JPWO2002048427A1 - 薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置 - Google Patents

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Abstract

本発明はＡＬＤ法を用いた薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に関し、ＡＬＤ法による複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給する成膜に先立ち、複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理を実施し、成膜におけるインキュベーションタイムの低減及びスループットの向上を図る。

Description

技術分野
本発明は薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に係り、特に原料ガスを交互に供給することにより成膜を行なう薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に関する。
背景技術
近年の半導体集積回路の微細化，高集積化に伴い，基板（例えば半導体基板）上に形成する絶縁膜および金属配線膜等に対しては，薄膜化、複雑な形状への被覆性の良い成膜、ウエハ全体に対し巨視的に均一な成膜、ナノメートルレベルの微視的に平滑な成膜等が望まれている。しかしながら、従来の化学的気相成長法（ＣＶＤ法）では，上記した要求の内、一部の要望を満たし切れない状況にある。
一方、これらの要望を満たす成膜方法としてＡＬＤ法（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が注目されている。このＡＬＤ法は、成膜時に原料ガスを１種類ずつ交互に供給することで、原料ガスの反応表面への吸着を経由して原子層・分子層レベルで成膜を行ない、これらの工程を繰り返して所定の厚さの薄膜を得る方法である。
具体的には，第１の原料ガスを基板上に供給し、その吸着層を基板上に形成する。その後に、第２の原料ガスを基板上に供給し反応させる。この方法によれば、第１の原料ガスが基板に吸着した後第２の原料ガスと反応するため、成膜温度の低温化を図ることができる。
また、ホールに成膜するにあたっては、従来のＣＶＤ法で問題となっていたような、原料ガスがホール上部で反応消費されることによる被覆性の低下を避けることもできる。
また、吸着層の厚さは、一般に原子，分子の単層或いは多くても２，３層であるが、その温度と圧力で決定され、吸着層を作るのに必要以上の原料ガスが供給されると排出されるという自己整合性を持っているので、極薄膜の厚さを制御するのに良い。また、１回の成膜が、原子層、分子層レベルで行われるため，反応が完全に進行し易く、膜中に不純物が残留しにくくなり，好適である。
しかしながら、上述の如くＡＬＤ法は良好な膜特性を得られる反面、１回の成膜が原子層、分子層レベルで行われることに由来して、総成膜時間が長時間化する問題があった。
特に、最初の数サイクル実質的に成膜しない、潜伏期間（インキュベーションタイム）があり、スループットの深刻な低下をもたらしていた。
発明の開示
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決する、改良された薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置を提供することを総括的な目的としている。
本発明のより詳細な目的は、ＡＬＤ法のインキュベーションタイムを短くして、スループットの高い薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置を実現することである。
この目的を達成するため、本発明では、複数種の原料ガスを基板上で反応させて該基板上に薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、前記複数種の原料ガスを複数同時に供給する工程と、該工程の実施後に、前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給することにより薄膜を形成する工程とを有することを特徴とするものである。
このように、いわゆるＡＬＤ法による複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給する成膜に先立ち、複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理を実施することにより、インキュベーションタイムを短くして、スループットの向上を図ることができる。
また、上記発明において、前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給する際、反応する２種類の原料ガスの供給の間に、真空排気或いは第３種のガスによる置換を行なうことが望ましい。これにより、反応する２種類の原料ガスの供給の間において、不要な反応が生じることを防止できる。
また、上記発明において、前記原料ガスは、ＷＦ６ガス，ＮＨ３ガス，ＳｉＨ４ガスであることが望ましい。これにより、基板上にはＷＮＸの薄膜が形成される。
また、上記発明において、前記複数種の原料ガスを複数同時に供給する時間の下限は０．１ｓｅｃであり、その上限はそのガス構成において２．０ｎｍの厚さの成膜が行なわれるのと同じ時間であることが望ましい。このように設定することにより、インキュベーションタイムを有効に短縮することができる。
また本発明は、複数種の原料ガスを基板上で反応させて該基板上に薄膜を形成する薄膜の形成装置であって、前記複数種の原料ガスを複数同時に供給する手段と、前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給することにより薄膜を形成する手段と、前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給する際、反応する２種類の原料ガスの供給の間に、真空排気或いは第３種のガスによる置換を行なう手段とを設けたことを特徴とする。
