KR20220164574A - 텅스텐막을 형성하는 방법 및 장치, 그리고 텅스텐막을 형성하기 전의 중간막의 형성을 행하는 장치 - Google Patents

텅스텐막을 형성하는 방법 및 장치, 그리고 텅스텐막을 형성하기 전의 중간막의 형성을 행하는 장치 Download PDF

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겐사쿠 나루시마
다카노부 호타
다쿠야 가와구치
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

티타늄 규소 질화막의 상층측에, 염화텅스텐을 원료로 하는 텅스텐막을 형성함에 있어서, 텅스텐막의 형성을 촉진한다. 기판인 반도체 웨이퍼의 일면측에 티타늄 규소 질화막을 형성하고, 그 상층측에, 중간막 형성용 가스를 사용하여, 염화텅스텐을 원료로 하는 텅스텐막의 형성을 촉진하기 위한 중간막을 형성한다. 이 중간막의 상층측에, 염화텅스텐의 가스를 사용해서 텅스텐막을 형성한다.

Description

텅스텐막을 형성하는 방법 및 장치, 그리고 텅스텐막을 형성하기 전의 중간막의 형성을 행하는 장치
본 개시는, 텅스텐막을 형성하는 방법 및 장치, 그리고 텅스텐막을 형성하기 전의 중간막의 형성을 행하는 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 일례인 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)는, 실리콘 기판 상의 게이트 영역에, 산화막, 게이트 금속 및 금속의 배선층을 하방측으로부터 순서대로 적층해서 구성되어 있다. 본 발명자는, 게이트 금속으로서 티타늄 규소 질화막을 사용하고, 그 위에 배선층으로서 텅스텐막을 성막하는 기술을 개발하였다.
특허문헌 1에는, 염화텅스텐 가스 및 수소 가스를 교대로 공급하는 사이클을 반복함으로써, 기판의 표면에 텅스텐막을 성막하는 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2019-31746호 공보
본 개시는, 티타늄 규소 질화막의 상층측에, 염화텅스텐을 원료로 하는 텅스텐막을 형성함에 있어서, 텅스텐막의 형성을 촉진할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시는,
기판에 텅스텐막을 형성하는 방법이며,
상기 기판의 일면측에 형성된 티타늄 규소 질화막의 상층측에, 염화텅스텐을 원료로 하는 상기 텅스텐막의 형성을 촉진하기 위한 중간막을 형성하는 공정과,
상기 중간막의 상층측에, 상기 염화텅스텐의 가스를 사용해서 상기 텅스텐막을 형성하는 공정을 갖는다.
본 개시에 의하면, 티타늄 규소 질화막의 상층측에, 염화텅스텐막을 원료로 하는 텅스텐막을 형성함에 있어서, 텅스텐막의 형성을 촉진할 수 있다.
도 1은 본 개시의 중간막의 성막 장치의 일례를 도시하는 종단 측면도이다.
도 2는 본 개시의 텅스텐막의 성막 장치의 가스 공급계를 도시하는 구성도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 성막 방법으로 형성된 텅스텐막을 포함하는 적층 구조의 일례를 도시하는 종단 측면도이다.
도 6은 제2 실시 형태에 관한 성막 방법의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 성막 방법의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 제2 실시 형태에 관한 성막 방법으로 형성된 텅스텐막을 포함하는 적층 구조의 일례를 도시하는 종단 측면도이다.
도 9는 제3 실시 형태에 관한 성막 방법의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10은 제3 실시 형태에 관한 성막 방법으로 형성된 텅스텐막을 포함하는 적층 구조의 일례를 도시하는 종단 측면도이다.
도 11은 성막 방법의 평가 결과를 도시하는 특성도이다.
도 12는 성막 방법의 평가 결과를 도시하는 특성도이다.
도 13은 성막 방법의 평가 결과를 도시하는 특성도이다.
본 개시는, 기판인 반도체 웨이퍼의 일면측에 형성된 티타늄 규소 질화막(TiSiN막)의 상층측에, 염화텅스텐을 원료로 하는 텅스텐막을 형성함에 있어서, 텅스텐막의 형성을 촉진하기 위한 기술이다. 본 개시는, 본 발명자들이, TiSiN막의 상층측에, 염화텅스텐의 가스를 사용해서 텅스텐막을 형성할 때, 텅스텐막이 성장하기 어려워, 성막 불량이 발생하기 쉬운 경우가 있다는 새로운 지견을 얻어, 이것을 해소하고자 이루어진 것이다.
(제1 실시 형태)
이 실시 형태는, TiSiN막의 상층측에, 텅스텐막을 형성하기 전에 중간막을 형성하는 것이다. 중간막은, 염화텅스텐을 원료로 하는 텅스텐막의 형성을 촉진하기 위한 막이며, 이 예에서는 티타늄 질화막(TiN막)으로 구성된다. 이 중간막을 형성하는 장치(이하, 「제1 성막 장치」라고 칭함)의 일 실시 형태에 대해서, 도 1을 참조하여 설명한다.
제1 성막 장치(1)는, 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(10)를 구비하고 있고, 이 처리 용기(10)의 측벽에는 웨이퍼(W)를 반입 또는 반출하기 위한 반입출구(11)가, 게이트 밸브(12)에 의해 개폐 가능하게 형성되어 있다. 처리 용기(10)의 측벽 상부에는, 예를 들어 내주면을 따라 슬릿(131)이 형성됨과 함께, 외벽에 배기구(132)가 형성된 원환상의 배기 덕트(13)가 배치되어 있다. 배기 덕트(13)의 상면에는, 처리 용기(10)의 상부 개구를 막도록 천장벽(14)이 마련된다. 처리 용기(10)는, 배기구(132)를 통해서, 진공 배기로(16)에 의해, 예를 들어 진공 펌프로 이루어지는 진공 배기부(17)에 접속되어, 도시하지 않은 압력 조절부에 의해 처리 용기(10) 내의 압력이 제어된다.
처리 용기(10)의 내부에는, 웨이퍼(W)를 수평하게 지지하기 위한 적재대(2)가 마련되고, 이 적재대(2)에는, 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터(21)가 매설되어 있다. 적재대(2)는, 지지 부재(241)를 통해서, 승강 기구(24)에 의해, 도 1에서 도시하는 처리 위치와, 그 하방의 일점쇄선으로 나타내는 웨이퍼(W)의 전달 위치의 사이에서 승강 가능하게 구성된다. 처리 용기(10) 내의 적재대(2)의 하방측에는, 웨이퍼(W)의 전달용의 3개(2개만 도시)의 지지 핀(25)이 마련되어 있다. 이들 지지 핀(25)은, 전달 위치에 있는 적재대(2)의 상면에 대하여 돌출 함몰되도록, 승강 기구(26)에 의해 승강 가능하게 마련된다. 도면 중 부호 22는, 지지 핀(25)용 관통 구멍을 가리키고, 부호 27, 28은, 처리 용기(10) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 각각 적재대(2), 지지 핀(25)의 승강 동작에 따라 신축하는 벨로우즈를 가리킨다.
처리 용기(10)에는 적재대(2)와 대향하도록, 처리 용기(10) 내에 처리 가스를 샤워 형상으로 공급하기 위한 샤워 헤드(3)가 마련된다. 샤워 헤드(3)는, 처리 용기(10)의 천장벽(14)에 고정된 본체부(31)와, 본체부(31) 아래에 접속된 샤워 플레이트(32)를 구비하고, 그 내부는 가스 확산 공간(33)을 이루고 있다. 샤워 플레이트(32)에는 가스 토출 구멍(34)이 형성되고, 가스 확산 공간(33)에는 가스 도입 구멍(35)을 통해서 가스 공급계(4)가 접속되어 있다.
가스 공급계(4)는, 처리 용기(10)에, 중간막 형성 가스를 공급하기 위한 중간막 형성 가스 공급부를 구비하고 있다. 중간막 형성 가스는 중간막을 형성하기 위한 가스이다. 이 예의 중간막은 TiN막이며, 중간막 형성 가스 공급부는, 티타늄 함유 가스를 공급하는 티타늄 함유 가스 공급부와, 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급부를 포함하는 것이다. 이 예에서는, 티타늄 함유 가스로서 사염화티타늄(TiCl4) 가스, 질소 함유 가스로서 암모니아(NH3) 가스가 각각 사용된다.
