(57)【要約】【課題】セルフリミッティングな表面反応を阻害していた、余分な堆積種を除去する工程を設けた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】第１の原料ガスと、第２の原料ガスと、を反応炉内に交互に供給することにより基体の上に薄膜を形成する工程を備え、前記第１の原料ガスを供給した後であって前記第２の原料ガスを供給する前と、前記第２の原料ガスを供給した後であって前記第１の原料ガスを供給する前と、の少なくともいずれかにおいて、前記基体の表面にプラズマを照射することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。【選択図】図１
2011202286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の原料ガスと、第２の原料ガスと、を反応炉内に交互に供給することにより基体の上に薄膜を形成する工程を備え、
前記第１の原料ガスを供給した後であって前記第２の原料ガスを供給する前と、前記第２の原料ガスを供給した後であって前記第１の原料ガスを供給する前と、の少なくともいずれかにおいて、前記基体の表面にプラズマを照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
第１の原料ガスを基体の表面に供給する第１の工程と、
前記基体の表面にプラズマを照射する第２の工程と、
前記基体の表面に不活性ガスを流す第３の工程と、
第２の原料ガスを基体の表面に供給する第４の工程と、
前記基体表面に前記不活性ガスを流す第５の工程と、
をこの順に繰り返すことにより前記基体の上に薄膜を形成する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
第１の原料ガスを基体の表面に供給する第１の工程と、
前記基体の表面に不活性ガスを流す第２の工程と、
前記基体の表面にプラズマを照射する第３の工程と、
第２の原料ガスを基体の表面に供給する第４の工程と、
前記基体表面に前記不活性ガスを流す第５の工程と、
をこの順に繰り返すことにより前記基体の上に薄膜を形成する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第４の工程と前記第５の工程との間、あるいは前記第５の工程と前記第１の工程との間に、前記基体の表面に前記プラズマを照射する工程を実施することを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマは、ヘリウムガスと水素ガスとの混合ガスから生成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の原料ガスは、金属元素を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、原子層気相成長法の実施に際して、過剰に吸着された原料の排除工程を設けた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造に際しては、薄膜を均一な膜厚で堆積する必要がある場合が多い。以下、この具体例について説明する。
【０００３】
すなわち、近年、半導体装置の配線での信号伝搬の遅延が素子動作を律速している。配線での遅延定数は配線抵抗と配線間容量の積で表される。従って、配線抵抗を下げることによって素子動作を高速化するために、配線層間膜と材料には従来のＳｉＯ２よりも比誘電率の小さい材料が用いられ、配線材料には比抵抗値の小さいＣｕが用いられる。Ｃｕ配線の形成に当たっては、ＣｕのＳｉ中への拡散による素子特性の劣化、絶縁膜との密着性が乏しいことによる加工性の劣化、不動態酸化膜を形成せずに酸化が内部まで進行する事による配線特性の劣化、などの課題を解決する必要がある。これらの課題を解決するための一手段として、バリアメタルがＣｕと配線層間膜との界面に設けられる。具体的には、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、ＴａＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣ、ＳｉＮ、ＨｆＯｘ、ＨｆＡｌＯなどの様々な材料の薄膜を、被覆性よく堆積することが要求される。
【０００４】
原子層気相成長（以下、Atomic Layer Deposition：「ＡＬＤ」と表記する）法は、このような目的に適した方法として知られている。ＡＬＤは、少なくとも二種類の原料を基板に交互に供給して行う。このとき、基板温度、原料流量、原料供給時間などの成膜条件を、それらの原料が基板上に飽和吸着する条件に設定する。成膜量や組成は飽和吸着量で定まるが、理想的なＡＬＤでは飽和吸着量はウェーハ面内やパターン上で一定であり、ウェーハ面内やパターン上で均一な成膜が可能となるはずである。また、一回の供給で飽和量の分子しか吸着しないとすると、原子オーダーでの膜厚制御が可能である。
【０００５】
