JP4817210B2

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Publication number: JP4817210B2
Application number: JP2001000183A
Authority: JP
Inventors: 公裕松瀬; 林大槻
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-01-04
Also published as: JP2001254181A

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴｉＮ膜等をＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を利用して成膜する成膜装置および成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）に形成された配線間のホールを埋め込むために、あるいはバリア層として、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＴｉＳｉ（チタンシリサイド）等の金属化合物を堆積させて薄膜を形成している。
【０００３】
従来、これら金属化合物薄膜は物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近のようにデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなっており、埋め込み性の悪いＰＶＤでは十分な特性を得ることが困難となっている。そこで、ＴｉＮ膜をより良質の膜を形成することが期待できる化学的蒸着（ＣＶＤ）で成膜することが行われている。
【０００４】
しかしながら、ＣＶＤによっても、膜質、ステップカバレージ、膜の密着性が必ずしも十分とはいえなくなっている。また、１０ｎｍ以下の超薄膜を形成する際の膜厚制御が非常に困難である。
【０００５】
一方、良好な膜質の金属化合物薄膜を密着性およびステップカバレージ良く形成する技術として、近時、ＡＬＤ法が注目されている（特開昭５５−１３０８９６号公報等）。したがって、上記金属化合物の堆積においてもＡＬＤ法を利用することが考えられる。具体的には、例えばＴｉＮ膜を成膜する際には、チャンバー内に１枚のウエハを配置し、まずチャンバー内にＴｉＣｌ_４ガスを供給してＴｉの単原子層を吸着させ、次いでＮＨ_３ガスを供給してその上にＮの単原子層を堆積させてこれらを反応させる。この操作を所定回数繰り返すことにより、所定厚さのＴｉＮ膜を得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＡＬＤ法を利用して金属化合物薄膜を形成する際には、供給するガスの切り替えを高速で行わなければならず、そのために高速スイッチングバルブを用いるが、このような高速スイッチングバルブは寿命が短いという問題点がある。また、このように単原子層を積層する際には、一方のガスを供給してから他方のガスを供給する間にパージガスを供給して前のガスをパージする必要があるため、成膜に時間がかかり生産性が悪いという問題点もある。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、高速スイッチングバルブを用いずにかつ高い生産性で、ＡＬＤ法を利用することができる成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内で複数の基板を平面的に支持する基板支持部材と、
前記チャンバー内に設けられ、前記基板支持部材の上方に対向させた状態で第１の処理ガスを吐出する複数の吐出口を有する第１の処理ガス吐出部と、
前記チャンバー内の前記第１の処理ガス吐出部とは異なる位置に設けられ、前記基板支持部材の上方に対向させた状態で第２の処理ガスを吐出する複数の吐出口を有する第２の処理ガス吐出部と、
前記第１の処理ガス吐出部と前記第２の処理ガス吐出部との間に前記基板支持部材の上方に対向させた状態で配置された、パージガスを吐出するパージガス吐出部と、
前記基板支持部材を回転させる回転機構と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記チャンバーの底部に設けられた排気口と
を具備し、
前記第１の処理ガス吐出部と前記第２の処理ガス吐出部とは、前記回転機構の回転軸を中心として、円周状に交互に配置されており、
前記パージガス吐出部は、その内部に多数の吐出口を有し、かつ前記多数の吐出口よりも下方に延び、前記パージガスの流れが拡散することを防止するスカート部を有し、吐出された前記パージガスが前記スカート部によってエアカーテンとなり、このエアカーテンにより前記第１の処理ガスの雰囲気と前記第２の処理ガスの雰囲気とが分離され、
前記回転機構は、前記基板支持部材に支持された基板が前記第１の処理ガス吐出部および前記第２の処理ガス吐出部の直下を通過するように前記基板支持部材を回転させ、
前記回転機構により前記基板支持部材を回転させることにより、基板の上方の前記第１の処理ガス吐出部および前記第２の処理ガス吐出部から底部の前記排気口に向けた、パージガスで分離された状態の前記第１の処理ガスの流れおよび前記第２の処理ガスの流れの中に前記加熱手段により加熱された状態の基板を通過させ、基板上に、前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスを、互いに混合することなく交互に吸着させて、前記第１の処理ガスによる単原子層および前記第２の処理ガスによる単原子層とを交互に形成し、これらを熱的に反応させて化合物の膜を形成することを特徴とする成膜装置を提供する。
【０００９】
また、本発明は、基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内で複数の基板を平面的に支持する基板支持部材と、
前記チャンバー内に設けられ、前記基板支持部材の上方に対向させた状態で第１の処理ガスを吐出する複数の吐出口を有する第１の処理ガス吐出部と、
前記チャンバー内の前記第１の処理ガス吐出部とは異なる位置に設けられ、前記基板支持部材の上方に対向させた状態で第２の処理ガスを吐出する複数の吐出口を有する第２の処理ガス吐出部と、
前記第１の処理ガス吐出部と前記第２の処理ガス吐出部との間に前記基板支持部材の上方に対向させた状態で配置された、パージガスを吐出するパージガス吐出部と、
前記基板支持部材を回転させる回転機構と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記チャンバーの底部に設けられた排気口と
を具備し、
前記第１の処理ガス吐出部と前記第２の処理ガス吐出部とは、前記回転機構の回転軸を中心として、円周状に交互に配置されており、
前記パージガス吐出部は、その内部に多数の吐出口を有し、かつ前記多数の吐出口よりも下方に延び、前記パージガスの流れが拡散することを防止するスカート部を有し、
前記回転機構は、前記基板支持部材に支持された基板が前記第１の処理ガス吐出部および前記第２の処理ガス吐出部の直下を通過するように前記基板支持部材を回転させる成膜装置を用いて基板上に化合物膜を成膜する成膜方法であって、
前記パージガス吐出部から吐出された前記パージガスを前記スカート部によってエアカーテンとし、このエアカーテンにより前記第１の処理ガスの雰囲気と前記第２の処理ガスの雰囲気とを分離し、基板の上方の前記第１の処理ガス吐出部および前記第２の処理ガス吐出部から底部の前記排気口に向けた、パージガスで分離された状態の前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの流れを形成し、
前記回転機構により前記基板支持部材を回転させることにより、前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの流れの中に前記加熱手段により加熱された状態の基板を通過させ、
前記加熱された基板上に、前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスを、互いに混合することなく交互に吸着させて、前記第１の処理ガスによる単原子層および前記第２の処理ガスによる単原子層とを交互に形成し、これらを熱的に反応させて化合物の膜を形成することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１１】