티타늄 함유 가스 공급부는, TiCl4의 공급원(41) 및 공급로(411)를 포함하는 것이며, 예를 들어 가스 공급로(411)에는, 상류측으로부터 유량 조정부(412), 저류 탱크(413) 및 밸브(V1)가 개재 설치된다. 또한, 질소 함유 가스 공급부는, NH3의 공급원(42) 및 공급로(421)를 포함하는 것이며, 예를 들어 가스 공급로(421)에는, 상류측으로부터 유량 조정부(422), 저류 탱크(423) 및 밸브(V2)가 개재 설치된다.
또한, 이 예의 제1 성막 장치(1)는, 중간막의 하층측에 형성되는 TiSiN막도 형성하는 것이 가능하게 구성되어 있다. TiSiN막은, 후술하는 바와 같이, TiN막과 실리콘 질화막(SiN막)을 적층해서 형성되는 것이며, 가스 공급계(4)는, 처리 용기(10)에 SiN막의 원료인 규소 함유 가스를 공급하는 규소 함유 가스 공급부를 더 구비하고 있다. 이 예에서는, 규소 함유 가스로서, 디클로로실란(SiH2Cl2: DCS) 가스가 사용된다. 규소 함유 가스 공급부는, DCS의 공급원(43) 및 공급로(431)를 포함하는 것이며, 예를 들어 가스 공급로(431)에는, 상류측으로부터 유량 조정부(432), 저류 탱크(433) 및 밸브(V3)가 개재 설치된다.
이들, TiCl4 가스, NH3 가스, DCS 가스는, 각각 저류 탱크(413, 423, 433)에 일단 저류되어, 이들 저류 탱크 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(10) 내에 공급된다. 저류 탱크(413, 423, 433)로부터 처리 용기(10)에의 각각의 가스의 공급 및 정지는, 밸브(V1, V2, V3)의 개폐에 의해 행하여진다.
또한, 가스 공급계(4)는, 불활성 가스 예를 들어 질소(N2) 가스의 공급원(44, 45, 46)을 구비하고 있다. 본 예에서는, 공급원(44)으로부터 공급되는 N2 가스는 TiCl4용 퍼지 가스이며, 공급원(44)은 가스 공급로(441)를 통해서, TiCl4 가스의 가스 공급로(411)에서의 밸브(V1)의 하류측에 접속된다. 또한, 공급원(45)으로부터 공급되는 N2 가스는 NH3용 퍼지 가스이며, 공급원(45)은, 가스 공급로(451)를 통해서, NH3 가스의 가스 공급로(421)에서의 밸브(V2)의 하류측에 접속된다. 또한, 공급원(46)으로부터 공급되는 N2 가스는 DCS용 퍼지 가스이며, 가스 공급로(461)를 통해서, DCS 가스의 가스 공급로(431)에서의 밸브(V3)의 하류측에 접속된다. 또한, 도 1 중, 부호 442, 452, 462는 각각 유량 조정부를 가리키고, 부호 V4, V5, V6은 각각 밸브를 가리키고 있다.
제1 성막 장치(1)는 제어부(100)를 구비하고 있다. 제어부(100)는, 예를 들어 컴퓨터로 이루어지며, 프로그램, 메모리, CPU를 포함하는 데이터 처리부를 갖고 있다. 프로그램은, 제어부(100)로부터 제1 성막 장치(1)의 각 부에 제어 신호를 보내어, 후술하는 중간막의 성막 처리를 진행시키도록 명령(각 스텝)이 기억된다. 프로그램은, 컴퓨터 기억 매체, 예를 들어 플렉시블 디스크, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, MO(광자기 디스크) 등의 기억부에 저장되어 제어부(100)에 인스톨된다.
구체적으로는, 제어부(100)는, 웨이퍼(W)를 수용한 처리 용기(10)에 TiSiN막의 원료 가스를 공급하여, 당해 웨이퍼(W)의 일면측에 TiSiN막을 형성하는 스텝을 실행하도록 구성된다. 그런 뒤, 제어부(100)는, 처리 용기(10)에 중간막 형성 가스를 공급하여, TiSiN막의 상층측에 중간막을 형성하는 스텝을 실행하는 제어를 행하도록 구성된다. 또한, 제어부(100)는, TiSiN막이나 중간막의 형성에 있어서, 후술하는 가스 공급 시퀀스에 기초하여 각종 가스를 전환해서 공급하는 제어를 행하도록 구성된다.
계속해서, 웨이퍼(W)의 일면측에 형성된 중간막의 상층측에, 텅스텐막을 형성하는 장치(이하, 「제2 성막 장치」라고 칭함)의 일 실시 형태에 대해서, 도 2를 참조하여 설명한다. 이 제2 성막 장치(5)는, 가스 공급계 이외의 구성 부재는, 도 1에 도시하는 제1 성막 장치(1)와 마찬가지로 구성되어 있다. 여기에서는, 마찬가지의 구성 부재에 대해서는 설명을 생략하고, 가스 공급계(6) 및 제어부(101)에 대해서 설명한다.
가스 공급계(6)는, 처리 용기(10)에 염화텅스텐의 가스를 공급하는 염화텅스텐 공급부와, 수소 공급부를 갖고 있다. 이 예에서는, 염화텅스텐으로서 오염화텅스텐(WCl5)이 사용되고, 염화텅스텐 공급부는, WCl5의 공급원(61) 및 가스 공급로(611)를 포함하는 것이다. 이 가스 공급로(611)에는, 상류측으로부터 유량 미터(612), 저류 탱크(613) 및 밸브(V11)가 개재 설치된다.
WCl5는 상온에서 고체이며, 예를 들어 공급원(61)은, 고체의 WCl5를 수용하고, 히터에 의해 가열됨과 함께, 캐리어 가스 예를 들어 N2 가스가 공급되는 도시하지 않은 원료 탱크를 구비하고 있다. 그리고, 히터의 가열에 의해 원료 탱크 내에서 WCl5를 승화시키는 한편, 원료 탱크 내에 캐리어 가스를 공급하여, 승화한 WCl5 가스를 캐리어 가스와 함께 가스 공급로(611)에 송출시키도록 구성되어 있다. 이렇게 해서, WCl5의 공급원(61)으로부터는, WCl5의 가스와 캐리어 가스의 혼합 가스가 가스 공급로(611)를 통해서 처리 용기(10)에 공급된다. 염화텅스텐으로서는, 사염화텅스텐(WCl4)이나, 육염화텅스텐(WCl6) 등을 사용할 수 있으며, 이들 WCl4, WCl6도 상온에서 고체이므로, 공급원 등은 마찬가지로 구성된다.
수소 공급부는, 처리 용기(10)에, 염화텅스텐을 환원해서 텅스텐막을 형성하기 위한 수소(H2)를 공급하는 것이다. 수소 공급부는, 공급원(62) 및 가스 공급로(621)를 포함하고, 가스 공급로(621)에는, 상류측으로부터 유량 조정부(622), 저류 탱크(623) 및 밸브(V12)가 개재 설치된다. WCl5 가스 및 H2 가스는, 각각 저류 탱크(613, 623)에 일단 저류되어, 이들 저류 탱크 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(10) 내에 공급된다. 저류 탱크(613, 623)로부터 처리 용기(10)에의 각각의 가스의 공급 및 정지는, 밸브(V11, V12)의 개폐에 의해 행하여진다.
또한, 가스 공급계(6)는, 불활성 가스 예를 들어 질소(N2) 가스의 공급원(63, 64)을 구비하고 있다. 본 예에서는, 공급원(63)으로부터 공급되는 N2 가스는 WCl5용 퍼지 가스이며, 공급원(63)은 가스 공급로(631)를 통해서, WCl5 가스의 가스 공급로(611)에서의 밸브(V11)의 하류측에 접속된다. 또한, 공급원(64)으로부터 공급되는 N2 가스는 H2용 퍼지 가스이며, 공급원(64)은, 가스 공급로(641)를 통해서, H2 가스의 가스 공급로(621)에서의 밸브(V12)의 하류측에 접속된다.
또한, 공급원(66)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(10)로부터 WCl5의 가스 공급로(611)에의 역류를 방지하기 위해서, 처리 용기(10) 내에 상시 공급되는 N2 가스이다. 공급원(66)은, 공급로(661)를 통해서, 공급로(611)에서의 밸브(V11)의 하류측에 접속된다. 또한, 공급원(67)으로부터 공급되는 N2 가스는, 처리 용기(10)로부터 H2 가스의 공급로(621)에의 역류를 방지하기 위해서, 처리 용기(10) 내에 상시 공급되는 N2 가스이다. 공급원(67)은, 공급로(671)를 통해서, 공급로(621)에서의 밸브(V12)의 하류측에 접속된다.
