JPWO2019186636A1 - 半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
(a)表面に凹部を有する基板に対して、第1金属含有ガスと第1還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜を形成する工程と、
(b)基板に対して、少なくとも、第2金属含有ガスと、第1還元ガスとは異なる第2還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜上に第2金属膜を形成する工程と、
(c)基板に対して、エッチングガスを供給することで、少なくとも第2金属膜をエッチングする工程と、を行う技術が提供される。
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図4、図5(a)〜図5(e)を用いて説明する。
図1に示すように、処理炉202は加熱機構(温度調整部)としてのヒータ207を有する。ヒータ207は円筒形状であり、保持板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は、ガスを熱で活性化(励起)させる活性化機構(励起部)としても機能する。
上述の基板処理装置を用い、半導体装置の製造工程の一工程として、基板としてのウエハ200が有する凹部内をタングステン膜(W膜)により埋め込む基板処理シーケンス例について、主に、図4、図5(a)〜図5(e)を用いて説明する。以下の説明において、基板処理装置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。
凹部を有するウエハ200に対して、第1金属含有ガスとしてのWF6ガスと第1還元ガスとしてのH2ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜(第1W膜)を形成するステップと、
ウエハ200に対して、少なくとも、第2金属含有ガスとしてのWF6ガスと、第2還元ガスとしてのMSガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1W膜上に第2金属膜(第2W膜)を形成するステップと、
ウエハ200に対して、エッチングガスとしてのNF3ガスを供給することで、少なくとも第2W膜をエッチングするステップと、を行う。
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。その後、図1に示すように、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内へ搬入(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の下端をシールした状態となる。
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(減圧排気)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244がフィードバック制御される。また、処理室201内のウエハ200が所望の温度(成膜温度)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への通電具合がフィードバック制御される。また、回転機構267によるウエハ200の回転を開始する。真空ポンプ246の稼働、ウエハ200の加熱および回転は、いずれも、少なくともウエハ200に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
その後、次の2つのステップ、すなわち、ステップ1a,2aを順に行う。
処理室201内のウエハ200に対し、WF6ガスを供給する。このステップでは、バルブ243aを開き、ガス供給管232a内へWF6ガスを流す。WF6ガスは、MFC241aにより流量調整され、ノズル249aを介して処理室201内へ供給され、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(第1金属含有ガス供給ステップ)。このときバルブ243c,243dを開き、ガス供給管232c,232d内へN2ガスを流す。N2ガスは、MFC241c,241dにより流量調整され、ノズル249a,249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。第1金属含有ガス供給ステップにおける処理室201内へのN2ガスの供給は、不実施としてもよい。
WF6ガス供給流量:1〜5000sccm
N2ガス供給流量(各ガス供給管):0〜30000sccm
ガス供給時間:0.01〜10秒、好ましくは0.1〜5秒
処理温度(成膜温度):200〜600℃、好ましくは300〜500℃
処理圧力:1〜3990Pa
が例示される。なお、本明細書における「200〜600℃」のような数値範囲の表記は、下限値および上限値がその範囲に含まれることを意味する。よって、「200〜600℃」とは「200℃以上600℃以下」を意味する。他の数値範囲についても同様である。
ステップ1aが終了した後、処理室201内のウエハ200に対し、H2ガスを供給する。このステップでは、バルブ243b〜243dの開閉制御を、ステップ1aにおけるバルブ243a,243c,243dの開閉制御と同様の手順で行う。H2ガスは、MFC241bにより流量調整され、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してH2ガスが供給される(第1還元ガス供給ステップ)。
