JP6147913B2 - 半導体デバイスの製造方法、基板処理装置およびプログラム - Google Patents
半導体デバイスの製造方法、基板処理装置およびプログラム Download PDFInfo
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Description
本実施例に係る基板処理装置は、半導体装置(IC(Integrated Circuits))の製造に使用される半導体製造装置の一例として構成されているものである。下記の説明では、基板処理装置の一例として、基板に対し成膜処理等を行う縦型の装置を使用した場合について述べる。しかし、本発明は、縦型装置の使用を前提としたものでなく、例えば、枚葉装置を使用しても良い。
図1に示す通り、基板処理装置101では、基板の一例となるウエハ200を収納したカセット110が使用されており、ウエハ200はシリコン等の材料から構成されている。基板処理装置101は筐体111を備えており、筐体111の内部にはカセットステージ114が設置されている。カセット110はカセットステージ114上に工程内搬送装置(図示略)によって搬入されたり、カセットステージ114上から搬出されたりされる。
続いて、基板処理装置101の主な動作について説明する。
<処理炉の構成>
次に、上述の基板処理装置の処理炉202を用いて、半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、大規模集積回路(Large Scale IntegraWon;LSI)を製造する際などに、基板上に金属を成膜する方法の例について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ121により制御される。
本実施形態では、金属膜としてタングステン膜を基板上に形成する方法について説明する。タングステン膜を基板上にそれぞれ異なる成膜方法で形成するよう4つの工程に分ける。まず第1の成膜工程としてガスを交互に供給することで基板上に第1のタングステン膜を成膜する。次に、第2の成膜工程としてガスを混合雰囲気とすることで第1のタングステン膜上に第2のタングステン膜を成膜する。更に、第3の成膜工程として、ガスを交互に供給することで第2のタングステン膜上に第3のタングステン膜を成膜する。更に、第4の成膜工程として、ガスを混合雰囲気とすることで第3のタングステン膜上に第4のタングステン膜を成膜する。
図6(A)は本実施形態における基板処理装置に搬入されるウエハを説明するための説明図である。ウエハ200はウエハ処理面(表面)200a、ウエハ側面200b、ウエハ裏面200cを有する。図6(B)は、図6(A)の点線で囲んだ部分αを拡大した図である。図7(A)は本実施形態における基板処理方法を実施した後の基板を説明する図である。図7(B)は図7(A)の点線で囲んだ部分βを拡大した図である。
図6(A)においては説明の便宜上SiO膜601、TiN膜602が平面状の膜として記載されているが、具体的には図5(B)のようにウエハ処理面200aには極細溝611が複数形成され、SiO膜601、TiN膜602は溝611に埋め込まれている。
(ウエハチャージ工程 S110)
まず、複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)される。
複数枚のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内に搬入(ボートロード)される。この状態で、シールキャップ219はOリング220を介して反応管203の下端をシールした状態となる。
成膜プロセスでは、コントローラ121が、基板処理装置101を下記の通りに制御する。すなわち、ヒータ207を制御して処理室201内を例えば180℃〜550℃の範囲の温度であって、好適には250℃以下、より好ましくは200℃に保持する。その後、複数枚のウエハ200をボート217に装填し、ボート217を処理室201に搬入する。その後、ボート217をボート駆動機構267により回転させ、ウエハ200を回転させる。その後、真空ポンプ246を作動させるとともにAPCバルブ243を開いて処理室201内を真空引きし、ウエハ200の温度が200℃に達して温度等が安定したら、処理室201内の温度を450℃に保持した状態で後述するステップを順次実行する。
