JP6118197B2 - 成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、成膜方法に関する。
半導体集積回路(IC、Integrated Circuit)の製造プロセスには、半導体ウエハ上に薄膜を成膜する工程がある。この工程については、ICの更なる微細化の観点から、ウエハ面内における均一性の向上が求められている。このような要望に応える成膜方法として、原子層成膜(ALD、Atomic Layer Deposition)法または分子層成膜(MLD、Molecular Layer Deposition)法と呼ばれる成膜方法が期待されている。ALD法では、互いに反応する2種類の反応ガスの一方の反応ガス(反応ガスA)をウエハ表面に吸着させ、吸着した反応ガスAを他方の反応ガス(反応ガスB)で反応させるサイクルを繰り返すことにより、反応生成物による薄膜がウエハ表面に成膜される。ALD法は、ウエハ表面への反応ガスの吸着を利用するため、膜厚均一性及び膜厚制御性に優れるという利点を有している。
ALD法を実施する成膜装置として、いわゆる回転テーブル式の成膜装置がある(例えば、特許文献1参照)。この成膜装置は、真空容器内に回転可能に配置され、複数のウエハが載置される回転テーブルと、回転テーブルの上方に区画される反応ガスAの供給領域と反応ガスBの供給領域とを分離する分離領域と、反応ガスA及び反応ガスBの供給領域に対応して設けられる排気口と、これらの排気口に接続される排気装置とを有している。このような成膜装置においては、回転テーブルが回転することによって、反応ガスAの供給領域、分離領域、反応ガスBの供給領域、及び分離領域をウエハが通過することとなる。これにより、反応ガスAの供給領域においてウエハ表面に反応ガスAが吸着し、反応ガスBの供給領域において反応ガスAと反応ガスBとがウエハ表面で反応する。このため、成膜中には反応ガスA及び反応ガスBを切り替える必要はなく、継続して供給することができる。従って、排気/パージ工程が不要となり、成膜時間を短縮できるという利点がある。
一方、半導体メモリの高集積化に伴い、金属酸化物などの高誘電体材料を誘電体層として用いるキャパシタが多用されている。このようなキャパシタの電極は、比較的大きな仕事関数を有する例えば窒化チタン(TiN)により形成されている。このように、窒化チタンは、電極として用いられるため、当然に低抵抗であることが要求され、窒化チタンの薄膜を形成する場合にも、低抵抗の薄膜を形成することが要求される。
TiN電極の形成は、例えば、塩化チタン(TiCl)とアンモニア(NH)とを原料ガスとして用いる化学気相成膜(CVD)法により、高誘電体層の上にTiNを成膜し、パターン化することにより行われる(例えば、特許文献2、3参照)。
また、例えば、CVD法と同様に、塩化チタンとアンモニアとを原料ガスとし、上述の回転テーブル式の成膜装置を用い、ALD法により成膜することにより、窒化チタンの成膜が可能になると考えられる。
特許第4661990号 特許第4583764号 特許第4811870号
しかしながら、上述のCVD法を用いた成膜では、緻密な成膜を行うことが困難であり、十分に低抵抗のTiN膜を成膜することが困難であるという問題があった。
一方、上述のALD法では、原子層又は分子層毎の成膜が可能であるため、緻密で低抵抗のTiN膜を成膜することが可能である。また、ALD法では、他の金属窒化膜についても、低抵抗の薄膜を形成できる可能性がある。
しかしながら、かかるTiN膜の成膜においては、ALD法を用いて従来から行われているSiO等の絶縁酸化膜とは、異なるプロセスが要求される。例えば、TiNの成膜プロセスでは、単に供給するガスが異なるだけではなく、成膜温度、1原子層又は1分子層の成膜のためのサイクル時間も、金属酸化膜の成膜とは異なるプロセスが要求される。
そこで、本発明は、ALD法を用いて、低抵抗の薄膜の成膜が可能な成膜方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る成膜方法は、チャンバ内で、基板上に互いに反応する金属を含む第1の処理ガスと窒素を含む第2の処理ガスを順次供給するとともに、該第1の処理ガスと第2の処理ガスを1回ずつ前記基板上に供給した段階を1サイクルとし、該1サイクルを繰り返すことにより前記基板上に前記複数のガスの反応生成物の原子層又は分子層を堆積させて成膜を行う成膜工程を有する成膜方法であって、
前記1サイクルの時間を0.5秒以下に設定して前記成膜工程を行い、
前記1サイクルを所定回数繰り返し、所定の膜厚の成膜を行った後、前記第1の処理ガスを供給せずに、前記第2の処理ガスを供給する膜質改善工程を所定時間行い、
該膜質改善工程の1サイクルの時間は前記成膜工程の前記1サイクルの時間よりも長く設定されている

本発明によれば、低抵抗の薄膜を形成することができる。
