KR101817833B1 - 텅스텐막의 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

원료 가스로서 WCl6 가스를 사용해서 시퀀셜한 가스 공급에 의해 텅스텐막을 형성하는 경우에, 충분한 퇴적 속도로 텅스텐막을 성막한다. 피처리 기판이 수용되고, 감압 분위기 하에서 유지된 챔버 내에, 텅스텐 원료 가스로서의 WCl6 가스, 수소를 포함하는 환원성 가스로 이루어지는 환원 가스, 및 퍼지 가스를 시퀀셜하게 공급해서 피처리 기판의 표면에 텅스텐막을 성막한다. WCl6 가스를 공급할 때 동시에 Cl2 가스를 공급하거나 또는 동시에 환원 가스를 공급한다.

Description

텅스텐막의 성막 방법{TUNGSTEN FILM FORMING METHOD}
본 발명은 텅스텐막의 성막 방법에 관한 것이다.
LSI를 제조할 때는, MOSFET 게이트 전극, 소스·드레인과의 콘택트, 메모리의 워드선 등에 텅스텐이 널리 사용되고 있다. 다층 배선 공정에서는, 구리 배선이 주로 사용되고 있지만, 내열성이 부족하다. 텅스텐 배선은, 특히, 대략 500℃ 이상의 내열성이 요구되는 부분, 트랜지스터에 가깝게 구리를 사용하면 구리의 확산에 의한 전기 특성의 열화가 염려되는 부분 등에 사용된다.
텅스텐의 성막 처리로서, 이전에는 물리적 증착(PVD)법이 사용되고 있었으나, 높은 피복률(스텝 커버리지)이 요구되는 부분에서는, PVD법으로는 높은 스텝 커버리지에 대응하는 것이 곤란한 것 등의 이유로, 디바이스의 미세화에 충분히 대응 가능한 화학적 증착(CVD)법으로 성막하는 것이 행하여지고 있다.
이러한 CVD법에 의한 텅스텐막(CVD-텅스텐막)의 성막 방법으로서는, 원료 가스로서, 예를 들어 육불화텅스텐(WF6)가스 및 환원 가스인 H2 가스를 사용하여, 웨이퍼 위에서 WF6+3H2→W+6HF의 반응을 발생시키는 방법이 일반적으로 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 2).
그러나, WF6 가스를 사용해서 CVD-텅스텐막을 성막하는 경우에는, 반도체 디바이스에서의, 특히 게이트 전극이나 메모리의 워드선 등에서, WF6에 포함되는 불소가 게이트 절연막을 환원하여, 전기 특성을 열화시키는 것이 크게 염려되고 있으며, 이 때문에, 원료 가스로서, 불소를 포함하지 않는 육염화텅스텐(WCl6)가스를 사용해서 CVD-텅스텐막을 성막하는 것이 검토되어 있다(예를 들어 비특허문헌 1). 염소도 환원성을 갖지만, 반응성은 불소보다 약하고, 전기 특성에 대한 악영향이 적은 것으로 기대되고 있다.
일본 특허 공개 제2003-193233호 공보 일본 특허 공개 제2004-273764호 공보
J. A. M. Ammerlaan et al., "Chemical vapor deposition of tungsten by H2 reduction of WCl6", Applied Surface Science 53(1991), pp.24-29
그런데, 최근 들어, 반도체 디바이스의 미세화가 점점 진행되어, 양호한 스텝 커버리지가 얻어지는 것으로 알려져 있는 CVD법에서조차도 충분한 스텝 커버리지가 얻기 어려워지고 있어, 한층 높은 스텝커버리지를 얻는 관점에서, 원료 가스와 환원 가스를 퍼지를 사이에 두고 시퀀셜하게 공급하는 원자층 퇴적(ALD)법이 주목받고 있다.
그러나, 원료 가스인 WCl6 가스와, 환원 가스인 H2 가스를 사용하여, ALD법에 의해 텅스텐막을 성막하는 경우에는, 1 사이클당의 퇴적 막 두께가 얇아져서, 원하는 막 두께를 퇴적하는데 시간이 걸린다는 문제점이 있다.
본 발명은, 원료 가스로서 WCl6 가스를 사용해서 시퀀셜한 가스 공급에 의해 텅스텐막을 형성하는 경우에, 충분한 퇴적 속도로 텅스텐막을 성막할 수 있는 텅스텐막의 성막 방법을 제공한다.
즉, 본 발명의 제1 관점은, 피처리 기판이 수용되고, 감압 분위기 하에서 유지된 챔버 내에, 텅스텐 원료 가스로서의 WCl6 가스, 수소를 포함하는 환원성 가스로 이루어지는 환원 가스 및 퍼지 가스를 시퀀셜하게 공급해서 피처리 기판의 표면에 텅스텐막을 성막하는 텅스텐막의 성막 방법으로서, 상기 WCl6 가스를 공급할 때 동시에 Cl2 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막 방법을 제공한다.
