JP5872904B2 - TiN膜の成膜方法および記憶媒体 - Google Patents
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Description
図1は本発明の一実施形態に係るTiN膜の成膜方法の実施に用いる成膜装置の一例を示す概略断面図である。
なお、シャワーヘッド10は、TiCl4ガスとH2ガスとが全く独立してチャンバ1内に供給されるポストミックスタイプであってもよい。
・温度:325〜450℃
(より好ましくは350〜400℃)
・圧力:13.3〜1330Pa
(より好ましくは133〜800Pa)
・TiCl4流量:5〜100mL/min(sccm)
(より好ましくは、15〜50mL/min(sccm))
・Ar流量:5〜10000mL/min(sccm)
(より好ましくは、100〜5000mL/min(sccm))
・H2流量:5〜10000mL/min(sccm)
(より好ましくは、50〜5000mL/min(sccm))
・N2流量:1〜5000mL/min(sccm)
(より好ましくは、10〜1000mL/min(sccm))
・NH3流量:1〜10000mL/min(sccm)
(より好ましくは、10〜5000mL/min(sccm))
・高周波パワー:100〜5000W
(より好ましくは、300〜3000W)
・1回の成膜膜厚:0.1〜40nm
(より好ましくは、1〜10nm)
・1回の窒化時間:0.1〜60sec
(より好ましくは、1〜30sec)
まず、ステップ1とステップ2の繰り返し回数の影響について説明する。ここでは、以下のコンデションAおよびコンデションBの2つの条件で成膜を行った。また、サイクル数の影響を評価するにあたり、トータルの成膜時間および窒化時間を一定としてターゲット膜厚を一定としている。したがって、この場合のステップ1とステップ2の繰り返し回数が少ないほどTiN単位膜の膜厚が厚くなり、繰り返し回数が多いほどTiN単位膜の膜厚が薄くなる。このような場合の繰り返し回数を以下「TiN膜の分割サイクル数」と記す。
・ウエハ温度:400℃
・シーケンス(以下の繰り返し)
RF印加→成膜(Dep)→原料ガス供給停止→ガス種変更1→窒化→ガス種変更2
・TiN膜の分割サイクル数:1,3,5,6,9,12,15回
・成膜
圧力:260Pa
TiCl4流量:31.4mL/min(sccm)
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
RF:1200W
成膜時間:トータル30sec
・窒化
圧力:667Pa
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
RF:1200W
窒化時間:トータル45sec
・ターゲット膜厚:30nm
・TiN膜の分割サイクル数と成膜・窒化時間との関係
1回→ 成膜時間30sec、窒化時間45sec
3回→ 成膜時間10sec、窒化時間15sec
5回→ 成膜時間6sec、窒化時間9sec
6回→ 成膜時間5sec、窒化時間7.5sec
9回→ 成膜時間3.4sec、窒化時間5sec
12回→ 成膜時間2.5sec、窒化時間3.8sec
15回→ 成膜時間2sec、窒化時間3sec
・ウエハ温度:350℃
・シーケンス(以下の繰り返し)
RF印加→成膜(Dep)→ガス種変更1→窒化→ガス種変更2
・TiN膜の分割サイクル数:9,10回
・成膜
圧力:260Pa
TiCl4流量:38mL/min(sccm)
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:1600mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
RF:1350W
成膜時間:トータル28sec
・窒化
圧力:260Pa
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
RF:1350W
窒化時間:トータル66sec
・ターゲット膜厚:30nm
・TiN膜の分割サイクル数と成膜・窒化時間との関係
9回→ 成膜時間3.1sec、窒化時間7sec
10回→ 成膜時間2.8sec、窒化時間6.6sec
ここでは、ステップ1の成膜の条件を固定し、ステップ2のプラズマ窒化処理の条件を変化させ、ステップ1のTiN単位膜の形成およびステップ2の窒化を以下の繰り返し回数(以下、単にサイクル数という)で繰り返してTiN膜を成膜し、膜のストレスについて把握した。
・温度:400℃
・サイクル数:9回
・成膜
圧力:260Pa
TiCl4流量:38mL/min(sccm)
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:3000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
RF:1200W
1回あたりの時間:3.8sec
・窒化
圧力:260Pa
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
一般的なTiN膜のストレスを低減する方法としては、TiN膜の窒化の割合を変更して、膜中のNの量を減らす手法が挙げられる。しかし、この手法は膜中のN量を減らすことによりストレスを低減するものであるため、TiリッチなTiN膜となってストレスが低減されるのと同時に膜密度も低下してしまう。これに対して、本実施形態では、成膜の際にTiCl4ガスとN2ガスとを用いてプラズマ処理を行うため、成膜時にしっかりとしたTi−N結合が形成されて主要な膜構造が決定される。そして、この成膜の際の引張ストレスを条件設定により3〜8×109dyne/cm2以下の低ストレスに予め調整しておくことにより、引き続き実施されるプラズマ窒化処理では、膜の主構造にあまり影響しない形でTiN膜中の不純物の除去や窒化の強化を行うと同時にTiN膜のストレスを微調整することができる。このため、膜密度を大きく変化させることなく膜のストレスの微調整が可能となる。
図13はTiN膜を成膜する際のサイクル数と膜厚および膜厚の面内バラツキとの関係を示す図、図14はTiN膜を成膜する際のサイクル数と膜のストレスとの関係を示す図である。