本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の断面図である。 本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の斜視図である。 本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の上面図である。 本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の回転テーブルの同心円に沿ったチャンバの断面を示した図である。 本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の天井面が設けられている領域を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る成膜方法の処理フローを示した図である。 TiN膜の膜厚と温度と粒径との関係の一例を示した図である。 膜の隙間と粒径との関係の一例を示した図である。図8(A)は、粒径が大きい密な膜の断面構造の一例を示した図である。図8(B)は、粒径が小さい疎な膜の断面構造の一例を示した図である。 本実施形態に係る成膜方法を実施した実施結果を示した図である。 本実施例に係る成膜方法のNH改質処理の効果を示した図である。図10(A)は、回転速度120rpm、240rpmにおける基板温度550℃、610℃のNH改質処理の効果を示した図である。図10(B)は、本実施例に係る成膜方法における回転テーブルの回転速度240rpmと120rpmとの効果の増加比を示した図である。 回転テーブルの回転速度とNH改質処理との関係を示した図である。図11(A)は、本実施例に係る成膜方法におけるNH改質処理の効果を回転速度基準で示した図である。図11(B)は,本実施例に係る成膜方法におけるNH改質処理の効果をサイクル時間基準で示した図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、部材もしくは部品間の相対比を示すことを目的とせず、したがって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定されるべきものである。
(成膜装置)
図1は、本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の断面図であり、図2は、本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の斜視図である。また、図3は、本発明の実施形態に係る成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の上面図である。
まず、本発明の実施形態による成膜方法を実施するのに好適な成膜装置について説明する。図1から図3までを参照すると、この成膜装置は、ほぼ円形の平面形状を有する扁平なチャンバ1と、このチャンバ1内に設けられ、チャンバ1の中心に回転中心を有する回転テーブル2と、を備えている。チャンバ1は、有底の円筒形状を有する容器本体12と、容器本体12の上面に対して、例えばOリングなどのシール部材13(図1)を介して気密に着脱可能に配置される天板11とを有している。
チャンバ1は、回転テーブル2を収容し、内部で成膜処理を行うための処理室である。なお、チャンバ1は種々の材料から構成されてよいが、例えば、アルミニウム(Al)から構成されてもよい。
回転テーブル2は、中心部にて円筒形状のコア部21に固定され、このコア部21は、鉛直方向に伸びる回転軸22の上端に固定されている。回転軸22はチャンバ1の底部14を貫通し、その下端が回転軸22(図1)を鉛直軸回りに回転させる駆動部23に取り付けられている。回転軸22及び駆動部23は、上面が開口した筒状のケース体20内に収納されている。このケース体20はその上面に設けられたフランジ部分がチャンバ1の底部14の下面に気密に取り付けられており、ケース体20の内部雰囲気と外部雰囲気との気密状態が維持されている。
回転テーブル2の表面部には、図2及び図3に示すように回転方向(周方向)に沿って複数(図示の例では5枚)の基板である半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)Wを載置するための円形状の凹部24が設けられている。なお図3には便宜上1個の凹部24だけにウエハWを示す。この凹部24は、ウエハWの直径よりも僅かに例えば4mm大きい内径と、ウエハWの厚さにほぼ等しいか、ウエハWの厚さよりもやや深い深さとを有している。したがって、ウエハWが凹部24に収容されると、ウエハWの表面と回転テーブル2の表面(ウエハWが載置されない領域)とが同じ高さになるか、又はウエハWの表面が回転テーブル2の表面よりもやや低い高さ関係となる。凹部24の底面には、ウエハWの裏面を支えてウエハWを昇降させるための例えば3本の昇降ピンが貫通する貫通孔(いずれも図示せず)が形成されている。なお、回転テーブル2は、種々の材料で構成されてよいが、例えば、石英から構成されてもよい。
回転テーブル2の回転速度は、駆動部23により適切な速度に設定されてよい。本実施形態に係る成膜方法では、回転テーブル2の回転速度は、120rpm以上、例えば120〜240rpmの範囲の高速に設定され、高い生産性を実現しつつ成膜処理を行う。なお、この点の詳細については後述する。
図2及び図3は、チャンバ1内の構造を説明する図であり、説明の便宜上、天板11の図示を省略している。図2及び図3に示すように、回転テーブル2の上方には、各々例えば石英からなる反応ガスノズル31、反応ガスノズル32、及び分離ガスノズル41,42がチャンバ1の周方向(回転テーブル2の回転方向(図3の矢印A))に互いに間隔をおいて配置されている。図示の例では、後述の搬送口15から時計回り(回転テーブル2の回転方向)に、分離ガスノズル41、反応ガスノズル31、分離ガスノズル42、及び反応ガスノズル32がこの順番で配列されている。これらのノズル31、32、41、42は、各ノズル31、32、41、42の基端部であるガス導入ポート31a、32a、41a、42a(図3)を容器本体12の外周壁に固定することにより、チャンバ1の外周壁からチャンバ1内に導入され、容器本体12の半径方向に沿って回転テーブル2に対して水平に伸びるように取り付けられている。
