の成膜方法では、ＴｉＣｌ4対ＮＨ3の流量比が適切に設定されていないため、成膜中に生成したＴｉＣｌｘ（ｘ＝１〜４）のＣｌやＨＣｌにより、下地膜がエッチングされてしまうという問題が生じていた。下地膜がエッチングされてしまうことにより、例えば、下地膜が導電層の場合には、導電層との間で膜剥がれが起き、コンタクト抵抗が増加してしまい、また、下地膜が誘電体膜の場合には、当該誘電体膜の静電容量が低下してしまい、ひいては素子のデバイス特性が低下するという問題が生じていた。
よって、本発明は、上記の課題を解決することのできる成膜方法及び半導体装置を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、四塩化チタンとアンモニアを反応させることにより、被処理基板上に窒化チタン膜を成膜する成膜方法であって、前記四塩化チタンと前記アンモニアを供給律速領域において反応させることにより、前記被処理基板上に第１の窒化チタン層を形成する第１のステップと、前記四塩化チタンと前記アンモニアを反応律速領域において反応させることにより、前記第１の窒化チタン層上に第２の窒化チタン層を形成する第２のステップとを備えたことを特徴とする成膜方法を提供する。また、前記第１のステップにおける前記アンモニアに対する前記四塩化チタンの分圧比は、前記第２のステップにおける前記分圧比より高いことが好ましい。例えば、前記第１のステップにおける前記分圧比は０．１３以上０．２未満であり、前記第２のステップにおける前記分圧比は０．２以上１．５未満である。
かかる構成によれば、第１のステップでは四塩化チタンの供給律速となる領域において第１の窒化チタン膜を成膜するため、成膜された第１の窒化チタン層中の四塩化チタンの濃度、及び反応により生じた塩素ガスや塩酸ガスといった腐食性ガスの濃度はきわめて低い。したがって、下地層が腐食性ガスによりエッチングされ易い材料により構成される場合であっても、第１のステップにおいて下地層のエッチングを抑えることができる。
また、かかる構成によれば、第２のステップにおいて反応律速となる領域で第２の窒化チタン膜を成膜するため、良好なステップカバレッジを得ることができる。また、第２の窒化チタン膜を成膜する第２のステップでは、下地層は第１の窒化チタン膜で覆われている。第２のステップにおいて反応律速領域で第２の窒化チタン膜を成膜した場合であっても、下地層のエッチングを抑えることができる。すなわち、かかる構成によれば、下地層のエッチングを抑えつつ、ステップカバレッジの良好な窒化チタン膜を成膜することができる。
また、前記第１のステップにおける前記被処理基板の温度は、前記第２のステップにおける前記被処理基板の温度より低いことが好ましい。この場合、前記第１のステップにおける前記被処理基板の温度は４００℃未満であって、前記第２のステップにおける前記被処理基板の温度は４００℃以上であることが好ましい。
かかる構成によれば、下地層のエッチングを抑えつつ、さらに塩素濃度が低く、低抵抗な窒化チタン膜を成膜することができる。ひいては、デバイス特性の良好な素子を形成することができる。
本発明の第２の形態によれば、上記の成膜方法により成膜された窒化チタン膜を備えたことを特徴とする半導体装置を提供する。
以下、図面を参照しつつ、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本実施形態に係る成膜方法を実施するＴｉ成膜装置及びＴｉＮ成膜装置が搭載されたマルチチャンバタイプの成膜システム１００を示す概略構成図である。
成膜システム１００は、プラズマＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する２つのＴｉ成膜装置１及び２、並びに熱ＣＶＤによりＴｉＮ膜を成膜する２つのＴｉＮ成膜装置３及び４の合計４つの成膜装置を有しており、これら成膜装置１、２、３及び４は、六角形をなすウェハ搬送室５の４つの辺にそれぞれ対応して設けられている。なお、本例において成膜システム１００は、Ｔｉ成膜装置１及び２、並びにＴｉＮ成膜装置３及び４を有して構成されるが、他の例においては、Ｔｉ成膜装置１に代えて誘電体成膜装置を有して構成されてもよい。また、成膜システム１００は、誘電体成膜装置をさらに有して構成されてもよい。
ウェハ搬送室５の他の２つの辺にはそれぞれロードロック室６及び７が設けられている。これらロードロック室６及び７におけるウェハ搬送室５と反対側にはウェハ搬入出室８が設けられており、ウェハ搬入出室８のロードロック室６及び７と反対側には、被処理基板の一例であるウェハＷを収容するウェハ収容器である３つのフープ（ＦＯＵＰ）Ｆを取り付け、成膜システム１００に対してウェハＷを搬入出するポート９、１０及び１１が設けられている。
