JPWO2019058608A1 - 半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
処理室内の基板に対して、金属含有ガスと、シリコンおよび水素を含み、ハロゲンを含まない還元ガスと、を同時に供給するタイミングを有し、少なくとも前記還元ガスを供給する間の前記処理室内の圧力を130Pa以上3990Pa未満の範囲内の値とする第1の工程と、
前記処理室内に残留する前記金属含有ガスおよび前記還元ガスを除去する第2の工程と、
前記基板に対して、窒素含有ガスを供給する第3の工程と、
前記処理室内に残留する前記窒素含有ガスを除去する第4の工程と、
を順次繰り返して、前記基板上に、シリコン原子を実質的に含まない金属窒化膜を形成する技術が提供される。
以下、図1〜4を参照しながら説明する。
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。
処理室201内のウエハ200に対して、金属含有ガスであるTiCl4ガスと、SiおよびHを含み、ハロゲンを含まない還元ガスであるSiH4ガスと、を同時に供給するタイミングを有し、少なくともSiH4ガスを供給する間の処理室201内の圧力を130Pa以上3990Pa未満の範囲内の値とする第1の工程と、
処理室201内に残留するTiCl4ガスおよびSiH4ガスを除去する第2の工程と、
ウエハ200に対して、窒素含有ガスであるNH3ガスを供給する第3の工程と、
処理室201内に残留するNH3ガスを除去する第4の工程と、
を順次繰り返して、ウエハ200上に、Si原子を実質的に含まないTiN膜を形成する。
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)
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内へのTiCl4ガスの侵入を防止するために、バルブ524,534を開き、ガス供給管520,530内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管320,330、ノズル420,430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を開き、ガス供給管530内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管330、ノズル430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。
(残留ガス除去)
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、好ましくは0.1〜30秒後、より好ましくは1〜20秒後にバルブ324を閉じて、SiH4ガスの供給を停止する。つまり、SiH4ガスをウエハ200に対して供給する時間は、例えば0.01〜60秒、好ましくは0.1〜30秒、より好ましくは1〜20秒の範囲内の時間とする。SiH4ガスをウエハ200に対して供給する時間を0.01秒より短くすると、成長阻害要因であるHClが十分にSiH4ガスにより還元されずTi含有層に残留してしまう可能性がある。SiH4ガスをウエハ200に対して供給する時間を60秒より長くすると、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。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)
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内へのNH3ガスの侵入を防止するために、バルブ514,524を開き、ガス供給管510,520内にN2ガスを流す。N2ガスは、ガス供給管310,320、ノズル410,420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。
(残留ガス除去)
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、上述した第2の工程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の工程〜第4の工程を順に行うサイクルを1回以上(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0.5〜5.0nm)のTiN膜を形成する。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。
ガス供給管510,520,530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)成膜中に発生し、成膜速度を低下させるHClを効率よく排出でき、成膜速度を上げることができる。
(b)抵抗率を下げることができる。
(c)耐酸化性を向上させる。
上述した第1の実施形態の変形例では、図5に示すように、上述した第1の工程において、TiCl4ガス供給と同時にSiH4ガス供給を開始し、TiCl4ガス供給を停止してからSiH4ガス供給を停止する点のみ異なり、第2の工程〜第4の工程は上述した第1の実施形態と同様であって、本変形例においても、図4に示す成膜シーケンスと同様の効果が得られる。上述した第1の実施形態及び変形例では、TiCl4ガス供給とSiH4ガス供給を同時に行った後に、TiCl4ガス供給を停止してからSiH4ガスを連続供給した後に停止する構成について説明したが、これに限らず、TiCl4ガス供給とSiH4ガス供給を同時に行った後に、同時にガス供給を停止して残留ガスを除去するようにしてもよい。ただし、上述した第1の実施形態及び変形例のTiCl4ガス供給を停止してからSiH4ガスを連続供給した後に停止する構成の方がSi濃度が低下する。これは、反応副生成物であるHClがウエハ表面に吸着する時間を与えず、SiH4と反応してSiCl4という形で排出されるためである。
図6は、本実施形態に適用される第2の実施形態におけるガス供給のタイミングを示す図である。以下の実施形態では、ガス供給のタイミングについてのみ詳述する。
(TiCl4ガス供給)