本実施形態においては、反応ガスノズル31は、不図示の配管及び流量制御器などを介して、塩化チタン(TiCl)ガスの供給源(図示せず)に接続されている。反応ガスノズル32は、不図示の配管及び流量制御器などを介して、アンモニアの供給源(図示せず)に接続されている。分離ガスノズル41、42は、いずれも不図示の配管及び流量制御バルブなどを介して、分離ガスの供給源(図示せず)に接続されている。分離ガスとしては、ヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスや窒素(N)ガスなどの不活性ガスを用いることができる。本実施形態では、Nガスを用いることとする。
反応ガスノズル31、32には、回転テーブル2に向かって開口する複数のガス吐出孔33が、反応ガスノズル31、32の長さ方向に沿って、例えば10mmの間隔で配列されている。反応ガスノズル31の下方領域は、TiClガスをウエハWに吸着させるための第1の処理領域P1となる。反応ガスノズル32の下方領域は、第1の処理領域P1においてウエハWに吸着されたTiClガスを窒化させる第2の処理領域P2となる。
図2及び図3を参照すると、チャンバ1内には2つの凸状部4が設けられている。凸状部4は、分離ガスノズル41、42とともに分離領域Dを構成するため、回転テーブル2に向かって突出するように天板11の裏面に取り付けられている。なお、凸状部4の詳細については、後述する。また、凸状部4は、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有し、本実施形態においては、内円弧が突出部5(後述)に連結し、外円弧が、チャンバ1の容器本体12の内周面に沿うように配置されている。
図4は、反応ガスノズル31から反応ガスノズル32まで回転テーブル2の同心円に沿ったチャンバ1の断面を示している。図示のとおり、天板11の裏面に凸状部4が取り付けられているため、チャンバ1内には、凸状部4の下面である平坦な低い天井面44(第1の天井面)と、この天井面44の周方向両側に位置する、天井面44よりも高い天井面45(第2の天井面)とが存在する。天井面44は、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有している。また、図示のとおり、凸状部4には周方向中央において、半径方向に伸びるように形成された溝部43が形成され、分離ガスノズル42が溝部43内に収容されている。もう一つの凸状部4にも同様に溝部43が形成され、ここに分離ガスノズル41が収容されている。また、高い天井面45の下方の空間に反応ガスノズル31、32がそれぞれ設けられている。これらの反応ガスノズル31、32は、天井面45から離間してウエハWの近傍に設けられている。更に、図4において、反応ガスノズル31が設けられる高い天井面45の下方の空間481と、反応ガスノズル32が設けられる高い天井面45の下方の空間482とを示す。
また、凸状部4の溝部43に収容される分離ガスノズル42には、回転テーブル2に向かって開口する複数のガス吐出孔42h(図4参照)が、分離ガスノズル42の長さ方向に沿って、例えば10mmの間隔で配列されている。図示は省略するが、この点は分離ガスノズル41も同様である。
天井面44は、狭い空間である分離空間Hを回転テーブル2に対して形成している。分離ガスノズル42の吐出孔42hからNガスが供給されると、このNガスは、分離空間Hを通して空間481及び空間482へ向かって流れる。このとき、分離空間Hの容積は空間481及び482の容積よりも小さいため、Nガスにより分離空間Hの圧力を空間481及び482の圧力に比べて高くすることができる。すなわち、空間481及び482の間に圧力の高い分離空間Hが形成される。また、分離空間Hから空間481及び482へ流れ出るNガスが、第1の領域P1からのTiClガスと、第2の領域P2からのNHガスとに対するカウンターフローとして働く。したがって、第1の領域P1からのTiClガスと、第2の領域P2からのNHガスとが分離空間Hにより分離される。よって、チャンバ1内においてTiClガスとNHガスとが混合し、反応することが抑制される。
なお、回転テーブル2の上面に対する天井面44の高さh1は、成膜時のチャンバ1内の圧力、回転テーブル2の回転速度、供給する分離ガス(Nガス)の供給量などを考慮し、分離空間Hの圧力を空間481及び482の圧力に比べて高くするのに適した高さに設定することが好ましい。
一方、天板11の下面には、回転テーブル2を固定するコア部21の外周を囲む突出部5(図2及び図3)が設けられている。この突出部5は、本実施形態においては、凸状部4における回転中心側の部位と連続しており、その下面が天井面44と同じ高さに形成されている。
先に参照した図1は、図3のI−I'線に沿った断面図であり、天井面45が設けられている領域を示している。
一方、図5は、天井面44が設けられている領域を示す断面図である。図5に示すように、扇型の凸状部4の周縁部(チャンバ1の外縁側の部位)には、回転テーブル2の外端面に対向するようにL字型に屈曲する屈曲部46が形成されている。この屈曲部46は、凸状部4と同様に、分離領域Dの両側から反応ガスが侵入することを抑制して、両反応ガスの混合を抑制する。扇型の凸状部4は天板11に設けられ、天板11が容器本体12から取り外せるようになっていることから、屈曲部46の外周面と容器本体12との間には僅かに隙間がある。屈曲部46の内周面と回転テーブル2の外端面との隙間、及び屈曲部46の外周面と容器本体12との隙間は、例えば回転テーブル2の上面に対する天井面44の高さと同様の寸法に設定されている。