또한, 이 예에서의 가스 공급계(6)는, 후술하는 성막 처리 시에 처리 용기(10)에 상시 공급되는 H2 가스의 공급원(65)을 구비하고 있다. 이 공급원(65)은, 가스 공급로(651)를 통해서 WCl5 환원용의 H2 가스의 가스 공급로(621)에서의 밸브(V12)의 하류측에 접속된다. 또한, 도 2 중, 부호 632, 642, 652, 662, 672는 각각 유량 조정부를 가리키고, 부호 V13, V14, V15, V16, V17은 각각 밸브를 가리키고 있다.
제2 성막 장치(5)는, 제1 성막 장치(1)의 제어부(100)와 마찬가지로 구성된 제어부(101)를 구비하고 있다. 이 제어부(101)의 프로그램에는, 제2 성막 장치(5)의 각 부에 제어 신호를 보내어, 후술하는 텅스텐막의 성막 처리를 진행시키도록 명령(각 스텝)이 기억된다. 구체적으로는, 제어부(101)는, 처리 용기(10)에 WCl5 가스와 H2 가스를 교대로 공급함으로써 텅스텐막을 형성하는 제어를 행하도록 구성된다. 또한, 제1, 제2 성막 장치(1, 5)의 제어부(100, 101)는 공통화되어 있어도 된다.
예를 들어 제1 성막 장치(1) 및 제2 성막 장치(5)는, 반송 기구가 설치된 진공 반송실에 각각 기밀하게 접속되고, 반송 기구에 의해 진공 반송실을 통해서, 제1 성막 장치(1)와 제2 성막 장치(5)의 사이에서 웨이퍼(W)의 반송이 행하여지도록 구성된다.
이어서, 본 개시의 성막 방법의 일례에 대해서, 도 3의 가스 공급 시퀀스를 참조하면서 설명한다. 이 예는, 제1 성막 장치(1)에 있어서, 우선 웨이퍼(W)의 일면측에, TiSiN막을 ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의해 성막하고, 이 TiSiN막의 상층에, 중간막인 TiN막을 ALD법에 의해 성막하는 것이다. 도 3의 가스 공급 시퀀스는, 성막에 사용되는 TiCl4 가스, DCS 가스, NH3 가스와, 이들의 퍼지 가스인 N2 가스의 처리 용기(10)에의 공급 타이밍을 나타내는 것이다. 도 3 중, TiCl4의 하단의 N2는, 공급원(44)으로부터 공급되는 N2 가스, DCS의 하단의 N2는, 공급원(46)으로부터 공급되는 N2 가스, NH3의 하단의 N2는, 공급원(45)으로부터 공급되는 N2 가스이다.
우선, TiSiN막의 성막 처리에 대해서 설명한다. 처리 용기(10) 내에 웨이퍼(W)를 반입해서 적재대(2)에 적재하고, 히터(21)에 의한 웨이퍼(W)의 가열을 개시함과 함께, 진공 배기부(17)에 의해 처리 용기(10) 내의 진공 배기를 실시한다. 처리 용기(10)에는, 이 TiSiN막과 후술하는 중간막의 성막 처리 동안에, 공급원(44, 45, 46)으로부터 N2 가스가 상시 공급되고 있다.
그런 뒤, 도 3의 가스 공급 시퀀스에 기초하여, 우선, TiCl4 가스를 공급해서 웨이퍼(W)에 흡착시키고(스텝 1), 이어서, N2 가스에 의한 퍼지를 행하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 TiCl4 가스를 제거한다(스텝 2). 이어서, NH3 가스를 공급하여, 웨이퍼(W)에 흡착된 TiCl4와 반응시켜서 TiN막을 형성하고(스텝 3), 계속해서, N2 가스에 의한 퍼지를 행하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 NH3 가스를 제거한다(스텝 4). 이렇게 해서, 스텝 1 내지 스텝 4를 설정된 횟수, 반복해서 실시하여, 원하는 두께의 TiN막을 형성한다.
이어서, DCS 가스를 공급해서 웨이퍼(W)에 흡착시킨 후(스텝 5), N2 가스에 의한 퍼지를 행하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 DCS 가스를 제거한다(스텝 6). 이어서, NH3 가스를 공급하여, 웨이퍼(W)에 흡착된 DCS와 반응시켜 SiN막을 형성하고(스텝 7), 그 후, N2 가스에 의한 퍼지를 행하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 DCS 가스를 제거한다(스텝 8). 이렇게 해서, 스텝 5 내지 스텝 8을 1회 또는 설정된 횟수 반복해서 실시하여, 원하는 두께의 SiN막을 형성한다.
이 예에서는, 스텝 1 내지 스텝 4를 19회 반복해서 TiN막을 성막하고, 그 위에 스텝 5 내지 스텝 8을 1회 실시해서 SiN막을 성막한다. 그리고, 다시 스텝 1 내지 스텝 4를 19회 반복하여 SiN막 상에 TiN막을 성막하고, 그 위에 스텝 5 내지 스텝 8을 1회 실시해서 SiN막을 성막한다. 이렇게 해서, 예를 들어 두께가 27Å, 규소(Si)의 함유량이 5원자％인 TiSiN막을 형성한다.
TiN막의 성막 공정 및 SiN막의 성막 공정에서는, 각각 핵이 성장해서 퍼져나가도록 성막되어 간다. 이 때문에, TiN막 상에 SiN막을 형성한 후의 표면은, 티타늄(Ti)과, 규소(Si)와, 질소(N)가 혼재한 상태이며, 이러한 막을 TiSiN막으로 하고 있다. 이렇게 TiSiN막은, TiN막과 SiN막을 적층해서 형성되는데, 각각의 막의 적층수는, TiSiN막의 용도 등에 따라서 적절히 설정된다. 이렇게 해서, TiN막과 SiN막의 적층수를 조절함으로써, Si 함유량이 5원자％ 내지 20원자％의 TiSiN막을 형성할 수 있다.
이상으로 설명한 방법에 의해, 웨이퍼(W)의 일면측에 TiSiN막을 형성한 후, 이 TiSiN막의 상층에 중간막인 TiN막(이하, 「TiN 중간막」이라고도 칭함)을 형성한다. 즉, 도 3의 가스 공급 시퀀스에 기재된 바와 같이, TiCl4 가스를 공급해서 웨이퍼(W)에 흡착시키고(스텝 9), 이어서, N2 가스 퍼지를 행하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 TiCl4 가스를 제거한다(스텝 10). 계속해서, NH3 가스를 공급하여, 웨이퍼(W)에 흡착된 TiCl4와 반응시켜서 TiN 중간막을 형성하고(스텝 11), 그 후, N2 가스 퍼지를 행하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 NH3 가스를 제거한다(스텝 12). 이 스텝 9 내지 스텝 12를 설정된 횟수 반복해서 실시함으로써, 웨이퍼(W)에 TiCl4 가스와 NH3 가스를 교대로 공급하고, 이들 TiCl4와 NH3를 반응시켜서 원하는 두께의 TiN 중간막을 형성한다.
이렇게 해서, 제1 성막 장치(1)에서, 그 일면측에 TiSiN막과 TiN 중간막이 형성된 웨이퍼(W)는, 제2 성막 장치(5)에 반송되어, TiN 중간막 상에 텅스텐막이 성막된다. 이 예에서는, 제2 성막 장치(5)에 있어서, 염화텅스텐을 수소로 환원하여, ALD법에 의해 텅스텐막을 성막한다. 이 텅스텐막의 성막 방법의 일례에 대해서, 도 4의 가스 공급 시퀀스를 참조하면서 설명한다.
도 4의 가스 공급 시퀀스는, 성막에 사용되는 WCl5 가스, H2 가스, NH3 가스와, 이들 가스의 퍼지 가스인 N2 가스의 처리 용기(10)에의 공급 타이밍을 나타내는 것이다. 도 4에서는, WCl5 퍼지용의 공급원(63), H2 가스 퍼지용의 공급원(64)으로부터 각각 공급되는 퍼지 N2 가스를 통합해서 N2로 나타내고 있다. 이 퍼지 N2 가스는, 간헐적으로 공급되는 퍼지 가스이다. 또한, WCl5 퍼지용의 공급원(66), H2 가스 퍼지용의 공급원(67)으로부터 각각 공급되는 상시 퍼지 N2 가스를 통합해서 상시 N2로 나타내고 있다. 또한, 동 가스 공급 시퀀스 중에 기재된 추가 H2란, TiSiN막에 의해 텅스텐막이 성장하기 어려워지는 영향에 저항해서 WCl5의 환원 반응을 촉진하기 위해서, 공급원(65)으로부터 공급되는 H2 가스이다.
