JP6022638B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラム - Google Patents

半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラムに関する。
MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)の高集積化及び高性能化に伴い、様々な種類の金属膜が用いられている。例えば、ゲート電極やDRAMのキャパシタ電極では、導電性の金属窒化膜が用いられている。
金属窒化膜は、基板が搬入された処理容器内に原料ガスと窒素含有ガスとを同時に供給するCVD(Chemical Vapor Deposition)法により成膜することができる。原料ガスとしては、塩素(Cl)やフッ素(F)系のガスが用いられることが多く、例えば、窒化チタン(TiN)膜を成膜するには四塩化チタン(TiCl)ガス等が用いられ、窒化タンタル(TaN)膜を成膜するには五塩化タンタル(TaCl)ガスや五フッ化タンタル(TaF)ガス等が用いられる。また、窒素含有ガスとしては、例えばアンモニア(NH)ガスが用いられる。しかしながら、上述の手法で金属窒化膜を成膜すると、膜中にClやF等の不純物が混入してしまう場合があった。
そこで本発明は、金属窒化膜中の不純物濃度を低減することができる半導体装置の製造方法、基板処理方法及び基板処理装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、
基板が処理室内に収容される工程と、
前記基板に対して、金属元素を含む原料ガスと窒素含有ガスとが供されて前記基板上に金属窒化膜が形され、その際、改質ガスとして水素含有ガスが、前記窒素含有ガスが供給される時間よりも長い時間供される工程とを、有する半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理室内へ窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記処理室内へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、
前記処理室に収容された前記基板に対して、前記原料ガスと前記窒素含有ガスとが供給され前記基板上に金属窒化層を形成する処理を行い、その際、改質ガスとして前記水素含有ガスが、前記窒素含有ガスが供給されている時間より長い時間供給されるように前記原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系および前記水素含有ガス供給系を制御するよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理室内に収容する手順と、
前記基板に対して、金属元素を含む原料ガスと窒素含有ガスとを供給して前記基板上に金属窒化層を形成し、その際、改質ガスとして水素含有ガスを、前記窒素含有ガスが供給される時間よりも長い時間供給する手順と、
をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。
本発明に係る半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラムによれば、金属窒化膜中の不純物濃度を低減することができる。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置のガス供給系の構成図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置のウェハ処理時における断面構成図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置のウェハ搬送時における断面構成図である。 (a)は本発明の第1実施形態に係るガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(b)はHガスの供給を行わないガス供給シーケンスを示すタイミング図である。 (a)は本発明の第2実施形態に係るガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(b)はHガスの供給を行わないガス供給シーケンスを示すタイミング図である。 (a)は本発明の第3実施形態に係るガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(b)はHガスの供給を行わないガス供給シーケンスを示すタイミング図である。 (a)は本発明の第4実施形態に係るガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(b)はHガスの供給を行わないガス供給シーケンスを示すタイミング図である。 本発明の実施例及び比較例に係る評価サンプルのSIMS分析結果を示すグラフ図である。 本発明の他の実施形態で好適に用いられる縦型CVD装置の縦型処理炉の概略構成図であり、(a)は処理炉302部分を縦断面で示し、(b)は処理炉302部分を(a)のA−A線断面図で示す。 本発明の更に他の実施形態に係るガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(a)は、Nガスによりパージする工程を省略し、その代わりにHガスを連続的に供給するガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(b)は、Nガスによりパージする工程を省略し、その代わりにNHガスを連続的に供給するガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(c)は、Nガスによりパージする工程を省略し、その代わりにHガス及びNHガスを連続的に供給するガス供給シーケンスを示すタイミング図である。 本発明の更に他の実施形態に係るガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(a)は、NHガスの供給停止後もHガスの供給を継続するガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(b)は、Hガスの供給停止後にNガスによりパージするガス供給シーケンスを示すタイミング図であり、(c)は、Hガスを連続的に供給するガス供給シーケンスを示すタイミング図である。 本発明の実施形態で好適に用いられる基板処理装置のコントローラの概略構成図である。
<本発明の第1実施形態>
(1)基板処理装置の構成
まず、本実施形態にかかる基板処理装置の構成について、図2,3を参照しながら説明する。図2は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置40のウェハ処理時における断面構成図であり、図3は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置40のウェハ搬送時における断面構成図である。
(処理室)
図2,3に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置40は処理容器202を備えている。処理容器202は、例えば横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器202は、例えばアルミニウム(Al)やステンレス(SUS)などの金属材料により構成されている。処理容器202内には、基板としてのシリコンウェハ等のウェハ200を処理する処理室201が形成されている。
(支持台)
処理室201内には、ウェハ200を支持する支持台203が設けられている。ウェハ200が直接触れる支持台203の上面には、例えば、石英(SiO)、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al)、又は窒化アルミニウム(AlN)などから構成された支持板としてのサセプタ217が設けられている。また、支持台203には、ウェハ200を加熱する加熱手段(加熱源)としてのヒータ206が内蔵されている。なお、支持台203の下端部は、処理容器202の底部を貫通している。
(昇降機構)
処理室201の外部には、支持台203を昇降させる昇降機構207bが設けられている。この昇降機構207bを作動させて支持台203を昇降させることにより、サセプタ217上に支持されるウェハ200を昇降させることが可能となっている。支持台203は、ウェハ200の搬送時には図3で示される位置(ウェハ搬送位置)まで下降し、ウェハ200の処理時には図2で示される位置(ウェハ処理位置)まで上昇する。なお、支持台203下端部の周囲は、ベローズ203aにより覆われており、処理室201内は気密に保持されている。
(リフトピン)
また、処理室201の底面(床面)には、例えば3本のリフトピン208bが鉛直方向に立ち上がるように設けられている。また、支持台203(サセプタ217も含む)には、かかるリフトピン208bを貫通させる貫通孔208aが、リフトピン208bに対応する位置にそれぞれ設けられている。そして、支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた時には、図3に示すように、リフトピン208bの上端部がサセプタ217の上面から突出して、リフトピン208bがウェハ200を下方から支持するようになっている。また、支持台203をウェハ処理位置まで上昇させたときには、図2に示すようにリフトピン208bはサセプタ217の上面から埋没して、サセプタ217がウェハ200を下方から支持するようになっている。なお、リフトピン208bは、ウェハ200と直接触れるため、例えば、石英やアルミナなどの材質で形成することが望ましい。
(ウェハ搬送口)
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、処理室201の内外にウェハ200を搬送するウェハ搬送口250が設けられている。ウェハ搬送口250にはゲートバルブ44が設けられており、ゲートバルブ44を開くことにより、処理室201内と負圧移載室11内とが連通するようになっている。負圧移載室11は搬送容器(密閉容器)12内に形成されており、負圧移載室11内にはウェハ200を搬送する負圧移載機13が設けられている。負圧移載機13には、ウェハ200を搬送する際にウェハ200を支持する搬送アーム13aが備えられている。支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた状態で、ゲートバルブ44を開くことにより、負圧移載機13により処理室201内と負圧移載室11内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。処理室201内に搬送されたウェハ200は、上述したようにリフトピン208b上に一時的に載置される。なお、負圧移載室11のウェハ搬送口250が設けられた側と反対側には、図示しないロードロック室が設けられており、負圧移載機13によりロードロック室内と負圧移載室11内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。なお、ロードロック室は、未処理もしくは処理済のウェハ200を一時的に収容する予備室として機能する。
(排気系)
処理室201(処理容器202)の内壁側面であって、ウェハ搬送口250の反対側には、処理室201内の雰囲気を排気する排気口260が設けられている。排気口260には排気チャンバ260aを介して排気管261が接続されており、排気管261には、処理室201内を所定の圧力に制御するAPC(Auto Pressure Controller)等の圧力調整器262、原料回収トラップ263、及び真空ポンプ264が順に直列に接続されている。主に、排気口260、排気チャンバ260a、排気管261、圧力調整器262、原料回収トラップ263、真空ポンプ264により排気系(排気ライン)が構成される。
(ガス導入口)
処理室201の上部に設けられる後述のシャワーヘッド240の上面(天井壁)には、処理室201内に各種ガスを供給するガス導入口210が設けられている。なお、ガス導入口210に接続されるガス供給系の構成については後述する。
(シャワーヘッド)
ガス導入口210と処理室201との間には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド240が設けられている。シャワーヘッド240は、ガス導入口210から導入されるガスを分散させる分散板240aと、分散板240aを通過したガスをさらに均一に分散させて支持台203上のウェハ200の表面に供給するシャワー板240bと、を備えている。分散板240aおよびシャワー板240bには、複数の通気孔が設けられている。分散板240aは、シャワーヘッド240の上面及びシャワー板240bと対向するように配置されており、シャワー板240bは、支持台203上のウェハ200と対向するように配置されている。なお、シャワーヘッド240の上面と分散板240aとの間、および分散板240aとシャワー板240bとの間には、それぞれ空間が設けられており、かかる空間は、ガス導入口210から供給されるガスを分散させる第1バッファ空間(分散室)240c、および分散板240aを通過したガスを拡散させる第2バッファ空間240dとしてそれぞれ機能する。
