KR101282544B1 - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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겐사쿠 나루시마
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

성막 방법은 챔버내에 피처리 기판을 배치하는 공정과, 공급 경로를 통해 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 챔버내에 공급하는 공정과, 처리 가스의 공급 경로에 Ti 함유부를 배치하고, 처리 가스를 챔버에 공급할 때에, 처리 가스중의 염소함유 가스를 Ti 함유부에 접촉시켜 염소함유 가스와 Ti 함유부의 Ti를 반응시키는 공정과, 챔버내의 피처리 기판을 가열하면서, 염소함유 가스와 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정을 갖는다.

Description

성막 방법 및 성막 장치 {FILM-FORMING METHOD AND FILM-FORMING APPARATUS}
본 발명은 챔버내에 배치된 피처리 기판의 표면에 CVD에 의해 티탄(Ti)막 또는 티탄 실리사이드(TiSix)막을 성막하는 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에 있어서는 최근의 고밀도화 및 고집적화의 요청에 대응하여, 회로 구성을 다층 배선 구조로 하는 경향에 있고, 이 때문에, 하층의 실리콘(Si) 기판과 상층의 배선층의 접속부인 콘택트 홀, 트렌치의 전기적 접속을 위한 매립 기술이 중요하게 되고 있다.
이러한 콘택트 홀이나 트렌치나 비어홀의 매립에 이용되는 텅스텐(W)막 등의 금속 배선(플러그)과 하층의 Si 기판의 옴 접촉을 위해, 이들 매립에 앞서 콘택트 홀이나 비어홀의 내측에 Ti막을 성막하고, 경우에 따라서는 Ti와 하지의 Si의 반응에 의해 TiSi막을 성막하고, 그 후 배리어막으로서 질화티타늄(TiN)막을 성막하는 것이 실행되고 있다.
이러한 Ti막은 종래부터 물리적 증착(PVD)을 이용하여 성막되어 있었지만, 디바이스의 미세화 및 고집적화의 요구에 수반해서 스텝 커버리지(단차 피복성)가 더욱 양호한 화학적 증착(CVD)이 많이 이용되고 있다.
Ti막의 CVD 성막에 관해서는 성막 가스로서 TiCl4 가스, H2 가스, Ar 가스를 이용하고, 이들을 샤워헤드를 거쳐서 챔버에 도입하고, 반도체 웨이퍼를 스테이지 히터에 의해 가열하면서 평행 평판 전극에 고주파 전력을 인가하고, 상기 가스를 플라즈마화하여 TiCl4 가스와 H2 가스를 반응시키는 플라즈마 CVD에 의해 Ti막을 성막하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 제2004-197219호 공보 ).
그런데, 최근, 반도체 디바이스는 점점 미세화되고 있지만, 종래의 CVD에 의한 Ti막 성막에 있어서는 플라즈마를 이용하므로, 반도체 웨이퍼에 대한 소자 파괴 등의 플라즈마 데미지가 적지 않게 발생하여, 반도체 디바이스의 미세화에 수반해서, 이러한 플라즈마 데미지가 무시할 수 없게 되었다.
본 발명은 CVD에 의해 Ti막 또는 TiSix막을 성막할 때에, 피처리 기판에 대한 플라즈마 데미지를 발생시키지 않고 성막할 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하고자 하는 것이다.
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본 발명의 제 1 관점에 의하면, 챔버내에 피처리 기판을 배치하는 공정과, 공급 경로를 통해 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 피처리 기판이 배치된 상기 챔버내에 공급하는 공정과, 상기 처리 가스의 공급 경로에 Ti를 함유하는 Ti 함유부를 배치하고, 상기 처리 가스를 상기 챔버에 공급할 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti 함유부에 접촉시켜 상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti를 반응시키는 공정과, 상기 챔버내의 피처리 기판을 가열하면서, 상기 염소함유 가스와 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판 상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정을 갖는 성막 방법이 제공된다.
본 발명의 제 2 관점에 의하면, 챔버내에 피처리 기판을 배치하지 않은 상태에서, 처리 가스를 상기 챔버에 도입하기 위한 가스 도입 기구에 TiCl4 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 가스 도입 기구에 Ti막을 형성하는 공정과, 상기 챔버내에 피처리 기판을 반입하는 공정과, 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 가스 도입 기구를 거쳐서 상기 챔버내에 도입하는 공정과, 상기 처리 가스를 상기 챔버내에 도입할 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti막에 접촉시켜 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti를 반응시키는 공정과, 상기 챔버내의 피처리 기판을 가열하면서, 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정을 갖는 성막 방법이 제공된다.
본 발명의 제 3 관점에 의하면, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 제 1 히터와, 가스 공급원으로부터 가스 배관을 거쳐서 상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 가스 도입 기구와, 상기 처리 가스의 공급 경로에 마련된 Ti를 함유하는 Ti 함유부와, 상기 Ti 함유부를 가열 가능한 제 2 히터와, 상기 챔버내를 배기하는 배기 수단과, 상기 챔버내에서의 처리를 제어하는 제어부를 구비하는 성막 장치로서, 상기 제어부는 상기 챔버내에 피처리 기판을 반입시키는 동시에 상기 탑재대 상에 탑재시키고, 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 가스 배관 및 가스 도입 기구를 거쳐서 상기 챔버내에 도입시키고, 상기 처리 가스를 상기 챔버내에 도입시킬 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti 함유부에 접촉시켜 상기 제 2 히터에 의해 가열하는 것에 의해 상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti를 반응시키고, 상기 제 1 히터에 의해 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열시키면서, 상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판 상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적시키는 성막 장치가 제공된다.
본 발명의 제 4 관점에 의하면, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 제 1 히터와, 가스 공급원으로부터 가스 배관을 거쳐서 상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 가스 도입 기구와, 상기 가스 도입 기구를 가열하는 제 2 히터와, 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 기구와, 상기 챔버내를 배기하는 배기 수단과, 상기 챔버내에서의 처리를 제어하는 제어부를 구비하는 성막 장치로서, 상기 제어부는, 상기 챔버내에 피처리 기판을 배치하지 않은 상태에서, 상기 가스 도입 기구에 TiCl4 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 가스 도입 기구에 Ti막을 형성시키고, 상기 챔버내에 피처리 기판을 반입시키는 동시에 상기 탑재대 상에 탑재시키고, 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 가스 배관 및 가스 도입 기구를 거쳐서 상기 챔버내에 도입시키고, 상기 처리 가스를 상기 챔버내에 도입시킬 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti막에 접촉시켜 상기 제 2 히터에 의해 가열하는 것에 의해 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti를 반응시키고, 상기 제 1 히터에 의해 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열시키면서, 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적시키는 성막 장치가 제공된다.
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본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 검토를 거듭한 결과, 챔버내에의 가스 공급 경로에 Ti 함유부를 존재시켜 두고, 그 가스 공급 경로에 TiCl4 가스와 같은 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 통류시키면, Ti가 염소함유 가스와 반응하고, TiCl3 가스나 TiCl2 가스와 같은 Ti 전구체 가스를 생성하는 것, 및 그 Ti 전구체 가스는 플라즈마에 관계없이 열 반응에 의해 Ti를 생성하는 것을 발견하였다. 상기 구성의 본 발명은 본 발명자들의 이러한 지견에 의거하여 완성된 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 Ti막의 성막 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 Ti막의 성막 방법의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 Ti막의 성막 방법의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2c는 본 발명에 따른 Ti막의 성막 방법의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 Ti염화물의 증기압 곡선을 나타내는 도면이다.
도 4는 TiCl3 생성 반응에 수반하는 Ti의 에칭 레이트의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 5는 웨이퍼의 Si 부분의 위에 Ti를 퇴적했을 때의 TiSi2막의 막두께의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 Ti막의 성막 방법의 실시에 이용하는 웨이퍼의 구조예를 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 3의 웨이퍼의 콘택트 홀의 바닥부에 콘택트층을 형성한 상태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 Ti막의 성막 방법을 이용하여 콘택트 홀에 Ti막을 성막할 때의 상황을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 종래의 플라즈마를 이용한 Ti막 성막을 실행했을 때의 콘택트 홀에 있어서의 막의 형성 상태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 Ti막의 성막 방법을 이용하여 Ti막 성막을 실행했을 때의 콘택트 홀에 있어서의 막의 형성 상태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 구체적인 실시형태에 이용하는 성막 장치의 개략구성을 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 11의 성막 장치에 있어서 실시되는 Ti막의 성막 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 샤워헤드에 Ti막을 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 14는 샤워헤드에 형성된 Ti막에 TiCl4 가스를 접촉한 상태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는 도 11의 성막 장치에 있어서 실시되는 Ti막의 성막 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 16은 도 11의 성막 장치에 있어서 실시되는 Ti막의 성막 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 17은 도 11의 성막 장치에 있어서 실시되는 Ti막의 성막 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 18은 도 11의 성막 장치에 있어서 실시되는 Ti막의 성막 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 19는 도 11의 성막 장치에 있어서 실시되는 Ti막의 성막 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 20은 도 11의 성막 장치에 있어서 실시되는 Ti막의 성막 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 21a는 다른 플라즈마 생성 기구를 이용하여, 샤워헤드의 내면에 Ti막을 형성하는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 21b는 다른 플라즈마 생성 기구를 이용하여, 샤워헤드의 내면에 Ti막을 형성하는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 22는 파셴(Paschen)의 법칙을 나타내는 도면이다.
도 23은 고주파 전원에 의해, 가스 확산 공간내에의 플라즈마 생성과, 챔버내에의 플라즈마 생성과 선택적으로 실행할 수 있도록 한 성막 장치의 주요부를 나타내는 단면도이다.
도 24는 또 다른 플라즈마 생성 기구를 이용하여, 샤워헤드의 내면에 Ti막을 형성하는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 25는 샤워헤드에 Ti막을 형성하는 대신에, 샤워헤드의 가스 확산 공간에의 가스 도입 부분에 Ti함유 부재를 배치한 예를 나타내는 단면도이다.
도 26은 도 25의 Ti함유 부재를 나타내는 사시도이다.
도 27은 도 25의 Ti함유 부재를 마련한 경우의 가스 공급 배관의 바람직한 예를 나타내는 도면이다.