Ｔｉ成膜装置１及び２は、それぞれＴｉ成膜チャンバ５１を有し、ＴｉＮ成膜装置３及び４は、それぞれＴｉＮ成膜チャンバ１５１を有し、これらＴｉ成膜チャンバ５１、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１、並びにロードロック室６及び７は、同図に示すように、ウェハ搬送室５の各辺にゲートバルブＧを介して接続され、これらは各ゲートバルブＧを開放することによりウェハ搬送室５と連通され、各ゲートバルブＧを閉じることによりウェハ搬送室５から遮断される。また、ロードロック室６及び７のウェハ搬入出室８に接続される部分にもゲートバルブＧが設けられており、ロードロック室６及び７は、ゲートバルブＧを開放することによりウェハ搬入出室８に連通され、これらを閉じることによりウェハ搬入出室８から遮断される。
ウェハ搬送室５内には、Ｔｉ成膜装置１及び２、ＴｉＮ成膜装置３及び４、並びにロードロック室６及び７に対して、ウェハＷの搬入出を行うウェハ搬送装置１２が設けられている。このウェハ搬送装置１２は、ウェハ搬送室５の略中央に配設されており、回転及び伸縮可能な回転・伸縮部１３の先端にウェハＷを保持する２つのブレード１４ａ及び１４ｂを有しており、これら２つのブレード１４ａ及び１４ｂは互いに反対方向を向くように回転・伸縮部１３に取り付けられている。また、２つのブレード１４ａ及び１４ｂは個別に又は同時に伸縮可能である。なお、このウェハ搬送室５内は所定の真空度に保持されるようになっている。
ウェハ搬入出室８の天井部にはＨＥＰＡフィルタ（図示せず）が設けられており、このＨＥＰＡフィルタを通過した清浄な空気がウェハ搬入出室８内にダウンフロー状態で供給され、大気圧の清浄空気雰囲気でウェハＷの搬入出が行われるようになっている．ウェハ搬入出室８のフープＦ取り付け用の３つのポート９、１０及び１１にはそれぞれシャッター（図示せず）が設けられており、これらポート９、１０及び１１にウェハＷを収容した又は空のフープが直接取り付けられ、取り付けられた際にシャッターが外れて外気の侵入を防止しつつウェハ搬出入室８と連通するようになっている。また、ウェハ搬入出室８の側面にはアライメントチャンバ１５が設けられており、そこでウェハＷのアライメントが行われる。
ウェハ搬入出室８内には、フープＦに対するウェハＷの搬入出及びロードロック室６及び７に対するウェハＷの搬入出を行うウェハ搬送装置１６が設けられている。このウェハ搬送装置１６は、多関節アーム構造を有しており、フープＦの配列方向に沿ってレール１８上を走行可能となっており、その先端のハンド１７上にウェハＷを載せてその搬送を行う。
ウェハ搬送装置１２及び１６の動作等、成膜システム１００全体の制御は、制御部１９によって行われる。
このような成膜システム１００においては、まず、大気圧の清浄空気雰囲気に保持されたウェハ搬入出室８内のウェハ搬送装置１６により、いずれかのフープＦからウェハＷを一枚取り出してアライメントチャンバ１５に搬入し、ウェハＷの位置合わせを行う。次いで、ウェハＷをロードロック室６及び７のいずれかに搬入し、そのロードロック内を真空引きした後、ウェハ搬送室５内のウェハ搬送装置１２によりそのロードロック内のウェハを取り出し、ウェハＷをＴｉ成膜装置１又は２のＴｉ成膜チャンバ５１内に装入してＴｉ膜の成膜を行い、Ｔｉ成膜後、ウェハ搬送装置１２によりウェハＷをＴｉ成膜チャンバ５１から取り出し、引き続きＴｉＮ成膜装置３又は４のＴｉＮ成膜チャンバ１５１に装入してＴｉＮ膜の成膜を行う。すなわち、Ｔｉ成膜及びＴｉＮ成膜は、ｉｎ−ｓｉｔｕで連続的に実施される。その後成膜後のウェハＷをウェハ搬送装置１２によりロードロック室６及び７のいずれかに搬入し、その中を大気圧に戻した後、ウェハ搬入出室８内のウェハ搬送装置１６によりロードロック室内のウェハＷを取り出し、フープＦのいずれかに収容される。このような動作を１ロットのウェハＷに対して行い、１セットの処理が終了する。
図２は、ＴｉＮ成膜装置３を示す断面図である。ＴｉＮ成膜装置３及び４は、同一の構成を有するため、以下においてＴｉＮ成膜装置３についてその構成を説明する。Ｔｉ成膜装置３は、上述したようにＴｉＮ成膜チャンバ１５１を有している。このＴｉＮ成膜チャンバ１５１は、気密に構成された略円筒状のチャンバであり、その中にはウェハＷを水平に支持するためのサセプタ５２がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材５３により支持された状態で配置されている。