図4に示すように、容器本体12の内周壁は、分離領域Dにおいては屈曲部46の外周面と接近して垂直面に形成されている。しかしながら、図1に示すように、分離領域D以外の部位においては、例えば回転テーブル2の外端面と対向する部位から底部14に亘って外方側に窪んでいる。以下、説明の便宜上、概ね矩形の断面形状を有する窪んだ部分を排気領域と記す。具体的には、第1の処理領域P1に連通する排気領域を第1の排気領域E1と記し、第2の処理領域P2に連通する領域を第2の排気領域E2と記す。これらの第1の排気領域E1及び第2の排気領域E2の底部には、図1から図3に示すように、それぞれ、第1の排気口610及び第2の排気口620が形成されている。図1に示すように、第1の排気口610及び第2の排気口620は、各々排気管630を介して真空排気手段である例えば真空ポンプ640に接続されている。なお図1中、圧力制御器650が示されている。
図1及び図4に示すように、回転テーブル2とチャンバ1の底部14との間の空間には、加熱手段であるヒータユニット7が設けられ、回転テーブル2を介して回転テーブル2上のウエハWが、プロセスレシピで決められた温度(例えば610℃)に加熱される。ヒータユニット7は、凹部24にウエハWが載置されている成膜プロセス中には、凹部24に載置されたウエハWが所定温度となるように加熱する。なお、本実施形態に係る成膜方法においては、ウエハWの温度は個々のプロセスに応じた適切な温度に設定されてよいが、例えば、300〜610℃の範囲に設定されてもよいし、450〜610℃の範囲に設定されてもよいし、550〜610℃の範囲に設定されてもよい。
図5に示すように、回転テーブル2の周縁付近の下方側には、回転テーブル2の上方空間から排気領域E1、E2に至るまでの雰囲気とヒータユニット7が置かれている雰囲気とを区画し、回転テーブル2の下方領域へのガスの侵入を抑えるため、リング状のカバー部材71が設けられている。このカバー部材71は、回転テーブル2の外縁部及び外縁部よりも外周側を、下方側から臨むように設けられた内側部材71aと、この内側部材71aとチャンバ1の内壁面との間に設けられた外側部材71bと、を備えている。外側部材71bは、分離領域Dにおいて凸状部4の外縁部に形成された屈曲部46の下方にて、屈曲部46と近接して設けられ、内側部材71aは、回転テーブル2の外縁部下方(及び外縁部よりも僅かに外側の部分の下方)において、ヒータユニット7を全周に亘って取り囲んでいる。
ヒータユニット7が配置されている空間よりも回転中心寄りの部位における底部14は、回転テーブル2の下面の中心部付近におけるコア部21に接近するように上方側に突出して突出部12aをなしている。この突出部12aとコア部21との間は狭い空間になっており、また底部14を貫通する回転軸22の貫通穴の内周面と回転軸22との隙間が狭くなっていて、これら狭い空間はケース体20に連通している。そしてケース体20にはパージガスであるNガスを狭い空間内に供給してパージするためのパージガス供給管72が設けられている。またチャンバ1の底部14には、ヒータユニット7の下方において周方向に所定の角度間隔で、ヒータユニット7の配置空間をパージするための複数のパージガス供給管73が設けられている(図5には一つのパージガス供給管73を示す)。また、ヒータユニット7と回転テーブル2との間には、ヒータユニット7が設けられた領域へのガスの侵入を抑えるために、外側部材71bの内周壁(内側部材71aの上面)から突出部12aの上端部との間を周方向に亘って覆う蓋部材7aが設けられている。蓋部材7aは、例えば石英で作製することができる。
また、チャンバ1の天板11の中心部には分離ガス供給管51が接続されていて、天板11とコア部21との間の空間52に分離ガスであるNガスを供給するように構成されている。この空間52に供給された分離ガスは、突出部5と回転テーブル2との狭い隙間50を介して、回転テーブル2のウエハ載置領域側の表面に沿って周縁に向けて吐出される。空間50は、分離ガスにより空間481及び空間482よりも高い圧力に維持され得る。したがって、空間50により、第1の処理領域P1に供給されるTiClガスと第2の処理領域P2に供給されるNHガスとが、中心領域Cを通って混合することが抑制される。すなわち、空間50(又は中心領域C)は、分離空間H(又は分離領域D)と同様に機能することができる。
更に、チャンバ1の側壁には、図2、図3に示すように、外部の搬送アーム10と回転テーブル2との間で基板であるウエハWの受け渡しを行うための搬送口15が形成されている。この搬送口15は、図示しないゲートバルブにより開閉される。また、ウエハ載置領域である凹部24では、この搬送口15に対向する位置で搬送アーム10との間でウエハWの受け渡しが行われる。よって、回転テーブル2の下方側において受け渡し位置に対応する部位に、凹部24を貫通してウエハWを裏面から持ち上げるための受け渡し用の昇降ピン及びその昇降機構(いずれも図示せず)が設けられている。
また、図1に示すように、本実施形態に係る成膜装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部100が設けられている。この制御部100のメモリ内には、後述する成膜方法を制御部100の制御の下に成膜装置に実施させるプログラムが格納されている。このプログラムは後述の成膜方法を実行するようにステップ群が組まれており、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの媒体102に記憶され、所定の読み取り装置により記憶部101へ読み込まれ、制御部100内にインストールされる。
(成膜方法)
次に、本発明の実施形態による成膜方法について、図6を参照しながら説明する。以下の説明では、上述の成膜装置を用いる場合を例にとる。