図10に、本実施形態に係る第1の成膜工程S140における第1のタングステン膜の成膜シーケンスを示す。第1のタングステン膜はシード層として用いる。ここでは、タングステンを第2の金属成分と呼ぶ。また、TiN膜601を第1金属膜と呼ぶのに対して、本工程で形成する第1のタングステン膜を第2金属膜と呼ぶ。
ステップ141では、フッ素成分を還元する性質を有するB2H6を流す。ガス供給管320にB2H6を、キャリアガス供給管520にキャリアガス(N2)を流す。ガス供給管320のバルブ324、キャリアガス供給管520のバルブ524、および排気管231のAPCバルブ243を共に開ける。キャリアガスは、キャリアガス供給管520から流れ、マスフローコントローラ522により流量調整される。B2H6は、ガス供給管320から流れ、マスフローコントローラ322により流量調整され、流量調整されたキャリアガスを混合し、ノズル420のガス供給孔420aから処理室201内に供給されつつ排気管231から排気される。B2H6を流すときは、APCバルブ243を適正に調節して処理室201内圧力を50〜1000Paの範囲であって、例えば60Paに維持する。マスフローコントローラ322で制御するB2H6の供給流量は1〜20slmである。B2H6にウエハ200を晒す時間は10〜60秒間である。このときのヒータ207の温度は、180℃〜550℃の範囲の所定の温度であって、例えば200℃になるよう設定してある。
ステップ12では、ガス供給管320のバルブ324を閉めて、B2H6の供給を止める。また、排気管231のAPCバルブ243は開いたままにし、真空ポンプ246により、処理室201を20Pa以下に排気し、残留するB2H6を処理室201から排除する。また、この時には、N2等の不活性ガスを、B2H6供給ラインであるガス供給管320およびWF6供給ラインであるガス供給管310からそれぞれ処理室201に供給してパージすると、残留B2H6を排除する効果が更に高まる。
ステップ143では、WF6を流す。具体的には、ガス供給管310にWF6を、キャリアガス供給管510にキャリアガス(N2)を流す。ガス供給管310のバルブ314、キャリアガス供給管510のバルブ514、および排気管231のAPCバルブ243を共に開ける。キャリアガスは、キャリアガス供給管510から流れ、マスフローコントローラ512により流量調整される。WF6は、ガス供給管310から流れ、マスフローコントローラ312により流量調整され、流量調整されたキャリアガスを混合し、ノズル410のガス供給孔410aから処理室201内に供給されつつ排気管231から排気される。この時、APCバルブ243を適正に調整して処理室201内の圧力を20〜50Paの範囲であって、例えば30Paに維持する。マスフローコントローラ312で制御するWF6の供給量は10〜1000sccmである。WF6にウエハ200を晒す時間は3〜30である。このときヒータ207の温度は、ウエハの温度が180〜400℃の範囲であって、例えば200℃になるよう設定してある。
ガス供給管310のバルブ314を閉めて処理室へのWF6の供給を停止し、バルブ614を開けてベントラインへWF6を流す。これによりWF6を常に安定して処理室へ供給することができる。このとき排気管231のAPCバルブ243は開いたままとし、真空ポンプ246により処理室201内を20Pa以下となるまで排気し、残留WF6を処理室201内から排除する。このときN2等の不活性ガスを処理室201内へ供給すると、更に残留WF6を排除する効果が高まる。
上記ステップ141〜144を1サイクルとし、そのサイクルを複数回(例えばX回)実施したか否かを判定する。実施した場合、第2の成膜工程S150へ移行する。実施していない場合、所定回数に到達するまでサイクルを繰り返す。
第2の成膜工程では、二種類のガスを混合して第1のタングステン膜上に第2のタングステン膜を形成する例について説明する。ここでは、TiN膜601を第1金属膜、第1のタングステン膜を第2金属膜と呼ぶのに対して、第2のタングステン膜を第3金属膜と呼ぶ。
図11に、本実施形態に係る第2の成膜工程におけるタングステン膜の成膜シーケンスを示す。第2の成膜工程によるタングステン膜の堆積は、コントローラ121が、バルブ、マスフローコントローラ、真空ポンプ等を制御して、気相反応が起こるように、反応させる複数のガスが、処理室内に同時に存在するタイミングが出来るようにWF6とH2を処理室201内に供給する。以下に、具体的な成膜シーケンスを説明する。