도 28은 샤워헤드에 Ti막을 형성하는 대신에, 가스 배관에 Ti함유 부재를 배치한 예를 나타내는 단면도이다.
도 29는 도 28의 Ti함유 부재를 나타내는 일부 단면으로 나타내는 사시도이다.
도 30은 도 28의 Ti함유 부재를 마련한 경우의 가스 공급 배관의 바람직한 예를 나타내는 도면이다.
도 31은 본 발명을 검증한 실험에 있어서 성막된 막의 X선 회절 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 32는 본 발명을 검증한 실험에 있어서 콘택트 홀에 성막된 막의 단면의 투과형 현미경(TEM) 사진이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 구체적으로 설명한다.
이하의 설명에 있어서, 가스의 유량의 단위는 mL/min을 이용하고 있지만, 가스는 온도 및 기압에 따라 부피가 크게 변화하기 때문에, 본 발명에서는 표준 상태로 환산한 값을 이용하고 있다. 또, 표준 상태로 환산한 유량은 보통 sccm(Standerd Cubic Centimeter per Minutes)으로 표기되기 때문에 sccm을 병기하고 있다. 여기에 있어서의 표준 상태는 온도 0℃(273.15K), 기압 1atm(101325Pa)의 상태이다.
도 1은 본 발명에 따른 성막 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2A∼2C는 본 발명에 따른 성막 방법의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
우선, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 챔버(1)내의 있는 소정 위치에 피처리 기판으로서의 반도체 웨이퍼(이하, 단지 웨이퍼라 함) W를 배치한다(공정 1).
다음에, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 챔버(1)내를 배기하여 진공으로 유지하면서, 공급 경로(3)를 통해 염소함유 가스, 예를 들면, TiCl4를 포함하는 처리 가스를 챔버(1)내에 공급한다(공정 2).
공급 경로(3)에는 Ti를 함유하는 Ti 함유부(2)가 마련되어 있고, 공급 경로(3)를 통류하는 염소함유 가스(TiCl4 가스)를 Ti 함유부(2)에 접촉시키고, Ti 함유부(2)의 Ti와 반응시킨다(공정 3). 즉, 염소함유 가스에 의해 Ti 함유부(2)의 Ti를 에칭한다.
염소함유 가스로서는 TiCl4 가스 이외에, Cl2 가스, HCl 가스를 이용할 수 있다. 단, 종래부터 Ti 성막 원료로서 이용하고 있는 TiCl4를 이용하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 2c에 나타내는 바와 같이, 공정 3의 염소함유 가스와 Ti 함유부(2)의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 소정 온도로 가열된 웨이퍼 W상에 공급하고, 열 반응에 의해 Ti를 생성시키며, 웨이퍼 W 상에 Ti를 퇴적시킨다(공정 4).
퇴적된 Ti는 그대로 Ti막으로 되거나, 또는 하지가 Si(Si 기판 또는 폴리 실리콘)으로서 소정의 조건하에서는 Si와의 반응에 의해 TiSi막으로 된다.
염소함유 가스와 Ti의 반응은 200∼800℃의 범위에서 발생시킬 수 있다. 반응을 유효하게 발생시키는 관점에서 이 때의 온도는 250℃ 이상이 더욱 바람직하고, 또한, 반응 스피드의 관점에서 600℃ 이하인 것이 바람직하다.
염소함유 가스와 Ti의 반응에 의해 생기는 Ti 전구체 가스로서는 TiCl3 가스 및 TiCl2 가스를 들 수 있다.
염소함유 가스로서 TiCl4 가스를 이용한 경우에는 이하의 (1)식에 의해 Ti 전구체 가스로서 TiCl3 가스를 생성시킬 수 있다.
Ti+3TiCl4→4TiCl3…(1)
또한, 이하의 (2)식에 의해 Ti 전구체 가스로서 TiCl2 가스를 생성시킬 수도 있다.
Ti+TiCl4→2TiCl2…(2)
도 3은 Ti염화물의 증기압 곡선을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, Cl의 배위수가 적어질수록 증기압이 낮고, 따라서 TiCl2보다도 TiCl3 쪽이 증기압이 높으며, TiCl3의 증기압은 종래의 CVD-Ti막 성막시의 TiCl4 분압과 동일한 정도이다. 또한, 융점은 TiCl2가 1035℃인 것에 반해 TiCl3에서는 425℃이며, TiCl3 쪽이 융점이 낮다. 따라서, TiCl3은 TiCl2에 비해 가스화되기 쉽고, 웨이퍼 W에 대해 기상 공급하기 쉽다고 하는 이점이 있으므로, TiCl3 쪽이 바람직하다.
상기 (1)식의 TiCl3 생성 반응은 425∼500℃의 범위에서 발생시키는 것이 바람직하다. 500℃를 초과하면 이하의 (3)에 나타내는 바와 같이, TiCl3이 TiCl2와 TiCl4로 열분해되어 버리고, 425℃ 미만에서는 TiCl3의 융점보다 낮아져 TiCl3 가스가 발생하기 어려워지기 때문이다．
2TiCl3→TiCl2+TiCl4 …(3)
TiCl3 생성 반응의 온도 의존성은 도 4와 같이 된다. 도 4는 횡축에 절대온도 T의 역수×1000의 값을 취하고, 종축에 반응의 속도(에칭 레이트) RE의 대수를 취하여, 각 온도에서의 에칭 레이트를 아레니우스 식에 의해 플로팅하여 구한 것이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 500℃에서 400℃ 부근까지는 직선으로 되고 일정한 활성화 에너지 Ea(=+0.76eV)를 나타내지만, 온도가 400℃ 부근보다 저하하면 에칭 레이트가 저하하고 있는 것을 알 수 있다. 　
반응 온도는, 예를 들면, Ti 함유부(2)를 가열하고, 원하는 반응 온도로 온도 제어하는 것에 의해 확보할 수 있다.
반응 온도가 500℃를 초과한 경우에는 상기 (2)식에 따라, Ti 전구체로서 TiCl2를 생성할 수 있다. 상기 (2)식은 상기 (1)식과 (3)식의 복합 반응이다. 구체적으로는 TiCl4와 Ti의 반응에서 생긴 TiCl3이 열분해에 의해 TiCl2로 되는 반응이다.
Ti 전구체를 웨이퍼 W상에 공급하고, 열 반응에 의해 Ti를 생성시킬 때에는 웨이퍼 W의 온도는 200∼800℃의 범위로 할 수 있고, 바람직하게는 350∼700℃이다.
또한, Ti 전구체를 웨이퍼 W상에 공급하고, 열 반응에 의해 Ti를 생성시키는 반응을 발생시킬 때에는 웨이퍼 W상에 TiCl2를 흡착시키는 것이 바람직하다. TiCl3은 Si에 흡착되기 어렵고, 또한 Cl이 탈리하기 어렵기 때문에, TiCl3을 그대로 웨이퍼 W에 흡착시켜 열분해에 의해 Ti를 생성시키는 것은 곤란하지만, TiCl2는 양자화학 계산상, TiCl3보다도 Si에 흡착되기 쉽고, 또 Cl의 배위수도 적기 때문에, Cl의 탈리가 더욱 용이해지기 때문이다．또한, TiCl2는 TiCl3보다도 Si와 반응하기 쉽고 TiSix를 생성하기 쉽다고 하는 이점도 있다. 이러한 관점에서, Ti를 생성시킬 때의 웨이퍼 W의 온도는 TiCl3이 분해하여 TiCl2로 되는 500℃초과인 것이 바람직하다. 즉, 500℃를 초과하면, 웨이퍼 W상에 TiCl3 가스를 공급한 경우에도, TiCl3의 분해가 생겨 TiCl2가 흡착되게 된다. 물론 TiCl2 가스가 공급된 경우에는 그대로 TiCl2 가스가 흡착된다. 더욱 바람직하게는 500℃초과∼650℃이다.
도 5는 웨이퍼의 Si 부분의 위에 Ti를 퇴적했을 때의 TiSi2막의 막두께의 온도 의존성을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 온도가 500℃ 근방 이하에서 TiSi2막의 막두께가 급격히 저하하는 것을 알 수 있다. 반대로, 600℃를 초과하면 막두께가 상승하고 있다.
종래, Ti막 성막시에는 성막원료로서 TiCl4를 이용하고 있었지만, TiCl4의 결합에너지는 17.32eV로 높고 이것을 분해하여 Ti를 생성하기 위해서는 플라즈마가 필요하였다. 이에 반해, TiCl3이나 TiCl2의 결합에너지의 절대값은 TiCl4의 결합에너지의 절대값보다도 작고, TiCl2에서 9.42eV이기 때문에, TiCl4를 전구체로 할 때에 필요하였던 플라즈마를 이용하지 않고, 열 반응에 의해 Ti를 생성할 수 있다. 이 때문에, 웨이퍼 W에 대해 플라즈마 데미지를 발생시키지 않고, Ti막 또는 TiSix막을 성막할 수 있다.
챔버(1)내에 공급하는 처리 가스는 염소함유 가스 단독이어도 좋고, 또한 반응 촉진을 위한 가스나 캐리어 가스 등의 다른 가스를 더한 것이라도 좋다. 예를 들면, 염소함유 가스로서 TiCl4를 이용한 경우에는 반응 촉진 가스로서 H2 가스를 더해도 좋고, 또한, 캐리어 가스로서 불활성 가스, 예를 들면, Ar 가스를 더해도 좋으며, 또한, TiCl4 가스에 H2 가스 및 캐리어 가스의 양쪽을 더해도 좋다. H2 가스를 더하는 것에 의해, 웨이퍼 W에 흡착시킨 TiCl2의 Cl을 더욱 저에너지로 탈리할 수 있고, Ti막의 성막을 촉진한다. 또한, H2 가스를 더하는 것에 의해 TiCl2Hx가 생성하고, 이것에 의해서 결합에너지의 절대값을 TiCl2에 비해 더욱 작게 할 수 있으며, 저에너지로 Ti막의 성막을 촉진한다.