第1の実施形態の第1の工程におけるTiCl4ガス供給ステップ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。
(残留ガス除去)
Ti含有層を形成した後、第1の実施形態における第2の工程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。
(NH3ガス供給)
処理室201内の残留ガスを除去した後、第1の実施形態におけるNH3ガス供給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。
このとき、同時にバルブ324を開き、第1の実施形態におけるSiH4ガス供給ステップと同様の処理手順でSiH4ガスを処理室201内に供給する。なお、このとき、ノズル410内へのNH3ガスとSiH4ガスの侵入を防止するために、バルブ514を開き、ガス供給管510内にN2ガスを流す点が第1の実施形態におけるSiH4ガス供給ステップとは異なる。N2ガスは、ガス供給管310、ノズル410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NH3ガスとN2ガスが供給されることとなる。このときNH3ガスは、第1の工程でウエハ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TiとNとを含むTiN層が形成される。
(残留ガス除去)
TiN層を形成し、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、上述した第2の工程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。ここで、成長阻害要因であるHClがSiH4と反応し、SiCl4とH2として処理室201内から排出される。
上記した第1の工程〜第4の工程を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(n回))行うことにより、ウエハ200上に、所定の厚さのTiN層を形成する。
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)HClとNH3の反応によるNH4Clの形成を抑制することができる。
上述した第2の実施形態の変形例では、図7に示すように、上述した第3の工程において、NH3ガスの供給開始から所定時間経過後に還元ガスであるSiH4ガスの供給を開始し、NH3ガスの供給を停止してからSiH4ガスの供給を停止する点のみ異なり、第1の工程、第2の工程及び第4の工程は上述した第2の実施形態と同様であって、本変形例においても、図6に示す成膜シーケンスと同様の効果が得られる。
図8は、本発明の第3の実施形態におけるガス供給のタイミングを示す図である。
(TiCl4ガス供給)
第1の実施形態の第1の工程におけるTiCl4ガス供給ステップ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)
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、同時にバルブ324を開き、第1の実施形態の第1の工程におけるSiH4ガス供給ステップと同様の処理手順により、ガス供給管320内に還元ガスであるSiH4ガスを流す。すなわち、TiCl4ガス供給とSiH4ガス供給を連続して行う。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)
バルブ324を閉じて、SiH4ガスの供給を停止する。つまり、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、SiCl4とH2として処理室201内から排出される。
(NH3ガス供給)
処理室201内の残留ガスを除去した後、第1の実施形態の第3の工程におけるNH3ガス供給ステップと同様の処理手順により、ガス供給管330内に、反応ガスとしてN含有ガスであるNH3ガスを流す。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の工程でウエハ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TiとNとを含むTiN層が形成される。
(残留ガス除去)
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、上述した第3の工程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の工程〜第5の工程を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(n回))行うことにより、ウエハ200上に、所定の厚さのTiN層を形成する。
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)TiCl4ガス供給後に発生したHClがSiH4と反応し、反応管外へ排出される。
上述した第3の実施形態の変形例では、図9に示すように、上述した第3の実施形態のTiCl4ガスを供給する第1の工程と、SiH4ガスを供給する第2の工程の間に処理室201内の残留ガスを除去する工程を有する点のみ異なる。本変形例においても、図8に示す成膜シーケンスと同様の効果が得られる。
図10は、本発明の第4の実施形態におけるガス供給のタイミングを示す図である。
(TiCl4ガス供給)
バルブ314を開き、第1の実施形態の第1の工程におけるTiCl4ガス供給ステップ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。
(残留ガス除去)
第1の実施形態の第2の工程における残留ガス除去ステップと同様の処理手順で、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。
(NH3ガス供給)
第1の実施形態の第1の工程におけるNH3ガス供給ステップと同様の処理手順により、反応ガスとしてN含有ガスであるNH3ガスを処理室201内に流す。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の工程でウエハ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TiとNとを含むTiN層が形成される。