상기 제1 관점에 있어서, 상기 챔버 내에 상기 WCl6 가스 및 상기 Cl2 가스를 공급하는 제1 공정과, 상기 챔버 내를 퍼지하는 제2 공정과, 상기 챔버 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제3 공정과, 상기 챔버 내를 퍼지하는 제4 공정에 의해, 텅스텐 단위 막을 형성하고, 상기 제1 공정부터 상기 제4 공정까지를 복수 사이클 반복함으로써 원하는 두께의 텅스텐막을 형성하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 WCl6 가스는, 고체 상태의 WCl6 원료에 캐리어 가스를 공급함으로써 상기 챔버 내에 반송되고, 상기 캐리어 가스의 적어도 일부로서 상기 Cl2 가스를 사용함으로써, 상기 WCl6 가스와 동시에 상기 Cl2 가스를 상기 챔버에 공급하는 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 제2 관점은, 피처리 기판이 수용되고, 감압 분위기 하에서 유지된 챔버 내에, 텅스텐 원료 가스로서의 WCl6 가스, 수소를 포함하는 환원성 가스로 이루어지는 환원 가스 및 퍼지 가스를 시퀀셜하게 공급해서 피처리 기판의 표면에 텅스텐막을 성막하는 텅스텐막의 성막 방법으로서, 상기 WCl6 가스를 공급할 때 동시에 상기 환원 가스를 공급하거나, 또는 상기 환원 가스가 상기 챔버에 존재하고 있는 상태에서 상기 WCl6 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막 방법을 제공한다.
상기 제2 관점에 있어서, 상기 챔버 내에 상기 WCl6 가스 및 상기 환원 가스를 공급하는 제1 공정과, 상기 챔버 내를 퍼지하는 제2 공정과, 상기 챔버 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제3 공정과, 상기 챔버 내를 퍼지하는 제4 공정에 의해, 텅스텐 단위 막을 형성하고, 상기 제1 공정부터 상기 제4 공정까지를 복수 사이클 반복함으로써 원하는 두께의 텅스텐막을 형성하도록 구성할 수 있다.
상기 제1 관점 및 제2 관점의 어떤 경우든, 상기 환원 가스로서, H2 가스, SiH4 가스, B2H6 가스, NH3 가스 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 텅스텐 원료 가스로서의 WCl6 가스, 수소를 포함하는 환원성 가스로 이루어지는 환원 가스 및 퍼지 가스를 시퀀셜하게 공급해서 피처리 기판의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, WCl6 가스와 동시에 Cl2 가스를 공급하거나, 또는 WCl6 가스를 공급할 때 환원 가스를 동시에 공급하거나, 또는 챔버 내에 환원 가스가 존재하고 있는 상태로 하므로, WCl6 가스의 공급 시에 있어서의 텅스텐막의 에칭을 억제할 수 있어, 충분히 빠른 퇴적 속도로 텅스텐막을 성막할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 성막 방법의 가스 공급 시퀀스를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 5는 제2 실시 형태에 관한 성막 방법의 가스 공급 시퀀스를 나타내는 타이밍 차트이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명한다.
본 발명자들은, 먼저, 원료 가스로서 WCl6 가스를 사용해서 ALD법에 의해 텅스텐막을 성막했을 때 퇴적 속도가 느려지는 원인에 대해서 검토하였다. 그 결과, 공급된 WCl6 가스가, 이미 성막되어 있는 텅스텐막과 반응하여, WCl5, WCl4, WCl2 등의 서브 클로라이드(WClx(x<6))가 형성되어서 텅스텐막이 에칭되는 것이 원인이라고 추측되었다.
그리고, 더 검토한 결과, 이러한 에칭은, WCl6 가스를 공급할 때 서브 클로라이드(WClx(x<6))의 생성을 억제할 수 있는 Cl2 가스를 동시에 공급하는 것 및 환원 가스를 동시에 공급하는 것이 유효함을 알아내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
<제1 실시 형태>
먼저 제1 실시 형태에 대해서 설명한다.
