KR100628923B1 - 성막방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은, 불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과, 상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정을 구비한다. 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 처리용기 내로 공급된다. 또, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급된다. 본 발명에 의해, 염소농도가 낮고, 저항률도 작으며, 크랙의 발생도 억제되고, 막의 이상성장도 없는 금속질화막을 퇴적시키는 것이 가능하게 된다.

Description

성막방법 {FILM FORMING METHOD}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리체의 표면에 TiN(Titanium nitride)막 등의 금속질화막을 퇴적시키는 성막방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 디바이스에 있어서는, 최근의 고밀도화, 고집적화의 요청에 따라 회로구성을 다층배선구조로 하는 일이 많다. 이 경우, 하층 디바이스와 상층 알루미늄 배선의 접속부인 콘택트홀(contact hole)이나 하층 알루미늄 배선과 상층 알루미늄 배선의 접속부인 비아홀(via hole) 등을 매립하는 기술이 양자의 전기적인 접속을 도모하기 위해 중요해지고 있다.
콘택트홀이나 비아홀 등을 매립하는 기술로서는, 일반적으로는 스퍼터 알루미늄(sputter aluminum)이나 CVD 텅스텐(tungsten)이 사용되고 있다. 최근에는, 매립성능이 보다 높다고 하는 이유로 인해, 주로 CVD 텅스텐이 사용되는 경향이 있다.
그렇지만, 텅스텐막을 하층의 실리콘층이나 알루미늄 배선 상에 직접 형성하는 경우, 이들의 경계부분에 있어서 불소에 의한 공격(attack)에 의해 실리콘 내에 형성된 확산층이 파괴된다거나, 상층과의 밀착성이 열화된다. 이 일은, 전력절약화(省電力化) 및 고속동작이 요구되고 있는 현재의 반도체 디바이스에 있어서는 바 람직하지 않다.
또, 텅스텐을 매립에 이용하는 경우, 당해 프로세스에 있어서 사용되는 처리가스의 하나인 WF6가스가 Si기판 측으로 침입하여 전기적 특성 등을 열화시킬 수 있다. 이 경향은 바람직하지 않다.
그래서, 상기 현상을 방지하기 위해, 콘택트홀이나 비아홀 등을 텅스텐으로 매립하기 전에, 홀 내의 표면을 포함한 웨이퍼 표면 전역에 걸쳐 배리어메탈(barrier metal: 장벽금속)층을 얇게 형성해 두는 것이 행하여지고 있다. 당해 배리어메탈층의 재료로서는, Ti/TiN(Titanium nitride)의 2층 구조나 TiN막 단층구조가 일반적으로 사용된다. 선행기술로서는 일본 특개평6-89873호 공보, 일본 특개평10-106974호 공보 및 「Decomposition Property of Methylhydrazine with Titanium Nitridation at Low Temperature (P. 934-938, J. Electrochem. Soc., Vol. 142 No. 3, March 1995)」 등이 존재한다.
예컨대, TiN막을 단독으로 형성하는 경우를 예로 들어 설명하면, 성막가스로서 예컨대 TiCl4가스와 NH3가스가 이용된다. 이들 가스가, 진공흡인되어 있는 처리용기 내로, 동시에 소정의 시간 연속적으로 도입된다. 그리고, 소정의 프로세스 온도에서의 열CVD(thermal Chemical Vapor Deposition)에 의해 웨이퍼 표면 상에 TiN막이 퇴적된다. TiN막의 형성 후, 동일 처리용기 내에서 TiCl4가스는 흘리지 않고 NH3가스만을 소정의 시간만큼 흘린다[소위 NH3가스의 포스트플로우(post-flow)]. 이에 따라, TiN막 내에 잔존하는 Cl원소가 배제된다. 이러한 포스트플로우를 행하 는 이유는, Cl원소가 막 내에 존재하면, 저항률이 증가하거나, 막의 부식이 발생하기 때문이다.
그런데, 반도체 집적회로의 미세화 및 고집적화에 의해 선폭 및 막두께가 보다 작아지고 있다. 이 때문에, 상기 TiN막의 성막시의 프로세스 온도는 그 하층에 존재하는 여러 종류의 막에 열손상(thermal damage)을 주는 것을 방지하기 위해, 가능한 한 낮은 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 그래서, 종래에 있어서는, 560℃ 정도의 비교적 고온에서 TiN막의 성막을 행하고 있었지만, 최근에 있어서는 450℃ 정도의 비교적 저온에서 TiN막의 성막을 행하도록 되어 있다.
상술한 바와 같은 고온에서 TiN막이 성막된 경우, NH3의 포스트플로우를 행하면, 막 내에 잔존하는 Cl원소를 충분히 배제할 수 있어 당해 부분을 질화시킬 수 있었다. 그렇지만, 상술한 바와 같은 저온에서 TiN막이 성막된 경우, 막 내에 잔존하는 Cl원소의 농도가 높아질 뿐만 아니라, NH3의 포스트플로우를 행해도 배제된 Cl원소의 부분이 충분히 질소원소로 치환되지 않아 원자레벨에서의 공극이 생겨 버리는 경향이 있다. 그리고, 이 공극에 의해 막 자체의 조성이 조잡해져서 크랙(crack)이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다. 혹은, 이 공극에는, 웨이퍼가 대기 중에 쏘여짐으로써 대기중의 산소나 수분중의 산소가 깊숙이 들어가서 막 자체의 저항률(비저항)을 증가시킨다고 하는 문제가 있다.
나아가서는, 상술한 바와 같은 저온에서 TiN막이 성막되는 경우에는, TiN막 내에 파우더(powder)모양의 화합물, 예컨대 TiNClx가 발생하여 막이 이상성장해 버 린다고 하는 문제도 있다.
본 발명은 이상과 같은 문제점에 주목하여 이것을 유효하게 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 염소농도가 낮고, 저항률도 작으며, 크랙의 발생도 억제할 수 있고, 막의 이상성장도 억제할 수 있는 금속질화막의 성막방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서, 불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과, 상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 처리용기 내로 공급하는 공정 및, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 상기 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법이다.
본 발명에 의해, 염소농도가 낮고, 저항률도 작으며, 크랙의 발생도 억제되고, 막의 이상성장도 없는 금속질화막을 퇴적시키는 것이 가능하게 된다.