H2ガス供給流量:1〜30000sccm
ガス供給時間:0.05〜60秒
が例示される。他の処理条件は、ステップ1aにおける処理条件と同様とする。
ステップ1a,2aを非同時に、すなわち、WF6ガスとH2ガスとを互いに混合させることなく行うサイクルを所定回数(m回、mは1以上の整数)行うことにより、ウエハ200の凹部内を埋め込み、かつ、絶縁膜200aの上面を覆う第1W膜を形成することが可能となる。WF6ガスとH2ガスとを交互に供給して第1W膜を形成することにより、気相反応ではなく表面反応により第1W膜を形成することが可能となる。その結果、凹部内にボイド等を発生させることなく、凹部内を第1W膜により埋め込むことが可能となる。このサイクルは、凹部内が第1W膜により埋め込まれるまで複数回繰り返すのが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成する第1W層の厚さを所望の膜厚よりも小さくし、第1W層を積層することで形成される第1W膜の膜厚が所望の膜厚になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すのが好ましい。
その後、次の2つのステップ、すなわち、ステップ1b,2bを順に行う。
第1W膜形成ステップが終了した後、処理室201内のウエハ200に対し、WF6ガスを供給する。このステップでは、バルブ243a,243c,243dの開閉制御を、ステップ1aにおけるバルブ243a,243c,243dの開閉制御と同様の手順で行う。WF6ガスは、MFC241aにより流量調整され、ノズル249aを介して処理室201内へ供給され、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(第2金属含有ガス供給ステップ)。
ステップ1bが終了した後、処理室201内のウエハ200に対し、MSガスを供給する。このステップでは、バルブ243b〜243dの開閉制御を、ステップ1aにおけるバルブ243a,243c,243dの開閉制御と同様の手順で行う。MSガスは、MFC241bにより流量調整され、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してMSガスが供給される(第2還元ガス供給ステップ)。
MSガス供給流量:1〜3000sccm
ガス供給時間:0.01〜30秒
が例示される。他の処理条件は、ステップ1aにおける処理条件と同様とする。
ステップ1b,2bを非同時に、すなわち、WF6ガスとMSガスとを互いに混合させることなく行うサイクルを所定回数(n回、nは1以上の整数)行うことにより、図5(c)に示すように、第1W膜上に、第2W膜を形成することが可能となる。すなわち、ウエハ200上に、第1W膜と第2W膜とがこの順に積層されてなる所定膜厚のW膜(以下、単にW膜とも称する)を形成することが可能となる。ステップ1b,2bを非同時に行うサイクルを繰り返すことで、V字形状の凹部はやがて消滅し、第2W膜の上面(表面)、すなわちW膜の上面は平坦になる。このサイクルは、第2W膜の表面が平坦になるまで複数回繰り返すのが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成する第2W層の厚さを所望の膜厚よりも小さくし、第2W層を積層することで形成される第2W膜の膜厚が所望の膜厚になり、第2W膜の表面が平坦になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すのが好ましい。
第2W膜形成ステップが終了した後、処理室201内のウエハ200に対し、NF3ガスを供給する。このステップでは、バルブ243a,243c,243dの開閉制御を、ステップ1aにおけるバルブ243a,243c,243dの開閉制御と同様の手順で行う。NF3ガスは、MFC241aにより流量調整され、ノズル249aを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してNF3ガスが供給される(エッチングガス供給ステップ)。
NF3ガス供給流量:1〜10000sccm
ガス供給時間:1〜1800秒、好ましくは1〜1200秒
処理温度:300〜600℃、好ましくは400〜500℃
が例示される。他の処理条件は、ステップ1aにおける処理条件と同様とする。
エッチングステップが終了した後、ガス供給管232c,232d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。これにより、処理室201内がパージされ、処理室201内に残留するガスや反応副生成物等が処理室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、反応管203の下端が開口されると共に、処理済のウエハ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。処理済のウエハ200は、反応管203の外部に搬出された後、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つ又は複数の効果が得られる。