[성막 장치의 예]
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 텅스텐막의 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성막 장치(100)는, 기밀하게 구성된 대략 원통 형상의 챔버(1)를 갖고 있으며, 그 안에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평하게 지지하기 위한 서셉터(2)가, 후술하는 배기실의 저부로부터 그 중앙 하부에 달하는 원통 형상의 지지 부재(3)에 의해 지지된 상태로 배치되어 있다. 이 서셉터(2)는, 예를 들어 AlN 등의 세라믹스로 이루어져 있다. 또한, 서셉터(2)에는 히터(5)가 매립되어 있고, 이 히터(5)에는 히터 전원(6)이 접속되어 있다. 한편, 서셉터(2)의 상면 근방에는 열전쌍(7)이 설치되어 있고, 열전쌍(7)의 신호는 히터 컨트롤러(8)에 전송되도록 되어 있다. 그리고, 히터 컨트롤러(8)는, 열전쌍(7)의 신호에 따라서 히터 전원(6)에 명령을 송신하여, 히터(5)의 가열을 제어해서 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 제어하도록 되어 있다. 또한, 서셉터(2)에는 3개의 웨이퍼 승강 핀(도시하지 않음)이 서셉터(2)의 표면에 대하여 돌몰 가능하게 설치되어 있어, 웨이퍼(W)를 반송할 때에, 서셉터(2)의 표면으로부터 돌출된 상태가 된다. 또한, 서셉터(2)는, 승강 기구(도시하지 않음)에 의해 승강 가능하게 되어 있다.
챔버(1)의 천장벽(1a)에는, 원형의 구멍(1b)이 형성되어 있고, 거기로부터 챔버(1) 내로 돌출되도록 샤워 헤드(10)가 감입되어 있다. 샤워 헤드(10)는, 후술하는 가스 공급 기구(30)로부터 공급된 성막 원료 가스인 WCl6 가스를 챔버(1) 내에 토출하기 위한 것이고, 그 상부에는, WCl6 가스 및 퍼지 가스로서 N2 가스를 도입하는 제1 도입로(11)와, 환원 가스로서의 H2 가스 및 퍼지 가스로서 N2 가스를 도입하는 제2 도입로(12)를 갖고 있다.
샤워 헤드(10)의 내부에는 상하 2단으로 공간(13, 14)이 형성되어 있다. 상측의 공간(13)에는 제1 도입로(11)가 연결되어 있고, 이 공간(13)으로부터 제1 가스 토출로(15)가 샤워 헤드(10)의 저면까지 연장되어 있다. 하측의 공간(14)에는 제2 도입로(12)가 연결되어 있고, 이 공간(14)으로부터 제2 가스 토출로(16)가 샤워 헤드(10)의 저면까지 연장되어 있다. 즉, 샤워 헤드(10)는, 성막 원료 가스로서의 WCl6 가스와 환원 가스인 H2 가스가 각각 독립적으로 토출로(15) 및 (16)로부터 토출되도록 되어 있다.
챔버(1)의 저벽에는, 하방을 향해 돌출된 배기실(21)이 설치되어 있다. 배기실(21)의 측면에는 배기관(22)이 접속되어 있고, 이 배기관(22)에는 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 장치(23)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(23)를 작동시킴으로써 챔버(1) 내를 소정의 감압 상태로 하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반출입을 행하기 위한 반입출구(24)와, 이 반입출구(24)를 개폐하는 게이트 밸브(25)가 설치되어 있다. 또한, 챔버(1)의 벽부에는, 히터(26)가 설치되어 있어, 성막 처리 시에 챔버(1)의 내벽의 온도를 제어 가능하도록 되어 있다.
가스 공급 기구(30)는, 성막 원료인 WCl6을 수용하는 성막 원료 탱크(31)를 갖고 있다. WCl6은 상온에서는 고체이며, 성막 원료 탱크(31) 내에는 WCl6이 고체로서 수용되어 있다. 성막 원료 탱크(31)의 주위에는 히터(31a)가 설치되어 있고, 성막 원료 탱크(31) 내의 성막 원료를 적당한 온도로 가열하여, WCl6을 승화시키도록 되어 있다.
성막 원료 탱크(31)에는, 상방으로부터 캐리어 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 배관(32)이 삽입되어 있다. 캐리어 가스 배관(32)에는 N2 가스 공급원(33)으로부터 N2 가스가 공급된다. 또한, 캐리어 가스 배관(32)에는 Cl2 가스 공급 배관(81)이 접속되어 있고, Cl2 가스 공급 배관(81)에는 Cl2 가스 공급원(82)으로부터 Cl2 가스가 공급된다. 따라서, 성막 원료 탱크(31)에는, 캐리어 가스 배관(32)을 통해서 캐리어 가스로서 N2 가스 및 Cl2 가스가 공급되도록 되어 있다. 캐리어 가스 배관(32)에는, 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(34) 및 그 전후의 밸브(35)가 개재되어 장착되고, Cl2 가스 공급 배관(81)에는, 매스 플로우 컨트롤러(83) 및 그 전후의 밸브(84)가 개재되어 장착되어 있다. 이에 의해, 캐리어 가스로서 N2 가스와 Cl2 가스를 원하는 유량비로 공급할 수 있다. 캐리어 가스로서 Cl2 가스만을 공급해도 된다.