上記発明に係る装置によれば、いわゆるＡＬＤ法による複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給する成膜に先立ち、複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理を実施することが可能となり、成膜に際し、インキュベーションタイムを短くして、スループットの向上を図ることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図３は、本発明の一実施例である薄膜の形成方法を実施するための薄膜の形成装置（以下、真空処理装置という）を示す概略構成図である。まず、薄膜の形成方法の説明に先立ち、薄膜形成を行なうための真空処理装置について説明する。
この真空処理装置は、ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃ、シャワーヘッド２０、シャワーヘッドヒーター２１、チャンバ３０、チャンバヒーター３１、サセプタ３２、支持部材３３、排気管４０、バルブ４１、真空ポンプ４２、及び電源５０等から構成されている。
ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃは、シャワーヘッド２０に設けられたガス流入口２２〜２４、導入通路２５，２６等を介してチャンバ３０内にガスを供給する。即ち、ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃは、チャンバ３０内で半導体ウエハＷに所定の成膜処理を施すためのガスをそれぞれ供給する。具体的には、ガス供給１０Ａは原料ガスであるＷＦ６ガスを供給し、ガス供給１０Ｂは原料ガスであるＮＨ３ガスを供給し、ガス供給１０Ｃは原料ガスであるＳｉＨ４（シラン）ガスを供給する。
シャワーヘッド２０は、チャンバ３０の上壁中央部を貫通して設置されている。本実施例では、一体化して形成された上下３段のブロック体２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃから構成されたシャワーヘッド２０を示している。このシャワーヘッド２０に設けられたガス流路２５（通路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃよりなる）には、ガス供給源１０Ａから図示しないマスフローコントローラーなどを通じて所定の流量でＷＦ６ガスが供給される。
また、シャワーヘッド２０に設けられたガス通路２６（通路２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃよりなる）には、ガス供給源１０Ｂ，１０Ｃから図示しないマスフローコントローラー等を通じて所定の流量でＮＨ３ガス及びＳｉＨ４ガスが供給される。この際、各ガス流路２５，２６は、各ガスをチャンバ３０内にほぼ均一に供給するよう構成されている。
この際、ＷＦ６を供給するガス量路２５と、ＮＨ３ガス及びＳｉＨ４ガスを供給するガス流路２６を分けた理由は、シャワーヘッド２０内におけるＷＦ６とＮＨ３或いはＳｉＨ４との反応を抑制するためである。更に、ＳｉＨ４とＮＨ３との反応を抑制する必要がある場合には、ガス流路２６をさらに分割する構成としても良い。
尚、図示しないが、シャワーヘッド２０には、前処理用および成膜用ガスを希釈するＡｒやＮ２などの不活性ガスをチャンバ３０内へ供給するためのガス流入口や流路も形成されており、このガス流入口はマスフローコントローラー等を介在させた上で不活性ガスのガス供給源に接続されている。
シャワーヘッドヒーター２１は、シャワーヘッド２０の上面に設置され、シャワーヘッド２０の温度を制御し、シャワーヘッド２０内を通過するガスの加温やＮＨ４Ｆなど低蒸気圧反応副生成物のシャワーヘッド２０への付着防止を実施している。また、チャンバ３０は、半導体ウエハＷに所定の処理を施すための処理室である。
サセプタ３２は、支持部材３３により固定されて、チャンバ３０内に設置され、図示しない搬送機構により搬入された処理対象の半導体ウエハＷを載置する。また、サセプタ３２は、半導体ウエハＷをサセプタ３２の中央へガイドするためのガイドリング３４と、半導体ウエハＷの温度を制御するためのステージヒーター３５とを内部に備えている。ステージヒーター３５は、チャンバ３０の外に設置した電源５０から電力を供給される。
排気管４０はチャンバ３０の底部に設置され、排気ガス流量を調節するバルブ４１を介して真空ポンプ４２に接続されている。真空ポンプ４２により、排気管４０を介してチャンバ３０内のガスを排気することにより、チャンバ３０内を真空ポンプ４２の排気能力と、チャンバ３０，排気管４０，バルブ４１のコンダクタンスにより定められた到達真空度に引き切るか、あるい、所定の圧力に維持することができる。
続いて、本発明者らが上記した真空処理装置を用いて実施した薄膜の形成方法について説明する。
本発明者らはＡＬＤ法による成膜方法について、例えば図１に示すようなフローチャートに従って実行して成膜を実施し、特にその成膜初期の挙動について調査した。以下、図１に示す薄膜の形成処理の各処理について説明する。
（ステップ１００）半導体ウエハＷをチャンバ３０内に搬入し、予め所定の温度例えば４５０度に加熱したサセプタ３２に載置する。
（ステップ１１０）ＡｒあるいはＮ２の不活性ガスをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を例えば４００Ｐａに保持排気して半導体ウエハＷにサセプタ３２の熱を伝熱し昇温する。
