JP7273168B2 - 基板処理方法、半導体装置の製造方法、プログラム及び基板処理装置 - Google Patents
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Description
基板処理装置10は、加熱手段(加熱機構、加熱系)としてのヒータ207が設けられた処理炉202を備える。ヒータ207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。
半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、ウエハ200上に、TiN膜を形成する工程の一例について、図4を用いて説明する。TiN膜を形成する工程は、上述した基板処理装置10の処理炉202を用いて実行される。以下の説明において、基板処理装置10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。
(a)ウエハ200上に金属含有膜としてTiN膜を形成する工程と、
(b)ウエハ200に対して処理ガスを供給し、TiN膜の表面への結晶層分断膜を形成する結晶層分断膜の形成工程とTiN膜の表面における異常成長核を除去する異常成長核の除去工程のいずれか一方又は両方を行う工程と、
を交互に行って、ウエハ200上にTiN膜を複数層形成する。
複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)されると、図1に示されているように、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の下端開口を閉塞した状態となる。
処理室201内、すなわち、ウエハ200が存在する空間が所望の圧力(真空度)となるように真空ポンプ246によって真空排気される。この際、処理室201内の圧力は、圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づき、APCバルブ243がフィードバック制御される(圧力調整)。真空ポンプ246は、少なくともウエハ200に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室201内が所望の温度となるようにヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電量がフィードバック制御される(温度調整)。ヒータ207による処理室201内の加熱は、少なくともウエハ200に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
(TiCl4ガス供給、第1ステップ)
バルブ314を開き、ガス供給管310内に原料ガスであるTiCl4ガスを流す。TiCl4ガスは、MFC312により流量調整され、ノズル410のガス供給孔410aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してTiCl4ガスが供給される。このとき同時にバルブ514を開き、ガス供給管510内にN2ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管510内を流れたN2ガスは、MFC512により流量調整され、TiCl4ガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、ノズル420,430,440,450内へのTiCl4ガスの侵入を防止するために、バルブ524,534,544,554を開き、ガス供給管520,530,540,550内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管320,330,340,350、ノズル420,430,440,450を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
TiCl4ガスの供給を開始してから所定時間経過後であって例えば0.01~10秒後に、バルブ314を閉じて、TiCl4ガスの供給を停止する。このとき排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスを処理室201内から排除する。このときバルブ514,524,534,544,554は開いたままとして、N2ガスの処理室201内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、処理室201内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。
処理室201内の残留ガスを除去した後、バルブ334を開き、ガス供給管330内に、反応ガスとしてNH3ガスを流す。NH3ガスは、MFC332により流量調整され、ノズル430のガス供給孔430aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このときウエハ200に対して、NH3ガスが供給される。このとき同時にバルブ534を開き、ガス供給管530内にN2ガスを流す。ガス供給管530内を流れたN2ガスは、MFC532により流量調整される。N2ガスはNH3ガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、ノズル410,420,440,450内へのNH3ガスの侵入を防止するために、バルブ514,524,544,554を開き、ガス供給管510,520,540,550内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管310,320,340,350、ノズル410,420,440,450を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
TiN層を形成した後、バルブ334を閉じて、NH3ガスの供給を停止する。そして、上述した残留ガス除去と同様の処理手順により、処理室201内に残留する未反応もしくはTiN層の形成に寄与した後のNH3ガスや反応副生成物を処理室201内から排除する。
上記した第1ステップ~第4ステップを順に行うサイクルを所定回数(n回)行うことにより、ウエハ200上に、所定の厚さであって、例えば100Åの厚さのTiN膜を形成する。