本実施形態は、以下の変形例のように変更することができる。また、これらの変形例は、任意に組み合わせることができる。特に説明がない限り、各変形例の各ステップにおける処理手順、処理条件は、上述の基板処理シーケンスの各ステップにおける処理手順、処理条件と同様とする。
第2還元ガスとして、ジボラン(B2H6、略称:DB)ガス、ジクロロシラン(SiH2Cl2、略称:DCS)ガス、ジシラン(Si2H6、略称:DS)ガス、アンモニア(NH3)ガス等を用いてもよい。これらのガスを用いる場合においても、図4に示す基板処理シーケンスと同様の効果が得られる。
DBガス供給流量:1〜20000sccm
ガス供給時間:0.1〜60秒
処理温度:150〜400℃
が例示される。他の処理条件は、ステップ1aにおける処理条件と同様とする。また、この場合、ステップ1bにおける処理温度をステップ2bにおける処理温度と同様とすることが好ましい。
DCSガス供給流量:1〜2000sccm
ガス供給時間:0.1〜60秒
処理温度:300〜600℃
が例示される。他の処理条件は、ステップ1aにおける処理条件と同様とする。また、この場合、ステップ1bにおける処理温度をステップ2bにおける処理温度と同様とすることが好ましい。
DSガス供給流量:1〜2000sccm
ガス供給時間:0.1〜60秒
処理温度:200〜400℃
が例示される。他の処理条件は、ステップ1aにおける処理条件と同様とする。また、この場合、ステップ1bにおける処理温度をステップ2bにおける処理温度と同様とすることが好ましい。
NH3ガス供給流量:1〜20000sccm
ガス供給時間:0.1〜60秒
処理温度:300〜600℃
が例示される。他の処理条件は、ステップ1aにおける処理条件と同様とする。また、この場合、ステップ1bにおける処理温度をステップ2bにおける処理温度と同様とすることが好ましい。
上述の実施形態では、第1,第2金属含有ガスに含まれる金属元素がWである場合について説明した。しかしながら、本発明はこのような態様に限定されない。例えば、第1,第2金属含有ガスに含まれる金属元素が、銅(Cu)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)等の遷移金属元素や、アルミニウム(Al)等の典型金属元素である場合にも、本発明は好適に適用できる。本変形例においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
上述の実施形態では、ウエハ200上に、W単体で構成される膜を形成する例について説明した。しかしながら、本発明はこのような態様に限定されない。例えば、ウエハ200上に、窒化タングステン(WN)膜、酸化タングステン(WO)膜、酸窒化タングステン(WON)膜、窒化チタン(TiN)膜等の金属元素を含む膜を形成する場合にも、本発明は好適に適用できる。これらの膜を形成する場合は、第1金属膜を形成する工程および第2金属膜を形成する工程のうち少なくともいずれかの工程において、ウエハ200に対して原料ガスを供給する工程、ウエハ200に対して還元ガスを供給する工程に加え、ウエハ200に対して窒化ガスを供給する工程や、ウエハ200に対して酸化ガスを供給する工程を更に含むサイクルを所定回数行うようにすればよい。窒化ガスとしては、例えばNH3ガスを用いることができ、酸化ガスとしては、例えば酸素(O2)ガスを用いることができる。
第1金属膜および第2金属膜は、それぞれ、異なる膜であってもよい。この場合、第1金属膜と第2金属膜とのエッチングレートが近いことが好ましい。
第2W膜形成ステップにおいては、図7に示す基板処理シーケンスのように、WF6ガスとMSガスとを同時に供給してもよい。本変形例においても、図4に示す基板処理シーケンスと同様の効果が得られる。また、第2W膜を、同時供給法を用いて形成することにより、交互供給法を用いる場合よりも第2W膜の成膜レートを向上させることができる。結果として、第1W膜と第2W膜とが積層されてなるW膜のトータルでの成膜レートを更に向上させることが可能となる。但し、上述のように、第2W膜を、交互供給法を用いて形成する方が、第2W膜の膜厚制御の制御性を高めることができる点で、好ましい。
図4に示す基板処理シーケンスでは、ステップ2bにおいて、NF3ガスの供給を連続的に行うようにしているが、NF3ガスの供給を間欠的に複数回行うようにしてもよい。本変形例においても、図4に示す基板処理シーケンスと同様の効果が得られる。
ステップ2bにおいては、ウエハ200に対してNF3ガスと一緒に(同時に)O2ガスを供給するようにしてもよい。この場合、O2ガスの供給をNF3ガスの供給と同時に開始してもよく、O2ガスの供給をNF3ガスの供給よりも先行して開始してもよい。また、NF3ガスの供給の停止とO2ガスの供給の停止とを同時に行ってもよく、NF3ガスの供給の停止をO2ガスの供給の停止よりも先行して行ってもよい。本変形例においても、図4に示す基板処理シーケンスと同様の効果が得られる。また、エッチングステップにおいてO2ガスを流すことで、エッチングガスによりエッチング対象膜以外の膜等が削られた場合であってもすぐに酸化させることができる。その結果、エッチング対象膜以外の膜とエッチングガスとの反応を最小限にすることができる。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
Claims (13)
