JP7372336B2 - 基板処理方法、プログラム、基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - 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、例えばゲート電極を構成する金属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。金属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。
表面に金属含有膜であるTiN膜が形成されたウエハ200を準備する工程と、TiN膜が形成されたウエハ200に対して、ハロゲン含有ガスであるWF6ガスをパルス供給することにより、TiN膜をスリミングするスリミング工程と、を有する。ここで、スリミングとは、金属含有膜をエッチングして薄くすることを意味する。
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(例えば40Åより厚い膜厚)の膜連続性を有するTiN膜を形成する。
(O2ガス供給、第5ステップ)
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。
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層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層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。
処理室201内の残留ガスを除去した後、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。
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。
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WF6ガスや反応副生成物であるTiWFxOy等を処理室201内から排出する。
上記した第5ステップ~第8ステップ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上のTiNO層がエッチングされ、所定の厚さ(例えば5~40Å未満)のTiN膜が形成される。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。
上記した成膜工程(第1ステップ~第4ステップ)とスリミング工程(第5ステップ~第8ステップ)を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(l回))行うことにより、ウエハ200上に所定の厚さの膜連続性を有するTiN膜が形成される。なお、成膜工程を複数回行ってTiN膜を一括して成膜してからスリミング工程を行ってもよい。
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)。
図5(A)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15ÅのTiN膜を形成した場合を示す模式図であり、図5(B)及び図5(C)は、上述した基板処理装置10を用いて、上述した図4の成膜工程とスリミング工程によりウエハ200上に15ÅのTiN膜を形成した場合を示す模式図である。
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)膜連続性を有するTiN膜を形成することができる。
(b)W膜と絶縁膜の密着性を高めることができる。
(c)W膜中に含まれるフッ素(F)が絶縁膜へ拡散することを防止することができる。
(d)抵抗率を下げることができる。
変形例1は、上述した実施形態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。図6は、本実施形態に適用される変形例1の成膜工程におけるガス供給のタイミングを示す図である。以下の変形例では、上述の実施形態と異なる点のみ詳述する。
(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(例えば40Åより厚い膜厚)の膜連続性を有するTiN膜を形成する。
変形例2は、上述した実施形態とスリミング工程が異なる。具体的には、上述した実施形態のスリミング工程における第5ステップのO2ガス供給と、第6ステップの残留ガス除去を行わない。図7は、本実施形態に適用される変形例2のスリミング工程におけるガス供給のタイミングを示す図である。
処理室201内の残留ガスを除去した後、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。
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。
そして、上述したスリミング工程における第8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。
上記した第7ステップ及び第8ステップ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上のTiN層がエッチングされ、所定の厚さ(例えば5~40Å未満)のTiN膜が形成される。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。
変形例3は、上述した実施形態とスリミング工程が異なる。具体的には、上述した図4に示す成膜シーケンスのスリミング工程における第5ステップのO2ガスの供給と第7ステップのWF6ガスの供給を重なるように行う。図8は、本実施形態に適用される変形例3のスリミング工程におけるガス供給のタイミングを示す図である。
理条件とすることができる。
121 コントローラ
200 ウエハ(基板)
201 処理室
Claims (11)
- 絶縁膜が形成された基板に、膜連続性が生じる厚さになるまで金属含有膜を形成する工程と、
前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することなく、金属元素を含むハロゲン含有ガスをパルス供給することにより、前記金属含有膜を所定の厚さとなるまでスリミングして膜連続性を有する薄膜を形成する工程と、
を有する基板処理方法。 - 前記ハロゲン含有ガスは、六フッ化タングステンガスである請求項1に記載の基板処理方法。
- 前記金属元素は、タングステンであり、前記ハロゲンは、フッ素である請求項1記載の基板処理方法。
- 前記薄膜を形成する工程前に、金属とハロゲンを含むガスの供給と窒素含有ガスの供給とを所定回数行う、若しくは、金属とハロゲンを含むガス供給とシラン系ガスの供給と窒素含有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として金属窒化膜を形成する工程を有する請求項1乃至3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記金属含有膜は、金属窒化膜を含む請求項1乃至3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記金属含有膜は、金属酸化膜を含む請求項1乃至3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記金属含有膜は、金属単体膜を含む請求項1乃至3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記金属含有膜を形成する工程では、前記金属含有膜を40Åより厚い膜厚で形成し、
前記薄膜を形成する工程では、前記金属含有膜を5~40Å未満の膜厚になるまでスリミングする
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の基板処理方法。 - 絶縁膜が形成された基板に、膜連続性が生じる厚さになるまで金属含有膜を形成させる手順と、
前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することなく、金属元素を含むハロゲン含有ガスをパルス供給することにより、前記金属含有膜を所定の厚さとなるまでスリミングして膜連続性を有する薄膜を形成させる手順と、
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。 - 基板にガスを供給するガス供給系と、
前記基板が配置される空間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、絶縁膜が形成された基板に、膜連続性が生じる厚さになるまで金属含有膜を形成する処理と、前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することなく、金属元素を含むハロゲン含有ガスをパルス供給することにより、前記金属含有膜を所定の厚さとなるまでスリミングして膜連続性を有する薄膜を形成する処理と、を行わ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。 - 絶縁膜が形成された基板に、膜連続性が生じる厚さになるまで金属含有膜を形成する工程と、
前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することなく、金属元素を含むハロゲン含有ガスをパルス供給することにより、前記金属含有膜を所定の厚さとなるまでスリミングして膜連続性を有する薄膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
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