저성막온도는, 구체적으로는 150℃∼450℃이다. 처리율(throughput)의 점에서 바람직한 것은 200℃∼450℃, 특히 350℃∼450℃이다.
바람직하게는, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 당해 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스가 공급되도록 되어 있다.
혹은, 바람직하게는, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 플라즈마 원조가스가 공급되어 플라즈마가 발생되도록 되어 있다. 이 경우, 더욱 바람직하게는 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있다.
또, 본 발명은, 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서, 불활성 가스 및 질소함유 환원가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과, 상기 불활성 가스 및 질소함유 환원가스의 연속적인 공급 중에 있어서 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법이다.
본 발명에 의해서도, 염소농도가 낮고, 저항률도 작으며, 크랙의 발생도 억제되고, 막의 이상성장도 없는 금속질화막을 퇴적시키는 것이 가능하게 된다.
이 경우의 저성막온도도, 구체적으로는 150℃∼450℃이다. 처리율의 점에서 바람직한 것은 200℃∼450℃, 특히 350℃∼450℃이다.
바람직하게는, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급기간 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되도록 되어 있다.
혹은, 바람직하게는, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 플라즈마 원조가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되어 플라즈마가 발생되도록 되어 있다. 이 경우, 더욱 바람직하게는 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있다.
또 본 발명은, 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서, 불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과, 상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 당해 공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정 및, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 상기 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법이다.
본 발명에 의해서도, 염소농도가 낮고, 저항률도 작으며, 크랙의 발생도 억제되고, 막의 이상성장도 없는 금속질화막을 퇴적시키는 것이 가능하게 된다.
이 경우의 저성막온도도, 구체적으로는 150℃∼450℃이다. 처리율의 점에서 바람직한 것은 200℃∼450℃, 특히 350℃∼450℃이다.
바람직하게는, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 당해 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스가 공급되도록 되어 있다.
혹은, 바람직하게는, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 플라즈마 원조가스가 공급되어 플라즈마가 발생되도록 되어 있다. 이 경우, 더욱 바람직하게는 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있다.
또 본 발명은, 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서, 불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과, 상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 처리용기 내로 공급하는 공정 및, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 상기 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법이다.
본 발명에 의해서도, 염소농도가 낮고, 저항률도 작으며, 크랙의 발생도 억제되고, 막의 이상성장도 없는 금속질화막을 퇴적시키는 것이 가능하게 된다.
이 경우의 저성막온도도, 구체적으로는 150℃∼450℃이다. 처리율의 점에서 바람직한 것은 200℃∼450℃, 특히 350℃∼450℃이다.
또 본 발명은, 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서, 불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과, 상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 처리용기 내로 공급하는 공정 및, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서 플라즈마 원조가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧으면서 다음의 상기 금속소스가스의 공급기간에 연속하는 기간으로 처리용기 내로 공급하여 플라즈마를 발생시키는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법이다.
본 발명에 의해서도, 염소농도가 낮고, 저항률도 작으며, 크랙의 발생도 억제되고, 막의 이상성장도 없는 금속질화막을 퇴적시키는 것이 가능하게 된다.
이 경우의 저성막온도도, 구체적으로는 150℃∼450℃이다. 처리율의 점에서 바람직한 것은 200℃∼450℃, 특히 350℃∼450℃이다.
바람직하게는, 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있다.
또한, 상기 금속소스가스는, 예컨대 TiCl4가스이고, 상기 질소함유 환원가스 는, 예컨대 NH3가스이다.
또, 상기 불활성 가스는, 예컨대 N2가스이다. 혹은, 상기 불활성 가스는 Ar가스이다.
제2 질소함유 환원가스는, 예컨대 히드라진(hydrazine), 모노메틸 히드라진(monomethylhydrazine), 디메틸히드라진(dimethylhydrazine)의 어느 하나이다.
도 1은 본 발명에 따른 성막방법을 실시하기 위한 처리장치의 일례를 나타낸 단면구성도이다.
도 2는 본 발명 방법의 제1실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 3은 가스공급의 사이클수와 TiN막의 저항률의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 웨이퍼온도와 TiN막 중의 염소농도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 가스공급의 사이클수와 TiN막의 응력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 TiN막의 단면을 찍은 주사현미경 사진이다.
도 7은 제1실시형태의 제1변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 8은 제1실시형태의 제2변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명 방법의 제2실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 10은 제2실시형태의 제1변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 11은 제2실시형태의 제2변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명 방법의 제3실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 13은 제3실시형태의 제1변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 14는 제3실시형태의 제2변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명 방법의 제4실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명 방법의 제5실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명에 따른 성막방법의 실시형태를 첨부도면에 기초하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 성막방법을 실시하기 위한 처리장치의 일례를 나타낸 단면구성도, 도 2는 본 발명 방법의 제1실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다. 여기서는, 처리장치는 플라즈마 CVD 성막장치이고, 금속질화막은 TiN막인 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 처리장치로서의 플라즈마 CVD 성막장치(10)는, 예컨대 니켈 혹은 니켈합금에 의해 원통체 모양으로 성형(成形)된 처리용기(12)를 가지고 있다. 처리용기(12)의 천정부에는 하면에 다수의 가스분출구멍(유로; 14A, 14B)을 가진 샤워헤드부(showerhead; 16)가 설치되어 있다. 이에 따라, 처리가스로서의 예컨대 성막가스 등을 처리용기(12) 내의 처리공간(S)으로 도입할 수 있도록 되어 있다. 샤워헤드부(16) 내는, 예컨대 2개의 가스공간(17A, 17B)으로 분리구획되고, 각 가스공간(17A, 17B)에는 상기 각 가스분출구멍(14A, 14B)이 각각 연통(連通)되어 있다. 이에 따라, 처리공간(S)에서 2개의 가스가 비로소 혼합될 수 있도록 되어 있다. 이 가스공급형태는 포스트 믹스(post mix: 후혼합)라 칭해지고 있다.