이 성막 처리에서는, 제2 성막 장치(5)의 처리 용기(10) 내에, 일면측에 TiSiN막과 TiN 중간막이 밑에서부터 이 순서로 형성된 웨이퍼(W)를 반입해서 적재대(2)에 적재한다. 그리고, 히터(21)에 의한 웨이퍼(W)의 가열을 개시함과 함께, 진공 배기부(17)에 의해 처리 용기(10) 내의 진공 배기를 실시한다. 처리 용기(10)에는, 후술하는 텅스텐막의 성막 처리 동안에, 공급원(63, 64)으로부터 N2 가스 및 공급원(65)으로부터 추가용 H2 가스가 상시 공급되고 있다.
그런 뒤, 도 4의 가스 공급 시퀀스에 기초하여, 우선, WCl5 가스를 공급해서 웨이퍼(W)에 흡착시킨 후(스텝 1), N2 가스에 의한 퍼지를 실시하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 WCl5 가스를 제거한다(스텝 2). 이어서, H2 가스를 공급하여, 웨이퍼(W)에 흡착된 WCl5와 반응시켜, WCl5를 H2에 의해 환원해서 텅스텐막을 형성한다(스텝 3). 계속해서, N2 가스에 의한 퍼지를 실시하여, 처리 용기(10) 내에 잔존하는 H2 가스를 제거한다(스텝 4). 이렇게 해서, 스텝 1 내지 스텝 4를 설정된 횟수 반복해서 실시하여, 원하는 두께의 텅스텐막을 형성한다. 이 텅스텐막의 성막 처리의 프로세스 조건의 일례를 나타내면, 처리 용기(10) 내의 압력은, 3.99×103Pa 내지 6.66×103Pa(30Torr 내지 50Torr), 웨이퍼 온도는 400℃ 내지 550℃이다. 또한, WCl5 가스와 H2 가스의 교대 공급의 사이클수는 10 내지 200, 예를 들어 100사이클이다.
이렇게 구성된 텅스텐막을 포함하는 적층 구조에 대해서, 도 5에 도시한다. 도 5 중, 부호 71은 TiSiN막, 부호 72는 TiN 중간막, 부호 73은 텅스텐막을 각각 가리키고 있다. TiSiN막(71)은, 이미 설명한 바와 같이 Ti와 Si와 N이 혼재한 상태로 되어 있다.
이러한 텅스텐막을 포함하는 적층 구조를 구비한 반도체 디바이스로서는, MOSFET 등의 트랜지스터가 예시된다. 예를 들어 게이트 영역의 산화막으로서 산화하프늄(HfO2), 게이트 금속으로서 TiSiN막, 배선층으로서 텅스텐막이 사용된다. 게이트 금속으로서 TiSiN막을 사용함으로써 높은 유전율을 갖는 HfO2의 일함수를 조정할 수 있어, 전기적 특성이 양호한 디바이스를 형성할 수 있다.
이 실시 형태에 따르면, TiSiN막 상에 TiN 중간막을 형성하고, 그 상층에 염화텅스텐을 원료로 하는 텅스텐막을 형성하고 있으므로, 텅스텐막의 형성을 촉진할 수 있다. 텅스텐막의 형성을 촉진한다는 것은, 텅스텐막이 웨이퍼면 내에서 성장하기 쉬워, 웨이퍼면 내의 균일성이 양호한 상태로 성막되는 것을 의미한다.
본 발명자들은, 게이트 금속으로서 TiSiN막을 채용함에 있어서, 염화텅스텐을 H2 가스에 의해 환원시켜 형성시키는 텅스텐막은 TiSiN막 상에는 성장하기 어려워, 성막 불량이 발생하는 경우가 있다는 지견을 얻었다. 한편, 상기 방법으로 형성한 텅스텐막은, 어느 정도의 두께의 TiN막 상에 성막함으로써 성막 불량이 개선되어, 당해 TiSiN막을 중간층으로 해서 그 위에 TiN막을 형성해도, 양호한 전기적 특성이 유지되는 것을 알았다. 그래서 TiSiN막 상에 중간막인 TiN막(TiN 중간막)을 형성함으로써, 텅스텐막의 형성을 촉진시키는 기술을 알아냈다.
텅스텐막의 성장 용이성은, TiSiN막 중의 Si 함유량에 따라 달라서, Si 함유량이 많아지면, 텅스텐막은 성장하기 어려워지는 경향이 있다. 이 때문에, TiSiN막 중의 Si 함유량에 따라서도 다르지만, 후술하는 실시예로부터 명백한 바와 같이 TiN 중간막의 두께는 8Å 이상인 것이 바람직하다. 한편, 반도체 디바이스의 미세화에 수반하는, 막 두께의 제약이나 전기적 특성을 고려하면, TiN 중간막의 두께는 20Å 이하인 것이 바람직하다. 도 5의 적층 구조에 있어서, 각각의 막의 두께의 일례를 들면, TiSiN막(71)의 두께는 27Å, TiN 중간막(72)의 두께는 13Å, 텅스텐막(73)의 두께는 34Å이다.
(제2 실시 형태)
이 실시 형태는, 중간막으로서 이미 설명한 TiN막 대신에 초기 텅스텐막을 형성하는 예이다. 초기 텅스텐막은, 텅스텐막을 형성할 때의 염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율보다도, 수소의 공급 비율이 많은 조건 하에서 형성된 막을 말한다. 이 예에서는, 초기 텅스텐막 및 텅스텐막은, 도 2에 도시하는 제2 성막 장치(5)에서 성막되고, 중간막 형성 가스 공급부는, 제2 성막 장치(5)에서의 염화텅스텐 공급부 및 수소 공급부에 의해 구성된다.
이 예의 제어부(101)는, 초기 텅스텐막 및 텅스텐막을 형성할 때, 염화텅스텐 공급부 및 수소 공급부를 제어하도록 구성된다. 또한, 제어부(101)는, 텅스텐막을 형성할 때의 염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율보다도, 수소의 공급 비율이 많은 조건 하에서 초기 텅스텐막을 형성하는 제어를 실시하도록 구성된다. 보다 구체적으로는, 텅스텐막을 형성할 때는, 상기 공급 비율이 6미만의 값, 바람직하게는 상기 공급 비율이 1 이상 6 미만의 범위 내의 값으로 한다. 한편, 초기 텅스텐막을 형성할 때는, 상기 공급 비율이 6 이상의 값, 바람직하게는 6 이상 200 이하의 범위 내의 값으로 되는 제어를 실시하도록 구성된다.
염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율이란, 이 예에서는 WCl5 가스의 공급량과 H2 가스의 공급량의 질량 기준의 비율이다. 구체적으로는, 상기 공급 비율은, 처리 용기(10)에 공급되는 WCl5의 질량과, H2의 질량으로부터, (H2의 질량)/(WCl5의 질량)에 의해 구해지는 값이다. WCl5에 대해서는, 도시하지 않은 원료 탱크의 가열 온도나, 원료 탱크 내의 WCl5의 잔존량, 원료 탱크에 공급되는 캐리어 가스의 유량 등의 변수와, WCl5 가스와 캐리어 가스의 혼합 가스 중에 포함되는 WCl5의 질량의 관계를 취득하고 있으며, 이들 변수로부터 WCl5가 구해진다. 또한, H2에 대해서는, 처리 용기(10)에 공급원(62)로부터 공급되는 환원용 H2 가스의 유량으로부터, 그 질량이 구해진다.
또한, 제어부(101)는, 웨이퍼(W)에 WCl5와 H2를 교대로 공급함으로써, 텅스텐막 및 초기 텅스텐막을 ALD법에 의해 형성하도록 구성된다. 그리고, WCl5와 H2의 교대 공급의 사이클이 10 내지 100의 범위 내에서 초기 텅스텐막을 형성하는 제어를 실시하도록 구성된다.
이 실시 형태의 성막 방법의 일례에 대해서, 도 6 및 도 7에 도시하는 가스 공급 시퀀스를 참조하면서 설명한다. 이 예에서는, 제1 성막 장치(1)에서 도 6의 가스 공급 시퀀스에 기초하여 TiSiN막을 형성하고, 이어서, 제2 성막 장치(5)에서 도 7의 가스 공급 시퀀스에 기초하여 초기 텅스텐막 및 텅스텐막을 성막하고 있다.
도 6에 기재된 가스종은, 도 3에 도시하는 TiSiN막을 성막할 때의 가스 공급 시퀀스(스텝 1 내지 스텝 8)의 경우와 마찬가지이며, 도 7에 기재된 가스종은 도 4의 가스 공급 시퀀스와 마찬가지이다. 도 7에서, H2 가스의 굵은 화살표는 H2의 공급 비율이 많은 것을 나타내고 있다.