（ステップ１２０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ１３０）ＷＦ６ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばＷＦ６を分圧×時間＝４７０Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ１４０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ１５０）ＮＨ３ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばウエハＷ上に略均等にＮＨ３を４７０Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ１６０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ１７０）（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までを所定の回数繰り返す。
上記の処理を実施することにより成膜される薄膜を調査した結果、ＡＬＤ法で窒化タングステン膜（Ｗ２Ｎ膜）を形成する場合には、図２の一点鎖線Ｂに示すように、成膜初期の１０サイクルは実質的に成膜が行われないこと、即ち１０サイクルに相当するインキュベーションタイムＴが存在することがわかった。
そこで、本発明者らは、このインキュベーションタイムＴを低減するための前処理について種々検討を重ね、複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理を実施することにより、図２に実線Ａで示すように、このインキュベーションタイムＴを０として、最初の１サイクル目から成膜できることを見出した。
図４は、本発明に従って改良した薄膜の形成方法のフローチャートである。本発明では、ステップ１１０とステップ１２０の間に、ステップ１１５として複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理を実施することを特徴としている。以下、図４に示す薄膜の形成処理の各処理について説明する。尚、図４において、先に説明した図１に示した処理と同一処理については同一のステップ数を付与している。
（ステップ１００）半導体ウエハＷをチャンバ３０内に搬入し、予め所定の温度例えば４５０℃に加熱したサセプタ３２に載置する。
（ステップ１１０）ＡｒあるいはＮ２の不活性ガスをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を例えば４００Ｐａに保持排気して半導体ウエハＷにサセプタ３２の熱を伝熱し昇温する。
（ステップ１１５）若干のＡｒ、Ｎ２を混合して以下の分圧に調整したＷＦ６ガスとＮＨ３ガスを同時に７．５ｓｅｃ供給することよりなる前処理を実施する。この処理時間は、この流量構成でＷ２Ｎ膜が１ｎｍ成膜する時間に相当している。また、この際のＷＦ６ガスの分圧は０．２Ｐａ，ＮＨ３ガスの分圧は１０２Ｐａである。
（ステップ１２０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ１３０）ＷＦ６ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばＷＦ６を分圧×時間＝４７０Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ１４０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ１５０）ＮＨ３ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばウエハＷ上に略均等にＮＨ３を４７０Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ１６０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ１７０）（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までの処理を所定の回数繰り返す。
ここで、図１に示したフローチャートによる薄膜の形成方法と、図４に示した本発明による薄膜の形成方法とを比較しつつ説明目する。
図４に示した本発明に係る薄膜の形成方法に従うことなく、図１のフローチャートに従って成膜した場合には、（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までを３０サイクル繰り返した場合、最初１０サイクルは成膜せず、その後の２０サイクルにおいて１サイクルあたり０．６４ｎｍの速度で成膜したため、総膜厚としては１２．８ｎｍとなった。
一方、本発明に従って、図４のフローチャートに従って成膜した場合には、（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までを同じく３０サイクル繰り返した場合、最初の１サイクル目から成膜したため、総膜厚２０．１ｎｍとなりスループットの改善につながった。
ところで、上記した実施例においては、ＡＬＤ法によりＷ２Ｎ膜を形成する場合ＷＦ６ガスとＮＨ３ガスの供給の間で真空排気を行なう例を示した。しかるに、本発明はこの例に限定されるものではなく、真空排気を行なう代わりに、ＷＦ６ガスあるいはＮＨ３ガスを所定のガスにより押し出す、いわゆるパージ処理を実施することとしても良い。具体的には、ＷＦ６ガス或いはＮＨ３ガスの供給を停止した後、例えば５００ｓｃｃｍ以上の大流量のＡｒ，Ｎ２等の不活性ガス或いはＨ２を供給し、チャンバ３０内のＷＦ６ガス或いはＮＨ３ガスを押し出すものである。
ここで、パージガスとしてＨ２を用いることは、特にＷ２Ｎ膜を酸化させたくない場合に有効である。また、真空排気、パージ、真空排気を１つのセットとして運用しても、総成膜時間が長くなる問題はあるが、ＷＦ６ガス、あるいはＮＨ３ガスの残留を除去する効果が高くなって良い。
また、上記実施例においては、ＡＬＤ法でＷ２Ｎ膜を形成する条件として、ウエハ温度３７０℃、１サイクルのＷＦ６ガス供給、ＮＨ３ガス供給をいずれも４７０Ｐａ．ｓｅｃとし、１サイクルあたりのＷ２Ｎ膜の成膜量が約０．６から０．７ｎｍである例を示した。しかしながら、本発明者らが、このＷ２Ｎ膜の形成方法として種々検討した結果、図５、６に示すような以下の関係を見出した。