또한, 성막 원료 탱크(31) 내에는 원료 가스 라인이 되는 원료 가스 송출 배관(36)이 상방으로부터 삽입되어 있고, 이 원료 가스 송출 배관(36)의 타단은, 샤워 헤드(10)의 제1 도입로(11)에 접속되어 있다. 원료 가스 송출 배관(36)에는 밸브(37)가 개재되어 장착되어 있다. 원료 가스 송출 배관(36)에는, 성막 원료 가스인 WCl6 가스의 응축 방지를 위한 히터(38)가 설치되어 있다.
그리고, 캐리어 가스 배관(32)으로부터 성막 원료 탱크(31) 내에 공급된 캐리어 가스인 N2 가스 및 Cl2 가스에 의해, 성막 원료 탱크(31) 내에서 승화한 WCl6 가스가, 원료 가스 송출 배관(36)에 반송되어, 제1 도입로(11)를 통해서 샤워 헤드(10) 내에 공급된다.
또한, 원료 가스 송출 배관(36)에는, 바이패스 배관(74)을 통해서 N2 가스 공급원(71)이 접속되어 있다. 바이패스 배관(74)에는 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(72) 및 그 전후의 밸브(73)가 개재되어 장착되어 있다. N2 가스 공급원(71)으로부터의 N2 가스는 원료 가스 라인측의 퍼지 가스로서 사용된다.
또한, 캐리어 가스 배관(32)과 원료 가스 송출 배관(36)의 사이는, 바이패스 배관(48)에 의해 접속되어 있고, 이 바이패스 배관(48)에는 밸브(49)가 개재되어 장착되어 있다. 캐리어 가스 배관(32) 및 원료 가스 송출 배관(36)에서의 바이패스 배관(48)과의 접속 부분의 하류측에는, 각각 밸브(35a, 37a)가 개재되어 장착되어 있다. 그리고, 밸브(35a, 37a)를 폐쇄하고 밸브(49)를 개방함으로써, N2 가스 공급원(33)으로부터의 N2 가스를, 캐리어 가스 배관(32), 바이패스 배관(48)을 거쳐, 원료 가스 송출 배관(36)을 퍼지하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 캐리어 가스 및 퍼지 가스로서는, N2 가스에 한하지 않고, Ar 가스 등의 다른 불활성 가스이어도 된다.
샤워 헤드(10)의 제2 도입로(12)에는, H2 가스 라인이 되는 배관(40)이 접속되어 있고, 배관(40)에는, 환원 가스인 H2 가스를 공급하는 H2 가스 공급원(42)과, 바이패스 배관(64)을 통해 N2 가스 공급원(61)이 접속되어 있다. 또한, 배관(40)에는, 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(44) 및 그 전후의 밸브(45)가 개재되어 장착되고, 바이패스 배관(64)에는, 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(62) 및 그 전후의 밸브(63)가 개재되어 장착되어 있다. N2 가스 공급원(61)으로부터의 N2 가스는 H2 가스 라인측의 퍼지 가스로서 사용된다.
환원 가스로서는, H2 가스에 한하지 않고, 수소를 포함하는 환원성의 가스이면 되며, H2 가스 이외에, SiH4 가스, B2H6 가스, NH3 가스 등을 사용할 수도 있다. 이들 중 2개 이상의 가스를 사용해도 된다.
이 성막 장치(100)는, 각 구성부, 구체적으로는 밸브, 전원, 히터, 펌프 등을 제어하는 제어부(50)를 갖고 있다. 이 제어부(50)는, 마이크로프로세서(컴퓨터)를 구비한 프로세스 컨트롤러(51)와, 유저 인터페이스(52)와, 기억부(53)를 갖고 있다. 프로세스 컨트롤러(51)에는, 성막 장치(100)의 각 구성부가 전기적으로 접속되어서 제어되는 구성으로 되어 있다. 유저 인터페이스(52)는, 프로세스 컨트롤러(51)에 접속되어 있고, 오퍼레이터가 성막 장치(100)의 각 구성부를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 성막 장치(100)의 각 구성부의 가동 상황을 가시화해서 표시하는 디스플레이 등으로 이루어져 있다. 기억부(53)도 프로세스 컨트롤러(51)에 접속되어 있고, 이 기억부(53)에는, 성막 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(51)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라서 성막 장치(100)의 각 구성부에 소정의 처리를 실행시키기 위한 제어 프로그램, 즉 처리 레시피나, 각종 데이터베이스 등이 저장되어 있다. 처리 레시피는 기억부(53) 중 기억 매체(도시하지 않음)에 기억되어 있다. 기억 매체는, 하드 디스크 등의 고정적으로 설치되어 있는 것이어도 되고, CDROM, DVD, 플래시 메모리 등의 가반성의 것이어도 된다. 또한, 다른 장치로부터, 예를 들어 전용 회선을 통해 레시피를 적절히 전송시키도록 해도 된다.
