JP4807960B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置及び成膜方法に関する。

近年、半導体デバイス製造分野における成膜技術として、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が注目されている。

通常、ＡＬＤ法では、原料ガスを真空チャンバー内へ導入した後、原料ガスの前駆体を基板表面に原子層単位で吸着させ（吸着工程）、その状態で反応ガスを導入し、基板表面で前駆体と反応ガスとを反応させて（反応工程）、所望の膜を形成する。この前駆体の吸着工程と、吸着した前駆体と反応ガスとの反応工程とを多数回繰り返し、所望の厚さの膜を形成する。

ＡＬＤ法では、上記反応ガスとして、通常の生ガス、プラズマ分解で生成したラジカルやイオンなどが用いられている。しかし、これらを反応ガスとして用いても、所望の特性を有する膜を形成できるほどには、反応ガスと基板上の前駆体との間で十分な反応が生じない。そのため、不純物を多く含んだ膜や、比抵抗の高い膜ができ、また、下地層との密着性も悪いという問題が生じる。

上記ＡＬＤ法と同じく原料ガスと反応ガスとの間の化学反応を利用する成膜方法として、触媒ＣＶＤ法がある。このＣＶＤ法は、反応ガスを触媒体に接触させてラジカルを発生させ、基板上でこのラジカルと原料ガスとを反応させて成膜するというものである（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、大量のラジカルを発生させることができるので、ラジカルと原料ガスとの間で十分な反応が生じる。その結果、不純物が少ない所望の特性の膜を形成できる。また、ラジカルをプラズマによって発生させる場合と異なって、基板上の膜を傷つけるおそれもない。

そこで、ＡＬＤ法においても、触媒作用によって生成されたラジカルを反応ガスとして用いることが提案されている。

しかし、ＡＬＤ法では、通常、同一の真空チャンバー内でラジカルの発生と原料ガスの導入とが行われているために、触媒作用によってラジカルを発生させると、ラジカルの発生に用いられる触媒源に原料ガスが付着し、その結果、触媒源と原料ガスとが反応して原料ガス中の金属が触媒源上に成膜するおそれがある。この場合、触媒源に原料ガスが付着しないように、触媒源を原料ガスの導入口から離して設置すると、ラジカルの輸送効率が低下して、すなわちラジカルが輸送中に失活して、所望の特性の膜を形成できない。

触媒源に原料ガスが付着しないように構成された成膜装置として、例えば、図１、図２に示すような成膜装置が知られている。これらの成膜装置は、反応ガス供給手段１が接続され、内部に触媒源２が設置された触媒室３と、基板載置台４が設置された成膜室５とからなる。これらの装置は、触媒室３と成膜室５とがラジカル輸送路を介して接続されているから、触媒源２が成膜室５から離れて設置されており、その結果、原料ガスが触媒源に付着しにくくなっている。このラジカル輸送路として、図１の成膜装置では、Ｌ字型のラジカル輸送路６が設けられ、図２の成膜装置では、Ｉ字型のラジカル輸送路７が設けられている。

図１、図２に示した装置を用いてラジカルの輸送効率を以下のようにして調べた。

成膜室５内部の基板載置台４上に基板Ｓを載置し、触媒源２を１７５０℃まで昇温した。ここで、基板Ｓとして、熱酸化物膜が形成され、さらにその上に銅酸化物膜が形成された８インチウエハを用いた。

その後、触媒室３に反応ガス供給手段１から、反応ガスとしてＨ_２ガスを１００ｓｃｃｍで１分間導入し、このＨ_２ガスが触媒源２に接触して発生したＨラジカルによって、銅酸化物膜が還元されたかどうかを評価し、ラジカルの輸送効率を調べた。

この評価は、ラジカル照射前後の膜の絶対反射率を測定して行った。これは、銅酸化物膜にラジカルを照射すると、銅酸化物膜は還元されて、銅膜に変換されることに着目し、ラジカル照射後の膜の絶対反射率を測定して、還元の効率、すなわち、どの程度ラジカルが基板Ｓまで輸送されたかという輸送効率を調べたものである。結果を図３に示した。なお、銅酸化物膜の絶対反射率は９％であり、銅膜の絶対反射率は５４％である。