本発明によれば、ＡＬＤ法を利用して成膜を行うにあたり、互いに異なる位置に設けられた第１の処理ガス吐出部および第２の処理ガス吐出部からそれぞれ第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを吐出し、その間にエアカーテン状のパージガスを吐出して第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを分離し、パージガスで分離された状態の第１の処理ガスの流れおよび第２の処理ガスの流れの中に、回転機構により基板支持部材を回転させることによって加熱手段により加熱された状態の基板を通過させるので、高速スイッチングバルブを用いることなく、第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを確実に分離した状態で基板上に第１の処理ガスと第２の処理ガスとを交互に供給して吸着させ、第１の処理ガスによる単原子層と、第２の処理ガスによる単原子層とを交互に形成することができる。また、第１の処理ガス吐出部と第２の処理ガス吐出部とが、回転機構の回転軸を中心として、円周状に交互に配置され、かつ基板支持部材に複数の基板を支持した状態で処理を行うので、一度に複数枚数の基板の成膜処理を行うことができ、生産性を高めることができる。
【００１２】
前記成膜装置において、前記第１の処理ガス吐出部および前記第２の処理ガス吐出部は、処理ガスがシャワー状に吐出されるように多数の吐出口を有していることが好ましい。
【００１３】
前記パージガス吐出部は、前記パージガスを吐出する吐出口と、その下方に位置する前記基板保持部材に保持された基板との間の距離が０．１〜５０ｍｍとなるように配置されていることが好ましい。また、前記パージガス吐出部は、その下端と前記基板保持部材上面との間の距離が１．１〜５０ｍｍとなるように配置されていることが好ましい。さらに、前記パージガス吐出部の吐出口の高さ位置が、前記第１の処理ガス吐出部における吐出口の高さ位置および前記第２の処理ガス吐出部における吐出口の高さ位置よりも高いことが好ましい。このようにパージガス吐出部を設けることにより、第１の処理ガスと第２の処理ガスとの分離性をより高めることができる。
【００１４】
前記回転機構の回転速度は、前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの吸着速度に応じて可変であることが好ましい。
【００１５】
前記基板を自転させる基板回転機構をさらに有することが好ましい。このように基板を自転させることにより、成膜の均一性をより高めることができる。
【００１６】
前記加熱手段は、前記基板支持部材の下方に前記基板支持部材から離隔したヒーター支持部材に支持されたヒーターを有することが好ましい。さらに、前記ヒーターは、前記基板支持部材の回転にともなう基板の移動軌跡に沿って円環状に形成されていることが好ましい。
【００１７】
前記成膜方法において、さらに基板を自転させることが好ましい。また、第１および第２の処理ガスの吸着速度合わせて前記基板支持部材を回転させることが好ましい。
【００１８】
前記第１の処理ガスは、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｓｉ、ＷおよびＲｕのうちいずれか１種を含むものを用いることができ、前記第２の処理ガスはＮまたはＯを含むものを用いることができる。
【００１９】
前記成膜装置および前記成膜方法は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＦ、ＷＮ、ＷＳｉおよびＲｕＯ_２のうちいずれか１種の成膜に適用することができる。また、前記第１の処理ガス吐出部および前記第２の処理ガス吐出部は、クリーニングガスを吐出してチャンバー内をクリーニングするようにすることができる。この場合に、前記クリーニングガスとしてＣｌＦ_３を用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す断面図、図２はその内部の平面図である。ここではＡＬＤ法を利用したＣＶＤ成膜装置によりＴｉＮ膜を成膜する場合について説明する。
【００２１】
このＣＶＤ成膜装置１０は、真空引き可能に構成された略円筒状のチャンバー１１を有しており、その中には被処理体であるウエハＷを水平に４枚支持可能なウエハ支持部材１２が設けられている。ウエハ支持部材１２は、図２に示すように、４つのウエハ支持部１２ａを有しており、これらにウエハＷが支持されるようになっている。また、ウエハ支持部材１２の中心には下方に延びる回転軸１３が設けられており、この回転軸１３はモーター１４の軸に取り付けられている。そして、このモーター１４を回転させることにより、回転軸１３を介してウエハ支持部材１２が図２の矢印方向に沿って回転されるようになっている。したがって、ウエハ支持部１２ａに支持されたウエハＷは、ウエハ支持部材１２の回転によって回転軸１３の回りを公転するようになっている。
【００２２】
ウエハ支持部材１２の下方には、ヒーター支持部材１５が設けられており、このヒーター支持部材１５には、ウエハＷの移動軌跡に沿って内側および外側２つの円環状のヒーター１６が支持されている。
【００２３】
チャンバー１１の天壁１１ａには、第１の処理ガス吐出ノズル（第１の処理ガス吐出部）２０および第２の処理ガス吐出ノズル（第２の処理ガス吐出部）２１が、そのガス吐出口２０ａ，２０ｂをウエハ支持部材１２の上面に対向させた状態で設けられている。これら第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１は、図２に示すように２つずつ、中心側から外周側に向けて放射状に設けられており、これらは交互にウエハＷの移動軌跡に沿って円周状に配置されている。これら第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１は、チャンバー１１の径方向に長く、チャンバー１１の周方向に短い扁平状をなしており、径方向の長さが支持部材１２に支持されたウエハＷの直径よりも長くなるように設けられている。また、隣接する第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１は回転軸１３を中心として９０°の角度で配置されている。また、チャンバー１１の天壁１１ａには、４つのパージガス吐出ノズル（パージガス吐出部）２２が隣接する第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１の間に位置するように設けられている。これら４つのパージガス吐出ノズル２２はそれぞれ独立した状態で中心側から外周側に向けて放射状に設けられており、チャンバー１１の径方向に長く、チャンバー１１の周方向に短い扁平状をなしている。また、パージガス吐出ノズル２２は、径方向の長さが支持部材１２に支持されたウエハＷの直径よりも長くなるように設けられている。
【００２４】
図３（ａ）は第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１の断面図である。図３（ａ）に示すように、第１および第２の処理ガス吐出ノズル２０，２１は、それぞれ多数のガス吐出口２０ａ，２１ａを有しており、この多数の吐出口２０ａ，２１ａからチャンバー１１内にシャワー状に処理ガスを吐出するように構成されている。また、図３（ｂ）はパージガス吐出ノズル２２の断面図である。図３（ｂ）に示すように、パージガス吐出ノズル２２の内部には多数の吐出口２２ａが設けられている。この多数の吐出口２２ａからは、ウエハ支持部材１２に向けて直接ガスが吐出される。また、このパージガス吐出ノズル２２は、多数の吐出口２２ａの下方に延びるように設けられたスカート部２２ｂを有しており、吐出口２２ａからチャンバー１１内にシャワー状にパージガスを吐出するとともに、スカート部２２ｂによりシャワー状に吐出されたパージガスの流れが拡散することを防止しており、これによりパージガスのダウンフローがエアカーテンをなすように構成されている。そして、上述したように、パージガス吐出ノズル２２は放射状に設けられ、その径方向の長さがウエハ支持部材１２上のウエハＷの長さよりも長いので、多数の吐出口２２ａも放射状にかつ支持部材１２上のウエハＷの長さよりも長い長さで分布し、吐出口２２ａから吐出されたパージガスのエアカーテンをウエハ支持部材１２が通過する際に、その上のウエハＷの全面がもれなくパージガスのエアカーテンを通過するようになる。すなわち、支持部材１２上のウエハＷを基準にすると、そのウエハＷ上をパージガスのエアカーテンが漏れなく走査可能となっている。このようなパージガスのエアカーテンにより、２つの処理ガスの分離性を高めることができる。
【００２５】