(O2ガス供給、第5-1ステップ)
所定膜厚のTiN膜を形成した後、バルブ344を開き、ガス供給管340内に酸素含有ガスであるO2ガスを流す。O2ガスは、MFC342により流量調整され、ノズル440のガス供給孔440aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してO2ガスが供給される。このとき同時にバルブ544を開き、ガス供給管540内にN2ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管540内を流れたN2ガスは、MFC542により流量調整され、O2ガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、バルブ514,524,534,554を閉じ、ノズル410,420,430,450からのN2ガスの供給を停止する。
(残留ガス除去、第6ステップ)
O2ガスの供給を開始してから所定時間経過後にバルブ344を閉じて、O2ガスの供給を停止する。このとき排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはTiNO膜やTiO膜形成に寄与した後のO2ガスを処理室201内から排除する。このときバルブ544は開いたままとして、バルブ514,524,534,554を開いて、N2ガスの処理室201内への供給を開始する。N2ガスはパージガスとして作用し、処理室201内に残留する未反応もしくはTiNO膜やTiO膜形成に寄与した後のO2ガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。
上記した所定回数(n回)の成膜工程、O2ガス供給による結晶層分断膜形成工程及びパージ工程を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(m回))行うことにより、ウエハ200上に、結晶層分断膜としてのTiNO膜やTiO膜により分断された所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜が複数層形成された所定膜厚(例えば250Å)のTiN膜が形成される。
ガス供給管510~550のそれぞれからN2ガスを処理室201内へ供給し、排気管231から排気する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより処理室201内が不活性ガスでパージされ、処理室201内に残留するガスや副生成物が処理室201内から除去される(アフターパージ)。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。そして、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、処理済のウエハ200は、ボート217より取り出される(ウエハディスチャージ)。
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果を得ることができる。
(a)異常成長核の形成が抑制され、平坦性を有するTiN膜を形成することができる。
(b)TiN膜上に形成されるW膜の抵抗率を下げることができる。
次に、上述した実施形態の他の実施形態について詳述する。以下の実施形態では、上述の実施形態と異なる点のみ詳述する。
図5は、第2の実施形態に係る成膜シーケンスを示す図である。
本実施形態は、上述した実施形態と結晶層分断膜形成工程が異なる。具体的には、上述した基板処理装置10を用いて、上述した実施形態の結晶層分断膜形成工程におけるO2ガス供給の代わりに、シリコン含有ガスであるSiH4ガス供給を行う。
(SiH4ガス供給、第5-2ステップ)
所定膜厚のTiN膜を形成した後、バルブ324を開き、ガス供給管320内にシリコン含有ガスであるSiH4ガスを流す。SiH4ガスは、MFC322により流量調整され、ノズル420のガス供給孔420aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してSiH4ガスが供給される。このとき同時にバルブ524を開き、ガス供給管520内にN2ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管520内を流れたN2ガスは、MFC522により流量調整され、SiH4ガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、バルブ514,534,544,554を閉じ、ノズル410,430,440,450からのN2ガスの供給を停止する。
(残留ガス除去、第6ステップ)
SiH4ガスの供給を開始してから所定時間経過後にバルブ324を閉じて、SiH4ガスの供給を停止する。このとき排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはTiSiN膜形成に寄与した後のSiH4ガスを処理室201内から排除する。このときバルブ524は開いたままとして、バルブ514,534,544,554を開いて、N2ガスの処理室201内への供給を開始する。N2ガスはパージガスとして作用し、処理室201内に残留する未反応もしくはTiSiN膜形成に寄与した後のSiH4ガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。
上記した所定回数(n回)の成膜工程、SiH4ガス供給による結晶層分断膜形成工程及びパージ工程を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(m回))行うことにより、ウエハ200上に、結晶層分断膜としてのTiSiN膜により分断された所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜が複数層形成された所定膜厚(例えば250Å)のTiN膜が形成される。
図6は、第3の実施形態に係る成膜シーケンスを示す図である。
本実施形態は、上述した実施形態の結晶層分断膜形成工程におけるO2ガス供給又はSiH4ガス供給の代わりに、異常成長核の除去工程であるハロゲン含有ガスであって金属元素を含むガスであるWF6ガス供給を行う。