図５は、１サイクルあたり成膜厚さのウエハ温度依存性を示している。同図に示されるように、ウエハ温度が３００℃から４５０℃の範囲では１サイクルあたり成膜厚さはウエハ温度によらず一定である。しかるに、ウエハ温度が４５０℃を超えると、１サイクルあたり成膜厚さが減少する現象が発生した。この１サイクルあたり成膜厚さがウエハ温度によらず一定な領域は、反応が原料の吸着を律速過程として進んでいることを示すものであり、制御性良く、被覆性に優れた、Ｗ２Ｎ膜を得られる領域として好適である。
また、図６は、１サイクルあたり成膜厚さのＷＦ６ガスあるいはＮＨ３ガスの供給量依存性を示しており、ウエハ温度３７０℃で実験した例を示している。同図より、ガスの供給量が２００Ｐａ．ｓｅｃ以上で、１サイクルあたり成膜厚さが飽和していることが判る。この領域は、反応が原料の吸着を律速過程として進んでいることを示すものであり、制御性良く、被覆性に優れた、Ｗ２Ｎ膜を得られる領域として好適である。
また、上記実施例には、複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理（即ち、図４のステップ１１５の処理）の時間が７．５ｓｅｃである例を示した。しかしながら、この前処理の時間はこれに限られるものではない。
図４のステップ１１５で実施されるいわゆる前処理は、対象表面（ウエハの表面）を改質し、その後のＡＬＤ法による成膜時に原料ガスを吸着しやすくする効果がある。即ち、たとえ僅かな時間でも、複数種の原料ガスを複数同時に供給してできた混合体が対象表面に到達すれば改質の効果は有るので、処理時間の下限は原料ガスの混合体が対象表面に到達するのに必要な時間として０．１ｓｅｃ以上とした。
一方、前処理時間が２．０ｎｍの成膜に相当する時間を超えると、この前処理によって対象表面（ウエハの表面）に膜が形成されてしまう。よって、ＡＬＤ法により形成される膜は、前処理時に形成された膜上に形成されることとなる。
この前処理時に形成される膜は、複数種の原料ガスを複数同時に供給することにより形成される膜であるため、ＡＬＤ法により形成される膜に比べ、被覆性、平滑性、膜の純度が劣る。従って、この前処理時に形成される膜は、その上部に形成されるＡＬＤ法により形成される膜に影響を与え、ＡＬＤ法により形成される膜も被覆性、平滑性、膜の純度などの特性が劣化してしまう。よって、前処理時間が２．０ｎｍの成膜に相当する時間を超えることは好ましくない。
これに対し、前処理時間が０．１ｓｅｃから２．０ｎｍの成膜に相当する時間の範囲であれば、ＡＬＤ法における原料ガス吸着の促進効果を持ちながら、その後にＡＬＤ法により成膜される膜の膜質へ影響を与えないので好適である。
また、２．０ｎｍ以下の膜は非常に薄く、例えばＳＥＭ〈走査型電子顕微鏡〉等の手段をもってしても検知できない場合ある。しかるに、前処理による効果を実現できる膜厚は、上記のように前処理を実施する時間により管理することができる。従って、直接前処理により形成される膜厚を測定することなく、単に前処理の実施時間を管理するだけの簡単な処理で、上記した所定の効果が期待できる。
また、上記した実施例では、ＡＬＤ法による成膜において、ＷＦ６ガスとＮＨ３ガスを交互に供給しＷ２Ｎ膜を成膜する例を示したが、本発明は、これに限られるものではなく、図７のフローチャートに示すように、ＷＦ６ガス，ＮＨ３ガス，ＳｉＨ４ガス、をこの順に繰り返して供給しても良い。
この場合、ＷＦ６ガスとＳｉＨ４ガスの供給が隣り合うことにより、ＷやＷＳｉＸなどが形成され、Ｗ２Ｎ膜中にこれらが含まれる混合膜（ＷＮＸ膜）を形成することができる。ＷやＷＳｉＸはＷ２Ｎに比べて比抵抗が低いため、各ガスの供給量を変化させたり供給順に変化を持たせることにより、ＷＮＸ膜中のＷ２Ｎ及びＷＳｉＸの量を制御することができる。これにより、Ｗ２Ｎ単独膜に比べて比抵抗を低くしたり、膜中にＳｉを含有させたりすることが可能となり、任意の特性を有した薄膜の形成が可能となる。例えば、ＷＦ６，ＳｉＨ４，ＮＨ３，ＷＦ６，ＳｉＨ４の順に繰り返し供給すると、ＷＮＸ膜中のＷ２Ｎの比率が低減し、ＷとＷＳｉＸの比率が増えるので、比抵抗の低いＷＮＸ膜を得ることができる。
また、上記した実施例では、図３に示す真空処理装置を用い、複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理時も、またその後において複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給して成膜する時（ＡＬＤ法による成膜時）にも、シャワーヘッド２０を通して各ガスの供給を実施した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図８（図３と同一構成については同一符号を付す）に示すように、前処理時はシャワーヘッド２０を通じてガス供給するが、ＡＬＤ法による成膜時には、シャワーヘッド２０を介さず、側面から各ガスをチャンバ３０内に流入する構成としてもよい。
具体的な構成としては、各ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃに接続されたガス供給配管を、配管４４Ａ〜４６Ａと配管４４Ｂ〜４６Ｂに分岐し、配管４４Ａ〜４６Ａをシャワーヘッド２０に接続すると共に、配管４４Ｂ〜４６Ｂをチャンバ３０の側面に配設されたノズル４７〜４９と接続した構成とした。また、配管４４Ａ〜４６Ａには弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを配設し、配管４４Ｂ〜４６Ｂには弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを配設することにより、配管４４Ａ〜４６Ａ及び配管４４Ｂ〜４６Ｂ内を流れるガス量を制御しうる構成とした。