(排気ダクト)
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、段差部201aが設けられている。そして、この段差部201aは、コンダクタンスプレート204をウェハ処理位置近傍に保持するように構成されている。コンダクタンスプレート204は、内周部にウェハ200を収容する穴が設けられた1枚のドーナツ状(リング状)をした円板として構成されている。コンダクタンスプレート204の外周部には、所定間隔を空けて周方向に配列された複数の排出口204aが設けられている。排出口204aは、コンダクタンスプレート204の外周部がコンダクタンスプレート204の内周部を支えることができるよう、不連続に形成されている。
一方、支持台203の外周部には、ロワープレート205が係止している。ロワープレート205は、リング状の凹部205bと、凹部205bの内側上部に一体的に設けられたフランジ部205aとを備えている。凹部205bは、支持台203の外周部と、処理室201の内壁側面との隙間を塞ぐように設けられている。凹部205bの底部のうち排気口260付近の一部には、凹部205b内から排気口260側へガスを排出(流通)させるプレート排気口205cが設けられている。フランジ部205aは、支持台203の上部外周縁上に係止する係止部として機能する。フランジ部205aが支持台203の上部外周縁上に係止することにより、ロワープレート205が、支持台203の昇降に伴い、支持台203と共に昇降されるようになっている。
支持台203がウェハ処理位置まで上昇したとき、ロワープレート205もウェハ処理位置まで上昇する。その結果、ウェハ処理位置近傍に保持されているコンダクタンスプレート204が、ロワープレート205の凹部205bの上面部分を塞ぎ、凹部205bの内部をガス流路領域とする排気ダクト259が形成されることとなる。なお、このとき、排気ダクト259(コンダクタンスプレート204及びロワープレート205)及び支持台203によって、処理室201内が、排気ダクト259よりも上方の処理室上部と、排気ダクト259よりも下方の処理室下部と、に仕切られることとなる。なお、コンダクタンスプレート204およびロワープレート205は、排気ダクト259の内壁に堆積する反応生成物をエッチングする場合(セルフクリーニングする場合)を考慮して、高温保持が可能な材料、例えば、耐高温高負荷用石英で構成することが好ましい。
ここで、ウェハ処理時における処理室201内のガスの流れについて説明する。まず、ガス導入口210からシャワーヘッド240の上部へと供給されたガスは、第1バッファ空間(分散室)240cを経て分散板240aの多数の孔から第2バッファ空間240dへと入り、さらにシャワー板240bの多数の孔を通過して処理室201内に供給され、ウェハ200上に均一に供給される。そして、ウェハ200上に供給されたガスは、ウェハ200の径方向外側に向かって放射状に流れる。そして、ウェハ200に接触した後の余剰なガスは、ウェハ200外周部に位置する排気ダクト259上、すなわち、コンダクタンスプレート204上を、ウェハ200の径方向外側に向かって放射状に流れ、コンダクタンスプレート204に設けられた排出口204aから、排気ダクト259内のガス流路領域内(凹部205b内)へと排出される。その後、ガスは排気ダクト259内を流れ、プレート排気口205cを経由して排気口260へと排気される。このようにガスを流すことで、処理室201下部、すなわち、支持台203の裏面や処理室201の底面側へのガスの回り込みが抑制される。
続いて、上述したガス導入口210に接続されるガス供給系の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態にかかる基板処理装置40の有するガス供給系(ガス供給ライン)の構成図である。
本実施形態にかかる基板処理装置40の有するガス供給系は、常温常圧で液体状態である液体原料を気化する気化部としてのバブラ220aと、バブラ220aにて液体原料を気化させて得た原料ガスを処理室201内に供給する原料ガス供給系と、処理室201内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、処理室201内に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、処理室201内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、を有している。さらに、本発明の実施形態にかかる基板処理装置は、バブラ220aからの原料ガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスするよう排気するベント(バイパス)系を有している。以下に、各部の構成について説明する。
(バブラ)
処理室201の外部には、液体原料を収容する原料容器としてのバブラ220aが設けられている。バブラ220aは、内部に液体原料を収容(充填)可能なタンク(密閉容器)として構成されており、また、液体原料をバブリングにより気化させて原料ガスを生成させる気化部としても構成されている。なお、バブラ220aの周りには、バブラ220aおよび内部の液体原料を加熱するサブヒータ206aが設けられている。原料としては、例えば、金属元素としてのハフニウム(Hf)元素を含む金属液体原料である四塩化ハフニウム(ハフニウムテトラクロライド:HfCl)が用いられる。
バブラ220aには、キャリアガス供給管237aが接続されている。キャリアガス供給管237aの上流側端部には、図示しないキャリアガス供給源が接続されている。また、キャリアガス供給管237aの下流側端部は、バブラ220a内に収容した液体原料内に浸されている。キャリアガス供給管237aには、キャリアガスの供給流量を制御する流量制御器としてのマスフローコントローラ(MFC)222aと、キャリアガスの供給を制御するバルブva1,va2とが設けられている。なお、キャリアガスとしては、液体原料とは反応しないガスを用いることが好ましく、例えばNガスやArガスやHeガス等の不活性ガスが好適に用いられる。主に、キャリアガス供給管237a、MFC222a、バルブva1,va2により、キャリアガス供給系(キャリアガス供給ライン)が構成される。
上記構成により、バルブva1,va2を開き、キャリアガス供給管237aからMFC222aで流量制御されたキャリアガスをバブラ220a内に供給することにより、バブラ220a内部に収容された液体原料をバブリングにより気化させて原料ガス(HfClガス)を生成させることが可能となる。
(原料ガス供給系)
バブラ220aには、バブラ220a内で生成された原料ガスを処理室201内に供給する原料ガス供給管213aが接続されている。原料ガス供給管213aの上流側端部は、バブラ220aの上部に存在する空間に連通している。原料ガス供給管213aの下流側端部は、ガス導入口210に接続されている。原料ガス供給管213aには、上流側から順にバルブva5,va3が設けられている。バルブva5は、バブラ220aから原料ガス供給管213a内への原料ガスの供給を制御するバルブであり、バブラ220aの近傍に設けられている。バルブva3は、原料ガス供給管213aから処理室201内への原料ガスの供給を制御するバルブであり、ガス導入口210の近傍に設けられている。バルブva3と後述するバルブve3は高耐久高速ガスバルブとして構成されている。高耐久高速ガスバルブは、短時間で素早くガス供給の切り替えおよびガス排気ができるように構成された集積バルブである。なお、バルブve3は、原料ガス供給管213aのバルブva3とガス導入口210との間の空間を高速にパージしたのち、処理室201内をパージする不活性ガスの導入を制御するバルブである。
上記構成により、バブラ220aにて液体原料を気化させて原料ガスを発生させるとともに、バルブva5,va3を開くことにより、原料ガス供給管213aから処理室201内へ原料ガスを供給することが可能となる。主に、原料ガス供給管213a、バルブva5,va3により原料ガス供給系(原料ガス供給ライン)が構成される。
また、主に、キャリアガス供給系、バブラ220a、原料ガス供給系により、原料供給系(原料供給ライン)が構成される。
(窒素含有ガス供給系)
また、処理室201の外部には、還元性ガスである窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給源220bが設けられている。窒素含有ガス供給源220bには、窒素含有ガス供給管213bの上流側端部が接続されている。窒素含有ガス供給管213bの下流側端部は、バルブvb3を介してガス導入口210に接続されている。窒素含有ガス供給管213bには、窒素含有ガスの供給流量を制御する流量制御器としてのマスフローコントローラ(MFC)222bと、窒素含有ガスの供給を制御するバルブvb1,vb2,vb3が設けられている。窒素含有ガスとしては、例えば、アンモニア(NH)ガス、ヒドラジン(N)ガス、または、Nガス等が用いられ、本実施形態では、例えばアンモニア(NH)ガスが用いられる。主に、窒素含有ガス供給源220b、窒素含有ガス供給管213b、MFC222b、バルブvb1,vb2,vb3により、還元性ガス供給系(還元性ガス供給ライン)である窒素含有ガス供給系(窒素含有ガス供給ライン)が構成される。
(水素含有ガス供給系)
また、処理室201の外部には、還元性ガスである水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給源220cが設けられている。水素含有ガス供給源220cには、水素含有ガス供給管213cの上流側端部が接続されている。水素含有ガス供給管213cの下流側端部は、バルブvc3を介してガス導入口210に接続されている。水素含有ガス供給管213cには、水素含有ガスの供給流量を制御する流量制御器としてのマスフローコントローラ(MFC)222cと、水素含有ガスの供給を制御するバルブvc1,vc2,vc3が設けられている。水素含有ガスとしては、例えば、水素(H)ガスが用いられる。主に、水素含有ガス供給源220c、水素含有ガス供給管213c、MFC222c、バルブvc1,vc2,vc3により、還元性ガス供給系(還元性ガス供給ライン)である水素含有ガス供給系(水素含有ガス供給ライン)が構成される。
(不活性ガス供給系)
また、処理室201の外部には、パージガスである不活性ガスを供給する不活性ガス供給源220d,220eが設けられている。不活性ガス供給源220d,220eには、不活性ガス供給管213d,213eの上流側端部がそれぞれ接続されている。不活性ガス供給管213dの下流側端部は、バルブvd3を介してガス導入口210に接続されている。不活性ガス供給管213eの下流側端部は、バルブve3を介して原料ガス供給管213aのバルブva3とガス導入口210との間の部分に合流し、ガス導入口210に接続されている。不活性ガス供給管213d,213eには、不活性ガスの供給流量を制御する流量制御器としてのマスフローコントローラ(MFC)222d,222eと、不活性ガスの供給を制御するバルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3と、がそれぞれ設けられている。不活性ガスとしては、例えばNガスやArガスやHeガス等の不活性ガスが用いられる。主に、不活性ガス供給源220d,220e、不活性ガス供給管213d,213e、MFC222d,222e、バルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3により、パージガス供給系(パージガス供給ライン)である不活性ガス供給系(不活性ガス供給ライン)が構成される。
<ベント(バイパス)系>
また、原料ガス供給管213aのバルブva3よりも上流側には、ベント管215aの上流側端部が接続されている。また、ベント管215aの下流側端部は、排気管261の圧力調整器262よりも下流側であって原料回収トラップ263よりも上流側に接続されている。ベント管215aには、ガスの流通を制御するバルブva4が設けられている。
上記構成により、バルブva3を閉じ、バルブva4を開くことで、原料ガス供給管213a内を流れるガスを、処理室201内に供給することなく、ベント管215aを介して処理室201をバイパスさせ、排気管261より排気することが可能となる。主に、ベント管215a、バルブva4によりベント系(ベントライン)が構成される。