図１の成膜装置を用いた場合、ラジカル照射後の膜の絶対反射率は１０％であった（図３の点Ａ参照）。これは、銅酸化物膜の反射率である９％とほぼ同程度であり、発生したラジカルが基板Ｓ上の銅酸化物膜まで到達していないことを示す。触媒室３で生成されたラジカルのほとんど全てが、基板Ｓまで輸送される間に、L字型輸送路６の壁面等に衝突したりして失活してしまったためと思われる。

図2の成膜装置を用いた場合、ラジカル照射後の膜の絶対反射率は３８％であって（図３の点Ｂ参照）、基板Ｓの中央部のみが還元されていた。これは、発生したラジカルが、基板Ｓ上の酸化物膜の中央部には到達したが、基板のその他の部分には到達していないことを示す。触媒室３で生成されたラジカルのほとんどが、Ｉ字型輸送路７や触媒室等の壁面に衝突したりして失活してしまったためと思われる。

このように、従来は、ラジカルが輸送中に失活して、原料ガスと反応するのに十分な量のラジカルが基板上に到達せず、所望の膜を形成できなかった。
特開２０００−２４３７１２（特許請求の範囲等）

本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、触媒源で生成されたラジカルが輸送中に失活することを防止して、原料ガスの前駆体とラジカルとの反応を効率よく行って所望の特性の膜を形成することができる成膜装置及び成膜方法を提供することにある。

本発明の成膜装置は、原料ガス供給手段及び基板載置台を備えた成膜室と、反応ガス供給手段及び基板に対向するように設けられた触媒源を備えた触媒室とを有する真空チャンバーからなり、この成膜室と触媒室とが開口部を介して接続されている成膜装置において、前記成膜室の内径が触媒室の内径より大きいこと、そして基板載置台に載置される基板の周縁部と開口部の周縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をωとし、基板の周縁部と触媒源の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をθとした場合に、触媒源が、ω≧θ、好ましくはω＞θを満たす位置に配置されており、前記触媒源と基板との距離が、基板径の０．５−１．５倍の範囲になるように構成されており、また、前記成膜室内に、中央に開口を有する原料ガス供給用のシャワーノズルを設置し、基板の周縁部とシャワーノズルの開口の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をφとし、基板の周縁部と触媒源の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をθとした場合に、シャワーノズルが、φ≧θを満たす位置に配置されていることを特徴とする。

ω≧θ好ましくはω＞θを満たす位置に触媒源が設置されていれば、触媒源で発生したラジカルは、真空チャンバーの内壁等で失活することなく、基板まで輸送され、基板に吸着している前駆体の全てと反応して所望の特性の膜を形成することができる。

このように、ω≧θ好ましくはω＞θという角度条件を満たせば、反応に必要な量のラジカルが基板まで失活することなく到達し、所望の特性を有する膜を形成できるので、従来技術のように必ずしも触媒源を基板より大きくする必要はない。

また、前記成膜室内に、中央に開口を有する原料ガス供給用のシャワーノズルを設置して、基板の周縁部とシャワーノズルの開口の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をφとし、基板の周縁部と触媒源の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をθとした場合に、シャワーノズルが、φ≧θを満たす位置に配置されることが好ましい。この角度関係を満たす場合には、発生したラジカルがシャワーノズルに衝突して失活することなく基板まで輸送されるからである。

前記触媒源と基板との距離が、基板径の０．５−１．５倍の範囲になるように構成されることが好ましい。０．５倍未満であれば、原料ガスが触媒源と反応してしまい、１．５倍を超えれば、ラジカルの効果が薄れて所望の膜を形成できないからである。

前記触媒源が、螺旋状の高融点金属ワイヤーから構成されることが好ましい。螺旋状のワイヤーを用いると、直線状のワイヤーを用いる場合よりも反応ガスと接触する面積が増えるために、ラジカルが効率よく大量に発生し、所望の特性の膜を形成できるからである。さらに、前記高融点ワイヤーが、熱でたわまないようにすることが好ましい。たわむと、高融点ワイヤー同士が接触しまたは高融点ワイヤーと本装置の他の部品とが接触し、電気的にショートしてしまうという問題が生じるからである。たわまないためには、例えば、高融点ワイヤーを湾曲しないように適度の引張り力で保持して配置し、触媒源を構成する。高融点ワイヤーを湾曲して設置すると、熱でたわみやすいからである。