前処理時には、複数種の原料ガスを複数同時に供給するため、ウエハＷの表面への均一な供給のためにシャワーヘッド２０は必要である。よって、前処理時には弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを閉弁すると共に弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを開弁し、原料ガスをすることによりシャワーヘッド２０に供給する。一方、ＡＬＤ法による成膜時には、弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを閉弁すると共に弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを開弁し、原料ガスをチャンバ３０の側面から供給する。
ＡＬＤ法による成膜時には、原料ガスの吸着過程が成膜の律速となるため、ガス供給にノズル４７〜４９を用いた構成としても問題ない。ガス置換の観点からは、コンダクタンスの小さいシャワーヘッド２０よりも、構造の簡単なノズル４７〜４９の方が有利である場合もあり、好適である。
尚、上記した実施例では、ＡＬＤ法による成膜において、ＷＦ６ガスとＮＨ３ガスを交互に供給しＷ２Ｎ膜を成膜する例、及びＷＦ６ガス，ＮＨ３がス，ＳｉＨ４ガスを交互に供給しＷＮＸ膜を成膜する例を主に示してきたが、本発明はこれに限られることなく、他の金属膜や、絶縁膜の成膜にも適用できることは勿論である。
以下に、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３を交互に供給し、ＴｉＮを成膜する例について、図９を用いて説明する。
（ステップ３００）半導体ウエハＷをチャンバ３０内に搬入し、予め所定の温度例えば４５０℃に加熱したサセプタ３２に載置する。
（ステップ３１０）ＡｒあるいはＮ２をシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を例えば４００Ｐａに保持排気して半導体ウエハＷにサセプタ３２の熱を伝熱し昇温する。
（ステップ３１５）若干のＡｒ、Ｎ２を混合して以下の分圧に調整したＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを同時に１０ｓｅｃ供給することよりなる前処理を実施する。この処理時間は、この流量構成でＷＮ膜が２ｎｍ成膜する時間に相当している。
ＴｉＣｌ４分圧＝２３Ｐａ，　ＮＨ３分圧＝３０１Ｐａ
（ステップ３２０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３３０）ＴｉＣｌ４ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばＷＦ６を分圧×時間＝２６０Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ３４０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３５０）ＮＨ３ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばウエハＷ上に略均等にＮＨ３を６６５Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ３６０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３７０）（ステップ３３０）から（ステップ３６０）までを所定の回数例えば１００サイクル繰り返した場合、総膜厚として１４ｎｍを得た。
また、上記した実施例に従わず、ステップ３１５を行なわなかった場合には、（ステップ３７０）（ステップ３３０）から（ステップ３６０）までの繰り返しにおいて、最初の８サイクルは成膜が見られず、１００サイクル後の膜厚として１２．８ｎｍを得た。
以上、上記実施例においては、ＡＬＤ法によりＴｉＮ膜を形成する場合、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３の供給の間を、真空排気する例を示したが、例に縛られることなく、代わりに、ＴｉＣｌ４ガスあるいはＮＨ３ガスの供給を停止した後、例えば５００ｓｃｃｍ以上の大流量のＡｒ，Ｎ２などの不活性ガスあるいは、Ｈ２を供給し、チャンバ３０内のＴｉｃｌ４ガスあるいはＮＨ３ガスを押し出すいわゆるパージを実施しても良い。ここで、Ｈ２は、特にＷＮ膜を酸化させたくない場合に有効である。また、真空排気、パージ、真空排気を１つのセットとして運用しても、総成膜時間が長くなる問題はあるが、ＴｉＣｌ４ガス、あるいはＮＨ３ガスの残留を除去する効果が高くなって良い。
上述のように本実施例によれば、原料ガスを交互に供給することにより成膜を行なう成膜方法（ＡＬＤ法）の実施前に、複数種の原料ガスを複数同時に供給する前処理を実施することにより、原料ガスを交互に供給することにより成膜を行なう薄膜形成処理のインキュベーションタイムを短くすることができ、よってスループットの高い薄膜形成を行なうことができる。
本発明は、具体的に開示された実施例に限定されるものではなく、クレームされた本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形例や実施例が考えられる。
【図面の簡単な説明】
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより一層明瞭となるであろう。
図１は、従来のＡＬＤ法による成膜を実施するためのフローチャートである。
図２は、従来のＡＬＤ法及び本発明による極薄膜の形成方法を実施したときの原料ガス供給サイクル数と成膜厚さの関係を示すためのグラフである。
図３は、本発明による極薄膜の形成方法を実施するための真空処理装置を示す概略構成図である。
図４は、本発明の一実施例によるＷ２Ｎ薄膜の形成方法を実施すためのフローチャートである。
図５は、本発明の一実施例による薄膜の形成方法を実施したときのウエハ温度と１サイクルあたりの成膜厚さの関係を示すグラフである。
図６は、本発明の一実施例による薄膜の形成方法を実施した時のＷＦ６ガス或いはＮＨ３ガスの供給量と１サイクル当たりの成膜厚さの関係を示す図である。