図6は、本発明の実施形態に係る成膜方法の処理フローを示した図である。
先ず、ステップS100において、ウエハWが回転テーブル2に載置される。具体的には、図示しないゲートバルブを開き、外部から搬送アーム10(図3)により搬送口15(図2及び図3)を介してウエハWを回転テーブル2の凹部24内に受け渡す。この受け渡しは、凹部24が搬送口15に臨む位置に停止したときに凹部24の底面の貫通孔を介してチャンバ1の底部側から不図示の昇降ピンが昇降することにより行われる。このようなウエハWの受け渡しを、回転テーブル2を間欠的に回転させて行い、回転テーブル2の5つの凹部24内に夫々ウエハWを載置する。
ステップS110では、ゲートバルブを閉じ、真空ポンプ640により到達可能真空度にまでチャンバ1内を排気した後、分離ガスノズル41、42からNガスを所定の流量で供給し、分離ガス供給管51及びパージガス供給管72、72からもNガスを所定の流量で供給する。これに伴い、圧力制御手段650(図1)によりチャンバ1内を予め設定した処理圧力に制御する。次いで、回転テーブル2を時計回りに、120rpm以上、例えば120〜240rpmの範囲内の所定の回転速度で回転させながら、ヒータユニット7によりウエハWを、例えば300℃〜610℃の範囲内の所定温度に加熱する。
ここで、回転テーブル2の回転速度は、120rpm以上、例えば120〜240rpmの範囲内の所定の回転速度に設定されるが、これは、SiO等の絶縁酸化膜を形成する場合のプロセスよりも遙かに高速の回転速度である。例えば、SiOを上述の成膜装置を用いて形成する場合には、回転テーブル2の回転速度は1〜10rpm程度の低速に設定される場合が多い。一方、TiN膜を成膜する本実施形態に係る成膜方法においては、例えば120〜240rpmと、シリコン酸化膜の成膜時よりも10倍以上の回転速度で成膜を行う。これにより、第1の処理領域P1においてウエハW上にTiClが吸着する時間、及び第2の処理領域P2においてウエハW上でTiCl分子とNH分子とが反応してTiNの分子層が形成される時間を短くすることができ、TiN膜を膜密度が比較的疎な状態で形成することができる。そして、TiN膜を所定膜厚まで形成した後、NHガスを更に供給するとともに加熱を継続し、TiN膜の膜中の隙間にNHを行き渡らせながらアニールしてTiN膜の粒径を大きくすることにより、低抵抗のTiN膜を得ることができる。
つまり、回転テーブル2の回転速度が遅いと、第1の処理領域P1で供給されてウエハW上に吸着したTiClと、第2の処理領域P2で供給されたNHの反応が、加熱によるアニールの効果を受けながら進行し、TiN膜の粒径が大きくなり過ぎてしまう。そして、この段階でTiN成膜反応はほぼ終了し、その後に膜質改善のためにNHガスを供給しても、NHはTiN膜中を通過できないため、十分な膜質改善効果が得られず、TiN膜の抵抗を十分に低下させることができないおそれがある。つまり、NHと十分反応せずに残留したTiCl分子を含んだTiN膜が成膜されてしまい、純度の高い高品質のTiN膜を形成することができず、低抵抗を実現することができないおそれがある。
図7は、TiN膜の膜厚と温度と粒径との関係の一例を示した図である。図7において、40nmの膜厚で550℃と610℃を比較すると、610℃の方の粒径が大きくなっており、100nmの膜厚で420℃と550℃を比較すると、550℃の方の粒径が大きくなっている状態が示されている。このように、一般に、温度が高い条件での成膜の方が膜を構成する分子の粒径は大きくなる。そして、粒径の大きい方が、一般には膜の抵抗値は小さくなると考えられている。
しかしながら、同じ温度条件でTiN膜を成膜した場合には、上述のように、成膜時の回転速度の相違により、TiN膜の品質に差が出てくる。
図8は、膜の隙間と粒径との関係の一例を示した図である。
図8(A)は、粒径が大きい密な膜の断面構造の一例を示した図である。図8(A)において、膜F1中に、膜F1を構成する粒子G1と、隙間S1との関係が示されている。図8(A)に示すように、粒子G1の粒径が最初から大きくなると、隙間S1は、粒子G1により塞がれてしまう。この状態では、例えば、膜質改善のためにNHガスが供給されたとしても、NHガスは粒子G1により隙間R1が塞がれているので、膜F1の内部にまで侵入することができない。つまり、大きな粒径の粒子G1が得られているが、隙間S1が大きく残るとともに、NHと未反応のTiClが残留し、膜F1の改質は必ずしも十分ではなく、低抵抗の膜が得られないおそれがある。
図8(B)は、粒径が小さい疎な膜の断面構造の一例を示した図である。図8(B)において、膜F2中に、膜F2を構成する粒子G2と、隙間S2と、侵入ルートR2との関係が示されている。粒子G2の粒径が小さく、密度が疎な膜F2においては、粒子G2間の隙間S2が大きくなり、NHガスが侵入できる侵入ルートR2が確保される。このような疎な膜F2において、外部からNHガスを供給し、更にアニール効果が出現するような加熱を行えば、NHガスは侵入ルートR2を介して膜F2中に十分に行き渡り、NHガスによる改質の効果が十分に得られ、低抵抗の膜F2が得られる。
高速回転を行って成膜処理を行えば、図8(B)に示した状態のTiN膜を成膜することができ、最終的に低抵抗のTiN膜を得ることができる。
図6の説明に戻る。図7、8で説明したように、回転テーブル2の回転を高速とし、TiClガスに曝される時間を短くすることができれば、たとえウエハWの加熱温度が高くても、成膜されるTiN膜の密度は小さく、NHが通過できる程の隙間を有した疎な膜となる。そして、TiN膜を所定膜厚まで形成した後、TiClガスの供給は停止し、NHガスの供給のみを継続するポストアンモニア処理フローを行うことにより、NHがTiN膜中に十分入り込み、この状態でアニール効果により粒径を大きくするため、低抵抗のTiN膜を形成することができる。