前記開口部には、触媒源に原料ガスが付着することを防止すべく、開口部にアイソレーションバルブやシャッターを設けることが好ましい。

前記成膜室の底部に真空排気手段を設けてもよい。底部に設けることで、発生したラジカルが基板方向へ誘導されやすく、効率よくラジカルを基板まで輸送することができるからである。

本発明の成膜装置は、触媒室内の温度を一定に保つべく、前記触媒室の内部又は外部に冷却手段を備えることが好ましい。

また、本発明の成膜方法は、上記成膜装置を用いて成膜することを特徴とする。

本発明の成膜装置によれば、触媒源で生成されたラジカルが輸送中に失活することを防止して、ラジカルと原料ガスとの反応を効率よく行って所望の特性を有する膜を形成することができるという効果を有する。

はじめに本発明の成膜装置の概略構成図を図４に示す。

本発明の成膜装置は、真空排気手段４１を有する真空チャンバー４２からなる。

この真空チャンバー４２は、原料ガス供給手段４３を有する成膜室４４と、反応ガス供給手段４５を有する触媒室４６とからなる。

前記成膜室４４内には、その底部に基板Ｓを載置するための基板載置台４４１が設けられている。

そして、成膜室４４は、その側壁に原料ガス導入口４４２を有する。この原料ガス導入口４４２から、原料ガス供給手段４３によって供給された原料ガスを配管４３１を通じて成膜室４４に導入する。

この原料ガスの導入は、単管ノズルで行ってもよいが、基板Ｓ上に均一に原料ガスの前駆体を吸着することができるように、図４に示すようなシャワーノズル４４３を触媒室４６と成膜室４４との間の開口部４７より下方に設けても良い。この場合のシャワーノズル４４３は、真空チャンバー４２内部のラジカルの輸送路を妨げることのないように、中央に開口４４４を有する。

成膜室４４と触媒室４６とは、開口部４７を介して接続されている。図４においては、開口部４７の直径と触媒室４６の内径とが同一であるが、開口部４７の直径を触媒室４６の内径より小さくしてもよい。例えば、図６に示すように、開口部４７の周縁部に成膜室４４と触媒室４６とを隔てる仕切り部材５１を設けて、開口部４７の直径を調節すればよい。なお、この仕切り部材は真空チャンバーと一体となっていてもよい。

前記触媒室４６は、発生したラジカルの失活を防止すべく、その内壁を石英やアルミナなどで被覆することが好ましく、その上壁には反応ガス導入口４６１が設けられている。反応ガス導入口４６１と反応ガス供給手段４５とは、配管４５１で接続されており、反応ガス供給手段４５から供給された反応ガスは、配管４５１を通じて触媒室４６内に導入される。

また、触媒室４６内には、成膜室４４に載置される基板Ｓと対向する位置に触媒源４８が設けられている。なお、この触媒源４８は、反応ガスの導入経路に対し垂直に設置され、反応ガスが垂直に触媒源に接触されるように構成されていることが好ましい。

触媒源４８について、図５を参照して説明する。なお、図５において、図４と同じ構成要素には同じ参照符号を付けてある。

基板載置台４４１に載置される基板Ｓの周縁部と開口部４７の周縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をωとし、基板の周縁部と触媒源４８の縁部から一定の距離ｘだけ中心に向かった位置との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をδとした場合に、触媒源が、ω≧δを満たす位置に配置されている。この場合、ω、δはそれぞれ、各直線が基板の内径方向となす角度をいう。

触媒源４８の好ましい設置態様について、図６を参照して説明する。なお、図６において、図４と同じ構成要素には同じ参照符号を付けてある。この態様は、図５における一定の距離ｘを０とした場合であり、基板Ｓの周縁部と開口部４７の周縁部との最短距離を結ぶ直線が基板Ｓとなす角度をωとし、基板の周縁部と触媒源４８の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をθとした場合に、触媒源が、ω≧θ、好ましくはω＞θを満たす位置に配置されるものである。ω＞θを満たす位置に触媒源を設置することが好ましいのは、ω＝θの場合には、触媒室４６の内壁Ａなどにラジカルが衝突して失活する可能性があるからである。この場合、θは直線が基板の内径方向となす角度をいう。

