KR20210020148A - 성막 방법, 성막 시스템 및 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

성막 방법은, 절연막이 형성된 기판을 처리 용기 내에 배치하고, 감압 분위기에서, Ti 함유 가스와 Al 함유 가스와 반응 가스를 처리 용기 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성하는 공정과, 하지막이 형성된 기판에 금속 재료에 의한 금속층을 형성하는 공정을 갖는다.

Description

성막 방법, 성막 시스템 및 성막 장치
본 개시는, 성막 방법, 성막 시스템 및 성막 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 화학적 증착(CVD)법에 의해 기판에 금속층으로서 텅스텐막을 성막하는 기술이 제안되어 있다. 특허문헌 1에서는, 기판의 실리콘층과의 밀착성이나 반응 억제의 관점에서, 실리콘층 상에 배리어층으로서 TiN막을 형성하고, TiN막 상에 텅스텐막을 성막하는 방법이 사용되어 있다. 또한, 특허문헌 1에서는, 텅스텐막의 주 성막에 앞서, 텅스텐을 균일하게 성막하기 쉽도록, 핵 생성(Nucleation) 공정이 행하여진다.
일본 특허 공개 제2013-213274호 공보
본 개시는, 박형화한 경우에도 금속층의 저저항화를 도모할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의한 성막 방법은, 절연막이 형성된 기판을 처리 용기 내에 배치하고, 감압 분위기에서, Ti 함유 가스와 Al 함유 가스와 반응 가스를 처리 용기 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성하는 공정과, 하지막이 형성된 기판에 금속 재료에 의한 금속층을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 개시에 의하면, 박형화한 경우에도 금속층의 저저항화를 도모할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 성막 시스템의 전체의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 따른 성막 방법의 각 공정의 흐름의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 제1 실시 형태에 따른 성막 방법의 각 공정에서의 웨이퍼의 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 제1 실시 형태에 따른 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태에 따른 금속층으로서 초기 텅스텐막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9는 제1 실시 형태에 따른 금속층으로서 주 텅스텐막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10은 제1 실시 형태에 따른 웨이퍼의 층 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11은 비교예에 따른 웨이퍼의 층 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 12는 텅스텐막의 두께에 대한 저항률의 변화의 일례를 도시하는 도면이다.
도 13a는 오목부가 형성된 웨이퍼(W)의 일례를 도시하는 도면이다.
도 13b는 오목부가 형성된 웨이퍼(W)의 일례를 도시하는 도면이다.
도 14는 하지막의 Al 함유율에 대한 F의 농도의 일례를 도시한 도면이다.
도 15는 텅스텐막의 두께에 대한 저항률의 변화의 일례를 도시하는 도면이다.
도 16은 TiN막을 X선 해석했을 때 강도에 피크가 발생하는 회절 각도의 일례를 도시한 도면이다.
도 17a는 AlTiN막을 X선 해석한 회절 프로파일의 일례를 도시하는 도면이다.
도 17b는 AlTiN막을 X선 해석한 회절 프로파일의 일례를 도시하는 도면이다.
도 17c는 AlTiN막을 X선 해석한 회절 프로파일의 일례를 도시하는 도면이다.
도 17d는 AlTiN막을 X선 해석한 회절 프로파일의 일례를 도시하는 도면이다.
도 18은 제2 실시 형태에 따른 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 19는 제3 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 20은 제3 실시 형태에 따른 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스를 도시하는 도면이다.
도 21은 제3 실시 형태에 따른 웨이퍼의 층 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 22는 다른 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본원이 개시하는 성막 방법, 성막 시스템 및 성막 장치의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 의해, 개시하는 성막 방법, 성막 시스템 및 성막 장치가 한정되는 것은 아니다.
그런데, LSI를 제조할 때는, MOSFET 게이트 전극, 소스·드레인과의 콘택트, 메모리의 워드선 등에, 금속층이 널리 사용되고 있다. 그래서, 특허문헌 1의 기술에 의해, 기판 상에 금속층으로서 텅스텐막을 성막한 경우, 핵 생성 공정에 의해 생성되는 초기 텅스텐막(이하, 「Nucleation막」이라고도 함)이 고저항으로 된다. 이 때문에, 텅스텐막 전체를 박막화할 경우, Nucleation막 부분의 영향에 의해, 텅스텐막이 고저항으로 된다.
LSI는, 배선이 미세화되어 있어, 배선의 저저항화가 요구되고 있다. 그래서, 박형화한 경우에도 금속층의 저저항화를 도모하는 것이 기대되고 있다. 예를 들어, 3D NAND 플래시 메모리 등의 삼차원 적층 반도체 메모리에서는, 텅스텐막이 워드선으로서 성막되는데, 미세화를 위해, 텅스텐막의 가일층의 저저항화가 요구되고 있다.
(제1 실시 형태)
[시스템의 구성]
본 실시 형태에서는, 복수의 성막 장치에 의한 성막 시스템에 의해, 성막을 실시하는 경우를 예로 들어 설명한다. 우선, 본 실시 형태에 따른 성막 시스템에 대해서 설명한다. 도 1은, 제1 실시 형태에 따른 성막 시스템 전체의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 성막 시스템(100)은, 기판에 하지막의 성막을 행하고, 이어서 하지막 상에 금속층을 성막한다. 또한, 이하에서는, 금속층으로서 텅스텐막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이것에 한정되지 않는다. 성막 시스템(100)은, Cu(구리), Co(코발트), Ru(루테늄), Mo(몰리브덴) 중 어느 것을 함유하는 금속층을 성막해도 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성막 시스템(100)은, 4개의 성막 장치(101 내지 104)를 갖는다. 실시 형태에 따른 성막 시스템(100)에서는, 하지막의 성막을 성막 장치(101)에서 실시하고, 초기 텅스텐막의 성막을 성막 장치(102)에서 실시하고, 텅스텐막의 성막을 성막 장치(103 내지 104)에서 분산해서 실시하는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 따른 성막 시스템(100)는, 하지막의 성막 및 초기 텅스텐막의 성막을 각각 1대씩의 성막 장치에서 실시하고, 주 텅스텐막의 성막을 2대의 성막 장치에서 분산해서 실시하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 성막 시스템(100)은, 하지막의 성막을 2대의 성막 장치에서 분산해서 실시하고, 텅스텐막의 성막을 2대의 성막 장치에서 분산해서 실시해도 된다. 이 경우, 하지막의 성막 장치 또는 주 텅스텐막의 성막 장치의 어느 것에 초기 텅스텐막의 성막, 또는 초기 텅스텐막과 동등한 기능을 갖는 핵 형성막의 성막 기능을 갖게 하는 것이 바람직하다.
성막 장치(101 내지 104)는, 반송 기구가 접속되어, 성막 대상의 피처리 기판이 반송 기구에 의해 반송된다. 예를 들어, 성막 장치(101 내지 104)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 평면 형상이 칠각형을 이루는 진공 반송실(301)의 4개의 벽부에 각각 게이트 밸브(G)를 통해서 접속되어 있다. 진공 반송실(301) 내는, 진공 펌프에 의해 배기되어 소정의 진공도로 유지된다. 즉, 성막 시스템(100)은, 멀티 챔버 타입의 진공 처리 시스템이며, 하지막, 텅스텐막의 성막을, 진공을 깨지 않고 연속해서 행할 수 있는 것이다. 즉, 성막 장치(101 내지 104)의 처리 용기 내에서 행하여지는 공정 모두는, 실리콘 웨이퍼(W)(이하, 「웨이퍼(W)」라고 함)를 대기에 폭로하지 않고 행하여진다.
진공 반송실(301)의 다른 3개의 벽부에는 3개의 로드 로크실(302)이 게이트 밸브(G1)를 통해서 접속되어 있다. 로드 로크실(302)을 사이에 두고 진공 반송실(301)의 반대측에는 대기 반송실(303)이 마련되어 있다. 3개의 로드 로크실(302)은, 게이트 밸브(G2)를 통해서 대기 반송실(303)에 접속되어 있다. 로드 로크실(302)은, 대기 반송실(303)과 진공 반송실(301)의 사이에서 웨이퍼(W)를 반송할 때, 대기압과 진공의 사이에서 압력을 제어하는 것이다.
대기 반송실(303)의 로드 로크실(302)이 설치된 벽부와는 반대측의 벽부에는 웨이퍼(W)를 수용하는 캐리어(FOUP 등)(C)를 설치하는 3개의 캐리어 설치 포트(305)가 마련되어 있다. 또한, 대기 반송실(303)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 얼라인먼트를 행하는 얼라인먼트 챔버(304)가 마련되어 있다. 대기 반송실(303) 내에는 청정 공기의 다운 플로우가 형성되도록 되어 있다.
진공 반송실(301) 내에는, 반송 기구(306)가 마련되어 있다. 반송 기구(306)는, 성막 장치(101 내지 104), 로드 로크실(302)에 대하여 웨이퍼(W)를 반송한다. 반송 기구(306)는, 독립적으로 이동 가능한 2개의 반송 암(307a, 307b)을 갖고 있다.
대기 반송실(303) 내에는, 반송 기구(308)가 마련되어 있다. 반송 기구(308)는, 캐리어(C), 로드 로크실(302), 얼라인먼트 챔버(304)에 대하여 웨이퍼(W)를 반송하도록 되어 있다.
성막 시스템(100)은, 전체 제어부(310)를 갖고 있다. 전체 제어부(310)는, 예를 들어 컴퓨터로서 구성되고, CPU 등의 주제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등), 출력 장치(프린터 등), 표시 장치(디스플레이 등), 기억 장치(기억 매체)를 갖는다. 주제어부는, 성막 장치(101 내지 104)의 각 구성부, 진공 반송실(301)의 배기 기구, 가스 공급 기구 및 반송 기구(306), 로드 로크실(302)의 배기 기구 및 가스 공급 기구, 대기 반송실(303)의 반송 기구(308), 게이트 밸브(G, G1, G2)의 구동계 등을 제어한다. 전체 제어부(310)의 주제어부는, 예를 들어 기억 장치에 내장된 기억 매체 또는 기억 장치에 세트된 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여, 성막 시스템(100)에 소정의 동작을 실행시킨다. 또한, 전체 제어부(310)는, 후술하는 성막 장치(101)가 갖는 제어부(6)와 같은 각 유닛의 제어부의 상위의 제어부이어도 된다.
이어서, 이상과 같이 구성되는 성막 시스템(100)의 동작에 대해서 설명한다. 이하의 성막 시스템(100)의 처리 동작은 전체 제어부(310)에서의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여 실행된다.
먼저, 반송 기구(308)에 의해 대기 반송실(303)에 접속된 캐리어(C)로부터 웨이퍼(W)를 취출한다. 그리고, 취출한 웨이퍼(W)를, 얼라인먼트 챔버(304)를 경유한 후에, 어느 것의 로드 로크실(302)의 게이트 밸브(G2)를 열어서 로드 로크실(302) 내에 반입한다. 그리고, 게이트 밸브(G2)를 닫은 후, 로드 로크실(302) 내를 진공 배기한다.
로드 로크실(302)이, 소정의 진공도가 된 시점에서 게이트 밸브(G1)를 열어, 반송 기구(306)의 반송 암(307a, 307b)의 어느 것에 의해 로드 로크실(302)로부터 웨이퍼(W)를 취출한다.
그리고, 성막 장치(101)의 게이트 밸브(G)를 열어, 반송 기구(306)의 어느 것의 반송 암(307a, 307b)이 보유 지지하는 웨이퍼(W)를 성막 장치(101)에 반입한다. 그리고, 빈 반송 암을 진공 반송실(301)에 복귀시킴과 함께, 게이트 밸브(G)를 닫고, 성막 장치(101)에 의해 하지막의 성막 처리를 행한다.
하지막의 성막 처리가 종료된 후, 성막 장치(101)의 게이트 밸브(G)를 열어, 반송 기구(306)의 반송 암(307a, 307b)의 어느 것에 의해 웨이퍼(W)를 반출한다. 그리고, 성막 장치(102)에 의해 웨이퍼(W)에 대하여 초기 텅스텐막의 성막 처리를 행한다.
초기 텅스텐의 성막 처리가 종료된 후, 성막 장치(102)의 게이트 밸브(G)를 열어, 반송 기구(306)의 반송 암(307a, 307b)의 어느 것에 의해 웨이퍼(W)를 반출한다. 그리고, 성막 장치(103 또는 104)의 어느 것에 의해 웨이퍼(W)에 대하여 주 텅스텐막의 성막 처리를 행한다. 이하에서는, 성막 장치(103)에 의해, 웨이퍼(W)에 대하여 주 텅스텐막의 성막 처리를 행하는 경우를 예로 들어 설명한다.