このサセプタ５２はＡｌＮ等のセラミックスからなり、その外縁部にはウェハＷをガイドするためのガイドリング５４が設けられている。また、サセプタ５２にはヒータ５５が埋め込まれており、このヒータ５５はヒータ電源５６から給電されることによりウェハＷを所定の温度に加熱する。サセプタ５２には、下部電極として機能する電極５８がヒータ５５の上に埋設されている。
チャンバ１５１の天壁１５１ａには、絶縁部材５９を介してシャワーヘッド６０が設けられている。このシャワーヘッド６０は、上段ブロック体６０ａ、中段ブロック体６０ｂ、下段ブロック体６０ｃで構成されている。下段ブロック体６０ｃの外周近傍には、リング状をなすヒータ９６が埋設されており、このヒータ９６はヒータ電源９７から給電されることにより、シャワーヘッド６０を所定温度に加熱することが可能となっている。
下段ブロック体６０ｃにはガスを吐出する吐出孔６７と６８とが交互に形成されている。上段ブロック体６０ａの上面には、第１のガス導入口６１と、第２のガス導入口６２とが形成されている。上段ブロック体６０ａの中では、第１のガス導入口６１から多数のガス通路６３が分岐している。中段ブロック体６０ｂにはガス通路６５が形成されており、上記ガス通路６３が水平に延びる連通路６３ａを介してこれらガス通路６５に連通している。また、上段ブロック体６０ａの中では、第２のガス導入口６２から多数のガス通路６４が分岐している。中段ブロック体６０ｂにはガス通路６６が形成されており、上記ガス通路６４がこれらガス通路６６に連通している。さらにこのガス通路６６が中段ブロック体６０ｂ内に水平に延びる連通路６６ａに接続されており、この連通路６６ａが下段ブロック体６０ｃの多数の吐出孔６８に連通している。
ガス供給機構１１０は、クリーニングガスであるＣｌＦ3ガスを供給するＣｌＦ3ガス供給源１１１、Ｔｉ含有ガスであるＴｉＣｌ4ガスを供給するＴｉＣｌ4ガス供給源１１２、Ｎ2ガスを供給する第１のＮ2ガス供給源１１３、窒化ガスであるＮＨ3ガスを供給するＮＨ3ガス供給源１１４、Ｎ2ガスを供給する第２のＮ2ガス供給源１１５を有している。そして、ＣｌＦ3ガス供給源１１１にはＣｌＦ3ガス供給ライン１１６が、ＴｉＣｌ4ガス供給源１１２にはＴｉＣｌ4ガス供給ライン１１７が、第１のＮ2ガス供給源１１３には第１のＮ2ガス供給ライン１１８が、ＮＨ3ガス供給源１１４にはＮＨ3ガス供給ライン１１９が、第２のＮ2ガス供給源１１５には第２のＮ2ガス供給ライン１２０が、それぞれ接続されている。また、図示しないがＡｒガス供給源も有している。そして、各ガス供給ラインにはマスフローコントローラ１２２およびマスフローコントローラ１２２を挟んで２つのバルブ１２１が設けられている。また、ＴｉＣｌ4ガス供給ライン１１７には、排気管８７と繋がるプリフローライン１２４が接続されている。
シャワーヘッド６０の第１のガス導入口６１にはＴｉＣｌ4ガス供給源１１２から延びるＴｉＣｌ4ガス供給ライン１１７が接続されており、このＴｉＣｌ4ガス供給ライン１１７にはＣｌＦ3ガス供給源１１１から延びるＣｌＦ3ガス供給ライン１１６および第１のＮ2ガス供給源１１３から延びる第１のＮ2ガス供給ライン１１８が接続されている。また、第２のガス導入口６２にはＮＨ3ガス供給源１１４から延びるＮＨ3ガス供給ライン１１９が接続されており、このＮＨ3ガス供給ライン１１９には、第２のＮ2ガス供給源１１５から延びる第２のＮ2ガス供給ライン１２０が接続されている。したがって、プロセス時には、ＴｉＣｌ4ガス供給源１１２からのＴｉＣｌ4ガスが第１のＮ2ガス供給源１１３からのＮ2ガスとともにＴｉＣｌ4ガス供給ライン１１７を介してシャワーヘッド６０の第１のガス導入口６１からシャワーヘッド６０内に至り、ガス通路６３、６５を経て吐出孔６７からＴｉＮ成膜チャンバ１５１内へ吐出される一方、ＮＨ3ガス供給源１１４からの窒化ガスであるＮＨ3ガスが第２のＮ2ガス供給源１１５からのＮ2ガスとともにＮＨ3ガス供給ライン１１９を介してシャワーヘッド６０の第２のガス導入口６２からシャワーヘッド６０内に至り、ガス通路６４、６６を経て吐出孔６８からＴｉＮ成膜チャンバ１５１内へ吐出される。すなわち、シャワーヘッド６０は、ＴｉＣｌ4ガスとＮＨ3ガスが独立してＴｉＮ成膜チャンバ１５１内に供給されるポストミックスタイプとなっており、これらは吐出後に混合され反応が生じる。なお、バルブ１２１およびマスフローコントローラ１２２はコントローラ１２３によって制御される。
ＴｉＮ成膜チャンバ１５１の底壁１５１ｂの中央部には円形の穴８５が形成されており、底壁１５１ｂにはこの穴８５を覆うように下方に向けて突出する排気室８６が設けられている。排気室８６の側面には排気管８７が接続されており、この排気管８７には排気装置８８が接続されている。そしてこの排気装置８８を作動させることによりＴｉ成膜チャンバ５１内を、排気室８６を介して所定の真空度まで均一に減圧することが可能となっている。