また、パージガス吐出ノズル２２のガス吐出口２２ａは、第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１のガス吐出口２０ａ，２１ａよりも上方に設けられており、これにより第１の処理ガス雰囲気と第２の処理ガス雰囲気とをパージガスのエアカーテンにより分離可能になっている。これらノズル２０，２１，２２からは、後述するガス供給機構３０から所定のガスが供給されるようになっている。
【００２６】
ガス供給機構３０は、クリーニングガスであるＣｌＦ_３を供給するＣｌＦ_３供給源３１、Ａｒを供給するＡｒ供給源３２、ＴｉＣｌ_４を供給するＴｉＣｌ_４供給源３３、ＮＨ_３を供給するＮＨ_３供給源３４を有している。そして、ＣｌＦ_３供給源３１にはＣｌＦ_３ガスライン３５が、Ａｒ供給源３２にはＡｒガスライン３６が、ＴｉＣｌ_４供給源３３にはＴｉＣｌ_４ガスライン３７が、ＮＨ_３供給源３４にはＮＨ_３ガスライン３８がそれぞれ接続されている。そして、各ラインにはバルブ４０およびマスフローコントローラ４１が設けられている。
【００２７】
ＴｉＣｌ_４供給源３３から延びるＴｉＣｌ_４ガスライン３７は、第１の処理ガス吐出ノズル２０から延びるガス配管４２に接続されている。また、ＴｉＣｌ_４ガスライン３７にはＡｒガスライン３６から延びる配管４５が接続されており、ＡｒガスにキャリアされたＴｉＣｌ_４ガスが配管４２を通って第１の処理ガス吐出ノズル２０から吐出される。また、ＮＨ_３供給源３４から延びるＮＨ_３ガスライン３８は、第２の処理ガス吐出ノズル２１から延びるガス配管４３に接続されており、ＮＨ_３ガスがＮＨ_３ガスライン３８およびガス配管４３を通って第２の処理ガス吐出ノズル２１から吐出される。さらに、Ａｒ供給源３２から延びるＡｒガスライン３６は、パージガス吐出ノズル２２から延びる配管４４に接続されており、ＡｒガスがＡｒガスライン３６および配管４４を通ってパージガス吐出ノズル２２から吐出される。さらにまた、ＣｌＦ_３供給源３１から延びるＣｌＦ_３ガスライン３５には、配管４６，４７，４８が接続されており、これら配管４６，４７，４８から配管４２，４３，４４を介して第１の処理ガス吐出ノズル２０、第２の処理ガス吐出ノズル２１、およびパージガス吐出ノズル２２からクリーニングガスであるＣｌＦ_３ガスを吐出可能となっている。なお、配管４５，４６，４７，４８には、それぞれバルブ４５ａ，４６ａ，４７ａ，４８ａが設けられている。
【００２８】
チャンバー１１の底壁１１ｂには、その中央部に排気口２５が設けられており、この排気口２５には排気管２６が接続されている。この排気管２６には排気装置２８が接続されており、排気装置２８を作動させることによりチャンバー１１内を所定の真空度まで減圧することができる。
【００２９】
なお、排気管２６は排気口２５から垂直方向下方に延び途中で水平方向に屈曲しており、前記回転軸１３は排気管２６の垂直部の中を通って、排気管２６の水平部の管壁を貫通して下方へ延びており、その管壁と回転軸１３との間には、流体シール２７が設けられている。
【００３０】
このように構成されたＣＶＤ成膜装置においては、まず、チャンバー１１内に半導体ウエハＷを装入し、ウエハ支持部材１２のウエハ支持部１２ａにウエハＷを載置する。次いで、ヒーター１６よりウエハＷを加熱しながらウエハ支持部材１２を回転させ、排気装置２８によりチャンバー１１内を排気してチャンバー１１内を所定の真空状態にする。引き続き、第１の処理ガス吐出ノズル２０からＡｒにキャリアさせたＴｉＣｌ_４ガスを、第２の処理ガス吐出ノズル２１からＮＨ_３ガスを、パージガス吐出ノズル２２からパージガスとしてのＡｒガスをそれぞれ吐出させる。
【００３１】
ウエハ支持部材１２のウエハ支持部１２ａのウエハＷのうち、最初に第１の処理ガス吐出ノズル２０から吐出されたＴｉＣｌ_４ガスが供給される２枚については、供給されたＴｉＣｌ_４ガスによりＴｉの単原子層が吸着した後、ウエハ支持部材１２の回転により、パージガス吐出ノズル２２から吐出されたＡｒガスのエアカーテンを通過して、第２の処理ガス吐出ノズル２１から吐出されたＮＨ_３ガスによりＴｉの単原子層の上にＮの単原子層が堆積され、これらが反応してＴｉＮが形成される。さらに、パージガス吐出ノズル２２から吐出されたＡｒガスのエアカーテンを通過した後、同様にしてＴｉの単原子層およびＮの単原子層が供給され、これが所定回数繰り返されて所定厚さのＴｉＮ膜が形成される。また、最初に第２の処理ガス吐出ノズル２１から吐出されたＮＨ_３ガスが供給される他の２枚については、供給されたＮＨ_３ガスによりＮの単原子層が吸着した後、ウエハ支持部材１２の回転により、パージガス吐出ノズル２２から吐出されたＡｒガスのエアカーテンを通過して、第１の処理ガス吐出ノズル２０から吐出されたＴｉＣｌ_４ガスによりＮの単原子層の上にＴｉの単原子層が堆積され、これらが反応してＴｉＮが形成される。さらに、パージガス吐出ノズル２２から吐出されたＡｒガスのエアカーテンを通過した後、同様にしてＮの単原子層およびＴｉの単原子層が供給され、これが所定回数繰り返されて所定厚さのＴｉＮ膜が形成される。この場合に、ウエハ支持部材１２の回転速度は、処理ガスであるＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスの吸着速度に応じて決定される。
【００３２】
また、この場合における第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１の形状およびウエハＷとの間隔、さらにはガス流量は、ウエハＷに均等に単原子層が吸着するような流れを形成することができるように設定される。また、パージガス吐出ノズル２２とウエハＷとの間隔、さらにはガス流量は、パージガスがＴｉＣｌ_４ガス雰囲気およびＮＨ_３ガス雰囲気を十分に分離可能なエアカーテンとして機能する流れを形成することができるように設定される。また、ヒーター１６の加熱温度はＴｉとＮとの反応に適した適宜の温度に設定される。以下、これらの設定値について具体的に述べる。
【００３３】
図３（ａ）に示した構造を有する第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１は、吐出口２０ａ，２１ａとその下方に位置する基板支持部材１２に保持されたウエハＷ表面との間の距離ｈ_１が０．１〜１０ｍｍとなるように配置することができる。また、図３（ｂ）に示した構造を有するパージガス吐出ノズル２２は、吐出口２２ａとその下方に位置する基板支持部材１２に保持されたウエハＷ表面との間の距離ｈ_２が０．１〜５０ｍｍとなるように配置することができ、その下端と基板支持部材１２上面との間の距離ｈ_３が１．１〜５０ｍｍとなるように配置することができる。好ましくは、ｈ_１が０．１〜５ｍｍ、ｈ_２が０．２〜１０ｍｍ、ｈ_３が１．２〜１１ｍｍとなるようにノズル２０，２１，２２を配置する。
【００３４】
また、ＴｉＮ成膜時におけるそれぞれのガス流量、チャンバー内圧力および加熱温度は、以下のように設定することができる。
ＴｉＣｌ_４ガス流量：１〜５０ｓｃｃｍ（０．００１〜０．０５Ｌ／ｍｉｎ）、好ましくは５〜２０ｓｃｃｍ（０．００５〜０．０２Ｌ／ｍｉｎ）
Ａｒガス（キャリアガス）流量：１０〜１００ｓｃｃｍ（０．０１〜０．１Ｌ／ｍｉｎ）、ＴｉＣｌ_４ガスが低流量の場合にはキャリアガスは用いなくてもよい
ＮＨ_３ガス流量：５０〜１０００ｓｃｃｍ（０．０５〜１Ｌ／ｍｉｎ）、好ましくは５０〜５００ｓｃｃｍ（０．０５〜０．５Ｌ／ｍｉｎ）
パージガス流量：１００〜１０００ｓｃｃｍ（０．１〜１Ｌ／ｍｉｎ）
チャンバー内圧力：１００ｍＴｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ〜６６５Ｐａ）、好ましくは１００ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ〜１３３Ｐａ）
加熱温度：３００〜７００℃、好ましくは４００〜６００℃
【００３５】
以上のようにして、交互に配置された第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１からそれぞれＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスを供給しつつ、ウエハ支持部材１２を回転させて、ウエハＷにＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスを交互に供給するので、高速スイッチングバルブを用いることなく、ＡＬＤ法によりＴｉの単原子層およびＮの単原子層を交互に形成して所望のＴｉＮ膜を形成することができる。また、このようにウエハ支持部材１２に複数枚のウエハＷを載置し、一回の処理で複数枚の成膜処理を行うから、生産性が高い。また、パージガス吐出ノズル２２からパージガスとしてのＡｒガスを吐出してエアカーテンを形成することにより、ＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスが混合することを極力防止することができ、また、パージガスであるＡｒガスを吐出することにより、ウエハＷの単原子層の形成が終了した部分の処理ガスを速やかに除去して余分な反応を防止することができるので、より良質の膜を形成することができる。