예를 들어, 성막 장치(103)의 게이트 밸브(G)를 열어, 반송 암(307a, 307b)의 어느 것에 보유 지지된 웨이퍼(W)를 성막 장치(103)에 반입하고, 빈 반송 암을 진공 반송실(301)에 복귀시킴과 함께, 게이트 밸브(G)를 닫는다. 그리고, 성막 장치(103)에 의해, 웨이퍼(W) 상에 형성된 초기 텅스텐막 상에 주 텅스텐막의 성막 처리를 행한다. 이렇게 주 텅스텐막이 성막된 후, 성막 장치(103)의 게이트 밸브(G)를 열어, 반송 기구(306)의 반송 암(307a, 307b)의 어느 것에 의해 웨이퍼(W)를 반출한다. 그리고, 어느 것의 로드 로크실(302)의 게이트 밸브(G1)를 열어, 반송 암 상의 웨이퍼(W)를 로드 로크실(302) 내에 반입한다. 그리고, 웨이퍼(W)를 반입한 로드 로크실(302) 내를 대기로 되돌리고, 게이트 밸브(G2)를 열어, 반송 기구(308)로 로드 로크실(302) 내의 웨이퍼(W)를 캐리어(C)로 되돌린다.
이상과 같은 처리를, 복수의 웨이퍼(W)에 대해서 동시 병행적으로 행하여, 소정 매수의 웨이퍼(W)의 텅스텐막의 성막 처리가 완료된다.
이에 의해, 성막 시스템(100)은, 하지막의 성막 및 텅스텐막의 성막을 고스루풋으로 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예의 성막 시스템(100)은, 4개의 성막 장치를 탑재한 진공 처리 시스템으로서 나타냈지만, 성막 장치의 수는 이것에 한정되지 않는다. 복수의 성막 장치가 탑재 가능한 진공 처리 시스템이라면, 성막 장치의 수는 2 또는 3개 또는 4개 이상이어도 된다. 예를 들어, 8개 이상의 성막 장치를 탑재한 진공 처리 시스템이어도 된다. 또한 본 실시예의 성막 시스템(100)은, 진공 반송실(301)을 칠각형으로 한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 진공 반송실(301)은, 복수의 성막 장치가 접속 가능하면, 예를 들어 오각형, 육각형 등 다른 다각형이어도 된다. 또한, 성막 시스템(100)은, 다각형의 진공 반송실을 복수 접속한 것이어도 된다.
[성막 장치의 구성]
제1 실시 형태에 따른 성막 장치(101)와 성막 장치(102 내지 104)는, 가스를 공급하는 가스 공급 기구의 구성 이외에, 대략 마찬가지의 구성으로 되어 있다. 이하에서는, 성막 장치(101)의 구성에 대해서 주로 설명하고, 성막 장치(102 내지 104)의 구성에 대해서는 다른 부분을 주로 설명한다.
제1 실시 형태에 따른 성막 장치(101)의 구성에 대해서 설명한다. 도 2는, 제1 실시 형태에 따른 성막 장치(101)의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다. 성막 장치(101)는, 처리 용기(1)와, 적재대(2)와, 샤워 헤드(3)와, 배기부(4)와, 가스 공급 기구(5)와, 제어부(6)를 갖고 있다.
처리 용기(1)는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되고, 대략 원통상을 갖고 있다. 처리 용기(1)는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수용한다. 처리 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)를 반입 또는 반출하기 위한 반입출구(11)가 형성되고, 반입출구(11)는 게이트 밸브(12)에 의해 개폐된다. 처리 용기(1)의 본체 상에는, 단면이 직사각 형상을 이루는 원환상의 배기 덕트(13)가 마련되어 있다. 배기 덕트(13)에는, 내주면을 따라 슬릿(13a)이 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 외벽에는, 배기구(13b)가 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 상면에는, 처리 용기(1)의 상부 개구를 막도록 천장벽(14)이 마련되어 있다. 배기 덕트(13)와 천장벽(14)의 사이는, 시일 링(15)으로 기밀하게 밀봉되어 있다.
적재대(2)는, 처리 용기(1) 내에서 웨이퍼(W)를 수평하게 지지한다. 적재대(2)는, 웨이퍼(W)에 대응한 크기의 원판상으로 형성되어 있고, 지지 부재(23)에 지지되어 있다. 적재대(2)는, 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹스 재료나, 알루미늄이나 니켈 합금 등의 금속 재료로 형성되어 있고, 내부에 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터(21)가 매립되어 있다. 히터(21)는, 히터 전원(도시하지 않음)으로부터 급전되어 발열한다. 그리고, 적재대(2)의 상면의 근방에 마련된 열전쌍(도시하지 않음)의 온도 신호에 의해 히터(21)의 출력을 제어함으로써, 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 제어된다. 적재대(2)에는, 상면의 외주 영역 및 측면을 덮도록 알루미나 등의 세라믹스에 의해 형성된 커버 부재(22)가 마련되어 있다.
적재대(2)의 저면에는, 적재대(2)를 지지하는 지지 부재(23)가 마련되어 있다. 지지 부재(23)는, 적재대(2)의 저면의 중앙으로부터 처리 용기(1)의 저벽에 형성된 구멍부를 관통해서 처리 용기(1)의 하방으로 연장되어, 지지 부재(23)의 하단이 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 적재대(2)는, 승강 기구(24)에 의해, 지지 부재(23)를 통해서, 도 2에서 도시하는 처리 위치와, 그 하방의 이점쇄선으로 나타내는 웨이퍼(W)의 반송이 가능한 반송 위치의 사이에서 승강한다. 지지 부재(23)의 처리 용기(1)의 하방에는, 플랜지부(25)가 설치되어 있고, 처리 용기(1)의 저면과 플랜지부(25)의 사이에는, 처리 용기(1) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 적재대(2)의 승강 동작에 따라서 신축하는 벨로우즈(26)가 마련되어 있다.
처리 용기(1)의 저면의 근방에는, 승강판(27a)으로부터 상방에 돌출되도록 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(27)이 마련되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 처리 용기(1)의 하방에 마련된 승강 기구(28)에 의해 승강판(27a)을 통해서 승강한다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 반송 위치에 있는 적재대(2)에 마련된 관통 구멍(2a)에 삽입 관통되어 적재대(2)의 상면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)을 승강시킴으로써, 반송 기구(도시하지 않음)와 적재대(2)의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행하여진다.
샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 샤워 형상으로 공급한다. 샤워 헤드(3)는 금속제로 되어 있고, 적재대(2)와 거의 동일한 직경을 갖고 있다. 샤워 헤드(3)는 적재대(2)에 대향하도록 배치되어 있다. 샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1)의 천장벽(14)에 고정된 본체부(31)와, 본체부(31) 아래에 접속된 샤워 플레이트(32)를 갖고 있다. 본체부(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에는 가스 확산 공간(33)이 형성되어 있고, 가스 확산 공간(33)에는, 처리 용기(1)의 천장벽(14) 및 본체부(31)의 중앙을 관통하도록 가스 도입 구멍(36, 37)이 마련되어 있다. 샤워 플레이트(32)의 주연부에는 하방으로 돌출되는 환상 돌기부(34)가 형성되어 있다. 환상 돌기부(34)의 내측의 평탄면에는, 가스 토출 구멍(35)이 형성되어 있다. 적재대(2)가 처리 위치에 존재한 상태에서는, 적재대(2)와 샤워 플레이트(32)의 사이에 처리 공간(38)이 형성되고, 커버 부재(22)의 상면과 환상 돌기부(34)가 근접해서 환상 간극(39)이 형성된다.
배기부(4)는 처리 용기(1)의 내부를 배기한다. 배기부(4)는, 배기구(13b)에 접속된 배기 배관(41)과, 배기 배관(41)에 접속된 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 기구(42)를 갖는다. 처리 시에는, 처리 용기(1) 내의 가스가 슬릿(13a)을 통해서 배기 덕트(13)에 이르고, 배기 덕트(13)로부터 배기 배관(41)을 통해서 배기 기구(42)에 의해 배기된다.
가스 공급 기구(5)는, 가스 도입 구멍(36, 37)에 접속되어, 성막에 사용하는 각종 가스를 공급 가능하게 되어 있다. 예를 들어, 가스 공급 기구(5)는, 하지막을 성막하는 가스 공급원으로서, Al 함유 가스 공급원(51a), N2 가스 공급원(52a), N2 가스 공급원(53a), N2 가스 공급원(54a), NH3 가스 공급원(55a), Ti 함유 가스 공급원(56a) 및 N2 가스 공급원(57a)을 갖는다. 또한, 도 2에 도시하는 가스 공급 기구(5)에서는, 각 가스 공급원을 각각 나누어서 나타냈지만, 공통화 가능한 가스 공급원은, 공통화해도 된다.
Al 함유 가스 공급원(51a)은, 가스 공급 라인(51b)을 통해서 Al 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. Al 함유 가스로서는, 예를 들어 AlCl3 가스, TMA(트리메틸알루미늄: C6H18Al2) 가스를 들 수 있다. 예를 들어, Al 함유 가스 공급원(51a)은, Al 함유 가스로서 TMA 가스를 공급한다. 가스 공급 라인(51b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(51c), 저류 탱크(51d) 및 밸브(51e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(51b)의 밸브(51e)의 하류측은, 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. Al 함유 가스 공급원(51a)으로부터 공급되는 Al 함유 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(51d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(51d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(51d)로부터 처리 용기(1)에의 Al 함유 가스의 공급 및 정지는, 밸브(51e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(51d)에 Al 함유 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 Al 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(52a)은, 가스 공급 라인(52b)을 통해서 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(52b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(52c), 저류 탱크(52d) 및 밸브(52e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(52b)의 밸브(52e)의 하류측은, 가스 공급 라인(51b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(52a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(52d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(52d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(52d)로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(52e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(52d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(53a)은, 가스 공급 라인(53b)을 통해서 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(53b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(53c), 밸브(53e) 및 오리피스(53f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(53b)의 오리피스(53f)의 하류측은, 가스 공급 라인(51b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(53a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 웨이퍼(W)의 성막 중에 연속해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(53a)으로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(53e)에 의해 행하여진다. 저류 탱크(51d, 52d)에 의해 가스 공급 라인(51b, 52b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(53f)에 의해 가스 공급 라인(51b)에 공급되는 가스가, 가스 공급 라인(53b)으로 역류하는 것이 억제된다.
N2 가스 공급원(54a)은, 가스 공급 라인(54b)을 통해서 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(54b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(54c), 저류 탱크(54d) 및 밸브(54e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(54b)의 밸브(54e)의 하류측은, 가스 공급 라인(55b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(54a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(54d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(54d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(54d)로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(54e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(54d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
NH3 가스 공급원(55a)은, 가스 공급 라인(55b)을 통해서 반응 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 반응 가스로서는, 예를 들어 N 함유 가스, 희가스, 불활성 가스를 들 수 있다. 반응 가스로서 사용 가능한 N 함유 가스로서는, 암모니아 가스(NH3 가스), 히드라진(N2H4) 가스를 들 수 있다. 예를 들어, NH3 가스 공급원(55a)은, 반응 가스로서, NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(55b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(55c), 저류 탱크(55d) 및 밸브(55e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(55b)의 밸브(55e)의 하류측은, 가스 도입 구멍(37)에 접속되어 있다. NH3 가스 공급원(55a)으로부터 공급되는 NH3 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(55d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(55d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(55d)로부터 처리 용기(1)에의 NH3 가스의 공급 및 정지는, 밸브(55e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(55d)에 NH3 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
Ti 함유 가스 공급원(56a)은, 가스 공급 라인(56b)을 통해서 Ti 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. Ti 함유 가스로서는, 예를 들어 TiCl4, TDMAT(테트라키스(디메틸아미노)티타늄: Ti[N(CH3)2]4) 가스, TMEAT(테트라키스(메틸에틸아미노)티타늄: C12H32N4Ti) 가스를 들 수 있다. 예를 들어, Ti 함유 가스 공급원(56a)은, Ti 함유 가스로서, TiCl4 가스를 공급한다. 가스 공급 라인(56b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(56c), 저류 탱크(56d) 및 밸브(56e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(56b)의 밸브(56e)의 하류측은, 가스 공급 라인(55b)에 접속되어 있다. Ti 함유 가스 공급원(56a)으로부터 공급되는 Ti 함유 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(56d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(56d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(56d)로부터 처리 용기(1)에의 Ti 함유 가스의 공급 및 정지는, 밸브(56e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(56d)에 Ti 함유 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 Ti 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(57a)은, 가스 공급 라인(57b)을 통해서 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(57b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(57c), 밸브(57e) 및 오리피스(57f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(57b)의 오리피스(57f)의 하류측은, 가스 공급 라인(55b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(57a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 웨이퍼(W)의 성막 중에 연속해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(57a)으로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(57e)에 의해 행하여진다. 저류 탱크(55d, 56d)에 의해 가스 공급 라인(55b, 56b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(57f)에 의해 가스 공급 라인(55b)에 공급되는 가스가, 가스 공급 라인(57b)으로 역류하는 것이 억제된다.