堆積種を、基板表面に吸着しやすくし、核生成を促進するために、基板表面にプラズマ処理を施すという方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５２３８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の製造方法においては、基体表面に吸着された残留物が、セルフリミッティングな表面反応を阻害する、並びに膜質を低下させる、という問題があった。
【０００８】
図８は、従来の半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。すなわち、図８は、原子層気相成長法（ＡＬＤ）を用いて、薄膜を形成する方法を表すフローチャートである。
【０００９】
まず、被処理基体を反応炉内に入炉する。被処理基体としては、様々な種類の基体を用いることができる。その後、反応炉内をパージする。反応炉のパージには、例えばＡｒガスなどの、不活性ガスを用いる。  
次に、第１の工程１１０として、反応炉内に配置された基体上に、第１反応物を供給する。第１反応物を例えば、Ａｒキャリアガスなどの不活性ガスに含有させて反応炉内に供給する。ガスの流量は、被処理基体やガスの種類によって適宜変更可能である。
【００１０】
次に、第２の工程１３０として、反応炉内をパージする。Ａｒガスなどの、不活性ガスを反応炉内に導入し、残留ガスを除去する。  
次に、第３の工程１４０として、第２反応物を供給する。第２反応物を例えば、Ａｒキャリアガスなどの不活性ガスに含有させて反応炉内に供給する。  
次に、第４の工程１５０として、反応炉内をパージする。Ａｒガスなどの、不活性ガスを反応炉内に導入し、未反応物を除去する。  
第１〜第４の工程を一周期とし、形成している薄膜が所望の厚さに達するまで、この周期を繰り返す。
【００１１】
図９は、従来の半導体装置の製造方法を表すタイミングチャートである。  
図１０は、従来の半導体装置の製造方法の要部を表す工程断面図である。すなわち図１０は、基体３００上に、薄膜を形成する工程を表す模式断面図である。
【００１２】
図１０（ａ）は、前述した第１の工程１１０において、第１反応物３１０を、反応炉内に供給した様子を表す。同図に表すように、堆積種３１０（第１反応物）が、基体３００上に飛来してくる。堆積種３１０のうちの一部３１０ａは基体３００の表面に、例えば化学吸着などの、比較的強い結合によって吸着する。また、堆積種３１０のうちの他の一部３１０ｂは強く結合している３１０ａなどに、例えば物理吸着などの、比較的弱い結合によって吸着する。さらに、堆積種３１０のうちの他の一部３１０ｃは吸着せず、残留ガスとなる。
【００１３】
図１０（ｂ）は、前述した第２の工程１３０において、パージを行う様子を表す。反応炉内をパージすることによって、反応炉内に残っていた残留ガスを除去する。  
しかしながら、同図に表すように、気相中の堆積種３１０ｃは除去されるが、比較的弱く結合している堆積種３１０ｂは、除去されずに基体３００に吸着したままのこともある。すなわち、反応炉内をパージするだけでは、例えば物理吸着などの、比較的弱い結合を切って、堆積種３１０ｂを完全に脱離させることができない場合がある。堆積種３１０ｂのような残留ガスを十分に排気していないと、その後供給される他のガスと反応してしまう。
【００１４】
その結果、不均一な膜厚や、低品質な膜質を有する薄膜が形成される。
【００１５】
従来の半導体装置の製造方法においては、得られた薄膜の、膜厚のウエハ面内の分散は、約５％であった。また、膜厚のウエハ面内の分散を約１％にまで改善するためにパージを長時間行うと、全体の成膜時間の１００％以上の時間を要した。
【００１６】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、成膜時間を大幅に拡大することなく、高い膜質を有する安定した薄膜を形成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明によれば、
第１の原料ガスと、第２の原料ガスと、を反応炉内に交互に供給することにより基体の上に薄膜を形成する工程を備え、
前記第１の原料ガスを供給した後であって前記第２の原料ガスを供給する前と、前記第２の原料ガスを供給した後であって前記第１の原料ガスを供給する前と、の少なくともいずれかにおいて、前記基体の表面にプラズマを照射することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１８】
または、本発明によれば、
第１の原料ガスを基体の表面に供給する第１の工程と、
前記基体の表面にプラズマを照射する第２の工程と、
前記基体の表面に不活性ガスを流す第３の工程と、
第２の原料ガスを基体の表面に供給する第４の工程と、
前記基体表面に前記不活性ガスを流す第５の工程と、
をこの順に繰り返すことにより前記基体の上に薄膜を形成する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１９】
または、本発明によれば、
第１の原料ガスを基体の表面に供給する第１の工程と、