Ti 함유부(2)는 TiCl4 가스 등의 염소함유 가스가 접촉하는 것에 의해 TiCl3 가스나 TiCl2 가스 등의 Ti 전구체 가스가 발생하는 한, 공급 경로(3)의 어떠한 위치에 배치되어 있어도 좋다. 예를 들면, 염소함유 가스를 공급하는 배관이나, 염소함유 가스를 챔버(1)내에 도입하는 가스 도입 기구, 예를 들면, 샤워헤드에 배치할 수도 있다. 그리고, Ti 함유부(2)의 형태도 막형상이어도 벌크형상이어도 상관없다. 또한, Ti 함유부(2)는 전형적으로는 Ti 단체로 구성되지만, TiCl3 가스나 TiCl2 가스 등의 Ti 전구체 가스가 발생하는 한, 다른 물질과의 혼합체나 화합물로 구성되어 있어도 좋다.
웨이퍼 W로서는, 예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같이, Si 기판(10)상에 층간 절연막(11)이 형성되고, 층간 절연막(11)에 Si 기판(10)의 불순물확산 영역(10a)에 도달하는 콘택트 홀(12)이 형성된 구조를 갖는 것을 이용할 수 있다. 이러한 구조의 웨이퍼 W에 Ti막(13)을 성막하는 것에 의해, 도 7에 나타내는 바와 같이, 콘택트 홀(12)의 바닥부에 Ti와 하지의 Si가 반응하여 TiSix, 예를 들면, TiSi2로 이루어지는 콘택트층(14)이 형성된다.
이 성막에 있어서는 염소함유 가스로서 TiCl4를 이용한 경우에, 도 8에 나타내는 바와 같이, Ti 전구체로서의 TiCl3이 웨이퍼 W 근방에서 열분해되어 생성한 TiCl2와, 미반응의 TiCl4가 웨이퍼 W상에 도달하는 것으로 되기 때문에, 층간 절연막(11)의 상면에서는 TiCl2가 열분해하여 Ti가 형성되어도 그 Ti가 TiCl4에 의해 에칭된다. 이 때문에, 종래의 플라즈마를 이용하는 성막 방법에 비해 얇은 Ti막이 성막된다. 그러나, 콘택트 홀(12)의 내부에서는 TiCl4는 서서히 소비되어 가기 때문에, 콘택트 홀(12)의 바닥부를 향함에 따라 TiCl4가 적어지고, TiCl2가 많아져, 콘택트 홀(12)의 바닥부에서는 종래의 플라즈마를 이용한 성막과 동등한 두께의 TiSi2막이 형성된다. 콘택트 홀(12)의 측벽에서는 TiCl4에 의한 Ti의 에칭은 발생하지만, TiCl4의 수가 적기 때문에, 에칭의 정도는 층간 절연막(11)의 상면보다도 작고, 상면보다도 두꺼운 Ti막이 성막된다. 종래의 플라즈마를 이용한 Ti막의 성막에 있어서는 콘택트 홀의 측벽에는 성막되기 어렵기 때문에, 콘택트 홀(12)의 측벽에서는 종래보다도 두꺼운 Ti막이 성막된다. 즉, 종래의 Ti막 성막보다도 양호한 스텝 커버리지로 Ti막을 성막할 수 있다.
또, 형성하는 막이 TiSix막이 아닌 Ti막인 경우에는 성막 후, 종래의 Ti막 성막 프로세스와 마찬가지로, Ti막의 산화 방지나 막박리 방지 등의 관점에서 성막된 Ti막에 대해 질화 처리를 실행해도 좋다.
종래의 플라즈마를 이용한 Ti막 성막에 있어서는 콘택트 홀의 측벽의 Ti막이 얇아지는 경향에 있고, 조건에 따라서는 도 9에 나타내는 바와 같이, 콘택트 홀 측벽에 Ti막이 성막되지 않는 경우가 있다. 이러한 경우에는 층간 절연막(11)의 상면의 Ti막(13)과 콘택트 홀(12)의 바닥부의 TiSix막으로 이루어지는 콘택트층(14)이 절연되기 때문에, 콘택트 홀(12)내에는 전자가 들어가지 않고, 플라즈마 중의 이온의 전하가 콘택트 홀(12)의 바닥부에 고이고, 전자 쉐이딩 효과(플라즈마 데미지)에 의해 소자가 파괴될 우려가 있다.
이에 반해, Ti와 TiCl4 등의 염소함유의 반응에서 생성된 Ti 전구체의 열 반응에 의한 Ti막의 성막에서는 도 10에 나타내는 바와 같이, 콘택트 홀(12)의 측벽에 Ti막(13)이 형성되기 때문에, 층간 절연막(11)의 상면의 Ti막(13)과 콘택트 홀(12)의 바닥부의 TiSix막으로 이루어지는 콘택트층(14)은 도통되어 있다. 이 때문에, 그 후에 플라즈마를 생성해도, 콘택트 홀(12)의 바닥부에 전자가 흐르고, 그 부분의 이온의 전하는 소멸하며, 플라즈마 데미지는 발생하기 어렵다.
이러한 것으로부터, 도중까지 Ti 전구체의 열 반응에 의한 Ti막의 일부의 성막을 실행한 후, 플라즈마를 이용하여 성막을 실행하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라, 플라즈마 데미지를 발생시키지 않고 성막을 촉진할 수 있다. 열에 의한 Ti막의 성막과 플라즈마에 의한 성막을 반복해도 좋다.
다음에, 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 설명한다.
이하의 실시형태에 있어서는 종래 이용되고 있던 Ti막의 성막 장치를 이용하여 본 발명을 실시하는 예에 대해 설명한다.
도 11은 본 발명의 구체적인 실시형태에 이용하는 성막 장치의 개략구성을 나타내는 단면도이다. 이 성막 장치(100)는 대략 원통형상의 챔버(21)를 갖고 있다. 챔버(21)의 내부에는 피처리 기판인 Si 웨이퍼 W를 수평으로 지지하기 위한 탑재대(스테이지)인 AlN으로 구성된 서셉터(22)가 그 중앙 하부에 마련된 원통형상의 지지 부재(23)에 의해 지지된 상태로 배치되어 있다. 서셉터(22)의 바깥가장자리부에는 웨이퍼 W를 가이드하기 위한 가이드 링(24)이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(22)에는 몰리브덴 등의 고융점 금속으로 구성된 히터(25)가 매립되어 있고, 이 히터(25)는 히터 전원(26)으로부터 전원공급 되는 것에 의해 피처리 기판인 웨이퍼 W를 소정의 온도로 가열한다. 서셉터(22)의 표면 근방에는 평행 평판 전극의 하부 전극으로서 기능하는 전극(28)이 매설되어 있으며, 이 전극(28)은 접지되어 있다.
챔버(21)의 천벽(21a)에는 절연 부재(29)를 거쳐서 평행 평판 전극의 상부 전극으로서도 기능하는 프리믹스 타입의 샤워헤드(30)가 가스 배관을 거쳐서 가스를 도입하는 가스 도입 기구로서 마련되어 있다. 샤워헤드(30)는 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)를 갖고 있으며, 샤워 플레이트(32)의 바깥둘레부는 점착 방지용의 원환형상을 이루는 중간부재(33)를 거쳐서 베이스 부재(31)에 도시하지 않은 나사에 의해 고정되어 있다. 샤워 플레이트(32)는 플랜지형상을 이루며, 그 내부에 오목부가 형성되어 있고, 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에 가스 확산 공간(34)이 형성되어 있다. 베이스 부재(31)는 그 바깥둘레에 플랜지부(31a)가 형성되어 있고, 이 플랜지부(31a)가 절연 부재(29)에 지지되어 있다. 샤워 플레이트(32)에는 복수의 가스 토출 구멍(35)이 형성되어 있고, 베이스 부재(31)의 중앙 부근에는 하나의 가스 도입 구멍(36)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 가스 도입 구멍(36)은 가스 공급 기구(40)의 가스 배관에 접속되어 있다.
가스 공급 기구(40)는 클리닝 가스인 ClF3 가스를 공급하는 ClF3 가스 공급원(41), Ti화합물 가스인 TiCl4 가스를 공급하는 TiCl4 가스 공급원(42), Ar 가스를 공급하는 Ar 가스 공급원(43), 환원 가스인 H2 가스를 공급하는 H2 가스 공급원(44), 질화 가스인 NH3 가스를 공급하는 NH3 가스 공급원(45), N2 가스를 공급하는 N2 가스 공급원(46)을 갖고 있다. 그리고, ClF3 가스 공급원(41)에는 ClF3 가스 공급 라인(47, 50b)이, TiCl4 가스 공급원(42)에는 TiCl4 가스 공급 라인(48)이, Ar 가스 공급원(43)에는 Ar 가스 공급 라인(49)이, H2 가스 공급원(44)에는 H2 가스 공급 라인(50)이, NH3 가스 공급원(45)에는 NH3 가스 공급 라인(50a), N2 가스 공급원(46)에는 N2 가스 공급 라인(50c)이 각각 접속되어 있다. 그리고, 각 가스 라인에는 매스플로 컨트롤러(52) 및 매스플로 컨트롤러(52)를 사이에 두고 2개의 밸브(51)가 마련되어 있다.
TiCl4 가스 공급원(42)으로부터 연장하는 TiCl4 가스 공급 라인(48)에는 ClF2 가스 공급원(41)으로부터 연장하는 ClF3 가스 공급 라인(47) 및 Ar 가스 공급원(43)으로부터 연장하는 Ar 가스 공급 라인(49)이 접속되어 있다. 또한, H2 가스 공급원(44)으로부터 연장하는 H2 가스 공급 라인(50)에는 NH3 가스 공급원(45)으로부터 연장하는 NH3 가스 공급 라인(50a), N2 가스 공급원(46)으로부터 연장하는 N2 가스 공급 라인(50c) 및 ClF3 가스 공급원(41)으로부터 연장하는 ClF3 가스 공급 라인(50b)이 접속되어 있다. TiCl4 가스 공급 라인(48) 및 H2 가스 공급 라인(50)은 가스 혼합부(67)에 접속되고, 거기서 혼합된 혼합 가스가 가스 배관(68)을 거쳐서 상기 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. 그리고, 혼합 가스는 가스 도입 구멍(36)을 경유해서 가스 확산 공간(34)에 이르고, 샤워 플레이트(32)의 가스 토출 구멍(35)을 통해 챔버(21)내의 웨이퍼 W를 향해 토출된다. 또, TiCl4 가스 공급 라인(48) 및 H2 가스 공급 라인(50)의 가스 혼합부(67)의 상류측에는 각각 밸브(75 및 76)가 마련되어 있다.