なお、バブラ220aの周りにはサブヒータ206aが設けられることは上述した通りだが、この他、キャリアガス供給管237a、原料ガス供給管213a、不活性ガス供給管213e、ベント管215a、排気管261、処理容器202、シャワーヘッド240等の周囲にもサブヒータ206aが設けられている。サブヒータ206aは、これらの部材を例えば100℃以下の温度に加熱することで、これらの部材内部での原料ガスの再液化を防止するように構成されている。
(制御部)
図12に示されているように、制御部(制御手段)であるコントローラ280は、CPU(Central Processing Unit)280a、RAM(Random Access Memory)280b、記憶装置280c、I/Oポート280dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM280b、記憶装置280c、I/Oポート280dは、内部バス280eを介して、CPU280aとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ280には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置281が接続されている。
記憶装置280cは、例えばフラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)等から構成されている。記憶装置280c内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件などが記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。なお、プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ280に実行させ、所定の結果を得ることが出来るように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単にプログラムともいう。また、RAM280bは、CPU280aによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域(ワークエリア)として構成されている。
I/Oポート280dは、上述のゲートバルブ44、昇降機構207b、負圧移載機13、ヒータ206、サブヒータ206a、圧力調整器(APC)262、真空ポンプ264、バルブva1〜va5,vb1〜vb3,vc1〜vc3,vd1〜vd3,ve1〜ve3、マスフローコントローラ222a,222b,222c,222d,222e等に接続されている。
CPU280aは、記憶装置280cから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置281からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置280cからプロセスレシピを読み出すように構成されている。そして、CPU280aは、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、ゲートバルブ44の開閉動作、昇降機構207bの昇降動作、負圧移載機13の移載動作、ヒータ206およびサブヒータ206aの温度調整動作、圧力調整器(APC)262の開閉動作及び圧力調整動作、真空ポンプ264の起動・停止、バルブva1〜va5,vb1〜vb3,vc1〜vc3,vd1〜vd3,ve1〜ve3の開閉動作、マスフローコントローラ222a,222b,222c,222d,222eによる各種ガスの流量調整動作等を制御するように構成されている。
なお、コントローラ280は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体(例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、CDやDVD等の光ディスク、MO等の光磁気ディスク、USBメモリやメモリカード等の半導体メモリ)282を用意し、係る記録媒体282を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすること等により、本実施形態に係るコントローラ280を構成することができる。なお、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、記録媒体282を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、記録媒体282を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。
(2)基板処理工程
次に、上述の基板処理装置を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、ウェハ200上に金属窒化膜としての窒化ハフニウム(HfN)膜を形成する基板処理工程について、図1〜図4(a)を用いて説明する。図4(a)は、本実施形態に係るガス供給シーケンスを示すタイミング図である。
なお、本明細書では、金属膜という用語は、金属原子を含む導電性の物質で構成される膜を意味しており、これには、金属単体で構成される導電性の金属単体膜の他、導電性の金属窒化膜、導電性の金属酸化膜、導電性の金属酸窒化膜、導電性の金属複合膜、導電性の金属合金膜、導電性の金属シリサイド膜、導電性の金属炭化膜(金属カーバイド膜)等も含まれる。なお、窒化ハフニウム(HfN)膜は導電性の金属窒化膜である。
〔基板搬入工程、基板載置工程〕
昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図3に示すウェハ搬送位置まで下降させる。そして、ゲートバルブ44を開き、処理室201と負圧移載室11とを連通させる。そして、上述のように負圧移載機13により負圧移載室11内から処理室201内へウェハ200を搬送アーム13aで支持した状態でロードする。処理室201内に搬入したウェハ200は、支持台203の上面から突出しているリフトピン208b上に一時的に載置される。負圧移載機13の搬送アーム13aが処理室201内から負圧移載室11内へ戻ると、ゲートバルブ44が閉じられる。
続いて、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図2に示すウェハ処理位置まで上昇させる。その結果、リフトピン208bは支持台203の上面から埋没し、ウェハ200は、支持台203上面のサセプタ217上に載置される。
〔圧力調整工程、温度調整工程〕
続いて、圧力調整器(APC)262により、処理室201内の圧力が所定の処理圧力となるように制御する。また、ヒータ206に供給する電力を調整し、ウェハ200の表面温度が所定の処理温度となるように制御する。なお、温度調整工程は、圧力調整工程と並行して行うようにしてもよいし、圧力調整工程よりも先行して行うようにしてもよい。ここで、所定の処理温度、処理圧力とは、後述する成膜工程において、CVD法によりHfN膜を形成可能な処理温度、処理圧力である。すなわち、成膜工程で用いる原料が自己分解する程度の処理温度、処理圧力である。
なお、基板搬入工程〜温度調整工程および後述する基板搬出工程においては、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブva3,vb3,vc3を閉じ、バルブvd1,vd2,vd3,ve1,ve2,ve3を開くことで、処理室201内にNガスを常に流しておく。これにより、ウェハ200上へのパーティクルの付着を抑制することが可能となる。
また、基板搬入工程〜温度調整工程と並行して、液体原料(Hf原料)であるHfClを気化させた原料ガス(Hf原料ガス)、すなわちHfClガスを生成(予備気化)させておく。すなわち、バルブva1,va2,va5を開き、キャリアガス供給管237aからMFC222aで流量制御されたキャリアガスをバブラ220a内に供給することにより、バブラ220a内部に収容された原料をバブリングにより気化させて原料ガスを生成させておく(予備気化工程)。この予備気化工程では、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブva3を閉じたまま、バルブva4を開くことにより、原料ガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。バブラにて原料ガスを安定して生成させるには所定の時間を要する。このため、本実施形態では、原料ガスを予め生成させておき、バルブva3,va4の開閉を切り替えることにより、原料ガスの流路を切り替える。その結果、バルブの切り替えにより、処理室201内への原料ガスの安定した供給を迅速に開始あるいは停止できるようになり、好ましい。
〔成膜工程〕
続いて、処理室201内に、ハフニウム元素を含む原料ガスとしてのHfClガスおよび窒素含有ガスとしてのNHガスを間欠的に供給し排気すると共に、NHガスの供給期間に、処理室201内に水素含有ガスとしてのHガスを供給し排気して、ウェハ200上に金属窒化膜としてのHfN膜を形成する処理を行う。なお、本実施形態では、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給し、その際、NHガスと同時にHガスを供給し排気する。以下に、図4(a)を参照しながら詳しく説明する。
まず、バルブvb1,vb2,vb3,vc1,vc2,vc3を同時に開いて、処理室201内へのNHガス及びHガスの供給を同時に開始する。MFC222b,222cでそれぞれ流量制御されたNHガス及びHガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのNHガス及びHガスの供給時には、原料ガス供給管213a内へのNHガス及びHガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるNHガス及びHガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。
NHガス及びHガスの供給開始後、所定時間が経過し、処理室201内がNHガス、Hガス及びNガスの混合ガス雰囲気となったら、バルブva4を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給を開始する。HfClガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのHfClガスの供給時には、バルブvb3,vc3,vd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNHガス、Hガス及びNガスを常に流しておく。HfClガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブva3を閉じ、バルブva4を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給を停止する。HfClガスの間欠的な供給は所定回数(例えば図4(a)では2回)実施する。
処理室201内に間欠的に供給されたHfClガスは、処理室201内のNHガスと反応し、HfN及びHClガスを生成する。そして、生成されたHfNがウェハ200上に堆積することにより、ウェハ200上に所定の厚さの金属窒化層としてのHfN層が形成される。上述したように、HfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中のClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。なお、生成されたHClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
本実施形態では、HfClガスとNHガスとが同時に供給される際、すなわち、HfN層が形成される過程においてHガスを供給しているので、極薄いHfN層が形成されると直ぐに、その極薄いHfN層中のClをHガスの作用により除去することが可能となる。すなわち、HfN層の厚さが極めて薄いうちに、HfN層中のClを除去することが可能となる。そしてこの反応、すなわち、極薄いHfN層の形成およびこの極薄いHfN層からのCl除去は、HfClガスの供給期間中、継続して行われることとなる。
また、HfClガスの供給を停止した後、すなわち、HfN層が形成された後においてもHガスを供給しているので、上述のようにHfClガスの供給期間中にClを除去しながら形成したHfN層中に残留するClをHガスの作用により更に除去することが可能となる。
HfClガスの間欠的な供給1回あたりに形成するHfN層の厚さは、2nm以下とするのが好ましい。一度に形成するHfN層の厚さが2nmを超えると、Hガスによる残留塩素(Cl)の除去効果がHfN層全体に及ばなくなるためである。なお、一度に形成することが可能なHfN層の最少厚さは、1原子層未満である。よって、HfClガスの間欠的な供給1回あたりに形成するHfN層の厚さは、1原子層未満から2nm以下とするのが好ましい。なお、1原子層未満の層とは、不連続に形成される原子層のことを意味している。