그리고, 필요에 따라, 유저 인터페이스(52)로부터의 지시 등으로 소정의 처리 레시피를 기억부(53)로부터 호출해서 프로세스 컨트롤러(51)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(51)의 제어 하에서, 성막 장치(100)에서의 원하는 처리가 행하여진다.
[성막 방법]
이어서, 이상과 같이 구성된 성막 장치(100)를 사용해서 행하여지는 제1 실시 형태에 따른 성막 방법에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 예를 들어 열산화막의 표면 또는 트렌치나 홀 등의 오목부를 갖는 층간 절연막의 표면에 배리어 금속막이 바탕막으로서 형성된 웨이퍼를 사용하여, 그 표면에 텅스텐막을 성막한다.
성막 시에는, 먼저, 게이트 밸브(25)를 열고, 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 웨이퍼(W)를 반입출구(24)를 통해 챔버(1) 내에 반입하여, 히터(5)에 의해 소정 온도로 가열된 서셉터(2) 위에 적재하고, 소정의 진공도까지 감압한 후, 밸브(37, 37a 및 45)를 폐쇄한 상태로 하고, 밸브(63 및 73)를 개방하여, N2 가스 공급원(61, 71)으로부터의 N2 가스(원료 가스 라인측의 퍼지 가스 및 H2 가스 라인측의 퍼지 가스)를 챔버(1) 내에 공급해서 압력을 상승시키고, 서셉터(2) 위의 웨이퍼(W)의 온도를 안정시킨다. 그리고, 챔버(1) 내가 소정 압력에 도달한 후, 이하와 같이 해서 시퀀셜한 가스 공급에 의해 텅스텐막의 성막을 행한다.
도 2는, 제1 실시 형태에 따른 성막 방법의 가스 공급 시퀀스를 나타내는 타이밍 차트이다.
먼저, N2 가스 공급원(61, 71)으로부터의 N2 가스를 흘린 채, 밸브(37, 37a)를 개방함으로써 , 캐리어 가스인 N2 가스 및 Cl2 가스를 성막 원료 탱크(31) 내에 공급하고, 이들에 의해 성막 원료 탱크(31) 내에서 승화한 WCl6 가스를 챔버(1) 내에 반송한다(스텝 S1). 이에 의해, 웨이퍼(W) 표면에 WCl6이 흡착된다. 이 스텝 S1에서는, 챔버(1) 내에, WCl6 가스 외에 캐리어 가스로서 공급한 Cl2 가스도 공급된다.
계속해서, 밸브(37, 37a)를 폐쇄해서 WCl6 가스 및 Cl2 가스의 공급을 정지하고, 퍼지 가스인 N2 가스만이 챔버(1) 내에 공급되고 있는 상태로 하여, 챔버(1) 내의 잉여의 WCl6 가스를 퍼지한다(스텝 S2).
계속해서, N2 가스 공급원(61, 71)으로부터의 N2 가스를 흘린 채, 밸브(45)를 개방해서 H2 가스 공급원(42)으로부터 환원 가스인 H2 가스를 챔버(1) 내에 공급한다(스텝 S3). 이에 의해, 웨이퍼(W) 위에 흡착된 WCl6이 환원된다.
계속해서, 밸브(45)를 폐쇄해서 H2 가스의 공급을 정지하고, 퍼지 가스인 N2 가스만이 챔버(1) 내에 공급되고 있는 상태로 하여, 챔버(1) 내의 잉여의 H2 가스를 퍼지한다(스텝 S4).
이상의 스텝 S1 내지 S4의 1 사이클에 의해, 얇은 텅스텐 단위 막이 형성된다. 그리고, 이러한 스텝을 복수 사이클 반복함으로써 원하는 막 두께의 텅스텐막을 성막한다. 이때의 텅스텐막의 막 두께는, 상기 사이클의 반복 수에 의해 제어할 수 있다.
이상과 같은 제1 실시 형태의 가스 공급 시퀀스에 의해, ALD법에 의한 텅스텐막 성막의 퇴적 속도가 느리다는 문제를 해소할 수 있다.
이하, 그 이유에 대해서 설명한다.
텅스텐 원료 가스로서 사용하는 WCl6에는, 서브 클로라이드로서 WCl5 등이 존재하는데, WCl6보다도 WCl5이 더 증기압이 높은 것으로 보고되어 있으며(T. P. Chow and A. J. Steckl, "Plasma Etching of Refractory Gates for VLSI Applications", J. Electrochem. Soc.: SOLID-STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol.131, No.10(1984), pp2325-2335의 도 17을 참조), ALD법에서의 WCl6 가스 흡착 공정에서는, WCl6 가스와 N2 가스만이 공급되기 때문에, 이하의 (1)식의 반응이 발생하여, 그때까지 퇴적된 텅스텐막이 에칭되어버린다.