この角度関係ω≧θは、基板Ｓ上の全ての位置から触媒源が見えるように、基板の周縁部の全ての点において成立していることが好ましい。例えば、開口部４７の径が触媒室４６の内径と等しいときは、触媒室４６の内壁Ａの周縁部ａ（すなわち、開口部４７の周縁部）と基板Ｓの周縁部との最短距離を結ぶ直線Ｌ１が基板となす角度をωとする。また、開口部４７の直径が触媒室４６の内径より小さい場合、言い換えると、開口部の周縁部に設けられた仕切り部材５１により成膜室４４と触媒室とが分離されている場合には、この仕切り部材の周縁部ａ´（すなわち、開口部の周縁部）と基板Ｓの周縁部との最短距離を結ぶ直線Ｌ２が基板となす角度ω´を角度ωとする。

いずれの場合においても、上記したω≧δ又はω≧θという角度関係が成立していなければならない。真空チャンバー４２がどのような形状を持っていたとしても、また、開口部４７がどのような形状であっても、これらを満たしていなければ、発生したラジカルが真空チャンバーの内壁等によって失活してしまうからである。

成膜室４４内部にシャワーノズル４４３を設置した場合について、図７を参照して説明する。なお、図７において、図４と同じ構成要素には同じ参照符号を付けてある。基板Ｓの周縁部とシャワーノズル４４３の中央に設けられた開口４４４の周縁部ｂとの最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をφとし、基板の周縁部と触媒源４８の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をθとした場合に、シャワーノズルがφ≧θを満たす位置に配置されなければならない。この角度関係を満たさなければ、触媒源で発生したラジカルが、シャワーノズル４４３に衝突し失活してしまうからである。上記角度条件は、好ましくはφ＞θである。φ＝θの場合、ラジカルが、開口４４３の側壁Ｂに衝突し、失活してしまう可能性があるからである。

この触媒源４８は、高融点金属ワイヤーを一つ以上組み合わせて構成される。高融点金属としては、例えば、タングステン、モリブデン、ジルコニウム、タンタル、レニウム、オスミウム、イリジウムがあげられる。この高融点金属ワイヤーは、直線ワイヤーでもよいが、図８に示すような螺旋状に巻かれたものが好ましい。

この組み合わせの形状は、特に制限はない。たとえば、高融点金属ワイヤー８１を複数本用いて多角形状に並べてもよく、さらに、その内部に高融点金属ワイヤーを適宜の本数組み合わせて、触媒源４８の表面積を増大させてもよい。また、高融点金属ワイヤー８１をメッシュ状に組み合わせたものでもよい。図８では、高融点金属ワイヤー８１を８本もちいて八角形状に並べ、その内部に高融点金属ワイヤーを４本組み合わせ、さらにその内部に高融点金属ワイヤーを４本組み合わせて四角形を形成している。なお、これらの高融点ワイヤー８１は、熱でたわまないように設置することが好ましい。

この触媒源４８は、電源（図示せず）に接続されており、電源を動作させ、触媒源に直流電流または交流電流を流すと、触媒源が高温に発熱するように構成されている。また、この触媒源４８の温度を一定に保つべく、電流電圧をモニターし、フィードバックする制御機構（図示せず）が触媒源に設けられている。この触媒源４８からの放熱により触媒室４６は温度上昇することから、触媒室内の温度を一定に保つべく、冷却手段（図示せず）が触媒室の外部または内部に設けられていることが好ましい。

触媒源４８と基板Ｓとの距離は、基板径の０．５〜１．５倍以内の範囲になるように構成されることが好ましい。この距離を、絶対的な距離で設定せず、基板径を基準とした相対的な距離で設定したのは、ラジカルの流れ方が、基板径の大きさに対して常に一定になるようにするためである。

上記条件を満たして触媒源４８を設置した場合には、ラジカルが輸送中に失活せずに反応に十分な量が基板Ｓまで達して、所望の特性の膜を形成することができる。

また、触媒室４６は、原料ガスが触媒室内に拡散し、触媒源４８に付着するのを防止するためにパージガス供給手段（図示せず）を備えていることが好ましい。

触媒室４６と成膜室４４との間の開口部４７に、シャワーノズルのような穴のあいた隔壁を設けてもよい。この隔壁は、ラジカルの失活を効果的に防止すべく、石英やアルミナで覆われていなければならない。この隔壁の穴の総断面積は、隔壁の横断面積の半分以上でなければならない。半分未満であると、ラジカルの大部分が隔壁にぶつかって失活してしまい、反応に必要な量のラジカルが基板に到達せず、所望の特性の膜を形成できないからである。

