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JP2004083983A - Ti film forming method - Google Patents

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JP2004083983A
JP2004083983A JP2002245603A JP2002245603A JP2004083983A JP 2004083983 A JP2004083983 A JP 2004083983A JP 2002245603 A JP2002245603 A JP 2002245603A JP 2002245603 A JP2002245603 A JP 2002245603A JP 2004083983 A JP2004083983 A JP 2004083983A
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Japan
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film
gas
chamber
forming
wafer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2002245603A
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Japanese (ja)
Inventor
Keiichi Tanaka
田中 啓一
Yasunori Yokoyama
横山 靖典
Naritomo Ikegami
池上 成朝
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Applied Materials Inc
Original Assignee
Applied Materials Inc
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Publication date
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Abstract

【課題】プラズマCVD法を用いた膜形成時にRF反射波が発生することを十分に防止できるTi膜形成方法を提供する。
【解決手段】まず、プラズマCVD装置1のプロセスチャンバ2内でTi膜を形成し(SP2)、そのウェハWをプロセスチャンバ2から搬出する(SP3)。次に、プロセスチャンバ2内をClガスでクリーニングする(SP4)。それに引き続き、プロセスチャンバ2内にHガスを供給しプラズマ化する(SP5)。これにより、Clガスクリーニングの実施によって生じ得るNi塩化物といった残留物質をプロセスチャンバ2から除去できる。
【選択図】 図2
An object of the present invention is to provide a method for forming a Ti film which can sufficiently prevent generation of an RF reflected wave during film formation using a plasma CVD method.
First, a Ti film is formed in a process chamber 2 of a plasma CVD apparatus 1 (SP2), and the wafer W is unloaded from the process chamber 2 (SP3). Next, the inside of the process chamber 2 is cleaned with Cl 2 gas (SP4). Subsequently, an H 2 gas is supplied into the process chamber 2 to form a plasma (SP5). Thereby, residual substances such as Ni chloride which may be generated by performing the Cl 2 gas cleaning can be removed from the process chamber 2.