前記基体の表面に不活性ガスを流す第２の工程と、
前記基体の表面にプラズマを照射する第３の工程と、
第２の原料ガスを基体の表面に供給する第４の工程と、
前記基体表面に前記不活性ガスを流す第５の工程と、
をこの順に繰り返すことにより前記基体の上に薄膜を形成する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００２０】
ここで、前記第４の工程と前記第５の工程との間、あるいは前記第５の工程と前記第１の工程との間に、前記基体の表面に前記プラズマを照射する工程を実施することができる。
【００２１】
また、前記プラズマは、ヘリウムガスと水素ガスとの混合ガスから生成されるものとすることができる。  
また、前記第１の原料ガスは、金属元素を含有するものとすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、堆積種を反応炉内に供給した後に、プラズマを照射する工程を加えることにより、基体等に弱く結合している堆積種を脱離させることができる。その結果、堆積種の一分子層の吸着層だけを基体表面に残して、別の堆積種を供給する工程に進むことができる。すなわち、セルフリミッティングな表面反応を阻害していた、余分な堆積種を除去することができる。その結果、成膜時間を大幅に拡大することなく、膜質が改良され、緻密な薄膜を形成することができる。  
その結果として、高性能且つ高集積度の半導体装置などを安定的に製造することが可能となり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法において用いることができる製造装置の断面模式図である。
【図５】本発明の第１実施例にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施例にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第３実施例にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図８】従来の半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】従来の半導体装置の製造方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】従来の半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。すなわち、図１は、原子層気相成長法（ＡＬＤ）を用いて、薄膜を形成する方法を表すフローチャートである。
【００２６】
まず、被処理基体を反応炉内に入炉する。被処理基体としては、様々な種類の基体を用いることができる。その後、反応炉内をパージする。反応炉のパージには、例えばＨｅガスやＡｒガスなどの、不活性ガスを用いる。
次に、第１の工程１１として、反応炉内に配置された基体上に、第１反応物を供給する。第１反応物として例えば、ＴａＮ膜を形成する場合には、ＰＤＭＡＴ（PentakisDiMethylAminoTantalum）を挙げることができる。しかしＰＤＭＡＴには限定されず、その他、
Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、ＴａＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣ、ＳｉＮ、ＨｆＯｘ、ＨｆＡｌＯなどの様々な膜を形成する場合に応じて、適宜変更することができる。第１反応物を例えば、Ｈｅキャリアガスなどの不活性ガスに含有させて１００〜５０００ｓｃｃｍ供給する。
ガスの流量は、被処理基体やガスの種類によって適宜変更可能である。
【００２７】
次に、第２の工程１２として、プラズマ照射を行う。基体表面にプラズマを照射し、基体表面に余分に付着した第１反応物を除去する。プラズマ照射を例えば、Ｈｅ／Ｈ２の混合ガスの流量１００〜５０００ｓｃｃｍ、圧力０．６〜１３０Ｐａ（パスカル）、ＲＦ電力５０〜２０００Ｗとして行うことができる。  
次に、第３の工程１３として、反応炉内をパージする。例えば、Ｈｅガスなどの、不活性ガスを１００〜５０００ｓｃｃｍ反応炉内に導入し、反応炉内の残留ガスを除去する。
【００２８】
次に、第４の工程１４として、第２反応物を供給する。第２反応物として例えば、ＮＨ３を挙げることができる。第２反応物を例えば、Ｈｅキャリアガスなどの不活性ガスに含有させて１００〜５０００ｓｃｃｍ反応炉内に供給する。  
最後に、第５の工程１５として、反応炉内をパージする。例えば、Ｈｅガスなどの、不活性ガスを１００〜５０００ｓｃｃｍ反応炉内に導入し、反応炉内の残留ガスを除去する。第１〜第５の工程を一周期とし、形成している薄膜が所望の厚さに達するまで、この周期を繰り返す。
【００２９】
次に、前述した第２の工程１２が、成膜時間に及ぼす影響について説明する。  
図２は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を表すタイミングチャートである。  