さらに、この開口部４７には、原料ガスが触媒室４６に拡散しないようにシャッターやアイソレーションバルブを設けてもよい。アイソレーションバルブとしては、ゲートバルブを用いることが好ましい。

真空排気手段４１は、図４では成膜室４４の側壁に設けたが、成膜室４４の底部に設けてもよい。

以下、本発明の成膜装置を用いた成膜方法について図４を参照して説明する。

本成膜装置を用いて、以下のように成膜前の前処理を行うこともできる。

はじめに、基板載置台４４１上に基板Ｓを載置し、触媒源４８に通電して発熱させる。この触媒源４８への投入電力は、例えば、直流電圧１３．０V、１４．０Aに設定されており、これによって触媒源の温度は、約１７００℃に昇温する。この温度を保った状態で、反応ガス供給手段４５から触媒室４８内部に反応ガスを２００ｓｃｃｍで１分間供給する。同時に成膜室４４の真空排気手段４１により排気を行い、真空チャンバー４２内の圧力を１〜６０Ｐａの範囲にする。

ここで、反応ガスとしては、Ｈ_２ガス、ＳｉＨ_４ガス、ＮＨ_２ＮＨ_２ガス、ＮＨ_３ガス、Ｈ_２Ｏガス等のようなＨ原子含有ガスを用いることができ、これらを単独で用いても、複数で用いてもよい。

反応ガスが触媒源４８に接触してラジカルが生成され、このラジカルが、基板Ｓの表面に残留している金属酸化物を還元し、清浄な金属面を露出させる。たとえば、反応ガスがＨ_２ガスである場合には、Ｈラジカルが生成され、反応性ガスがＮＨ_３ガスである場合には、ＮＨやＮＨ_２等のラジカルが生成される。

ラジカルは、非常に反応性に富んでいて還元性が高く、基板温度が２００℃以下でも基板表面の金属酸化物や、フッ化物、または炭化物などを容易に還元し、清浄な表面を露出させることができる。これにより、原料ガスの前駆体の核発生頻度や、得られた膜と下地層との密着性を改善することができる。

上記前処理により、基板Ｓの洗浄だけでなく、真空チャンバー４２内部の洗浄をすることもできる。

続いて、上記前処理を行った基板Ｓに本装置を用いて成膜する方法について説明する。

前処理用に使用していた反応ガスの供給を止めた後、基板載置台４４１の温度を上げて、基板の温度を２００℃〜３００℃の範囲に昇温させる。基板の温度が安定した後、パージガスを触媒室４６に導入する。ここで、パージガスとしては、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガスや、Ｎ_２等の不活性ガスを用いることができる。

その後、パージガスを導入しながら、原料ガスを０．５ｇ／ｍｉｎで成膜室４４内に導入し、原料ガスの前駆体を基板Ｓに吸着させる。ここで、原料ガスの原料は、有機系金属化合物であれば特に制限はなく、所望の膜の種類・性質に応じて選択でき、たとえば、Ｔａ［ＮＣ(ＣＨ_３)_２Ｃ_２Ｈ_５］［Ｎ（ＣＨ_２）_２］_３（ＴＩＭＡＴＡ）、ペンタジメチルアミノタンタル（ＰＤＭＡＴ）、tert-アミルイミドトリス(ジメチルアミド)タンタル（ＴＡＩＭＡＴＡ）、ペンタジエチルアミノタンタル（ＰＥＭＡＴ）、tert-ブチルイミドトリス（ジメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）、tert-ブチルイミドトリス（エチルメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＥＭＴ）、ＴａＸ_５（Ｘ：フッ素、塩素、臭素及びヨウ素から選ばれたハロゲン原子）を使用することができる。

１０秒間原料ガスを導入したところで、原料ガスを停止する。パージガスはそのまま導入し続けて、残留している原料ガスを排気する。原料ガスを完全に排出した後、パージガスの導入を停止する。