샤워헤드부(16)의 전체는, 예컨대 니켈이나 니켈합금 등의 도전체로 형성되어 있고, 상부전극을 겸하고 있다. 상부전극인 샤워헤드부(16)의 외주(外周)측 및 상방(上方)측은, 예컨대 석영이나 알루미나(Al2O3) 등으로 이루어진 절연체(18)에 의해 전체가 피복되어 있다. 샤워헤드부(16)는 이 절연체(18)를 매개로 하여 처리용기(12)에 절연상태로 고정되어 있다. 이 경우, 샤워헤드부(16)와 절연체(18)와 처리용기(12)의 각 접합부간에는, 예컨대 ○링 등으로 이루어진 밀봉부재(20)가 각 각 개재(介在)되어 있다. 이에 따라, 처리용기(12) 내의 기밀성이 유지되도록 되어 있다.
그리고, 샤워헤드부(16)에는, 예컨대 450KHz의 고주파전압을 발생하는 고주파전원(24)이 매칭회로(22) 및 개폐스위치(23)를 매개로 하여 접속되어 있다. 이에 따라, 상부전극인 샤워헤드부(16)에 필요에 따라 고주파전압이 인가되도록 되어 있다. 한편, 이 고주파전압의 주파수는 450KHz에 한정되지 않고, 다른 주파수, 예컨대 13.56MHz 등을 사용해도 좋다.
그리고, 처리용기(12)의 측벽에는 웨이퍼를 반출입하기 위한 반출입구(26)가 형성되어 있다. 이 반출입구(26)에는 게이트 밸브(28)가 개폐가능하게 설치되어 있다. 이 게이트 밸브(28)에는 도시하지 않은 로드록실(load-lock chamber)이나 이송실(transfer chamber) 등이 접속될 수 있다.
또, 처리용기(12)의 저부(低部: 밑부분)에는 배기구(30)가 설치되어 있다. 이 배기구(30)에는 도중(途中)에 도시하지 않은 진공펌프 등이 개설(介設)된 배기관(31)이 접속되어 있다. 이에 따라, 처리용기(12) 내는 필요에 따라 진공흡인(진공상태로 하는 것을 의미함) 가능하게 되어 있다. 그리고, 처리용기(12) 내에는 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(W)를 재치(載置)하기 위해 그 저부로부터 지주(32)를 매개로 하여 기립(起立)된 재치대(stage; 34)가 설치되어 있다. 이 재치대(34)는 하부전극을 겸하고 있다. 그리고, 하부전극인 재치대(34)와 상부전극인 샤워헤드부(16) 사이의 처리공간(S)에, 고주파전압에 의해 플라즈마가 발생될 수 있도록 되어 있다.
구체적으로는, 재치대(34)는 예컨대 전체가 AlN 등의 세라믹스로 이루어지고, 그 내부에 예컨대 몰리브덴선 등의 저항체로 이루어진 가열히터(36)가 소정의 패턴 형상으로 배열되어 매립되어 있다. 이 가열히터(36)에는 히터전원(38)이 배선(37)을 매개로 하여 접속되어 있다. 이에 따라, 필요에 따라 상기 가열히터(36)에 전력이 공급되도록 되어 있다. 더욱이, 재치대(34)의 내부에서 가열히터(36)의 위쪽에는, 예컨대 몰리브덴선 등을 메시모양(그물모양)으로 엮어 이루어진 전극본체(40)가 재치대(34)의 면내 방향 거의 전역에 걸치도록 매립되어 있다. 이 전극본체(40)는 배선(42)을 매개로 하여 접지되어 있다. 여기서, 이 전극본체(40)에는 바이어스전압으로서의 고주파전압이 인가되도록 해도 좋다.
그리고, 재치대(34)에는 상하방향으로 관통하는 복수의 핀홀(pin-hole; 44)이 형성되어 있다. 각 핀홀(44)에는 하단이 연결링(46)에 공통으로 연결된 예컨대 석영제의 압상핀(pushing-up pin; 48)이 자유롭게 이동가능한 상태로 수용되어 있다. 연결링(46)은 용기 저부를 관통하여 상하방향으로 이동가능하게 설치된 출몰로드(protrudable rod; 50)의 상단에 연결되어 있다. 출몰로드(50)의 하단은 에어실린터(air cylinder; 52)에 접속되어 있다. 이에 따라, 각 압상핀(48)은 웨이퍼(W)를 주고받을 때에 각 핀홀(44)의 상단으로부터 위쪽으로 돌출하거나, 아래쪽으로 침강(沈降)될 수 있다. 또, 출몰로드(50)에 의한 용기 저부의 관통부에는, 신축가능하게 된 벨로우즈(bellows; 54)가 개설되어 있다. 이에 따라, 출몰로드(50)는 처리용기(12) 내의 기밀성을 유지하면서 승강될 수 있도록 되어 있다.
하부전극인 재치대(34)의 주연부(周緣部)에는, 플라즈마를 처리공간(S)에 집 중시키기 위한 포커스링(focus ring; 56)이 설치되어 있다. 또, 샤워헤드부(16)의 천정부에는 각 가스공간(17A, 17B)에 연통하도록 가스배관(58A, 58B)이 각각 접속되어 있다.
한쪽의 가스배관(58B)으로부터는, 불활성 가스인 N2가스 혹은 Ar가스나 금속소스가스인 TiCl4가스를, 캐리어가스(예컨대 N2가스)와 함께 공급할 수 있도록 되어 있다. 또, 다른쪽의 가스배관(58A)으로부터는, 질소함유 환원가스인 NH3가스나, 플라즈마 원조가스인 Ar가스나, 환원가스인 H2가스나, 상기 NH3가스보다도 환원력이 강한 제2질소함유 환원가스의 하나인 MMH(monomethylhydrazine) 등을 공급할 수 있도록 되어 있다.
여기서, 상기 설명에서는 후술하는 실시형태에서 사용되는 전체의 가스에 대해 언급하고 있지만, 상기 각 가스가 하나의 성막프로세스에 있어서 전부 사용되는 것은 아니고, 후술하는 각 실시형태에 따라 필요한 가스만이 공급된다. 따라서, 상기 각 가스는, 당연한 것으로서, 각각 필요에 따라 개별로 선택적으로 공급 및 공급정지가 행해질 수 있다. 또, 유량제어에 대해서도, 각 가스마다 개별로 행해질 수 있다.
또, 여기서는 플라즈마를 발생시키는 고주파전원(24)을 설치한 예에 대해 설명하고 있지만, 플라즈마를 이용하지 않는 단순한 열CVD에 의해 성막저리를 행하는 경우도 있을 수 있다. 그러한 열CVD에 의한 성막처리는, 예컨대 램프가열에 의한 성막처리로도 행해질 수 있다.
