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

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 Download PDF

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Description

本開示は、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に関する。
3次元構造を持つNAND型フラッシュメモリやDRAMのワードラインとして例えば低抵抗なタングステン(W)膜が用いられている。また、このW膜と絶縁膜との間にバリア膜として例えば、窒化チタン(TiN)膜が設けられることがある(例えば特許文献1及び特許文献2参照)。TiN膜は、W膜と絶縁膜の密着性を高める役割を有し、このTiN膜上にW膜を成長させる核形成膜が形成されることがある。
特開2011-66263号公報 国際公開第2019/058608号パンフレット
しかし、W膜を形成する溝の埋め込み幅が微細となっており、TiN膜が平坦でないとW膜の体積が減少し、W膜の低抵抗化が難しくなる。
本開示は、平坦性を有する膜を形成することが可能な技術を提供することを目的とする。
本開示の一態様によれば、基板上に金属含有膜を形成する工程と、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技術が提供される。
本開示によれば、平坦性を有する膜を形成することができる。
本開示の一実施形態における基板処理装置の縦型処理炉の概略を示す縦断面図である。 図1におけるA-A線概略横断面図である。 本開示の一実施形態における基板処理装置のコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系をブロック図で示す図である。 本開示の第1の実施形態における成膜シーケンスを示す図である。 本開示の第2の実施形態における成膜シーケンスを示す図である。 本開示の第3の実施形態における成膜シーケンスを示す図である。 本開示の第4の実施形態における成膜シーケンスを示す図である。 本開示の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示す図である。 (A)及び(B)は、本開示の他の実施形態における基板処理装置の処理炉の概略を示す縦断面図である。 比較例及び実施例1~3において基板上に形成されたTiN膜の断面を比較して示す図である。
以下、図1~4を参照しながら説明する。
(1)基板処理装置の構成
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。
ヒータ207の内側には、ヒータ207と同心円状に反応容器(処理容器)を構成するアウタチューブ203が配設されている。アウタチューブ203は、例えば石英(SiO2)、炭化シリコン(SiC)などの耐熱性材料で構成され、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。アウタチューブ203の下方には、アウタチューブ203と同心円状に、マニホールド(インレットフランジ)209が配設されている。マニホールド209は、例えばステンレス(SUS)などの金属で構成され、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209の上端部と、アウタチューブ203との間には、シール部材としてのOリング220aが設けられている。マニホールド209がヒータベースに支持されることにより、アウタチューブ203は垂直に据え付けられた状態となる。
アウタチューブ203の内側には、反応容器を構成するインナチューブ204が配設されている。インナチューブ204は、例えば石英(SiO2)、炭化シリコン(SiC)などの耐熱性材料で構成され、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。主に、アウタチューブ203と、インナチューブ204と、マニホールド209とにより処理容器(反応容器)が構成されている。処理容器の筒中空部(インナチューブ204の内側)には処理室201が形成されている。
処理室201は、基板としてのウエハ200を後述するボート217によって水平姿勢で鉛直方向に多段に配列した状態で収容可能に構成されている。
処理室201内には、ノズル410,420,430,440,450がマニホールド209の側壁及びインナチューブ204を貫通するように設けられている。ノズル410,420,430,440,450には、ガス供給管310,320,330,340,350が、それぞれ接続されている。ただし、本実施形態の処理炉202は上述の形態に限定されない。
ガス供給管310,320,330,340,350には上流側から順に流量制御器(流量制御部)であるマスフローコントローラ(MFC)312,322,332,342,352がそれぞれ設けられている。また、ガス供給管310,320,330,340,350には、開閉弁であるバルブ314,324,334,344,354がそれぞれ設けられている。ガス供給管310,320,330,340,350のバルブ314,324,334,344,354の下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管510,520,530,540,550がそれぞれ接続されている。ガス供給管510,520,530,540,550には、上流側から順に、流量制御器(流量制御部)であるMFC512,522,532,542,552及び開閉弁であるバルブ514,524,534,544,554がそれぞれ設けられている。
ガス供給管310,320,330,340,350の先端部にはノズル410,420,430,440,450がそれぞれ連結接続されている。ノズル410,420,430,440,450は、L字型のノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド209の側壁及びインナチューブ204を貫通するように設けられている。ノズル410,420,430,440,450の垂直部は、インナチューブ204の径方向外向きに突出し、かつ鉛直方向に延在するように形成されているチャンネル形状(溝形状)の予備室201aの内部に設けられており、予備室201a内にてインナチューブ204の内壁に沿って上方(ウエハ200の配列方向上方)に向かって設けられている。