次に、反応ガスを反応ガス導入口４６１から２００ｓｃｃｍで１０秒間導入する。反応ガスとしては、上記したＨ原子含有ガスを用いることができ、これらはいずれか単独で用いても、２種以上を同時に用いてもよい。

導入した反応ガスが触媒源４８に接触し、ラジカルを生成する。この生成したラジカルが、基板表面に吸着した前駆体と反応して、膜を形成する。例えば、ＴＩＭＡＴＡを原料とした場合にはＴａＮ_ｘ膜が形成される。

上記工程を多数回繰り返して、所望の厚さの膜を得ることができる。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。

図９に示した成膜装置を用いて、開口部４７の大きさを変化させた場合のラジカルの輸送効率について調べた。本成膜装置は、開口部４７に仕切り部材５１を設けてある。この仕切り部材５１の大きさを変化させて開口部４７の大きさを変えることにより、基板Ｓの周縁部と開口部４７の周縁部との最短距離を結ぶ直線が触媒源４８と交わった点と、触媒源の縁部との距離ｙを変化させることが可能である。触媒源４８を構成する高融点ワイヤー８１はタングステンからなり、その長さｚは１００ｍｍである。なお、図９において、図４と同じ構成要素には同じ参照符号を付けてある。

上記の構成を有する装置の仕切り部材５１の大きさを変化させることにより触媒源からの距離ｙを０、３５、４０、４５ｍｍに変えて、それぞれの場合において以下のようにラジカルを生成して還元処理を行った。

まず、基板Ｓとして、熱酸化物膜が形成され、さらにその上に銅酸化物膜が形成された８インチウエハを基板載置台４４１に載置し、次いで触媒源４８に通電して発熱させた。この触媒源４８への投入電力を直流電圧１３．０V、１４．０Aに設定し、これによって、触媒源４８の温度を１７００〜１８００℃になるようにした。この温度を保った状態で、反応ガス供給手段から触媒室４６内部に反応ガスとしてＨ_２ガスを２００ｓｃｃｍで１分間供給した。同時に成膜室４４の真空排気手段により排気して真空チャンバー４２内の圧力を１０Ｐａにした。供給されたＨ_２ガスは触媒源４８と接触しＨラジカルを生成した。このラジカルによって基板Ｓ上の銅酸化物膜が還元されたか否かを、基板Ｓ上の各点で相対反射率を測定して評価した。結果を図１０に示した。

図１０において、横軸は、ラジカル照射後の基板Ｓ上の膜の測定箇所と基板Ｓの中心との距離を示している。縦軸は、銅膜の反射率を１００％とした場合のラジカル照射後の膜の相対反射率を示す。

図１０によれば、距離ｙが０ｍｍの場合には、還元された銅酸化物膜の相対反射率は、基板上の全ての点において１００％であり、銅膜の反射率と同じだった。距離ｙが３５ｍｍの場合、すなわち、触媒源の端部からの距離ｙが触媒源の長さの３５％である場合には、基板の中央部から４５ｍｍ以下の位置であれば、相対反射率は１００％であり、銅膜の反射率と同じだったが、基板の中央部から４５ｍｍを超えた位置では、相対反射率は１００％未満であった。また、距離ｙが４０、４５ｍｍの場合には、基板上の全ての点において相対反射率は１００％未満であり、基板の中心から距離が離れるに従って相対反射率が急激に減少した。

このことから、触媒源の端部からの距離ｙが触媒源の長さの３５％以内であれば成膜に必要な量のラジカルが失活せずに基板に到達できることがわかった。

図４に示した成膜装置であってシャワーノズル４４３を有していないものを用いて、ラジカルの輸送効率を調べた。本成膜装置は、開口部４７の径が触媒室４６の内径と一致するものである。基板Ｓとして、熱酸化物膜が形成され、さらにその上に銅酸化物膜が形成された８インチウエハーを用いた。この基板Ｓを基板載置台４４１に設置した。基板Ｓの周縁部と開口部４７の周縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度ωは、約８０度であった。