이제 도 2를 참조하여 성막방법의 제1실시형태에 대해 설명한다.
여기서는, 플라즈마를 이용하지 않고 열CVD에 의해 TiN막이 퇴적된다. 이 제1실시형태에서는, 불활성 가스로서 N2가스(도 2의 (A) 참조)를 사용하고, 금속소스가스로서 TiCl4가스(도 2의 (B) 참조)를 사용하며, 질소함유 환원가스로서 NH3가스(도 2의 (C) 참조)를 사용한다. 상기 각 가스는, 도 2에 나타낸 바와 같이 시간적으로 펄스모양으로 공급된다. 즉, 불활성 가스인 N2가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스인 TiCl4가스가 간헐적으로 공급되며, 질소함유 환원가스인 NH3가스가 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 공급됨과 더불어, 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 공급된다.
여기서, 도 2 중의 "ON"은 가스의 공급상태를 나타내고, "OFF"는 가스의 비공급상태(공급정지상태)를 나타낸다. 이 점은, 이후의 가스공급의 타이밍을 나타내는 다른 도면에서도 마찬가지이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 처리용기(12) 내가 진공흡인된 상태에서, N2가스가 연속적으로 흐르고, TiCl4가스가 간헐적으로 흐르며, NH3가스가 TiCl4가스와 동시 및 TiCl4가스의 비공급기간(T1) 중에서 이보다도 짧은 기간 중에 흐르고 있다. 이에 따라, 디포지션(TiN막의 퇴적)→N2 퍼지→NH3 플로우(TiN막의 질화(염소의 환원))→N2 퍼지(→디포지션→N2 퍼지→NH3 플로우→)…라고 하는 공정의 사이클이 필요에 따른 회수만큼 반복하여 행해진다. 상기 디포지션공정 시에 TiN막이 퇴적되고, NH3 플로우공정 시에 TiN막 내의 잔존염소가 빠져 나가 당해 부분이 질화된다(염소의 환원이 이루어진다).
여기서, TiCl4가스를 어떤 타이밍에서 공급개시한 시점으로부터 다음에 TiCl4가스의 공급을 개시하는 시점까지의 길이를, 1사이클로 정의한다. 본 실시형태에서는, 당해 1사이클의 길이는 약 40초 정도이다. 물론, 1사이클의 길이는 이에 한정되지 않고, 예컨대 10∼60초 정도의 범위이다.
또, TiCl4가스와 NH3가스가 동시에 공급되는 공급기간(T2)은 10초 정도이고, NH3가스가 단독으로 공급되는 공급기간(T3)는 10초 정도이다. 공급기간(T3)은 TiCl4가스의 비공급기간(T1)의 거의 중간에 설정되어 있다.
프로세스 온도(저성막온도)는, 종래의 성막온도(이하, '통상의 성막온도'라 칭함)인 580℃보다도 낮은 온도, 예컨대 450℃ 정도이다. 보다 상세하게는, 프로세스 온도(저성막온도)는 150℃∼450℃의 온도일 수 있지만, 처리율의 점에서 200℃∼450℃, 특히 350℃∼450℃인 것이 바람직하다.
가스유량에 대해서는, N2가스가 500sccm 정도, TiCl4가스가 30sccm 정도, NH3가스가 30sccm 정도이다.
이와 같이, 성막가스를 간헐적으로 흘림으로써 미세한 박막을 복수회에 걸쳐 간헐적으로 순차 퇴적시킴으로써, 비교적 저온의 프로세스 온도에도 불구하고, TiN 막 내에 함유되는 염소농도를 낮게 억제할 수 있다. 더욱이, 저항률도 작고, 크랙의 발생도 억제되며, 또한 막의 이상성장도 억제된 TiN막으로 하는 것이 가능하게 된다.
특히, 이 제1실시형태에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 디포지션공정의 전후가 N2 퍼지공정으로 되어 있으므로, 성막에 기여하는 가스인 TiCl4가스와 NH3 가스를 완전히 배제할 수 있다. 따라서, 단차부의 스텝 커버리지(step coverage)를 향상시킬 수 있고, 스루홀(through-hole: 관통구멍), 콘택트홀, 혹은 비아홀 등에 TiN막의 오버행(overhang)이 발생하는 것을 방지하는 것도 가능하게 된다.
다음에는, 상기 제1실시형태의 결과를 종래의 성막방법의 결과와 비교하여 설명한다. 도 3은 가스공급의 사이클수와 TiN막의 저항률의 관계를 나타낸 그래프, 도 4는 웨이퍼온도와 TiN막 중의 염소농도의 관계를 나타낸 그래프, 도 5는 가스공급의 사이클수와 TiN막의 응력의 관계를 나타낸 그래프, 도 6은 TiN막의 단면을 찍은 주사현미경에 의한 사진이다.
먼저, 도 3은 형성된 TiN막 전체의 평균두께가 약 300Å일 때의 가스공급의 사이클수에 대한 TiN막의 저항률의 의존성을 나타내고 있다. 여기서, 예컨대 5회의 사이클수로 300Å의 두께의 막을 퇴적하는 경우에는, 1사이클당 60Å 정도의 두께의 막이 퇴적되도록 각 가스유량 등이 제어된다.
도 3으로부터 명확해진 바와 같이, 프로세스 온도가 580℃의 경우에는 1사이클로 300Å 정도의 막두께를 형성해도 60사이클 정도로 300Å 정도의 막두께를 형 성해도, 양자의 저항률은 그다지 변화하지 않고 모두 낮은 값을 나타내고 있다. 이에 대해, 본 발명 방법에 의한 프로세스 온도가 450℃의 경우에는, 사이클수가 적은 경우에는 저항률이 높아 바람직하지 않지만, 사이클수가 증가함에 따라 급격히 저항률이 감소하고 있다. 그리고, 사이클수가 16(≒19.0Å/1사이클의 성장) 정도일 때에, 저항률이 약 600μΩ ·㎝ 정도로 되고, 그 이상의 사이클수의 증가에 대한 저항률의 저하는 거의 포화되고 있다.