HfClガスを間欠的に供給した後、所定時間が経過したら、バルブvb3,vc3を同時に閉じ、処理室201内へのNHガス及びHガスの供給を同時に停止する。このとき、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。これにより、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留しているガスや反応副生成物を除去する。このとき、処理室201内をNガスによりパージする代わりに、もしくは、処理室201内をNガスによりパージする前または後に、処理室201内を真空引きするようにしてもよい。処理室201内を真空引きすることにより、Hガスの作用によりClを除去したHfN層中に残留するClを更に除去することも可能となる。
そして、上述のガス供給シーケンス(処理室201内へのNHガス及びHガスの供給開始から、処理室201内のパージ完了まで)を1サイクルとして、このサイクルを所定回数、好ましくは複数回行うことにより、ウェハ200上に所定膜厚のHfN膜を形成する。HfN膜の膜厚は、サイクルの実施回数を調整することで制御できる。
本実施形態における成膜工程でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:300〜500℃、
処理室内圧力:0.1〜1000Pa、
NH供給流量:50〜10000sccm、
供給流量:50〜10000sccm、
HfCl供給流量:10〜500sccm、
供給流量:50〜10000sccm
が例示される。
〔基板搬出工程〕
その後、上述した基板搬入工程、基板載置工程に示した手順とは逆の手順により、HfN膜を形成した後のウェハ200を、処理室201内から負圧移載室11内へ搬出する。
(3)本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す効果のうち1つ又は複数の効果を奏する。
本実施形態によれば、処理室201内へのNHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給し、その際、NHガスと同時にHガスを供給することで、ウェハ200上にHfN層を形成する。上述したように、ウェハ200上に形成されるHfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中のClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。その結果、本実施形態に係るHfN膜は、図4(b)に示すHガスの供給を行わない手法により成膜されるHfN膜と比較して、膜中のCl濃度が低減し、膜質が向上する。
また、本実施形態によれば、処理室201内へのNHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給し、HfClガスの間欠的な供給1回あたりに形成するHfN層の厚さを、1原子層未満から2nm以下としている。これにより、Hガスによる残留塩素(Cl)の除去効果をHfN層全体に及ばせることが可能となり、HfN膜中のCl濃度をより確実に低減できる。
また、本実施形態によれば、改質ガスとして水素含有ガスであるHガスを用いている。これにより、プラズマを用いることなくサーマルにより、すなわち、ノンプラズマの雰囲気下で、HfN層中のClを除去することができる。
<本発明の第2実施形態>
第1実施形態に係る成膜工程では、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給していたが、本実施形態に係る成膜工程では、HfClガスとNHガスとを間欠的に交互に供給する点が、第1実施形態と異なる。また、成膜工程において、処理室201内の処理温度、処理圧力を、ALD(Atomic Layer Deposition)法によりHfN膜を形成可能な処理温度、処理圧力とする点、すなわち、成膜工程で用いる原料が自己分解しない程度の処理温度、処理圧力とする点が、第1実施形態と異なる。なお、NHガスとHガスとを同時に供給する点は、第1実施形態と同様である。以下に、本実施形態に係る成膜工程を、図5(a)を参照しながら詳しく説明する。
まず、バルブva4を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給、すなわち、ウェハ200へのHfClガスの照射を開始する。HfClガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。ウェハ200上には、HfClのガス分子が吸着し、Hf含有層が形成される。余剰なHfClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのHfClガスの供給時には、窒素含有ガス供給管213b内、水素含有ガス供給管213c内へのHfClガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるHfClガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。バルブva3を開き、HfClガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブva3を閉じ、バルブva4を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給を停止する。
バルブva3を閉じ、処理室201内へのHfClガスの供給を停止した後は、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留しているHfClガスを除去する。
処理室201内のパージが完了したら、バルブvb1,vb2,vb3,vc1,vc2,vc3を同時に開いて、処理室201内へのNHガス及びHガスの供給、すなわち、ウェハ200へのNHガス及びHガスの照射を同時に開始する。MFC222b,222cでそれぞれ流量制御されたNHガス及びHガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのNHガス及びHガスの供給時には、原料ガス供給管213a内へのNHガス及びHガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるNHガス及びHガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvb1,vb2,vb3,vc1,vc2,vc3を開き、NHガス及びHガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvb3,vc3を同時に閉じ、処理室201内へのNHガス及びHガスの供給を同時に停止する。
処理室201内に供給されたNHガスは、ウェハ200上に形成されたHf含有層と反応し、ウェハ200上に1原子層未満から数原子層以下(2nm以下)のHfN層を形成すると共に、HClガスを生成する。なお、上述したように、HfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中のClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。生成されたHClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
本実施形態では、NHガスが供給される際、すなわち、HfN層が形成される過程においてHガスを供給しているので、極薄いHfN層が形成されると直ぐに、その極薄いHfN層中のClをHガスの作用により除去することが可能となる。すなわち、HfN層の厚さが極めて薄いうちに、HfN層中のClを除去することが可能となる。そしてこの反応、すなわち、極薄いHfN層の形成およびこの極薄いHfN層からのCl除去は、NHガスの供給期間中、継続して行われることとなる。
バルブvb3、vc3を閉じ、処理室201内へのNHガス及びHガスの供給を停止した後は、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスにより再びパージし、処理室201内に残留しているガスや反応副生成物を除去する。このとき、処理室201内をNガスによりパージする代わりに、もしくは、処理室201内をNガスによりパージする前または後に、処理室201内を真空引きするようにしてもよい。処理室201内を真空引きすることにより、Hガスの作用によりClを除去したHfN層中に残留するClを更に除去することも可能となる。
そして、上述のガス供給シーケンス(処理室201内へのHfClガスの供給開始から、処理室201内の2回目のパージ完了まで)を1サイクルとして、このサイクルを所定回数、好ましくは複数回行うことにより、ウェハ200上に所定膜厚のHfN膜を形成する。HfN膜の膜厚は、サイクルの実施回数を調整することで制御できる。
本実施形態における成膜工程でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:100〜300℃、
処理室内圧力:0.1〜1000Pa、
NH供給流量:50〜10000sccm、
供給流量:50〜10000sccm、
HfCl供給流量:10〜500sccm、
供給流量:50〜10000sccm
が例示される。
本実施形態によれば、以下に示す効果のうち1つ又は複数の効果を奏する。
本実施形態によれば、HfClガスとNHガスとを間欠的に交互に供給し、その際、NHガスとHガスとを同時に供給することで、ウェハ200上にHfN層を形成する。上述したように、ウェハ200上に形成されるHfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中に残留するClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。その結果、本実施形態に係るHfN膜は、図5(b)に示すHガスの供給を行わない手法により成膜されるHfN膜と比較して、膜中のCl濃度が低減し、膜質が向上する。
また、本実施形態によれば、処理室201内へHfClガスとNHガスとを間欠的に交互に供給し、HfClガスとNHガスとの交互供給1回あたりに形成するHfN層の厚さ(上記1サイクルあたりに形成するHfN層の厚さ)を、1原子層未満から数原子層以下(2nm以下)としている。これにより、Hガスによる残留塩素(Cl)の除去効果を膜全体に及ばせることが可能となり、HfN膜中のCl濃度をより確実に低減できる。
また、本実施形態によれば、改質ガスとして水素含有ガスであるHガスを用いている。これにより、プラズマを用いることなくサーマルにより、すなわち、ノンプラズマの雰囲気下で、HfN層中のClを除去することができる。
<本発明の第3実施形態>
第1実施形態に係る成膜工程では、NHガスとHガスとを同時に供給していたが、本実施形態に係る成膜工程では、NHガスとHガスとを別々に供給する点、すなわち、NHガスの供給停止期間(間欠期間)であってHfClガスの供給停止期間(間欠期間)にHガスを供給する点が、第1実施形態と異なる。なお、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給する点は、第1実施形態と同様である。以下に、本実施形態に係る成膜工程を、図6(a)を参照しながら詳しく説明する。
まず、バルブvb1,vb2,vb3を開いて、処理室201内へのNHガスの供給を開始する。MFC222bで流量制御されたNHガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのNHガスの供給時には、原料ガス供給管213a内、水素含有ガス供給管213c内へのNHガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるNHガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。
NHガスの供給開始後、所定時間が経過し、処理室201内がNHガス及びNガスの混合ガス雰囲気となったら、バルブva4を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給を開始する。HfClガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのHfClガスの供給時には、バルブvb3,vd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNHガス及びNガスを常に流しておく。HfClガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブva3を閉じ、バルブva4を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給を停止する。HfClガスの間欠的な供給は所定回数(例えば図6(a)では2回)実施する。