なお、回転テーブル2の回転速度は、ウエハWが成膜に必要な総ての反応ガスの供給を受けて1分子層を形成するための1サイクルのサイクル時間(又はサイクルタイム)に該当する。つまり、回転テーブル2の1回の回転により、ウエハWは、第1の処理領域P1、分離領域D、第2の処理領域P2及び分離領域を1回ずつ経由し、1サイクルの分子層形成反応を終了する。よって、回転テーブル2の回転速度は、ウエハW上に最低単位の分子層を形成するための1サイクルと関連しており、サイクル時間で換算することができる。具体的には、回転テーブル2を120rpmで回転させれば、1分間に120回転するということなので、60(秒)/120(回転)=0.5秒/回転となり、1サイクルのサイクル時間は0.5秒となる。同様に、回転テーブル2を240rpmで回転させれば、60(秒)/240(回転)=0.25秒/回転となり、1サイクルのサイクル時間は0.25秒となる。
かかるサイクル時間を用いれば、回転テーブル2を用いないでALD反応を行うALD装置においても本実施形態に係る成膜方法を適用することができ、例えば、チャンバ1内で、反応ノズル31、32からのガスの供給時間でプロセス管理を行うような場合には、そのサイクル時間を0.25〜0.5秒の短時間に設定することにより、本実施形態に係る成膜方法を実施することができる。但し、以後の説明においては、ウエハWを載置した回転テーブル2を回転させてALD成膜を行う方法を中心に説明する。
このように、回転テーブル2を高速で回転させ、短いサイクル時間でALD反応を行って疎なTiN膜を最初に成膜し、TiN膜中にNHを行き渡らせた状態とし、必要に応じて更にアニール効果を作用させることにより、低抵抗なTiN膜を成膜することができる。
また、本ステップでは、ウエハWの温度が設定される。ウエハWの温度は、各成膜プロセスに適合した適切な温度に設定されてよく、例えば、300〜610℃の範囲の所定温度に設定される。アニール効果は、300℃位から発生する場合が多いので、本実施形態に係る成膜方法の温度範囲は、いずれの温度であっても粒径を大きくするアニール効果を有する。ウエハWの設定温度は、上述のように、プロセスに適合した適切な温度に設定されてよいが、例えば、450〜610℃の範囲内の比較的高温に設定されてもよいし、更に高温の550〜610℃の範囲内の所定温度に設定されてもよい。TiN膜の成膜プロセスでは、ウエハWの温度は比較的高温に設定される場合が多く、例えば、550℃、580℃、600℃、610℃といった温度に設定される。本実施形態に係る成膜方法は、このような高温のプロセスに好適に適用することができる。なお、610℃は、現在の成膜装置の設定温度の限界として定めているものであり、例えば、より高温設定が可能な成膜装置が開発されれば、610℃よりも高い620〜650℃といった温度範囲にも適用は可能である。
いずれにせよ、本実施形態に係る成膜方法においては、サイクル時間を0.5秒以下に設定できれば、種々の温度範囲で成膜を行うことができる。なお、サイクル時間は、0.5秒以下の場合であっても、0秒ということはないので、0秒より大きい0.5秒以下を意味する。
ステップS120では、成膜工程が行われる。成膜工程では、反応ガスノズル31(図2及び図3)からTiClガスを供給し、反応ガスノズル32からNHガスを供給する。回転テーブル2の回転により、ウエハWは、第1の処理領域P1、分離領域D(分離空間H)、第2の処理領域P2、及び分離領域D(分離空間H)をこの順に通過していく(図3参照)。まず、第1の処理領域P1において、反応ガスノズル31からのTiClガスがウエハWに吸着する。次に、ウエハWが、Nガス雰囲気となっている分離空間H(分離領域D)を通って第2の処理領域P2に至ると、ウエハWに吸着したTiClガスが、反応ガスノズル32からのNHガスと反応し、ウエハWにTiN膜が成膜される。また、副生成物としてNHClが生成され、これが気相中に放出されて、分離ガスなどとともに排気される。そして、ウエハWは、分離領域D(Nガス雰囲気の分離空間H)へ至る。
ステップS110で詳細に説明したように、回転テーブル2の回転速度は、120rpm以上、例えば120〜240rpmの範囲内の所定の高速回転速度に設定され、サイクル時間が0.5秒以下、例えば0.25〜0.5秒の範囲内の所定時間となるように設定される。サイクル時間の短い成膜工程を行うことにより、NHが侵入できる侵入ルートR2を残した疎なTiN膜を成膜することができる。
また、ウエハWの温度は、プロセスに適した所定温度に設定されてよいが、その後の膜質改善工程も含めて成膜工程で温度を一定とする場合には、例えば、粒径を大きくするアニール効果が顕著に出てくる550〜610℃の範囲内の高温の所定温度に設定してもよい。
このような設定を行うことにより、粒径が大きくなり過ぎない密度が疎なTiN膜を成膜することが可能となる。また、回転テーブル2を高速回転させることにより、成膜の生産性も向上させることができる。
ステップS130では、反応ガスノズル31からのTiClガスと、反応ガスノズル32からのNHガスとの供給が、所定の時間行われたか否かが判定される。所定の時間は、各プロセスにおいて適切な時間を設定することができる。
ステップS130において、所定の時間が経過していない場合には、ステップS120に戻りTiN膜の成膜が継続され、経過した場合には、次のステップS140へ進む。