【００３６】
このようなＴｉＮ膜の形成を繰り返し行い、所定枚数のウエハＷの成膜処理が終了した時点で、ＣｌＦ_３源３１からガスライン３５、配管４６，４７，４８および配管４２，４３，４４を介してノズル２０，２１，２２からＣｌＦ_３ガスを吐出させてチャンバー１１内をクリーニングする。
【００３７】
このクリーニング時におけるＣｌＦ_３ガス流量、チャンバー内圧力、クリーニング温度は、例えば以下に示すように設定することができる。
ＣｌＦ_３ガス流量：１００〜５００ｓｃｃｍ（０．１〜０．５Ｌ／ｍｉｎ）、好ましくは２００〜３００ｓｃｃｍ（０．２〜０．３Ｌ／ｍｉｎ）
チャンバー内圧力：１〜１０Ｔｏｒｒ（１３３〜１３３０Ｐａ）、好ましくは１〜５Ｔｏｒｒ（１３３〜６６５Ｐａ）
クリーニング温度：２００〜５００℃、好ましくは２００〜３００℃
【００３８】
次に、他の実施形態に係るＣＶＤ成膜装置について説明する。図４は他の実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を部分的に示す断面図である。ここでは、ウエハ支持部材１２の代わりにウエハ支持部材１２’を用いてウエハＷを自転させる構成となっている。すなわち、ウエハ支持部材１２’は、ベース部材５１の上に、４つ（図４では２つのみ図示）のウエハテーブル５２が回転可能に設けられ、これらウエハテーブル５２をモーター５３により回転させることにより、ウエハテーブル５２上のウエハＷを自転させる。これにより、処理ガスとしてのＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスをより一層均一にウエハＷに供給することができ、より均一な単原子層を形成することができる。この場合に、図１のようにヒーター１６がウエハ支持部材の下にあると、加熱効率が悪くなるため、図４のようにウエハＷの上方にヒーター１６’を設けることが好ましい。１５’はヒーター１６’を支持するヒーター支持部材である。このようにヒーターを設けた場合には、処理ガスがウエハＷに有効に供給されるようにヒーター１６’およびヒーター支持部材１５’にガス通過可能な多数の孔を設けることが好ましい。
【００３９】
さらに、図５の実施形態では、処理ガスとしてのＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスをそれぞれシャワーヘッド６０およびシャワーヘッド６１から供給するようにしている。シャワーヘッド６０は、図６に示すように、ディスク状をなす中空の本体６０ａの下面に多数のガス吐出孔６０ｂが形成されており、このガス吐出孔６０ｂから均一にガスを吐出する。シャワーヘッド６１も同様に構成されている。このようにノズルの代わりにシャワーヘッドを用いることによってもウエハＷに均一にＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスを供給することができる。
【００４０】
さらにまた、図７の実施形態では、第１の処理ガス吐出ノズル２０および第２の処理ガス吐出ノズル２１の直下に排気口７０を設けている（第１の処理ガス吐出ノズル２０に対応する排気口のみ図示）。このようにすることにより、不要なＴｉＣｌ_４ガスおよびＮＨ_３ガスを排気口７０に接続された排気管７１を介して速やかに排出することができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、ＴｉＮ膜を成膜する例について示したが、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴａＮ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、ＲｕＯ_２等、他の金属化合物も同様にして成膜することができる。また、上記実施形態では、第１の処理ガスとしてＴｉＣｌ_４を用い、第２の処理ガスとしてＮＨ_３ガスを用いたが、第１の処理ガスと第２の処理ガスとは成膜する金属化合物膜に応じた適宜のガスを用いることができる。このような場合における第１の処理ガスとしては、ＴｉＣｌ_４の他に、ＴａＢｒ_５、Ｔａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＷＦ_６等のＡｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｓｉ、ＷおよびＲｕのうち１種を含むものを挙げることができ、第２の処理ガスとしては、ＮＨ_３の他に、ＮＨ_３（Ｎ_２）、Ｏ_２、Ｏ_３、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２Ｏ_３、Ｎ_２Ｏ_５等のＮまたはＯを含むものを挙げることができる。
【００４２】
また、ヒーターの位置を図１の例ではウエハの下方に、図４の例ではウエハの上方に設けたが、これら両方に設けてもよいし、均一に加熱することができれば他の位置に設けてもよい。さらに、パージガスとしてＡｒガスを用いたが、Ｎ_２ガス等他のガスであってもよい。また、２つの処理ガスを有効に遮断することができれば、パージガスを用いなくてもよい。さらにまた、用いる基板としては、半導体ウエハに限らず他のものであってもよく、また、表面上に他の層を形成した基板であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＬＤ法を利用した成膜を行うにあたり、互いに異なる位置に設けられた第１の処理ガス吐出部および第２の処理ガスを吐出する第２の処理ガス吐出部からそれぞれ第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを吐出し、基板支持部材を回転させるので、高速スイッチングバルブを用いることなく、基板上に第１の処理ガスと第２の処理ガスとを交互に供給して吸着させ、第１の処理ガスによる単原子層と、第２の処理ガスによる単原子層とを交互に形成することができる。また、基板支持部材に複数の基板を支持した状態で処理を行うので、一度に複数枚数の基板の成膜処理を行うことができ、生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を示す断面図。
【図２】図１のＣＶＤ成膜装置の内部を示す平面図。
【図３】図１のＣＶＤ成膜装置における第１の処理ガス吐出ノズルおよびパージガス吐出ノズルの断面図。
【図４】本発明の他の実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を部分的に示す断面図。
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を部分的に示す断面図。
【図６】図４の装置に用いたシャワーヘッドを示す斜視図。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を部分的に示す断面図。
【符号の説明】
１１；チャンバー
１２，１２’；ウエハ支持部材
１２ａ；ウエハ支持部
１３；回転軸
１４；モーター
１６，１６’；ヒーター
２０，２１；処理ガス吐出ノズル
２２；パージガス吐出ノズル
３０；ガス供給機構
２５，７０；排気口
２６，７１；排気管
２８；排気装置
５２；ウエハテーブル
５３；モーター
６０，６１；シャワーヘッド
Ｗ；半導体ウエハ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method for forming a TiN film or the like using an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor manufacturing process, WSi (tungsten silicide), TiN (titanium nitride) are used as a barrier layer for embedding holes between wirings formed in a semiconductor wafer (hereinafter simply referred to as a wafer) as an object to be processed. ), A metal compound such as TiSi (titanium silicide) is deposited to form a thin film.