サセプタ５２には、ウェハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウェハ支持ピン８９がサセプタ５２の表面に対して突没可能に設けられ、これらウェハ支持ピン８９は支持部９０に支持されている。そして、ウェハ支持ピン８９は、モータ等の駆動機構９１により支持部９０及び支持部９０を支持する支持棒９３を介して昇降される。例えば、支持ピン８９、支持部９０、及び／又は支持棒９３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックや、石英材料により構成される。
また、例えば、成膜にプラズマを用いる場合や、塩素系ガス等の帯電しやすい反応ガスを用いる場合といった、サセプタ５２に形成した膜表面が帯電しやすい場合、ウェハ支持ピン８９は、少なくともその表面が導電性材料により構成されるのが好ましい。また、当該導電性材料は、例えばニッケル（Ｎｉ）、ハステロイ（商標）等のクリーニングガスに対して腐食耐性の高い材料であることが望ましい。また、当該導電性材料は、例えばカーボン等を含む材料といった、導電性を有するセラミックス材料であってもよい。ウェハ支持ピン８９の少なくとも表面が導電性材料により構成される場合、ウェハ支持ピン８９は、少なくともウェハ支持ピン８９がウェハＷに接触したときに、接地されるように構成されるのが望ましい。
Ｔｉ成膜チャンバ５１の側壁には、ウェハ搬送室５との間でウェハＷの搬入出を行うための搬入出口９２と、この搬入出口９２を開閉するゲートバルブＧとが設けられている。なお、本実施形態においてＴｉ成膜チャンバ５１は、Ｔｉ成膜チャンバ５１の上部に高周波電源が接続されたプラズマＣＶＤであり、その他についてはＴｉＮ成膜チャンバ１５１と同様の構成を有する。
図３は、ウェハ昇降機構の他の例を示す図である。本例においてウェハ昇降機構は、ウェハ支持ピン８９、支持部９０、支持棒９３、及び除電ピン９４を有して構成される。ウェハ支持ピン８９及び支持部９０は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック材料や、石英材料により構成されている。また、支持棒９３及び除電ピン９４は、少なくとも表面が、例えば、Ｎｉ、ハステロイ等のＮｉ合金の導電性材料により構成されている。また、除電ピン９４は、一部がサセプタ５２に接触可能に設けられており、少なくとも除電ピン９４がサセプタ５２に接触している場合において接地されるように構成される。この場合、除電ピン９４は、サセプタ５２におけるウェハＷが載置される面と反対の面に接触可能に構成されるのが望ましい。また、ウェハ支持ピン８９及び支持部９０も少なくとも表面が導電性材料により構成され、除電ピン９４と電気的に接続されるのが好ましい。
図３（ａ）から（ｃ）に示す例において、除電ピン９４は、その一部が支持棒９３の内部に収納可能に構成されている。また、除電ピン９４は、ウェハ支持ピン８９が昇降する方向において、支持部９０から一部が突出するように構成されている。除電ピン９４は、除電ピン９４がサセプタ５２に接触していない場合における除電ピン９４とサセプタ５２との間隔が、当該場合におけるウェハ支持ピン８９とウェハＷとの間隔より狭くなるように構成されるのが望ましい。すなわち、ウェハ支持ピン８９をウェハＷに近づく方向に移動させる動作において、ウェハ支持ピンがウェハＷに接触するよりも先に除電ピン９４がサセプタ５２に接触するように構成されるのが望ましい。
また、除電ピン９４は、除電ピン９４が支持棒９３の内部に収納される方向において力を受けた場合、当該内部に収納され、当該力を受けなくなった場合、当該内部から再度突出するように構成されている。例えば、除電ピン９４は、支持棒９３の内部において弾性体により支持されている。
次に、ウェハ昇降機構の動作について説明する。ウェハＷに対するＴｉＮ膜の成膜が終了すると、ウェハ支持ピン８９及び除電ピン９４は、それぞれウェハＷ及びサセプタ５２から所定の距離隔てた位置にある（図３（ａ））。すなわち、ウェハ支持ピン８９及び除電ピン９４は、それぞれウェハＷ及びサセプタ５２に接触していない。
駆動機構９１が、ウェハ支持ピン８９をウェハＷに近づける方向に移動させると、まず、除電ピン９４がサセプタ５２に接触する（図３（ｂ））。サセプタ５２の表面には、ウェハＷにＴｉＮ膜を成膜する工程においてＴｉＮ膜が成膜されているため、接地された除電ピン９４を介してサセプタ５２及びウェハＷに蓄積した電荷が除去される。そして、駆動機構９１が、ウェハ支持ピン８９をさらに当該方向に移動させると、ウェハ支持ピン８９は、ウェハＷに接触した後、ウェハＷをサセプタ５２から持ち上げ保持する。（図３（ｃ））。