이 성막 처리에서는, 우선, 제1 성막 장치(1)의 처리 용기(10) 내에 웨이퍼(W)를 반입하고, 웨이퍼(W)에 대하여 TiCl4 가스와 NH3 가스를 교대로 공급하여 TiSiN막을 성막한다. 이 TiSiN막은, 도 6에 도시하는 가스 공급 시퀀스에 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 방법으로 성막된다. 즉, 스텝 1 내지 4를 설정 횟수 예를 들어 19회 반복함으로써 TiN막을 형성하고, 이어서, 스텝 5 내지 8을 설정 횟수 예를 들어 1회 실시함으로써 TiN막 상에 SiN막을 성막한다. 이들 TiN막, SiN막의 성막을 설정 횟수 반복함으로써, TiSiN막을 얻는다.
이렇게 해서, 웨이퍼(W)의 일면측에 TiSiN막을 형성한 후, 당해 웨이퍼(W)를 제2 성막 장치(5)의 처리 용기(10)에 반송하여, 중간막인 초기 텅스텐막과, 텅스텐막을 형성하는 처리를 실시한다. 구체적으로, 도 7의 가스 공급 시퀀스를 참조하여 설명한다. 동 가스 공급 시퀀스는, 스텝 1 내지 스텝 4에서 초기 텅스텐막을 형성하고, 스텝 5 내지 스텝 8에서 텅스텐막을 형성하는 것이다.
이 성막 처리에서도, 처리 용기(10)의 적재대(2)에 적재된 웨이퍼(W)를 히터(21)에 의해 가열함과 함께, 진공 배기부(17)에 의해 처리 용기(10) 내의 진공 배기를 실시한다. 처리 용기(10)에는, 초기 텅스텐막 및 텅스텐막의 성막 처리 동안에, 공급원(66, 67)으로부터 N2 가스가 상시 공급됨과 함께, 공급원(65)으로부터 추가용 H2 가스가 상시 공급된다.
초기 텅스텐막은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 스텝 1에서의 WCl5 가스의 공급, 스텝 2에서의 N2 가스 퍼지, 스텝 3에서의 H2 가스의 공급, 스텝 4에서의 N2 가스 퍼지를 반복하여, H2에 의해 WCl5를 환원해서 형성된다.
이때, 스텝 3의 H2 가스의 공급에서는, 텅스텐막을 형성할 때의 WCl5에 대한 H2의 공급 비율보다도, H2의 공급 비율이 많은 조건 하에서 형성된다. 구체적으로는, WCl5와 H2의 공급 비율은, 이미 설명한 바와 같이, 6 이상의 값, 바람직하게는 6 이상 200 이하의 범위 내의 값이다.
이렇게 해서, 원하는 두께의 초기 텅스텐막을 형성한 후, 스텝 5 내지 스텝 8에 따라서 텅스텐막의 성막을 실시한다.
텅스텐막은, 스텝 5에서의 WCl5 가스의 공급, 스텝 6에서의 N2 가스 퍼지, 스텝 7에서의 H2 가스의 공급, 스텝 8에서의 N2 가스 퍼지를 반복하여, H2에 의해 WCl5를 환원해서 형성된다. 텅스텐막을 형성할 때의 WCl5와 H2의 공급 비율은, 이미 설명한 바와 같이, 6 미만의 값, 바람직하게는 1 이상 6 미만의 범위 내의 값이다.
초기 텅스텐막 및 텅스텐막의 성막 처리의 프로세스 조건의 일례를 나타내면, 처리 용기(10) 내의 압력은, 3.99×103Pa 내지 6.66×103Pa(30Torr 내지 50Torr), 웨이퍼 온도는, 400℃ 내지 550℃이다.
이렇게 구성된 텅스텐막을 포함하는 적층 구조에 대해서, 도 8에 도시한다. 도 8 중, 부호 71은 TiSiN막, 부호 74는 초기 텅스텐막으로 이루어지는 중간막, 부호 73은 텅스텐막을 각각 가리키고 있다.
이 실시 형태에 따르면, 초기 텅스텐막은, WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 많은 조건 하에서, 고농도의 H2에 의해 WCl5의 환원력을 높인 상태에서 형성된다. 이 때문에, 통상의 H2 공급량으로 텅스텐막을 성막한 경우와 비교해서 TiSiN막 상에의 단위 시간당 텅스텐막의 성막량을 증가시킬 수 있다. 일단, 초기 텅스텐막이 TiSiN막 상에 어느 정도의 두께로 형성되면, 이 초기 텅스텐막 상에는, 텅스텐막이 성장하기 어려워지는 것과 같은 현상은 관찰되지 않는다. 그 결과, TiSiN막 상에 텅스텐막을 형성하는 경우와 비교하여, 텅스텐막의 성막을 촉진할 수 있다.
본 실시 형태는, TiSiN막 상에 WCl5를 H2로 환원해서 텅스텐막을 형성함에 있어서, 종래의 WCl5에 대한 H2의 공급 비율에서는, 텅스텐막의 성막 불량이 발생했으므로, 상기 공급 비율의 최적화를 도모한 것이다. 또한, 이 방법에서는, 초기 텅스텐막을 형성한 후에는, H2 가스의 공급량을 저감한 조건 하에서 나머지 텅스텐막을 형성하므로, H2 가스의 소비량의 증대를 억제할 수 있다는 이점도 있다.
초기 텅스텐막은, WCl5 가스와 H2 가스를 교대로 공급해서 형성되고, 교대 공급의 사이클수에 의해 두께가 결정된다. 초기 텅스텐막은, 어느 정도의 두께가 있으면, 텅스텐막을 성장하기 어렵게 하는 TiSiN막의 영향을 억제할 수 있으므로, 상기 교대 공급의 사이클은 10 내지 100의 범위 내로 하는 경우를 예시할 수 있다. 또한, 텅스텐막 성막 시의, WCl5 가스와 H2 가스의 교대 공급의 사이클수는 1 내지 200의 범위 내의, 예를 들어 100사이클이다.
(제3 실시 형태)
이 실시 형태는, 텅스텐막의 형성을 촉진하기 위해서, 염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율이 6 이상의 값, 바람직하게는 6 이상 200 이하의 범위 내의 값이 되는 조건 하(이미 설명한 초기 텅스텐막 형성 시와 마찬가지의 조건)에서, 텅스텐막 전체를 형성하는 것이다. 이 텅스텐막은, 예를 들어 도 2에 도시하는 제2 성막 장치(5)에서 성막된다. 이 예의 제어부(101)는, 상기 공급 비율이 이미 설명한 조건 하에서 텅스텐을 형성하도록, 염화텅스텐 공급부 및 수소 공급부를 제어하도록 구성된다.
이 실시 형태의 성막 방법의 일례에 대해서, 도 9에 도시하는 가스 공급 시퀀스를 참조하면서 설명한다. 이 예에서는, 우선, 제1 성막 장치(1)에서 도 6의 가스 공급 시퀀스에 기초하여 TiSiN막을 형성한 후, 제2 성막 장치(5)에서 도 9의 가스 공급 시퀀스에 기초하여 텅스텐막을 성막한다. 도 9에 기재된 가스종은 도 4의 가스 공급 시퀀스와 마찬가지이며, H2 가스의 굵은 화살표는 H2의 공급 비율이 많은 것을 나타내고 있다.
이 실시 형태에서도, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 제1 성막 장치(1)의 처리 용기(10) 내에 웨이퍼(W)를 반입하고, 웨이퍼(W)에 대하여 TiCl4 가스와 NH3 가스를 교대로 공급하여 TiSiN막을 성막한다. 그리고, 웨이퍼(W)의 일면측에 TiSiN막을 형성한 후, 당해 웨이퍼(W)를 제2 성막 장치(5)의 처리 용기(10)에 반송하여, 텅스텐막을 성막한다.
제2 성막 장치(5)에서는, 처리 용기(10)의 적재대(2)에 적재된 웨이퍼(W)를 히터(21)에 의해 가열함과 함께, 진공 배기부(17)에 의해 처리 용기(10) 내의 진공 배기를 실시한다. 처리 용기(10)에는, 텅스텐막의 성막 처리 동안에, 공급원(66, 67)으로부터 N2 가스가 상시 공급됨과 함께, 공급원(65)으로부터 추가용 H2 가스가 상시 공급되고 있다.