処理室201内に間欠的に供給されたHfClガスは、処理室201内のNHガスと反応し、HfN及びHClガスを生成する。そして、生成されたHfNがウェハ200上に堆積することにより、ウェハ200上に所定の厚さのHfN層が形成される。なお、処理室201内にて生成されたHClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
HfClガスの間欠的な供給を所定回数実施することで形成するHfN層の合計厚さは、1原子層未満から2nm以下とするのが好ましい。HfN層の合計厚さが2nmを超えると、後述するHガスによる残留塩素(Cl)の除去効果がHfN層全体に及ばなくなるためである。
HfClガスを間欠的に供給した後、所定時間が経過したら、バルブvb3を閉じ、処理室201内へのNHガスの供給を停止する。このとき、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。これにより、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留しているガスや反応副生成物を除去する。
処理室201内のパージが完了したら、バルブvc1,vc2,vc3を開いて、処理室201内へのHガスの供給、すなわち、ウェハ200へのHガスの照射を開始する。MFC222cで流量制御されたHガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのHガスの供給時には、原料ガス供給管213a内、窒素含有ガス供給管213b内へのHガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるHガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。Hガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvc3を閉じ、処理室201内へのHガスの供給を停止する。
上述したように、ウェハ200上に形成されたHfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中のClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。生成されたHClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
バルブvc3を閉じ、処理室201内へのHガスの供給を停止した後は、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスにより再びパージし、処理室201内に残留しているガスや反応副生成物を除去する。このとき、処理室201内をNガスによりパージする代わりに、もしくは、処理室201内をNガスによりパージする前または後に、処理室201内を真空引きするようにしてもよい。処理室201内を真空引きすることにより、Hガスの作用によりClを除去したHfN層中に残留するClを更に除去することも可能となる。
そして、上述のガス供給シーケンス(処理室201内へのNHガスの供給開始から、処理室201内の2回目のパージ完了まで)、すなわち、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給してウェハ200上にHfN層を形成する工程と、HfClガスの供給停止期間であってNHガスの供給停止期間にHガスを供給してHfN層を改質する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数、好ましくは複数回行うことにより、ウェハ200上に所定膜厚のHfN膜を形成する。HfN膜の膜厚は、サイクルの実施回数を調整することで制御できる。
本実施形態における成膜工程でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:300〜500℃、
処理室内圧力:0.1〜1000Pa、
NH供給流量:50〜10000sccm、
供給流量:50〜10000sccm、
HfCl供給流量:10〜500sccm、
供給流量:50〜10000sccm
が例示される。
本実施形態によれば、以下に示す効果のうち1つ又は複数の効果を奏する。
本実施形態によれば、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給し、NHガスの供給停止期間であってHfClガスの供給停止期間にHガスを供給することで、ウェハ200上にHfN層を形成する。上述したように、ウェハ200上に形成されるHfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中に残留するClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。その結果、本実施形態に係るHfN膜は、図6(b)に示すHガスの供給を行わない手法により成膜されるHfN膜と比較して、膜中のCl濃度が低減し、膜質が向上する。
また、本実施形態によれば、処理室201内へのNHガスの供給期間にHfClガスの間欠的な供給を所定回数実施することで形成するHfN層の合計厚さ(上記1サイクルあたりに形成するHfN層の厚さ)を、1原子層未満から数原子層以下(2nm以下)としている。これにより、Hガスによる残留塩素(Cl)の除去効果をHfN層全体に及ばせることが可能となり、HfN膜中のCl濃度をより確実に低減できる。
また、本実施形態によれば、改質ガスとして水素含有ガスであるHガスを用いている。これにより、プラズマを用いることなくサーマルにより、すなわち、ノンプラズマの雰囲気下で、HfN層中のClを除去することができる。
<本発明の第4実施形態>
第2実施形態に係る成膜工程では、NHガスとHガスとを同時に供給していたが、本実施形態に係る成膜工程では、NHガスとHガスとを別々に供給する点、すなわち、NHガスの供給停止期間であってHfClガスの供給停止期間にHガスを供給する点が、第2実施形態と異なる。なお、HfClとNHガスとを交互に供給する点、及び処理室201内の処理温度、処理圧力を、ALD法によりHfN膜を形成可能な処理温度、処理圧力とする点は、第2実施形態と同様である。以下に、本実施形態に係る成膜工程を、図7(a)を参照しながら詳しく説明する。
まず、バルブva4を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給、すなわち、ウェハ200へのHfClガスの照射を開始する。HfClガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。ウェハ200上には、HfClのガス分子が吸着し、Hf含有層が形成される。余剰なHfClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのHfClガスの供給時には、窒素含有ガス供給管213b内、水素含有ガス供給管213c内へのHfClガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるHfClガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。バルブva3を開き、HfClガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブva3を閉じ、バルブva4を開いて、処理室201内へのHfClガスの供給を停止する。
バルブva3を閉じ、処理室201内へのHfClガスの供給を停止した後は、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留しているHfClガスを除去する。
処理室201内のパージが完了したら、バルブvb1,vb2,vb3を開いて、処理室201内へのNHガスの供給、すなわち、ウェハ200へのNHガスの照射を開始する。MFC222bで流量制御されたNHガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのNHガスの供給時には、原料ガス供給管213a内、水素含有ガス供給管213c内へのNHガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるNHガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvb1,vb2,vb3を開き、NHガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvb3を閉じ、処理室201内へのNHガスの供給を停止する。
処理室201内に供給されたNHガスは、ウェハ200上に形成されたHf含有層と反応し、ウェハ200上に1原子層未満から数原子層以下(2nm以下)のHfN層を形成すると共に、HClガスを生成する。生成されたHClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
バルブvb3を閉じ、処理室201内へのNHガスの供給を停止した後は、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスにより再びパージし、処理室201内に残留しているガスや反応副生成物を除去する。
処理室201内のパージが完了したら、バルブvc1,vc2,vc3を開いて、処理室201内へのHガスの供給、すなわち、ウェハ200へのHガスの照射を開始する。MFC222cで流量制御されたHガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのHガスの供給時には、原料ガス供給管213a内、窒素含有ガス供給管213b内へのHガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるHガスの拡散を促すように、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvc1,vc2,vc3を開き、Hガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvc3を閉じ、処理室201内へのHガスの供給を停止する。
上述したように、ウェハ200上に形成されたHfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中のClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。生成されたHClガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
バルブvc3を閉じ、処理室201内へのHガスの供給を停止した後は、バルブvd3,ve3は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスにより再びパージし、処理室201内に残留しているガスや反応副生成物を除去する。
そして、上述のガス供給シーケンス(処理室201内へのHfClガスの供給開始から、処理室201内の3回目のパージ完了まで)、すなわち、HfClガスを供給してウェハ200上にHfClガスを吸着させる工程と、NHガスを供給してウェハ200上に吸着させたHfClガスと反応させてウェハ200上にHfN層を形成する工程と、Hガスを供給してHfN層を改質する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数、好ましくは複数回行うことにより、ウェハ200上に所定膜厚のHfN膜を形成する。HfN膜の膜厚は、サイクルの実施回数を調整することで制御できる。
本実施形態における成膜工程でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:100〜300℃、
処理室内圧力:0.1〜1000Pa、
NH供給流量:50〜10000sccm、
供給流量:50〜10000sccm、
HfCl供給流量:10〜500sccm、
供給流量:50〜10000sccm
が例示される。
本実施形態によれば、以下に示す効果のうち1つ又は複数の効果を奏する。
本実施形態によれば、HfClガスとNHガスとを間欠的に交互に供給し、NHガスの供給停止期間であってHfClガスの供給停止期間にHガスを供給することで、ウェハ200上にHfN層を形成する。上述したように、ウェハ200上に形成されるHfN層中にはHfClガスに含まれていたClが残留することがあるが、HfN層中に残留するClは、処理室201内に供給されたHガスと反応することでHClガスとなってHfN層から除去され、HfN層が改質される。その結果、本実施形態に係るHfN膜は、図7(b)に示すHガスの供給を行わない手法により成膜されるHfN膜と比較して、膜中のCl濃度が低減し、膜質が向上する。