샤워헤드(30)에는 정합기(53)를 거쳐서 고주파 전원(54)이 접속되어 있고, 이 고주파 전원(54)으로부터 샤워헤드(30)에 고주파 전력이 공급되도록 되어 있다. 고주파 전원(54)으로부터 고주파 전력을 공급하는 것에 의해, 샤워헤드(30)를 통하여 챔버(21)내에 공급된 가스를 플라즈마화하여 성막 처리를 실행한다.
또한, 샤워헤드(30)의 베이스 부재(31)에는 샤워헤드(30)를 가열하기 위한 히터(65)가 마련되어 있다. 이 히터(65)에는 히터 전원(66)이 접속되어 있고, 히터 전원(66)으로부터 히터(65)에 급전하는 것에 의해 샤워헤드(30)가 원하는 온도로 가열된다. 베이스 부재(31)의 상부에 형성된 오목부에는 히터(65)에 의한 가열 효율을 올리기 위해 단열 부재(69)가 마련되어 있다.
챔버(21)의 저벽(21b)의 중앙부에는 원형의 구멍(55)이 형성되어 있고, 저벽(21b)에는 이 구멍(55)을 덮도록 아래쪽을 향해 돌출된 배기실(56)이 마련되어 있다. 배기실(56)의 측면에는 배기관(57)이 접속되어 있고, 이 배기관(57)에는 배기 장치(58)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(58)를 작동시키는 것에 의해 챔버(21)내를 소정의 진공도까지 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.
서셉터(22)에는 웨이퍼 W를 지지하여 승강하기 위한 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지핀(59)이 서셉터(22)의 표면에 대해 위 아래로 이동 가능하게 마련되고, 이들 웨이퍼 지지핀(59)은 지지판(60)에 지지되어 있다. 그리고, 웨이퍼 지지핀(59)은 에어 실린더 등의 구동 기구(61)에 의해 지지판(60)을 거쳐서 승강된다.
챔버(21)의 측벽에는 챔버(21)와 인접해서 마련된 도시하지 않은 웨이퍼 반송실과의 사이에서 웨이퍼 W의 반입 반출을 실행하기 위한 반입출구(62)와, 이 반입출구(62)를 개폐하는 게이트밸브(63)가 마련되어 있다.
챔버(21)의 벽부, 배기실(56)의 벽부, 배기관(57) 및 게이트밸브(63)에는 각각 히터(81, 82, 83, 84)가 매설되어 있다. 이들 히터에는 히터 전원(85)이 접속되고, 히터 전원(85)으로부터 이들 히터에 급전하는 것에 의해, 챔버(21)의 벽부, 배기실(56)의 벽부, 배기관(57), 및 게이트밸브(63)가 소정의 온도로 가열되도록 되어 있다.
성막 장치(100)의 구성부인 히터 전원(26 및 66), 밸브(51), 매스플로 컨트롤러(52), 정합기(53), 고주파 전원(54), 구동 장치(61) 등은 마이크로 프로세서(컴퓨터)를 구비한 제어부(70)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 또한, 제어부(70)에는 오퍼레이터가 성막 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 실행하는 키보드나 터치 패널, 성막 장치(100)의 가동 상황을 가시화해서 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 유저 인터페이스(71)가 접속되어 있다. 또한, 제어부(70)에는 성막 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 제어부(70)의 제어로 실현하기 위한 프로그램이나, 처리 조건에 따라 성막 장치(100)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램, 즉, 처리 레시피가 저장된 기억부(72)가 접속되어 있다. 처리 레시피는 기억부(72) 중의 기억 매체(72a)에 기억되어 있다. 기억 매체는 하드 디스크 등의 고정적인 것이라도 좋고, CDROM, DVD 등의 휴대 가능한 것이라도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예를 들면, 전용 회선을 거쳐서 레시피를 적절히 전송시키도록 해도 좋다. 그리고 필요에 따라, 유저 인터페이스(71)로부터의 지시 등으로 임의의 처리 레시피를 기억부(72)로부터 호출해서 제어부(70)에 실행시킴으로써, 제어부(70)의 제어 하에 성막 장치(100)에서의 원하는 처리가 실행된다.
다음에, 이상과 같은 성막 장치(100)에 있어서의 본 실시형태에 관한 Ti막의 성막 방법에 대해 도 12의 흐름도를 참조하면서 설명한다.
우선, 웨이퍼 W를 반입하는 것에 앞서, 챔버(21)내에 웨이퍼 W가 존재하지 않는 상태에서, 샤워헤드(30)에 대한 Ti막 성막 처리를 실행한다(공정 11). 이 샤워헤드(30)에의 Ti막 성막 처리는 웨이퍼 W에의 Ti막 성막일 때에 이용되는 Ti 함유부를 형성하기 위한 처리이며, 종래의 플라즈마를 이용한 Ti막 성막과 마찬가지의 조건에서 실행된다.
즉, 챔버(21)내를 진공으로 유지한 상태에서, 샤워헤드(30)를 통하여 TiCl4 가스, H2 가스, 및 캐리어 가스로서의 Ar 가스를 도입하면서, 고주파 전원(54)으로부터 샤워헤드(30)에 고주파 전력을 인가하는 것에 의해, 이들 가스를 플라즈마화하고, 도 13에 나타내는 바와 같이, 샤워헤드(30)의 표면(외면)에 Ti막(101)을 성막한다. 이 때, 샤워헤드(30)의 온도는 200∼620℃의 범위, 바람직하게는 400∼620℃의 범위, 예를 들면, 480℃로 한다. 이 때, 샤워헤드(30)에 성막되는 Ti막의 막두께는 샤워헤드(30)의 온도에 따라 크게 변화하기 때문에, Ti막의 막두께가 크게 변화하지 않도록 30℃의 범위내, 예를 들면, 450∼480℃의 범위내로 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 또, 여기서의 샤워헤드 온도는 샤워헤드(30)의 표면의 온도이며, 이 온도는 히터(65)의 설정 온도를 조정하는 것에 의해 제어된다.
공정 11에 있어서의 다른 조건의 바람직한 범위는 다음과 같다.
i) 고주파 전원(54)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300㎑∼27㎒
파워: 100∼1500W
ii) TiCl4 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 1∼100mL/min(sccm), 바람직하게는 4∼50mL/min(sccm)
단위 면적당: 1.415×10-5∼1.415×10-3mL/min/㎟(sccm/㎟), 바람직하게는 5.66×10-5∼7.075×10-4mL/min/㎟(sccm/㎟)
iii) Ar 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 100∼2000mL/min(sccm), 바람직하게는 500∼1800mL/min(sccm)
단위면적당: 1.415×10-3∼2.831×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟), 바람직하게는 7.077×10-3∼2.547×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
iv) H2 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 250∼5000mL/min(sccm), 바람직하게는 2000∼5000mL/min(sccm)
단위면적당 : 3.539×10-3∼7.077×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟), 바람직하게는 2.831×10-2∼7.077×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
v) 챔버내 압력 : 400∼1333Pa(3∼10Torr), 바람직하게는 400∼1067Pa(3∼8Torr)
또, 성막 시간은 성막하려고 하는 막두께에 따라 적절히 설정하면 좋다. 예를 들면, 성막 시간 15∼90sec정도에서 4∼20㎚ 정도의 막두께가 얻어진다.
다음에, 고주파 전원(54)을 오프로 하여 플라즈마를 정지하고, 가스의 공급을 정지하여, 챔버(21)내를 퍼지한 후, 게이트밸브(63)를 열어 도시하지 않은 반송 기구에 의해 웨이퍼 W를 챔버(21)내에 반입하고, 서셉터(22)상에 탑재한다(공정 12). 웨이퍼 W로서는, 예를 들면, 상술한 도 6에 나타내는 바와 같이, Si 기판(10)상에 층간 절연막(11)이 형성되고, 층간 절연막(11)에 Si 기판(10)의 불순물 확산 영역(10a)에 도달하는 콘택트 홀(12)이 형성된 구조를 갖는 것을 이용한다.
다음에, 플라즈마를 이용하지 않고 열에 의해 웨이퍼 W 표면에 Ti를 퇴적한다(공정 13).
이 공정 13에서는 우선, 챔버(21)내를 소정의 압력으로 한 상태에서, 챔버(21)내에 샤워헤드(30)를 통하여 염소함유 가스로서의 TiCl4 가스, 반응 촉진 가스로서의 H2 가스, 캐리어 가스로서의 Ar 가스를 도입한다(공정 13-1).
이들 가스는 샤워 플레이트(32)에 마련된 가스 토출 구멍(35)으로부터 챔버(21)내에 토출되지만, 샤워헤드(30)의 표면(외면)에는 Ti 함유부로서의 Ti막(101)이 형성되어 있고, 이들 가스를 가스 토출 구멍(35)으로부터 토출할 때에, 도 14에 나타내는 바와 같이, 염소함유 가스로서의 TiCl4 가스를 Ti막(101)에 접촉시키고, TiCl4 가스와 Ti를 반응시킨다(공정 13-2). 즉, Ti 함유부인 Ti막(101)이 TiCl4 가스의 공급 경로에 형성되어 있기 때문에, TiCl4 가스를 챔버(21)내에 공급할 때에 TiCl4 가스가 Ti막(101)에 접촉하여, TiCl4 가스와 Ti막(101)이 반응한다.
이 반응은 200∼800℃의 범위에서 발생시킬 수 있고, 400∼600℃의 범위가 바람직하다. 따라서, 샤워헤드(30)의 온도를 이 범위의 온도로 가열 제어하는 것이 바람직하다.
이 반응에 의해 Ti 전구체 가스가 생긴다. 본 실시형태와 같이, 염소함유 가스로서 TiCl4 가스를 이용하는 경우에는 Ti 전구체 가스로서, 전술한 바와 같이, (1) 또는 (2)의 반응에 의해, TiCl3 가스 또는 TiCl2 가스가 생성된다. 상술한 바와 같이, TiCl3은 TiCl2에 비해 가스화되기 쉽고, 웨이퍼 W에 대해 기상 공급하기 쉽다고 하는 이점이 있으므로, TiCl3 쪽이 바람직하고, 그를 위해서는 히터(65)에 의해, 상기 (1)식의 TiCl3 생성 반응에 있어서 바람직한 온도인 425∼500℃의 범위에서 샤워헤드(30)를 가열하는 것이 바람직하다. Ti 전구체로서 TiCl2를 생성하는 경우에는 샤워헤드(30)를 500℃초과로 가열하면 좋다.