図７は、本発明の一実施例による薄膜の形成方法を実施するためのフローチャートである。
図８は、本発明の一実施例による薄膜の形成方法を実施するための真空処理装置を示す概略構成図である。
図９は、本発明の一実施例によるＴｉＮ薄膜の形成方法を実施すためのフローチャートである。
【０００８】
の回数繰り返す。
ここで、図１に示したフローチャートによる薄膜の形成方法と、図４に示した本発明による薄膜の形成方法とを比較しつつ説明する。
図４に示した本発明に係る薄膜の形成方法に従うことなく、図１のフローチャートに従って成膜した場合には、（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までを３０サイクル繰り返した場合、最初１０サイクルは成膜せず、その後の２０サイクルにおいて１サイクルあたり０．６４ｎｍの速度で成膜したため、総膜厚としては１２．８ｎｍとなった。
一方、本発明に従って、図４のフローチャートに従って成膜した場合には、（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までを同じく３０サイクル繰り返した場合、最初の１サイクル目から成膜したため、総膜厚２０．１ｎｍとなりスループットの改善につながった。
ところで、上記した実施例においては、ＡＬＤ法によりＷ２Ｎ膜を形成する場合ＷＦ６ガスとＮＨ３ガスの供給の間で真空排気を行なう例を示した。しかるに、本発明はこの例に限定されるものではなく、真空排気を行なう代わりに、ＷＦ６ガスあるいはＮＨ３ガスを所定のガスにより押し出す、いわゆるパージ処理を実施することとしても良い。具体的には、ＷＦ６ガス或いはＮＨ３ガスの供給を停止した後、例えば５００ｓｃｃｍ以上の大流量のＡｒ，Ｎ２等の不活性ガス或いはＨ２を供給し、チャンバ３０内のＷＦ６ガス或いはＮＨ３ガスを押し出すものである。
ここで、パージガスとしてＨ２を用いることは、特にＷ２Ｎ膜を酸化させたくない場合に有効である。また、真空排気、パージ、真空排気を１つのセットとして運用しても、総成膜時間が長くなる問題はあるが、ＷＦ６ガス、あるいはＮＨ３ガスの残留を除去する効果が高くなって良い。
また、上記実施例においては、ＡＬＤ法でＷ２Ｎ膜を形成する条件として、ウエハ温度３７０℃、１サイクルのＷＦ６ガス供給、ＮＨ３ガス供給をいずれも４７０Ｐａ．ｓｅｃとし、１サイクルあたりのＷ２Ｎ膜の成膜量が約０．６から０．７ｎｍである例を示した。しかしながら、本発明者らが、このＷ２Ｎ膜の形成方法として種々検討した結果、図５、６に示すような以下の関係を見出した。
図５は、１サイクルあたり成膜厚さのウエハ温度依存性を示している。同図に
【００１１】
側面から各ガスをチャンバ３０内に流入する構成としてもよい。
具体的な構成としては、各ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃに接続されたガス供給配管を、配管４４Ａ〜４６Ａと配管４４Ｂ〜４６Ｂに分岐し、配管４４Ａ〜４６Ａをシャワーヘッド２０に接続すると共に、配管４４Ｂ〜４６Ｂをチャンバ３０の側面に配設されたノズル４７〜４９と接続した構成とした。また、配管４４Ａ〜４６Ａには弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを配設し、配管４４Ｂ〜４６Ｂには弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを配設することにより、配管４４Ａ〜４６Ａ及び配管４４Ｂ〜４６Ｂ内を流れるガス量を制御しうる構成とした。
前処理時には、複数種の原料ガスを複数同時に供給するため、ウエハＷの表面への均一な供給のためにシャワーヘッド２０は必要である。よって、前処理時には弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを閉弁すると共に弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを開弁し、原料ガスをすることによりシャワーヘッド２０に供給する。一方、ＭＤ法による成膜時には、弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを閉弁すると共に弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを開弁し、原料ガスをチャンバ３０の側面から供給する。
ＡＬＤ法による成膜時には、原料ガスの吸着過程が成膜の律速となるため、ガス供給にノズル４７〜４９を用いた構成としても問題ない。ガス置換の観点からは、コンダクタンスの小さいシャワーヘッド２０よりも、構造の簡単なノズル４７〜４９の方が有利である場合もあり、好適である。
尚、上記した実施例では、ＡＬＤ法による成膜において、ＷＦ６ガスとＮＨ３ガスを交互に供給しＷ２Ｎ膜を成膜する例、及びＷＦ６ガス，ＮＨ３ガス，ＳｉＨ４ガスを交互に供給しＷＮＸ膜を成膜する例を主に示してきたが、本発明はこれに限られることなく、他の金属膜や、絶縁膜の成膜にも適用できることは勿論である。
以下に、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３を交互に供給し、ＴｉＮを成膜する例について、図９を用いて説明する。
（ステップ３００）半導体ウエハＷをチャンバ３０内に搬入し、予め所定の温度例えば４５０℃に加熱したサセプタ３２に載置する。
（ステップ３１０）ＡｒあるいはＮ２をシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を例えば４００Ｐａに保持排気して半導体ウエハＷにサセプタ３２の熱を伝熱し昇温する。
【００１２】
（ステップ３１５）若干のＡｒ、Ｎ２を混合して以下の分圧に調整したＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを同時に１０ｓｅｃ供給することよりなる前処理を実施する。この処理時間は、この流量構成でＴｉＮ膜が２ｎｍ成膜する時間に相当している。
ＴｉＣｌ４分圧＝２３Ｐａ，ＮＨ３分圧＝３０１Ｐａ