判定工程S152にて、予め設定された処理時間が経過したと判断すると、ガス供給管310のバルブ314及びガス供給管320のバルブ324を閉め、WF6及びH2の供給を停止する。ここで、予め設定された処理時間とは、例えば成膜レートと結晶化となる膜厚から算出し、結晶化されない膜厚に収まるような処理時間とする。所定時間を経過していない場合は、引き続きガスを供給し、膜を形成する。
結晶化されない膜厚の非晶質タングステン膜を形成する成膜処理がなされると、N2ガス等の不活性ガスが処理室201内へ供給されつつ排気されることで処理室201内が不活性ガスでパージされる(ガスパージ)。
第3の成膜工程では、二種類のガスを混合して第2のタングステン膜上に第3のタングステン膜を形成する例について説明する。ここでは、TiN膜601を第1金属膜、第1のタングステン膜を第2金属膜、第2のタングステン膜を第3金属膜と呼ぶのに対して、第3のタングステン膜を第4金属膜と呼ぶ。
上記ステップ161〜164を1サイクルとし、そのサイクルを1回以上(例えばY回)実施したか否かを判定する。実施した場合、第2の成膜工程S150へ移行する。実施していない場合、所定回数に到達するまでサイクルを繰り返す。
第2の成膜工程S150及び第3の成膜工程S160が所定回数(Z回)実施されたか否かを判定する。所定回数実施されている場合、第4の成膜工程S180を開始する。所定回数実施されていない場合、第3の成膜工程S160の成膜処理を開始する。このようにして、所望の膜厚の非晶質タングステン膜を形成する。
第4の成膜工程では、二種類のガスを混合して第3のタングステン膜上に第4のタングステン膜を形成する例について説明する。第4のタングステン膜は、電極のもっとも上部に形成される膜である。ここでは、TiN膜601を第1金属膜、第1のタングステン膜を第2金属膜、第2のタングステン膜を第3金属膜、第3のタングステン膜を第4金属膜と呼ぶのに対して、第4のタングステン膜を第4金属膜と呼ぶ。
図11に、本実施形態に係る第2の成膜工程におけるタングステン膜の成膜シーケンスを示す。第2の成膜工程によるタングステン膜の堆積は、コントローラ121が、バルブ、マスフローコントローラ、真空ポンプ等を制御して、気相反応が起こるように、反応させる複数のガスが、処理室内に同時に存在するタイミングが出来るようにWF6とH2を処理室201内に供給する。以下に、具体的な成膜シーケンスを説明する。
判定工程S152にて、予め設定された処理時間が経過したと判断すると、ガス供給管310のバルブ314及びガス供給管320のバルブ324を閉め、WF6及びH2の供給を停止する。ここで、予め設定された処理時間とは、例えば成膜レートと結晶化となる膜厚から算出し、結晶化されない膜厚に収まるような処理時間とする。所定時間を経過していない場合は、引き続きガスを供給し、膜を形成する。
結晶化されない膜厚の非晶質タングステン膜を形成する成膜処理がなされると、N2ガス等の不活性ガスが処理室201内へ供給されつつ排気されることで処理室201内が不活性ガスでパージされる(ガスパージ)。残留ガスを排出したら、基板処理を終了し、大気圧復帰工程S190に移行する。
その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降されて、反応管203の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ200がボート217に支持された状態で反応管203の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される。
その後、処理済ウエハ200はボート217より取出される(ウエハディスチャージ)。これにより1回の成膜処理(バッチ処理)が終了する。
成膜後、形成されたタングステン膜に対して、窒素雰囲気でアニール処理(加熱処理)を行うことが望ましい。アニール処理は、第2の成膜工程に引き続き、処理室201内で実施しても、他のアニール装置に基板を移動してアニール処理しても良い。ここでは、タングステン膜を形成した後、引き続き処理室201内でアニールする方法について説明する。