[Selection] Fig. 2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマCVD法によるTi膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造において、コンタクトホール、ヴィアホール、トレンチ等の埋め込みや配線形成としてアルミニウム(Al)膜やタングステン(W)膜が広く用いられている。Al膜又はW膜から成る金属膜を形成する場合、一般に、下地層を保護するためのチタン(Ti)膜及び窒化チタン(TiN)膜の混合膜をバリアメタル膜として形成した後、その上に金属膜を成膜する方法が採用されている。
【0003】
このようなバリアメタル膜の形成方法としては、IMP法等のスパッタリングを用いたPVD法の他、CVD法も多用されている。CVD法を用いる場合、具体的には、例えば、Ti膜をプラズマCVD法により成膜し、TiN膜を熱CVD法より成膜する方法が用いられる。また、バリアメタル膜の成膜を枚葉式処理で行う場合、混合膜の第1層たるTi膜の形成は、従来、例えば以下の手順で実施されていた。
【0004】
すなわち、まず、下地層が設けられたウェハをCVDチャンバに収容し、四塩化チタン(TiCl)ガス及び水素(H)ガスを反応ガスに用いたプラズマCVD法によってTi膜を形成する。その後、ウェハをチャンバより搬出し、次のウェハをチャンバ内にローディングする前に、チャンバ内を塩素(Cl)ガスでパージし、これによりチャンバ内に付着したTi系化合物等をある程度剥離し、チャンバ外へ排出する。
【0005】
後者のClガスパージは、チャンバ内に付着したTi系化合物がパーティクルの主要因になり得ることから、これを防止するための処理であり、いわゆる‘エブリィ・クリーニング(Every−cleaning)’や‘枚葉クリーニング’と呼ばれる処理である。かかるClガスによるクリーニングを実施することにより、多数枚のウェハにTi膜の成膜処理を施す際に、パーティクルが経時的に増大することを抑制し、特に高い膜厚均一性や密着性等が要求されるTi膜の膜質維持が図られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者らがClガスによるクリーニングを用いた上記従来のTi膜形成方法について詳細に検討したところ、連続する複数のウェハ処理中に高周波(RF)の反射波が発生し得ることが判明した。こうなると、Ti膜の成長膜厚がウェハ毎に異なってしまい、ウェハ間の膜質の均質性を良好に担保できないといった不具合が生じるおそれがある。また、殊に枚葉処理の場合、生産上重要なファクターとなる連続安定性ひいては高い歩留まりの維持に悪影響を及ぼす傾向にある。
【0007】
このようなRF反射波は、同条件の処理キャンペーンにおいて必ずしも常に又は同時期に発生する傾向にはなく、不定期に又は不連続に或いは極稀に生じることもあって再現性が高いわけではない。通常、RF電力が印加されるチャンバのシャワーヘッド等とRF電源との間にはインピーダンス整合器を含むマッチングネットワークを介在させており、これによりインピーダンスの整合がとられ、反射波の発生が抑えられる。しかし、インピーダンスをステップ状に切り替え得るシステムであったり、連続可変調整が可能であっても反射波が瞬時に大きく変動したりすると、その変化に十分に追従できないおそれがある。
【0008】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、プラズマCVD法を用いた膜形成時にRF反射波が発生することを十分に防止できるTi膜形成方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するたの手段】
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、以下に示す知見を得た。上述の如く、RF反射波は不定期又は不連続に発生することがあり、その原因が電気系統やチャンバ構造の経時的な変化にあるとは考え難い。一方、チャンバ側のインピーダンスは、プラズマシースの状態に多分に影響を受け易い。しかし、Ti成膜用の原料ガスを一定流量で供給し、チャンバ内を一定圧力に維持しつつ一定出力のRF電力を印加している状態でシース内のイオン種や活性種の割合、濃度、及びエネルギー分布が劇的に変動するとも考え難い。