한편, 1사이클당의 성막막두께를 9.5Å 정도로 얇게 하면, 200℃∼350℃의 프로세스 온도에서도 성막이 가능하다. 더욱이, 1사이클당의 성막막두께를 얇게 하면, 150℃ 정도의 프로세스 온도에서도 성막이 가능하다.
이 저항률 약 600μΩ ·㎝은, 종래의 성막온도의 경우와 비교하면 약간 높지만, 충분히 허용범위 내의 값이다. 따라서, TiN막을 형성하는 경우에는, 사이클수를 적어도 16회로 설정하는 것이 바람직하다는 것이 판명되었다.
또, 도 4는 웨이퍼온도에 대한 TiN막 중의 염소농도의 의존성을 나타내고 있다. 도 4로부터 명확해진 바와 같이, NH3가스의 포스트플로우 있음에서, 사이클수가 1회인 종래 방법의 경우에는, 프로세스 온도가 낮을수록 염소농도가 높아져 버린다. 그러나, 프로세스 온도가 450℃이고 사이클수가 16회인 본 발명 방법의 경우에는, 프로세스 온도가 낮음에도 불구하고, 염소농도는 대단히 낮아 0.5% 정도였다. 이 값은, 종래방법의 경우에 있어서 프로세스 온도가 650℃에 있을 때의 염소농도인 약 1.5%보다도 더욱 낮다. 즉, 염소농도에 대해, 본 발명 방법이 대단히 양호한 결과를 나타낸다는 것이 판명되었다.
또, 도 5는 가스공급의 사이클수에 대한 TiN막의 응력의 의존성을 나타내고 있다. 이 경우에도, TiN막의 전체의 두께는 300Å으로 설정되어 있다. 도 5로부터 명확해진 바와 같이, 사이클수가 1회인 종래 방법에서는 응력이 거의 제로이고, 사이클수가 증가함에 따라 급격히 상승하고 있다. 또, 사이클수가 약 16회에서, 응력의 상승은 거의 종료하고 있다(포화하고 있다). 응력이 거의 제로라고 하는 것은, TiN막에 크랙이 발생하여 응력이 해방되고 있는 상태로, 바람직하지 않다. 사이클수가 약 16 이상에서의 응력이 포화하고 있는 상태는, TiN막에 크랙이 거의 발생하고 있지 않은 상태로, 양호한 상태이다. 따라서, TiN막의 응력이라고 하는 점으로부터도, 가스공급의 사이클수를 적어도 16회로 설정하는 것이 양호하다고 하는 점이 판명되었다.
또, 도 6a 및 도 6b는 TiN막의 단면의 전자현미경 사진을 나타내고 있다. 도 6a에 나타낸 종래방법(사이클수가 1회)의 경우에는, TiN막 내에 입상(粒狀)의 결정이 보이고, TiN막이 이상성장하고 있는 모습이 보인다. 한편, 도 6b에 나타낸 본 발명 방법의 경우에는, TiN막 내에는 입상의 결정이 보이지 않고, TiN막이 정상성장하고 있음을 알 수 있다. 여기서, 도 6b의 TiN막 형성을 위한 가스공급 사이클수는 40회였다.
다음에는 상기 제1실시형태의 제1변형례에 대해 설명한다.
도 7은 제1실시형태의 제1변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 것과 동일한 가스에 대해서는 설명을 생략한다.
본 변형례의 특징은, 상기 제1실시형태의 가스공급태양에 더하여, 제2질소함유 환원가스, 예컨대 모노메틸히드라진(monomethylhydrazine; 이하, MMH라고도 한다)(도 7의 (D) 참조)을 흘리고, 열CVD에 의해 TiN막을 퇴적하고 있는 점이다.
즉, 금속소스가스인 TiCl4가스의 비공급기간(T1)에 있어서, 질소함유 환원가스인 NH3가스를 공급할 때, 당해 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 당해 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2질소함유 환원가스인 MMH가스를 공급하도록 하고 있는 것이다.
제2질소함유 환원가스로서, MMH와 같이, NH3가스보다도 환원력이 강한 것을 사용함으로써, 당해 가스의 공급시에 있어서의 질화력(窒化力)을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 염소농도를 더욱 감소시켜 보다 완전한 TiN막을 형성할 수 있다.
다음에는 상기 제1실시형태의 제2변형례에 대해 설명한다.
도 8은 제1실시형태의 제2변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 것과 동일한 가스에 대해서는 설명을 생략한다.
본 변형례의 특징은, 제1실시형태의 가스공급태양에 더하여, 플라즈마 원조가스(plasma assist gas), 예컨대 Ar가스(도 8의 (D) 참조)를 가하여 플라즈마를 발생시키고, 또한 필요에 따라 이 때에 환원가스, 예컨대 H2가스(도 8의 (F) 참조)를 가하여 플라즈마 CVD에 의해 TiN막을 퇴적하고 있는 점이다.
즉, 금속소스가스인 TiCl4가스의 비공급기간(T1)에 있어서, 질소함유 환원가스인 NH3가스를 공급할 때에, 당해 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 플라즈마 원조가스인 Ar가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키도록 한다. 이 경우, NH3 플로우를 행할 때에만 Ar가스를 흘림과 더불어, 고주파전압을 상부전극(16)에 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이에 따라, TiN막에 대한 질화력을 더욱 높여 보다 염소농도가 적은 보다 완전한 TiN막을 형성할 수 있다. 고주파전압의 인가는 상부전극(16)과 하부전극(40)의 양쪽에 대해 이루어져도 좋다.
또, 플라즈마를 발생시킬 때, 도 8의 (F)에 나타낸 바와 같이 환원가스로서 예컨대 H2가스를 흘리도록 하면, 질화력을 한층 향상시킬 수 있다.
다음에는 본 발명 방법의 제2실시형태에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
여기서는, 불활성 가스와 질소함유 환원가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스가 간헐적으로 공급된다. 즉, 불활성 가스인 N2가스와 질소함유 환원가스인 NH3가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스인 TiCl4가스가 시간적으로 펄스모양으로 간헐적으로 공급된다. 이에 따라, 열CVD에 의해 TiN막이 퇴적된다. 따라서, 디포지션→NH3 플로우(질화)(디포지션→NH3 플로우(질화))…라고 하는 공정의 사이클이 순차 반복하여 행해진다. 도 9의 경우, TiCl4가스의 공급기간(T2)과 비공급기간(T1)은 거의 같은 길이로 설정되어 있다. 또, 1사이클의 길이는, 예컨대 30초 정도이다.