残留ガス除去工程S153の後、第1の成膜工程及び第2の成膜工程を所定回数実施したら、各供給系のノズルからキャリアガスとして使用していたN2ガスを処理室201内に供給し、窒素雰囲気とする。それと共に、ウエハ200の温度を600℃程度に上昇させるようヒータ207を制御し、ウエハのアニール処理を行う。
続いて比較例を説明する。
比較例では、本発明に係る実施形態と同様の装置を用いるが、基板処理方法及びそれに関する装置の制御方法が異なる。
(成膜工程)
比較例に係る成膜工程では、本実施形態と同様の基板を処理対象とし、溝611にW膜を形成することを目的とする。
ところで、比較例は本実施形態に比べ次の問題がある。
第1に抵抗値が高い点である。比較例の場合、一層ごとにB成分が含まれ、その層が所望の膜厚になるまで積層されるので、結果的に抵抗値が上昇する。従って、本実施形態と違い、電極への採用に適さない膜となってしまう。電極に用いる際には、本実施形態における基板処理方法が望ましい。
近年、歩留まり向上を目的として、従来のウエハ(例えば300mmウエハ)から大口径化(例えば450mm)が図られており、大きな基板になるほど成膜面積が増加している。成膜面積が増加するとより熱応力の影響が顕著になるため、熱応力の低下が求められている。これは、基板側面や基板裏面に限らず、バリア膜が形成されている基板処理面にも言える。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
基板処理面に少なくとも第1の金属成分が含有される第1の金属膜が形成され、それ以外の面に前記第1の金属膜が形成されていない基板を搬入する基板搬入工程と、
前記第1の金属成分と異なる成分である第2の金属成分を少なくとも含有する金属化合物と、前記金属化合物に対して反応性を有する第1の反応ガスを交互に複数回処理室に供給して、前記処理室内に載置された基板に第2の金属膜を形成する第1の成膜工程と、
前記金属化合物と、前記金属化合物に対して反応性を有する第2の反応ガスを互いに混合するよう前記処理室に供給して、前記第2の金属膜上に非晶質膜状態の第3の金属膜を形成する第2の成膜工程と、
前記金属化合物と、前記第1の反応ガスを交互に少なくとも1回供給して、前記第3の金属膜上に第4の金属膜を形成する第3の成膜工程と、
前記2の成膜工程と第3の成膜工程を交互に複数回行う工程と
前記金属化合物と、前記第2の反応ガスを互いに混合するよう前記処理室に供給して、前記第4の金属膜上に、非晶質膜状態の第5の金属膜を形成する第4の成膜工程と、
を有する半導体デバイスの製造方法。
前記第1の反応ガスと前記第2の反応ガスは異なるガス種であって、それぞれの反応ガスは少なくとも還元性の性質を有するガスである付記1記載の半導体デバイスの製造方法。
前記金属化合物は、少なくともフッ素成分を含有し、前記第1の反応ガス及び第2の反応ガスは、前記フッ素成分を還元する性質を有する付記1または2記載の半導体デバイスの製造方法。
前記成膜工程の後、前記基板を加熱する加熱工程とを有する付記1から3の内、いずれか一つに記載の半導体デバイスの製造方法。
前記第4の金属膜は、前記第3の金属膜よりも薄く形成される付記1から4の内、いずれか一つに記載の半導体デバイスの製造方法。
前記第2の金属成分はタングステンである付記1から5の内、いずれか一つに記載の半導体デバイスの製造方法。
前記第1の金属成分はチタンである付記1から6の内、いずれか一つに記載の半導体デバイスの製造方法。
基板処理面に少なくとも第1の金属成分が含有される第1の金属成分含有膜が形成され、それ以外の面に前記第1の金属成分含有膜が形成されていない基板が搬入される処理室と、
第1の成膜工程、第2の成膜工程、第3の成膜工程、第4の成膜工程を実行する際、前記処理室に前記第1の金属成分と異なる成分である第2の金属成分を少なくとも含有する金属化合物金属化合物を供給する金属化合物供給系と、
前記第1の成膜工程、前記第3の成膜工程を実行する際、前記金属化合物に対して反応性を有する第1の反応ガスを前記金属化合物と交互に前記処理室に供給する第1の反応ガス供給系と、
前記第2の成膜工程、前記第4の成膜工程を実行する際、記金属化合物に対して反応性を有する第2の反応ガスを前記金属化合物と混合させる第2の反応ガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