【0010】
一方、Ti成膜の原料ガスとしてTiCl及びHガスを用いた場合、TiClから解離したTiはウェハ上に堆積成長すると共に、その一部がTi系化合物としてチャンバ内に付着する。他方、解離したClの大部分はHガス起源のHと化合してHClとなり、或いは、Clガスとして大部分はチャンバ外へ排出される。このとき、Clの一部がTi膜に取り込まれると共に、塩素系化合物としてチャンバ内に付着する可能性がある。
【0011】
これらのチャンバ内付着物質は、Ti膜形成後に引き続き実施されるClガスのパージによるチャンバ内クリーニングによって除去され得る。しかし、このときガス形で供給されたClがチャンバ内の付着物質やチャンバ内の構造物の構成材料と反応して生じた塩素系化合物等の生成物が、チャンバ内に残留する可能性がある。このような残留物質が存在するチャンバ内でTi成膜のためのプラズマを形成すると、その残留物質起源の活性種が生じる可能性がある。こうなると、マッチング回路が追従できない程にチャンバ側のインピーダンスを劇的に変化させてしまうおそれがある。
【0012】
そして、本発明者らは、このようなチャンバ内の残留塩素系物質とRF反射波との発生に密接な相当因果関係があると推定し、以上の知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【0013】
すなわち、本発明によるTi膜形成方法は、チャンバ内に基体を収容しプラズマCVD法によりその基体上にTi膜を形成するTi成膜工程と、その基体をチャンバから取り出した状態でチャンバ内をClガスでパージするクリーニング工程とを繰り返し実施して複数の基体を処理する方法であって、クリーニング工程を実施した後に、チャンバ内にプラズマを形成するプラズマ処理工程を備えることを特徴とする。
【0014】
このようなTi膜形成方法を用いると、例えばTiClガス及びHガスを原料ガスとするTi成膜工程と、Clガスによるクリーニング工程とが交互に実施される枚葉処理によるTi成膜が実現される。このとき、クリーニング工程と次の基体に対するTi成膜工程との間にプラズマ処理工程を実行するので、クリーニング工程で生じた塩素系化合物等の残留物質が存在し得るチャンバ内がプラズマに曝される。これにより、プラズマを構成する活性種が塩素系化合物にアタックしてこれらと反応して化合物が分解・解離され、これにより残留物質がチャンバから言わば‘叩き出されて’除去される。
【0015】
その結果、次の基体がチャンバ内に収容されてTi成膜工程が行われるときに形成されるプラズマ中に、塩素系化合物に由来する化学種、又は、後述するようにニッケル(Ni)系化合物に由来する化学種が混入することが十分に抑止される。
【0016】
或いは、複数の基体を枚葉式で処理するという観点とは別に、各基体へのTi成膜処理という点に着目すれば、本発明によるTi膜形成方法は、チャンバ内に基体を収容しその基体上にTi膜を形成する方法であって、基体をチャンバ内に収容する前に、チャンバ内を塩素ガスでパージするクリーニング工程と、クリーニング工程を施したチャンバ内にプラズマを形成するプラズマ処理工程と、プラズマ処理工程を施したチャンバ内に基体を収容しプラズマCVD法によりTi膜を形成するTi成膜工程とを備えるものである。
【0017】
具体的には、プラズマ処理工程においては、チャンバ内にHガスを供給することが望ましい。このようにすれば、プラズマ処理工程において、チャンバ内に水素イオン(H)及び水素ラジカル(H)等の水素活性種を主成分とするプラズマが形成される。これにより、塩素系化合物等から成る残留物質から生じる塩素イオン(Cl)や塩素ラジカル(Cl)が水素活性種と化合し得るので、残留物質のチャンバ外への排出効率が高められる。
【0018】
ここで、本発明者は、従来のTi膜形成方法について更に詳細な検討を行ったところ、RF反射波の発生の他に、以下に示す問題が生じ得ることを見出した。
【0019】
(1)金属汚染のおそれ
従来方法を用いて複数のウェハにTi成膜処理を行う際に、有意量の金属がウェハ上に付着してしまい、稀に金属汚染の許容値を逸脱してしまうおそれがあった。これは、特に処理枚数が増大した場合に発生し易い傾向にあった。こうなると、チャンバ内のプロセスキットの交換頻度を高めたり、場合によっては、キット母材の材料変更を行う等の対処が必要となってしまう。特に、キット母材の変更はプロセスの変更に他ならず、非常に大きな困難を伴うこととなる。