텅스텐막은, 도 9의 가스 공급 시퀀스에 따라서 형성된다. 즉, 스텝 1에서의 WCl5 가스의 공급, 스텝 2에서의 N2 가스 퍼지, 스텝 3에서의 H2 가스의 공급, 스텝 4에서의 N2 가스 퍼지를 반복하여, H2에 의해 WCl5를 환원해서 형성된다. 이때 텅스텐막은, 이미 설명한 바와 같이, WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 6 이상의 값으로 되어, H2의 공급 비율이 많은 조건 하에서 형성된다.
텅스텐막의 성막 처리의 프로세스 조건의 일례를 나타내면, 처리 용기(10) 내의 압력은, 3.99×103Pa 내지 6.66×103Pa(30Torr 내지 50Torr), 웨이퍼 온도는, 400℃ 내지 550℃이다. 또한, WCl5 가스와 H2 가스의 교대 공급의 사이클수는 10 내지 200, 예를 들어 100사이클이다.
이렇게 구성된 텅스텐막을 포함하는 적층 구조에 대해서, 도 10에 도시한다. 도 8 중, 부호 71은 TiSiN막, 부호 75는, 텅스텐막을 각각 가리키고 있다. 이 텅스텐막(75)은, 제1 및 제2 실시 형태의 텅스텐막(73)보다도, 성막 시에 있어서의 WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 많은 조건 하에서 형성된 텅스텐막이다.
이 실시 형태에 따르면, 제1 및 제2 실시 형태의 텅스텐막(73)보다도, 성막 시에 있어서의 WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 많은, 말하자면 고농도의 H2에 의해 WCl5의 환원력을 높인 상태에서 텅스텐막 전체를 형성하고 있다. 이 때문에, 통상의 H2 공급량으로 텅스텐막을 성막한 경우와 비교해서 TiSiN막 상에의 단위 시간당 텅스텐막의 성막량을 증가시킬 수 있다. 또한, TiSiN막 상에 텅스텐막을 직접 형성하고 있으므로, 중간막을 형성하는 경우에 비하여, TiSiN막의 하면으로부터 텅스텐막의 상면까지의 총 두께를 억제할 수 있다. 따라서, 반도체 디바이스의 미세화가 진행되어, TiSiN막이나 텅스텐막의 막 두께에 제한이 있는 경우에 유효하다.
이상에 있어서, 웨이퍼(W)의 일면측에 형성되는 TiSiN막은, 요구되는 전기적 특성 등에 따라, 그 Si 함유량은 5 내지 20원자％이지만, TiSiN막 중의 Si 함유량이 많을수록, 텅스텐막이 성장하기 어려운 것을 파악하고 있다.
이 경우에는, 예를 들어 제1 실시 형태와 제2 실시 형태의 방법, 또는 제1 실시 형태와 제3 실시 형태의 방법을 조합해서 실시해도 된다.
예를 들어 TiSiN막 상에, 제1 실시 형태의 방법으로 TiN 중간막을 형성하고, 그 위에 제2 실시 형태의 방법으로 초기 텅스텐막을 형성하고 나서, 텅스텐막을 형성해도 된다. 또한, 예를 들어 TiSiN막 상에 제1 실시 형태의 방법으로 TiN 중간막을 형성하고, 그 위에 제3 실시 형태의 방법으로, WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 큰 조건에서 텅스텐막을 형성해도 된다.
상술한 제1 실시 형태에서는, 중간막과 텅스텐막을 다른 성막 장치에서 형성하고, 제2 실시 형태에서는, 중간막과 텅스텐막을 동일한 성막 장치에서 형성하는 예를 나타냈다. 한편 제1 실시 형태에서도, 중간막과 텅스텐막을 동일한 성막 장치에서 형성해도 된다. 또한, TiSiN막과 중간막과 텅스텐막을 동일한 성막 장치에서 형성해도 되고, 각각의 막을 다른 성막 장치에서 형성해도 된다. 또한, 상술한 실시 형태에서는, 웨이퍼(W)에 TiSiN막을 형성하는 성막 처리를 행하는 예를 설명했지만, 반드시 TiSiN막의 형성을 실시할 필요는 없다. 다른 장치에서 미리 TiSiN막이 형성된 웨이퍼(W)를 처리 용기(10)에 반송하여, TiSiN막 상에 중간막이나 텅스텐막의 형성을 행해도 된다. 또한, TiN 중간막이나 초기 텅스텐막, 텅스텐막은, ALD법이 아니라, CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성해도 된다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
[실시예]
(평가 시험 1)
본 개시의 제1 실시 형태의 평가 시험에 대해서 설명한다. 도 11은, 제1 실시 형태의 방법으로, TiSiN막과 TiN 중간막과 텅스텐막을 형성하여, 텅스텐막의 두께와 균일성을 측정한 결과이다. TiSiN막 및 TiN 중간막은, 제1 실시 형태에 기재한 가스 공급 시퀀스에 따라서, 웨이퍼 온도 400℃의 조건 하에서 형성했다. TiSiN막의 막 두께는 27Å, TiSiN막의 Si 함유량은 5원자％이다.
텅스텐막은, 제1 실시 형태에 기재한 가스 공급 시퀀스에 따라서, 웨이퍼 온도 440℃의 조건 하에서 형성하고, WCl5 가스와 H2 가스의 교대 공급 사이클을 100회로 했다.
TiN 중간막은, TiCl4 가스와 NH3 가스의 교대 공급 사이클을, 0회부터 25회까지 바꾸어서 형성하고, 각각의 TiN 중간막 상에 텅스텐막을 성막하여, 텅스텐막의 두께(Å)와 균일성(1σ％=(표준 편차σ/평균값)×100％)을 측정했다. 텅스텐막의 두께는, 웨이퍼(W)의 면내의 복수 개소의 측정값의 평균값이다. 균일성은 이 두께 데이터에 기초하여 산출한 것이며, 수치가 낮을수록 균일성이 양호한 것을 나타내고 있다.
도 11 중, 횡축은 TiN 중간막의 두께(Å), 좌측 종축은 텅스텐막의 두께(Å), 우측 종축은 균일성(1σ％)을 각각 나타내고, 흑색 원의 플롯(●)은 두께의 데이터, 백색 원의 플롯(○)은 균일성의 데이터를 각각 나타낸다. 각 실험의 결과, TiN 중간막의 두께는, 상기 교대 공급 사이클이 5회일 때는 3.4Å, 10회가 8.3Å, 15회가 10.9Å, 20회가 12.9Å, 25회가 14.6Å이었다.
이 결과로부터, 텅스텐막의 두께는, TiSiN막 상에 TiN 중간막이 형성되지 않을 경우에는 8.7Å인 것에 반해, TiN 중간막의 두께가 커짐에 따라, 텅스텐막의 두께가 증가하는 것이 확인되었다. 이에 의해, TiSiN막의 상층에 WCl5를 원료로 하는 텅스텐막을 형성함에 있어서, TiSiN막 상에 TiN 중간막을 형성함으로써, 텅스텐막의 형성이 촉진되는 것이 확인되었다. 또한, TiN 중간막이 8.3Å 이상으로 되면, 형성되는 텅스텐막의 균일성이 양호한 것도 확인되었다. 이 평가 결과에 의해, TiN 중간막은 8Å 이상의 두께라면, 형성되는 텅스텐막의 두께가 30Å 가까이가 되어, 텅스텐막의 형성을 촉진할 수 있어, 균일성이 양호한 텅스텐막을 성막할 수 있음이 이해된다.
(평가 시험 2)
본 개시의 제3 실시 형태의 평가 시험에 대해서 설명한다. 제3 실시 형태의 방법으로, TiSiN막과 초기 텅스텐막과 텅스텐막을 형성하여, 텅스텐막의 두께와 균일성을 측정했다. TiSiN막은, 제3 실시 형태에 기재한 가스 공급 시퀀스에 따라서, 웨이퍼 온도 400℃의 조건 하에서 형성했다. TiSiN막의 막 두께는 27Å, TiSiN막의 Si 함유량은 5원자％이다.
텅스텐막은, 제3 실시 형태에 기재한 가스 공급 시퀀스에 따라서, 웨이퍼 온도 440℃의 조건 하에서 형성하고, WCl5 가스와 H2 가스의 교대 공급 사이클을 100회로 했다.
또한, 텅스텐막은, WCl5 가스와 H2 가스의 공급 비율을 바꾸어서 형성하여, 각각의 텅스텐막의 두께(Å)와 균일성(1σ％)을, 평가 시험 1과 마찬가지의 방법으로 측정했다.