[0003]
Conventionally, these metal compound thin films have been formed using physical vapor deposition (PVD), but recently, miniaturization and high integration of devices are particularly required, and design rules have become particularly strict, It is difficult to obtain sufficient characteristics with PVD having poor properties. Therefore, a TiN film is formed by chemical vapor deposition (CVD) that can be expected to form a higher quality film.
[0004]
However, even with CVD, film quality, step coverage, and film adhesion are not necessarily sufficient. Further, it is very difficult to control the film thickness when forming an ultrathin film of 10 nm or less.
[0005]
On the other hand, the ALD method has recently attracted attention as a technique for forming a metal compound thin film with good film quality with good adhesion and step coverage (Japanese Patent Laid-Open No. 55-130896, etc.). Therefore, it is conceivable to use the ALD method also in the deposition of the metal compound. Specifically, for example, when forming a TiN film, a single wafer is placed in the chamber, and TiCl is first placed in the chamber.₄A gas is supplied to adsorb the Ti monolayer and then NH₃A gas is supplied to deposit a monolayer of N thereon and react them. By repeating this operation a predetermined number of times, a TiN film having a predetermined thickness is obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when forming a metal compound thin film using the ALD method, the supplied gas must be switched at a high speed. For this reason, a high-speed switching valve is used. There is a problem that it is short. In addition, when laminating monoatomic layers in this way, it is necessary to purge the previous gas by supplying a purge gas while supplying one gas and then supplying the other gas. There is also the problem that it takes time and productivity is poor.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a film forming apparatus and a film forming method that can use the ALD method without using a high-speed switching valve and with high productivity. To do.
[0008]
  In order to solve the above problems, the present invention includes a chamber for accommodating a substrate,
  A substrate support member for planarly supporting a plurality of substrates in the chamber;
  The substrate support member provided in the chamberAboveA first processing gas discharge section having a plurality of discharge ports for discharging the first processing gas in a state of being opposed to each other;
  Provided in a position different from the first processing gas discharge section in the chamber,substrateSupport memberAboveA second processing gas discharge section having a plurality of discharge ports for discharging the second processing gas in a state of being opposed to each other;
A purge gas discharge section for discharging a purge gas, disposed in a state of being opposed to the upper side of the substrate support member between the first process gas discharge section and the second process gas discharge section;
  A rotation mechanism for rotating the substrate support member;
  Heating means for heating the substrate;
  An exhaust port provided at the bottom of the chamber;
Comprising
The first process gas discharge part and the second process gas discharge part are alternately arranged in a circle around the rotation axis of the rotation mechanism,
The purge gas discharge portion has a plurality of discharge ports therein, and extends downward from the plurality of discharge ports, and has a skirt portion that prevents the purge gas flow from being diffused. The purge gas becomes an air curtain by the skirt portion, and the atmosphere of the first processing gas and the atmosphere of the second processing gas are separated by the air curtain,
The rotation mechanism rotates the substrate support member so that the substrate supported by the substrate support member passes immediately below the first process gas discharge unit and the second process gas discharge unit,
By rotating the substrate support member by the rotation mechanism, the substrate support member was separated by a purge gas from the first process gas discharge unit and the second process gas discharge unit above the substrate toward the exhaust port at the bottom. Passing the substrate heated by the heating means through the first process gas flow and the second process gas flow in a state;On the substrate, the first processing gas and the second processing gas,Without mixing with each otherAlternately adsorbing to form a monoatomic layer of the first process gas and a monoatomic layer of the second process gas, and reacting them thermally to form a compound film. A characteristic film forming apparatus is provided.
[0009]
  The present invention also provides:A chamber for housing the substrate;
A substrate support member for planarly supporting a plurality of substrates in the chamber;
A first processing gas discharge unit provided in the chamber and having a plurality of discharge ports for discharging the first processing gas in a state of being opposed to the upper side of the substrate support member;
A second process is provided in the chamber at a position different from the first process gas discharge part, and has a plurality of discharge ports for discharging a second process gas in a state of being opposed to the upper side of the substrate support member. A gas discharge part;
A purge gas discharge section for discharging a purge gas, disposed in a state of being opposed to the upper side of the substrate support member between the first process gas discharge section and the second process gas discharge section;
A rotation mechanism for rotating the substrate support member;
Heating means for heating the substrate;
An exhaust port provided at the bottom of the chamber;
Comprising
The first process gas discharge part and the second process gas discharge part are alternately arranged in a circle around the rotation axis of the rotation mechanism,
The purge gas discharge portion has a plurality of discharge ports therein, and has a skirt portion that extends downward from the plurality of discharge ports and prevents the purge gas flow from diffusing,
The rotation mechanism is a film forming apparatus that rotates the substrate support member so that the substrate supported by the substrate support member passes immediately below the first process gas discharge unit and the second process gas discharge unit. A film forming method for forming a compound film on a substrate using a method,
The purge gas discharged from the purge gas discharge part is used as an air curtain by the skirt part, and the atmosphere of the first process gas and the atmosphere of the second process gas are separated by the air curtain, and the atmosphere above the substrate is A flow of the first process gas and the second process gas separated from each other by a purge gas is formed from the first process gas discharge unit and the second process gas discharge unit toward the exhaust port at the bottom. And
By rotating the substrate support member by the rotation mechanism, the substrate heated by the heating means is passed through the flow of the first processing gas and the second processing gas,
The first processing gas and the second processing gas are alternately adsorbed on the heated substrate without being mixed with each other, so that the monoatomic layer and the second processing by the first processing gas are used. A method of forming a film comprising alternately forming monoatomic layers of gas and thermally reacting them to form a compound filmI will provide a.