【0020】
そこで、この汚染金属の定性・定量を試みたところ、ニッケル(Ni)が主成分であることが判明した。一般に、Ti成膜用のプラズマCVDチャンバに備わるガス供給部(シャワーヘッド)といったプロセスキットは、600℃以上(例えば、シャワーヘッドのフェイスプレート近傍温度)の高温腐食環境に曝されるため、その変形や腐食を十分に防止すべく、構成材料としてNiが使用されることが多い。また、アルミニウム材をNiコーティングして用いることもあるが、十分な耐性を付与するには、Niの無垢材を切削加工したものが有用である。これより、汚染金属は、プロセスキットの母材に由来する可能性が極めて高いことが確認された。
【0021】
また、Ni製のシャワーヘッドを備えるチャンバを用いても、Clガスパージによるクリーニングを施さないと、膜特性を良好に維持することは困難であるが、金属汚染に関しては、Clガスクリーニングをウェハ処理毎に実施する場合に比して汚染の程度は低いものであった。これらより、チャンバ内に残留する塩素系化合物が、Ti膜成膜時に微量にエッチングされるプロセスキットの母材成分と結合し、例えばNiClといったNi塩化物のようなNi系化合物が生成し、おそそらくこれがウェハ上に被着するのではないかと推測される。
【0022】
(2)異物(パーティクルを含む)発生のおそれ
従来方法を用いて複数のウェハにTi成膜処理を行う際、特に処理キャンペーンの初期すなわちチャンバを立ち上げた後の一定期間、パーティクルが生じることがあった。かかるパーティクルが存在すると、後工程の障害となり歩留まりが低下するといった悪影響を与えるおそれがある。
【0023】
このようなパーティクルの成分を分析したところ、Ti系化合物の他にNiを含むものが確認された。このNiは、上記(1)で述べたようにチャンバ内のプロセスキットに由来するものと考えられる。つまり、Clガスクリーニングによってキットの母材から剥離したNi、及び、それがCl等の他物質と反応して生じたNi系化合物がウェハ表面に到達し、例えばウェハ表面のシリコン(Si)と反応して異常成長するものと推測される。
【0024】
これに対し、Ni母材のシャワーヘッドを有するチャンバを用い、Ti成膜工程とクリーニング工程との間にプラズマ処理工程を実施する本発明のTi膜形成方法を実施した場合の金属汚染及び異物発生量を測定したところ、処理キャンペーンを通じて、ウェハ表面のNi量は検出下限未満となり、且つ、パーティクル等の異物も殆ど生じなかった。特に、プラズマ処理工程でHガスを用いることにより、その効果は更に格段に高められることが確認された。
【0025】
すなわち、本発明では、チャンバとして、TiClガスが導入され且つ少なくとも表面がNiで構成された反応ガス供給部を有するものを用いるときに極めて有効である。この場合、プラズマ処理工程で形成されるプラズマを構成する活性種(Hプラズマの場合、主として水素活性種)によって、先に述べた塩素系化合物、及びNi系化合物が払拭され、後続処理される基体上に被着し得る金属成分や異物の原因となる前駆体が根本的に排除される。
【0026】
さらに、プラズマ処理工程においては、プラズマ形成時間を5〜20秒とするとより好ましい。こうすることにより、チャンバ内に残留する塩素系化合物、及びNi系化合物が十分に分解除去されると共に、チャンバ内のプロセスキット、特にシャワーヘッドのフェイスプレート上に堆積した成膜特性上有用なTi系物質が過度に除去されてしまうことが抑制される。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【0028】
図1は、本発明によるTi膜形成方法を有効に実施するための基板処理装置としてプラズマCVD装置の一例を示す概略構成図である。同図において、プラズマCVD装置1はプロセスチャンバ2(チャンバ)を備えており、このプロセスチャンバ2は、チャンバ本体3と、このチャンバ本体3の上部に設けられた蓋体4とを有している。
【0029】
プロセスチャンバ2内には、ウェハW(基体)を支持するサセプタ5が配置されており、このサセプタ5内には、ウェハWを加熱するためのヒータ(図示せず)が設けられている。また、サセプタ5は、ニッケル等の導電性金属から成る下部電極を構成しており、且つ所定電位に接地されている。