前記金属化合物と、前記第1の反応ガスを交互に複数回処理室に供給して、前記処理室内に載置された基板に第2の金属膜を形成する前記第1の成膜工程と、
前記金属化合物と、前記第2の反応ガスを互いに混合するよう前記処理室に供給して、前記第2の金属膜上に非晶質膜状態の第3の金属膜を形成する前記第2の成膜工程と、
前記金属化合物と前記第1の反応ガスを交互に少なくとも1回供給して、前記第3の金属膜上に第4の金属膜を形成する前記第3の成膜工程と、
前記2の成膜工程と第3の成膜工程を交互に複数回行う工程と
前記金属化合物と、前記第2の反応ガスを互いに混合するよう前記処理室に供給して、前記第4の金属膜上に、非晶質膜状態の第5の金属膜を形成する前記第4の成膜工程と、
を行うよう制御する制御部と
を有する基板処理装置。
基板処理面に少なくとも第1の金属成分が含有される第1の金属膜が形成され、それ以外の面に前記第1の金属膜が形成されていない基板を搬入する基板搬入工程と、
前記第1の金属成分と異なる成分である第2の金属成分を少なくとも含有する金属化合物と、前記金属化合物に対して反応性を有する第1の反応ガスを交互に複数回処理室に供給して、前記処理室内に載置された基板に第2の金属膜を形成する第1の成膜工程と、
前記金属化合物と、前記金属化合物に対して反応性を有する第2の反応ガスを互いに混合するよう前記処理室に供給して、前記第2の金属膜上に非晶質膜状態の第3の金属膜を形成する第2の成膜工程と、
前記金属化合物と、前記第1の反応ガスを交互に少なくとも1回供給して、前記第3の金属膜上に第4の金属膜を形成する第3の成膜工程と、
前記2の成膜工程と第3の成膜工程を交互に複数回行う工程と
前記金属化合物と、前記第2の反応ガスを互いに混合するよう前記処理室に供給して、前記第4の金属膜上に、非晶質膜状態の第5の金属膜を形成する第4の成膜工程と、
をコンピュータに実行させるプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
201 処理室
202 処理炉
203 反応管
207 ヒータ
217 ボート
218 ボート支持台
231 排気管
243 バルブ
246 真空ポンプ
267 ボート回転機構
280 コントローラ
310,320、330 ガス供給管
312,322,332 マスフローコントローラ
314,324,334 バルブ
410,420,430 ノズル
410a,420a、430a ガス供給孔
Claims (9)
- 基板処理面に少なくともチタン含有膜もしくはタンタル含有膜が形成され、それ以外の面に前記チタン含有膜もしくはタンタル含有膜が形成されていない基板に対して、タングステン含有原料と、前記タングステン含有原料に対して反応性を有する第1の反応ガスとを交互に複数回供給して、前記基板上に第1のタングステン含有膜を形成する第1の成膜工程と、
前記基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記タングステン含有原料に対して反応性を有する第2の反応ガスとを混合して供給し、前記タングステン含有膜上に非晶質膜状態の第2のタングステン含有膜を形成する第2の成膜工程と、
前記基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記第1の反応ガスとを互いに混合しないよう少なくとも1回供給して、前記第2のタングステン含有膜上に第3のタングステン含有膜を形成する第3の成膜工程と、
前記2の成膜工程と第3の成膜工程とを交互に複数回行う工程と、
前記基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記第2の反応ガスを混合して供給し、前記第3のタングステン含有膜上に、非晶質膜状態の第4のタングステン含有膜を形成する第4の成膜工程と、