図13に示すように、TiN膜の膜厚は1サイクル目から9サイクル目まで直線的に変化し、サイクル数と膜厚はほぼ原点を通る比例関係にあるので、インキュベーションタイムもなく、各サイクルにおいて同程度の膜厚で成膜できていることがわかる。しかしながら、膜厚の面内分布を見ると、1サイクル目のみ膜厚の面内バラツキが大きく、1サイクル目のみ様相が異なっている。また、図14に示すように、膜のストレスについても、3サイクル目以降は膜ストレスが連続的に低下しているのに対し、1サイクル目だけ非連続である。以上のことから1サイクル目における膜の成長の仕方が異なっていることがわかる。
1.共通条件
・温度:400℃
・成膜
圧力:260Pa
TiCl4流量:31.4mL/min(sccm)
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:1600mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
RF:1200W
成膜時間:3.9sec/サイクル
ターゲット膜厚:3.7nm/サイクル
・窒化
圧力:260Pa
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
RF:1200W
2.ケースA
全サイクル上記基本条件で成膜
窒化時間:7.1sec/サイクル
3.ケースB
1サイクル目の条件
・成膜
圧力:260Pa
TiCl4流量:31.4mL/min(sccm)
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
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成膜時間:3.9sec/サイクル
・窒化
圧力:260Pa
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
NH3流量:400mL/min(sccm)
RF:1200W
窒化時間:10sec
2〜9サイクル目
・成膜:上記共通条件
・窒化:上記共通条件、窒化時間6.1sec/サイクル
4.ケースC
1サイクル目
・成膜
圧力:260Pa
TiCl4流量:31.4mL/min(sccm)
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
N2流量:400mL/min(sccm)
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成膜時間:3.9sec/サイクル
・窒化
圧力:260Pa
Ar流量:1600mL/min(sccm)
H2流量:4000mL/min(sccm)
NH3流量:400mL/min(sccm)
RF:1200W
窒化時間:9.1sec
2サイクル目
・成膜:上記共通条件
・窒化:上記共通条件、窒化時間8.1sec/サイクル
3〜9サイクル目
・成膜:上記共通条件
・窒化:上記共通条件、窒化時間7.6sec/サイクル
2…サセプタ
5…ヒーター
10…シャワーヘッド
20…ガス供給機構
22…TiCl4ガス供給源
23…Arガス供給源
24…H2ガス供給源
25…NH3ガス供給源
26…N2ガス供給源
50…制御部
52…記憶部
52a…記憶媒体
100…成膜装置
W……半導体ウエハ
Claims (11)
- 被処理基板に形成されたエッチング対象膜をエッチングするためのメタルハードマスクとして成膜されるTiN膜の成膜方法であって、
被処理基板を処理容器内に搬入し、前記処理容器内を減圧状態に保持した状態で、TiCl4ガスおよび窒化ガスを前記処理容器内に供給し、これらガスのプラズマを生成してTiN単位膜を形成する工程と、
前記処理容器内に窒化ガスを供給し、そのガスのプラズマを生成して前記TiN単位膜にプラズマ窒化処理を施す工程と
を交互に複数回繰り返し、膜ストレスが低減されたTiN膜を成膜することを特徴とするTiN膜の成膜方法。 - 前記TiN単位膜を形成する工程で形成された前記TiN単位膜に存在する引張ストレスを、前記プラズマ窒化処理を施す工程の際に緩和することにより、ストレスが低減されたTiN膜を得ることを特徴とする請求項1に記載のTiN膜の成膜方法。
- 前記TiN単位膜を形成する工程と、前記プラズマ窒化処理を施す工程との繰り返し回数を、前記成膜しようとするTiN膜の膜厚に応じて設定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のTiN膜の成膜方法。
- 成膜されるTiN膜の厚さが10〜40nmであり、前記TiN単位膜を形成する工程と、前記プラズマ窒化処理を施す工程との繰り返し回数が3〜10回であることを特徴とする請求項3に記載のTiN膜の成膜方法。
- 前記TiN単位膜の厚さを調整することにより、前記TiN膜のストレスおよび不純物の分布を調整することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のTiN膜の成膜方法。
- 前記TiN単位膜の厚さが3〜12nmであることを特徴とする請求項5に記載のTiN膜の成膜方法。
- 前記TiN単位膜を形成する工程と、前記プラズマ窒化処理を施す工程とは、325〜450℃の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のTiN膜の成膜方法。
- 前記プラズマ窒化処理を施す工程において、処理時間またはプラズマを生成するための高周波パワーを調整することによりTiN膜のストレスを調整することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のTiN膜の成膜方法。
- 1回目の前記TiN単位膜を形成する工程および前記プラズマ窒化処理を施す工程において、膜のストレスが低減されるように条件設定することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のTiN膜の成膜方法。
- 1回目および2回目の前記TiN単位膜を形成する工程および前記プラズマ窒化処理を施す工程において、膜のストレスが低減されるように条件設定することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のTiN膜の成膜方法。
- コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項1から請求項10のいずれかのTiN膜の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
Priority Applications (5)
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