이 때, TiCl4와의 반응에 의한 Ti막(101)의 에칭 레이트는 샤워헤드(30)의 온도에 따라 크게 변화하기 때문에, 에칭 레이트가 크게 변화하지 않도록 샤워헤드(30)의 온도를 30℃의 범위내, 예를 들면, 450∼480℃의 범위내로 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 또, 여기에서의 샤워헤드 온도도 샤워헤드(30)의 표면의 온도이다.
샤워헤드(30)의 온도는 공정 11의 Ti막(101)을 성막할 때와, 공정 13-2의 TiCl4 가스와 Ti를 반응시킬 때에서 동일한 온도로 하는 것이 바람직하고, 공정 13-2일 때의 바람직한 온도범위인 425∼500℃의 범위의 동일한 온도에서 샤워헤드(30)를 제어하는 것이 바람직하다.
TiCl4 가스와 Ti막(101)의 반응에 의해 생성된 Ti 전구체 가스를 소정 온도로 가열된 웨이퍼 W상에 공급하고, 열 반응에 의해 Ti를 생성시키며, 웨이퍼 W상에 Ti를 퇴적시킨다(공정 13-3). 이 때, 서셉터(22)내의 히터(25)에 의해 웨이퍼 W를 소정 온도로 가열해 두는 것에 의해, 웨이퍼 W상에 도달한 Ti 전구체로부터 열 반응에 의해 Cl이 탈리하고, 플라즈마를 이용하지 않고 Ti가 생성되며, 웨이퍼 W상에 Ti막이 형성된다(공정 13-3). 퇴적된 Ti는 그대로 Ti막으로 되거나, 또는 하지가 Si(Si 기판 또는 폴리 실리콘)로서 소정의 조건하에서는 Si와의 반응에 의해 TiSi막으로 된다.
이 때, 웨이퍼 W의 온도는, 상술한 바와 같이, 200∼800℃의 범위로 할 수 있고, 바람직하게는 350∼700℃이다.
상술한 바와 같이, 열 반응에 의해 Ti를 생성할 때에는 TiCl3보다도 Si에 흡착되기 쉽고, Cl이 탈리하기 쉬우며, Si와의 반응성도 양호한 TiCl2를 웨이퍼 W상에 흡착시켜 실행하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서는 웨이퍼 W의 온도를 TiCl2가 생성하기 쉬운 500℃초과로 하는 것이 바람직하다. 500℃를 초과하면, 웨이퍼 W상에 TiCl3 가스를 공급한 경우에도, TiCl3의 분해가 발생하여 TiCl2가 흡착하게 된다. 더욱 바람직하게는 500℃초과∼650℃이다. 또, 통상, 웨이퍼 온도는 직접 측정할 수 없기 때문에, 서셉터 온도를 측정하고, 그 값으로부터 웨이퍼 온도를 파악한다. 서셉터 온도와 웨이퍼 온도의 관계는 챔버내의 압력에 따라서도 다르지만, 웨이퍼 온도는 서셉터 온도보다도 5∼50℃정도 낮다.
이상으로부터, 공정 13에서는 샤워헤드(30)의 온도를 425∼500℃로 설정하여, Ti 전구체 가스를 TiCl3 가스를 주체로 하는 것으로 하고, 웨이퍼 W의 온도를 500℃ 초과로 하여, 웨이퍼 W에 공급된 TiCl3 가스를 TiCl2 가스로 분해하여 웨이퍼 W상에 흡착시키고, 열 반응에 의해 TiCl2로부터 Cl을 탈리시켜 웨이퍼 W상에 Ti를 생성하도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 하여 Ti를 생성시킬 때에, Ti 전구체 가스와 함께 H2 가스가 공급되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 웨이퍼 W에 흡착된 TiCl2 가스의 Cl을, 이하의 (4)식에 나타내는 반응에 의해 HCl로서 이탈시킬 수 있으므로, 저에너지로 Ti를 생성시킬 수 있고, Ti의 퇴적이 촉진된다.
TiCl2+H2→Ti+2HCl…(4)
공정 13에 있어서의 다른 조건의 바람직한 범위는 다음과 같다.
I) TiCl4 가스 유량
300㎜ 웨이퍼 : 1∼100mL/min(sccm), 바람직하게는 4∼50mL/min(sccm)
단위면적당: 1.415×10-5∼1.415×10-3mL/min/㎟(sccm/㎟), 바람직하게는 5.66×10-5∼7.075×10-4mL/min/㎟(sccm/㎟)
iii) Ar 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 100∼2000mL/min(sccm), 바람직하게는 500∼1800mL/min(sccm)
단위면적당: 1.415×10-3∼2.831×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟), 바람직하게는 7.077×10-3∼2.547×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
iv) H2 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 250∼5000mL/min(sccm), 바람직하게는 2000∼5000mL/min(sccm)
단위면적당: 3.539×10-3∼7.077×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟), 바람직하게는 2.831×10-2∼7.077×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
v) 챔버내 압력: 1.33∼1333Pa(0.1∼10Torr), 바람직하게는 400∼1067Pa(3∼8Torr)
또, 성막 시간은 성막하려고 하는 막두께에 따라 적절히 설정하면 좋다. 예를 들면, Ti막의 막두께는 1∼10㎚ 정도이며, 그 때의 성막 시간은 1∼90sec 정도이다.
이렇게 하여 웨이퍼 W 표면에 Ti막 또는 TiSix막을 성막한 후, 가스의 공급을 정지하고, 챔버(21)내를 퍼지한 후, 게이트밸브(63)를 열어 도시하지 않은 반송 기구에 의해 웨이퍼 W를 챔버(21)로부터 반출한다(공정 14).
다음에, 챔버(21)내에 웨이퍼 W가 존재하지 않는 상태에서, 챔버(21)내의 질화 처리를 실행한다(공정 15). 이 질화 처리는 샤워헤드(30) 표면 및 서셉터(22) 표면에 성막된 Ti막이 벗겨져 파티클로 되는 것을 방지하기 위해 실행된다.
이 질화 처리에서는 챔버(21)내(챔버 벽이나 샤워헤드 표면 등)를 적절한 온도로 가열하면서, 질화 가스로서 NH3 가스를 H2 가스 및 Ar 가스와 함께 흘리고, 고주파 전원(54)으로부터 샤워헤드(30)에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스를 플라즈마화하고, 플라즈마화한 처리 가스에 의해 챔버(21)의 내벽이나 샤워헤드(30) 표면, 서셉터(22) 표면에 성막된 Ti막의 표면을 질화한다.
질화 처리의 바람직한 조건은 다음과 같다.
i) 고주파 전원(54)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300㎑∼27㎒
파워: 100∼1500W
ii) NH3 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 100∼2000mL/min(sccm)
단위면적당: 1.415×10-3∼2.831×10-3mL/min/㎟(sccm/㎟)
iii) Ar 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 100∼2000mL/min(sccm)
단위면적당: 1.415×10-3∼2.831×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
iv) H2 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 250∼5000mL/min(sccm)
단위면적당 : 3.539×10-3∼7.077×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
v) 챔버내 압력: 400∼1333Pa(3∼10Torr)
vi) 샤워헤드 온도: 250∼600℃
vii) 서셉터 온도: 350∼700℃
질화 처리는 플라즈마를 이용하지 않고 실행할 수도 있다. 그 때의 바람직한 조건은 다음과 같다.
I) NH3 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 100∼2000mL/min(sccm)
단위면적당: 1.415×10-3∼2.831×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
ii) Ar 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 100∼2000mL/min(sccm)
단위면적당: 1.415×10-3∼2.831×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
iii) H2 가스 유량
300㎜ 웨이퍼: 250∼5000mL/min(sccm)
단위면적당: 3.539×10-3∼7.077×10-2mL/min/㎟(sccm/㎟)
iv) 챔버내 압력: 1.33∼1333Pa(0.1∼10Torr)
vi) 샤워헤드 온도: 250∼600℃
vii) 서셉터 온도: 350∼700℃
이상에 의해 1개의 웨이퍼에 대한 Ti막 성막을 위한 일련의 공정이 종료한다. 그리고, 복수의 웨이퍼 W에 대해 이들 공정 11∼15를 반복한다. 소정 개수의 웨이퍼 W에 대해 Ti막 성막을 실행한 후, 챔버(21)에 웨이퍼 W가 존재하지 않는 상태에서, 챔버(21)내에 클리닝 가스인 ClF3 가스를 도입하여 챔버(21)내의 클리닝을 실행한다. 클리닝 후, 챔버(21)내를, 예를 들면, TiN막에서 프리코트하고, 상기 웨이퍼 처리 공정을 반복한다.
본 실시형태에 의하면, 서셉터(22)상의 웨이퍼 W에 대해, 샤워헤드(30)의 표면에 형성된 Ti막(101)에 염소함유 가스로서의 TiCl4를 접촉시켜 이들을 반응시키고, 이에 따라 생성한 Ti 전구체로서 TiCl3 가스나 TiCl2 가스를 이용하므로, TiCl4를 전구체로 한 경우에 비해 저에너지로 Cl을 탈리시켜 Ti를 생성할 수 있다. 따라서, 플라즈마를 이용하지 않고 열 반응만으로 Ti를 퇴적할 수 있고, 웨이퍼 W에 대해 플라즈마 데미지를 발생시키지 않고 Ti막 또는 TiSix막을 성막할 수 있다.
또한, 샤워헤드(30)의 표면에 기존의 Ti막의 성막 방법과 마찬가지의 방법으로 Ti막을 성막하고, 샤워헤드(30) 표면의 Ti막과 종래부터 성막 가스로서 이용하고 있는 TiCl4를 반응시키는 것에 의해 Ti 전구체를 생성하여 웨이퍼 W상에 Ti를 퇴적하므로, 기존의 장치 및 종래와 마찬가지의 가스를 이용하여 플라즈마를 생성시키지 않고 Ti막 성막 또는 TiSix막 성막을 실현할 수 있다.
