JP4573913B1 - 半導体装置の製造方法及びスパッタ装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
(1)金属ターゲットを使用し、酸素と窒素を含んだ雰囲気で反応性スパッタリング法により成膜して金属酸窒化膜を形成する方法
(2)酸化金属ターゲットや窒化金属ターゲットなどの誘電体ターゲットを用いてスパッタリング法により金属酸窒化膜を形成する方法
(3)基板上にスパッタリング法により金属又は金属含有膜を形成し、その後、形成された金属又は金属含有膜に酸窒化処理を施して金属酸窒化膜又は金属含有酸窒化膜を作製する方法
また第3の手法は、成膜が2工程以上になり工程数が増えてしまい、これに伴い、チャンバ数の増加による製造コストの増大という問題があった。
以上のように、酸窒化膜の形成においてコストを増大させる工程の増加などを伴わずに膜組成の制御性を上げることは困難であった。
このような目的を達成するために、本発明は、半導体装置の製造方法であって、処理チャンバー内の基板ホルダーに基板を載置する工程と、前記処理チャンバーに第1反応性ガスおよび第2反応性ガスを導入しながら、前記処理チャンバー内のターゲットに電力を印加してスパッタリングし、該スパッタリングにより生じたターゲット材料の粒子と前記第1反応性ガスと前記第2反応性ガスとを反応させて、該反応により得られた、前記ターゲット材料を含有した膜を前記基板に成膜する成膜工程とを有し、前記第2反応性ガスは、前記ターゲットの表面、前記ターゲット材料の粒子、または前記成膜された膜との反応性が前記第1反応性ガスよりも高く、前記成膜工程は、前記ターゲットの近傍に設けられた第1ガス導入口から少なくとも前記第1反応性ガスを導入し、前記ターゲットからの距離が前記第1ガス導入口より離れた位置に設けられた第2ガス導入口から前記第2反応性ガスを導入することを特徴とする。
なお、第1ガス導入口15からは、第1反応性ガスおよび不活性ガス(例えば、アルゴン)の混合ガスを導入しても良い。
ガス導入手段601は、第2反応性ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラーと、第2反応性ガスの流れを遮断したり開始したりするためのバルブ類とを有している。このガス導入手段601は、必要に応じて減圧弁やフィルターなどを有しても良い。第2ガス導入口17は図示しない制御装置により指定されるガス流量を安定して流すことができる構成となっている。第2ガス導入口17は、基板10を保持する基板ホルダー7近傍に位置している。つまり、第2ガス導入口17は、ターゲット表面からの距離が第1ガス導入口より離れた位置に設けられている。第2ガス導入口17は、基板ホルダー7に保持された基板10の近傍に第2反応性ガスを導入できるようになっている。第2ガス導入口は、基板前面10の堆積面に向けて均等に(シンメトリーに)導入できるような構造であることが好ましい。そのような構造であるガス導入口17の例としては、例えばガスリングの複数の導入穴や、細く一様に空けたスリットでも良い。
このように、本発明では、ターゲットホルダー6に印加されるスパッタのための電力を流用して反応性の低い第1反応性ガスを活性化し、かつ反応性の高い第2反応性ガスについては上記電力による活性化を抑制するために、第1ガス導入口15をターゲットホルダー6の近傍に設け、第2ガス導入口17を基板ホルダー7の近傍に設けている。すなわち、第1ガス導入口15と第2ガス導入口17とをこのように配置することで、活性化したい第1反応性ガスにターゲットホルダー6にて発生されるプラズマを作用させて活性化させ、過度に活性化したくない第2反応性ガスについては、上記ターゲットホルダー6からのプラズマの作用を抑制することができる。
なお、反応性ガスとは、ターゲットからのスパッタ粒子、ターゲット表面又は成膜された膜と反応するガスをいう。また、基板ホルダーの近傍とは、ターゲットと基板ホルダーとの中間位置よりも少なくとも基板ホルダー側をいう。