ノズル410,420,430,440,450は、処理室201の下部領域から処理室201の上部領域まで延在するように設けられており、ウエハ200と対向する位置にそれぞれ複数のガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aが設けられている。これにより、ノズル410,420,430,440,450のガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aからそれぞれウエハ200に処理ガスを供給する。このガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aは、インナチューブ204の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。ただし、ガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aは上述の形態に限定されない。例えば、インナチューブ204の下部から上部に向かって開口面積を徐々に大きくしてもよい。これにより、ガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aから供給されるガスの流量をより均一化することが可能となる。
ノズル410,420,430,440,450のガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aは、後述するボート217の下部から上部までの高さの位置に複数設けられている。そのため、ノズル410,420,430,440,450のガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aから処理室201内に供給された処理ガスは、ボート217の下部から上部までに収容されたウエハ200の全域に供給される。ノズル410,420,430,440,450は、処理室201の下部領域から上部領域まで延在するように設けられていればよいが、ボート217の天井付近まで延在するように設けられていることが好ましい。
ガス供給管310からは、処理ガスとして、金属元素を含む原料ガス(金属含有ガス)が、MFC312、バルブ314、ノズル410を介して処理室201内に供給される。原料としては、例えば金属元素としてのチタン(Ti)を含み、ハロゲン系原料(ハロゲン化物、ハロゲン系チタン原料)としての四塩化チタン(TiCl4)が用いられる。
ガス供給管320からは、処理ガスとして、シリコン含有ガスが、MFC322、バルブ324、ノズル420を介して処理室201内に供給される。シリコン含有ガスとしては、例えばシラン系ガス又はクロロシラン系ガスを用いることができる。シラン系ガスとしては、シラン(SiH4)系のガスを用いることができる。また、クロロシラン系ガスとしては、ヘキサクロロジシラン(Si2Cl6)系のガスを用いることができる。ここでシラン系のガスやクロロシラン系のガスとは、上記ガスのSi、H、Clの数が異なるガスである。
ガス供給管330からは、処理ガスとして、反応ガスが、MFC332、バルブ334、ノズル430を介して処理室201内に供給される。反応ガスとしては、例えば窒素(N)を含むN含有ガスとしての例えばアンモニア(NH3)ガスを用いることができる。
ガス供給管340からは、処理ガスとして、酸素含有ガスが、MFC342、バルブ344、ノズル440を介して処理室201内に供給される。酸素含有ガスとしては、例えば酸素(O2)ガス、オゾン(O3)ガス、一酸化窒素(NO)ガス又は亜酸化窒素(N2O)ガス等を用いることができる。
ガス供給管350からは、処理ガスとして、ハロゲン含有ガスが、MFC352、バルブ354、ノズル450を介して処理室201内に供給される。ハロゲン含有ガスは、例えば金属元素を含むガスであって、例えば六フッ化タングステン(WF6)ガス等が用いられる。ハロゲン含有ガスとしては、三フッ化窒素(NF3)ガス、三フッ化塩素(ClF3)ガス、フッ素(F2)ガス、フッ化水素(HF)ガス等を用いてもよい。
ガス供給管510,520,530,540,550からは、不活性ガスとして、例えば窒素(N2)ガスが、それぞれMFC512,522,532,542,552、バルブ514,524,534,544,554、ノズル410,420,430,440,450を介して処理室201内に供給される。以下、不活性ガスとしてN2ガスを用いる例について説明するが、不活性ガスとしては、N2ガス以外に、例えば、アルゴン(Ar)ガス、ヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、キセノン(Xe)ガス等の希ガスを用いてもよい。
主に、ガス供給管310,320,330,340,350、MFC312,322,332,342,352、バルブ314,324,334,344,354、ノズル410,420,430,440,450により処理ガス供給系が構成されるが、ノズル410,420,430,440,450のみを処理ガス供給系と考えてもよい。処理ガス供給系は単にガス供給系と称してもよい。ガス供給管310から原料ガスを流す場合、主に、ガス供給管310、MFC312、バルブ314により原料ガス供給系が構成されるが、ノズル410を原料ガス供給系に含めて考えてもよい。また、ガス供給管320からシリコン含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管320、MFC322、バルブ324によりシリコン含有ガス供給系が構成されるが、ノズル420をシリコン含有ガス供給系に含めて考えてもよい。また、ガス供給管330から反応ガスを流す場合、主に、ガス供給管330、MFC332、バルブ334により反応ガス供給系が構成されるが、ノズル430を反応ガス供給系に含めて考えてもよい。ガス供給管330から反応ガスとして窒素含有ガスを供給する場合、反応ガス供給系を窒素含有ガス供給系と称することもできる。また、ガス供給管340から酸素含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管340、MFC342、バルブ344により酸素含有ガス供給系が構成されるが、ノズル440を酸素含有ガス供給系に含めて考えてもよい。また、ガス供給管350からハロゲン含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管350、MFC352、バルブ354によりハロゲン含有ガス供給系が構成されるが、ノズル450をハロゲン含有ガス供給系に含めて考えてもよい。また、主に、ガス供給管510,520,530,540,550、MFC512,522,532,542,552、バルブ514,524,534,544,554により不活性ガス供給系が構成される。