- (a)表面に凹部を有する基板に対して、第1金属含有ガスと第1還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜を形成する工程と、
(b)基板に対して、少なくとも、第2金属含有ガスと、第1還元ガスとは異なる第2還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜上に第2金属膜を形成する工程と、
(c)基板に対して、エッチングガスを供給することで、少なくとも第2金属膜をエッチングする工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記第1金属含有ガスおよび前記第2金属含有ガスはハロゲン系化合物であり、前記第1還元ガスは水素元素からなる単体であり、前記第2還元ガスは水素元素を含む化合物である請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2還元ガスは、前記第2還元ガスを構成する各元素間の結合エネルギーが、前記水素元素同士の結合エネルギーよりも小さい化合物である請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1金属膜と前記第2金属膜とは、前記エッチングガスに対して実質的に等しいエッチングレートを有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2金属膜は、前記第1金属膜よりも低いストレス値を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- (a)では、前記第1金属膜の厚さを、(c)を行った後に残る前記第1金属膜の厚さの1.1倍以上1.2倍以下とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1金属含有ガスおよび前記第2金属含有ガスに含まれる金属元素は同じ元素である請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属元素はタングステンである請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1金属含有ガスおよび前記第2金属含有ガスに含まれる金属元素は異なる元素である請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- (a)表面に凹部を有する基板に対して、第1金属含有ガスと第1還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜を形成する工程と、
(d)基板に対して、少なくとも、第2金属含有ガスと、第1還元ガスとは異なる第2還元ガスとを同時に供給することで、第1金属膜上に第2金属膜を形成する工程と、
(c)基板に対して、エッチングガスを供給することで、少なくとも第2金属膜をエッチングする工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - (a)表面に凹部を有する基板に対して、第1金属含有ガスと第1還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜を形成する工程と、
(b)基板に対して、少なくとも、第2金属含有ガスと、第1還元ガスとは異なる第2還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜上に第2金属膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 基板が処理される処理室と、
前記処理室内の基板に対して、第1金属含有ガス、第2金属含有ガス、第1還元ガス、前記第1還元ガスとは異なる第2還元ガス、およびエッチングガスを供給するガス供給系と、
前記処理室内において、(a)表面に凹部を有する基板に対して、前記第1金属含有ガスと前記第1還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜を形成する処理と、(b)前記基板に対して、少なくとも、前記第2金属含有ガスと、前記第2還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜上に第2金属膜を形成する処理と、(c)前記基板に対して、前記エッチングガスを供給することで、少なくとも第2金属膜をエッチングする処理と、を行わせるように、前記ガス供給系を制御するよう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において、
(a)表面に凹部を有する基板に対して、第1金属含有ガスと第1還元ガスとを互いに混合しないよう交互に複数回供給することで、第1金属膜を形成する手順と、
(b)基板に対して、少なくとも、第2金属含有ガスと、第1還元ガスとは異なる第2還元ガスとを互いに混合しないように複数回供給することで、第1金属膜上に第2金属膜を形成する手順と、
(c)基板に対して、エッチングガスを供給することで、少なくとも第2金属膜をエッチングする手順と、
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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