5WCl6(g)+W(s)→6WCl5(g) … (1)
이 에칭 반응에 의해, WCl6 가스를 사용한 ALD법에 의해 텅스텐막을 퇴적한 경우의 외관 퇴적 속도가 느려져버리는 것이다.
한편, WCl6으로부터 서브 클로라이드인 WCl5가 생성될 때의 반응은, 이하의 (2)식에 나타낸 바와 같은 것이다.
WCl6→WCl5+(1/2)Cl2 … (2)
따라서, WCl6의 분해를 억제해서 텅스텐의 에칭을 억제하기 위해서는, (1/2)Cl2 가스의 분압을 높이면 된다.
따라서, 본 실시 형태에서는, WCl6 가스를 챔버(1) 내에 공급할 때 Cl2 가스도 공급하여, WCl6의 분해를 억제하는 것이다. 이에 의해, WCl6에 의한 텅스텐의 에칭 반응이 억제되어서, WCl6을 성막 원료로서 사용하여, 충분히 빠른 퇴적 속도로 텅스텐막을 성막할 수 있다. 그 결과, 불소에 의한 전기 특성의 열화가 없는 텅스텐막을 저비용으로 제공할 수 있다.
또한, 이와 같이, WCl6 가스를 공급할 때 캐리어 가스로서 Cl2 가스를 사용함으로써 Cl2 가스를 공급하는 방법은, 종래 행하여지지 않은 신규의 방법이다. 또한, 이와 같이 WCl6 가스의 공급과 동시에 Cl2 가스를 공급함으로써 Cl2 가스 분압을 높여서 텅스텐막의 에칭을 억제하는 방법은, 성막 방법에 상관없이 유효하다.
(성막 조건)
이때의 성막 조건은, 특별히 한정되지 않지만, 이하의 조건이 적합하다.
웨이퍼 온도(서셉터 표면 온도): 400 내지 600℃
챔버 내 압력: 1 내지 80Torr(133 내지 10640Pa)
캐리어 가스 유량(N2+Cl2): 100 내지 2000sccm(mL/min)
(WCl6 가스 공급량으로서, 5 내지 100sccm(mL/min))
Cl2 가스 유량: 1 내지 100sccm(mL/min)
스텝 S1의 시간(1회당): 0.01 내지 5sec
H2 가스 유량: 500 내지 5000sccm(mL/min)
스텝 S3의 시간(1회당): 0.1 내지 5sec
스텝 S2, S4의 시간(퍼지)(1회당): 0.1 내지 5sec
성막 원료 탱크의 가온 온도: 130 내지 170℃
또한, 환원 가스로서는, 수소를 포함하는 환원성의 가스이면 되며, H2 가스 이외에, SiH4 가스, B2H6 가스, NH3 가스 등을 사용할 수 있으며, 이들을 사용한 경우에도 마찬가지의 조건에서 바람직한 성막을 행할 수 있다. 막 내의 불순물을 보다 저감해서 저저항값을 얻는 관점에서는, H2 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, Cl2 가스는 WCl6 가스의 캐리어 가스로서가 아니라, 별도 라인을 통해서 공급해도 된다. 그 예를 도 3에 도시한다. 도 3의 성막 장치(100')에서는, 캐리어 가스 배관(32)에 Cl2 가스 공급 배관(81)을 접속하는 대신, 원료 가스 송출 배관(36)에 Cl2 가스 공급 배관(91)을 접속하고, Cl2 가스 공급원(92)으로부터 Cl2 가스 공급 배관(91)에 Cl2 가스를 공급하도록 하고 있다. 이에 의해, 원료 가스 송출 배관(36)에 송출된 WCl6 가스와 함께 Cl2 가스가 챔버(1)에 공급된다. Cl2 가스 공급 배관(91)에는, 매스 플로우 컨트롤러(93) 및 그 전후의 밸브(94)가 개재되어 장착되어 있다. 도 3의 성막 장치의 다른 구성은, 도 1의 성막 장치(100)와 동일하다.
<제2 실시 형태>
다음으로 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.
[성막 장치의 예]
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 텅스텐막의 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 4의 성막 장치(101)는, Cl2 가스 공급 배관(81) 및 Cl2 가스 공급원(82)이 설치되어 있지 않다. 따라서, WCl6 가스의 캐리어 가스로서는 N2 가스만이 사용된다. 성막 장치(101)는, 이 점 이외에는 도 1의 성막 장치(100)와 완전히 동일한 구성을 갖고 있다. 따라서, 이 점 이외에는 도 1과 동일한 부호를 부여하고 장치 구성의 설명은 생략한다.