本実施形態におけるガス供給の方法は、インナチューブ204の内壁と、複数枚のウエハ200の端部とで定義される円環状の縦長の空間内の予備室201a内に配置したノズル410,420,430,440,450を経由してガスを搬送している。そして、ノズル410,420,430,440,450のウエハと対向する位置に設けられた複数のガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aからインナチューブ204内にガスを噴出させている。より詳細には、ノズル410のガス供給孔410a、ノズル420のガス供給孔420a、ノズル430のガス供給孔430a、ノズル440のガス供給孔440a、ノズル450のガス供給孔450aにより、ウエハ200の表面と平行方向に向かって原料ガス等を噴出させている。
排気孔(排気口)204aは、インナチューブ204の側壁であってノズル410,420,430,440,450に対向した位置に形成された貫通孔であり、例えば、鉛直方向に細長く開設されたスリット状の貫通孔である。ノズル410,420,430,440,450のガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aから処理室201内に供給され、ウエハ200の表面上を流れたガスは、排気孔204aを介してインナチューブ204とアウタチューブ203との間に形成された隙間からなる排気路206内に流れる。そして、排気路206内へと流れたガスは、排気管231内に流れ、処理炉202外へと排出される。
排気孔204aは、複数のウエハ200と対向する位置に設けられており、ガス供給孔410a,420a,430a,440a,450aから処理室201内のウエハ200の近傍に供給されたガスは、水平方向に向かって流れた後、排気孔204aを介して排気路206内へと流れる。排気孔204aはスリット状の貫通孔として構成される場合に限らず、複数個の孔により構成されていてもよい。
マニホールド209には、処理室201内の雰囲気を排気する排気管231が設けられている。排気管231には、上流側から順に、処理室201内の圧力を検出する圧力検出器(圧力検出部)としての圧力センサ245,APC(Auto Pressure Controller)バルブ243,真空排気装置としての真空ポンプ246が接続されている。APCバルブ243は、真空ポンプ246を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室201内の真空排気及び真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ246を作動させた状態で弁開度を調節することで、処理室201内の圧力を調整することができる。主に、排気孔204a,排気路206,排気管231,APCバルブ243及び圧力センサ245により、排気系が構成される。真空ポンプ246を排気系に含めて考えてもよい。
マニホールド209の下方には、マニホールド209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219が設けられている。シールキャップ219は、マニホールド209の下端に鉛直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ219は、例えばSUS等の金属で構成され、円盤状に形成されている。シールキャップ219の上面には、マニホールド209の下端と当接するシール部材としてのOリング220bが設けられている。シールキャップ219における処理室201の反対側には、ウエハ200を収容するボート217を回転させる回転機構267が設置されている。回転機構267の回転軸255は、シールキャップ219を貫通してボート217に接続されている。回転機構267は、ボート217を回転させることでウエハ200を回転させるように構成されている。シールキャップ219は、アウタチューブ203の外部に垂直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ115によって鉛直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ115は、シールキャップ219を昇降させることで、ボート217を処理室201内外に搬入及び搬出することが可能なように構成されている。ボートエレベータ115は、ボート217及びボート217に収容されたウエハ200を、処理室201内外に搬送する搬送装置(搬送機構)として構成されている。
基板支持具としてのボート217は、複数枚、例えば25~200枚のウエハ200を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で鉛直方向に間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート217は、例えば石英やSiC等の耐熱性材料で構成される。ボート217の下部には、例えば石英やSiC等の耐熱性材料で構成される断熱板218が水平姿勢で多段(図示せず)に支持されている。この構成により、ヒータ207からの熱がシールキャップ219側に伝わりにくくなっている。ただし、本実施形態は上述の形態に限定されない。例えば、ボート217の下部に断熱板218を設けずに、石英やSiC等の耐熱性材料で構成される筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
図2に示すように、インナチューブ204内には温度検出器としての温度センサ263が設置されており、温度センサ263により検出された温度情報に基づきヒータ207への通電量を調整することで、処理室201内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ263は、ノズル410,420,430,440,450と同様にL字型に構成されており、インナチューブ204の内壁に沿って設けられている。
図3に示すように、制御部(制御手段)であるコントローラ121は、CPU(Central Processing Unit)121a,RAM(Random Access Memory)121b,記憶装置121c,I/Oポート121dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM121b,記憶装置121c,I/Oポート121dは、内部バスを介して、CPU121a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121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122が接続されている。