同図に表すように、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、プラズマ照射を行う工程を増やしても、全体の成膜時間は、従来の成膜時間に対して約２０％程度増えるだけである。  
従来の製造方法で成膜した場合、形成した薄膜の膜厚のウエハ面内での分散を改善するのに、従来の成膜時間に対して約１００％程度の時間を要していたことと比較すると成膜時間を大幅に短縮できる。
【００３０】
次に、前述した第２の工程１２において、プラズマ照射を行うことの効果について説明する。  
図３は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の要部を表す工程断面図である。すなわち図３は、基体３０上に、薄膜を形成する工程を表す模式断面図である。
【００３１】
図３（ａ）は、前述した第１の工程１１において、第１反応物３１を、反応炉内に供給した様子を表す。同図に表すように、堆積種３１（第１反応物）が、基体３０上に飛来してくる。堆積種３１のうちの一部３１ａは基体３０の表面に、例えば化学吸着などの、比較的強い結合によって吸着する。また、堆積種３１のうちの他の一部３１ｂは強く結合している３１ａなどに、例えば物理吸着などの、比較的弱い結合によって吸着する。さらに、堆積種３１のうちの他の一部３１ｃは吸着せず、残留ガスとなる。
【００３２】
図３（ｂ）は、前述した第２の工程１２において、プラズマ照射を行う様子を表す。同図に表すように、基体３０の表面にプラズマを照射すると、比較的弱い結合によって吸着していた堆積種３１ｂの結合が切れる。すなわち、比較的強い結合によって吸着していた堆積種３１ａを基体３０の表面に残し、比較的弱い結合によって吸着していた堆積種３１ｂのみを基体３０から脱離させることができる。
【００３３】
すなわち、基体３０の表面に一分子層あるいはそれ以下の吸着層（堆積種３１ａ）だけを残すことができる。
【００３４】
図３（ｃ）は、前述した第３の工程１３において、パージを行う様子を表す。同図に表すように、反応炉内をパージすることによって、反応炉内に残っていたガスをさらに除去することができる。
【００３５】
次に、本実施形態で用いることができる、半導体製造装置について説明する。  
図４は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法に用いることができる反応炉を例示する模式図である。
【００３６】
反応炉４０内において、ウェーハステージ４１上にシリコンウェーハＷが載置可能とされている。反応炉４０の側壁には、ガスを導入するためのインジェクター４２と、真空ポンプ４３に接続されている排気口４４とが設けられている。上部電極４５と下部電極４１（ウェーハステージ）との間に高周波電源を用いてプラズマを照射する。
【００３７】
以上説明してきたように、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法においては、堆積種を反応炉内に供給した後に、プラズマを照射する工程を加えることにより、基体等に弱く結合している堆積種を脱離させることができる。その結果、堆積種の一分子層の吸着層だけを基体表面に残して、別の堆積種を供給する次の工程に進むことができる。
すなわち、セルフリミッティングな表面反応を阻害していた、余分な堆積種を除去することができる。その結果、膜質が改良され、緻密な薄膜を形成することができる。
【００３８】
また、膜厚のウエハ面内での分散を従来の５％程度に対して、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によると１％程度にまで改善できた。従来は、同程度の改善を得るのに１００％以上の成膜時間の増加が必要であったが、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によると２０％程度の成膜時間の増加で改善できた。よって、スループットを大きく低下させることなく、安定した膜を形成できる。  
すなわち、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によると、均一な膜厚の、緻密な薄膜を形成することができる。
【００３９】
次に、第１実施例について説明する。すなわち、本実施例においては、第２反応物を供給した後にも、プラズマ照射を行う場合について説明する。  
図５は、本発明の第１実施例にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。すなわち、図５は、原子層気相成長法を用いて、薄膜を形成する方法を表すフローチャートである。  
すなわち本実施例においては、 第１反応物を供給した後だけではなく、第２反応物を供給した後にも、プラズマ照射を行う。本実施例によれば、第２反応物についても、弱く結合していた堆積種を効率的に脱離させることができる。本実施例においても、前述した効果と同様の効果が得られる。
【００４０】