図３（ｄ）に示す例では、除電ピン９４は弾性体により構成される。除電ピン９４は、弾性を有する導電性材料により構成されてもよく、また、同図に示すように導電性材料により例えばバネ形状等の弾性を有する形状に構成されてもよい。本例の除電ピン９４は、ウェハ支持ピン８９の昇降方向において弾性を有するように支持部９０上に設けられている。
本例においても、除電ピン９４は、除電ピン９４がサセプタ５２に接触していない場合における除電ピン９４とサセプタ５２との間隔が、当該場合におけるウェハ支持ピン８９とウェハＷとの間隔より狭くなるように設けられるのが望ましい。本例のウェハ昇降機構は、図３（ａ）から（ｃ）において説明した例と同様に動作する。
以上の例によれば、接地された除電ピン９４をサセプタ５２に接触させるため、サセプタ５２に蓄積された電荷を放電することができる。したがって、ウェハＷとサセプタ５２との間、又は、ウェハＷとサセプタ５２の表面のＴｉＮ膜との間の電位差をきわめて低くすることができるため、ウェハＷ上に形成された素子の静電破壊を抑えることができる。
次に、本実施形態のＴｉＮ膜の成膜方法について説明する。以下において、Ｔｉ成膜装置１又は２においてウェハＷにＴｉ膜を成膜した後、ＴｉＮ成膜装置３においてＴｉＮ膜を成膜する場合を例に説明する。
図４は、ＴｉＮ膜の成膜方法の第１実施形態を示すフローチャートである。Ｔｉ成膜装置１又は２においてウェハＷにＴｉ膜を成膜した後、ウェハ搬送装置１２がＴｉ成膜装置１又は２内からウェハ搬送室５へウェハＷを取り出す。また、排気装置８８がＴｉＮ成膜チャンバ１５１内を真空排気することにより、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１内を所定の圧力にする。次に、ゲートバルブＧを開放し、ウェハ搬送装置１２が、ウェハ搬送室５から搬入出口９２を介してウェハＷをＴｉＮ成膜チャンバ１５１内へ搬入する（ステップ５００）。
次に、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１内にＮ2ガス及びＮＨ3ガスを供給するとともに、ヒータ５５を加熱することによりウェハＷを予備加熱する。加熱されたウェハＷが所定の温度に略安定し、プリフローライン１２４を介してＴｉＣｌ4のプリフローを行った後、ＴｉＣｌ4ガスはＴｉＣｌ4供給ライン１７７を、ＮＨ3ガスはバルブ１２１を、また、Ｎ2ガスはＮ2ガス供給ライン１１８及び１２０を介して、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１に供給する。このとき、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１に供給するＴｉＣｌ4及びＮＨ3の流量は、ウェハＷ上におけるＴｉＣｌ4とＮＨ3との反応が供給律速となるように設定される。すなわち、ウェハＷ上においてＴｉＣｌ4とＮＨ3とが供給律速領域において反応するように、ＮＨ3に対するＴｉＣｌ4の分圧比が設定される。そして、所定の温度に加熱されたウェハＷにおいてＴｉＣｌ4ガスとＮＨ3ガスとが反応することにより、ウェハＷのＴｉ膜上に第１のＴｉＮ膜が成膜される（ステップ５１０）。
本実施形態では、ウェハＷ上におけるＴｉＣｌ4とＮＨ3との反応が供給律速となるように、ＮＨ3とＴｉＣｌ4との流量比がＮＨ3／ＴｉＣｌ4が６０以下に設定される。好ましくは、ＮＨ3とＴｉＣｌ4との流量比は、ＮＨ3／ＴｉＣｌ4が２．５〜１５の範囲に設定され、より好ましくは５〜７．５の範囲に設定される。また、この場合において、ＴｉＣｌ4の流量は６〜１８ｓｃｃｍに、また、ＮＨ3の流量は４５〜９０ｓｃｃｍの範囲で設定されるのが好ましい。ＴｉＮ成膜チャンバ１５１の内部圧力は、０．３〜１０Ｔｏｒｒ（３．９４×１０-4〜１．３２×１０-2気圧）、好ましくは、１〜８Ｔｏｒｒ（１．３２×１０-3〜１．０６×１０-2気圧）の範囲で設定される。また、ウェハＷの温度は、３５０〜７００℃の範囲で設定される。
第１のＴｉＮ膜を成膜した後、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１に窒素原子を含むガスの一例であるＮＨ3を供給することにより、第１のＴｉＮ膜をアニールしてもよい。例えば、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１に供給されるＮＨ３ガスの流量は４５〜９０ｓｃｃｍの範囲で設定され、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１の内部圧力は０．３〜１０Ｔｏｒｒ（３．９４×１０-4〜１．３２×１０-2気圧）、好ましくは、１〜８Ｔｏｒｒ（１．３２×１０-3〜１．０６×１０-2気圧）の範囲で設定されるまた、ウェハＷの温度は３５０〜７００℃に設定され、好ましくは５００〜６００℃程度の温度に加熱する。これにより、第１のＴｉＮ膜に含まれる塩素濃度をさらに低減させることができるため、抵抗率が低く、バリア性の良好なＴｉＮ膜を得ることができる。