상기와 같이 구성된 성막 장치(101)는, 제어부(6)에 의해, 그 동작이 통괄적으로 제어된다. 제어부(6)는, 예를 들어 컴퓨터이며, CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 보조 기억 장치 등을 구비한다. CPU는, ROM 또는 보조 기억 장치에 저장된 프로그램에 기초하여 동작하여, 장치 전체의 동작을 제어한다. 제어부(6)는, 성막 장치(101)의 내부에 마련되어 있어도 되고, 외부에 마련되어 있어도 된다. 제어부(6)가 외부에 마련되어 있을 경우, 제어부(6)는, 유선 또는 무선 등의 통신 수단에 의해, 성막 장치(101)를 제어할 수 있다.
이어서, 제1 실시 형태에 따른 성막 장치(102)의 구성에 대해서 설명한다. 도 3은, 제1 실시 형태에 따른 성막 장치(102)의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다. 성막 장치(102)는, 사용하는 가스 및 가스를 공급하는 가스 공급 기구(5) 이외에, 도 2에 도시한 성막 장치(101)와 마찬가지의 구성으로 되어 있다. 성막 장치(102)의 성막 장치(101)와 동일 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여해서 설명을 생략하고, 주로 다른 점에 대해서 설명을 한다.
가스 공급 기구(5)는, 가스 도입 구멍(36, 37)에 접속되어, 성막에 사용하는 각종 가스를 공급 가능하게 되어 있다. 예를 들어, 가스 공급 기구(5)는, 초기 텅스텐막을 성막하는 가스의 공급원으로서, WF6 가스 공급원(61a), N2 가스 공급원(62a), N2 가스 공급원(63a), B2H6 가스 공급원(65a), N2 가스 공급원(66a) 및 N2 가스 공급원(67a)을 갖는다. 또한, 도 3에 도시하는 가스 공급 기구(5)에서도, 각 가스 공급원을 각각 나누어서 나타냈지만, 공통화 가능한 가스 공급원은, 공통화해도 된다.
WF6 가스 공급원(61a)은, 가스 공급 라인(61b)을 통해서 WF6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(61b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(61c), 저류 탱크(61d) 및 밸브(61e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(61b)의 밸브(61e)의 하류측은, 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. WF6 가스 공급원(61a)으로부터 공급되는 WF6 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(61d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(61d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(61d)로부터 처리 용기(1)에의 WF6 가스의 공급 및 정지는, 밸브(61e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(61d)에 WF6 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 WF6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(62a)은, 가스 공급 라인(62b)을 통해서 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(62b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(62c), 저류 탱크(62d) 및 밸브(62e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(62b)의 밸브(62e)의 하류측은, 가스 공급 라인(61b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(62a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(62d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(62d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(62d)로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(62e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(62d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(63a)은, 가스 공급 라인(63b)을 통해서 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(63b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(63c), 밸브(63e) 및 오리피스(63f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(63b)의 오리피스(63f)의 하류측은, 가스 공급 라인(61b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(63a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 웨이퍼(W)의 성막 중에 연속해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(63a)으로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(63e)에 의해 행하여진다. 저류 탱크(61d, 62d)에 의해 가스 공급 라인(61b, 62b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(63f)에 의해 가스 공급 라인(61b, 62b)에 공급되는 가스가, 가스 공급 라인(63b)으로 역류하는 것이 억제된다.
B2H6 가스 공급원(65a)은, 가스 공급 라인(65b)을 통해서 환원 가스인 B2H6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(65b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(65c), 저류 탱크(65d) 및 밸브(65e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(65b)의 밸브(65e)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. 가스 공급 라인(64b)의 하류측은, 가스 도입 구멍(37)에 접속되어 있다. B2H6 가스 공급원(65a)으로부터 공급되는 B2H6 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(65d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(65d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(65d)로부터 처리 용기(1)에의 B2H6 가스의 공급 및 정지는, 밸브(65e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(65d)에 B2H6 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 B2H6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(66a)은, 가스 공급 라인(66b)을 통해서 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(66b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(66c), 저류 탱크(66d) 및 밸브(66e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(66b)의 밸브(66e)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(66a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(66d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(66d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(66d)로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(66e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(66d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(67a)은, 가스 공급 라인(67b)을 통해서 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(67b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(67c), 밸브(67e) 및 오리피스(67f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(67b)의 오리피스(67f)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(67a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 웨이퍼(W)의 성막 중에 연속해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(67a)으로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(67e)에 의해 행하여진다. 저류 탱크(65d, 66d)에 의해 가스 공급 라인(65b, 66b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(67f)에 의해 가스 공급 라인(65b, 66b)에 공급되는 가스가, 가스 공급 라인(67b)으로 역류하는 것이 억제된다.
이어서, 제1 실시 형태에 따른 성막 장치(103, 104)의 구성에 대해서 설명한다. 제1 실시 형태에 따른 성막 장치(103, 104)는, 대략 마찬가지의 구성이기 때문에, 대표해서 성막 장치(103)의 구성을 설명한다. 도 4는, 제1 실시 형태에 따른 성막 장치(103)의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다. 성막 장치(103)는, 사용하는 가스 및 가스를 공급하는 가스 공급 기구(5) 이외에, 도 2, 도 3에 도시한 성막 장치(101, 102)와 마찬가지의 구성으로 되어 있다. 성막 장치(103)의 성막 장치(101, 102)와 동일 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여해서 설명을 생략하고, 주로 다른 점에 대해서 설명을 한다.
가스 공급 기구(5)는, 가스 도입 구멍(36, 37)에 접속되어, 성막에 사용하는 각종 가스를 공급 가능하게 되어 있다. 예를 들어, 가스 공급 기구(5)는, 텅스텐막을 성막하는 가스의 공급원으로서, WF6 가스 공급원(61a), N2 가스 공급원(62a), N2 가스 공급원(63a), H2 가스 공급원(64a), N2 가스 공급원(66a), N2 가스 공급원(67a) 및 H2 가스 공급원(68a)을 갖는다. 또한, 도 4에 도시하는 가스 공급 기구(5)에서도, 각 가스 공급원을 각각 나누어서 나타냈지만, 공통화 가능한 가스 공급원은, 공통화해도 된다.
WF6 가스 공급원(61a)은, 가스 공급 라인(61b)을 통해서 WF6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(61b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(61c), 저류 탱크(61d) 및 밸브(61e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(61b)의 밸브(61e)의 하류측은, 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. WF6 가스 공급원(61a)으로부터 공급되는 WF6 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(61d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(61d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(61d)로부터 처리 용기(1)에의 WF6 가스의 공급 및 정지는, 밸브(61e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(61d)에 WF6 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 WF6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(62a)은, 가스 공급 라인(62b)을 통해서 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(62b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(62c), 저류 탱크(62d) 및 밸브(62e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(62b)의 밸브(62e)의 하류측은, 가스 공급 라인(61b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(62a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(62d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(62d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(62d)로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(62e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(62d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(63a)은, 가스 공급 라인(63b)을 통해서 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(63b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(63c), 밸브(63e) 및 오리피스(63f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(63b)의 오리피스(63f)의 하류측은, 가스 공급 라인(61b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(63a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 웨이퍼(W)의 성막 중에 연속해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(63a)으로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(63e)에 의해 행하여진다. 저류 탱크(61d, 62d)에 의해 가스 공급 라인(61b, 62b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(63f)에 의해 가스 공급 라인(61b, 62b)에 공급되는 가스가, 가스 공급 라인(63b)으로 역류하는 것이 억제된다.
H2 가스 공급원(64a)은, 가스 공급 라인(64b)을 통해서 환원 가스인 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(64b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(64c), 밸브(64e) 및 오리피스(64f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(64b)의 오리피스(64f)의 하류측은, 가스 도입 구멍(37)에 접속되어 있다. H2 가스 공급원(64a)으로부터 공급되는 H2 가스는, 웨이퍼(W)의 성막 중에 연속해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. H2 가스 공급원(64a)으로부터 처리 용기(1)에의 H2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(64e)에 의해 행하여진다. 후술하는 저류 탱크(66d, 68d)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(64f)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에 공급되는 가스가, 가스 공급 라인(64b)으로 역류하는 것이 억제된다.
H2 가스 공급원(68a)은, 가스 공급 라인(68b)을 통해서 환원 가스인 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(68b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(68c), 저류 탱크(68d) 및 밸브(68e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(68b)의 밸브(68e)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. H2 가스 공급원(68a)으로부터 공급되는 H2 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(68d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(68d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(68d)로부터 처리 용기(1)에의 H2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(68e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(68d)에 H2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(66a)은, 가스 공급 라인(66b)을 통해서 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(66b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(66c), 저류 탱크(66d) 및 밸브(66e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(66b)의 밸브(66e)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(66a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(66d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(66d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(66d)로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(66e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(66d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(67a)은, 가스 공급 라인(67b)을 통해서 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(67b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(67c), 밸브(67e) 및 오리피스(67f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(67b)의 오리피스(67f)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(67a)으로부터 공급되는 N2 가스는, 웨이퍼(W)의 성막 중에 연속해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(67a)으로부터 처리 용기(1)에의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(67e)에 의해 행하여진다. 저류 탱크(66d, 68d)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(67f)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에 공급되는 가스가, 가스 공급 라인(67b)으로 역류하는 것이 억제된다.
〔성막 방법〕
이어서, 상기와 같이 구성된 성막 시스템(100)을 사용해서 행하여지는, 텅스텐막의 성막 방법에 대해서 설명한다. 도 5는, 제1 실시 형태에 따른 성막 방법의 각 공정의 흐름의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 6은, 제1 실시 형태에 따른 성막 방법의 각 공정에서의 웨이퍼의 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
먼저, 최초로, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 절연막이 형성된 웨이퍼(W)(도 6의 (a))를 준비한다. 예를 들어, 트렌치나 홀 등의 오목부를 갖는 실리콘막이 형성된 웨이퍼(W)(도 6의 (a))를 준비한다. 웨이퍼(W)에는, 표면에 절연막으로서 AlO층이 형성되어 있다. 절연막은, SiO2층이나 SiN층이어도 된다. 웨이퍼(W) 상에는, 실제로는 트렌치나 홀(콘택트 홀 또는 비아 홀) 등의 오목부가 형성되어 있지만, 편의상, 도 6에서는 오목부를 생략하고 있다.
성막 장치(101)는, 웨이퍼(W)에 대하여, ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의해 하지막을 성막한다(스텝 S1: 도 6의 (b)). 예를 들어, 성막 장치(101)는, Ti 함유 가스와 Al 함유 가스와 반응 가스를 처리 용기(1) 내에 반복해서 공급하여 하지막을 성막한다. 또한, 하지막을 성막하는 공정의 상세는 후술한다.
성막 장치(102)는, 웨이퍼(W)에 대하여 WF6 가스와 B2H6 가스를 퍼지 가스인 N2 가스를 사이에 끼워서 처리 용기(1) 내에 교대로 공급하여 웨이퍼(W)의 표면에 텅스텐의 핵을 생성하기 위한 초기 텅스텐막으로서 Nucleation막을 형성한다(스텝 S2: 도 6의 (c)). 또한, 스텝 S2는, 성막 장치(102)가, B2H6 가스를 처리 용기(1) 내에 소정 시간 공급, 또는 간헐적으로 공급해서 웨이퍼(W)의 표면을 트리트먼트하는 공정으로 해도 된다.
성막 장치(103)는, 웨이퍼(W)에 대하여 텅스텐막을 성막한다(스텝 S3: 도 6의 (d)). 또한, 텅스텐막을 성막하는 공정의 상세는 후술한다.
성막 시스템(100)은, 상술한 바와 같이, 스텝 S1 내지 S3에 나타낸 성막 방법의 각 공정의 처리를 행하여, 절연막이 형성된 웨이퍼(W) 상에 하지막, 금속층(Nucleation막, 텅스텐막)을 순서대로 성막한다. 이하, 스텝 S1 내지 S3의 각 스텝의 성막 방법의 상세에 대해서 설명한다.