（ステップ３２０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３３０）ＴｉＣｌ４ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばＴｉＣｌ４を分圧×時間＝２６０Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ３４０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３５０）ＮＨ３ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばウエハＷ上に略均等にＮＨ３を６６５Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ３６０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３７０）（ステップ３３０）から（ステップ３６０）までを所定の回数例えば１００サイクル繰り返した場合、総膜厚として１４ｎｍを得た。
また、上記した実施例に従わず、ステップ３１５を行なわなかった場合には、（ステップ３７０）（ステップ３３０）から（ステップ３６０）までの繰り返しにおいて、最初の８サイクルは成膜が見られず、１００サイクル後の膜厚として１２．８ｎｍを得た。
以上、上記実施例においては、ＡＬＤ法によりＴｉＮ膜を形成する場合、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３の供給の間を、真空排気する例を示したが、例に縛られることなく、代わりに、ＴｉＣｌ４ガスあるいはＮＨ３ガスの供給を停止した後、例えば５００ｓｃｃｍ以上の大流量のＡｒ，Ｎ２などの不活性ガスあるいは、Ｈ２を供給し、チャンバ３０内のＴｉＣｌ４ガスあるいはＮＨ３ガスを押し出すいわゆるパージを実施しても良い。ここで、Ｈ２は、特にＴｉＮ膜を酸化させたくない場合に有効である。また、真空排気、パージ、真空排気を１つのセットとして運用しても、総成膜時間が長くなる
【０００８】
の回数繰り返す。
ここで、図１に示したフローチャートによる薄膜の形成方法と、図４に示した本発明による薄膜の形成方法とを比較しつつ説明する。
図４に示した本発明に係る薄膜の形成方法に従うことなく、図１のフローチャートに従って成膜した場合には、（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までを３０サイクル繰り返した場合、最初１０サイクルは成膜せず、その後の２０サイクルにおいて１サイクルあたり０．６４ｎｍの速度で成膜したため、総膜厚としては１２．８ｎｍとなった。
一方、本発明に従って、図４のフローチャートに従って成膜した場合には、（ステップ１３０）から（ステップ１６０）までを同じく３０サイクル繰り返した場合、最初の１サイクル目から成膜したため、総膜厚２０．１ｎｍとなりスループットの改善につながった。
ところで、上記した実施例においては、ＡＬＤ法によりＷ２Ｎ膜を形成する場合ＷＦ６ガスとＮＨ３ガスの供給の間で真空排気を行なう例を示した。しかるに、本発明はこの例に限定されるものではなく、真空排気を行なう代わりに、ＷＦ６ガスあるいはＮＨ３ガスを所定のガスにより押し出す、いわゆるパージ処理を実施することとしても良い。具体的には、ＷＦ６ガス或いはＮＨ３ガスの供給を停止した後、例えば５００ｓｃｃｍ以上の大流量のＡｒ，Ｎ２等の不活性ガス或いはＨ２を供給し、チャンバ３０内のＷＦ６ガス或いはＮＨ３ガスを押し出すものである。
ここで、パージガスとしてＨ２を用いることは、特にＷ２Ｎ膜を酸化させたくない場合に有効である。また、真空排気、パージ、真空排気を１つのセットとして運用しても、総成膜時間が長くなる問題はあるが、ＷＦ６ガス、あるいはＮＨ３ガスの残留を除去する効果が高くなって良い。
また、上記実施例においては、ＡＬＤ法でＷ２Ｎ膜を形成する条件として、ウエハ温度３７０℃、１サイクルのＷＦ６ガス供給、ＮＨ３ガス供給をいずれも４７０Ｐａ．ｓｅｃとし、１サイクルあたりのＷ２Ｎ膜の成膜量が約０．６から０．７ｎｍである例を示した。しかしながら、本発明者らが、このＷ２Ｎ膜の形成方法として種々検討した結果、図５、６に示すような以下の関係を見出した。
図５は、１サイクルあたり成膜厚さのウエハ温度依存性を示している。同図に
【００１１】
側面から各ガスをチャンバ３０内に流入する構成としてもよい。
具体的な構成としては、各ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃに接続されたガス供給配管を、配管４４Ａ〜４６Ａと配管４４Ｂ〜４６Ｂに分岐し、配管４４Ａ〜４６Ａをシャワーヘッド２０に接続すると共に、配管４４Ｂ〜４６Ｂをチャンバ３０の側面に配設されたノズル４７〜４９と接続した構成とした。また、配管４４Ａ〜４６Ａには弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを配設し、配管４４Ｂ〜４６Ｂには弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを配設することにより、配管４４Ａ〜４６Ａ及び配管４４Ｂ〜４６Ｂ内を流れるガス量を制御しうる構成とした。
前処理時には、複数種の原料ガスを複数同時に供給するため、ウエハＷの表面への均一な供給のためにシャワーヘッド２０は必要である。よって、前処理時には弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを閉弁すると共に弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを開弁し、原料ガスをすることによりシャワーヘッド２０に供給する。一方、ＡＬＤ法による成膜時には、弁装置４４Ｃ〜４６Ｃを閉弁すると共に弁装置４４Ｄ〜４６Ｄを開弁し、原料ガスをチャンバ３０の側面から供給する。