상기 공급 비율은, 이미 설명한 바와 같이, 처리 용기(10)에 공급되는 WCl5의 질량과, H2의 질량으로부터, (H2의 질량)/(WCl5의 질량)을 산출해서 구했다.
이하, 상기 공급 비율이 다른 5개의 샘플에 대해서, WCl5의 캐리어 가스(N2 가스) 유량 및 H2 가스의 유량, 이들로부터 구한 상기 공급 비율, 형성된 텅스텐막의 두께, 균일성을 열거한다.
샘플 1: 공급 비율 4.13(N2 800sccm, H2 5000sccm),
두께 8.7Å, 균일성 49.1％
샘플 2: 공급 비율 7.32(N2 250sccm, H2 5000sccm),
두께 19.2Å, 균일성 21.9％
샘플 3: 공급 비율 8.27(N2 800sccm, H2 10000sccm),
두께 33.1Å, 균일성 21.4％
샘플 4: 공급 비율 7.44(N2 800sccm, H2 9000sccm),
두께 27.5Å, 균일성 27.2％
샘플 5: 공급 비율 13.17(N2 250sccm, H2 9000sccm),
두께 36.5Å, 균일성 11.5％
샘플 2는, 샘플 1의 조건에 대하여, H2의 유량은 바꾸지 않고, WCl5의 캐리어 가스 유량을 저감하여, 상기 공급 비율에 있어서 H2의 공급 비율을 상대적으로 많게 한 조건이다. 이들 측정 결과의 비교에 의해, 상기 공급 비율에 있어서, H2의 공급 비율을 크게 함으로써, 형성되는 텅스텐막의 두께가 2배 이상으로 되어, 균일성도 향상되는 것이 확인되었다. 따라서, H2의 공급 비율을 상대적으로 많게 함으로써, H2의 환원력이 증대하여, 텅스텐막의 형성이 촉진되는 것이 이해된다.
또한, 샘플 3, 4는, 샘플 1의 조건에 대하여, WCl5의 캐리어 가스 유량은 바꾸지 않고, H2의 유량을 증대하여, 상기 공급 비율에 있어서 H2의 공급 비율을 상대적으로 많게 한 조건이다. 이들의 비교에 의해, 상기 공급 비율에 있어서, H2의 공급 비율을 크게 함으로써, 형성되는 텅스텐막의 두께가 대폭 커져, 양호한 균일성이 얻어지는 것이 확인되었다. 샘플 3, 4에서는, WCl5의 공급량이 많으므로, 보다 텅스텐막의 형성이 촉진된 것으로 추정된다.
샘플 5는, 가장 H2의 공급 비율이 많은 조건이며, 이 평가 시험의 결과로부터는, WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 많을수록, 텅스텐막의 두께가 커져, 양호한 균일성이 얻어지는 것이 확인되었다.
단, WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 어느 정도 이상이면, 그 이후에는, 얻어지는 텅스텐막의 두께나 균일성이 그다지 변화하지 않는다. 이 관점에서, H2의 공급 비율을 증가시켜 나가는 것에 임계적인 상한은 없지만, 예를 들어 WCl5는 5 내지 200mg/min, H2는 200 내지 900mg/min의 유량으로 공급되는 경우가 있다. 따라서, 상기 공급 비율을 200 정도까지로 하는 것을 예시할 수 있다.
한편, 샘플 2 내지 4에서의 텅스텐막의 두께나 균일성에 대한 상기 공급 비율의 영향을 근거로 하면, 당해 공급 비율이 6 이상이면, 균일성을 유지하면서, 30Å 정도의 막 두께의 텅스텐막을 얻을 수는 있다고 생각된다.
이들의 검토 결과로부터, WCl5에 대한 H2의 공급 비율이 6 이상 200 이하의 범위 내의 값으로 되는 조건 하에서 텅스텐막을 형성하는 것이 적합하다.
또한, 이미 설명한 바와 같이 TiSiN막의 상층에서 텅스텐막은 성장하기 어렵지만, H2의 공급 비율이 많은 텅스텐막을 초기 텅스텐막으로서 형성한 후에는, H2의 공급 비율을 저하시켜도, TiSiN막에 의한 텅스텐막의 형성 저해의 영향을 받기 어려워지는 것을 파악하였다. 이 관점에서, 초기 텅스텐막을 형성한 후에는, 당해 초기 텅스텐막의 형성에 필요한 H2의 최저 공급 비율(=6) 미만이어도, 텅스텐막을 성막하는 것이 가능하게 된다. 여기서, 초기 텅스텐막의 형성 후의 통상의 텅스텐막의 형성에 있어서는, 당해 텅스텐막을 성막하는 것이 가능하면, H2의 공급 비율에 하한값은 없지만, 이미 설명한 바와 같이, WCl5는 5 내지 200mg/min, H2는 200 내지 900mg/min의 유량으로 공급되는 경우가 있다. 그래서 통상의 텅스텐막을 형성할 때의 상기 공급 비율의 적합 범위로서, 1 이상 6 미만의 범위 내의 값일 경우를 적합 범위로서 예시해 둔다.
또한, 초기 텅스텐막은, WCl5와 H2의 교대 공급의 사이클이 10 내지 100의 범위 내에서 형성된 것이라면, 그 후의 텅스텐막 형성을 촉진하는 두께를 확보할 수 있다.
(평가 시험 3)
평가 시험 3은, TiSiN막 중의 Si 함유량이 많은 경우의 텅스텐막의 성막에 관한 시험이다. 도 12는, TiSiN막과 TiN 중간막과 텅스텐막을 형성하여, 텅스텐막의 두께와 균일성을 측정한 결과이다. TiSiN막은, 도 3에 도시하는 가스 공급 시퀀스에 따라서, 웨이퍼(W) 온도 400℃의 조건 하에서 형성했다. 이 예의 TiSiN막은, 스텝 1 내지 스텝 8을 1회 실시해서 TiN막 상에 SiN막을 형성함으로써 TiSiN막을 성막함에 있어서, 이미 설명한 스텝 1 내지 스텝 8을 10회 반복했다. TiSiN막의 막 두께는 11Å, TiSiN막의 Si 함유량은 19.2원자％이다.
텅스텐막은, 제3 실시 형태에 기재한 도 9의 가스 공급 시퀀스에 따라서, 웨이퍼 온도 440℃의 조건 하에서 형성하고, WCl5와 H2의 공급 비율은 13.17, WCl5 가스의 H2 가스와의 교대 공급 사이클을 100회로 했다.
TiN 중간막은, TiCl4와 NH3의 교대 공급 사이클을, 0회부터 15회까지 바꾸어서 형성하여, 각각에서 텅스텐막을 성막하고, 텅스텐막의 두께(Å)와 균일성(1σ％)을, 평가 시험 1과 마찬가지로 측정했다.
도 12 중, 횡축은 TiN 중간막의 두께(Å), 좌측 종축은 텅스텐막의 두께(Å), 우측 종축은 균일성(1σ％)을 각각 나타내고, 흑색 원의 플롯(●)은 두께의 데이터, 흰색 원의 플롯(○)은 균일성의 데이터를 각각 나타낸다. TiN 중간막의 두께는, 상기 교대 공급 사이클이 5회일 때가 4.4Å, 8회가 7.4Å, 10회가 8.0Å, 15회가 12.0Å이었다.
도 12에 도시하는 바와 같이, TiN 중간막의 두께가 커짐에 따라, 텅스텐막의 두께가 증가하여, TiN 중간막이 7.4Å 이상이면 텅스텐막의 두께는 34.0Å 이상인 것이 확인되었다. 또한, TiN 중간막이 7.4Å 이상으로 되면 균일성이 양호한 것도 확인되었다. 이에 의해, TiSiN막의 Si 함유량이 19.2％로 높은 경우라도, TiSiN막 상에 TiN 중간막을 형성하고, 또한 H2의 공급 비율이 많은 조건에서 형성함으로써, 텅스텐막의 형성을 촉진하는 작용이 있는 것이 확인되었다. 이 평가 결과에 의해, TiN 중간막은 7Å 이상의 두께라면, 텅스텐막의 두께가 30Å 이상으로 되므로, 텅스텐막의 형성을 촉진할 수 있어, 균일성이 양호한 텅스텐막을 성막할 수 있음이 이해된다.
(평가 시험 4)
본 개시의 제3 실시 형태의 평가 시험에 대해서 설명한다. 도 13은, 텅스텐막의 두께와 성막 온도의 관계를 도시하는 특성도이다. 이 평가 시험에서는, 반도체 웨이퍼(W) 상에 TiN 중간막을 형성하고, 그 위에 텅스텐막을 형성하여, 텅스텐막의 두께를 측정했다. TiN 중간막은, 웨이퍼(W) 온도 440℃의 조건 하에서, 도 3의 가스 공급 시퀀스에서의 스텝 9 내지 스텝 12를 50회 반복해서 성막했다.