형성하는 막이 TiSix막이 아닌 Ti막인 경우에는 상기 공정 13의 Ti퇴적 처리 후, 상술한 바와 같이, 얻어진 Ti막의 산화 방지 및 막박리 방지 등의 관점에서 성막된 막에 대해 질화 처리를 실행해도 좋다. 이 때, 성막 흐름은 도 15의 흐름도에 나타내는 바와 같이 된다. 즉, 상술한 바와 같이 해서 공정 11∼13을 실행한 후, Ti막의 질화 처리(공정 16)를 실행하고, 공정 14의 웨이퍼 W의 반출을 실행한다. 이와 같이 성막 후에 질화 처리를 실시한 경우에는 상기 공정 15의 챔버(21)내의 질화 처리는 불필요하다. 이 때의 공정 16의 질화 처리는 상기 공정 15의 샤워헤드(30) 등의 질화 처리와 마찬가지의 조건에서 실행할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 성막 방법의 경우에는 콘택트 홀에 대해 양호한 스텝 커버리지로 Ti막을 퇴적할 수 있고, 콘택트 홀의 측벽에도 충분히 Ti막이 형성되므로, 상기 공정 13에 의해 소정 시간 웨이퍼 W 표면에 Ti막의 성막을 실행한 후이면, 플라즈마를 생성해도 쉐이딩 효과에 의한 플라즈마 데미지가 발생하지 않는다. 이 때문에, 도 16의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 공정 13에 의해 측벽에 콘택트 홀 바닥부에의 도통을 확보할 수 있는 정도의 두께로 Ti를 퇴적한 후, 고주파 전원(54)으로부터 고주파 전력을 샤워헤드(30)에 인가하여 챔버(21)내에 생성한 플라즈마에 의해 Ti를 퇴적하는 공정(공정 17)을 실행하도록 할 수 있다. 이에 따라, 성막반응을 촉진시켜 성막 시간을 단축시킬 수 있다. 이 때, 고주파 전력의 파워는 100∼1500W인 것이 바람직하다.
또한, 도 17의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 이러한 공정 17 후에 공정 16의 질화 처리를 실행해도 좋다.
또한, 도 18의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 공정 17의 플라즈마에 의한 Ti의 퇴적 후, 공정 13과 마찬가지의 조건에서, 플라즈마를 이용하지 않고 열에 의해 Ti를 퇴적할 수도 있다(공정 18). 이것은 공정 17과 같이 플라즈마에 의해 Ti를 퇴적할 때에 샤워헤드(30)의 표면에 Ti막이 부착되기 때문에, 플라즈마레스에서의 Ti 퇴적이 가능하게 되기 때문이다．공정 17과 공정 18은 복수회 반복해도 좋다.
도 19, 도 20의 흐름도에서는 도 18의 공정 18 후에 공정 16의 Ti막의 질화 처리를 실행하는 예를 나타내고 있다. 도 19와 같이 공정 17, 공정 18 및 공정 16은 복수회 반복해도 좋다. 또한, 도 20과 같이 공정 17 및 공정 18만을 복수회 반복해도 좋다. 물론, 이들 반복은 실행하지 않아도 좋다.
상기 공정 11에 있어서는 샤워헤드(30)의 외측의 표면에 Ti막을 형성했지만, 이 경우에는 샤워헤드(30)와 서셉터(22) 중의 전극(28)의 사이에 고주파 전계를 형성하여 챔버(21)내에 플라즈마를 생성하는 관계상, 서셉터(22)상에도 Ti막이 성막된다고 하는 불합리가 있다. 이것을 피하기 위해서는 예를 들면, 도 21a에 나타내는 바와 같이, 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에 절연 부재(110)를 배치하고, 고주파 전원(54)으로부터 베이스 부재(31)에 고주파 전력을 인가했을 때에, 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에 고주파 전계가 형성되도록 하고, 가스 확산 공간(34)에 플라즈마가 생성되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 도 21B에 나타내는 바와 같이, 샤워헤드(30)의 내면에 Ti막(102)을 형성할 수 있고, 서셉터(22)에 Ti막이 성막되는 것을 회피할 수 있다. 또한, 이와 같이 샤워헤드(30)의 내면에 형성된 Ti막(102)은 TiCl4 가스의 공급 경로에 존재하고 있기 때문에, TiCl4 가스가 Ti막(102)에 접촉해서 반응한다. 이에 따라, Ti 전구체 가스가 생성하고, 플라즈마를 이용하지 않고 웨이퍼 W 표면에 Ti막을 성막할 수 있다.
이 경우에, 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)내에 플라즈마를 형성하기 위해서는 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에서 방전이 발생하는 것이 필요하지만, 파셴의 법칙으로부터, 평행한 전극간에서 불꽃 방전이 발생하는 전압 V는 가스압 p(Torr)와 전극의 간격 d(m)의 곱의 함수(V=f(pd))이며, 그 관계는 도 22와 같으며, 가스압이 5Torr로 하면 2㎜ 이상에서 방전한다. 실제의 프로세스의 압력을 감안하면, 유효하게 방전시키기 위해서는 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32) 사이의 거리 D1이 10∼30㎜인 것이 바람직하다.
한편, 절연 부재(110)의 표면에 Ti막이 형성되어 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이가 도통하면, 가스 확산 공간(34)에 방전이 생기지 않게 되기 때문에, 절연 부재(110)의 가스 확산 공간(34)에 임하는 면에 오목부(110a)를 형성하여, 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 도통을 회피하는 것이 바람직하다. 이 때, 오목부(110a)의 거리 D2는 파셴의 법칙으로부터, 그 안에 방전이 돌아 들어가지 않는 값으로 하는 것이 바람직하며, 1∼3㎜가 바람직하다.
또한, 이와 같이 하여 가스 확산 공간(34)에 플라즈마를 생성하여 샤워헤드(30)의 내면에 Ti막(102)을 형성하는 것에 부가해서, 도 16∼도 20에 나타내는 흐름과 같이, 웨이퍼 W에의 Ti막 퇴적시에 챔버(21)내에 플라즈마를 생성하는 것을 가능하게 하기 위해서는 도 23에 나타내는 바와 같은 구성의 성막 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 도 23의 성막 장치는 고주파 전원(54)에 의해, 가스 확산 공간(34)내에의 플라즈마 생성과, 챔버(21)내에의 플라즈마 생성으로 선택적으로 실행할 수 있도록, 베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에 절연 부재(110)를 배치한 후에, 고주파 전원(54)을 베이스 부재(31) 및 샤워 플레이트(32) 중 어디에도 접속 가능으로 하고, 샤워 플레이트(32)에의 접속을 스위치(112)로 접속 이탈 가능하게 하고 있다. 구체적으로는 가스 확산 공간(34)에만 플라즈마를 생성하는 경우에는 스위치(112)에 의해 고주파 전원(54)의 베이스 부재(31)에의 접속을 차단하고, 챔버(21)내에도 플라즈마를 생성하는 경우에는 스위치(112)에 의해 고주파 전원(54)이 베이스 부재(31)에도 접속하도록 한다.
베이스 부재(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에 고주파 전계를 형성하여 플라즈마를 생성하는 대신에, 도 24에 나타내는 바와 같이, 가스 배관(68)에 리모트 플라즈마원(105)을 접속하여, 리모트 플라즈마원(105)으로부터의 플라즈마에 의해 Ti막을 성막해도 좋다. 이 경우에는 샤워헤드(30)의 내면 이외에, 샤워헤드(30)로부터 공급측의 가스 배관(68)에도 Ti막이 성막된다.
또한, 이상의 실시형태와 같이, 공정 11을 실행하여 샤워헤드(30)에 Ti막을 성막하는 대신에, 미리 TiCl4 가스의 공급 경로, 예를 들면, 샤워헤드(30)나 배관에 Ti함유 부재를 배치해도 좋다.
예를 들면, 도 25의 예에서는 샤워헤드(30)의 베이스 부재(31)의 가스 확산 공간(34)에 TiCl4 가스를 도입하는 부분에 가스 도입 구멍(36)에 연속하도록 Ti함유 부재(103)가 끼워 넣어져 있다. 이 예에서는 TiCl4 가스는 가스 배관(68), 가스 도입 구멍(36) 및 Ti함유 부재(103)를 통하여 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)에 도입되지만, NH3 가스, H2 가스 등은 별도의 배관(133) 및 가스 도입 구멍(140)을 통하여 가스 확산 공간(34)에 도입된다.
Ti 함유 부재(103)는 도 26의 사시도에 나타내는 바와 같이, 원반부(121)와, 원반부(121)의 하부에 마련된 복수의 가스 통류 구멍(122a)을 갖는 플랜지부(122)를 갖고 있으며, 플랜지부(122)에 마련된 나사 구멍(122b)에 나사를 삽입하여, 베이스 부재(31)의 하면에 나사로 고정되도록 되어 있다. 원반부(121)는 Ni와 같은 내열성 및 내식성이 높은 금속으로 이루어지는 원통형상을 이루는 베이스(123)와, 그 내측 공간에 배치된 Ti부재 배치부(124)를 갖고 있다. Ti 부재 배치부(124)는 TiCl4 가스가 통류 가능한 상태에서 Ti부재가 배치되어 구성되어 있다. 즉, Ti부재 배치부(124)는 입상(粒狀)의 Ti부재가 공간에 충전되어 있거나, 메쉬(Mesh)형상의 Ti부재가 배치되어 있거나, 또는 허니컴형상 등의 통기 가능한 상태의 Ti부재가 배치되어 있다. 이 때문에, 가스 배관(68)으로부터 가스 도입 구멍(36)을 경유해서 Ti함유 부재(103)에 공급된 TiCl4 가스는 히터(65)에 의해 소정의 온도로 가열되어 있는 Ti부재 배치부(124)내를 통류하고, 그 사이에 Ti부재에 접촉하여, Ti와 반응한다. 그리고, 이 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스가 가스 통류 구멍(122a)을 통과해서 가스 확산 공간(34)에 이르고, 가스 토출 구멍(35)을 경유해서 챔버(21)내에 도입된다.