記憶装置121cは、例えばフラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)等で構成されている。記憶装置121c内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラム、後述する半導体装置の製造方法の手順や条件などが記載されたプロセスレシピなどが、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する半導体装置の製造方法における各工程(各ステップ)をコントローラ121に実行させ、所定の結果を得ることができ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、制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、プロセスレシピ及び制御プログラムの組み合わせを含む場合がある。RAM121bは、CPU121a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121dは、上述のMFC312,322,332,342,352,512,522,532,542,552、バルブ314,324,334,344,354,514,524,534,544,554、圧力センサ245、APCバルブ243、真空ポンプ246、ヒータ207、温度センサ263、回転機構267、ボートエレベータ115等に接続されている。
CPU121aは、記憶装置121c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122からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置121cからレシピ等を読み出すように構成されている。CPU121aは、読み出したレシピの内容に沿うように、MFC312,322,332,342,352,512,522,532,542,552による各種ガスの流量調整動作、バルブ314,324,334,344,354,514,524,534,544,554の開閉動作、APCバルブ243の開閉動作及びAPCバルブ243による圧力センサ245に基づく圧力調整動作、温度センサ263に基づくヒータ207の温度調整動作、真空ポンプ246の起動及び停止、回転機構267によるボート217の回転及び回転速度調節動作、ボートエレベータ115によるボート217の昇降動作、ボート217へのウエハ200の収容動作等を制御するように構成されている。
コントローラ121は、外部記憶装置(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)123に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置121cや外部記憶装置123は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体は、記憶装置121c単体のみを含む場合、外部記憶装置123単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置123を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
(2)基板処理工程
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。
本実施形態による基板処理工程(半導体装置の製造工程)では、
(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。
また、結晶層分断膜の形成工程では、処理ガスとして酸素含有ガスであるO2ガスを供給し、1サイクル毎にO2ガス供給時の圧力を異ならせる、又は、シリコン含有ガスであるSiH4ガスを供給する。
また、異常成長核の除去工程では、処理ガスとして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ガスを供給する。
ここで、TiN膜を形成する際、TiNの結晶成長とともに異常成長核が成長する。本実施形態においては、所定膜厚のTiN膜を形成する毎に、TiN膜表面に結晶層分断膜を形成することにより、TiN膜の結晶成長を止めることができる。これにより、異常成長核の成長が止まり、TiN膜表面が平坦化される。また、所定膜厚のTiN膜を形成する毎に、TiN膜表面に形成された異常成長核を除去(エッチング)することにより、TiN膜表面が平坦化される。この際、TiN膜の表面もエッチングされることとなる。なお、TiNの結晶成長とは、TiNの結晶粒の成長も意味する場合がある。TiN膜の成膜過程では、通常、複数の結晶(結晶粒)が成長する。この複数の結晶の中には、異常成長する核が形成されることがある。
本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体」を意味する場合がある。本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面」を意味する場合がある。本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
(ウエハ搬入)
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。
(圧力調整および温度調整)
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。
[成膜工程]
(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。
このときAPCバルブ243を調整して、処理室201内の圧力を、例えば1~3990Paの範囲内の圧力とする。MFC312で制御するTiCl4ガスの供給流量は、例えば0.1~2.0slmの範囲内の流量とする。MFC512,522,532,542,552で制御するN2ガスの供給流量は、それぞれ例えば0.1~20slmの範囲内の流量とする。このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が、例えば300~500℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。
このとき処理室201内に流しているガスはTiCl4ガスとN2ガスのみである。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。Ti含有層は、Clを含むTi層であってもよいし、TiCl4の吸着層であってもよいし、それらの両方を含んでいてもよい。