ステップS140では、膜質改善工程が行われる。膜質改善工程においては、回転テーブル2の回転と反応ガスノズル32からのNHガスの供給は継続され、反応ガスノズル31からのTiClガスの供給が停止される。これにより、ウエハWは、Nガス(分離ガス)とNHガスとに順番に曝されることとなる。成膜されたTiN膜中には、未反応のTiClや、TiClの分解により生じた塩素(Cl)が残存している可能性がある。TiClガスの供給を停止し、TiClと反応するNHガスを補うように供給を継続することにより、未反応のTiClがNHガスと反応してTiNが生成され、また、残存しているClがNHガスによりNHClとなって膜中から脱離する。このため、成膜されたTiN膜中の不純物が低減され、TiN膜の膜質が向上し、よって抵抗率を低下させることができる。上述のように、TiN膜には、NHガスが侵入する隙間S2及び侵入ルートR2が確保されているので、NH改質処理で十分な膜質改善及び低抵抗化が可能となる。
なお、膜質改善工程においては、NHガスを十分にTiN膜中に拡散させるべく、回転テーブル2の回転速度は成膜時のような高速回転とせず、低速回転に切り替えてもよい。例えば、膜質改善工程においては、回転テーブル2の回転速度を10〜30rpmに設定してもよい。低速回転でNHガスを供給することにより、NHガスをTiN膜中に十分供給しつつ、アニール効果を十分に発揮させることができる。
また、膜質改善工程においては、チャンバ1内の圧力も成膜時と異なっていてもよい。このように、膜質改善工程においては、成膜時と異なったプロセスレシピを用いて、膜質改善に適したフローを行うようにしてよい。
ステップS150では、反応ガスノズル32からのNHガスの供給が所定の時間行われたか否かが判定される。ここでの所定の時間は、プロセス工程で成膜するTiN膜の膜厚を考慮して適切に設定されてよいが、例えば、膜厚を5〜40nmとすべく、所定の時間を150〜600秒に設定してもよいし、膜厚を10〜40nmとすべく、所定の時間を300〜600秒に設定してもよい。
なお、膜質改善工程の時間は、膜質改善の効果を十分に発揮させるべく、成膜工程よりも長時間に設定されてもよい。
ステップS150において、所定の時間が経過していない場合には、ステップS140が継続され、経過した場合には、次のステップS160へ進む。
ステップS160においては、ステップS130の時間とステップS150の時間の総計時間が所定の時間に達したかが判定される。所定の時間に達していない場合には、ステップS120に戻り、TiNが更に成膜される。所定の時間に達した場合には、TiClガス及びNHガスの供給を停止し、成膜を終了する。
以上、説明したように、図6に示した本実施形態に係る成膜方法を実施することにより、低抵抗のTiN膜を成膜することができる。
〔実施例〕
図9は、本実施形態に係る成膜方法を実施した実施結果を示した図である。図9において、横軸が膜質改善工程におけるNH改質処理の処理時間(sec)、縦軸がTiN膜の抵抗値(Ω/cm)を示している。
また、成膜条件は、チャンバ内圧力が4Torr、TiClガスの流量が50sccm、NHの流量が15slmの条件で、ウエハ温度が550℃と610℃の場合の2通り、回転速度が120rpmと240rpmの場合の2通りの各々について、膜厚40nmの成膜を行った。また、パージガスの条件は、分離領域で供給されるNガスの流量が15slm、回転テーブルの回転軸付近で供給されるNガスの流量が10slmである。
また、膜質改善工程におけるNH改質処理については、チャンバ内圧力を9Torr、回転速度を10rpmとして行った。
図9に示すように、NH改質処理を開始し、時間が経過するにつれてTiN膜の抵抗値は減少し、低抵抗化が進む。NH改質処理の処理時間は、2400secで行った。抵抗値は、ウエハ温度610℃、回転速度240rpmの高温・高速回転のものが絶対値として最も低くなり、次にウエハ温度610℃、回転速度120rpm、更に次にウエハ温度550℃、回転速度120rpm、最後にウエハ温度550℃、回転速度240rpmであった。
次に、NH改質処理について、改質時間0〜600secにおける改質効果率(改善率)を算出した。なお、改質効果率は、NH改質処理時間0secのときの抵抗値からの減少幅を%で表している。
図10は、本実施例に係る成膜方法のNH改質処理の効果を示した図である。
図10(A)は、回転速度120rpm、240rpmにおける基板温度550℃、610℃のNH改質処理の効果を示した図である。図10(A)において、回転速度120rpmと240rpmとを比較すると、550℃、610℃のいずれにおいても、より高速回転の240rpmの方の改質効果が高くなっている。また、550℃と610℃の場合を比較すると、610℃の方の改質効果が高くなっており、高速・高温の成膜条件が最も良好な結果が得られた。
図10(B)は、本実施例に係る成膜方法における回転テーブルの回転速度240rpmと120rpmとの効果の増加比を示した図である。つまり、図10(A)において、基板温度が550℃、610℃のいずれの場合にも、回転速度が120rpmの場合より240rpmの場合の方がTiN膜の改質効果が高い結果となっているが、回転速度を120rpmから240rpmに変更することにより、TiN膜の改質効果がどれだけ増加したかの改善比を算出して示している。図10(B)において、240rpm(サイクル時間0.25sec)成膜の120rpm(0.5sec)成膜に対するNH効果増加現象は、550℃の場合も610℃の場合も同様であり、改質効果の増加幅の温度依存性は少ないという結果が得られた。
図11は、回転テーブルの回転速度とNH改質処理との関係を示した図である。図11においては、基板温度が300℃の条件で、回転テーブルの回転速度を種々変化させた。