〔하지막의 성막〕
이어서, 성막 장치(101)가, 하지막을 성막하는 흐름에 대해서 설명한다. 성막 장치(101)는, Ti 함유 가스와, Al 함유 가스와, 반응 가스를 처리 용기(1) 내에 반복해서 공급하여, 하지막을 성막한다. 예를 들어, 성막 장치(101)는, 퍼지 공정을 사이에 끼워서 Ti 함유 가스와 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제1 하지막을 형성하는 공정과, 퍼지 공정을 사이에 끼워서 Al 함유 가스와 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제2 하지막을 형성하는 공정을, 적어도 1회 이상 반복함으로써 하지막을 성막한다. 본 실시 형태에서는, 제1 하지막으로서 TiN막과, 제2 하지막으로서 AlN막을 적층한 AlTiN막을 하지막으로서 성막한다.
도 7은, 제1 실시 형태에 따른 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다. 성막 장치(101)의 제어부(6)는, 적재대(2)의 히터(21)를 제어하여, 웨이퍼(W)를 소정의 온도(예를 들어 250 내지 550℃)로 가열한다. 또한, 제어부(6)는, 배기 기구(42)의 압력 제어 밸브를 제어하여, 처리 용기(1) 내를 소정의 압력(예를 들어 0.1 내지 10Torr)으로 조정한다.
제어부(6)는, 밸브(53e, 57e)를 개방하여, N2 가스 공급원(53a, 57a)으로부터 각각 가스 공급 라인(53b, 57b)에 소정의 유량의 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 제어부(6)는, N2 가스 공급원(52a, 54a), NH3 가스 공급원(55a) 및 Ti 함유 가스 공급원(56a)으로부터 각각 N2 가스, NH3 가스 및 Ti 함유 가스를 가스 공급 라인(52b, 54b, 55b, 56b)에 공급한다. 이때, 밸브(52e, 54e, 55e, 56e)가 폐쇄되어 있으므로, N2 가스, NH3 가스 및 Ti 함유 가스는, 저류 탱크(52d, 54d, 55d, 56d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(51d, 55d, 56d) 내가 승압된다.
제어부(6)는 밸브(56e)를 개방하여, 저류 탱크(56d)에 저류된 Ti 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 Ti 함유 가스에 의한 막을 흡착시킨다(스텝 S11). 예를 들어, Ti 함유 가스로서, TiCl4 가스를 사용한 경우, TiCl4+NH3→TiN+HCl↑과 같이 반응하여, 웨이퍼(W)의 표면에 TiN이 흡착된다. 또한, 예를 들어 Ti 함유 가스로서, TDMAT 가스를 사용한 경우, (Ti[N(CH3)2]4)+NH3→TiN+CxHy↑와 같이 반응하여, 웨이퍼(W)의 표면에 TiN이 흡착된다. 또한, 예를 들어 Ti 함유 가스로서, TMEAT 가스를 사용한 경우, C12H32N4Ti+NH3→TiN+CxHy↑와 같이 반응하여, 웨이퍼(W)의 표면에 TiN이 흡착된다.
제어부(6)는, 밸브(56e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(56e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 Ti 함유 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d, 54d)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S12). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 Ti 함유 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 Ti 함유 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 또한, 밸브(56e)가 폐쇄된 것에 의해, Ti 함유 가스 공급원(56a)으로부터 가스 공급 라인(56b)에 공급되는 Ti 함유 가스가 저류 탱크(56d)에 저류되어, 저류 탱크(56d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(56e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 Ti 함유 가스를 배기할 수 있다.
제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(52e, 54e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(55e)를 개방하여, 저류 탱크(55d)에 저류된 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 Ti 함유 가스를 환원한다(스텝 S13).
제어부(6)는, 밸브(55e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(55e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 NH3 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d, 54d)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S14). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 NH3 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 NH3 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 또한, 밸브(55e)가 폐쇄된 것에 의해, NH3 가스 공급원(55a)으로부터 가스 공급 라인(55b)에 공급되는 NH3 가스가 저류 탱크(55d)에 저류되어, 저류 탱크(55d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(55e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 NH3 가스를 배기할 수 있다.
이 스텝 S11 내지 S14의 A 사이클이 제1 하지막을 형성하는 공정에 대응한다.
제어부(6)는, 밸브(53e, 57e)를 개방하여, N2 가스 공급원(53a, 57a)으로부터 각각 가스 공급 라인(53b, 57b)에 소정의 유량의 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 제어부(6)는, Ti 함유 가스 공급원(56a)으로부터의 Ti 함유 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, Al 함유 가스 공급원(51a), N2 가스 공급원(52a, 54a) 및 NH3 가스 공급원(55a)으로부터 각각 Al 함유 가스, N2 가스 및 NH3 가스를 가스 공급 라인(51b, 52b, 54b, 55b)에 공급한다. 이때, 밸브(51e, 52e, 54e, 55e)가 폐쇄되어 있으므로, Al 함유 가스, N2 가스 및 NH3 가스는, 저류 탱크(51d, 52d, 54d, 55d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(51d, 55d, 54d, 56d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(51e)를 개방하여, 저류 탱크(51d)에 저류된 Al 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 Al 함유 가스에 의한 막을 흡착시킨다(스텝 S15). 예를 들어, Al 함유 가스로서, AlCl3 가스를 사용한 경우, AlCl3+NH3→AlN+HCl↑과 같이 반응하여, 웨이퍼(W)의 표면에 AlN이 흡착된다. 또한, 예를 들어 Al 함유 가스로서, TMA 가스를 사용한 경우, C6H18Al2+NH3→AlN+CxHy↑와 같이 반응하여, 웨이퍼(W)의 표면에 AlN이 흡착된다.
제어부(6)는, 밸브(51e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(51e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 Al 함유 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d, 54d)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S16). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 Al 함유 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 Al 함유 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 또한, 밸브(51e)가 폐쇄된 것에 의해, Al 함유 가스 공급원(51a)으로부터 가스 공급 라인(51b)에 공급되는 Al 함유 가스가 저류 탱크(51d)에 저류되어, 저류 탱크(51d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(51e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 Al 함유 가스를 배기할 수 있다.
제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(52e, 54e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(55e)를 개방하여, 저류 탱크(55d)에 저류된 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 Al 함유 가스를 환원한다(스텝 S17).
제어부(6)는, 밸브(55e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(55e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 NH3 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d, 54e)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S18). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 NH3 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 NH3 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 밸브(55e)가 폐쇄된 것에 의해, NH3 가스 공급원(55a)으로부터 가스 공급 라인(55b)에 공급되는 NH3 가스가 저류 탱크(55d)에 저류되어, 저류 탱크(55d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(55e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 NH3 가스를 배기할 수 있다.
이 스텝 S15 내지 S18의 B 사이클이 제2 하지막을 형성하는 공정에 대응한다.
제어부(6)는, 스텝 S11 내지 S18의 사이클을 복수회 반복함으로써, 하지막으로서, 원하는 막 두께의 AlTiN막을 성막한다.
또한, 도 7에 도시한, 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건은 일례이며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 하지막의 성막은, 다른 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건을 사용해도 된다.
여기서, 도 7에 도시한 가스 공급 시퀀스에서는, 스텝 S11 내지 S14의 A 사이클에 의해 Ti 함유막이 형성되고, 스텝 S15 내지 S18의 B 사이클에 의해 Al 함유막이 형성된다. 따라서, 하지막의 성막을 실시할 때 A 사이클과, B 사이클의 실시 횟수를 바꿈으로써, 하지막의 Ti와 Al의 함유율을 제어할 수 있다.
하지막은, AlO층 상에, 밀착성이나 반응 억제의 관점에서, 하부에서는 Ti 함유율이 높은 편이 바람직하다. 또한, 하지막은, AlO층 상에, 금속층의 형성의 용이함이나, 배향의 관점에서, 상부에서는 Al 함유율이 높은 편이 바람직하다. 따라서, AlTiN막은, 하부에서 Ti 함유율이 높고, 상부에서 Al 함유율이 높은 편이 바람직하다.
그래서, 제어부(6)는, 하지막을 형성하는 경우, 제1 하지막을 형성하는 공정과 제2 하지막을 형성하는 공정의 실행 횟수를 제어하여, 제1 하지막과 제2 하지막의 성막 비율을 조정한다. 이에 의해, 하지막에 원소 농도의 그라데이션을 만드는 것이 가능하게 된다. 또한, 예를 들어 제어부(6)는, 하지막의 하부를 형성하는 경우, 제1 하지막을 형성하는 공정을, 제2 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행한다. 또한, 제어부(6)는, 하지막의 상부를 형성하는 경우, 제2 하지막을 형성하는 공정을, 제1 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행한다. 예를 들어, 제어부(6)는, 스텝 S11 내지 S18의 사이클을 1세트로 해서, 세트를 Z회 반복함으로써 AlTiN막을 성막하는 것으로 한다. 제어부(6)는, AlTiN막의 하부 성막에서는, 1세트당, A 사이클의 횟수를 B 사이클의 횟수보다도 많이 실시한다. 또한, 제어부(6)는, AlTiN막의 상부 성막에서는, 1세트당, B 사이클의 횟수를 A 사이클의 횟수보다도 많이 실시한다. 또한, 예를 들어 제어부(6)는, 하지막의 성막의 초기 세트에서는 A 사이클이 많이 실시되고, 하지막의 성막의 종반 세트에서는 B 사이클이 많이 실시되도록 제어한다. 일례로서, 제어부(6)는, 하지막의 하부의 성막에서는 A 사이클을 2회 실시한 후, B 사이클을 1회 실시한다. 제어부(6)는, 하지막의 중앙의 성막에서는 A 사이클을 1회 실시한 후, B 사이클을 1회 실시한다. 제어부(6)는, 하지막의 상부의 성막에서는 A 사이클을 1회 실시한 후, B 사이클을 2회 실시한다. 또한, A 사이클과 B 사이클의 예시한 실시 횟수는 일례이며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 하지막은, AlO층과의 밀착성의 관점에서, 최초에, A 사이클을 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 하지막은, 금속층의 형성의 용이함이나, 배향의 관점에서, 마지막으로 B 사이클을 실시하는 것이 바람직하다.
제어부(6)는, 하지막의 Ti와 Al의 조성비가 20 내지 95％:5 내지 80％가 되도록 제1 하지막과 제2 하지막의 성막 비율을 조정한다.
〔금속층의 성막〕
이어서, 금속층을 성막하는 흐름을 설명한다. 본 실시 형태에서는, 성막 장치(102)가 금속층으로서 초기 텅스텐막을 성막하고, 성막 장치(103)가 금속층으로서 주 텅스텐막을 성막한다. 도 8은, 제1 실시 형태에 따른 금속층으로서 초기 텅스텐막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
성막 장치(102)의 제어부(6)는, 적재대(2)의 히터(21)를 제어하여, 웨이퍼(W)를 소정의 온도(예를 들어 250 내지 550℃)로 가열한다. 또한, 제어부(6)는, 배기 기구(42)의 압력 제어 밸브를 제어하여, 처리 용기(1) 내를 소정의 압력(예를 들어 0.1 내지 10Torr)으로 조정한다.
제어부(6)는, 밸브(63e, 67e)를 개방하여, N2 가스 공급원(63a, 67a)으로부터 각각 가스 공급 라인(63b, 67b)에 소정의 유량의 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 제어부(6)는, WF6 가스 공급원(61a) 및 B2H6 가스 공급원(65a)으로부터 각각 WF6 가스 및 B2H6 가스를 가스 공급 라인(61b, 65b)에 공급한다. 이때, 밸브(61e, 65e)가 폐쇄되어 있으므로, WF6 가스 및 B2H6 가스는, 저류 탱크(61d, 65d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(61d, 65d) 내가 승압된다.
이어서, 제어부(6)는, 밸브(61e)를 개방하여, 저류 탱크(61d)에 저류된 WF6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시킨다(스텝 S21). 또한, 제어부(6)는, 처리 용기(1) 내에의 WF6 가스의 공급에 병행하여, N2 가스 공급원(62a, 66a)으로부터 가스 공급 라인(62b, 66b)에 각각 퍼지 가스(N2 가스)를 공급한다. 이때, 밸브(62e, 66e)가 폐쇄된 것에 의해, 퍼지 가스는, 저류 탱크(62d, 66d)에 저류되어, 저류 탱크(62d, 66d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(61e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(61e)를 닫아 처리 용기(1) 내에의 WF6 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(62e, 66e)를 개방하여, 저류 탱크(62d, 66d)에 각각 저류된 퍼지 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S22). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(62d, 66d)로부터 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 WF6 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 WF6 가스 분위기에서 N2 가스를 포함하는 분위기로 단시간에 치환된다. 한편, 밸브(61e)가 폐쇄된 것에 의해, WF6 가스 공급원(61a)으로부터 가스 공급 라인(61b)에 공급되는 WF6 가스가 저류 탱크(61d)에 저류되어, 저류 탱크(61d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(62e, 66e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(62e, 66e)를 닫아 처리 용기(1) 내에의 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(65e)를 개방하여, 저류 탱크(65d)에 저류된 B2H6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 WF6 가스를 환원한다(스텝 S23). 이때, 밸브(62e, 66e)가 폐쇄된 것에 의해, N2 가스 공급원(62a, 66a)으로부터 가스 공급 라인(62b, 66b)에 각각 공급되는 퍼지 가스가 저류 탱크(62d, 66d)에 저류되어, 저류 탱크(62d, 66d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(65e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(65e)를 닫아 처리 용기(1) 내에의 B2H6 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(62e, 66e)를 개방하여, 저류 탱크(62d, 66d)에 각각 저류된 퍼지 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S24). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(62d, 66d)로부터 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 B2H6 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 B2H6 가스 분위기에서 N2 가스를 포함하는 분위기로 단시간에 치환된다. 한편, 밸브(65e)가 폐쇄된 것에 의해, B2H6 가스 공급원(65a)으로부터 가스 공급 라인(65b)에 공급되는 B2H6 가스가 저류 탱크(65d)에 저류되어, 저류 탱크(65d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 스텝 S21 내지 S24의 사이클을 복수 사이클(예를 들어 1 내지 50사이클) 반복함으로써 원하는 막 두께의 초기 텅스텐막을 성막한다.