触媒源４８は、ワイヤー直径０．５ｍｍ、長さ３５０ｍｍのタングステンからなる高融点金属ワイヤー８１を、図８のように正八角形になるよう８本配置し、その中に正四角形を形成するようにワイヤー直径０．５ｍｍ、長さ３００ｍｍの高融点金属ワイヤー８１を４本、さらにその中に正四角形を形成するように直径０．５ｍｍ、長さ３００ｍｍの高融点金属ワイヤー８１を４本配置したものを用いた。この触媒源４８を基板Ｓに対向し、かつ基板から４００ｍｍのところに設置した。基板Ｓの周縁部と触媒源４８の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度θは、８０度であった。したがって、当該装置はω≧θの角度関係を満たした。

上記の構成を有する装置の触媒源４８に通電して発熱させた。この触媒源４８への投入電力は直流電圧１３．０V、１４．０Aに設定し、これによって触媒源４８の温度は、１７００〜１８００℃になるようにした。この温度を保った状態で、反応ガス供給手段４５から触媒室４６内部に反応ガスとしてＨ_２ガスを２００ｓｃｃｍで１分間供給した。同時に成膜室４４の真空排気手段４１により排気して真空チャンバー４２内の圧力を１０Ｐａにした。

Ｈ_２ガスは触媒源４８に接触してＨラジカルを生成した。このラジカルは、ラジカル輸送路を通って基板Ｓの表面に達して銅酸化物膜を還元した。結果を図３に示す。

図３によれば、ラジカル処理後の膜の絶対反射率が、熱酸化物膜を有する基板Ｓ上に形成された銅膜の絶対反射率である５４％に一致した（図３の点Ｃ参照）。これは、発生したラジカルにより、基板上の銅酸化物膜がすべて還元されて銅膜が得られたことを示していた。このことから、本発明の成膜装置を用いれば、ラジカルが、輸送中に失活することなく効率よく基板Ｓ上に照射されたことがわかった。

図４で示した成膜装置を用いて、ＴａＮ_ｘ膜の形成を行い、その膜質特性を評価した。なお、実施例１と同一の８インチウエハーを基板Ｓとして使用した。

最初に、基板Ｓを成膜室４４に搬送し、基板載置台４４１上に載置した。基板載置台４４１の温度は２５０℃に設定した。基板温度を安定させたところで、触媒室４６にパージガスとしてＮ_２ガスを２００ｓｃｃｍ導入した。

パージガス導入から５秒後、原料ガスとしてＴＩＭＡＴＡをシャワーノズル４４３を介して０．５ｇ／ｍｉｎ導入した。

原料ガスの前駆体を基板Ｓ上に吸着させた後、原料ガスの導入を停止した。

触媒室４４から導入されていたパージガスの導入を、原料ガス導入停止から数秒後に停止した。

ついで、触媒室４６に反応ガスとしてＨ_２ガスを２００ｓｃｃｍ導入し、触媒源４８に接触させてＨラジカルを生成させ、基板Ｓ上に吸着していた前駆体と反応させて膜を形成した。導入から１０秒後、Ｈ_２ガスの導入を停止した。

上記工程を２００回繰り返して得た膜厚１８ｎｍのＴａＮ_ｘ膜の比抵抗を測定して図１１に示した。また、比較例として、図１、図２のようなω≧θを満たさない構造を有する各成膜装置を用いた以外は全て同一条件で形成した場合のＴａＮ_ｘ膜の比抵抗を測定して、同じく図１１に示した。

図１、図２のような構造を有する成膜装置で成膜したＴａＮ_ｘ膜の比抵抗は、１０^６(μΩ・ｃｍ)程度であり（図１１の点Ａ、Ｂ参照）、これは、触媒源４８で生成されたラジカルが輸送路で失活したため、基板まで到達できなかった結果、絶縁物に近い膜になっていたものと考えられる。