(残留ガス除去、第2ステップ)
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。
(NH3ガス供給、第3ステップ)
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。
このときAPCバルブ243を調整して、処理室201内の圧力を、例えば1~3990Paの範囲内の圧力とする。MFC332で制御するNH3ガスの供給流量は、例えば0.1~30slmの範囲内の流量とする。MFC512,522,532,542,552で制御するN2ガスの供給流量は、それぞれ例えば0.1~30slmの範囲内の流量とする。NH3ガスをウエハ200に対して供給する時間は、例えば0.01~30秒の範囲内の時間とする。このときのヒータ207の温度は、TiCl4ガス供給ステップと同様の温度に設定する。
このとき処理室201内に流しているガスは、NH3ガスとN2ガスのみである。NH3ガスは、第1ステップでウエハ200上に形成されたTi含有層の少なくとも一部と置換反応する。置換反応の際には、Ti含有層に含まれるTiとNH3ガスに含まれるNとが結合して、ウエハ200上にTiN層が形成される。
(残留ガス除去、第4ステップ)
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。
(所定回数実施)
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。
[結晶層分断膜形成工程]
(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。
このときAPCバルブ243を調整して、処理室201内の圧力を、例えば0.1~3990Paの範囲内の圧力であって、本ステップを行う毎に異なる圧力とする。なお、MFC342で制御するO2ガスの供給流量は、例えば0.1~10slmの範囲内の流量とする。MFC542で制御するN2ガスの供給流量は、例えば0.1~20slmの範囲内の流量とする。このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が、成膜工程時の温度である成膜温度と同じ例えば300~500℃の範囲内の温度を一定に保つように設定する。なお、本工程における温度を成膜温度と異なるように設定してもよい。
このとき処理室201内に流しているガスはO2ガスである。O2ガスの供給により、ウエハ200(表面の下地膜)上のTiN膜が酸化されて膜中に酸素原子が拡散され、結晶性が変化される。これによりTiN膜の表面に結晶層分断膜としての酸窒化チタン(TiNO)膜や酸化チタン(TiO)膜が形成され、TiN膜表面が平坦化される。
なお、このときの圧力は、このような圧力よりも大気圧に近い圧力に調整しても良い。大気圧に近づけることで、O2ガス分子と処理対象の膜(ここではTiN膜)との接触確率を向上させることができ、処理対象の膜表面の酸素吸着率を向上させることが可能となる。即ち、酸化処理の均一性を向上させることが可能となる。
[パージ工程]
(残留ガス除去、第6ステップ)
2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。
[所定回数実施]
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。
上述したように、結晶層分断膜形成工程(第5-1ステップ)のO2ガス供給時における圧力は、1サイクル毎に異なるように制御される。具体的には、上述したO2ガス供給時における圧力は、サイクル数が増える毎に高くなるように制御される。また、上述したO2ガス供給時における圧力は、目標膜厚が250ÅのTiN膜を形成する場合に、250Åの厚さのTiN膜が形成された後に行う最後のO2ガス供給時の圧力よりも小さくなるように制御される。処理室201内の圧力が高い方がTiN膜表面が酸化されやすい。このため、最後のO2ガス供給時の圧力(例えば大気圧に近い圧力)よりも小さくし、サイクル数が増える毎に高くなるように制御することで、TiN膜表面を再酸化する。
(アフターパージおよび大気圧復帰)
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)。
(ウエハ搬出)
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)。
すなわち、本実施形態によれば、ウエハ200上に所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜を形成する毎に、TiN膜表面に結晶層分断膜の形成を行う。これにより、TiN膜の表面が酸化され、結晶性が変化されて、結晶成長が抑制され、その結果、異常成長核の形成が抑制され、所定膜厚(例えば250Å)の平坦化されたTiN膜が形成される。すなわち、TiN膜の表面に形成されるW膜を低抵抗化することが可能となる。
(3)本実施形態による効果
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。
(4)他の実施形態
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。
(第2の実施形態)
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。
[結晶層分断膜形成工程]
(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。
このときAPCバルブ243を調整して、処理室201内の圧力を、例えば0.1~3990Paの範囲内の圧力とする。MFC322で制御するSiH4ガスの供給流量は、例えば0.1~10slmの範囲内の流量とする。MFC522で制御するN2ガスの供給流量は、例えば0.1~20slmの範囲内の流量とする。このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が、成膜工程時の温度である成膜温度と同じ例えば300~500℃の範囲内の温度を一定に保つように設定する。なお、本工程における温度を成膜温度と異なるように設定してもよい。
このとき処理室201内に流しているガスはSiH4ガスである。SiH4ガスの供給により、TiN膜の表面に結晶層分断膜としての窒化珪化チタン(TiSiN)膜が形成され、TiN膜表面が平坦化される。
[パージ工程]
(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。
[所定回数実施]