【0030】
さらに、プロセスチャンバ2の側壁には、スロットルバルブ6を介して真空ポンプ7が接続されている。この真空ポンプ7は、プロセスチャンバ2内部を減圧すると共に、プロセスチャンバ2内部を排気するものである。またさらに、プロセスチャンバ2の側壁には、ウェハWをプロセスチャンバ2にローディング及びアンローディングするためのウェハ搬入口3aが設けられている。
【0031】
一方、蓋体4には、ガス混合部8aを含むガス流路8が設けられており、ガス混合部8aには、それぞれマスフローコントローラ(MFC;図示せず)が設けられた各配管を介して、TiClガス供給系14、Hガス供給系15、Clガス供給系16、Arガス供給系17、及びNガス供給系18が接続されている。また、蓋体4の下面部には、複数のガス導入孔(図示せず)が形成されたブロッカープレート9が設けられ、さらにその下方には、サセプタ5に対向するようにフェイスプレート10が配置されている。これらブロッカープレート9、フェイスプレート10、及びこれらで画成された空間からシャワーヘッド(反応ガス供給部)が構成されている。
【0032】
このフェイスプレート10は、上部電極を構成する円形プレートであり、Ni、又は表面にめっき等によるNiコーティングが施されたAl等の導電性金属で形成されている。また、フェイスプレート10は、複数のガス導入孔11を有しており、ガス流路8からブロッカープレート9を介して送られていたプロセスガスが、ガス導入孔11を通してサセプタ5上に載置されたウェハWに向けて供給される。さらに、フェイスプレート10におけるサセプタ5と対向する面Bには、必要に応じてブラスト処理等による粗面処理が施されている。
【0033】
かかるフェイスプレート10には、インピーダンス整合器12を介して高周波(RF)電源13が接続されており、RF電源13の投入により、フェイスプレート10とサセプタ5との間の空間Sに、一定周波数のRF電力が印加され、プラズマが形成されるようになっている。
【0034】
このように構成されたプラズマCVD装置1を用いたウェハ処理方法の一例について以下に説明する。図2は、本発明のTi膜形成方法の好適な一実施形態によりウェハW上にTi膜を形成する手順を示すフロー図である。まず、プロセスチャンバ2にウェハWを収容しない状態、又はダミーウェハを収容した状態で、所定のTi膜成膜条件で原料ガスをプロセスチャンバ2内へ供給し、プラズマCVD装置1の立ち上げを行った後、複数のウェハWの処理キャンペーンを開始する。
【0035】
次いで、真空ポンプ7により所望の真空度まで減圧したプロセスチャンバ2の内部に、ウェハWをウェハ搬送ロボット(図示せず)によりウェハ搬入口3aからローディング(搬入)して、所望の温度に加熱されたサセプタ5上に載置する(ステップSP1;Ti成膜工程)。
【0036】
次に、ヘリウムをキャリアガスとするTiClガスをTiClガス供給系14から供給すると共に、HガスをHガス供給系15からプロセスチャンバ2内へ供給する。なお、TiClガス及びHガスは、図示しないMFCによって流量制御された状態でプロセスチャンバ2内へ導入される(以下、他のガスについても同様)。これらTiClガス及びHガスは、ガス混合部8aで混合され、ガス流路8及びブロッカープレート9を介してフェイスプレート10側へ供給される。この混合ガスは、フェイスプレート10の各ガス導入孔11よりウェハWに向けて均一に拡散される。
【0037】
次いで、プロセスチャンバ2内に導入された混合ガスをスロットルバルブ6により圧力制御した状態で、RF電源13を投入してフェイスプレート10とサセプタ5との間の空間SにRF電力を印加する。すると、TiClガスとHガスとの混合ガスが空間Sでプラズマ化し、TiClガスとHガスとが解離・分解し、塩素活性種と水素活性種との結合反応が促進される。ウェハWがSi酸化膜等の酸化膜が形成されたものであれば、そのウェハW上に金属Ti膜が形成される(ステップSP2)。或いは、ウェハWが純Siウェハであれば、空間Sにプラズマを発生させたときに、塩素活性種と水素活性種との結合反応に加えて、SiとTi界面で結合反応が起こり、ウェハW上にチタンシリサイド(TiSi)から成るTi膜が形成される(ステップSP2)。
【0038】