텅스텐막은, 제3 실시 형태에 기재한 가스 공급 시퀀스에 따라서, WCl5와 H2의 공급 비율이 14.1이며, H2의 공급 비율이 많은 고농도 H2 조건에서 성막하고, WCl5와 H2의 교대 공급 사이클을 88회로 했다. 이 조건에서 웨이퍼(W)의 온도를 바꾸어서 성막 처리를 행하여, 각각의 텅스텐막의 두께를 측정했다. 또한, 비교예로서, WCl5와 H2의 공급 비율이 4.96이며, H2의 공급 비율이 적은 저농도 H2 조건에서 텅스텐막을 성막하여, 마찬가지의 평가를 행했다.
이 결과를 도 13에 도시한다. 도 13 중, 횡축은 온도(℃), 종축은 텅스텐막의 두께(Å)를 나타내고, 흑색 원의 플롯(●)은 고농도 H2 조건 하에서 행한 데이터, 흰색 원의 플롯(○)은 저농도 H2 조건 하에서 행한 데이터를 각각 나타낸다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 저농도 H2 조건 하에서는, 성막 온도가 420℃보다 낮아지면, 텅스텐막을 형성할 수 없어, 성막 온도의 하한값은 420℃인 것, 고농도 H2 조건 하에서는, 성막 온도의 하한값이 390℃인 것이 확인되었다. 이 평가 시험에서는, TiSiN막의 상층에 텅스텐막을 형성하는 것은 아니지만, 염화텅스텐을 수소에 의해 환원해서 텅스텐막을 형성할 때의 H2 농도와 성막 온도의 사이에는 상관성이 있는 것이 확인되었다.
이 평가 시험 3은, 텅스텐막을 성막함에 있어서, WCl5와 H2의 공급 비율에 있어서, H2의 공급 비율을 높게 함으로써, 성막 온도를 낮게 할 수 있는 것을 시사하고 있다. 반도체 소자의 트랜지스터에서는, 금속 배선층으로부터의 금속의 확산을 억제하거나, 반도체 소자를 구성하는 다른 막에의 열적 대미지를 억제하거나 하기 위해서, 성막 처리 시의 처리 온도를 낮게 할 것이 요구되는 경우가 있다. 따라서, 보다 낮은 온도에서 텅스텐막을 성막할 때는, H2의 공급 비율을 높게 하는 것이 유효하다고 할 수 있다.
10: 처리 용기
41: 티타늄 함유 가스 공급원
43: 질소 함유 가스 공급원
61: 염화텅스텐 공급원
62: 수소 공급원
71: TiSiN막
72: TiN 중간막
73: 텅스텐막
100: 제어부

Claims (14)

  1. 기판에 텅스텐막을 형성하는 방법이며,
    상기 기판의 일면측에 형성된 티타늄 규소 질화막의 상층측에, 염화텅스텐을 원료로 하는 상기 텅스텐막의 형성을 촉진하기 위한 중간막을 형성하는 공정과,
    상기 중간막의 상층측에, 상기 염화텅스텐의 가스를 사용해서 상기 텅스텐막을 형성하는 공정을 갖는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중간막은, 티타늄 질화막인, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 티타늄 질화막은, 상기 기판에 티타늄 함유 가스와 질소 함유 가스를 교대로 공급하여, 이들 티타늄 함유 가스와 질소 함유 가스를 반응시켜서 얻어진 것인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐막은 염화텅스텐을 수소로 환원해서 형성되고, 상기 중간막은, 상기 텅스텐막을 형성할 때의 염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율보다도, 수소의 공급 비율이 많은 조건 하에서 형성된 초기 텅스텐막인, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 텅스텐막을 형성할 때의 상기 공급 비율이 6 미만의 값이며, 상기 초기 텅스텐막을 형성할 때의 상기 공급 비율이 6 이상의 값인, 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 텅스텐막 및 상기 초기 텅스텐막은, 상기 기판에 염화텅스텐과 수소를 교대로 공급함으로써 얻어진 것이며, 상기 초기 텅스텐막은, 상기 염화텅스텐과 수소의 교대 공급의 사이클이 10 내지 100의 범위 내에서 형성된 것인, 방법.
  7. 기판에 텅스텐막을 형성하는 방법이며,
    상기 기판의 일면측에 형성된 티타늄 규소 질화막의 상층측에, 염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율이 6 이상의 값으로 되는 조건 하에서 염화텅스텐을 수소로 환원해서 상기 텅스텐막을 형성하는 공정을 갖는, 방법.
  8. 기판에 대하여 텅스텐막을 형성하기 전의 중간막의 형성을 행하는 장치이며,
    상기 기판을 수용하도록 구성되는 처리 용기와,
    상기 처리 용기에, 염화텅스텐을 원료로 하는 상기 텅스텐막의 형성을 촉진하기 위한 중간막을 형성하기 위한 중간막 형성 가스를 공급하기 위한 중간막 형성 가스 공급부와,
    제어부를 갖고,
    상기 제어부는,
    일면측에 티타늄 규소 질화막이 형성된 상기 기판을 수용한 상기 처리 용기에 대하여, 상기 중간막 형성 가스 공급부로부터 상기 중간막 형성 가스를 공급하여, 상기 티타늄 규소 질화막의 상층측에 상기 중간막을 형성하는 스텝을 실행하는 제어를 행하도록 구성되는, 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 중간막은, 티타늄 질화막이며, 상기 중간막 형성 가스 공급부는, 상기 처리 용기에, 티타늄 함유 가스를 공급하는 티타늄 함유 가스 공급부와, 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급부를 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 티타늄 함유 가스 공급부로부터 상기 처리 용기에의 티타늄 함유 가스의 공급과, 상기 질소 함유 가스 공급부로부터 상기 처리 용기에의 질소 함유 가스의 공급을 교대로 실시하는 제어를 행하도록 구성되는, 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 처리 용기에 염화텅스텐의 가스를 공급하는 염화텅스텐 공급부와,
    상기 처리 용기에, 상기 염화텅스텐을 환원해서 상기 텅스텐막을 형성하기 위한 수소를 공급하는 수소 공급부를 갖고,
    상기 중간막 형성 가스 공급부는, 상기 염화텅스텐 공급부 및 상기 수소 공급부에 의해 구성되는 것과,
    상기 제어부는, 상기 중간막을 형성하는 스텝에서, 상기 텅스텐막을 형성할 때의 염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율보다도, 수소의 공급 비율이 많은 조건 하에서 형성된 초기 텅스텐막을, 상기 중간막으로서 형성하도록, 상기 염화텅스텐 공급부 및 상기 수소 공급부를 제어하도록 구성되는 것을 갖는, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 텅스텐막을 형성할 때, 상기 공급 비율이 6 미만의 값으로 되고, 상기 초기 텅스텐막을 형성할 때, 상기 공급 비율이 6 이상의 값으로 되도록, 상기 염화텅스텐 공급부 및 상기 수소 공급부를 제어하도록 구성되는, 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 기판에 염화텅스텐과 수소를 교대로 공급함으로써 상기 텅스텐막 및 상기 초기 텅스텐막을 형성하고, 상기 염화텅스텐과 수소의 교대 공급의 사이클이 10 내지 100의 범위 내에서 상기 초기 텅스텐막을 형성하도록, 상기 염화텅스텐 공급부 및 상기 수소 공급부를 제어하도록 구성되는, 장치.
  14. 기판에 대하여 텅스텐막을 형성하는 장치이며,
    상기 기판을 수용하도록 구성되는 처리 용기와,
    상기 처리 용기에 염화텅스텐의 가스를 공급하는 염화텅스텐 공급부와,
    상기 처리 용기에, 상기 염화텅스텐을 환원해서 상기 텅스텐막을 형성하기 위한 수소를 공급하는 수소 공급부와,
    제어부를 갖고,
    상기 제어부는,
    일면측에 티타늄 규소 질화막이 형성된 상기 기판을 수용한 상기 처리 용기에 대하여, 염화텅스텐에 대한 수소의 공급 비율이 6 이상의 값으로 되는 조건 하에서 염화텅스텐을 수소로 환원하여 상기 텅스텐막을 형성하는 스텝을 실행하도록, 상기 염화텅스텐 공급부 및 상기 수소 공급부를 제어하도록 구성되는, 장치.
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