또한, 도 8에 도시한, 초기 텅스텐막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건은 일례이며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 초기 텅스텐막의 성막은, 다른 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건을 사용해도 된다.
도 9는, 제1 실시 형태에 따른 금속층으로서 주 텅스텐막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다. 성막 장치(103)의 제어부(6)는, 적재대(2)의 히터(21)를 제어하여, 웨이퍼(W)를 소정의 온도(예를 들어 250 내지 550℃)로 가열한다. 또한, 제어부(6)는, 배기 기구(42)의 압력 제어 밸브를 제어하여, 처리 용기(1) 내를 소정의 압력(예를 들어 0.1 내지 10Torr)으로 조정한다.
제어부(6)는, 밸브(63e, 67e)를 개방하여, N2 가스 공급원(63a, 67a)으로부터 각각 가스 공급 라인(63b, 67b)에 소정의 유량의 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(64e)를 개방하여, H2 가스 공급원(64a)으로부터 가스 공급 라인(64b)에 소정의 유량의 H2 가스를 공급한다. 또한, 제어부(6)는, WF6 가스 공급원(61a) 및 H2 가스 공급원(68a)으로부터 각각 WF6 가스 및 H2 가스를 가스 공급 라인(61b, 68b)에 공급한다. 이때, 밸브(61e, 68e)가 폐쇄되어 있으므로, WF6 가스 및 H2 가스는, 저류 탱크(61d, 68d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(61d, 68d) 내가 승압된다.
이어서, 제어부(6)는, 밸브(61e)를 개방하여, 저류 탱크(61d)에 저류된 WF6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시킨다(스텝 S21). 또한, 제어부(6)는, 처리 용기(1) 내에의 WF6 가스의 공급에 병행하여, N2 가스 공급원(62a, 66a)으로부터 가스 공급 라인(62b, 66b)에 각각 퍼지 가스(N2 가스)를 공급한다. 이때, 밸브(62e, 66e)가 폐쇄된 것에 의해, 퍼지 가스는, 저류 탱크(62d, 66d)에 저류되어, 저류 탱크(62d, 66d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(61e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(61e)를 닫아 처리 용기(1) 내에의 WF6 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(62e, 66e)를 개방하여, 저류 탱크(62d, 66d)에 각각 저류된 퍼지 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S22). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(62d, 66d)로부터 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 WF6 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 WF6 가스 분위기에서 H2 가스 및 N2 가스를 포함하는 분위기로 단시간에 치환된다. 한편, 밸브(61e)가 폐쇄된 것에 의해, WF6 가스 공급원(61a)으로부터 가스 공급 라인(61b)에 공급되는 WF6 가스가 저류 탱크(61d)에 저류되어, 저류 탱크(61d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(62e, 66e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(62e, 66e)를 닫아 처리 용기(1) 내에의 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(68e)를 개방하여, 저류 탱크(68d)에 저류된 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 WF6 가스를 환원한다(스텝 S23). 이때, 밸브(62e, 66e)가 폐쇄된 것에 의해, N2 가스 공급원(62a, 66a)으로부터 가스 공급 라인(62b, 66b)에 각각 공급되는 퍼지 가스가 저류 탱크(62d, 66d)에 저류되어, 저류 탱크(62d, 66d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(68e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(68e)를 닫아 처리 용기(1) 내에의 H2 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(62e, 66e)를 개방하여, 저류 탱크(62d, 66d)에 각각 저류된 퍼지 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S24). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(62d, 66d)로부터 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 H2 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 H2 가스 분위기에서 H2 가스 및 N2 가스를 포함하는 분위기로 단시간에 치환된다. 한편, 밸브(68e)가 폐쇄된 것에 의해, H2 가스 공급원(68a)으로부터 가스 공급 라인(68b)에 공급되는 H2 가스가 저류 탱크(68d)에 저류되어, 저류 탱크(68d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 스텝 S21 내지 S24의 사이클을 복수 사이클(예를 들어 50 내지 3000사이클) 반복함으로써 원하는 막 두께의 텅스텐막을 성막한다.
또한, 도 9에 도시한, 주 텅스텐막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건은 일례이며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 텅스텐막의 성막은, 다른 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건을 사용해도 된다.
[작용 및 효과]
이어서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법의 작용 및 효과에 대해서 설명한다. 도 10은, 제1 실시 형태에 따른 웨이퍼의 층 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 도 10은, 제1 본 실시 형태에 따른 성막 방법에 의해 성막된 웨이퍼(W)의 층 구성의 일례를 도시한 것이다. 웨이퍼(W)는, 도시하지 않은 실리콘(SiO2)층 상에, 블록킹을 위해서 AlO층이 형성되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, AlO층 상에, 밀착성이나 반응 억제의 관점에서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에 의해, 하지막으로서, 두께가 예를 들어 1nm의 AlTiN막이 형성되어 있다. AlTiN막은, 하부에서 Ti의 함유율이 높고, 상부에서 Al의 함유율이 높게 성막되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, AlTiN막 상에, 초기 텅스텐막으로서, 두께가 예를 들어 1nm의 텅스텐의 Nucleation막(Nuc)이 형성되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, Nucleation막 상에, 저저항의 텅스텐막(W)이 형성되어 있다.
여기서, 실시 형태에 따른 성막 방법의 프로세스 조건의 일례를 통합해서 이하에 기재한다.
·AlTiN막
온도: 250 내지 550℃
압력: 0.1 내지 10Torr
Ti 함유 가스: 10 내지 500sccm
Al 함유 가스: 10 내지 500sccm
캐리어 가스(N2): 3000 내지 30000sccm
퍼지 가스(N2): 0 내지 20000sccm
NH3 가스: 1000 내지 20000sccm
시간:
Ti 함유 가스: 0.05 내지 5초
Al 함유 가스: 0.05 내지 5초
퍼지: 0.05 내지 5초
NH3 가스: 0.05 내지 5초
퍼지: 0.05 내지 5초
·Nucleation막:
온도: 250 내지 550℃
압력: 0.1 내지 10Torr
W 함유 가스: 10 내지 500sccm
캐리어 가스(N2): 3000 내지 30000sccm
퍼지 가스(N2): 1000 내지 10000sccm
H2 가스: 1000 내지 10000sccm
SiH4 가스, B2H6 가스: 10 내지 1000sccm
시간:
W 함유 가스: 0.05 내지 5초
퍼지: 0.05 내지 5초
SiH4 가스, B2H6 가스: 0.05 내지 5초
퍼지: 0.05 내지 5초
·W막:
온도: 250 내지 550℃
압력: 0.1 내지 10Torr
W 함유 가스: 100 내지 500sccm
캐리어 가스(N2): 3000 내지 30000sccm
퍼지 가스(N2): 1000 내지 10000sccm
H2 가스: 1000 내지 10000sccm
시간:
W 함유 가스: 0.05 내지 15초
퍼지: 0.05 내지 15초
H2 가스: 0.05 내지 15초
퍼지: 0.05 내지 15초
웨이퍼(W)는, AlO층 상에 하부에서는 Ti의 함유율이 높은 AlTiN막을 성막함으로써 밀착성이 얻어져서, AlO층의 반응을 억제할 수 있다. AlTiN막은, 두께를 3.5nm 이하로 하는 것이 바람직하고, 두께가 1nm 정도이면, AlO층과의 밀착성이 얻어져서, AlO층의 반응을 억제할 수 있다. 또한, AlTiN막의 하부의 Ti의 함유율을 높게 함으로써, AlO층과의 밀착성을 더욱 높일 수 있다. 또한, AlTiN막의 상부의 Al의 함유율을 높게 함으로써, TiN의 배향을 캔슬할 수 있다. 이에 의해, 웨이퍼(W)에서는, 성막되는 텅스텐의 그레인을 보다 크게 성장시킬 수 있어, 텅스텐막의 저항을 저하시킬 수 있다.
또한, 웨이퍼(W)는, Nucleation막을 형성함으로써, 성막되는 텅스텐의 밀착성을 높일 수 있다. 또한, 웨이퍼(W)는, Nucleation막을 형성함으로써, 성막되는 텅스텐의 균일성을 높일 수 있다. Nucleation막은, 두께를 0.5 내지 5nm 정도로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 비교예를 사용해서 효과를 설명한다. 도 11은, 비교예에 따른 웨이퍼의 층 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 도 11은, 종래의 웨이퍼(W)의 층 구성의 일례를 도시한 것이다. 웨이퍼(W)는, 도시하지 않은 실리콘(SiO2)층 상에 블록킹을 위해서 AlO층이 형성되고, AlO층 상에 밀착성이나 반응 억제의 관점에서, 두께가 예를 들어 1nm의 TiN막이 형성되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, TiN막 상에 두께가 예를 들어 1nm의 AlN막이 형성되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, AlN막 상에 두께가 예를 들어 1nm의 텅스텐의 Nucleation막(Nuc)이 형성되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, Nucleation막 상에 저저항의 텅스텐막(W)이 형성되어 있다.
이하에, 비교예의 각 막을 성막하는 프로세스 조건의 일례를 기재한다.
·Nucleation막:
온도: 250 내지 550℃
압력: 0.1 내지 10Torr
W 함유 가스: 10 내지 500sccm
캐리어 가스(N2): 3000 내지 30000sccm
퍼지 가스(N2): 1000 내지 10000sccm
H2 가스: 1000 내지 20000sccm
SiH4 가스, B2H6 가스: 10 내지 1000sccm
시간:
W 함유 가스: 0.05 내지 5초
퍼지: 0.05 내지 5초
SiH4 가스, B2H6 가스: 0.05 내지 5초
퍼지: 0.05 내지 5초
·W막:
온도: 250 내지 550℃
압력: 0.1 내지 20Torr
W 함유 가스: 100 내지 500sccm
캐리어 가스(N2): 1000 내지 10000sccm
퍼지 가스(N2): 0 내지 10000sccm
H2 가스: 500 내지 20000sccm
시간:
W 함유 가스: 0.05 내지 15초
퍼지: 0.05 내지 15초
H2 가스: 0.05 내지 15초
퍼지: 0.05 내지 15초
도 12는, 텅스텐막의 두께에 대한 저항률의 변화의 일례를 도시하는 도면이다. 도 12에는, 도 10에 도시한 본 실시 형태의 층 구성과, 도 11에 도시한 비교예의 층 구성에 의한 텅스텐막의 두께에 따른 저항률의 변화가 도시되어 있다. 도 12의 예에서는, 텅스텐막의 두께를 AlO층과의 계면으로부터 계측하고 있다. 즉, 본 실시 형태의 층 구성에서는, AlTiN막, Nucleation막(Nuc), 텅스텐막(W)의 두께를, 텅스텐막의 두께로 하고 있다. 비교예의 층 구성에서는, TiN막, AlN막, Nucleation막(Nuc), 텅스텐막(W)의 두께를, 텅스텐막의 두께로 하고 있다. 또한, 도 12의 예에서는, 두께가 10nm인 경우의 비교예의 저항률을 기준으로 해서, 정규화하여 저항률을 나타내고 있다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 두께가 12nm인 경우, 본 실시 형태의 층 구성은, 비교예의 층 구성에 비하여, 저항률이 39％ 저하된다. 또한, 두께가 22nm인 경우, 본 실시 형태의 층 구성은, 비교예의 층 구성에 비하여, 저항률이 35％ 저하된다.
여기서, 상술한 바와 같이, LSI는, 배선이 미세화되어 있어, 배선의 저저항화가 요구되고 있다. 예를 들어, 3D NAND 플래시 메모리 등의 삼차원 적층 반도체 메모리에서는, 텅스텐막이 워드선으로서 성막되는데, 미세화를 위해서, 텅스텐막의 가일층의 저저항화가 요구되고 있다.