[0011]
  According to the present invention, when the film formation is performed using the ALD method, the first process gas discharge section and the first process gas discharge section provided at different positions are provided.SecondThe first processing gas and the second processing gas are discharged from the two processing gas discharge portions,In the meantime, an air curtain-like purge gas is discharged to separate the first processing gas and the second processing gas, and in the flow of the first processing gas and the second processing gas separated by the purge gas. In addition, the substrate heated by the heating means is passed by rotating the substrate support member by the rotation mechanism.So without using a high speed switching valveIn a state where the first processing gas and the second processing gas are reliably separatedA first processing gas and a second processing gas are alternately supplied and adsorbed on the substrate to alternately form a monoatomic layer of the first processing gas and a monoatomic layer of the second processing gas. be able to. Also,The first process gas discharge part and the second process gas discharge part are alternately arranged in a circle around the rotation axis of the rotation mechanism, andSince the processing is performed in a state where a plurality of substrates are supported on the substrate support member, a plurality of substrates can be formed at a time, and productivity can be improved.
[0012]
  In the film forming apparatus, it is preferable that the first process gas discharge unit and the second process gas discharge unit have a large number of discharge ports so that the process gas is discharged in a shower shape.Yes.
[0013]
in frontThe purge gas discharge section is arranged so that a distance between the discharge port for discharging the purge gas and the substrate held by the substrate holding member located below is 0.1 to 50 mm. preferable. Moreover, it is preferable that the said purge gas discharge part is arrange | positioned so that the distance between the lower end and the said board | substrate holding member upper surface may be 1.1-50 mm. Further, the height position of the discharge port of the purge gas discharge portion is higher than the height position of the discharge port in the first processing gas discharge portion and the height position of the discharge port in the second processing gas discharge portion. Is preferred. By providing the purge gas discharge portion in this way, the separation between the first processing gas and the second processing gas is improved.ThanCan be increased.
[0014]
in frontThe rotation speed of the rotation mechanism is preferably variable according to the adsorption speed of the first process gas and the second process gas.
[0015]
It is preferable to further have a substrate rotation mechanism for rotating the substrate. By rotating the substrate in this manner, the uniformity of film formation can be further improved.
[0016]
  It is preferable that the heating unit includes a heater supported by a heater support member that is separated from the substrate support member below the substrate support member.further,The heater isSaidsubstrateAlong the movement trajectory of the substrate as the support member rotatesCircleRingFormed inIt is preferable.
[0017]
  In the film forming method, it is preferable to further rotate the substrate. Also, according to the adsorption speed of the first and second processing gasesThe substrate support memberIs preferably rotated.
[0018]
The first processing gas may include any one of Al, Zr, Ti, Ta, Si, W, and Ru, and the second processing gas may include N or O. Can be used.
[0019]
  The film forming apparatus and the film forming method are made of Al.₂O₃, ZrO₂TiN, TaN, SiO₂, SiN, SiON, SiOF, WN, WSi and RuO₂It can apply to any 1 type of film-forming.Further, the first process gas discharge unit and the second process gas discharge unit can discharge the cleaning gas to clean the inside of the chamber. In this case, ClF is used as the cleaning gas.₃Can be used.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the inside thereof. Here, a case where a TiN film is formed by a CVD film forming apparatus using the ALD method will be described.
[0021]
The CVDfilm forming apparatus 10 includes a substantiallycylindrical chamber 11 configured to be evacuated, and awafer support member 12 capable of horizontally supporting four wafers W to be processed. Is provided. As shown in FIG. 2, thewafer support member 12 has fourwafer support portions 12a, on which the wafer W is supported. Arotation shaft 13 extending downward is provided at the center of thewafer support member 12, and therotation shaft 13 is attached to the shaft of themotor 14. Then, by rotating themotor 14, thewafer support member 12 is rotated along the direction of the arrow in FIG. Therefore, the wafer W supported by thewafer support portion 12 a revolves around therotation shaft 13 by the rotation of thewafer support member 12.
[0022]
Aheater support member 15 is provided below thewafer support member 12. Twoheaters 16 on the inner side and the outer side along the movement locus of the wafer W are supported on theheater support member 15. .
[0023]
  A first process gas discharge nozzle (first process gas discharge unit) 20 and a second process gas discharge nozzle (second process gas discharge unit) 21 are provided on thetop wall 11a of thechamber 11 at the gas discharge ports. 20 a and 20 b are provided in a state of facing the upper surface of thewafer support member 12. The first processgas discharge nozzle 20 and the second processgas discharge nozzle 21 are two by two as shown in FIG.Radially from the center to the outer peripheryThese are alternately arranged circumferentially along the movement trajectory of the wafer W.The first processinggas discharge nozzle 20 and the second processinggas discharge nozzle 21 have a flat shape that is long in the radial direction of thechamber 11 and short in the circumferential direction of thechamber 11, and the length in the radial direction is a support member. 12 is provided so as to be longer than the diameter of the wafer W supported by the wafer 12.Further, the adjacent first processinggas discharge nozzle 20 and second processinggas discharge nozzle 21 are arranged at an angle of 90 ° with therotation shaft 13 as the center. Further, four purge gas discharge nozzles (purge gas discharge portions) 22 are provided on thetop wall 11a of thechamber 11 so as to be positioned between the adjacent first processgas discharge nozzle 20 and second processgas discharge nozzle 21. It has been.These four purgegas discharge nozzles 22 are radially provided from the center side toward the outer peripheral side in an independent state, and have a flat shape that is long in the radial direction of thechamber 11 and short in the circumferential direction of thechamber 11. The purgegas discharge nozzle 22 is provided so that the length in the radial direction is longer than the diameter of the wafer W supported by thesupport member 12.
[0024]
  FIG. 3A is a cross-sectional view of the first processgas discharge nozzle 20 and the second processgas discharge nozzle 21. As shown in FIG. 3A, each of the first and second processinggas discharge nozzles 20 and 21 has a large number ofgas discharge ports 20a and 21a, and a chamber is formed from the large number ofdischarge ports 20a and 21a. 11 is configured to discharge the processing gas in a shower-like manner. FIG. 3B is a sectional view of the purgegas discharge nozzle 22. As shown in FIG. 3B, the purge gas discharge nozzle 22ofinternalManyNumber of outlets 22aIs provided. A gas is directly discharged toward thewafer support member 12 from themultiple discharge ports 22a. The purge gas discharge nozzle 22Below many discharge ports 22aTo extend toIt has a providedskirt portion 22b and has a discharge port22aTo thechamber 11 as a showerPurge gasIn addition, the flow of the purge gas discharged in a shower shape by theskirt portion 22b is prevented from diffusing, whereby the purge gas downflow forms an air curtain.As described above, the purgegas discharge nozzles 22 are provided radially, and the length in the radial direction is longer than the length of the wafer W on thewafer support member 12, so that a large number ofdischarge ports 22 a are also formed radially and support members. When thewafer support member 12 passes through the air curtain of the purge gas discharged from thedischarge port 22a and is distributed in a length longer than the length of the wafer W on the upper surface of the wafer W, the entire surface of the wafer W on the upper surface of the wafer W does not leak. It passes through the curtain. That is, when the wafer W on thesupport member 12 is used as a reference, the purge gas air curtain can be scanned over the wafer W without leakage. Such a purge gas air curtain can improve the separation of the two process gases.