본 실시형태의 경우에도, 성막가스를 간헐적으로 흘림으로써 미세한 박막을 복수회에 걸쳐 간헐적으로 순차 퇴적시킴으로써, 비교적 저온의 프로세스 온도에도 불구하고, TiN막 내에 함유되는 염소농도를 낮게 억제할 수 있다. 더욱이, 저항률도 작고, 크랙의 발생도 억제되며, 또한 막의 이상성장도 억제된 TiN막으로 하는 것이 가능하게 된다.
또, 이 제2실시형태의 경우에는, TiCl4가스를 공급하는 디포지션공정과 NH3 플로우의 질화공정이 연속하고 있고(인접하고 있고), 즉 도 2에 나타낸 제1실시형태의 경우와는 달리 N2 퍼지공정이 마련되어 있지 않다. 따라서, TiCl4가스의 공급개시 시 및 공급정지 시에, 연속 공급되고 있는 NH3가스의 농도(분압)에 대해 TiCl4가스의 농도(분압)가 극단적으로 작은 상태가 일시적으로 발생할 수 있다. 이 일은, 스텝 커버리지를 약간 열화시키는 작용을 보인다. 그렇지만, N2 퍼지가 생략된 부분만큼, 제2실시형태에서는 처리율을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
다음에는 상기 제2실시형태의 제1변형례에 대해 설명한다.
도 10은 제2실시형태의 제1변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 것과 동일한 가스에 대해서는 설명을 생략한다.
본 변형례의 특징은, 제2실시형태의 가스공급태양에 더하여, 제2질소함유 환원가스, 예컨대 모노메틸히드라진(MMH; 도 10의 (D) 참조)을 흘리고, 열CVD에 의해 TiN막을 퇴적하고 있는 점이다.
즉, 금속소스가스인 TiCl4가스의 비공급기간(T1)에 있어서 당해 비공급기간(T1)보다도 짧은 기간(T4)으로, 질소함유 환원가스인 NH3가스보다도 환원력이 강한 제2질소함유 환원가스인 MMH가스를 공급하도록 하고 있는 것이다.
제2질소함유 환원가스로서, MMH와 같이, NH3가스보다도 환원력이 강한 것을 사용함으로써, 당해 가스의 공급시에 있어서의 질화력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 염소농도를 더욱 감소시켜 보다 완전한 TiN막을 형성할 수 있다.
또, 여기서는 MMH의 공급기간(T4)은 TiCl4가스의 비공급기간(T1)의 거의 중간에 설정되어 있다. 또, TiCl4가스의 공급 타이밍과 MMH가스의 공급 타이밍은 서로 어긋나 있어 양 가스가 동시에 공급되는 일은 없다. 따라서, 환원력이 과도하게 커져서 스텝 커버리지를 열화시킬 염려도 생기지 않는다.
다음에는 상기 제2실시형태의 제2변형례에 대해 설명한다.
도 11은 제2실시형태의 제2변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 것과 동일한 가스에 대해서는 설명을 생략한다.
본 변형례의 특징은, 제2실시형태의 가스공급태양에 더하여, 플라즈마 원조가스, 예컨대 Ar가스(도 11의 (D) 참조)를 가하여 플라즈마를 발생시키고, 또한 필요에 따라 이 때에 환원가스, 예컨대 H2가스(도 11의 (F) 참조)를 가하여 플라즈마 CVD에 의해 TiN막을 퇴적하고 있는 점이다.
즉, 금속소스가스인 TiCl4가스의 비공급기간(T1)에 있어서 당해 비공급기간(T1)보다도 짧은 기간(T5)으로, 플라즈마 원조가스인 Ar가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키도록 한다. 또, 여기서는 Ar가스의 공급기간(T5)은 TiCl4가스의 비공급기간(T1)의 거의 중간에 설정되어 있다. 그리고, Ar가스를 흘림과 더불어 고주파전압을 상부전극(16)에 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이에 따라, TiN막에 대한 질화력을 더욱 높여 보다 염소농도가 적은 보다 완전한 TiN막을 형성할 수 있다. 또, 플라즈마를 발생시킬 때, 도 11의 (F)에 나타낸 바와 같이 환원가스로서 예컨대 H2가스를 흘리도록 하면, 질화력을 한층 향상시킬 수 있다.
또한, 이 경우도, 고주파전압은 상부전극(16)과 하부전극(40)의 쌍방에 인가되어도 좋다.
다음에는 본 발명 방법의 제3실시형태에 대해 설명한다.
도 12는 본 발명의 제3실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
여기서는, 불활성 가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스가 간헐적으로 공급되고, 질소함유 환원가스는 금속소스가스의 공급기간(T2) 중에 당해 공급기간(T2)보다도 짧은 기간(T6)으로 공급됨과 더불어, 금속소스가스의 비공급기간(T1) 중에도 당해 비공급기간(T1)보다도 짧은 기간(T3)으로 공급된다.
즉, 불활성 가스인 N2가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스인 TiCl4가스가 시간적으로 펄스모양으로 간헐적으로 공급된다. 더욱이, 질소함유 환원가스인 NH3가스가 TiCl4가스의 공급기간(T2) 및 비공급기간(T1) 중에, 각각 이들 기간보다 짧은 기간(T6, T3)으로, 시간적으로 펄스모양으로 간헐적으로 공급된다. 즉, 디포지션공정의 전후에 TiCl4가스의 프리플로우(PRE-FLOW)기간과 포스트플로우(POST-FLOW)기간이 마련되어 있다. 이에 따라, TiCl4가스의 유량이 안정화되어 열CVD에 의해 TiN막이 퇴적된다. 따라서, 프리 TiCl4 플로우→디포지션→포스트 TiCl4 플로우→N2 퍼지→NH3 플로우(질화)→N2 퍼지(→프리 TiCl4 플로우→디포지션→포스트 TiCl4 플로우→N2 퍼지)…라고 하는 공정의 사이클이 순차 반복하여 행해진다. 도 12의 경우, TiCl4가스의 공급 시(공급기간(T2))에 있어서의 NH3가스의 공급기간(T6)은 공급기간(T2)의 거의 중간에 설정되고, 또 TiCl4가스의 비공급기간(T1)에 있어서의 NH3가스의 공급기간(T3)은 TiCl4가스의 비공급기간(T1)의 거의 중간에 설정되어 있다. 또, 1사이클의 길이는, 예컨대 15∼70초 정도이다.