また、本実施形態によれば、処理室201内へHfClガスとNHガスとを間欠的に交互に供給し、HfClガスとNHガスとの交互供給1回あたりに形成するHfN層の厚さ(上記1サイクルあたりに形成するHfN層の厚さ)を、1原子層未満から数原子層以下(2nm以下)としている。これにより、Hガスによる残留塩素(Cl)の除去効果を膜全体に及ばせることが可能となり、HfN膜中のCl濃度をより確実に低減できる。
また、本実施形態によれば、改質ガスとして水素含有ガスであるHガスを用いている。これにより、プラズマを用いることなくサーマルにより、すなわち、ノンプラズマの雰囲気下で、HfN層中のClを除去することができる。
<本発明の更に他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
例えば、上述の第1実施形態では、NHガスおよびHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給する工程と、処理室201内をNガスによりパージする工程と、を1サイクルとして、このサイクルを所定回数行う例について説明したが、本発明は係る形態には限定されない。例えば、図10(a)に示すように、成膜中に処理室201内をNガスによりパージする工程を省略し、その代わりに、Hガスを連続的に供給するようにしてもよい。また、図10(b)に示すように、成膜中に処理室201内をNガスによりパージする工程を省略し、その代わりに、NHガスを連続的に供給するようにしてもよい。また、図10(c)に示すように、成膜中に処理室201内をNガスによりパージする工程を省略し、その代わりに、Hガス及びNHガスを連続的に供給するようにしてもよい。なお、図10(a)、図10(b)および図10(c)の何れの場合も、所定膜厚のHfN膜を形成した後に、処理室201内をNガスによりパージする工程を行うこととなる。
また例えば、上述の第2実施形態では、HfClガスとNHガスとを間欠的に交互に供給し、その際、NHガスとHガスとを同時に供給する例について説明したが、本発明は係る形態には限定されない。例えば、図11(a)に示すように、NHガスの供給停止後もHガスの供給を継続するようにしてもよい。その場合、図11(b)に示すように、Hガスの供給停止後に処理室201内をNガスによりパージするようにしてもよい。また、図11(c)に示すように、Hガスを連続的に供給するようにしてもよい。なお、図11(a)および図11(c)の何れの場合も、所定膜厚のHfN膜を形成した後に、処理室201内をNガスによりパージする工程を行うこととなる。
この場合、上述のように、NHガスが供給される際、すなわち、HfN層が形成される過程においてHガスを供給しているので、極薄いHfN層が形成されると直ぐに、その極薄いHfN層中のClをHガスの作用により除去することが可能となる。すなわち、HfN層の厚さが極めて薄いうちに、HfN層中のClを除去することが可能となる。そしてこの反応、すなわち、極薄いHfN層の形成およびこの極薄いHfN層からのCl除去は、NHガスの供給期間中、継続して行われることとなる。
また、NHガスの供給を停止した後、すなわち、HfN層が形成された後においてもHガスを供給しているので、上述のようにNHガスの供給期間中にClを除去しながら形成したHfN層中に残留するClをHガスの作用により更に除去することが可能となる。
また例えば、上述の実施形態では、水素含有ガスを水素含有ガス供給系から供給する例について説明したが、水素含有ガスをHfClガスのキャリアガスとして用い、原料ガス供給系から供給するようにしてもよい。また、水素含有ガスを窒素含有ガスのキャリアガスとして用い、窒素含有ガス供給系から供給するようにしてもよい。このように、水素含有ガスをキャリアガスとして用いることで、ガス供給系を簡素化することが可能となる。
また例えば、上述の実施形態では、ハフニウム元素を含む原料としてHfClを用いる例について説明したが、本発明は係る形態には限定されない。例えば、ハフニウム元素を含む原料としては、HfClの他、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム(Hf[N(C)(CH)]、略称:TEMAH)、テトラキスジメチルアミノハフニウム(Hf[N(CH、略称:TDMAH)、テトラキスジエチルアミノハフニウム(Hf[N(C、略称:TDEAH)等の有機金属原料を用いることができる。
また例えば、上述の実施形態では、金属窒化膜としてHfN膜を形成する場合について説明したが、本発明は係る形態に限定されず、金属窒化膜として窒化チタニウム(TiN)膜、窒化タンタル(TaN)膜、窒化ジルコニウム(ZrN)膜、窒化モリブデン(MoN)膜、窒化タングステン(WN)膜、窒化バナジウム(VN)膜等を形成する場合にも好適に適用可能である。
この場合、原料ガスとして各金属元素を含む原料を用い、上述の実施形態と同様の成膜シーケンスにより成膜を行うことができる。なお、常温常圧下で液体状態である液体原料を用いる場合は、液体原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、原料ガスとして供給することとなる。窒素含有ガスおよび水素含有ガスは、上述の実施形態と同様なガスを用いることができる。処理条件も、上述の実施形態と同様な処理条件を用いることができる。
例えば、TiN膜を形成する場合は、原料として、チタニウムテトラクロライド(TiCl)、テトラキスエチルメチルアミノチタニウム(Ti[N(C)(CH)]、略称:TEMAT)、テトラキスジメチルアミノチタニウム(Ti[N(CH、略称:TDMAT)、テトラキスジエチルアミノチタニウム(Ti[N(C、略称:TDEAT)等を用いることができる。
また例えば、TaN膜を形成する場合は、原料として、タンタルペンタクロライド(TaCl)、タンタルペンタフルオライド(TaF)、ペンタエトキシタンタル(Ta(OC、略称:PET)、トリスジエチルアミノターシャリーブチルイミノタンタル(Ta(NC(CH)(N(C、略称:TBTDET)等を用いることができる。
また例えば、ZrN膜を形成する場合は、原料として、ジルコニウムテトラクロライド(ZrCl)、テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム(Zr[N(C)(CH)]、略称:TEMAZ)、テトラキスジメチルアミノジルコニウム(Zr[N(CH、略称:TDMAZ)、テトラキスジエチルアミノジルコニウム(Zr[N(C、略称:TDEAZ)等を用いることができる。
また例えば、MoN膜を形成する場合は、原料として、モリブデンペンタクロライド(MoCl)、モリブデンペンタフルオライド(MoF)等を用いることができる。
また例えば、WN膜を形成する場合は、原料として、タングステンヘキサクロライド(WCl)、タングステンヘキサフルオライド(WF)等を用いることができる。
また例えば、VN膜を形成する場合は、原料として、バナジウムトリクロライド(VCl)、バナジウムトリフルオライド(VF)等を用いることができる。
また例えば、上述の実施形態では、原料ガスとしてClを含む塩素系ガスを用いる例について説明したが、本発明は係る形態に限定されず、原料ガスとしてFを含むフッ素系ガスを用いる場合にも好適に適用可能である。すなわち、本発明は、ClやF等のハロゲン元素を含むガス、すなわち、ハロゲン系ガスを用いる場合に好適に適用できる。
また例えば、上述の実施形態では、一度に1枚の基板を処理する枚葉式コールドウォールタイプの基板処理装置を用いる場合を例に挙げて説明したが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、枚葉式ホットウォールタイプの基板処理装置や、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式ホットウォールタイプの基板処理装置等を用いる場合にも好適に適用可能である。以下、このバッチ式ホットウォールタイプの基板処理装置について説明する。
図9は、本実施形態で好適に用いられる縦型装置の縦型処理炉の概略構成図であり、(a)は、処理炉302部分を縦断面で示し、(b)は、処理炉302部分を図9(a)のA−A線断面図で示す。
図9(a)に示されるように、処理炉302は加熱手段(加熱機構)としてのヒータ307を有する。ヒータ307は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース(図示せず)に支持されることにより垂直に据え付けられている。
ヒータ307の内側には、ヒータ307と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ303が配設されている。プロセスチューブ303は、例えば石英(SiO)や炭化シリコン(SiC)等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。プロセスチューブ303の筒中空部には処理室301が形成されており、基板としてのウェハ200を、後述するボート317によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。
プロセスチューブ303の下方には、プロセスチューブ303と同心円状にマニホールド309が配設されている。マニホールド309は、例えばステンレス等からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド309は、プロセスチューブ303に係合しており、プロセスチューブ303を支持するように設けられている。なお、マニホールド309とプロセスチューブ303との間には、シール部材としてのOリング320aが設けられている。マニホールド309がヒータベースに支持されることにより、プロセスチューブ303は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ303とマニホールド309とにより反応容器が形成される。
マニホールド309には、第1ガス導入部としての第1ノズル333aと、第2ガス導入部としての第2ノズル333bとが、マニホールド309の側壁を貫通するように接続されている。第1ノズル333aと第2ノズル333bは、それぞれ水平部と垂直部とを有するL字形状であり、水平部がマニホールド309に接続され、垂直部がプロセスチューブ303の内壁とウェハ200との間における円弧状の空間に、プロセスチューブ303の下部より上部の内壁に沿ってウェハ200の積載方向に向かって立ち上がるように設けられている。第1ノズル333a、第2ノズル333bの垂直部の側面には、ガスを供給する供給孔である第1ガス供給孔348a、第2ガス供給孔348bがそれぞれ設けられている。この第1ガス供給孔348a、第2ガス供給孔348bは、それぞれ下部から上部にわたって同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
第1ノズル333a、第2ノズル333bに接続されるガス供給系は、上述の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、第1ノズル333aに原料ガス供給管213a及び不活性ガス供給管213eが接続され、第2ノズル333bに窒素含有ガス供給管213b、水素含有ガス供給管213c、不活性ガス供給管213dが接続される点が、上述の実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、原料ガスと、窒素含有ガス及び水素含有ガスとを、別々のノズルにより供給する。なお、さらに窒素含有ガスと水素含有ガスとを別々のノズルにより供給するようにしてもよい。
マニホールド309には、処理室301内の雰囲気を排気する排気管331が設けられている。排気管331には、圧力検出器としての圧力センサ345及び圧力調整器としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ342を介して、真空排気装置としての真空ポンプ346が接続されており、圧力センサ345により検出された圧力情報に基づきAPCバルブ342を調整することで、処理室301内の圧力が所定の圧力(真空度)となるよう真空排気し得るように構成されている。なお、APCバルブ342は弁を開閉して処理室301内の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調整して処理室301内の圧力を調整することができるよう構成されている開閉弁である。