[0025]
Further, thegas discharge port 22a of the purgegas discharge nozzle 22 is provided above thegas discharge ports 20a and 21a of the first processgas discharge nozzle 20 and the second processgas discharge nozzle 21, thereby the firstgas discharge port 22a. The processing gas atmosphere and the second processing gas atmosphere can be separated by an air curtain of purge gas. From thesenozzles 20, 21 and 22, a predetermined gas is supplied from agas supply mechanism 30 described later.
[0026]
Thegas supply mechanism 30 is a cleaning gas, ClF.₃To supply ClF₃Supply source 31,Ar supply source 32 for supplying Ar, TiCl₄TiCl to supply₄Source 33, NH₃NH to supply₃Asupply 34 is provided. And ClF₃Thesource 31 includes ClF₃Thegas line 35 is connected to theAr supply source 32 and theAr gas line 36 is connected to TiCl.₄Thesupply source 33 includes TiCl₄Gas line 37 is NH₃Thesource 34 has NH₃Gas lines 38 are connected to each other. Each line is provided with avalve 40 and amass flow controller 41.
[0027]
TiCl₄TiCl extending fromsource 33₄Thegas line 37 is connected to agas pipe 42 extending from the first processgas discharge nozzle 20. TiCl₄Apipe 45 extending from theAr gas line 36 is connected to thegas line 37, and TiCl carried by Ar gas is used.₄Gas is discharged from the first processgas discharge nozzle 20 through thepipe 42. NH₃NH extending fromsource 34₃Thegas line 38 is connected to agas pipe 43 extending from the second processinggas discharge nozzle 21, and NH₃Gas is NH₃The gas is discharged from the second processinggas discharge nozzle 21 through thegas line 38 and thegas pipe 43. Further, theAr gas line 36 extending from theAr supply source 32 is connected to apipe 44 extending from the purgegas discharge nozzle 22, and Ar gas is discharged from the purgegas discharge nozzle 22 through theAr gas line 36 and thepipe 44. Furthermore, ClF₃ClF extending fromsource 31₃Pipes 46, 47, 48 are connected to thegas line 35, and the first processinggas discharge nozzle 20 and the second processing gas discharge from thesepipes 46, 47, 48 through thepipes 42, 43, 44. ClF which is a cleaning gas from thenozzle 21 and the purgegas discharge nozzle 22₃Gas can be discharged. Thepipes 45, 46, 47 and 48 are provided withvalves 45a, 46a, 47a and 48a, respectively.
[0028]
Thebottom wall 11 b of thechamber 11 is provided with anexhaust port 25 at the center thereof, and anexhaust pipe 26 is connected to theexhaust port 25. Anexhaust device 28 is connected to theexhaust pipe 26. By operating theexhaust device 28, the inside of thechamber 11 can be depressurized to a predetermined degree of vacuum.
[0029]
Theexhaust pipe 26 extends downward from theexhaust port 25 in the vertical direction and is bent in the horizontal direction. Therotary shaft 13 passes through the vertical part of theexhaust pipe 26 and is connected to the horizontal part of theexhaust pipe 26. Afluid seal 27 is provided between the tube wall and therotating shaft 13 and extends downward through the wall.
[0030]
In the CVD film forming apparatus configured as described above, first, the semiconductor wafer W is loaded into thechamber 11, and the wafer W is placed on thewafer support portion 12 a of thewafer support member 12. Next, thewafer support member 12 is rotated while the wafer W is heated by theheater 16, and the inside of thechamber 11 is evacuated by theevacuation device 28 to bring the inside of thechamber 11 into a predetermined vacuum state. Subsequently, TiCl carrierized to Ar from the first processgas discharge nozzle 20₄The gas is supplied from the second processgas discharge nozzle 21 to NH.₃Gas is discharged from the purgegas discharge nozzle 22 as Ar gas as purge gas.
[0031]
Of the wafer W of thewafer support portion 12a of thewafer support member 12, the TiCl discharged from the first processgas discharge nozzle 20 first.₄For the two sheets supplied with gas, the supplied TiCl₄After the Ti monoatomic layer was adsorbed by the gas, it was discharged from the second processgas discharge nozzle 21 through the air curtain of the Ar gas discharged from the purgegas discharge nozzle 22 by the rotation of thewafer support member 12. NH₃The gas deposits a monolayer of N on the monolayer of Ti and reacts to form TiN. Further, after passing through an air curtain of Ar gas discharged from the purgegas discharge nozzle 22, a Ti monoatomic layer and an N monoatomic layer are supplied in the same manner, and this is repeated a predetermined number of times to form a TiN film having a predetermined thickness. Is formed. Further, the NH discharged from the second processinggas discharge nozzle 21 first.₃For the other two sheets supplied with gas, the supplied NH₃After the N monoatomic layer was adsorbed by the gas, it was discharged from the first processgas discharge nozzle 20 by passing through the air curtain of Ar gas discharged from the purgegas discharge nozzle 22 by the rotation of thewafer support member 12. TiCl₄A monolayer of Ti is deposited on the monolayer of N by the gas, and these react to form TiN. Further, after passing through an air curtain of Ar gas discharged from the purgegas discharge nozzle 22, an N monoatomic layer and a Ti monoatomic layer are supplied in the same manner, and this is repeated a predetermined number of times to form a TiN film having a predetermined thickness. Is formed. In this case, the rotation speed of thewafer support member 12 is TiCl which is a processing gas.₄Gas and NH₃It is determined according to the gas adsorption rate.
[0032]
In this case, the shape of the first processgas discharge nozzle 20 and the second processgas discharge nozzle 21, the distance from the wafer W, and the gas flow rate are such that the monoatomic layer is evenly adsorbed on the wafer W. It is set so that a flow can be formed. Further, the interval between the purgegas discharge nozzle 22 and the wafer W, and further the gas flow rate, the purge gas is TiCl₄Gas atmosphere and NH₃It is set so that a flow that functions as an air curtain capable of sufficiently separating the gas atmosphere can be formed. The heating temperature of theheater 16 is set to an appropriate temperature suitable for the reaction between Ti and N. Hereinafter, these set values will be specifically described.
[0033]
The first processinggas discharge nozzle 20 and the second processinggas discharge nozzle 21 having the structure shown in FIG. 3A are the wafers held by thedischarge ports 20a and 21a and thesubstrate support member 12 positioned therebelow. Distance h from W surface₁Can be arranged to be 0.1 to 10 mm. The purgegas discharge nozzle 22 having the structure shown in FIG. 3B has a distance h between thedischarge port 22a and the surface of the wafer W held by thesubstrate support member 12 positioned below the discharge port 22a.₂The distance h between the lower end thereof and the upper surface of thesubstrate support member 12 is 0.1 to 50 mm.₃Can be arranged to be 1.1 to 50 mm. Preferably h₁0.1 to 5 mm, h₂Is 0.2-10mm, h₃Thenozzles 20, 21 and 22 are arranged so that becomes 1.2 to 11 mm.
[0034]
Further, each gas flow rate, chamber internal pressure, and heating temperature during TiN film formation can be set as follows.
TiCl₄Gas flow rate: 1-50 sccm (0.001-0.05 L / min), preferably 5-20 sccm (0.005-0.02 L / min)
Ar gas (carrier gas) flow rate: 10 to 100 sccm (0.01 to 0.1 L / min), TiCl₄Carrier gas may not be used when the gas has a low flow rate.