なお、複数の突起の数は、上述したものに限定されず、例えば、基板周辺カバーリングに設けられた突起が1つ以上で、基板シャッターに設けられた突起が2つ以上であってもよいし、逆に基板シャッター19に設けられた突起が2つ以上で、基板周辺カバーリングに設けられた突起が1つ以上であってもよい。このように突起によりラビリンスを構成するようにすることで、スパッタ粒子が基板ホルダーの基板載置面に付着するのを防止することができる。
図7は、本製造工程によって作製されるゲートスタック構造をもつ半導体装置の一例の断面図である。図7に示す半導体装置は、基板901上に、インターフェース層902、高誘電体膜903、ゲート電極904が積層された構造である。
製造装置800は、中心部にトランスファーチャンバー802を有し、トランスファーチャンバー802の周辺には、ゲートバルブを介してロードロックチャンバー801と、酸化処理チャンバー803と、スパッタリングチャンバー804と、加熱チャンバー805と、本発明に特徴的なスパッタリングチャンバー(スパッタリング装置)1とが設けられている。トランスファーチャンバー802は、搬送ロボット(不図示)を有しており、基板をチャンバー間に搬送可能に構成されている。各チャンバー801、802、803、804、805及び1は、それぞれ真空排気可能な排気手段が設けられている。また各チャンバー間は、ゲートバルブを介して真空連結されているので、基板を大気中に露出させることなく全ての工程を真空中で処理することができる。
図9は、図7に示すゲートスタック構造の半導体装置の製造方法を説明するためのプロセスフロー図である。
ステップS1では、半導体基板901が、ロードロック室801より製造装置801に搬入される。ステップS2では、半導体基板901はトランスファーチャンバー802の搬送ロボットにより、ロードロック室801から大気に晒すことなく酸化処理チャンバー803に搬送され、半導体基板901の表面に酸化シリコンSiO2からなるインターフェース層902が熱酸化プロセスにより形成される。このプロセスは熱酸化に限定されず、ALD等の成膜プロセス、あるいはプラズマ酸化プロセスを用いても良い。
ステップS3及びステップS4では、インターフェース層902の上面に高誘電率膜903を形成する。まずステップ3においては、搬送ロボットによってインターフェース層902が形成された半導体基板901がスパッタリングチャンバー804に搬入され、スパッタリングなどの物理的気相成長法によりインターフェース層902の上面にHfからなる金属層が形成される。ステップS4においては、上記搬送ロボットにより、金属層が形成された半導体基板901をスパッタリングチャンバー804から大気に晒すことなく加熱チャンバー805に搬入し、熱プロセスを行う。この熱プロセスにより、金属層とインターフェース層902が熱反応し高誘電率膜903として酸化ハフニウムHfO2が形成される。
ステップ5では、搬送ロボットにより高誘電率膜903が形成された半導体基板901をスパッタリングチャンバー1に搬入し、高誘電率膜903の上面に、反応性スパッタリング法によりゲート電極膜904を形成する。
図11はスパッタリングチャンバー1を用いてゲート電極膜904を形成する際の手順を示す。具体的には、各処理における時間、ターゲット印加電力、ターゲットシャッター14の位置、基板シャッター19の位置、およびArガス流量、窒素ガス流量、酸素ガス流量を示している。
まず、ガススパイクを行う。この工程により、真空チャンバー2内の圧力を高くし、次のプラズマ着火工程で放電開始をしやすい状態を作る。この条件はターゲットシャッター14および基板シャッター19は閉状態であり、アルゴンガス流量は200sccm、窒素ガス流量は50sccm、酸素ガス流量は2sccmとする。すなわち、不図示の制御装置は、ターゲットシャッター駆動機構33および基板シャッター駆動機構20を制御して、ターゲットシャッター14および基板シャッター19を閉状態にする。また、上記制御装置は、各マスフローコントローラーを制御して、第1ガス導入口15からアルゴンガスを流量200sccm、窒素ガスを流量50sccmで導入し、第2ガス導入口17から酸素ガスを流量2sccmで導入する。この手順によりターゲット4近傍のアルゴンガス圧力を高くすると共に反応性ガスの圧力をアルゴンガス圧力に比べ低い状態とする。このように真空チャンバー2に供給されるプロセスガスの総流量(アルゴンガス、第1反応性ガス及び第2反応性ガスの総流量)に対する、第1反応性ガス及び第2反応性ガスの総量の比は、次のプラズマ着火工程でターゲット表面をメタルモードにするために、30%以下であるのが好ましい。