図11(A)は、本実施例に係る成膜方法におけるNH改質処理の効果を回転速度基準で示した図である。図11(A)に示すように、本実施例に係る回転速度120rpm、240rpmで成膜されたTiN膜は、NH改質処理の効果が27.1%、28.0%と高い値であるが、比較例に係る30rpmの回転速度で成膜されたTiN膜は、20.8%と120rpm、240rpmの値と比較して低くなっている。また、図10と同様に、回転速度が120rpmよりも、240rpmのより高速の方が改質処理の効果が大きくなっている。
よって、図11(A)が示す通り、回転テーブル2を120〜240rpmの高速回転速度で回転させて成膜を行うことにより、従来のように30rpmの低速回転速度で回転させるよりも、NH改質処理の効果が大きいことが分かる。
図11(B)は、図11(A)に示した本実施例に係る成膜方法におけるNH改質処理の効果を、回転テーブルの回転速度ではなく、サイクル時間基準で示した図である。図11(A)に示すように、本実施例に係る成膜方法のサイクル時間0.50sec、0.25secで成膜されたTiN膜は、NH改質処理の効果が27.1%、28.0%と高い値であるが、比較例に係る2.00secのサイクル時間で成膜されたTiN膜は、20.8%と、サイクル時間が0.50sec、0.25secときの値と比較して低くなっている。また、サイクル時間が0.50secの場合よりも、0/25secの場合のよりサイクル時間が短い方が改質処理の効果が大きくなっている。
よって、図11(B)に示される通り、サイクル時間を0.25〜0.50secの短時間として成膜を行うことにより、従来のようにサイクル時間を2.00secと長くするよりも、NH改質処理の効果が大きいことが分かる。
このように、実施例に示したように、本実施形態に係る成膜方法によれば、NH改質処理の改質効果を十分に向上させ、低抵抗のTiNを成膜することができる。
なお、本実施形態及び実施例に係る成膜方法においては、TiN膜の成膜について本発明に係る成膜方法を適用する例を挙げて説明したが、電極等の導電性を有する膜を成膜する場合には、広く適用することができる。例えば、他の金属成分を含む第1の処理ガスと、窒素成分を含む第2の処理ガスを用いた成膜にも用いることが可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
1 チャンバ
2 回転テーブル
4 凸状部
11 天板
12 容器本体
15 搬送口
24 凹部(ウエハ載置部)
31、32 反応ガスノズル
41、42 分離ガスノズル
D 分離領域
P1 第1の処理領域
P2 第2の処理領域
H 分離空間
W ウエハ

Claims (13)

  1. チャンバ内で、基板上に互いに反応する金属を含む第1の処理ガスと窒素を含む第2の処理ガスを順次供給するとともに、該第1の処理ガスと第2の処理ガスを1回ずつ前記基板上に供給した段階を1サイクルとし、該1サイクルを繰り返すことにより前記基板上に前記第1の処理ガスと前記第2の処理ガスの反応生成物の原子層又は分子層を堆積させて成膜を行う成膜工程を有する成膜方法であって、
    前記1サイクルの時間を0.5秒以下に設定して前記成膜工程を行い、
    前記1サイクルを所定回数繰り返し、所定の膜厚の成膜を行った後、前記第1の処理ガスを供給せずに、前記第2の処理ガスを供給する膜質改善工程を所定時間行い、
    該膜質改善工程の1サイクルの時間は前記成膜工程の前記1サイクルの時間よりも長い成膜方法。
  2. 前記成膜工程の前記1サイクルの時間を、0.25〜0.5秒の範囲に設定した請求項1に記載の成膜方法。
  3. 前記基板は、前記基板を載置可能な基板載置領域を有する回転テーブル上に載置され、
    該回転テーブルの上方に、前記第1の処理ガスを供給する第1の処理領域と、前記第2の処理ガスを供給する第2の処理領域と、該第1の処理領域と該第2の処理領域とを分離する分離領域とが該回転テーブルの回転方向に沿って設けられ、
    該回転テーブルを1回転させたときに前記1サイクルを終了する請求項1又は2に記載の成膜方法。
  4. 前記成膜工程の前記1サイクルの時間が0.5秒であるときは前記回転テーブルの回転速度は120rpmであり、0.25秒であるときは前記回転テーブルの回転速度は240rpmである請求項3に記載の成膜方法。
  5. 前記分離領域では、不活性ガスが供給される請求項3又は4に記載の成膜方法。
  6. 前記膜質改善工程においては、前記回転テーブルの回転速度は10〜30rpmに設定されている請求項4に記載の成膜方法。
  7. 前記金属を含むガスはチタン含有ガスであり、
    前記窒素を含むガスはアンモニア含有ガスである請求項1乃至6のいずれか一項に記載の成膜方法。
  8. 前記チタン含有ガスはTiClであり、
    前記アンモニア含有ガスはNHである請求項7に記載の成膜方法。
  9. 前記基板は、300℃以上に加熱された請求項1乃至8のいずれか一項に記載の成膜方法。
  10. 前記基板は、550℃以上に加熱された請求項9に記載の成膜方法。
  11. 前記基板は、610℃以下に加熱された請求項9又は10に記載の成膜方法。
  12. 前記1サイクルを所定回数繰り返し、所定の膜厚の成膜を行った後、
    前記第1の処理ガスを供給せずに、前記第2の処理ガスを供給する膜質改善工程を所定時間行う請求項1乃至11のいずれか一項に記載の成膜方法。
  13. 前記膜質改善工程において、前記基板は、前記成膜工程と同一の温度で加熱される請求項1乃至12のいずれか一項に記載の成膜方法。
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