도 27은 Ti함유 부재(103)를 마련한 경우의 가스 공급 배관의 바람직한 예를 나타내는 도면이다. TiCl4 가스를 샤워헤드(30)에 공급하는 가스 배관(68)의 샤워헤드(30)의 근방에는 TiCl4 가스 역류 방지를 위한 역류 방지 배관(131)이 접속되어 있고, 가스 배관(68)의 역류 방지 배관(131) 접속부의 상류측에는 캐리어 가스 배관(132)이 접속되어 있다. 가스 배관(68)에 있어서의 캐리어 가스 배관(132) 접속부의 상류측 및 캐리어 가스 배관(132) 접속부와 역류 방지 배관(131) 접속부의 사이에는 각각 개폐 밸브(135a 및 135b)가 마련되어 있다. 역류 방지 배관(131)에는 역류 방지 가스로서, 예를 들면, Ar 가스가 통류되도록 되어 있다. 역류 방지 배관(131)에는 개폐 밸브(136)가 마련되어 있다. 또한, 캐리어 가스 배관(132)에는 캐리어 가스로서, 예를 들면, Ar 가스가 공급되도록 되어 있고, 이 캐리어 가스 배관(132)에 공급된 캐리어 가스를 가스 배관(68)에 공급 가능하게 되어 있다. 캐리어 가스 배관(132)의 도중으로부터는 샤워헤드(30)의 베이스 부재(31)에 이르는 가스 배관(133)이 분기해서 연장되어 있고, 베이스 부재(31)의 가스 배관(133) 접속부에는 가스 도입 구멍(140)이 형성되어 있다. 캐리어 가스 배관(132)에는 가스 배관(133) 접속부의 전후에 개폐 밸브(137a 및 137b)가 마련되어 있다. 또한, 가스 배관(133)에는 가스 배관(134)이 접속되어 있고, 가스 배관(134)에는 NH3 가스, H2 가스, Ar 가스, N2 가스가 공급되고, 이들 가스는 가스 배관(134)을 통하여 가스 배관(133)에 이르고, 또한 가스 도입 구멍(140)을 통하여 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)에 도입되도록 되어 있다. 가스 배관(133)의 가스 배관(134) 접속부의 상류측에는 개폐 밸브(138)가 마련되어 있다. 또한, 가스 배관(134)에는 개폐 밸브(139)가 마련되어 있다. 가스 배관(68)에 공급된 TiCl4 가스는 캐리어 가스 배관(132), 가스 배관(133), 및 가스 도입 구멍(140)을 통하여 Ti함유 부재(103)를 바이패스하여 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)에 도입하는 것이 가능하게 되어 있다.
TiCl4 가스를 가스 도입 구멍(36)을 거쳐서 Ti함유 부재(103)에 흘리는 경우에는 개폐 밸브(135a, 135b, 136, 137a, 137b)를 열고, 캐리어 가스를 공급하면서 TiCl4 가스를 가스 배관(68)에 흘린다. 이 때, NH3 가스, H2 가스, Ar 가스, N2 가스의 적어도 하나가 개폐 밸브(138)가 닫히고, 개폐 밸브(139)가 열린 상태에서, 가스 배관(134, 133) 및 가스 도입 구멍(140)을 통하여 가스 확산 공간(34)에 도입된다. 또한, TiCl4 가스를 가스 배관(133) 및 가스 도입 구멍(140)을 통하여 다른 가스와 함께 가스 확산 공간(34)에 도입하는 경우에는 개폐 밸브(135b, 137b)를 닫고, 개폐 밸브(135a, 136, 137a, 138, 139)를 연 상태로 한다.
또한, TiCl4 가스의 공급 경로로서 배관에 Ti함유 부재를 배치하는 예로서는, 도 28에 나타내는 바와 같이, 가스 배관(68)의 도중에 Ti함유 부재(104)가 배치되어 있는 것을 들 수 있다. 이 예에서는 TiCl4 가스는 가스 배관(68)의 도중의 Ti함유 부재(104)를 통과한 후, 또한 가스 배관(68) 및 가스 도입 구멍(36)을 통하여 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)에 도입되지만, NH3 가스, H2 가스 등은 별도의 배관(153) 및 가스 도입 구멍(160)을 통하여 가스 확산 공간(34)에 도입된다.
Ti 함유 부재(104)는, 도 29의 사시도에 나타내는 바와 같이, Ni와 같은 내열성 및 내식성이 높은 금속으로 이루어지는 대략 원통형상을 이루는 베이스 부재(141)와, 베이스 부재(141)의 바깥둘레측에 매립된 카트리지 히터(142)와, 베이스 부재(141)의 내측공간에 배치된 Ti부재 배치부(143)를 갖고 있다. Ti 부재 배치부(143)는 TiCl4 가스가 통류 가능한 상태에서 Ti부재가 배치되어 구성되어 있다. 즉, Ti부재 배치부(143)는 입상의 Ti부재가 공간에 충전되어 있거나, 메쉬형상의 Ti부재가 배치되어 있거나, 또는 허니컴형상 등의 통기 가능한 상태의 Ti부재가 배치되어 있다. 이 때문에, 가스 배관(68)으로부터 Ti함유 부재(104)에 공급된 TiCl4 가스는 카트리지 히터(142)에 의해 소정의 온도로 가열되어 있는 Ti부재 배치부(143) 내를 통류하고, 그 사이에 Ti부재에 접촉하여, Ti와 반응한다. 그리고, 이 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스가 가스 배관(68) 및 가스 도입 구멍(36)을 경유해서 가스 확산 공간(34)에 이르고, 가스 토출 구멍(35)을 경유해서 챔버(21)내에 도입된다.
도 30은 Ti함유 부재(104)를 마련한 경우의 가스 공급 배관의 바람직한 예를 나타내는 도면이다. TiCl4 가스를 샤워헤드(30)에 공급하는 가스 배관(68)에 있어서의 Ti함유 부재(104)의 하류측에는 TiCl4 가스 역류 방지를 위한 역류 방지 배관(151)이 접속되어 있고, 가스 배관(68)에 있어서의 Ti함유 부재(104)의 상류측에는 캐리어 가스 배관(152)이 접속되며, 캐리어 가스 배관(152) 접속부의 하류측에 가스 배관(153)이 접속되어 있다. 가스 배관(68)에 있어서의 캐리어 가스 배관(152) 접속부의 상류측 및 가스 배관(153) 접속부와 Ti함유 부재(104)의 사이에는 각각 개폐 밸브(155a 및 155b)가 마련되어 있다. 역류 방지 배관(151)에는 역류 방지 가스로서, 예를 들면, Ar 가스가 통류되도록 되어 있다. 역류 방지 배관(151)에는 개폐 밸브(156)가 마련되어 있다. 캐리어 가스 배관(152)에는 캐리어 가스로서, 예를 들면, Ar 가스가 공급되도록 되어 있고, 이 캐리어 가스 배관(152)에 공급된 캐리어 가스를 가스 배관(68)에 공급 가능하게 하고 있다. 캐리어 가스 배관(152)에는 개폐 밸브(157)가 마련되어 있다. 가스 배관(153)은 베이스 부재(31)에 이르고, 베이스 부재(31)의 가스 배관(153) 접속부에는 가스 도입 구멍(160)이 형성되어 있다. 또한, 가스 배관(153)에는 가스 배관(154)이 접속되어 있고, 가스 배관(154)에는 NH3 가스, H2 가스, Ar 가스, N2 가스가 공급되고, 이들 가스는 가스 배관(154)을 경유해서 가스 배관(153)에 이르고, 또한 가스 도입 구멍(160)을 통하여 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)에 도입되도록 되어 있다. 가스 배관(153)의 가스 배관(154) 접속부의 상류측에는 개폐 밸브(159)가 마련되어 있다. 또한, 가스 배관(154)에는 개폐 밸브(158)가 마련되어 있다. 가스 배관(68)에 공급된 TiCl4 가스는 가스 배관(153) 및 가스 도입 구멍(160)을 통하여 Ti함유 부재(104)를 바이패스하여 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)에 도입하는 것이 가능하게 되어 있다.
TiCl4 가스를 Ti함유 부재(104)를 경유해서 샤워헤드(30)의 가스 확산 공간(34)에 도입하는 경우에는 개폐 밸브(155a, 155b, 156, 157)를 열고, 캐리어 가스를 공급하면서 TiCl4 가스를 가스 배관(68)에 흘린다. 이 때, NH3 가스, H2 가스, Ar 가스, N2 가스의 적어도 하나는 개폐 밸브(158)가 열리고, 개폐 밸브(159)가 닫힌 상태에서, 가스 배관(154, 153) 및 가스 도입 구멍(160)을 통하여 가스 확산 공간(34)에 도입된다. 또한, TiCl4 가스를 가스 배관(153) 및 가스 도입 구멍(160)을 경유해서 다른 가스와 함께 가스 확산 공간(34)에 도입하는 경우에는 개폐 밸브(155b)를 닫고, 개폐 밸브(156, 158, 159)를 연 상태로 한다.
또, 도 25 및 도 28의 예에서는 NH3 가스가 Ti함유 부재(103, 104)가 공급되지 않으므로, Ti함유 부재(103, 104)의 표면이 질화되어 TiCl3 가스 또는 TiCl2 가스의 생성 반응이 생기기 어려워지는 바와 같은 불합리가 발생하지 않는다. 포스트믹스의 샤워헤드를 이용해도 이러한 불합리를 방지할 수 있다.
다음에, 본 발명을 검증한 실험 결과에 대해 설명한다.
여기서는 도 11의 장치를 이용하고, 서셉터 온도를 640℃로 하며, 히터(65)의 온도를 370℃로 설정하여 샤워헤드(30)의 표면 온도를 480℃로 하여, 우선, 챔버내에 웨이퍼를 반입하지 않고, TiCl4 가스 유량: 12mL/min(sccm), H2 가스 유량: 4000mL/min(sccm), Ar 가스 유량: 1600mL/min(sccm)으로 하여 이들 가스를 흘리고, 고주파 전원으로부터 샤워헤드에 800W의 고주파 전력을 인가하여, 90sec에서 약 25㎚의 Ti막을 샤워헤드의 표면(외면)에 성막하였다.
그 후, 서셉터 온도 및 샤워헤드 온도를 동일한 온도로 유지한 채, 챔버내에 실리콘 웨이퍼를 반입하고, 챔버내의 압력을 667Pa(5Torr)로 유지하고, 플라즈마를 생성하지 않고 TiCl4 가스, H2 가스, Ar 가스를 샤워헤드에의 Ti막 성막시와 동일한 유량으로 흘려, 실리콘 웨이퍼 표면에 Ti막을 성막하였다. 그 막의 막두께를 형광 X선 분석(XRF)에 의해 측정한 결과, 10㎚이었다.