(WF6ガス供給、第5-3ステップ)
所定膜厚のTiN膜を形成した後、バルブ354を開き、ガス供給管350内に、ハロゲン含有ガスとしてWF6ガスを流す。WF6ガスは、MFC352により流量調整され、ノズル450のガス供給孔450aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このときウエハ200に対して、WF6ガスが供給される。このとき同時にバルブ554を開き、ガス供給管550内にN2ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管550内を流れたN2ガスは、MFC552により流量調整され、WF6ガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、バルブ514,524,534,544を閉じ、ノズル410,420,430,440からのN2ガスの供給を停止する。
(残留ガス除去、第6ステップ)
WF6ガスの供給を開始してから所定時間経過後にバルブ354を閉じて、WF6ガスの供給を停止する。このとき排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくは異常成長核の除去に寄与した後のWF6ガスや反応副生成物であるTiWFx等を処理室201内から排出する。このときバルブ554は開いたままとして、バルブ514,524,534,544を開いて、N2ガスの処理室201内への供給を開始する。N2ガスはパージガスとして作用し、処理室201内に残留する未反応もしくは異常成長核の除去に寄与した後のWF6ガスや反応副生成物であるTiWFx等を処理室201内から排出する効果を高めることができる。
上記した所定回数(n回)の成膜工程、異常成長核の除去工程及びパージ工程を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(m回))行うことにより、ウエハ200上に、異常成長核が除去され、アモルファス(非晶質)状のTiN膜により分断された所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜が複数層形成された所定膜厚(例えば250Å)のTiN膜が形成される。
図7は、第4の実施形態に係る成膜シーケンスを示す図である。
本実施形態は、上述した第3の実施形態における異常成長核の除去工程の後に、上述した結晶層分断膜形成工程を行う。すなわち、異常成長核の除去工程と結晶層分断膜形成工程の両方を行う。具体的には、上述した基板処理装置10を用いて、上述した第3の実施形態における異常成長核の除去工程であるWF6ガス供給を行った後に、上述した第2の実施形態の結晶層分断膜形成工程であるO2ガス供給又は第3の実施形態の結晶層分断膜形成工程であるSiH4ガス供給を行う。
上記した所定回数(n回)の成膜工程、異常成長核の除去工程、結晶層分断膜形成工程及びパージ工程を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(m回))行うことにより、ウエハ200上に、異常成長核が除去され、結晶層分断膜により分断された所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜が複数層形成された所定膜厚(例えば250Å)のTiN膜が形成される。
次に、本開示の本実施形態の成膜シーケンスにおける成膜工程の変形例を図8を用いて説明する。
(TiCl4ガス供給、第1ステップ)
上述した実施形態の成膜工程の第1ステップにおけるTiCl4ガス供給と同様の処理手順により、TiCl4ガスを処理室201内に供給する。このとき処理室201内に流しているガスはTiCl4ガスとN2ガスのみであり、TiCl4ガスの供給により、ウエハ200(表面の下地膜)上にTi含有層が形成される。
TiCl4ガスの供給開始から所定時間経過後であって例えば0.01~5秒後に、バルブ324を開き、ガス供給管320内に還元ガスでありシリコン含有ガスであるSiH4ガスを流す。SiH4ガスは、MFC322により流量調整され、ノズル420のガス供給孔420aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、同時にバルブ524を開き、ガス供給管520内にN2ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管520内を流れたN2ガスは、MFC522により流量調整され、SiH4ガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、ノズル430,440,450内へのTiCl4ガスとSiH4ガスの侵入を防止するために、バルブ534,544,554を開き、ガス供給管530,540,550内にN2ガスを流す。このとき、ウエハ200に対してTiCl4ガスとSiH4ガスとN2ガスが同時に供給されることとなる。すなわち少なくともTiCl4ガスとSiH4ガスとは同時に供給されるタイミングを有する。
SiH4ガスの供給を開始してから所定時間経過後であって例えば0.01~60秒後にバルブ324を閉じて、SiH4ガスの供給を停止する。このとき排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスとSiH4ガスを処理室201内から排除する。このときバルブ514,524,534,544,554は開いたままとして、N2ガスの処理室201内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、処理室201内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスとSiH4ガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。ここで、成長阻害要因であるHClがSiH4と反応し、四塩化ケイ素(SiCl4)とH2として処理室201内から排出される。
処理室201内の残留ガスを除去した後、上述した実施形態の成膜工程における第3ステップと同様の処理手順でNH3ガスを処理室201内に供給する。