ＡＬＤ法による成膜時には、原料ガスの吸着過程が成膜の律速となるため、ガス供給にノズル４７〜４９を用いた構成としても問題ない。ガス置換の観点からは、コンダクタンスの小さいシャワーヘッド２０よりも、構造の簡単なノズル４７〜４９の方が有利である場合もあり、好適である。
尚、上記した実施例では、ＡＬＤ法による成膜において、ＷＦ６ガスとＮＨ３ガスを交互に供給しＷ２Ｎ膜を成膜する例、及びＷＦ６ガス，ＮＨ３ガス，ＳｉＨ４ガスを交互に供給しＷＮＸ膜を成膜する例を主に示してきたが、本発明はこれに限られることなく、他の金属膜や、絶縁膜の成膜にも適用できることは勿論である。
以下に、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３を交互に供給し、ＴｉＮを成膜する例について、図９を用いて説明する。
（ステップ３００）半導体ウエハＷをチャンバ３０内に搬入し、予め所定の温度例えば４５０℃に加熱したサセプタ３２に載置する。
（ステップ３１０）ＡｒあるいはＮ２をシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を例えば４００Ｐａに保持排気して半導体ウエハＷにサセプタ３２の熱を伝熱し昇温する。
【００１２】
（ステップ３１５）若干のＡｒ、Ｎ２を混合して以下の分圧に調整したＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを同時に１０ｓｅｃ供給することよりなる前処理を実施する。この処理時間は、この流量構成でＴｉＮ膜が２ｎｍ成膜する時間に相当している。
ＴｉＣｌ４分圧＝２３Ｐａ，　ＮＨ３分圧＝３０１Ｐａ
（ステップ３２０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３３０）ＴｉＣｌ４ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばＴｉＣｌ４を分圧×時間＝２６０Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ３４０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３５０）ＮＨ３ガスに若干のＡｒ、Ｎ２を混合したものをシャワーヘッド２０へ供給しつつ、チャンバ３０を所定の圧力に保持排気して、例えばウエハＷ上に略均等にＮＨ３を６６５Ｐａ．ｓｅｃとなるように供給する。
（ステップ３６０）ガス供給を停止して、チャンバ３０を例えば２０Ｐａ以下まで真空排気する。
（ステップ３７０）（ステップ３３０）から（ステップ３６０）までを所定の回数例えば１００サイクル繰り返した場合、総膜厚として１４ｎｍを得た。
また、上記した実施例に従わず、ステップ３１５を行なわなかった場合には、（ステップ３７０）（ステップ３３０）から（ステップ３６０）までの繰り返しにおいて、最初の８サイクルは成膜が見られず、１００サイクル後の膜厚として１２．８ｎｍを得た。
以上、上記実施例においては、ＡＬＤ法によりＴｉＮ膜を形成する場合、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３の供給の間を、真空排気する例を示したが、例に縛られることなく、代わりに、ＴｉＣｌ４ガスあるいはＮＨ３ガスの供給を停止した後、例えば５００ｓｃｃｍ以上の大流量のＡｒ，Ｎ２などの不活性ガスあるいは、Ｈ２を供給し、チャンバ３０内のＴｉＣｌ４ガスあるいはＮＨ３ガスを押し出すいわゆるパージを実施しても良い。ここで、Ｈ２は、特にＴｉＮ膜を酸化させたくない場合に有効である。また、真空排気、パージ、真空排気を１つのセットとして運用しても、総成膜時間が長くなる

Claims (7)

  1. 複数種の原料ガスを基板上で反応させて該基板上に薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
    前記複数種の原料ガスを複数同時に供給する工程と、
    該工程の実施後に、前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給することにより薄膜を形成する工程と
    を有することを特徴とする薄膜の形成方法。
  2. 請求項１記載の薄膜の形成方法において、
    前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給する際、反応する２種類の原料ガスの供給の間に、真空排気或いは第３種のガスによる置換を行なうことを特徴とする薄膜の形成方法。
  3. 請求項１記載の薄膜の形成方法において、
    前記原料ガスは、ＷＦ６ガス、ＮＨ３ガス、ＳｉＨ４ガスであることを特徴とする薄膜の形成方法。
  4. 請求項２記載の薄膜の形成方法において、
    前記原料ガスは、ＷＦ６ガス、ＮＨ３ガス、ＳｉＨ４ガスであることを特徴とする薄膜の形成方法。
  5. 請求項３に記載の薄膜の形成方法において、
    前記複数種の原料ガスを複数同時に供給する時間の下限は０．１ｓｅｃであり、その上限はそのガス構成において２．０ｎｍの厚さの成膜が行なわれるのと同じ時間であることを特徴とする薄膜の形成方法。
  6. 請求項４に記載の薄膜の形成方法において、
    前記複数種の原料ガスを複数同時に供給する時間の下限は０．１ｓｅｃであり、その上限はそのガス構成において２．０ｎｍの厚さの成膜が行なわれるのと同じ時間であることを特徴とする薄膜の形成方法。
  7. 複数種の原料ガスを基板上で反応させて該基板上に薄膜を形成する薄膜の形成装置であって、
    前記複数種の原料ガスを複数同時に供給する手段と、
    前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給することにより薄膜を形成する手段と
    前記複数種の原料ガスを１種類ずつ複数回にわたり供給する際、反応する２種類の原料ガスの供給の間に、真空排気或いは第３種のガスによる置換を行なう手段と、
    を設けてなることを特徴とする薄膜の形成装置。
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