次に、第２実施例について説明する。すなわち、本実施例においては、プラズマを照射する工程の前に、パージする工程を挿入する場合について説明する。  
図６は、本発明の第２実施例にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。すなわち、図６は、原子層気相成長法を用いて、薄膜を形成する方法を表すフローチャートである。プラズマを照射する工程と、パージする工程とは、順不同であり、パージ工程を先に行ってもよい。堆積種の種類や、基体の種類によって適宜変更することができる。  
本実施例においても、前述した実施形態において得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
次に、第３実施例について説明する。すなわち、本実施例においては、パージする工程を省略する場合について説明する。  
図７は、本発明の第３実施例にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。すなわち、図７は、原子層気相成長法を用いて、薄膜を形成する方法を表すフローチャートである。
【００４２】
堆積種や基体の種類によっては、パージ工程を省略し、プラズマ照射を行うだけで、残留ガスをほとんど除去できる場合もある。その場合には、同図に表すように、パージ工程を省略し、成膜時間を短縮することができる。  
本実施例においても、前述した実施形態において得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。  
しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、本発明の製造方法を使用して製造した半導体装置を構成する要素について当業者が設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を備えたものであれば、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４４】
１１    第１の工程
１２    第２の工程
１３    第３の工程
１４    第４の工程
１５    第５の工程
１６    第６の工程
３０    基体
３１    堆積種
３１ａ  強く結合している堆積種
３１ｂ  弱く結合している堆積種
３１ｃ  結合していない堆積種
４０    反応炉
４１    下部電極
４２    インジェクター
４３    真空ポンプ
４４    排気口
４５    上部電極
【図１】
2011202286.tif 000003
【図２】
2011202286.tif 000004
【図３】
2011202286.tif 000005
【図４】
2011202286.tif 000006
【図５】
2011202286.tif 000007
【図６】
2011202286.tif 000008
【図７】
2011202286.tif 000009
【図８】
2011202286.tif 000010
【図９】
2011202286.tif 000011
【図１０】
2011202286.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月4日(2011.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の原料ガスを基体の表面に供給する第１の工程と、
前記基体の表面に、ヘリウムガスと水素ガスとの混合ガスから生成されるプラズマを照射する第２の工程と、
前記基体の表面にヘリウムガスを流して反応炉内をパージする第３の工程と、
第２の原料ガスを基体の表面に供給する第４の工程と、
前記基体表面に不活性ガスを流す第５の工程と、
をこの順に繰り返すことにより前記基体の上に薄膜を形成する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第４の工程と前記第５の工程との間、あるいは前記第５の工程と前記第１の工程との間に、前記基体の表面に前記プラズマを照射する工程を実施することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法
【請求項３】
前記第１の原料ガスは、金属元素を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明によれば、
第１の原料ガスを基体の表面に供給する第１の工程と、
前記基体の表面に、ヘリウムガスと水素ガスとの混合ガスから生成されるプラズマを照射する第２の工程と、
前記基体の表面にヘリウムガスを流して反応炉内をパージする第３の工程と、
第２の原料ガスを基体の表面に供給する第４の工程と、
前記基体表面に不活性ガスを流す第５の工程と、
をこの順に繰り返すことにより前記基体の上に薄膜を形成する工程を備えたこと
を特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、前記第１の原料ガスは、金属元素を含有するものとすることができる。