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。
すなわち、本実施形態によれば、ウエハ200上に所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜を形成する毎に、TiN膜表面に結晶層分断膜の形成を行う。これにより、TiN膜表面の結晶を分断させることができ、TiN膜の結晶成長が抑制され、その結果、異常成長核の形成が抑制され、所定膜厚(例えば250Å)の平坦化されたTiN膜が形成される。すなわち、TiN膜の表面に形成されるW膜を低抵抗化することが可能となる。
(第3の実施形態)
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。
[異常成長核の除去工程]
(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。
このときAPCバルブ243を調整して、処理室201内の圧力を、例えば0.1~6650Paの範囲内の圧力とする。MFC352で制御するWF6ガスの供給流量は、例えば0.01~10slmの範囲内の流量とする。MFC552で制御するN2ガスの供給流量は、例えば0.1~30slmの範囲内の流量とする。WF6ガスをウエハ200に対して供給する時間は、例えば0.01~30秒の範囲内の時間とする。このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が、成膜工程時の温度である成膜温度と同じ例えば300~500℃の範囲内の温度を一定に保つように設定する。なお、本工程における温度を成膜温度と異なるように設定してもよい。
このとき処理室201内に流しているガスは、WF6ガスである。WF6ガスの供給により、ウエハ200上のTiN膜の表面に形成された異常成長核が除去(エッチング)され、TiN膜表面が平坦化される。
[パージ工程]
(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。
[所定回数実施]
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。
すなわち、本実施形態によれば、ウエハ200上に所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜を形成する毎に、TiN膜表面に形成された異常成長核の除去(エッチング)を行う。これにより、TiN膜表面に生成された異常成長核が除去され、所定膜厚(例えば250Å)の平坦化されたTiN膜が形成される。すなわち、TiN膜の表面に形成されるW膜を低抵抗化することが可能となる。
(第4の実施形態)
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。
[所定回数実施]
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。
すなわち、本実施形態によれば、ウエハ200上に所定膜厚(例えば100Å)のTiN膜を形成する毎に、異常成長核の除去と結晶層分断膜の形成を行う。これにより、TiN膜表面に生成された異常成長核が除去された後に、TiN膜表面の結晶成長が抑制され、異常成長核の形成が抑制されて、所定膜厚(例えば250Å)の平坦化されたTiN膜が形成される。すなわち、TiN膜の表面に形成されるW膜を低抵抗化することが可能となる。
(変形例)
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。
本変形例は、上述した実施形態における成膜シーケンスと成膜工程が異なる。具体的には、上述した実施形態の成膜工程における第1ステップにおいてTiCl4ガス供給中にSiH4ガス供給を行う。
[成膜工程]
(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。
(SiH4ガス供給)
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。
このときAPCバルブ243を調整して、処理室201内の圧力を、例えば130~3990Paの範囲内の圧力とする。処理室201内の圧力が130Paより低いと、SiH4ガスに含まれるSiがTi含有層に進入し、成膜されるTiN膜に含まれる膜中のSi含有率が高くなってTiSiN膜となってしまう可能性がある。処理室201内の圧力が3990Paより高い場合も同様に、SiH4ガスに含まれるSiがTi含有層に進入し、成膜されるTiN膜に含まれる膜中のSi含有率が高くなってTiSiN膜となってしまう可能性がある。このように、処理室201内の圧力は低すぎても高すぎても、成膜される膜の元素組成が変化してしまう。MFC322で制御するSiH4ガスの供給流量は、例えば0.1~5slmの範囲内の流量とする。MFC512,522,532,542,552で制御するN2ガスの供給流量は、それぞれ例えば0.01~20slmの範囲内の流量とする。このときヒータ207の温度は、TiCl4ガス供給ステップと同様の温度に設定する。
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、ガス供給管310のバルブ314を閉じて、TiCl4ガスの供給を停止する。このとき、ノズル410内へのSiH4ガスの侵入を防止するために、バルブ514を開いたままとして、ガス供給管510,530,540,550内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管310,330,340,350、ノズル410,430,440,450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。このとき、ウエハ200に対してSiH4ガスとN2ガスが供給されることとなる。
(残留ガス除去、第2ステップ)
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。
(NH3ガス供給、第3ステップ)
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。
(残留ガス除去、第4ステップ)
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。
(所定回数実施)
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。
そして、本変形例においても、上述した実施形態と同様に結晶層分断膜形成工程と異常成長核の除去工程のいずれか又は両方を行う工程を行うことにより、図4~図7に示す成膜シーケンスと同様の効果が得られる。