이에 대해, 본 실시 형태의 층 구성은, 박형화한 경우에도 텅스텐막의 저저항화를 도모할 수 있다.
또한, 도 11에 도시한 비교예의 층 구성에서는, TiN막과 AlN막을 각각 다른 성막 장치에서 성막하기 때문에, 성막 장치간의 웨이퍼(W)의 반송 시간이 필요해진다. 한편, 도 10에 도시한 본 실시 형태의 층 구성에서는, AlTiN막을 1개의 성막 장치(101)에서 성막할 수 있기 때문에, 성막 장치간의 웨이퍼(W)의 반송 시간을 삭감할 수 있어, 생산성이 향상된다.
또한, 도 11에 도시한 비교예의 층 구성은, TiN막과 AlN막을 다른 성막 장치에서 성막하고, 성막 장치간을 대기 중에서 반송한 경우, 표면 산화가 발생한다. 한편, 도 10에 도시한 본 실시 형태의 층 구성에서는, AlTiN막을 1개의 성막 장치(101)에서 성막할 수 있기 때문에, 표면 산화의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 금속층이 성막된 웨이퍼(W)는, 에칭 등의 각종 기판 처리가 더 실시된다. 도 13a 및 도 13b는, 오목부가 형성된 웨이퍼(W)의 일례를 도시하는 도면이다. 도 13a는, 도 10에 도시한 본 실시 형태의 층 구성의 웨이퍼(W)에 에칭이 행하여져서 오목부(H1)가 형성되어 있다. 도 13b는, 도 11에 도시한 비교예의 층 구성의 웨이퍼(W)에 에칭이 행하여져서 오목부(H1)가 형성되어 있다. 도 13b에서는, 오목부(H1)에서 AlN막의 단면이 노출되어 있다.
도 13b에 도시하는 바와 같이, 오목부(H1)에서 AlN막의 단면이 노출되어 있을 경우, 웨이퍼(W)에 대하여 습식 에칭을 행하면, AlN막이 단면으로부터 에칭되어 오목부(H1)의 형상 불량이 된다. 한편, 예를 들어 도 13a의 웨이퍼(W)에 대하여 습식 에칭을 행해도, AlTiN막은, 에칭 레이트가 낮기 때문에, 오목부(H1)의 형상 불량의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 비교예의 방법에서는, AlN+ClF3→AlF와 같은 반응이 일어나고, AlF는, 휘발성이 낮기 때문에, 파티클원이 되므로, 예를 들어 ClF3 등에 의한 챔버 내의 드라이 클리닝은 곤란하였다. 한편, 본 실시 형태의 방법에서는, 예를 들어 ClF3 등으로 드라이 클리닝을 행한 경우, AlTiN+ClF3→AlTiF와 같은 반응이 일어나고, AlTiF는, 드라이 클리닝으로 제거할 수 있을 가능성이 있기 때문에, 챔버의 드라이 클리닝이 가능하게 된다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 하지막으로서 성막하는 AlTiN막의 Ti와 Al의 함유율을 제어할 수 있다. 하지막은, Al 비율이 높을수록 불소(F)의 배리어성이 향상된다. 도 14는, 하지막의 Al 함유율에 대한 F의 농도의 일례를 도시한 도면이다. 도 14에는, 하지막의 Al 함유율을 0％, 5％, 30％, 50％, 100％로 해서, 도 10에 도시한 본 실시 형태의 층 구성을 각각 웨이퍼(W)에 성막하여, 하지막의 F의 농도를 계측한 결과가 도시되어 있다. 하지막의 Al 함유율은, 하지막을 벌크로 간주해서 하지막 전체로부터 구하고 있다. 하지막은, Al 함유율이 0％인 경우, TiN막이며, Al 함유율이 5％, 30％, 50%인 경우, AlTiN막이며, Al 함유율이 100％인 경우, AlN막이다. F의 농도는, 시료의 이면측으로부터의 어프로치에 의해 시료 표면 부근의 분석하는 Backside SIMS의 계측 방법에 의해 계측하였다. 도 14에서는, Al 함유율이 0％인 F의 농도를 기준으로 해서 정규화하여 F의 농도를 나타내고 있다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 하지막은, Al 함유율이 높을수록, F의 농도가 낮아지는 경향이 있다. 예를 들어, 하지막은, Al 함유율이 50％인 경우, Al 함유율이 0％인 경우보다도, F의 농도가 50％ 정도 저하되어 있다. 또한, 하지막은, Al 함유율이 100％인 경우, Al 함유율이 0％인 경우보다도, F의 농도가 70％ 정도 저하되어 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, Al 함유율이 30％ 이상으로 되도록 하지막을 성막함으로써, 하지막의 F의 배리어성이 향상된다.
또한, 도 10에 도시하는 바와 같은 본 실시 형태의 층 구성에서는, 하지막의 Al 비율에 따라 텅스텐막(W)의 저항률이 변화한다. 도 15는, 텅스텐막의 두께에 대한 저항률의 변화의 일례를 도시하는 도면이다. 도 15에는, 하지막의 Al 함유율을 0％, 10％, 30％, 50％, 100％로 한 경우의 텅스텐막의 두께에 대한 저항률이 도시되어 있다. 텅스텐막의 두께는, AlO층과의 계면으로부터 계측하고 있다. 도 15에는, 하지막의 Al 함유율을 0％, 10％, 30％, 50％, 100％로 한 경우의 텅스텐막의 저항률이 도시되어 있다. 하지막의 Al 함유율이 10％, 30％, 50％, 100％인 경우의 저항률은, 범위 A1에 나타내는 바와 같이 동일 정도로 플롯되어 있다. 하지막의 Al 함유율이 10 내지 100％일 경우, 텅스텐막의 저항률은, Al 함유율에 관계없이, 마찬가지로 변화한다. 한편, 하지막의 Al 함유율이 0％인 저항률은, 범위 A1보다도 위에 플롯되어 있다. 도 15에는, 하지막의 Al 함유율이 10 내지 100％일 경우의 변화의 경향을 나타내는 선 L1과, 하지막의 Al 함유율이 0％일 경우의 저항률의 변화의 경향을 나타내는 선 L2가 도시되어 있다. 하지막의 Al 비율이 10％ 이상으로 되면, 텅스텐막의 저항률은 저하된다. 예를 들어, 텅스텐막이 15nm인 경우, 텅스텐막의 저항률은, 하지막의 Al 함유율이 0％인 경우와 비교하여, 하지막의 Al 함유율이 10 내지 100％인 경우, 41％ 저하된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, Al 함유율이 10％ 이상으로 되도록 하지막을 성막함으로써, 텅스텐막을 저항화할 수 있다.
또한, 하지막으로서 성막하는 AlTiN막은, TiN의 영향에 의해, Al 비율에 따라서 결정성이 변화한다. TiN막은, 결정성을 갖는 막이 되기 때문에, X선 해석(X-ray diffraction: XRD)한 경우, 특정 회절 각도에서 강도에 피크가 발생한다. 도 16은, TiN막을 X선 해석했을 때 강도에 피크가 발생하는 회절 각도의 일례에 도시한 도면이다. TiN막은, 예를 들어 회절 각도 40°의 부근이나 회절 각도 60°의 부근에서 강도에 피크가 발생한다. AlTiN막은, Al 비율에 따라 TiN의 영향 정도가 변화하기 때문에, Al 비율에 따라 결정성을 컨트롤할 수 있다. 도 17a 내지 도 17d는, AlTiN막을 X선 해석한 회절 프로파일의 일례를 도시하는 도면이다. 도 17a에는, Al 함유율을 0％로 한, 실질적으로는 TiN막의 회절 프로파일이 도시되어 있다. 도 17b에는, Al 함유율을 10％로 한 AlTiN막의 회절 프로파일이 도시되어 있다. 도 17c에는, Al 함유율을 30％로 한 AlTiN막의 회절 프로파일이 도시되어 있다. 도 17d에는, Al 함유율을 50％로 한 AlTiN막의 회절 프로파일이 도시되어 있다. 도 17a 내지 도 17d에는, AlTiN막의 막 두께가 10Å, 20Å, 30Å일 경우의 회절 프로파일의 파형이 각각 도시되어 있다. 회절 프로파일의 파형에서는, 막이 결정성을 갖는 경우, 막 두께가 두꺼울수록, 강도에 피크가 크게 나타난다. 예를 들어, 도 17a 내지 도 17c에 도시하는 바와 같이, AlTiN막의 Al 함유율을 0％ 내지 30％로 한 경우, TiN막에서 강도에 피크가 발생하는 회절 각도 60°의 부근에서 강도에 피크가 발생하고 있다. 이 때문에, AlTiN막은, Al 함유율을 0％ 내지 30％로 한 경우, 결정성을 갖는 막으로서 성막되는 것으로 판별할 수 있다. 한편, 도 17d에 도시하는 바와 같이, AlTiN막의 Al 함유율을 50％로 한 경우, 회절 각도 60°의 부근이라도 피크가 발생하고 있지 않다. 이 때문에, AlTiN막은, Al 함유율을 50％로 한 경우, 결정성을 갖지 않고, 아몰퍼스의 막으로서 성막되는 것으로 판별할 수 있다. Nucleation막은, 하층의 AlTiN막이 결정성을 갖는 경우, 하부에서 결정성이 승계되어, 결정성을 캔슬하고 텅스텐을 성장시키기 위해서는 어떤 일정량의 막 두께가 필요해져서, 고저항의 막으로서 성막된다. 한편, Nucleation막은, 하층의 AlTiN막이 아몰퍼스인 경우, 하부의 결정성이 없기 때문에, Nucleation막은 얇게 하는 것이 가능하므로 저저항의 막으로서 성막된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, Al 함유율이 50％ 이상으로 되도록 AlTiN막을 성막해서 AlTiN막을 아몰퍼스로 함으로써, Nucleation막을 저저항화할 수 있기 때문에, 텅스텐막을 보다 저저항화할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 절연막(AlO층)이 형성된 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내에 배치하고, 감압 분위기에서, Ti 함유 가스와 Al 함유 가스와 반응 가스를 처리 용기(1) 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성하는 공정과, 하지막이 형성된 웨이퍼(W)에 금속 재료에 의한 금속층을 형성하는 공정을 갖는다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 박형화한 경우에도 텅스텐막의 저저항화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 하지막을 형성하는 공정은, 퍼지 공정을 사이에 끼워 Ti 함유 가스와 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제1 하지막을 형성하는 공정(A 사이클)과, 퍼지 공정을 사이에 끼워 Al 함유 가스와 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제2 하지막을 형성하는 공정(B 사이클)을 적어도 1회 이상 반복한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 하지막에 Ti, Al의 원소 농도의 그라데이션을 만들 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 하지막을 형성하는 공정은, 하지막의 하부를 형성하는 경우, 제1 하지막을 형성하는 공정을, 제2 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행하고, 하지막의 상부를 형성하는 경우, 제2 하지막을 형성하는 공정을, 제1 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 하지막의 하부에서 Ti의 함유율을 높게, 하지막의 상부에서 Al의 함유율을 높게 성막할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 하지막을 형성하는 공정은, 최초에, 제1 하지막을 형성하는 공정을 실행한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 절연막과의 하지막의 밀착성을 높일 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 하지막을 형성하는 공정은, 마지막으로, 제2 하지막을 형성하는 공정을 실행한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 균일성 좋게 금속층을 성막할 수 있다.
(제2 실시 형태)
이어서, 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 제2 실시 형태에 따른 성막 시스템(100) 및 성막 장치(101 내지 104)는, 도 1 내지 도 4에 도시한 제1 실시 형태에 따른 성막 시스템(100) 및 성막 장치(101 내지 104)의 구성과 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.
성막 장치(101)가, 하지막을 성막하는 흐름에 대해서 설명한다. 성막 장치(101)는, Ti 함유 가스와, Al 함유 가스와, 반응 가스를 처리 용기(1)기 내에 반복해서 공급하여, 하지막을 성막한다.
도 18은, 제2 실시 형태에 따른 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다. 제어부(6)는, 밸브(53e, 57e)를 개방하여, N2 가스 공급원(53a, 57a)으로부터 각각 가스 공급 라인(53b, 57b)에 소정의 유량의 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 제어부(6)는, Al 함유 가스 공급원(51a), N2 가스 공급원(52a, 54a), NH3 가스 공급원(55a) 및 Ti 함유 가스 공급원(56a)으로부터 각각 Al 함유 가스, N2 가스, NH3 가스 및 Ti 함유 가스를 가스 공급 라인(51b, 52b, 54b, 55b, 56b)에 공급한다. 이때, 밸브(51e, 52e, 54e, 55e, 56e)가 폐쇄되어 있으므로, Al 함유 가스, N2 가스, NH3 가스 및 Ti 함유 가스는, 저류 탱크(52d, 54d, 55d, 56d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(52d, 54d, 55d, 56d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(56e)를 개방하여, 저류 탱크(56d)에 저류된 Ti 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 Ti 함유 가스에 의한 막을 흡착시킨다(스텝 S51).