ステップSP2は、成膜するTi膜の厚さがバリア層の第1層として要求される所望の厚さとなるまで実施する。例えば、Ti膜の膜厚としては、一般には100〜150Å(1.0×10−5〜1.5×10−5mm)程度とされ、デバイスの種類等に応じて、場合によっては、200〜300Å(2.0×10−5〜2.0×10−5mm)程度と比較的厚くされることもある。
【0039】
こうしてTi膜を形成するステップSP2においては、TiCl中のClがHガス由来のHと反応しHClとなって大部分がプロセスチャンバ2外へ排出されるが、一部のClはTi膜中に混入すると考えられる。そこで、Ti膜中のClを除去すると共に、Ti膜形成の後工程でTi膜上に形成されるバリア膜の第2層としてのTiN膜のTi膜への密着性を向上させるべく、所定膜厚のTi膜を形成するため、一定時間ステップSP2を実施した後、必要に応じてTi膜の表面改質を行う。
【0040】
この際には、まず、TiClガスとHガスの供給を停止し、高周波電力を低出力で一定に維持した状態で、プラズマCVD装置のプロセスチャンバ2内に、Hガス供給系15、Arガス供給系17、及びNガス供給系18からそれぞれHガス、Arガス、及びNガスを各々所定の流量で供給する。これらのガスは、ガス混合部8aで混合されて混合ガスとなりシャワーヘッドを通して空間Sへ導入される。それと共に、混合ガスをスロットルバルブ6により圧力制御した状態で、高周波電力の出力を一定の値に高めて混合ガスをプラズマ化させる。これにより各ガスが解離・分解し、特に窒素活性種によってTi膜の極表面が窒化される。
【0041】
次に、Hガス、及びNガスの供給を停止し、さらにRF電源13の投入を停止してRF電力の印加を止めてプラズマを消失させる。それからスロットルバルブ6を調節してプロセスチャンバ2内の圧力調整を行い、Arガスの供給を停止した後、ウェハWをプロセスチャンバ2からアンロード(搬出)する(ステップSP3)。
【0042】
次いで、プロセスチャンバ2内に、Clガス供給系からClガスを一定流量で供給し、必要に応じて適宜量のArガスを供給する。こうしてプロセスチャンバ2内をClガスでパージすることにより、Ti成膜工程(ステップSP2)においてプロセスチャンバ2内のプロセスキット表面に付着したTiやTi系化合物等がドライクリーニングされる(ステップSP4;クリーニング工程)。このとき、Clガスの流量及びパージ時間は、シャワーヘッドのフェイスプレート10の面B上等に堆積したTiやTi系化合物が過度に除去されない程度とすることが望ましい。
【0043】
処理に先立って行った装置の立ち上げ時に、フェイスプレート10上にはTiやTi系化合物が適当量堆積しており、こうすることにより、キャンペーンの最初に処理されるウェハWに対し、Ti膜の良好な膜厚均一性や膜特性が担保される。よって、ステップSP4においても、フェイスプレート10上にある程度の有用な量の堆積物が存在した状態を維持することにより、後続処理されるウェハW上に形成されるTi膜の特性が良好に維持される。
【0044】
次に、Clガスの供給を停止し、一定時間、Arガスのみをプロセスチャンバ2内へ供給し続けてプロセスチャンバ2内のClガスをパージする。その後、Arガス流量を再度調整すると共に、Hガス供給系15からHガスを供給する。このとき、Nガスを同時に供給してもよい。これらArガス及びHガスは、ガス混合部8aで混合され、ガス流路8及びブロッカープレート9を介してフェイスプレート10側へ供給され、各ガス導入孔11よりウェハWに向けて均一に拡散される。
【0045】
続けて、プロセスチャンバ2内に導入された混合ガスをスロットルバルブ6により圧力制御した状態で、RF電源13を投入してフェイスプレート10とサセプタ5との間の空間SにRF電力を印加する。これにより、ArガスとHガスとの混合ガスが空間Sでプラズマ化し、各ガスが解離・分解する。プロセスチャンバ2内には、ステップSP4で供給したパージガスのClと、それまでの工程でプロセスチャンバ2内に付着した物質やシャワーヘッド等のプロセスキットを構成する母材との反応で生じた生成物がチャンバ内に残留している。かかる残留物としては、フェイスプレート10の母材であるNiとClとを含んで成るNi塩化物(塩素系化合物であると同時にNi系化合物でもある)が挙げられる。
【0046】