なお、上記実施形態では、TiN膜の形成工程を例に説明したが、TiN膜以外の金属膜にも適用することができる。例えば、金属元素としては、W、Ta、Ru、Mo、Zr、Hf、Al、Si、Ge、Ga等又は、これら元素と同族の元素や遷移金属がある。これら元素単体の膜や、これら金属と窒素との化合物膜(窒化膜)、これら金属と酸素との化合物膜(酸化膜)等にも適用することが可能である。なお、これらの膜を形成する際には、上述のハロゲン含有ガスや、ハロゲン元素、アミノ基、シクロペンタ基、酸素(O)、の少なくともいずれかを含むガスを用いることができる。
なお、上記実施形態では、結晶層分断膜形成工程で用いる酸素含有ガスとしてO2ガスを用いる場合を用いて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、O3ガス、NOガス、N2Oガス等の酸素含有ガスを用いる場合に適用可能である。また、酸素含有ガスを用いる結晶層分断膜形成工程では、酸素原子をTiN膜中に拡散させる必要があるため、水素原子を含む水蒸気(H2O)よりもO2ガス、O3ガス、NOガス、N2Oガス等の酸素含有ガスが好ましい。
なお、上記実施形態では、結晶分断膜形成工程の処理として、酸素含有ガスを用いた酸化処理について説明したがこれに限るものでは無い。例えば、窒素含有ガスを用いて、窒化処理を行うことにより、結晶を分断させることもできる。窒素含有ガスとしては、例えば、アンモニア(NH3)ガス、窒素(N2)ガスと水素(H2)ガス等を用いることができる。また、これらガスの活性種であっても良い。
また、上記実施形態では、結晶層分断膜形成工程で用いるシリコン含有ガスとしてSiH4ガスを用いる場合を用いて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、シラン系ガス又はヘキサクロロジシラン(Si2Cl6)ガス等のクロロシラン系のガスを用いる場合に適用可能である。
また、上記実施形態では、異常成長核の除去工程で用いるハロゲン含有ガスとしてハロゲン元素と金属元素を含むガスとしてWF6ガスを用いる場合を用いて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、金属元素を含まないハロゲン含有ガスを用いる場合にも適用可能である。金属元素を含まないハロゲン含有ガスとしては、例えば、NF3ガス、ClF3ガス、F2ガス、HFガス等がある。なお、ハロゲン元素は、Cl、F、Br等であり、金属元素は、W、Ti、Ta、Mo、Zr、Hf、Al、Si、Ge、Ga等がある。これらの元素を含むガスに適用可能である。なお、ハロゲン含有ガスには、更に酸素(O)元素を含むガスであっても良い。例えば、MoO2Cl2、MoOCl4等がある。
また、上述の実施の形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置である基板処理装置を用いて成膜する例について説明したが、本開示はこれに限定されず、一度に1枚または数枚の基板を処理する枚葉式の基板処理装置を用いて成膜する場合にも、好適に適用できる。
例えば、図9(A)に示す処理炉302を備えた基板処理装置を用いて膜を形成する場合にも、本開示は好適に適用できる。処理炉302は、処理室301を形成する処理容器303と、処理室301内にガスをシャワー状に供給するシャワーヘッド303sと、1枚または数枚のウエハ200を水平姿勢で支持する支持台317と、支持台317を下方から支持する回転軸355と、支持台317に設けられたヒータ307と、を備えている。シャワーヘッド303sのインレット(ガス導入口)には、上述の原料ガスを供給するガス供給ポート332aと、上述の反応ガスを供給するガス供給ポート332bと、上述の酸素含有ガス、シリコン含有ガス又はハロゲン含有ガスを供給するガス供給ポート332cが接続されている。ガス供給ポート332aには、上述の実施形態の原料ガス供給系と同様の原料ガス供給系が接続されている。ガス供給ポート332bには、上述の実施形態の反応ガス供給系と同様の反応ガス供給系が接続されている。ガス供給ポート332cには、上述の酸素含有ガス、シリコン含有ガス又はハロゲン含有ガス供給系と同様のガス供給系が接続されている。シャワーヘッド303sのアウトレット(ガス排出口)には、処理室301内にガスをシャワー状に供給するガス分散板が設けられている。処理容器303には、処理室301内を排気する排気ポート331が設けられている。排気ポート331には、上述の実施形態の排気系と同様の排気系が接続されている。
また例えば、図9(B)に示す処理炉402を備えた基板処理装置を用いて膜を形成する場合にも、本開示は好適に適用できる。処理炉402は、処理室401を形成する処理容器403と、1枚または数枚のウエハ200を水平姿勢で支持する支持台417と、支持台417を下方から支持する回転軸455と、処理容器403のウエハ200に向けて光照射を行うランプヒータ407と、ランプヒータ407の光を透過させる石英窓403wと、を備えている。処理容器403には、上述の原料ガスを供給するガス供給ポート432aと、上述の反応ガスを供給するガス供給ポート432bと、上述の酸素含有ガス、シリコン含有ガス又はハロゲン含有ガスを供給するガス供給ポート432cが接続されている。ガス供給ポート432aには、上述の実施形態の原料ガス供給系と同様の原料ガス供給系が接続されている。ガス供給ポート432bには、上述の実施形態の反応ガス供給系と同様の反応ガス供給系が接続されている。ガス供給ポート432cには、上述の実施形態の酸素含有ガス、シリコン含有ガス又はハロゲン含有ガス供給系と同様のガス供給系が接続されている。処理容器403には、処理室401内を排気する排気ポート431が設けられている。排気ポート431には、上述の実施形態の排気系と同様の排気系が接続されている。
これらの基板処理装置を用いる場合においても、上述の実施形態と同様なシーケンス、処理条件にて成膜を行うことができる。