マニホールド309の下方には、マニホールド309の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ319が設けられている。シールキャップ319は、マニホールド309の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ319は、例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ319の上面には、マニホールド309の下端と当接するシール部材としてのOリング320bが設けられている。シールキャップ319の処理室301と反対側には、後述するボート317を回転させる回転機構367が設置されている。回転機構367の回転軸355は、シールキャップ319を貫通して、ボート317に接続されており、ボート317を回転させることでウェハ200を回転させるように構成されている。シールキャップ319は、プロセスチューブ303の外部に配置された昇降機構としてのボートエレベータ315によって、垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート317を処理室301内に対し搬入搬出することが可能となっている。
基板保持具としてのボート317は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱材料からなり、複数枚のウェハ200を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。なお、ボート317の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱材料からなる断熱部材318が設けられており、ヒータ307からの熱がシールキャップ319側に伝わりにくくなるように構成されている。プロセスチューブ303内には、温度検出器としての温度センサ363が設置されており、温度センサ363により検出された温度情報に基づきヒータ307への通電具合を調整することにより、処理室301内の温度が所定の温度分布となるように構成されている。温度センサ363は、第1ノズル333a及び第2ノズル333bと同様に、プロセスチューブ303の内壁に沿って設けられている。
制御部(制御手段)であるコントローラ380は、上述の実施形態で示したコントローラ280と同様に、CPU、RAM、記憶装置、I/Oポートを備え、入出力装置に接続されたコンピュータとして構成されている。I/Oポートには、APCバルブ342、ヒータ307、温度センサ363、真空ポンプ346、回転機構367、ボートエレベータ315、バルブva1〜va5,vb1〜vb3,vc1〜vc3,vd1〜vd3,ve1〜ve3、マスフローコントローラ222a,222b,222c,222d,222e等が接続されている。CPUは、記憶装置から制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置からプロセスレシピを読み出し、プロセスレシピの内容に沿うように、APCバルブ342、ヒータ307、温度センサ363、真空ポンプ346、回転機構367、ボートエレベータ315、バルブva1〜va5,vb1〜vb3,vc1〜vc3,vd1〜vd3,ve1〜ve3、マスフローコントローラ222a,222b,222c,222d,222e等の動作をそれぞれ制御するように構成されている。
次に、上記構成にかかる縦型装置の処理炉302を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、ウェハ200上に薄膜を形成する基板処理工程について説明する。なお、以下の説明において、縦型装置を構成する各部の動作は、コントローラ380により制御される。
複数枚のウェハ200をボート317に装填(ウェハチャージ)する。そして、図9(a)に示すように、複数枚のウェハ200を保持したボート317を、ボートエレベータ315によって持ち上げて処理室301内に搬入(ボートロード)する。この状態で、シールキャップ319はOリング320bを介してマニホールド309の下端をシールした状態となる。
処理室301内が所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ346によって処理室301内を真空排気する。この際、処理室301内の圧力を圧力センサ345で測定して、この測定された圧力に基づき、APCバルブ342をフィードバック制御する。また、処理室301内が所望の温度となるように、ヒータ307によって加熱する。この際、処理室301内が所望の温度分布となるように、温度センサ363が検出した温度情報に基づきヒータ307への通電具合をフィードバック制御する。続いて、回転機構367によりボート317を回転させることで、ウェハ200を回転させる。
その後、上述の各実施形態で示したガス供給シーケンスと同様のシーケンスを実行することにより、ウェハ200上に、金属窒化膜としての窒化ハフニウム(HfN)膜を形成する。すなわち、処理室301内へ原料ガスおよび窒素含有ガスを間欠的に供給するか、処理室301内へ原料ガスと窒素含有ガスとを間欠的に交互に供給するか、処理室301内への窒素含有ガスの供給を継続した状態で処理室301内へ原料ガスを間欠的に供給するようにし、少なくとも処理室301内への窒素含有ガスの供給期間に、処理室301内へ水素含有ガスを供給するガス供給シーケンスを実行することで、ウェハ200上に、所定膜厚のHfN膜を形成する。
その後、処理室301内のパージを行い、処理室301内の圧力を大気圧に復帰させた後、ボートエレベータ315によりシールキャップ319を下降させて、マニホールド309の下端を開口させるとともに、所望膜厚のHfN膜が形成された後のウェハ200を、ボート317に保持させた状態でマニホールド309の下端からプロセスチューブ303の外部に搬出(ボートアンロード)する。その後、処理済のウェハ200をボート317より取り出す(ウェハディスチャージ)。
本実施例では、シリコンウェハ上に、窒化チタニウム(TiN)膜とHfN膜とが順に積層された評価サンプルを製造し、HfN膜中の不純物濃度を測定した。
実施例に係る評価サンプルのHfN膜は、図6(a)に示す第3実施形態と同様の手法、すなわち、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給し、NHガスの供給停止期間であってHfClガスの供給停止期間にHガスを供給する手法を用いて形成した。また、比較例に係る評価サンプルのHfN膜は、図6(b)に示す手法、すなわち、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給するが、Hガスを供給しない手法を用いて形成した。そして、実施例及び比較例に係る評価サンプルのそれぞれに対し、SIMS(Secondry Ion−microprobe Mass Spectrometer)分析を行った。図8は、実施例及び比較例に係る評価サンプルのSIMS分析結果を示すグラフ図であり、図8の横軸は、SIMS分析を開始してからのイオン照射時間(すなわち、評価サンプル表面からの観測深さ)を示しており、図8の縦軸は、観測されたClイオン強度(すなわち不純物濃度)を示している。
図8から分かるように、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給し、NHガスの供給停止期間であってHfClガスの供給停止期間にHガスを供給することでHfN膜を形成した評価サンプル(実施例:図中破線で示す)では、Hガスを供給することなくHfN膜を形成した評価サンプル(比較例:図中実線で示す)に比べ、HfN膜中のCl濃度が低下していることが分かる。すなわち、NHガスの供給期間にHfClガスを間欠的に供給し、NHガスの供給停止期間であってHfClガスの供給停止期間にHガスを供給することで、HfN膜中の不純物濃度を低減でき、膜質を向上させることができることが分かる。
<本発明の好ましい態様>
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
(付記1)
本発明の一態様によれば、
基板を処理室内に収容する工程と、
前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスと窒素含有ガスと水素含有ガスとを供給して前記基板上に金属窒化膜を形成する工程と、を有し、
前記金属窒化膜を形成する工程では、
前記処理室内へ前記原料ガスおよび前記窒素含有ガスを間欠的に供給するか、
前記処理室内へ前記原料ガスと前記窒素含有ガスとを間欠的に交互に供給するか、
前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給を継続した状態で前記処理室内へ前記原料ガスを間欠的に供給するようにし、
少なくとも前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給期間に、前記処理室内へ前記水素含有ガスを供給する半導体装置の製造方法が提供される。
(付記2)
付記1の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスとを同時に供給する。
(付記3)
付記2の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記窒素含有ガスの供給期間に前記原料ガスを供給し、その際、前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスとを同時に供給する。
(付記4)
付記3の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記窒素含有ガスの供給期間に前記原料ガスを間欠的に供給し、その際、前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスとを同時に供給する。
(付記5)
付記2の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記原料ガスと前記窒素含有ガスとを交互に供給し、その際、前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスとを同時に供給する。
(付記6)
付記1の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記水素含有ガスを連続的に供給する。
(付記7)
付記1の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記原料ガスと前記窒素含有ガスとが間欠的に反応することで、間欠的に金属窒化層が形成され、その反応1回あたりに形成される前記金属窒化層の厚さを2nm以下とする。
(付記8)
本発明の他の態様によれば、
基板を処理室内に収容する工程と、
前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスと窒素含有ガスと水素含有ガスとを供給して前記基板上に金属窒化膜を形成する工程と、を有し、
前記金属窒化膜を形成する工程では、
前記処理室内へ前記原料ガスおよび前記窒素含有ガスを間欠的に供給するか、
前記処理室内へ前記原料ガスと前記窒素含有ガスとを間欠的に交互に供給するか、
前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給を継続した状態で前記処理室内へ前記原料ガスを間欠的に供給するようにし、
少なくとも前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給期間に、前記処理室内へ前記水素含有ガスを供給する基板処理方法が提供される。
(付記9)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理室内へ窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記処理室内へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、
基板を収容した前記処理室内へ前記原料ガスと前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスとを供給して前記基板上に金属窒化膜を形成する処理を行い、前記金属窒化膜を形成する処理では、前記処理室内へ前記原料ガスおよび前記窒素含有ガスを間欠的に供給するか、前記処理室内へ前記原料ガスと前記窒素含有ガスとを間欠的に交互に供給するか、前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給を継続した状態で前記処理室内へ前記原料ガスを間欠的に供給するようにし、少なくとも前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給期間に、前記処理室内へ前記水素含有ガスを供給するように前記原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系および前記水素含有ガス供給系を制御する制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
(付記10)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板処理装置の処理室内に基板を収容する手順と、
前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスと窒素含有ガスと水素含有ガスとを供給して前記基板上に金属窒化膜を形成する手順と、