본 실시형태의 경우에도, 성막가스를 간헐적으로 흘림으로써 미세한 박막을 복수회에 걸쳐 간헐적으로 순차 퇴적시킴으로써, 비교적 저온의 프로세스 온도에도 불구하고, TiN막 내에 함유되는 염소농도를 낮게 억제할 수 있다. 더욱이, 저항률도 작고, 크랙의 발생도 억제되며, 또한 막의 이상성장도 억제된 TiN막으로 하는 것이 가능하게 된다.
더욱이, 이 제3실시형태의 경우에는, 디포지션공정의 전후에 TiCl4가스의 프리플로우공정 및 포스트플로우공정이 마련되어 TiCl4가스의 유량이 안정화되어 있고, 또 NH3 플로우(질화)공정의 전후에 N2 퍼지공정이 마련되어 여분의 가스가 완전히 배제되도록 되어 있으므로, 스텝 커버리지를 더욱 향상시킬 수 있다.
다음에는 상기 제3실시형태의 제1변형례에 대해 설명한다.
도 13은 제3실시형태의 제1변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다. 도 12에 나타낸 것과 동일한 가스에 대해서는 설명을 생략한다.
본 변형례의 특징은, 상기 제3실시형태의 가스공급태양에 더하여, 제2질소함유 환원가스, 예컨대 모노메틸히드라진(MMH; 도 13의 (D) 참조)을 흘리고, 열CVD에 의해 TiN막을 퇴적하고 있는 점이다.
즉, 금속소스가스인 TiCl4가스의 비공급기간(T1)에 있어서, 질소함유 환원가스인 NH3가스를 공급할 때에, 당해 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 당해 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2질소함유 환원가스인 MMH가스를 공급하도록 되어 있다.
제2질소함유 환원가스로서, MMH와 같이, NH3가스보다도 환원력이 강한 것을 사용함으로써, 당해 가스의 공급시에 있어서의 질화력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 염소농도를 더욱 감소시켜 보다 완전한 TiN막을 형성할 수 있다.
다음에는 상기 제3실시형태의 제2변형례에 대해 설명한다.
도 14는 제3실시형태의 제2변형례에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다. 도 12에 나타낸 것과 동일한 가스에 대해서는 설명을 생략한다.
본 변형례의 특징은, 제3실시형태의 가스공급태양에 더하여, 플라즈마 원조가스, 예컨대 Ar가스(도 14의 (D) 참조)를 가하여 플라즈마를 발생시키고, 또한 필요에 따라 이 때에 환원가스, 예컨대 H2가스(도 14의 (F) 참조)를 가하여 플라즈마 CVD에 의해 TiN막을 퇴적하고 있는 점이다.
즉, 금속소스가스인 TiCl4가스의 비공급기간(T1)에 있어서, 질소함유 환원가스를 공급할 때에, 당해 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 플라즈마 원조가스인 Ar가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키도록 한다. 이 경우, NH3 플로우를 행할 때에만 Ar가스를 흘림과 더불어, 고주파전압을 상부전극(16)에 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이에 따라, TiN막에 대한 질화력을 더욱 높여 보다 염소농도가 적은 보다 완전한 TiN막을 형성할 수 있다. 또, 플라즈마를 발생시킬 때, 도 14의 (F)에 나타낸 바와 같이 환원가스로서 예컨대 H2가스를 흘리도록 하면, 질화력을 한층 향상시킬 수 있다.
또한, 이 경우도, 고주파전압은 상부전극(16)과 하부전극(40)의 쌍방에 인가되어도 좋다.
다음에는 본 발명의 제4실시형태에 대해 설명한다.
도 15는 본 발명의 제4실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍을 나타낸 도면이다.
여기서는, 불활성 가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스가 간헐적으로 공급되고, 질소함유 환원가스가 금속소스가스의 공급과 동시에 공급됨과 더불어, 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 제2질소함유 환원가스가 공급된다. 이에 따라, 열CVD에 의해 TiN막이 퇴적된다.
즉, 불활성 가스인 N2가스가 연속적으로 공급되는 한편, 질소함유 환원가스인 NH3가스와 금속소스가스인 TiCl4가스가 동시에, 즉 시간적으로 펄스모양으로 간헐적으로 동기하여 공급된다. 더욱이, TiCl4가스의 공급기간 중의 짧은 기간에 있어서, NH3가스보다도 환원력이 강한 제2질소함유 환원가스인 MMH가 공급되고, 이에 따라 열CVD에 의해 TiN막이 퇴적된다. 즉, MMH가 공급될 때에, TiN막이 질화된다(염소의 환원이 이루어진다).
이 제4실시형태는, 도 7에 나타낸 제1실시형태의 제1변형례에 있어서 NH3가스의 공급기간(T3)을 삭제한 것에 대응하는 가스공급태양이다. 따라서, 도 7 중의 공급기간(T3)은 도 15 중의 MMH가스의 공급기간(T8)에 대응하고 있다. 이에 따라, 디포지션→N2 퍼지→MMH 플로우(질화)→N2 퍼지(→디포지션→N2 퍼지→MMH 플로우(질화))…라고 하는 공정의 사이클이 순차 반복하여 행해진다.
본 실시형태의 경우에도, 성막가스를 간헐적으로 흘림으로써 미세한 박막을 복수회에 걸쳐 간헐적으로 순차 퇴적시킴으로써, 비교적 저온의 프로세스 온도에도 불구하고, TiN막 내에 함유되는 염소농도를 낮게 억제할 수 있다. 더욱이, 저항률도 작고, 크랙의 발생도 억제되며, 또한 막의 이상성장도 억제된 TiN막으로 하는 것이 가능하게 된다.
또, 여기서의 1사이클의 시간은, 예컨대 10∼60초 정도이다.
다음에는 본 발명의 제5실시형태에 대해 설명한다.
도 16은 본 발명의 제5실시형태에서의 각종 가스의 공급의 타이밍 및 플라즈마 발생의 타이밍을 나타낸 도면이다.