NH₃Gas flow rate: 50 to 1000 sccm (0.05 to 1 L / min), preferably 50 to 500 sccm (0.05 to 0.5 L / min)
Purge gas flow rate: 100 to 1000 sccm (0.1 to 1 L / min)
Pressure in chamber: 100 mTorr to 5 Torr (13.3 Pa to 665 Pa), preferably 100 mTorr to 1 Torr (13.3 Pa to 133 Pa)
Heating temperature: 300-700 ° C, preferably 400-600 ° C
[0035]
As described above, each of the first processinggas discharge nozzles 20 and the second processinggas discharge nozzles 21 arranged alternately is TiCl.₄Gas and NH₃While supplying the gas, thewafer support member 12 is rotated, and TiCl is applied to the wafer W.₄Gas and NH₃Since the gases are alternately supplied, a desired TiN film can be formed by alternately forming a Ti monoatomic layer and an N monoatomic layer by the ALD method without using a high-speed switching valve. Further, since a plurality of wafers W are placed on thewafer support member 12 and a plurality of film forming processes are performed in a single process, the productivity is high. Further, by discharging Ar gas as purge gas from the purgegas discharge nozzle 22 to form an air curtain, TiCl₄Gas and NH₃Mixing of gases can be prevented as much as possible, and the process gas in the portion where the formation of the monoatomic layer of the wafer W is completed can be quickly removed by discharging Ar gas, which is a purge gas. Therefore, a higher quality film can be formed.
[0036]
When such a TiN film is repeatedly formed and a predetermined number of wafers W have been formed, ClF₃ClF from thenozzles 20, 21, 22 from thesource 31 through thegas line 35,pipes 46, 47, 48 andpipes 42, 43, 44₃Gas is discharged to clean the inside of thechamber 11.
[0037]
ClF during this cleaning₃The gas flow rate, the pressure in the chamber, and the cleaning temperature can be set as shown below, for example.
ClF₃Gas flow rate: 100 to 500 sccm (0.1 to 0.5 L / min), preferably 200 to 300 sccm (0.2 to 0.3 L / min)
Pressure in chamber: 1 to 10 Torr (133 to 1330 Pa), preferably 1 to 5 Torr (133 to 665 Pa)
Cleaning temperature: 200-500 ° C, preferably 200-300 ° C
[0038]
Next, a CVD film forming apparatus according to another embodiment will be described. FIG. 4 is a sectional view partially showing a CVD film forming apparatus according to another embodiment. Here, the wafer W is rotated using awafer support member 12 ′ instead of thewafer support member 12. That is, thewafer support member 12 ′ is provided with four wafer tables 52 (only two are shown in FIG. 4) rotatably on thebase member 51, and these wafer tables 52 are rotated by amotor 53. Then, the wafer W on the wafer table 52 is rotated. Thereby, TiCl as a processing gas₄Gas and NH₃The gas can be supplied to the wafer W more uniformly, and a more uniform monoatomic layer can be formed. In this case, if theheater 16 is under the wafer support member as shown in FIG. 1, the heating efficiency is deteriorated. Therefore, it is preferable to provide the heater 16 'above the wafer W as shown in FIG. A heater support member 15 'supports the heater 16'. When the heater is provided in this manner, it is preferable to provide a large number of holes through which gas can pass through theheater 16 ′ and theheater support member 15 ′ so that the processing gas is effectively supplied to the wafer W.
[0039]
Further, in the embodiment of FIG. 5, TiCl as a processing gas is used.₄Gas and NH₃Gas is supplied from theshower head 60 and theshower head 61, respectively. As shown in FIG. 6, theshower head 60 has a large number of gas discharge holes 60b formed on the lower surface of a disk-shaped hollowmain body 60a, and uniformly discharges gas from the gas discharge holes 60b. Theshower head 61 is similarly configured. Thus, even if a shower head is used instead of the nozzle, the wafer W can be uniformly formed on the TiCl₄Gas and NH₃Gas can be supplied.
[0040]
Furthermore, in the embodiment of FIG. 7, anexhaust port 70 is provided immediately below the first processgas discharge nozzle 20 and the second process gas discharge nozzle 21 (the exhaust corresponding to the first process gas discharge nozzle 20). Only the mouth is shown). In this way, unnecessary TiCl₄Gas and NH₃The gas can be quickly discharged through theexhaust pipe 71 connected to theexhaust port 70.
[0041]
The present invention can be variously modified without being limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, an example in which a TiN film is formed has been described.₂O₃, ZrO₂, TaN, SiO₂, SiN, SiON, WN, WSi, RuO₂Other metal compounds can be formed in the same manner. In the above embodiment, TiCl is used as the first processing gas.₄And NH as the second process gas₃Although the gas is used, the first processing gas and the second processing gas can be any gas suitable for the metal compound film to be formed. The first process gas in such a case is TiCl.₄Besides, TaBr₅, Ta (OC₂H₅)₅, SiCl₄, SiH₄, Si₂H₆, SiH₂Cl₂, WF₆Examples of the second processing gas include NH, Zr, Ti, Ta, Si, W, and Ru.₃Besides, NH₃(N₂), O₂, O₃, NO, N₂O, N₂O₃, N₂O₅And the like containing N or O.
[0042]
Further, although the heater is provided below the wafer in the example of FIG. 1 and above the wafer in the example of FIG. 4, it may be provided on both of them, or provided at other positions if uniform heating is possible. May be. Furthermore, Ar gas was used as the purge gas, but N₂Other gases such as gas may be used. In addition, the purge gas may not be used as long as the two processing gases can be effectively shut off. Furthermore, the substrate to be used is not limited to a semiconductor wafer, and may be a substrate in which another layer is formed on the surface.
[0043]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, when performing film formation using the ALD method, the first process gas discharge unit and the second process gas that discharge the second process gas provided at different positions are used. The first processing gas and the second processing gas are discharged from the gas discharge unit, respectively, and the substrate support member is rotated.MakeSo without using a fast switching valveThe first processing gas and the second processing gas are alternately supplied onto the substrate to be adsorbed.A monoatomic layer made of the first processing gas and a monoatomic layer made of the second processing gas can be alternately formed. In addition, since the processing is performed in a state where a plurality of substrates are supported on the substrate support member, a plurality of substrates can be formed at a time, and productivity can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a CVD film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing the inside of the CVD film forming apparatus of FIG.
3 is a cross-sectional view of a first process gas discharge nozzle and a purge gas discharge nozzle in the CVD film forming apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view partially showing a CVD film forming apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view partially showing a CVD film forming apparatus according to still another embodiment of the present invention.
6 is a perspective view showing a shower head used in the apparatus of FIG. 4;
FIG. 7 is a sectional view partially showing a CVD film forming apparatus according to still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11; chamber
12, 12 '; Wafer support member
12a: Wafer support
13: Rotating shaft
14; Motor
16, 16 '; heater
20, 21; processing gas discharge nozzle
22: Purge gas discharge nozzle
30; Gas supply mechanism
25, 70; exhaust port
26, 71; exhaust pipe
28; exhaust system
52; Wafer table
53; Motor
60, 61; shower head
W: Semiconductor wafer