順に行う工程を有する半導体デバイスの製造方法。 - 前記第1の反応ガスと前記第2の反応ガスは異なるガス種であって、それぞれの反応ガスは還元性の性質を有するガスである請求項1記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記タングステン含有原料は、フッ素元素を含有し、前記第1の反応ガス及び第2の反応ガスは、フッ素元素を還元する性質を有する請求項1または2記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第4の成膜工程の後に、前記基板を加熱する加熱工程を行う請求項1〜3のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第3の成膜工程では、前記第2のタングステン含有膜より薄い前記第3のタングステン含有膜を形成する請求項1〜4のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の金属元素はチタンである請求項1〜5のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の反応ガスはジボランであり、前記第2の反応ガスは水素である請求項6に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 基板処理面にチタン含有膜もしくはタンタル含有膜が形成され、それ以外の面に前記チタン含有膜もしくはタンタル含有膜が形成されていない基板が搬入される処理室と、
前記処理室に、タングステン含有原料を供給するタングステン含有原料供給系と、
前記処理室に、前記タングステン含有原料に対して反応性を有する第1の反応ガスを供給する第1の反応ガス供給系と、
前記処理室に、前記タングステン含有原料に対して反応性を有する第2の反応ガスを第2の反応ガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
前記タングステン含有原料供給系、前記第1の反応ガス供給系、前記第2の反応ガス供給系、前記排気系を制御して、前記処理室に収容された前記基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記第1の反応ガスとを交互に複数回処理室に供給して、前記基板上に第1のタングステン含有膜を形成する第1の成膜処理と、前記基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記第2の反応ガスとを混合して供給し、前記第1のタングステン含有膜上に非晶質膜状態の第2のタングステン含有膜を形成する第2の成膜処理と、前記基板に対して、前記タングステン含有原料と前記第1の反応ガスとを互いに混合しないよう少なくとも1回供給して、前記第2のタングステン含有膜上に第3のタングステン含有膜を形成する第3の成膜処理と、前記第2の成膜処理と前記第3の成膜処理とを交互に複数回行う処理と、前記基板に対して前記タングステン含有原料と、前記第2の反応ガスを混合して供給し、前記第3のタングステン含有膜上に、非晶質膜状態の第4のタングステン含有膜を形成する第4の成膜処理と、
を順に行うよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。 - 基板処理装置の処理室内に収容された基板であって、基板処理面に少なくともチタン含有膜もしくはタンタル含有膜が形成され、それ以外の面に前記チタン含有膜もしくはタンタル含有膜が形成されていない前記基板に対して、タングステン含有原料と、前記タングステン含有原料に対して反応性を有する第1の反応ガスとを交互に複数回供給して、前記基板上に第1のタングステン含有膜を形成する第1の成膜手順と、
前記処理室内の基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記タングステン含有原料に対して反応性を有する第2の反応ガスとを混合して供給し、前記第1のタングステン含有膜上に非晶質膜状態の第2のタングステン含有膜を形成する第2の成膜手順と、
前記処理室内の基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記第1の反応ガスとを互いに混合しないよう少なくとも1回供給して、前記第2のタングステン含有膜上に第3のタングステン含有膜を形成する第3の成膜手順と、
前記2の成膜手順と第3の成膜手順とを交互に複数回行う手順と、
前記処理室内の基板に対して、前記タングステン含有原料と、前記第2の反応ガスを混合して供給し、前記第3のタングステン含有膜上に、非晶質膜状態の第4のタングステン含有膜を形成する第4の成膜手順と、
順に行う手順をコンピュータにより基板処理装置に実行させるプログラム。
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