여기서는, 불활성 가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스가 간헐적으로 공급되고, 질소함유 환원가스가 금속소스가스의 공급과 동시에 공급됨과 더불어, 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간이고 또한 후속하는 다음의 금속소스가스의 공급기간에 연속하도록, 플라즈마 원조가스가 공급되어 플라즈마가 발생되도록 되어 있다.
즉, 불활성 가스인 N2가스가 연속적으로 공급되는 한편, 금속소스가스인 TiCl4가스와 질소함유 환원가스인 NH3가스가 시간적으로 펄스모양으로 간헐적으로 동기하여 공급된다. 더욱이, TiCl4가스의 비공급기간(T1) 중에 있어서도, 후속하는 다음의 TiCl4가스의 공급기간(T2)에 연속하는 것과 같은 짧은 기간(T9)으로, 플라즈마 원조가스인 Ar가스(도 16의 (D) 참조)를 가하여 플라즈마를 발생시킨다(도 16의 (E) 참조).
또, 필요에 따라 이 때에 환원가스, 예컨대 H2가스(도 16의 (F) 참조)를 가하여 플라즈마 CVD에 의해 TiN막을 퇴적하고 있다. 따라서, 디포지션→N2 퍼지→플라즈마 질화(→디포지션→N2 퍼지→플라즈마 질화→)…라고 하는 공정의 사이클이 순차 반복하여 행해진다.
본 실시형태의 경우, Ar가스를 흘릴 때에 고주파전압을 상부전극(16)에 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이에 따라, TiN막에 대한 질화력을 더욱 높여 보다 염소농도가 적은 보다 완전한 TiN막을 형성할 수 있다. 또, 플라즈마를 발생시킬 때, 도 16의 (F)에 나타낸 바와 같이 환원가스로서 예컨대 H2가스를 흘리도록 하면, 질화력을 한층 향상시킬 수 있다.
또한, 이 경우도, 고주파전압은 상부전극(16)과 하부전극(40)의 쌍방에 인가되어도 좋다.
본 실시형태의 경우에도, 성막가스를 간헐적으로 흘림으로써 미세한 박막을 복수회에 걸쳐 간헐적으로 순차 퇴적시킴으로써, 비교적 저온의 프로세스 온도에도 불구하고, TiN막 내에 함유되는 염소농도를 낮게 억제할 수 있다. 더욱이, 저항률도 작고, 크랙의 발생도 억제되며, 또한 막의 이상성장도 억제된 TiN막으로 하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 실시형태에서는, 플라즈마 질화의 공정(기간 T9) 중에 NH3가스가 공급되지 않는다. 따라서, N2 퍼지가스에 의해 플라즈마 질화가 행하여지고, 플라즈 마 질화의 공정의 직후에 NH3가스를 배제하는 N2 퍼지공정을 행할 필요가 없이 곧바로 디포지션공정(기간 T2)을 행할 수 있다. 따라서, 그 부분만큼 처리율을 향상시킬 수 있다. 또, 본 실시형태의 1사이클의 시간은, 예컨대 5∼60초 정도이다.
이상의 각 실시형태에 있어서는, 환원력이 강한 제2질소함유 환원가스로서 MMH를 사용했지만, 이에 한정되지 않고, 히드라진, 디메틸히드라진 등의 다른 가스를 사용해도 좋다.
또, 금속질화막으로서 TiN막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고, WN막, TaN막 등의 다른 금속질화막을 성막하는 경우에도 본 발명 방법을 적용할 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고, LCD기판, 유리(glass)기판 등을 처리하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.

Claims (22)

  1. 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서,
    불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과,
    상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서, 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 처리용기 내로 공급하는 공정 및,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법.
  2. 제1항에 있어서, 저성막온도는 150℃∼450℃인 것을 특징으로 하는 성막방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 당해 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스가 공급되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 플라즈마 원조가스가 공급되어 플라즈마가 발생되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  6. 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서,
    불활성 가스 및 질소함유 환원가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과,
    상기 불활성 가스 및 질소함유 환원가스의 연속적인 공급 중에 있어서, 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법.
  7. 제6항에 있어서, 저성막온도는 150℃∼450℃인 것을 특징으로 하는 성막방 법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급기간 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 플라즈마 원조가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되어 플라즈마가 발생되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  11. 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서,
    불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과,
    상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서, 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 당해 공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정 및,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법.
  12. 제11항에 있어서, 저성막온도는 150℃∼450℃인 것을 특징으로 하는 성막방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 당해 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스가 공급되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 질소함유 환원가스가 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급되는 공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스의 공급과 동시에 플라즈마 원조가스가 공급되어 플라즈마가 발생되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  16. 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서,
    불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과,
    상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서, 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 처리용기 내로 공급하는 공정 및,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 상기 질소함유 환원가스보다도 환원력이 강한 제2 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧은 기간으로 처리용기 내로 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법.
  17. 진공흡인 가능한 처리용기 내에 있어서 피처리체의 표면에 금속질화막을 형성하는 방법에 있어서,
    불활성 가스를 통상의 성막온도보다 낮은 저성막온도의 처리용기 내로 연속적으로 공급하는 공정과,
    상기 불활성 가스의 연속적인 공급공정 중에 있어서, 금속소스가스를 처리용기 내로 간헐적으로 공급하는 공정,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 질소함유 환원가스를 상기 금속소스가스의 공급기간 중에 상기 금속소스가스의 공급과 동시에 처리용기 내로 공급하는 공정 및,
    상기 금속소스가스의 간헐적인 공급공정 중에 있어서, 플라즈마 원조가스를 상기 금속소스가스의 비공급기간 중에 당해 비공급기간보다도 짧으면서 다음의 상기 금속소스가스의 공급기간에 연속하는 기간으로 처리용기 내로 공급하여 플라즈마를 발생시키는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 플라즈마 원조가스의 공급과 동시에, 환원가스가 공급되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 금속소스가스는 TiCl4가스이고, 상기 질소함유 환원가스는 NH3가스인 것을 특징으로 하는 성막방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는 N2가스인 것을 특징으로 하는 성막방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar가스인 것을 특징으로 하는 성막방법.
  22. 제3항에 있어서, 상기 제2 질소함유 환원가스는 히드라진, 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 성막방법.
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