一方、本発明の成膜装置を用いて成膜したＴａＮｘ膜の比抵抗は８００(μΩ・ｃｍ)程度であり（図１１の点Ｃ参照）、図１、図２の装置で形成された膜に比べてきわめて比抵抗が低かった。これは、本装置の場合、生成されたラジカルを効果的に基板上まで輸送させ、基板上に吸着した前駆体とラジカルが十分に反応した結果、比抵抗のきわめて低い膜が形成されたものと考えられる。
本発明の成膜装置に関連する成膜装置としては、原料ガス供給手段及び基板載置台を備えた成膜室と、反応ガス供給手段及び基板に対向するように設けられた触媒源を備えた触媒室とを有する真空チャンバーからなり、この成膜室と触媒室とが開口部を介して接続されている成膜装置において、基板載置台に載置される基板の周縁部と開口部の周縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をωとし、基板の周縁部と触媒源の縁部から一定の距離中心に向かった位置との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をδとした場合に、触媒源が、ω≧δを満たす位置に配置されているものを挙げることができる。
上記一定の距離とは、触媒源の長さの０〜３５％をいう。基板の周縁部と触媒源の縁部との最短距離を結ぶ直線より内側が、触媒源で発生したラジカルの主要な輸送路になる。そのため、上記の角度条件ω≧δをみたす場合には、ラジカルの主要な輸送路のほとんどが真空チャンバーの内壁等によって阻まれることがなく、反応に必要最低限の量のラジカルが基板に到達できる。
上記したように、ω≧δという角度条件を満たせば、反応に必要な量のラジカルが、失活することなく基板まで到達し、所望の特性を有する膜を形成できるので、従来技術のように必ずしも触媒源を基板より大きくする必要はない。
上記開口部には、穴の開いた隔壁を設けてもよく、この場合、前記隔壁の穴の総断面積が、隔壁の横断面積の５０％以上であることが好ましい。ラジカルの失活を防ぐためである。

本発明の成膜装置及び成膜方法によれば、触媒作用によって得られたラジカルを失活せずに効率よく基板まで輸送することができるので、所望の膜を形成できる。そのため、本発明は、半導体デバイス分野の薄膜形成プロセスに適用可能である。

Ｌ字型のラジカル輸送路を設けた成膜装置を模式的に示す構成図。 Ｉ字型のラジカル輸送路を設けた成膜装置を模式的に示す構成図。 ラジカル照射後の膜の絶対反射率を示すグラフ。 本発明の成膜装置の実施態様を模式的に示す構成図。 本発明の成膜装置に用いられる触媒源の設置位置を説明するための模式的構成図。 本発明の成膜装置に用いられる触媒源の好ましい設置位置を説明するための模式的構成図。 本発明の成膜装置に用いられるシャワーノズルの設置位置を説明するための模式的構成図。 本発明の成膜装置に用いられる触媒源の形状を模式的に示す構成図。 本発明の成膜装置の別の実施態様を模式的に示す構成図。 図９の成膜装置を用いて発生したラジカル照射後の膜の相対反射率を示すグラフ。 図１、２、４の各装置を用いて得られたＴａＮ_ｘ膜の比抵抗ρ(μΩ・ｃｍ)を示すグラフ。

符号の説明

４１ 真空排気手段 ４２ 真空チャンバー
４３ 原料ガス供給手段 ４４ 成膜室
４５ 反応ガス供給手段 ４６ 触媒室
４７ 開口部 ４８ 触媒源
Ｓ 基板

Claims (9)

1. 原料ガス供給手段及び基板載置台を備えた成膜室と、反応ガス供給手段及び基板に対向するように設けられた触媒源を備えた触媒室とを有する真空チャンバーからなり、この成膜室と触媒室とが開口部を介して接続されている成膜装置において、前記成膜室の内径が触媒室の内径より大きいこと、そして基板載置台に載置される基板の周縁部と開口部の周縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をωとし、基板の周縁部と触媒源の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をθとした場合に、触媒源が、ω＞θを満たす位置に配置されており、前記触媒源と基板との距離が、基板径の０．５−１．５倍の範囲になるように構成されており、また、前記成膜室内に、中央に開口を有する原料ガス供給用のシャワーノズルを設置し、基板の周縁部とシャワーノズルの開口の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をφとし、基板の周縁部と触媒源の縁部との最短距離を結ぶ直線が基板となす角度をθとした場合に、シャワーノズルが、φ≧θを満たす位置に配置されていることを特徴とする成膜装置。
2. 前記触媒源が、螺旋状の高融点金属ワイヤーから構成されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記高融点ワイヤーが、熱によってたわまないように設置されることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
4. 前記成膜室の底部に真空排気手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記触媒室の内部又は外部に冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜装置。
6. 前記開口部にアイソレーションバルブを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成膜装置。
7. 前記アイソレーションバルブが、ゲートバルブであることを特徴とする請求項６記載の成膜装置。
8. 前記開口部にシャッターを設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の成膜装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の成膜装置を用いて成膜する方法。

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