제어부(6)는, 밸브(56e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(56e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 Ti 함유 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d, 54d)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S52). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 Ti 함유 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 Ti 함유 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 또한, 밸브(56e)가 폐쇄된 것에 의해, Ti 함유 가스 공급원(56a)으로부터 가스 공급 라인(56b)에 공급되는 Ti 함유 가스가 저류 탱크(56d)에 저류되어, 저류 탱크(56d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(56e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 Ti 함유 가스를 배기할 수 있다.
제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(52e, 54e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(51e)를 개방하여, 저류 탱크(51d)에 저류된 Al 함유 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 Al 함유 가스에 의한 막을 흡착시킨다(스텝 S53).
제어부(6)는, 밸브(51e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(51e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 Al 함유 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d, 54d)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S54). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 Al 함유 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 Al 함유 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 또한, 밸브(51e)가 폐쇄된 것에 의해, Al 함유 가스 공급원(51a)으로부터 가스 공급 라인(51b)에 공급되는 Al 함유 가스가 저류 탱크(51d)에 저류되어, 저류 탱크(51d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(51e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 Al 함유 가스를 배기할 수 있다.
제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(52e, 54e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(55e)를 개방하여, 저류 탱크(55d)에 저류된 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 Al 함유 가스와 Ti 함유 가스를 환원한다(스텝 S55).
제어부(6)는, 밸브(55e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(55e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 NH3 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S56). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 NH3 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 NH3 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 밸브(55e)가 폐쇄된 것에 의해, NH3 가스 공급원(55a)으로부터 가스 공급 라인(55b)에 공급되는 NH3 가스가 저류 탱크(55d)에 저류되어, 저류 탱크(55d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(55e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 NH3 가스를 배기할 수 있다.
제어부(6)는, 스텝 S51 내지 S55의 X사이클을 복수 사이클(예를 들어 2 내지 1000사이클) 반복함으로써, 하지막으로서, 원하는 막 두께의 AlTiN막을 성막한다.
여기서, 도 18에 도시한 가스 공급 시퀀스에서는, Ti 함유 가스의 공급량과 Al 함유 가스의 공급량을 바꿈으로써, Ti의 함유율과 Al의 함유율을 제어할 수 있다.
하지막은, AlO층 상에, 밀착성이나 반응 억제의 관점에서, 하부에서는 Ti의 함유율이 높은 편이 바람직하다. 또한, 하지막은, AlO층 상에, 금속층의 형성의 용이함이나, 배향의 관점에서, 상부의 Al의 함유율이 높은 편이 바람직하다. 예를 들어, AlTiN막은, 하부에서 Ti의 함유율이 높고, 상부에서 Al의 함유율이 높은 편이 바람직하다.
그래서, 제어부(6)는, 하지막을 형성하는 경우, Ti 함유 가스의 공급량과 Al 함유 가스의 공급량의 비율을 조정한다. 이에 의해, 하지막에 Ti와 Al의 원소 농도의 그라데이션을 만드는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 제어부(6)는, 하지막의 하부를 형성하는 경우, Ti 함유 가스의 공급량을 Al 함유 가스의 공급량보다도 많게 하고, 상기 하지막의 상부를 형성하는 경우, Ti 함유 가스의 공급량을 Al 함유 가스의 공급량보다도 적게 제어한다. 예를 들어, 제어부(6)는, 하지막의 하부를 형성하는 경우, Ti 함유 가스의 공급 시간을 길게 변경하는 제어, 및 Al 함유 가스의 공급 시간을 짧게 변경하는 제어의 한쪽 또는 양쪽을 행하여, Ti 함유 가스의 공급량이 Al 함유 가스의 공급량보다도 많아지도록 제어한다. 또한, 제어부(6)는, 하지막의 상부를 형성하는 경우, Ti 함유 가스의 공급 시간을 짧게 변경하는 제어, 및 Al 함유 가스의 공급 시간을 길게 변경하는 제어의 한쪽 또는 양쪽을 행하여, Ti 함유 가스의 공급량이 Al 함유 가스의 공급량보다도 적어지도록 제어한다. 이에 의해, AlTiN막은, 도 10에 도시한 바와 같이, 하부에서 Ti의 함유율이 높고, 상부에서 Al의 함유율이 높게 성막된다.
또한, 도 18에 도시한, 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건은 일례이며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 하지막의 성막은, 다른 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건을 사용해도 된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 하지막의 하부를 형성하는 경우, Ti 함유 가스의 공급량을 Al 함유 가스의 공급량보다도 많게 하고, 하지막의 상부를 형성하는 경우, Ti 함유 가스의 공급량을 Al 함유 가스의 공급량보다도 적게 하여, 퍼지 공정을 사이에 끼워, Ti 함유 가스와 상기 Al 함유 가스와 반응 가스를 순서대로 처리 용기(1) 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 하지막의 하부에서 Ti의 함유율을 높게, 하지막의 상부에서 Al의 함유율을 높게 성막할 수 있다.
(제3 실시 형태)
이어서, 제3 실시 형태에 대해서 설명한다. 제3 실시 형태는, 성막 장치(101)에 성막 장치(102)의 기능을 갖게 한 것이며, 성막 장치(102)는, 성막 장치(103, 104)와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 또한, 제3 실시 형태에 따른 성막 시스템(100)은, 제1 및 제2 실시 형태와 마찬가지이기 때문에, 생략한다.
제3 실시 형태에 따른 성막 장치(101)의 구성에 대해서 설명한다. 도 19는, 제3 실시 형태에 따른 성막 장치(101)의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다. 제3 실시 형태에 따른 성막 장치(101)는, 제1 및 제2 실시 형태에 따른 성막 장치(101)의 구성과 일부가 마찬가지이기 때문에, 동일 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여해서 설명을 생략하고, 주로 다른 점에 대해서 설명을 한다.
가스 공급 기구(5)는, 하지막을 성막하는 가스 공급원으로서, 핵 생성 가스 공급원(58a)을 더 갖는다. 또한, 도 19에 도시하는 가스 공급 기구(5)에서도, 각 가스 공급원을 각각 나누어서 도시했지만, 공통화 가능한 가스 공급원은, 공통화해도 된다.
핵 생성 가스 공급원(58a)은, 가스 공급 라인(58b)을 통해서, 나중에 형성되는 금속층의 핵을 생성하기 위한 핵 생성 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 핵 생성 가스는, 웨이퍼(W)에 금속층이 균일하게 성막되기 쉽도록 핵을 생성하는 가스이며, 금속층을 텅스텐막으로 한 경우, 핵 생성 가스는, B2H6 가스, BCl3 가스, SiH4 가스, Si2H6 가스, SiH2Cl2 가스를 들 수 있다. 예를 들어, 핵 생성 가스 공급원(58a)은, 핵 생성 가스로서 B2H6 가스를 공급한다. 가스 공급 라인(58b)에는, 상류측에서부터 유량 제어기(58c), 저류 탱크(58d) 및 밸브(58e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(58b)의 밸브(58e)의 하류측은, 가스 공급 라인(55b)에 접속되어 있다. 핵 생성 가스 공급원(58a)으로부터 공급되는 핵 생성 가스는, 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(58d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(58d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(58d)로부터 처리 용기(1)에의 핵 생성 가스의 공급 및 정지는, 밸브(58e)에 의해 행하여진다. 이렇게 저류 탱크(58d)에 핵 생성 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량으로 안정적으로 핵 생성 가스를 처리 용기(1) 내에 공급할 수 있다.
이어서, 제3 실시 형태에 따른 성막 장치(101)가, 하지막을 성막하는 흐름에 대해서 설명한다. 성막 장치(101)는, Ti 함유 가스와, Al 함유 가스와, 핵 생성 가스를 처리 용기(1) 내에 반복해서 공급하여, 하지막을 성막한다. 예를 들어, 성막 장치(101)는, 퍼지 공정을 사이에 끼워 Ti 함유 가스와 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제1 하지막을 형성하는 공정과, 퍼지 공정을 사이에 끼워 Al 함유 가스와 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제2 하지막을 형성하는 공정과, 퍼지 공정을 사이에 끼워 핵 생성 가스의 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제3 하지막을 형성하는 공정을, 적어도 1회 이상 반복함으로써 하지막을 성막한다. 본 실시 형태에서는, 제1 하지막으로서 TiN막과, 제2 하지막으로서 AlN막과, 제3 하지막으로서 B2H6 가스에 의한 B 함유막을 얇게 교대로 적층한 AlTiBN막을 하지막으로서 성막한다.
도 20은, 제3 실시 형태에 따른 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스를 도시하는 도면이다. 도 20에 도시하는 가스 공급 시퀀스의 스텝 S11 내지 S18은, 도 7에 도시한 가스 공급 시퀀스와 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
제어부(6)는, 밸브(53e, 57e)를 개방하여, N2 가스 공급원(53a, 57a)으로부터 각각 가스 공급 라인(53b, 57b)에 소정의 유량의 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 제어부(6)는, Ti 함유 가스 공급원(56a), Al 함유 가스 공급원(51a) 및 NH3 가스 공급원(55a)으로부터의 Ti 함유 가스, Al 함유 가스 및 NH3 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, N2 가스 공급원(52a, 54a), 핵 생성 가스 공급원(58a)으로부터 각각 N2 가스 및 핵 생성 가스를 가스 공급 라인(52b, 54b, 58b)에 공급한다. 이때, 밸브(52e, 54e, 58e)가 폐쇄되어 있으므로, N2 가스 및 핵 생성 가스는, 저류 탱크(52d, 54d, 58d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(52d, 54d, 58d) 내가 승압된다.
제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(52e, 54e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(58e)를 개방하여, 저류 탱크(58d)에 저류된 핵 생성 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 핵 생성을 행한다(스텝 S19).
제어부(6)는, 밸브(58e)를 개방하고 나서 소정의 시간(예를 들어 0.05 내지 5초)이 경과한 후, 밸브(58e)를 닫아, 처리 용기(1) 내에의 핵 생성 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제어부(6)는, 밸브(52e, 54e)를 개방하여, 저류 탱크(52d, 54d)에 저류된 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리 용기(1) 내에 공급한다(스텝 S20). 이때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(52d, 54d)로부터 N2 가스가 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 핵 생성 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 핵 생성 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 단시간에 치환된다. 밸브(58e)가 폐쇄된 것에 의해, 핵 생성 가스 공급원(58a)으로부터 가스 공급 라인(58b)에 공급되는 핵 생성 가스가 저류 탱크(58d)에 저류되어, 저류 탱크(58d) 내가 승압된다. 또한, 밸브(58e)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급 라인(53b) 및 가스 공급 라인(57b)으로부터 공급되고 있는 캐리어 가스(N2)가 퍼지 가스로서도 기능하여, 여분의 핵 생성 가스를 배기할 수 있다.
이 스텝 S19 내지 S20의 C 사이클이 제3 하지막을 형성하는 공정에 대응한다.
제어부(6)는, 스텝 S11 내지 S20의 사이클을 복수회 반복함으로써, 하지막으로서, 원하는 막 두께의 AlTiBN막을 성막한다.
또한, 도 20에 도시한, 하지막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건은 일례이며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 하지막의 성막은, 다른 가스 공급 시퀀스 및 프로세스 가스의 조건을 사용해도 된다.
여기서, 도 20에 도시한 가스 공급 시퀀스에서는, 스텝 S11 내지 S14의 A 사이클에 의해 Ti 함유막이 형성되고, 스텝 S15 내지 S18의 B 사이클에 의해 Al 함유막이 형성되고, 스텝 S19 내지 S20의 C 사이클에 의해 B 함유막이 형성된다. 따라서, 하지막의 성막을 실시할 때 A 사이클과, B 사이클과, C 사이클의 실시 횟수를 바꿈으로써, 하지막의 Ti와 Al과 B의 함유율을 제어할 수 있다.
하지막은, AlO층 상에, 밀착성이나 반응 억제의 관점에서, 하부에서는 Ti 함유율이 높은 편이 바람직하다. 또한, 하지막은, AlO층 상에, 금속층의 형성의 용이함이나, 배향의 관점에서, 중간부의 Al 함유율이 높은 편이 바람직하다. 또한, 하지막은, 텅스텐막의 성막의 관점에서, 상부의 B 함유율이 높은 편이 바람직하다. 따라서, AlTiBN막은, 하부에서 Ti의 함유율이 높고, 중간부에서 Al 함유율이 높고, 상부에서 B 함유율이 높은 편이 바람직하다.