(SiH4ガス供給)
ガス供給管330のバルブ334を閉じて、NH3ガスの供給を停止する。このとき、同時にバルブ324を開き、第1の実施形態の第1の工程におけるSiH4ガス供給ステップと同様の処理手順により、処理室201内に還元ガスであるSiH4ガスを流す。すなわち、NH3ガス供給とSiH4ガス供給を連続して行う。
(残留ガス除去)
バルブ324を閉じて、SiH4ガスの供給を停止する。つまり、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。ここで、成長阻害要因であるHClがSiH4と反応し、SiCl4とH2として処理室201内から排出される。
上記した第1の工程〜第5の工程を順に行うサイクルを1回以上(所定回数(n回))行うことにより、ウエハ200上に、所定の厚さのTiN層を形成する。
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)NH3ガス供給後に残留するHClをSiH4と反応させ、反応管外に排出させることができる。
上述した第4の実施形態の変形例では、図11に示すように、上述した第4の実施形態のNH3ガスを供給する第3の工程と、SiH4ガスを供給する第4の工程の間に処理室201内の残留ガスを除去する工程を有する点のみ異なる。本変形例においても、図10に示す成膜シーケンスと同様の効果が得られる。
本実施例では、上述した実施形態における図4に示すガス供給のタイミングを用いてTiN膜を形成した。比較例では、図12に示すガス供給のタイミングを用いてTiN膜を形成した。具体的には、比較例では、TiCl4ガス供給、残留ガス除去、NH3ガス供給、残留ガス除去を繰り返し行ってTiN膜を形成した。
121 コントローラ
200 ウエハ(基板)
201 処理室
Claims (11)
- 処理室内の基板に対して、金属含有ガスと、シリコンおよび水素を含み、ハロゲンを含まない還元ガスと、を同時に供給するタイミングを有し、少なくとも前記還元ガスを供給する間の前記処理室内の圧力を130Pa以上3990Pa未満の範囲内の値とする第1の工程と、
前記処理室内に残留する前記金属含有ガスおよび前記還元ガスを除去する第2の工程と、
前記基板に対して、窒素含有ガスを供給する第3の工程と、
前記処理室内に残留する前記窒素含有ガスを除去する第4の工程と、
を順次繰り返して、前記基板上に、シリコン原子を実質的に含まない金属窒化膜を形成する半導体装置の製造方法。 - 前記第1、2、3、4の工程を順に複数回繰り返す請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程では、前記基板に対して前記還元ガスを供給している状態で前記金属含有ガスを止める請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程では、前記基板に対して前記還元ガスを供給していない状態で前記金属含有ガスを供給し始める請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程では、前記基板に対して前記還元ガスを供給していない状態で前記金属含有ガスを供給し始め、前記基板に対して前記還元ガスを供給している状態で前記金属含有ガスを止める請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程では、少なくとも前記還元ガスを供給する間の前記処理室内の圧力を500Pa以上2660Pa未満の範囲内の値とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記還元ガスは、モノシラン、ジシラン、トリスジメチルアミノシランのいずれかである請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属含有ガスは、ハロゲン化物である請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属含有ガスは、チタン元素を含み、前記金属窒化膜はチタン窒化膜である請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板を収容する処理室と、
前記処理室内に、金属含有ガス、シリコンおよび水素を含み、ハロゲンを含まない還元ガス、窒素含有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、前記処理室内に収容された基板に対して、前記金属含有ガスと、前記還元ガスと、を同時に供給するタイミングを有し、少なくとも前記還元ガスを供給する間の前記処理室内の圧力を130Pa以上3990Pa未満の範囲内の値とする第1の処理と、前記処理室内に残留する前記金属含有ガスおよび前記還元ガスを除去する第2の処理と、前記基板に対して、前記窒素含有ガスを供給する第3の処理と、前記処理室内に残留する前記窒素含有ガスを除去する第4の処理と、を順次繰り返して、前記基板上に、シリコン原子を実質的に含まない金属窒化膜を形成するよう制御するように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の基板に対して、金属含有ガスと、シリコンおよび水素を含み、ハロゲンを含まない還元ガスと、を同時に供給するタイミングを有し、少なくとも前記還元ガスを供給する間の前記処理室内の圧力を130Pa以上3990Pa未満の範囲内の値とする第1の手順と、
前記処理室内に残留する前記金属含有ガスおよび前記還元ガスを除去する第2の手順と、
前記基板に対して、窒素含有ガスを供給する第3の手順と、
前記処理室内に残留する前記窒素含有ガスを除去する第4の手順と、
を順次繰り返して、前記基板上に、シリコン原子を実質的に含まない金属窒化膜を形成する手順をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
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