NH3ガスの供給を開始してから所定時間経過後にバルブ334を閉じて、NH3ガスの供給を停止する。このとき排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、上述した実施形態の成膜工程における第4ステップと同様の処理手順により、処理室201内に残留する未反応もしくはTiN層の形成に寄与した後のNH3ガスや反応副生成物を処理室201内から排除する。
上記した第1ステップ~第4ステップを順に行うサイクルを所定回数(n回)行うことにより、ウエハ200上に、所定の厚さであって、例えば100Åの厚さのTiN膜を形成する。
図10の比較例は、上述した基板処理装置10を用いて、上述した図4の成膜工程によりウエハ200上に250Åの厚さのTiN膜を形成した場合のウエハの断面を示す。図10の実施例1は、上述した基板処理装置10を用いて、上述した図4の成膜シーケンス(100Åの厚さのTiN膜を形成する毎にO2ガス供給)によりウエハ200上に250ÅのTiN膜を形成した場合のウエハの断面を示す。図10の実施例2は、上述した基板処理装置10を用いて、上述した図5の成膜シーケンス(100Åの厚さのTiN膜を形成する毎にSiH4ガス供給)によりウエハ上に250ÅのTiN膜を形成した場合のウエハの断面を示す。図10の実施例3は、上述した基板処理装置10を用いて、上述した図6の成膜シーケンス(100Åの厚さのTiN膜を形成する毎にWF6ガス供給)によりウエハ上に250ÅのTiN膜を形成した場合のウエハの断面を示す。
121 コントローラ
200 ウエハ(基板)
201 処理室
Claims (16)
- (a)基板上に金属含有膜を形成する工程と、
(b)前記基板に対して処理ガスを供給し、前記金属含有膜の表面への結晶層分断膜の形成工程と前記金属含有膜の表面における異常成長核の除去工程のいずれか一方又は両方を行う工程と、
を交互に行って、前記基板上に前記金属含有膜を複数層形成する工程を有し、
(b)では、1サイクル毎に前記処理ガス供給時における前記基板が存在する空間の圧力を異ならせる
基板処理方法。 - (b)では、前記処理ガス供給時における前記基板が存在する空間の圧力を、サイクル数が増える毎に高くする請求項1に記載の基板処理方法。
- (b)では、前記結晶層分断膜の形成工程と、前記異常成長核の除去工程の両方を行う請求項1又は2に記載の基板処理方法。
- (b)では、前記異常成長核の除去工程を行った後に、前記結晶層分断膜の形成工程を行う請求項1乃至3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- (b)では、前記異常成長核の除去工程と、前記結晶層分断膜の形成工程と、を繰り返し行う請求項1乃至4のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- (a)では、前記基板に対して金属とハロゲンを含むガスの供給と還元ガスの供給とを所定回数行う、若しくは、前記基板に対して金属とハロゲンを含むガスの供給とシラン系ガスの供給と還元ガスの供給とを所定回数行うことにより前記基板上に前記金属含有膜を形成する請求項1乃至5のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記結晶層分断膜の形成工程では、前記処理ガスとして酸素含有ガスを供給する請求項1乃至6のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記酸素含有ガスは、酸素、オゾン、一酸化窒素又は亜酸化窒素ガスである請求項7に記載の基板処理方法。
- 前記結晶層分断膜の形成工程では、前記処理ガスとしてシリコン含有ガスを供給する請求項1乃至6のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記シリコン含有ガスは、シラン系ガスである請求項9に記載の基板処理方法。
- 前記シリコン含有ガスは、クロロシラン系のガスである請求項9に記載の基板処理方法。
- 前記異常成長核の除去工程では、前記処理ガスとしてハロゲン含有ガスを供給する請求項1乃至11のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記ハロゲン含有ガスは、三フッ化窒素、六フッ化タングステン、三フッ化塩素、フッ素、フッ化水素ガスのうち少なくともいずれか1つである請求項12に記載の基板処理方法。
- (a)基板上に金属含有膜を形成する工程と、
(b)前記基板に対して処理ガスを供給し、前記金属含有膜の表面への結晶層分断膜の形成工程と前記金属含有膜の表面における異常成長核の除去工程のいずれか一方又は両方を行う工程と、
を交互に行って、前記基板上に前記金属含有膜を複数層形成する工程を有し、
(b)では、1サイクル毎に前記処理ガス供給時における前記基板が存在する空間の圧力を異ならせる
半導体装置の製造方法。 - (a)基板上に金属含有膜を形成する手順と、
(b)前記基板に対して処理ガスを供給し、前記金属含有膜の表面への結晶層分断膜を形成する手順と前記金属含有膜の表面における異常成長核を除去する手順のいずれか一方又は両方を行う手順と、
を交互に行って、前記基板上に前記金属含有膜を複数層形成する手順と、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であって、
(b)では、1サイクル毎に前記処理ガス供給時における前記基板が存在する空間の圧力を異ならせるプログラム。 - 基板を収容する処理室と、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記ガス供給系、前記排気系を制御して、(a)前記基板上に処理ガスを供給して金属含有膜を形成する処理と、(b)前記基板に対して前記処理ガスを供給して前記金属含有膜の表面への結晶層分断膜の形成と前記金属含有膜の表面における異常成長核の除去のいずれか一方又は両方を行う処理と、を交互に行って、前記基板上に前記金属含有膜を複数層形成する処理を行い、(b)では、1サイクル毎に前記処理ガス供給時における前記基板が存在する空間の圧力を異ならせるよう制御することが可能なように構成される制御部と、
を有する基板処理装置。
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