本実施形態では、窒素原子を含むガスとしてＮＨ3ガスにより第１のＴｉＮ膜をアニールしているが、他の実施形態として窒素原子を含むガスとして、窒素ガスやモノメチルヒドラジンガスを用いてもよく、また、例えば水素ガス等の水素原子を含むガスにより第１のＴｉＮ膜をアニールしてもよい。また、本実施形態では第１のＴｉＮ膜の成膜及びアニールをＴｉＮ成膜チャンバ１５１、すなわち、同一のチャンバにおいて行っているが、他の実施形態として第１のＴｉＮ膜を成膜した後、ウェハＷを他のチャンバに搬入し、当該アニールを行ってもよい。
次に、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１に供給するＴｉＣｌ4及びＮＨ3の流量を、ウェハＷ上におけるＴｉＣｌ4とＮＨ3との反応が反応律速となるように変化させる。すなわち、ウェハＷ上においてＴｉＣｌ4とＮＨ3とが反応律速領域において反応するように、ＮＨ3に対するＴｉＣｌ4の分圧比を変化させる。具体的には、当該分圧比が、第１のＴｉＮ膜を成膜するステップ（ステップ５００）における分圧比より高くなるように、ＴｉＣｌ4及びＮＨ3の流量を設定する。そして、所定の温度に加熱されたウェハＷにおいてＴｉＣｌ4ガスとＮＨ3ガスとが反応することにより、ウェハＷの第１のＴｉＮ膜上に第２のＴｉＮ膜が成膜される（ステップ５２０）。第２のＴｉＮ膜は、第１のＴｉＮ膜より厚く形成されるのが望ましい。
本実施形態では、ウェハＷ上におけるＴｉＣｌ4とＮＨ3との反応が反応律速となるように、ＮＨ3とＴｉＣｌ4との流量比がＮＨ3／ＴｉＣｌ4が１６以下に設定される。好ましくは、ＮＨ3とＴｉＣｌ4との流量比は、ＮＨ3／ＴｉＣｌ4が０．３〜１０の範囲に設定され、より好ましくは０．７〜５の範囲に設定される。また、この場合において、ＴｉＣｌ4の流量は９〜１３０ｓｃｃｍに、また、ＮＨ3の流量は４５〜９０ｓｃｃｍの範囲で設定されるのが好ましい。ＴｉＮ成膜チャンバ１５１の内部圧力は、０．３〜１０Ｔｏｒｒ（３．９４×１０-4〜１．３２×１０-2気圧）、好ましくは、１〜８Ｔｏｒｒ（１．３２×１０-3〜１．０６×１０-2気圧）の範囲で設定され、好ましくは、１〜５Ｔｏｒｒ（１．３２×１０-3〜６．６×１０-3気圧）に設定される。また、ウェハＷの温度は、３５０〜７００℃の範囲で設定される。
第２のＴｉＮ膜を成膜した後、ＴｉＣｌ4及びＮＨ3の供給を停止し、図示しないパージラインからＮ2ガスをパージガスとしてＴｉＮ成膜チャンバ１５１に所定の流量で供給することにより、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１内をパージし、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１内の残留ガスを除去する。ＴｉＮ成膜チャンバ１５１内をパージした後、Ｎ2ガス及びＮＨ3ガスをＴｉＮ成膜チャンバ１５１内に供給することにより、第２のＴｉＮ膜をアニールしてもよい。この場合、第１のＴｉＮ膜アニールするステップと同様の条件で第２のＴｉＮ膜をアニールするのが好ましい。これにより、第１のＴｉＮ膜に含まれる塩素濃度をさらに低減させることができるため、抵抗率が低く、バリア性の良好なＴｉＮ膜を得ることができる。
図５は、ＴｉＣｌ4分圧に対するＴｉＮ膜の成長速度を示す図である。同図に示すように、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１に供給されるＮＨ3の流量を一定にした状態で、ＮＨ3に対するＴｉＣｌ4の分圧を増加させると、ＴｉＮ膜の成長速度は、ＴｉＣｌ4の分圧が低い範囲において略一定の割合で増加する（同図の範囲Ｉ）。すなわち、ＴｉＮ膜の成長速度は、範囲ＩにおいてＴｉＣｌ4の分圧に略比例して増加する。本実施形態において第１のＴｉＮ膜は、ＮＨ3に対するＴｉＣｌ4の分圧が範囲Ｉに入るような流量でＴｉＣｌ4及びＮＨ3をＴｉＮ成膜チャンバ１５１に供給することにより成膜される。
また、ＴｉＣｌ4の分圧を範囲Ｉから増加させると、ＴｉＮ膜の成長速度は、ＴｉＣｌ4の分圧に略比例して減少する。そして、さらにＴｉＣｌ4の分圧を増加させると、ＴｉＮ膜の成長速度は、ＴｉＣｌ4の分圧によらず略一定となる（同図の範囲ＩＩ）。本実施形態において第２のＴｉＮ膜は、ＮＨ3に対するＴｉＣｌ4の分圧が範囲ＩＩに入るような流量でＴｉＣｌ4及びＮＨ3をＴｉＮ成膜チャンバ１５１に供給することにより成膜される。