[성막 방법]
이어서, 이상과 같이 구성된 성막 장치(101)를 사용해서 행하여지는 제2 실시 형태에 관한 성막 방법에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 예를 들어 열산화막의 표면 또는 트렌치나 홀 등의 오목부를 갖는 층간 절연막의 표면에 배리어 금속막이 바탕막으로서 형성된 웨이퍼를 사용하여, 그 표면에 텅스텐막을 성막한다.
본 실시 형태에서도, 성막 시에는, 먼저, 게이트 밸브(25)를 열고, 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 웨이퍼(W)를 반입출구(24)를 통해서 챔버(1) 내에 반입하고, 히터(5)에 의해 소정 온도로 가열된 서셉터(2) 위에 적재하여, 소정의 진공도까지 감압한 후, 밸브(37, 37a 및 45)를 폐쇄한 상태로 하고, 밸브(63 및 73)를 개방하여, N2 가스 공급원(61, 71)으로부터의 N2 가스(원료 가스 라인측의 퍼지 가스 및 H2 가스 라인측의 퍼지 가스)를 챔버(1) 내에 공급해서 압력을 상승시키고, 서셉터(2) 위의 웨이퍼(W)의 온도를 안정시킨다. 그리고, 챔버(1) 내가 소정 압력에 도달한 후, 이하와 같이 해서 시퀀셜한 가스 공급에 의해 텅스텐막의 성막을 행한다.
도 5는, 제2 실시 형태에 관한 성막 방법의 가스 공급 시퀀스를 나타내는 타이밍 차트이다.
먼저, N2 가스 공급원(61, 71)으로부터의 N2 가스를 흘린 채, 밸브(37, 37a)를 개방함으로써 , 캐리어 가스인 N2 가스를 성막 원료 탱크(31) 내에 공급하고, 이 캐리어 가스에 의해 성막 원료 탱크(31) 내에서 승화한 WCl6 가스를 챔버(1) 내에 반송하고, 또한 밸브(45)를 개방해서 H2 가스 공급원(42)으로부터 소정 유량의 H2 가스를 챔버(1) 내에 공급한다(스텝 S11). 이에 의해, 웨이퍼(W) 표면에 WCl6이 흡착된다.
계속해서, 밸브(37, 37a) 및 밸브(45)를 폐쇄해서 WCl6 가스 및 H2 가스의 공급을 정지하고, 퍼지 가스인 N2 가스만이 챔버(1) 내에 공급되고 있는 상태로 하여, 챔버(1) 내의 잉여의 WCl6 가스 및 H2 가스를 퍼지한다(스텝 S12).
계속해서, N2 가스 공급원(61, 71)으로부터의 N2 가스를 흘린 채, 밸브(45)를 개방해서 H2 가스 공급원(42)으로부터 H2 가스를 환원 가스로서 챔버(1) 내에 공급한다(스텝 S13). 이에 의해, 웨이퍼(W) 위에 흡착된 WCl6이 환원된다.
계속해서, 밸브(45)를 폐쇄해서 H2 가스의 공급을 정지하고, 퍼지 가스인 N2 가스만이 챔버(1) 내에 공급되고 있는 상태로 하여, 챔버(1) 내의 잉여의 H2 가스를 퍼지한다(스텝 S14).
이상의 스텝 S11 내지 S14의 1 사이클에 의해, 얇은 텅스텐 단위 막이 형성된다. 그리고, 이들 스텝을 복수 사이클 반복함으로써 원하는 막 두께의 텅스텐막을 성막한다. 이때의 텅스텐막의 막 두께는, 상기 사이클의 반복수에 의해 제어할 수 있다.
이상과 같은 제2 실시 형태의 가스 공급 시퀀스에 의해서도, ALD법에 의한 W막 성막의 퇴적 속도가 느리다는 문제를 해소할 수 있다.
즉, ALD법에서의 WCl6 가스 흡착 공정에서는, WCl6 가스와 N2 가스만이 공급되기 때문에, 상기 (1)식에 나타낸 바와 같이, 텅스텐막의 에칭 반응이 발생하지만, WCl6 가스와 함께 환원 가스로서 사용하는 H2 가스를 공급함으로써, 텅스텐 생성 반응이 발생하여, 텅스텐막의 에칭을 방지할 수 있다. 이 때문에, WCl6을 성막 원료로서 사용하여, 충분히 빠른 퇴적 속도로 텅스텐막을 성막할 수 있다. 그 결과, 불소에 의한 전기 특성의 열화가 없는 텅스텐막을 저비용으로 제공할 수 있다.