다음에, 성막된 막의 결정상을 결정하기 위해, 막을 X선 회절에 제공하였다. 그 결과를 도 31에 나타낸다. 그 결과, 종래의 플라즈마를 이용한 성막과 마찬가지로 TiSi2의 C49상이 형성되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 그 막의 저항값 Rs는 51Ω/sq, 편차는 1σ에서 8%이며, 저항률은 102Ω·cm이었다. 그 결과는 종래의 플라즈마를 이용한 막과 동등하였다.
다음에, 도 6에 나타내는 구조의 웨이퍼를 이용하여 마찬가지의 조건에서 Ti막을 성막하였다. 또, 콘택트 홀의 형상은 홀 직경 60㎚, 홀 깊이는 550㎚이었다. 도 32는 그 때의 콘택트 홀의 성막 상태를 나타내는 단면의 투과형 현미경(TEM) 사진이다. 이 사진에 나타내는 바와 같이, 층간 절연막상(Top)의 막두께가 2㎚인 것에 반해, 콘택트 홀 중간(Middle)의 막두께는 5㎚(스텝 커버리지: 250%), 콘택트 홀 바닥부(Bottom)의 막두께는 22㎚(스텝 커버리지: 1100%)로 되고, 극히 양호한 스텝 커버리지가 얻어졌다.
또, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고 각종 변형 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태에서는 실리콘 웨이퍼(실리콘 기판)상에 Ti막을 성막하는 경우에 대해 나타냈지만, 웨이퍼 상에 형성한 폴리 실리콘상에 성막하는 등, 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 피처리 기판으로서는 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 예를 들면, 액정 표시 장치(LCD)용 기판, 유리 기판, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.

Claims (37)

  1. 챔버내에 피처리 기판을 배치하는 공정과,
    공급 경로를 통해 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 피처리 기판이 배치된 상기 챔버내에 공급하는 공정과,
    상기 처리 가스의 공급 경로에 Ti를 함유하는 Ti 함유부를 배치하고, 상기 처리 가스를 상기 챔버에 공급할 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti 함유부에 접촉시켜 상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti를 반응시키는 공정과,
    상기 챔버내의 피처리 기판을 가열하면서, 상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정
    을 갖고,
    상기 공급 경로는 가스 공급원으로부터 처리 가스를 공급하는 가스 배관과, 가스 배관에 의해 공급되어 온 처리 가스를 상기 챔버에 도입하는 가스 도입 기구를 포함하고, 상기 Ti 함유부는 상기 가스 배관 또는 상기 가스 도입 기구에 배치되어 있으며,
    상기 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적한 후, 상기 챔버내에 처리 가스의 플라즈마를 생성하면서, 또한 Ti를 퇴적하는 성막 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti 함유부는 상기 가스 도입 기구의 외면 또는 내면에 마련된 Ti막을 갖는 성막 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti 함유부는 상기 가스 도입 기구 또는 가스 배관에 마련된 Ti함유 부재를 갖는 성막 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 Ti함유 부재는 입상의 Ti부재가 공간에 충전된 상태, 또는 메쉬형상의 Ti부재가 배치된 상태, 또는 통기 가능한 Ti부재가 배치된 상태의 Ti부재 배치부를 갖는 성막 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti를 반응시키는 공정은 200∼800℃에서 실행되는 성막 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정은 200∼800℃로 피처리 기판을 가열하면서 실행되는 성막 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스는 TiCl4 가스이고, 상기 Ti 전구체 가스는 TiCl3 가스 또는 TiCl2 가스인 성막 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti를 반응시키는 온도를 425∼500℃로 하는 것에 의해, 상기 Ti 전구체 가스로서 TiCl3 가스를 생성시키는 성막 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti를 반응시키는 온도를 500℃초과로 하는 것에 의해, 상기 Ti 전구체 가스로서 TiCl2 가스를 생성시키는 성막 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정은 피처리 기판의 온도를 500℃초과로 하고, 피처리 기판의 표면에 TiCl2를 흡착시키고, TiCl2로부터 Cl을 이탈시키는 반응을 발생시키는 성막 방법.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 반응에 의한 Ti의 퇴적과, 상기 플라즈마에 의한 Ti의 퇴적을 반복 실행하는 성막 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스는 또한 H2 가스를 포함하는 성막 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스는 또한 불활성 가스를 포함하는 성막 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti를 퇴적하는 공정에 의해, 피처리 기판의 표면에 Ti막이 형성되는 성막 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    피처리 기판의 표면에 Si함유부를 갖고, 상기 Ti를 퇴적하는 공정에 의해, 피처리 기판의 표면에 TiSix막이 형성되는 성막 방법.
  18. 챔버내에 피처리 기판을 배치하지 않은 상태에서, 처리 가스를 상기 챔버에 도입하기 위한 가스 도입 기구에 TiCl4 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 가스 도입 기구에 Ti막을 형성하는 공정과,
    상기 챔버내에 피처리 기판을 반입하는 공정과,
    염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 가스 도입 기구를 거쳐서 상기 챔버내에 도입하는 공정과,
    상기 처리 가스를 상기 챔버내에 도입할 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti막에 접촉시켜 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti를 반응시키는 공정과,
    상기 챔버내의 피처리 기판을 가열하면서, 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정
    을 갖는 성막 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 가스 도입 기구에 Ti막을 형성하는 공정은 플라즈마를 생성하면서 실행되는 성막 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 가스 도입 기구에 Ti막을 형성하는 공정은 상기 챔버내에 플라즈마를 생성하면서 상기 가스 도입 기구의 외면에 Ti막을 형성하는 성막 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 가스 도입 기구에 Ti막을 형성하는 공정은 상기 가스 도입 기구의 내부에 플라즈마를 생성하면서 상기 가스 도입 기구의 내면에 Ti막을 형성하는 성막 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스와 상기 Ti막을 반응시키는 공정은 200∼800℃에서 실행되는 성막 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정은 200∼800℃로 피처리 기판을 가열하면서 실행되는 성막 방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스는 TiCl4 가스이고, 상기 Ti 전구체 가스는 TiCl3 가스 또는 TiCl2 가스인 성막 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스와 상기 Ti 막의 Ti를 반응시키는 온도를 425∼500℃로 하는 것에 의해, 상기 Ti 전구체 가스로서 TiCl3 가스를 생성시키는 성막 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스와 상기 Ti 막의 Ti를 반응시키는 온도를 500℃초과로 하는 것에 의해, 상기 Ti 전구체 가스로서 TiCl2 가스를 생성시키는 성막 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적하는 공정은 피처리 기판의 온도를 500℃초과로 하고, 피처리 기판의 표면에 TiCl2를 흡착시키고, TiCl2로부터 Cl을 이탈시키는 반응을 발생시키는 성막 방법.
  28. 제 18 항에 있어서,
    상기 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적한 후, 상기 챔버내에서 처리 가스의 플라즈마를 생성하면서, 또한 Ti를 퇴적하는 성막 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 열 반응에 의한 Ti의 퇴적과, 상기 플라즈마에 의한 Ti의 퇴적을 반복 실행하는 성막 방법.
  30. 제 18 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스는 또한 H2 가스를 포함하는 성막 방법.
  31. 제 18 항에 있어서,
    상기 염소함유 가스를 포함하는 처리 가스는 또한 불활성 가스를 포함하는 성막 방법.
  32. 제 18 항에 있어서,
    상기 Ti를 퇴적하는 공정에 의해, 피처리 기판의 표면에 Ti막이 형성되는 막 방법.
  33. 제 18 항에 있어서,
    피처리 기판의 표면에 Si함유부를 갖고, 상기 Ti를 퇴적하는 공정에 의해, 피처리 기판의 표면에 TiSix막이 형성되는 성막 방법.
  34. 피처리 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 제 1 히터와,
    가스 공급원으로부터 가스 배관을 거쳐서 상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 가스 도입 기구와,
    상기 처리 가스의 공급 경로에 마련된 Ti를 함유하는 Ti 함유부와,
    상기 Ti 함유부를 가열 가능한 제 2 히터와,
    상기 챔버내를 배기하는 배기 수단과,
    상기 챔버내에서의 처리를 제어하는 제어부
    를 구비하되,
    상기 제어부는 상기 챔버내에 피처리 기판을 반입시키는 동시에, 상기 탑재대상에 탑재시키고,
    염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 가스 배관 및 가스 도입 기구를 거쳐서 상기 챔버내에 도입시키고,
    상기 처리 가스를 상기 챔버내에 도입시킬 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti 함유부에 접촉시켜 상기 제 2 히터에 의해 가열하는 것에 의해 상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti를 반응시키고,
    상기 제 1 히터에 의해 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열시키면서, 상기 염소함유 가스와 상기 Ti 함유부의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적시키며,
    상기 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적한 후, 상기 챔버내에 처리 가스의 플라즈마를 생성하면서, 또한 Ti를 퇴적하는
    성막 장치.
  35. 피처리 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와,
    상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 제 1 히터와,
    가스 공급원으로부터 가스 배관을 거쳐서 상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 가스 도입 기구와,
    상기 가스 도입 기구를 가열하는 제 2 히터와,
    상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 기구와,
    상기 챔버내를 배기하는 배기 수단과,
    상기 챔버내에서의 처리를 제어하는 제어부
    를 구비하되,
    상기 제어부는
    상기 챔버내에 피처리 기판을 배치하지 않은 상태에서, 상기 가스 도입 기구에 TiCl4 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 가스 도입 기구에 Ti막을 형성시키고,
    상기 챔버내에 피처리 기판을 반입시키는 동시에, 상기 탑재대상에 탑재시키고,
    염소함유 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 가스 배관 및 가스 도입 기구를 거쳐서 상기 챔버내에 도입시키고,
    상기 처리 가스를 상기 챔버내에 도입시킬 때에, 상기 처리 가스중의 염소함유 가스를 상기 Ti막에 접촉시켜 상기 제 2 히터에 의해 가열하는 것에 의해 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti를 반응시키고,
    상기 제 1 히터에 의해 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열시키면서, 상기 염소함유 가스와 상기 Ti막의 Ti의 반응에 의해 생긴 Ti 전구체 가스를 피처리 기판상에 공급하고, 열 반응에 의해 피처리 기판의 표면에 Ti를 퇴적시키는
    성막 장치.
  36. 삭제
  37. 삭제
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