図６は、第１のＴｉＮ膜及び第２のＴｉＮ膜の好ましい成膜条件の一例を示す図である。図６（ａ）は第１のＴｉＮ膜の成膜条件を、また、図６（ｂ）は第２のＴｉＮ膜の成膜条件を示す図である。
図６（ａ）に示すように、第１のＴｉＮ膜は、ＮＨ3に対するＴｉＣｌ4の分圧比が０．１３から０．２０程度となるような範囲において、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１にＴｉＣｌ4及びＮＨ3を供給することにより成膜されるのが好ましい。この場合、制御部１９０は、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１の全圧を５Ｔｏｒｒ（６．５８×１０-3ａｔｍ）程度に制御するのが好ましい。
また、図６（ｂ）に示すように、第２のＴｉＮ膜は、ＮＨ3に対するＴｉＣｌ4の分圧比が０．２０から１．５０程度となるような範囲において、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１にＴｉＣｌ4及びＮＨ3を供給することにより成膜されるのが好ましい。この場合においても、制御部１９０は、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１の全圧を５Ｔｏｒｒ程度に制御するのが好ましい。
図７は、ＴｉＮ膜の成膜方法の第２実施形態を示すフローチャートである。本実施形態の成膜方法は、第１のＴｉＮ膜を成膜するときのウェハＷの温度が、第２のＴｉＮ膜を成膜するときのウェハＷの温度よりも低い。また、本実施形態の成膜方法は、第１のＴｉＮ膜を所定のＴｉＮ成膜装置（チャンバ）で成膜した後、第２のＴｉＮ膜を他のＴｉＮ成膜装置において成膜する。以下、フローチャートを参照して本実施形態のＴｉＮ膜の成膜方法を説明する。
まず、ウェハ搬送装置１２が、ウェハ搬送室５から搬入出口９２を介してウェハＷをＴｉＮ成膜装置３内のＴｉＮ成膜チャンバ１５１に搬入する（ステップ５００）。次に、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１内にＮ2ガス及びＮＨ3ガスを供給するとともに、ヒータ５５を加熱することによりウェハＷを予備加熱する（ステップ５０２）。ウェハＷは、２００℃から４００℃の範囲に加熱されるのが好ましく、さらに好ましくは、３００℃から４００℃の範囲で加熱される。加熱されたウェハＷの温度が略安定した後、第１実施形態と同様に、ＴｉＣｌ4とＮＨ3との反応が供給律速領域において第１のＴｉＮ膜をウェハＷ上に成膜する（ステップ５１０）。
ウェハＷ上に第１のＴｉＮ膜を成膜した後、ウェハ搬送装置１２は、ＴｉＮ成膜装置３からウェハＷを取り出し、ＴｉＮ成膜装置４内のＴｉＮ成膜チャンバ１５１に搬入する（ステップ５１２）。次に、ＴｉＮ成膜チャンバ１５１内にＮ2ガス及びＮＨ3ガスを供給するとともに、ヒータ５５を加熱することによりウェハＷを予備加熱する（ステップ５０２）。ウェハＷは、第１のＴｉＮ膜を成膜したときのウェハＷの温度、すなわち、ＴｉＮ成膜装置３内においてウェハＷが加熱された温度より高い温度に加熱される。ウェハＷは、４００℃から７００℃の範囲に加熱されるのが好ましく、さらに好ましくは、４５０℃から６５０℃の範囲で加熱される。加熱されたウェハＷの温度が略安定した後、第１実施形態と同様に、ＴｉＣｌ4とＮＨ3との反応が反応律速領域において第２のＴｉＮ膜をウェハＷ上に成膜する（ステップ５２０）。
本実施形態では、第１のＴｉＮ膜及び第２のＴｉＮ膜をそれぞれ異なるＴｉＮ成膜装置において成膜しているが、他の例では、同一のＴｉＮ成膜装置においてウェハＷの加熱温度を変えることにより、第１のＴｉＮ膜及び第２のＴｉＮ膜を成膜してもよい。この場合、ウェハＷ（又はサセプタ５２）は、昇温及び／又は降温が高速なランプ加熱により加熱されるのが好ましい。
以上の例においては、第１のＴｉＮ膜を成膜するステップ及び第２のＴｉＮ膜を成膜するステップにおいて、ＴｉＣｌ4及びＮＨ3の流量を制御することにより、それぞれ供給律速領域及び反応律速領域においてＴｉＮ膜を成膜しているが、他の例においては、チャンバ内の圧力やウェハＷの温度等の他のプロセスパラメータを制御することにより、供給律速領域及び反応律速領域においてＴｉＮ膜を成膜してもよい。
図８は、本実施形態の成膜方法により成膜された第１のＴｉＮ膜２４及び第２のＴｉＮ膜２５を備えた半導体装置の一部を示す断面図である。