스텝 S11에서의 H2 가스의 유량은, 텅스텐의 에칭 반응을 유효하게 억제할 수 있을 정도이면 되며, 스텝 S13 시의 WCl6 가스를 환원하기 위한 H2 가스보다도 적은 유량이면 된다.
(성막 조건)
이때의 성막 조건은, 특별히 한정되지 않지만, 이하의 조건이 적합하다.
웨이퍼 온도(서셉터 표면 온도): 400 내지 600℃
챔버 내 압력: 1 내지 80Torr(133 내지 10640Pa)
캐리어 가스 유량: 100 내지 2000sccm(mL/min)
(WCl6 가스 공급량으로서, 5 내지 100sccm(mL/min))
스텝 S11 시의 H2 가스 유량: 1 내지 500sccm(mL/min)
스텝 S11의 시간(1회당): 0.01 내지 5sec
스텝 S13 시의 H2 가스 유량: 500 내지 5000sccm(mL/min)
스텝 S13의 시간(1회당): 0.1 내지 5sec
스텝 S12, S14의 시간(퍼지)(1회당): 0.1 내지 5sec
성막 원료 탱크의 가온 온도: 130 내지 170℃
또한, WCl6 가스와 동시에 H2 가스를 공급하는 대신, 챔버(1) 내에 H2 가스가 잔류한 상태에서 WCl6 가스를 공급하도록 해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서도, 환원 가스로서는, 수소를 포함하는 환원성의 가스이면 되고, H2 가스 이외에, SiH4 가스, B2H6 가스, NH3 가스 등을 사용할 수 있으며, 이들을 사용한 경우에도 마찬가지의 조건에서 바람직한 성막을 행할 수 있다. 막 내의 불순물을 보다 저감해서 저저항값을 얻는 관점에서는, H2 가스를 사용하는 것이 바람직하다. WCl6 가스와 동시에 공급하는 가스도 H2 가스에 한하지 않고, 수소를 포함하는 환원성의 가스이면 된다. WCl6 가스와 동시에 공급하는 가스는, 환원 가스로서 사용한 가스와 동일한 가스를 사용하는 것이 바람직하지만, 수소를 포함하는 환원성의 가스라면, 환원 가스로서 사용한 가스와 상이해도 된다.
<반도체 장치>
상기 제1 실시 형태 또는 상기 제2 실시 형태의 텅스텐막의 성막 방법을, MOSFET 게이트 전극, 소스·드레인과의 콘택트, 메모리의 워드선 등에 사용되는 텅스텐막의 성막에 사용해서 반도체 장치를 제조함으로써, 고 특성의 반도체 장치를 효율적으로 저비용으로 제조할 수 있다.
<다른 적용>
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 반도체 웨이퍼는 실리콘이나, GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체이어도 되고, 또한, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 액정 표시 장치 등의 FPD(플랫 패널 디스플레이)에 사용하는 유리 기판이나, 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
1 : 챔버 2 : 서셉터
5 : 히터 10 : 샤워 헤드
30 : 가스 공급 기구 31 : 성막 원료 탱크
32 : 캐리어 가스 배관 33, 61, 71 : N2 가스 공급원
36 : 원료 가스 송출 배관 42 : H2 가스 공급원
50 : 제어부 51 : 프로세스 컨트롤러
53 : 기억부 81, 91 : Cl2 가스 공급 배관
82, 92 : Cl2 가스 공급원 100, 100', 101 : 성막 장치
W : 반도체 웨이퍼

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 피처리 기판이 수용되고, 감압 분위기 하에서 유지된 챔버 내에, 텅스텐 원료 가스로서의 WCl6 가스, 수소를 포함하는 환원성 가스로 이루어지는 환원 가스, 및 퍼지 가스를 시퀀셜하게 공급해서 피처리 기판의 표면에 텅스텐막을 성막하는 텅스텐막의 성막 방법으로서,
    상기 챔버 내에 텅스텐 원료 가스로서 상기 WCl6 가스를 공급할 때에 상기 환원 가스를 동시에 공급하는 제1 공정과,
    상기 챔버 내를 퍼지하는 제2 공정과,
    상기 챔버 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제3 공정과,
    상기 챔버 내를 퍼지하는 제4 공정에 의해, 텅스텐 단위 막을 형성하고,
    상기 제1 공정부터 상기 제4 공정까지를 복수 사이클 반복함으로써 원하는 두께의 텅스텐막을 형성하고,
    상기 제1 공정에서 공급되는 상기 환원 가스의 유량은 상기 제3 공정에서 공급되는 상기 환원 가스의 유량보다 작은, 텅스텐막의 성막 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 환원 가스는, H2 가스, SiH4 가스, B2H6 가스, NH3 가스 중 적어도 1종인, 텅스텐막의 성막 방법.
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