前記金属窒化膜を形成する手順において、
前記処理室内へ前記原料ガスおよび前記窒素含有ガスを間欠的に供給するか、
前記処理室内へ前記原料ガスと前記窒素含有ガスとを間欠的に交互に供給するか、
前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給を継続した状態で前記処理室内へ前記原料ガスを間欠的に供給するようにし、
少なくとも前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給期間に、前記処理室内へ前記水素含有ガスを供給する手順と、
をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。
(付記11)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板処理装置の処理室内に基板を収容する手順と、
前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスと窒素含有ガスと水素含有ガスとを供給して前記基板上に金属窒化膜を形成する手順と、
前記金属窒化膜を形成する手順において、
前記処理室内へ前記原料ガスおよび前記窒素含有ガスを間欠的に供給するか、
前記処理室内へ前記原料ガスと前記窒素含有ガスとを間欠的に交互に供給するか、
前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給を継続した状態で前記処理室内へ前記原料ガスを間欠的に供給するようにし、
少なくとも前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給期間に、前記処理室内へ前記水素含有ガスを供給する手順と、
をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
(付記12)
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理室内に収容する工程と、
前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスと窒素含有ガスと水素含有ガスとを供給して前記基板上に金属窒化膜を形成する工程と、を有し、
前記金属窒化膜を形成する工程では、
前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給期間に前記処理室内へ前記原料ガスを供給するようにし、前記処理室内への前記窒素含有ガスの供給期間、もしくは、前記原料ガスの供給停止期間であって前記窒素含有ガスの供給停止期間に、前記処理室内へ前記水素含有ガスを供給する半導体装置の製造方法が提供される。
(付記13)
付記12の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記窒素含有ガスの供給期間に前記原料ガスを間欠的に供給する。
(付記14)
付記12または13の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記原料ガスと前記窒素含有ガスとを供給する工程と、前記水素含有ガスを供給する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを1回以上行う。
(付記15)
付記13または14の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記原料ガスと前記窒素含有ガスとが間欠的に反応することで、間欠的に金属窒化層が形成され、その反応1回あたりに形成される前記金属窒化層の厚さを2nm以下とする。
(付記16)
付記12〜15のいずれかの半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、前記水素含有ガスを連続的に供給する。
(付記17)
付記1〜7、12〜16のいずれかの半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記原料ガスはハロゲン元素を含む。
(付記18)
付記1〜7、12〜16のいずれかの半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記原料ガスは塩素元素もしくはフッ素元素を含む。
(付記19)
付記1〜7、12〜16のいずれかの半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記原料ガスはハロゲン系ガスである。
(付記20)
付記1〜7、12〜16のいずれかの半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記原料ガスは塩素系ガスもしくはフッ素系ガスである。
(付記21)
付記17〜20のいずれかの半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記窒素含有ガスがアンモニアガスであり、前記水素含有ガスが水素ガスである。
(付記22)
付記1〜7、12〜21のいずれかの半導体装置の製造方法であって、好ましくは、前記金属窒化膜を形成する工程では、ノンプラズマの雰囲気下にある前記処理室内へ、前記各ガスが供給される。
200 ウェハ(基板)
201 処理室
202 処理容器
280 コントローラ(制御部)

Claims (22)

  1. 基板が処理室に収容される工程と、
    前記基板に対して、窒素含有ガスの供給が開始されて所定時間経過後に、金属元素を含む原料ガスが供給されて前記基板上に金属窒化層が形成され、その際、改質ガスとして水素含有ガスが、前記窒素含有ガスが供給される時間よりも長い時間供給されて前記金属窒化層中に残留する不純物を除去して、前記金属窒化層が改質される工程と、を有する半導体装置の製造方法。
  2. 基板が処理室に収容される工程と、
    前記基板に対して、窒素含有ガスの供給が開始されて所定時間経過後に、金属元素を含む原料ガスが供給されて前記基板上に金属窒化層が形成され、その際、改質ガスとして水素含有ガスが、前記窒素含有ガスの供給停止後も継続して供給されて前記金属窒化層中に残留する不純物を除去して、前記金属窒化層が改質される工程と、を有する半導体装置の製造方法。
  3. 前記窒素含有ガスの供給が停止された後に、前記水素含有ガスの供給が停止される請求項1もしくは2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記窒素含有ガスが供給される前に、前記水素含有ガスの供給が開始される請求項1もしくは2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記原料ガスが供給される前に、前記水素含有ガスの供給が開始される請求項1もしくは2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスの供給が同時に開始される請求項1もしくは2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記基板上に前記金属窒化層の形成中に、前記水素含有ガスが連続して供給される請求項1もしくは2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記窒素含有ガス及び前記水素含有ガスが供給されている状態で、前記原料ガスが間欠的に供給される請求項1もしくは2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記原料ガスの間欠的な供給1回あたりに形成される金属窒化層の厚さを2nm以下とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記水素含有ガスにより改質された前記金属窒化層が形成され、前記原料ガスと前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスとがノンプラズマの雰囲気下で供給される請求項1乃至9のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 基板を収容する処理室と、
    前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
    前記処理室内へ窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
    前記処理室内へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、
    前記処理室に収容された前記基板に対して、窒素含有ガスの供給が開始されて所定時間経過後に、前記原料ガスが供給され前記基板上に金属窒化層が形成される処理を行い、その際、改質ガスとして前記水素含有ガスが、前記窒素含有ガスが供給されている時間より長い時間供給されて前記金属窒化層中に残留する不純物を除去して、前記金属窒化層が改質されるように前記原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系および前記水素含有ガス供給系を制御するよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  12. 基板を収容する処理室と、
    前記処理室内へ金属元素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
    前記処理室内へ窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
    前記処理室内へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、
    前記処理室に収納された前記基板に対して、窒素含有ガスの供給が開始されて所定時間経過後に、前記原料ガスが供給されて前記基板上に金属窒化層が形成される処理を行い、その際、改質ガスとして前記水素含有ガスが、前記窒素含有ガスの供給が停止された後も継続して供給されて前記金属窒化層中に残留する不純物を除去して、前記金属窒化層が改質されるように前記原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系および前記水素含有ガス供給系を制御するよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  13. 前記窒素含有ガスの供給が停止された後に、前記水素含有ガスの供給が停止される請求項11もしくは12のいずれかに記載の基板処理装置。
  14. 前記窒素含有ガスが供給される前に、前記水素含有ガスの供給が開始される請求項11もしくは12のいずれかに記載の基板処理装置。
  15. 前記原料ガスが供給される前に、前記水素含有ガスの供給が開始される請求項11もしくは12のいずれかに記載の基板処理装置。
  16. 前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスの供給が同時に開始される請求項11もしくは12のいずれかに記載の基板処理装置。
  17. 前記基板上に前記金属窒化層が形成される処理中に、前記水素含有ガスが連続的に供給される請求項11もしくは12のいずれかに記載の基板処理装置
  18. 前記窒素含有ガス及び前記水素含有ガスが供給されている状態で、前記原料ガスが間欠的に供給される請求項11もしくは12のいずれかに記載の基板処理装置。
  19. 前記原料ガスの間欠的な供給1回あたりに形成される金属窒化層の厚さを2nm以下とする請求項18に記載の基板処理装置
  20. 前記水素含有ガスにより改質された前記金属窒化層が形成され、前記原料ガスと前記窒素含有ガスと前記水素含有ガスとがノンプラズマの雰囲気下で供給される請求項11乃至19のいずれか一つに記載の基板処理装置。
  21. 基板を処理室内に収容する手順と、
    前記基板に対して、窒素含有ガスの供給が開始されて所定時間経過後に、金属元素を含む原料ガスを供給して前記基板上に金属窒化層を形成し、その際、改質ガスとして水素含有ガスを、前記窒素含有ガスが供給される時間よりも長い時間供給して前記金属窒化層中に残留する不純物を除去して、前記金属窒化層を改質する手順と、
    をコンピュータに実行させるプログラム。
  22. 基板を処理室内に収容する手順と、
    前記基板に対して、窒素含有ガスの供給が開始されて所定時間経過後に、金属元素を含む原料ガスを供給して前記基板上に金属窒化層を形成し、その際、改質ガスとして水素含有ガスを、前記窒素含有ガスの供給停止後も継続して供給して前記金属窒化層中に残留する不純物を除去して、前記金属窒化層を改質する手順と、
    をコンピュータに実行させるプログラム。
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