以上の手順により7nmのTiON膜を作製した。
基板10の近傍には、ガスを活性化させる電子温度の高い放電は広がらないことが望ましい。従ってマグネトロン放電のための有効な磁場はターゲット4の近傍に限られることが望ましい。また、同じ理由でターゲット4と基板10の距離はなるべく離れていることが望ましい。
実施例2では、上述の実施例1のステップ5と異なり、基板ホルダー近傍に設置されたガス導入口17から導入した酸素ガス(O2)の流量を3sccmとした。それ以外は、実施例1と同様のプロセスで7nmのTiON膜を作製した。
比較例1では上述の実施例1のステップ5と異なり、チムニー9先端部に設けられた第1ガス導入口15からはアルゴンガスのみを導入し、基板ホルダー7の近傍に設けられた第2ガス導入口17からは、酸素ガス(O2)ガスを3sccm、窒素(N2)ガスを15sccmで導入した。それ以外は、実施例1と同様のプロセスで、7nmのTiON膜を成膜した。
比較例2では上述の実施例1のステップ5と異なり、基板ホルダー7の近傍に設けられた第2ガス導入口17を使用せず、チムニー9先端部に設けられた第1ガス導入口15から酸素ガス(O2)ガスを3sccm、窒素(N2)ガスを15sccm、Arガス20sccmで導入した。それ以外は、実施例1と同様のプロセスで、7nmのTiON膜を成膜した。
比較例1によるTiON膜は、40%を超える量の酸素が混入しており、ゲート電極としての十分な機能を有さない。
比較例2によるTiON膜は、50%を超える量の酸素が混入しており、ゲート電極としての十分な機能を有さない。
以上のように、本実施形態の方法と装置を、TiON膜を高誘電率膜上の電極膜として使用したところ、酸素と窒素の比率の制御性が改良された。また、TiONにおいて、酸素と窒素の比率を制御することにより、TiON膜の仕事関数値を所望の値に制御することができた。また、バックグラウンドの残留酸素や、容易にゲッタリングされるため不安定に成り易い少量の酸素導入と比較して再現性にも優れていることがわかった。
本実施例では図7に示すゲートスタック構造の作成方法において、ターゲット4の近傍に設けられた第1ガス導入口15からアルゴンガスと窒素ガスを導入し、ターゲット4からの距離が上記第1ガス導入口15より離れた位置に設けられた第2ガス導入口17から窒素ガスよりも反応性が高い酸素ガスを導入する方法と装置を使用して、高誘電率膜903を作成した場合について説明する。
以上により、作成されたゲートスタック構造を有する半導体装置では、HfON膜の組成制御性が向上したことにより、リーク電流を抑制しながら、EOT1.4nmの良質な高誘電率膜を安定に作成できた。
Claims (15)
- 処理チャンバー内の基板ホルダーに基板を載置する工程と、
前記処理チャンバーに第1反応性ガスおよび第2反応性ガスを導入しながら、前記処理チャンバー内のターゲットに電力を印加してスパッタリングし、該スパッタリングにより生じたターゲット材料の粒子と前記第1反応性ガスと前記第2反応性ガスとを反応させて、該反応により得られた、前記ターゲット材料を含有した膜を前記基板に成膜する成膜工程とを有し、
前記第2反応性ガスは、前記ターゲットの表面、前記ターゲット材料の粒子、または前記成膜された膜との反応性が前記第1反応性ガスよりも高く、
前記成膜工程は、前記ターゲットの近傍に設けられた第1ガス導入口から少なくとも前記第1反応性ガスを導入し、前記ターゲットからの距離が前記第1ガス導入口より離れた位置に設けられた第2ガス導入口から前記第2反応性ガスを導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第2ガス導入口は、前記基板ホルダーの近傍に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ターゲットの近傍に磁界が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ターゲットは、Ti、Ta、Hf、Zr、Si、La,Co,Fe,Ni,B,Mg及びAlからなる群から選ばれることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1反応性ガスは、窒素を含有するガスであり、前記第2反応性ガスは、酸素を含有するガスであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記成膜工程は、