그래서, 제어부(6)는, 하지막을 형성하는 경우, 제1 하지막을 형성하는 공정과 제2 하지막을 형성하는 공정과 제3 하지막을 형성하는 공정의 실행 횟수를 제어하여, 제1 하지막과 제2 하지막과 제3 하지막의 성막 비율을 조정한다. 이에 의해, 하지막에 원소 농도의 그라데이션을 만드는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 제어부(6)는, 하지막의 하부를 형성하는 경우, 제1 하지막을 형성하는 공정을, 제2 하지막을 형성하는 공정 및 제3 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행한다. 또한, 제어부(6)는, 하지막의 중간부를 형성하는 경우, 제2 하지막을 형성하는 공정을, 제1 하지막을 형성하는 공정 및 제3 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행한다. 또한, 제어부(6)는, 하지막의 상부를 형성하는 경우, 제3 하지막을 형성하는 공정을, 제1 하지막을 형성하는 공정 및 제2 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행한다. 또한, 하지막은, AlO층과의 밀착성의 관점에서, 최초에, A 사이클을 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 하지막은, 금속층의 형성의 용이함이나, 균일성, 배향의 관점에서, 마지막으로, C 사이클을 실시하는 것이 바람직하다.
제3 실시 형태에 따른 성막 시스템(100)에서는, AlTiBN막이 성막된 웨이퍼(W)를 성막 장치(102 내지 104)의 어느 것에 반송하여, 성막 장치(102 내지 104)의 어느 것에 의해 웨이퍼(W)에 대하여 텅스텐막의 성막 처리를 행한다.
도 21은, 제3 실시 형태에 따른 웨이퍼의 층 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 도 21은, 제3 본 실시 형태에 따른 성막 방법에 의해 성막된 웨이퍼(W)의 층 구성의 일례를 도시한 것이다. 웨이퍼(W)는, 도시하지 않은 실리콘(SiO2)층 상에, 블록킹을 위해서 AlO층이 형성되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, AlO층 상에, 밀착성이나 반응 억제의 관점에서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에 의해, 하지막으로서, 두께가 예를 들어 1nm인 AlTiBN막이 형성되어 있다. AlTiBN막은, 하부에서 Ti의 함유율이 높고, 중간부에서 Al의 함유율이 높고, 상부에서 B의 함유율이 높게 성막되어 있다. 그리고, 웨이퍼(W)는, AlTiBN막 상에, 저저항의 텅스텐막(W)이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 층 구성에서는, AlTiBN막이 Nucleation막의 기능을 겸하기 때문에, Nucleation막의 성막이 불필요하게 된다. 이에 의해, 본 실시 형태의 층 구성은, Nucleation막의 두께 분만큼, 텅스텐막을 두껍게 성막할 수 있기 때문에, 박형화한 경우에도 텅스텐막의 저저항화를 도모할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 하지막을 형성하는 공정에서, 핵 생성 가스를 또한 처리 용기(1) 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, Nucleation막의 성막이 불필요하게 되기 때문에, 박형화한 경우에도 텅스텐막의 저저항화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 하지막을 형성하는 공정에서, 퍼지 공정을 사이에 끼워 Ti 함유 가스와 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제1 하지막을 형성하는 공정과, 퍼지 공정을 사이에 끼워 Al 함유 가스와 상기 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제2 하지막을 형성하는 공정과, 퍼지 공정을 사이에 끼워 핵 생성 가스의 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제3 하지막을 형성하는 공정을 적어도 1회 이상 반복한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 성막 방법은, 제1 하지막과, 제2 하지막과, 제3 하지막을 얇게 교대로 적층한 하지막을 성막할 수 있고, 제1 하지막과, 제2 하지막과, 제3 하지막의 비율을 바꿈으로써 원소 농도의 그라데이션을 만들 수 있다.
이상, 실시 형태에 대해서 설명해 왔지만, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 실제로, 상기한 실시 형태는, 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 상기 실시 형태는, 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태에서 생략, 치환, 변경되어도 된다.
예를 들어, 실시 형태에 따른 성막 시스템(100)는, 하지막의 성막과 금속층의 성막을 다른 성막 장치에서 실시하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하지막의 성막과 금속층의 성막을 동일한 성막 장치에서 실시해도 된다. 예를 들어, 성막 시스템(100)에서는, 성막 장치(101 내지 104)가 하지막의 성막과 금속층의 성막을 각각 실시해도 된다. 이 경우, 성막 장치(101 내지 104)는, 도 2 내지 4에 도시한 가스 공급 기구(5)의 구성을 합쳐서 갖는 것으로 하면 된다. 도 22는, 다른 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 단면도이다. 도 22에 도시한 성막 장치(101)는, 도 2에 도시한 가스 공급 기구(5)의 구성에 더하여, 도 3, 도 4에 도시한 가스 공급 기구(5)의 구성을 갖고 있다. 성막 시스템(100)에서는, 하지막의 성막과 금속층의 성막을 성막 장치(101 내지 104)에서 각각 실시함으로써, 하지막의 성막과 금속층의 성막의 사이에서 성막 장치간의 웨이퍼(W)의 반송 시간을 삭감할 수 있어, 생산성이 향상된다.
또한, 실시 형태에 따른 성막 시스템(100)은, AlTiN막이나 AlTiBN막을 성막할 때, Ti 함유 가스나 Al 함유 가스와 반응하는 반응 가스로서, NH3 가스를 사용하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 반응 가스로서는, 히드라진 가스를 사용해도 된다. 또한, NH3 가스와 히드라진 가스를 사용해도 된다. 예를 들어, Ti 함유 가스와 히드라진 가스를 반응시켜서 웨이퍼(W)의 표면에 TiN을 흡착시키고, Al 함유 가스와 NH3 가스를 반응시켜서 웨이퍼(W)의 표면에 AlN을 흡착시켜도 된다. 또한, Ti 함유 가스와 NH3 가스를 반응시켜서 웨이퍼(W)의 표면에 TiN을 흡착시키고, Al 함유 가스와 히드라진 가스를 반응시켜서 웨이퍼(W)의 표면에 AlN을 흡착시켜도 된다.
또한, 실시 형태에 따른 성막 시스템(100)은, 주 텅스텐막 형성의 환원 가스로서 H2 가스를 사용하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 수소를 포함하는 환원성 가스이면 되며, H2 가스 이외에, SiH4 가스, B2H6 가스, NH3 가스 등을 사용할 수도 있다. 주 텅스텐막 형성의 환원 가스로서, H2 가스, SiH4 가스, B2H6 가스 및 NH3 가스 중 2개 이상을 공급할 수 있도록 해도 된다. 또한, 이들 이외의 다른 환원 가스, 예를 들어 PH3 가스, SiH2Cl2 가스를 사용해도 된다. 막 내의 불순물을 보다 저감해서 저저항값을 얻는 관점에서는, H2 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 퍼지 가스 및 캐리어 가스로서 N2 가스 대신에 Ar 가스 등의 다른 불활성 가스를 사용할 수도 있다.
또한, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 반도체 웨이퍼는 실리콘이어도, 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 적용할 수 있다.
1: 처리 용기
5: 가스 공급 기구
6: 제어부
100: 성막 시스템
101 내지 104: 성막 장치
W: 웨이퍼

Claims (26)

  1. 절연막이 형성된 기판을 처리 용기 내에 배치하고, 감압 분위기에서, Ti 함유 가스와 Al 함유 가스와 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성하는 공정과,
    상기 하지막이 형성된 상기 기판에 금속 재료에 의한 금속층을 형성하는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은,
    퍼지 공정을 사이에 끼워 상기 Ti 함유 가스와 상기 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제1 하지막을 형성하는 공정과,
    퍼지 공정을 사이에 끼워 Al 함유 가스와 상기 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제2 하지막을 형성하는 공정을 적어도 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은,
    상기 하지막의 하부를 형성하는 경우, 상기 제1 하지막을 형성하는 공정을, 상기 제2 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행하고,
    상기 하지막의 상부를 형성하는 경우, 상기 제2 하지막을 형성하는 공정을, 상기 제1 하지막을 형성하는 공정보다도 많이 실행하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은, 최초에, 상기 제1 하지막을 형성하는 공정을 실행하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은, 마지막으로, 상기 제2 하지막을 형성하는 공정을 실행하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은,
    상기 하지막의 하부를 형성하는 경우, 상기 Ti 함유 가스의 공급량을 상기 Al 함유 가스의 공급량보다도 많게 하고, 상기 하지막의 상부를 형성하는 경우, 상기 Ti 함유 가스의 공급량을 상기 Al 함유 가스의 공급량보다도 적게 하고, 퍼지 공정을 사이에 끼워, 상기 Ti 함유 가스와 상기 Al 함유 가스와 상기 반응 가스를 순서대로 상기 처리 용기 내에 반복해서 공급하여 상기 하지막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Ti 함유 가스는, TiCl4, TDMAT, TMEAT의 어느 것을 포함하고,
    상기 Al 함유 가스는, TMA, AlCl3의 어느 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은, 상기 기판의 온도를 250 내지 550℃로 가열해서 하지막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 공정은, 금속의 초기 막을 형성하는 핵 형성 공정과, 금속의 주 성막을 형성하는 메인 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 재료는, W, Cu, Co, Ru, Mo 중 어느 것을 함유하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 가스는, N 함유 가스, 희가스, 불활성 가스 중 어느 것인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 가스는, NH3 가스, 히드라진 가스 중 어느 것인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하지막의 막 두께는, 3.5nm 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하지막은, Ti와 Al의 조성비가 20 내지 95％:5 내지 80％로 하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하지막은, 아몰퍼스막인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  16. 제1항 내지 제5항, 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은, 핵 생성 가스를 또한 상기 처리 용기 내에 반복해서 공급하여 상기 하지막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하지막을 형성하는 공정은,
    퍼지 공정을 사이에 끼워 상기 Ti 함유 가스와 상기 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제1 하지막을 형성하는 공정과,
    퍼지 공정을 사이에 끼워 Al 함유 가스와 상기 반응 가스의 교대 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제2 하지막을 형성하는 공정과,
    퍼지 공정을 사이에 끼워 핵 생성 가스의 공급을 적어도 1회 반복함으로써 제3 하지막을 형성하는 공정을 적어도 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연막은, AlO층, SiO2층 또는 SiN층 중 어느 것인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은, 오목부를 갖고, 상기 오목부의 내부 표면의 적어도 일부에 상기 절연막이 노출되어 있고,
    상기 절연막 상에, 상기 하지막 및 상기 금속층을 형성하여, 상기 오목부를 매립하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  20. 절연막이 형성된 기판을 처리 용기 내에 배치하고, 감압 분위기에서, Ti 함유 가스와 Al 함유 가스와 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성하고,
    상기 하지막이 형성된 상기 기판에 금속 재료에 의한 금속층을 형성하는
    처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 하지막의 형성과, 상기 금속층의 형성은, 별도의 처리 용기 내에서 행하여지는 것을 특징으로 하는, 성막 시스템.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 하지막의 형성과, 상기 금속층의 형성은, 진공을 깨지 않고 행하여지는 것을 특징으로 하는, 성막 시스템.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 공정은, 초기 금속막을 형성하는 공정과, 주 금속막을 형성하는 공정을 갖고,
    상기 하지막의 형성과, 상기 초기 금속막의 형성은, 동일한 처리 용기 내에서 행하여지는 것을 특징으로 하는, 성막 시스템.
  24. 제20항에 있어서, 상기 하지막의 형성과, 상기 금속층의 형성은, 동일한 처리 용기 내에서 행하여지는 것을 특징으로 하는, 성막 시스템.
  25. 절연막이 형성된 기판을 처리 용기 내에 배치하고, 감압 분위기에서, Ti 함유 가스와 Al 함유 가스와 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 반복해서 공급하여 하지막을 형성하고,
    상기 하지막이 형성된 상기 기판에 금속 재료에 의한 금속층을 형성하는
    처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  26. 절연막이 형성된 기판을 처리 용기 내에 배치하고, 감압 분위기에서, TiCl4 가스와 TMA 가스와 NH3 가스를 상기 기판에 공급하는 사이클을 반복해서 상기 절연막 상에 하지막을 형성하고,
    상기 하지막이 형성된 상기 기판에 WF6 가스와 B2H6 가스를 교대로 공급하는 것을 반복해서 초기 텅스텐막을 형성하고,
    상기 초기 텅스텐막이 형성된 상기 기판에 WF6 가스와 H2 가스를 교대로 공급하는 것을 반복해서 주 텅스텐막을 형성하는 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막 방법.
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