これらの各種薄膜の形成に用いられるプロセスレシピ(処理手順や処理条件等が記載されたプログラム)は、基板処理の内容(形成する薄膜の膜種、組成比、膜質、膜厚、処理手順、処理条件等)に応じて、それぞれ個別に用意する(複数用意する)ことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理の内容に応じて、複数のプロセスレシピの中から、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。具体的には、基板処理の内容に応じて個別に用意された複数のプロセスレシピを、電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体(外部記憶装置123)を介して、基板処理装置が備える記憶装置121c内に予め格納(インストール)しておくことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理装置が備えるCPU121aが、記憶装置121c内に格納された複数のプロセスレシピの中から、基板処理の内容に応じて、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。このように構成することで、1台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の薄膜を汎用的に、かつ、再現性よく形成できるようになる。また、オペレータの操作負担(処理手順や処理条件等の入力負担等)を低減でき、操作ミスを回避しつつ、基板処理を迅速に開始できるようになる。
また、本開示は、例えば、既存の基板処理装置のプロセスレシピを変更することでも実現できる。プロセスレシピを変更する場合は、本開示に係るプロセスレシピを電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体を介して既存の基板処理装置にインストールしたり、また、既存の基板処理装置の入出力装置を操作し、そのプロセスレシピ自体を本開示に係るプロセスレシピに変更したりすることも可能である。
また、本開示は、例えば、3次元構造を持つNAND型フラッシュメモリやDRAM等のワードライン部分に用いることができる。
以上、本開示の種々の典型的な実施形態を説明してきたが、本開示はそれらの実施形態に限定されず、適宜組み合わせて用いることもできる。
(4)実施例
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。
そして、比較例及び実施例1~3それぞれに形成されたTiN膜の断面を、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy)を用いて観測した。図10に示すように、比較例におけるTiN膜の表面には、異常成長核が確認された。この比較例におけるTiN膜の二乗平均粗さ(Rms)は、1.62nm、最大高低差(Rmax)は、25.7nmだった。一方、実施例1におけるTiN膜の表面は平坦化されているのが確認された。このTiN膜は3層のTiN膜が積層され、TiN膜間にはそれぞれ結晶分断膜が形成されていることが確認された。この実施例1におけるTiN膜の二乗平均粗さ(Rms)は、0.91nm、最大高低差(Rmax)は、9.79nmだった。また、実施例2におけるTiN膜の表面は平坦化されているのが確認された。このTiN膜は3層のTiN膜が積層され、TiN膜間にはそれぞれ結晶分断膜が形成されていることが確認された。この実施例2におけるTiN膜の二乗平均粗さ(Rms)は、0.80nm、最大高低差(Rmax)は、9.56nmだった。また、実施例3におけるTiN膜の表面は平坦化されているのが確認された。このTiN膜はアモルファス(非晶質)状のTiN膜により分断された3層のTiN膜が積層されているのが確認された。この実施例3におけるTiN膜の二乗平均粗さ(Rms)は、1.00nm、最大高低差(Rmax)は、11.3nmだった。
つまり、ウエハ200上にTiN膜の成膜工程を行なって100Åの厚さのTiN膜を形成する毎に、ウエハ200上に結晶層分断膜の形成工程と異常成長核の除去工程のいずれか又は両方を行なうことにより、250Åの厚さの平坦性を有するTiN膜を形成することができることが確認された。
10 基板処理装置
121 コントローラ
200 ウエハ(基板)
201 処理室

Claims (16)

  1. (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。
  2. (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に記載の基板処理方法。
  3. (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。
  4. (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乃至のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  5. (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乃至のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  6. (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乃至のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  7. 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乃至のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  8. 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に記載の基板処理方法。
  9. 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乃至のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  10. 前記シリコン含有ガスは、シラン系ガスである請求項に記載の基板処理方法。
  11. 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に記載の基板処理方法。
  12. 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。
  13. 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。
  14. (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。
  15. (a)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
  16. 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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