前記第1ガス導入口からさらに不活性ガスを導入することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記成膜工程の前に、
前記ターゲットと前記基板との間を開閉可能なシャッターで遮蔽しながら、前記第1ガス導入口から前記不活性ガスおよび前記第1反応性ガスを導入し、前記第2ガス導入口から前記第2反応性ガスを導入するプラズマ着火工程であって、前記成膜工程において導入する前記不活性ガスの流量よりも大きな流量で前記不活性ガスを導入するプラズマ着火工程をさらに有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記プラズマ着火工程において、前記不活性ガス、前記第1反応性ガス及び前記第2反応性ガスの総流量に対する、前記第1反応性ガスおよび第2反応性ガスの総流量の比は、30%以下であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記プラズマ着火工程における、前記ターゲットへの印加電力は500W以上であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記成膜工程の前に、
前記ターゲットと前記基板との間を開閉可能なシャッターで遮蔽しながら前記成膜工程と同じ条件で前記処理チャンバー内に成膜を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記成膜工程は、ゲート絶縁膜上のゲート電極膜を成膜する工程であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 処理チャンバーと、
処理チャンバーに設けられ、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーと、
前記ターゲットホルダーに所定の電圧を印加するための電圧供給機構と、
前記ターゲットホルダーの近傍に磁場を形成するための磁場形成機構と、
処理チャンバーに設けられ、基板を保持するための基板ホルダーと、
前記ターゲットホルダーの近傍に設けられ、第1反応性ガスを前記処理チャンバー内に導入する第1ガス導入口と、
前記ターゲットホルダーからの距離が前記第1ガス導入口より離れた位置に設けられ、第2反応性ガスを前記処理チャンバー内に導入する第2ガス導入口とを備え、
前記第2反応性ガスは、前記ターゲットの表面、前記ターゲット材料の粒子、または前記成膜された膜との反応性が前記第1反応性ガスよりも高いガスであり、
前記電圧供給機構により前記ターゲットホルダーに所定の電圧を印加して前記ターゲットをスパッタリングし、該スパッタリングにより生じたターゲット材料の粒子と前記第1ガス導入口から導入された第1反応性ガスと前記第2ガス導入口から導入された第2反応性ガスとが反応し、該反応により得られた、前記ターゲット材料を含有した膜を前記ホルダーに保持された基板に成膜するように構成されていることを特徴とするスパッタ装置。 - 前記処理チャンバー内に設けられ、基板を載置するための基板ホルダーをさらに備え、
前記第2ガス導入口は、前記基板ホルダーの近傍に設けられることを特徴とする請求項12に記載のスパッタ装置。 - 前記ターゲットホルダーの周囲を囲む筒状シールドをさらに備え、
前記第1ガス導入口は、前記筒状シールドの開口された先端部に設けられていることを特徴とする請求項12に記載のスパッタ装置。 - 前記ターゲットホルダーと前記第2ガス導入口との間を遮断可能なシャッターをさらに備えることを特徴とする請求項12に記載のスパッタ装置。
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