図８（ａ）は、コンタクトホール２２を有する半導体装置の一部を示す断面図である。本例の半導体装置は、下地層２０、層間絶縁膜２１、コンタクトホール２２、Ｔｉ膜２３、第１のＴｉＮ膜２４、及び第２のＴｉＮ膜２５を有して構成される。コンタクトホール２２は、下地層２０に達するように層間絶縁膜２１に形成されている。下地層２０へのコンタクト層としてＴｉ膜２３が、コンタクトホール２２の内壁及び層間絶縁膜２１上に形成されており、バリア層として第１のＴｉＮ膜２４及び第２のＴｉＮ膜２５が、本実施形態の成膜方法によりＴｉ膜２３上に形成されている。第２のＴｉＮ膜２５上に、ＡｌやＷ等の金属膜を成膜することにより、半導体装置を構成する配線層を形成するとともにコンタクトホール２２を埋め込む。下地層２０は、例えば、金属層、多結晶Ｓｉ等の半導体層、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉ）やニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）等のシリサイド層等である。
図８（ｂ）は、電界効果型トランジスタを有する半導体装置の一部を示す断面図である。本例の半導体装置は、下地層２０、ゲート誘電膜２６、第１のＴｉＮ膜２４、及び第２のＴｉＮ膜２５を有して構成される。下地層２０は、ソース及びドレイン並びにチャネルが形成された半導体層であり、当該チャネル上にゲート誘電膜２６が形成されており、ゲート電極として第１のＴｉＮ膜２４及び第２のＴｉＮ膜２５が、本実施形態の成膜方法によりゲート誘電膜２６上に形成されている。ゲート誘電膜２６は、例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）等の高誘電体材料からなる膜であることが望ましい。
図８（ｃ）は、キャパシタを有する半導体装置の一部を示す断面図である。本例の半導体装置は、層間絶縁膜２１、キャパシタを構成する下部電極２７、キャパシタ誘電膜２８、第１のＴｉＮ膜２４、及び第２のＴｉＮ膜２５を有して構成される。下部電極２７は、例えば多結晶Ｓｉ等の導電体により層間絶縁膜２１上に形成されている。下部電極２７の表面及び層間絶縁膜２６上にキャパシタ誘電膜２８が形成されており、上部電極として第１のＴｉＮ膜２４及び第２のＴｉＮ膜２５が、本実施形態の成膜方法により誘電体膜２６上に形成されている。
上記発明の実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
本実施形態に係る成膜方法を実施するＴｉ成膜装置及びＴｉＮ成膜装置が搭載されたマルチチャンバタイプの成膜システム１００を示す概略構成図である。 ＴｉＮ成膜装置３を示す断面図である。 ウェハ昇降機構の他の例を示す図である。 ＴｉＮ膜の成膜方法の第１実施形態を示すフローチャートである。 ＴｉＣｌ4分圧に対するＴｉＮ膜の成長速度を示す図である。 第１のＴｉＮ膜及び第２のＴｉＮ膜の成膜条件の一例を示す図である。 ＴｉＮ膜の成膜方法の第２実施形態を示すフローチャートである。 本実施形態の成膜方法により成膜された第１のＴｉＮ膜２４及び第２のＴｉＮ膜２５を備えた半導体装置の一部を示す断面図である。
符号の説明
１、２・・・Ｔｉ成膜装置、３、４・・・ＴｉＮ成膜装置、５・・・ウェハ搬送室、６・・・ロードロック室、８・・・ウェハ搬入出室、９・・・ポート、１６・・・ウェハ搬送装置、１９・・・制御部、５１・・・Ｔｉ成膜チャンバ、５２・・・サセプタ、５５・・・ヒータ、６０・・・シャワーヘッド、８９・・・ウェハ支持ピン、９０・・・支持部、９１・・・駆動機構、９２・・・搬入出口、９３・・・支持棒、９４・・・除電ピン、９６・・・ヒータ、９７・・・ヒータ電源、１００・・・成膜システム、１５１・・・ＴｉＮ成膜チャンバ、１９０・・・制御部

Claims (1)

  1. 四塩化チタンとアンモニアを反応させることにより、被処理基板上に窒化チタン膜を成膜する成膜方法であって、
    前記四塩化チタンと前記アンモニアを供給律速領域において反応させることにより、前記被処理基板上に第１の窒化チタン層を形成する第１のステップと、
    前記第１の窒化チタン層を、窒素ガス又は水素ガスでアニールする第２のステップと、
    前記四塩化チタンと前記アンモニアを反応律速領域において反応させることにより、アニールされた前記第１の窒化チタン層上に第２の窒化チタン層を形成する第３のステップと、
    前記第２の窒化チタン層を、窒素ガス又は水素ガスでアニールする第４のステップと
    を備え、
    前記第１のステップにおける、前記アンモニアに対する前記四塩化チタンの分圧比は、前記第３のステップにおける当該分圧比より低く、
    前記第１のステップにおける、前記被処理基板の温度は、前記第３のステップにおける前記被処理基板の温度より低い
    ことを特徴とする成膜方法。
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