プロセスチャンバ2内では、プラズマ中に生じた主として水素活性種がこのようなNi塩化物等にアタックし、それを解離・分解させてフェイスプレート10等のプロセスキットから脱着させる。こうして脱着された物質は、プロセスチャンバ2内の排気によって外部へ排出される(ステップSP5;プラズマ処理工程)。また、この際に生じたClやNiを含む化学種がさらに水素化又は還元されて気相へ移行することも考えられ、これにより、付着物の除去効率が一層高められる。このように、ステップSP5を実施することにより、プロセスチャンバ2内がHプラズマでクリーニングされる。
【0047】
また、ステップSP5においてHガスを供給してプラズマを形成している時間(プロセスタイム)としては、Ti膜の金属汚染を十分に低減する観点からは、好ましくは5秒以上、より好ましくは10秒以上とすることが望ましい。すなわち、この時間が5秒未満であると、Ti膜の金属汚染を十分に抑止できない程にプロセスチャンバ2内の残留付着物質の除去が不十分となる傾向にある。
【0048】
一方、Ti膜形成工程(ステップSP2)においてRF反射波の発生を十分に抑制する観点からも、ステップSP5のプロセスタイムを好ましくは5秒以上、より好ましくは10秒以上とすることが望ましい。すなわち、この時間が5秒未満であると、プロセスチャンバ2側のインピーダンス変動が過度に増大してしまいRF反射波の発生を十分に防止できない程に、プロセスチャンバ2内の残留付着物質の除去が不十分となる傾向にある。
【0049】
他方、パーティクル等の異物の発生を十分に抑制する観点からも、ステップSP5のプロセスタイムを好ましくは5秒以上、より好ましくは10秒以上とすることが望ましい。すなわち、この時間が5秒未満であると、パーティクルの発生やウェハW上での異物の異常成長を十分に抑制できない程に、プロセスチャンバ2内の残留付着物質の除去が不十分となる傾向にある。
【0050】
さらに、このプロセスタイムの上限を好ましくは20秒とすることが望ましい。この時間が20秒を超えると、フェイスプレート10の面B上の有用な堆積物を過度に剥離・除去してしまうおそれがあり、こうなると、Ti膜の膜厚均一性やバリア特性が損なわれる傾向にある。なお、この好適なプロセスタイムの範囲は、高周波の周波数や出力、プロセスチャンバ2内の圧力、温度等には大きく依存しない傾向にある。
【0051】
また、ステップSP5における他のプロセス条件としては、例えば;
・RF出力:300W,600W等、
・Hガス流量:3000sccm等、
・Arガス流量:5000sccm等、
を例示できる。なお、ウェハWの裏面側に、Arガスを一例として500sccm等の流量で供給してもよい。
【0052】
そして、ステップSP5が完了した後、処理対象のウェハWを全部処理したか否か、つまり処理キャンペーンが終了したか否かを判定し、キャンペーンが終了した場合には、Ti膜の形成処理を終了する。一方、キャンペーンが未了であれば、次のウェハWを処理すべく、ステップSP1に戻り、上述した手順に沿って処理を繰り返し実施する。
【0053】
なお、ステップSP3でプロセスチャンバ2から搬出されたTi膜形成後のウェハWは、図示しない熱CVD装置等の別装置に移送され、例えば、TiCl及びNHを含む原料ガスを用いた熱化学反応により、Ti膜上にTiNを形成し、バリアメタル膜を完成する。さらに、バリアメタル膜が形成されたウェハWは、図示しない更に他の熱CVD装置に移送され、例えば、タングステンヘキサフルオライド(WF)及びモノシラン(SiH)又はHを原料ガスとする熱化学反応により、TiN膜上にW膜が形成される。
【0054】
このようなTi膜形成方法によれば、ステップSP5においてプロセスチャンバ2内がHプラズマによりクリーニングされ、ステップSP4におけるClガスクリーニングの際にチャンバ内のプロセスキット上に付着した主としてNi塩化物と考えられる残留物質がチャンバ外へ排出される。よって、後続のウェハWにTi成膜するステップSP2においてTi膜の原料ガスのプラズマを形成しても、Ni塩化物から活性種が生じてプラズマシース中に混入することが十分に防止される。
【0055】
したがって、プラズマ中の活性種の割合、濃度、及びエネルギー分布の急激な変化を抑止できる。これにより、インピーダンス整合器12が追従できない程のインピーダンス変化、つまりプロセスチャンバ2側とRF電源13側とのインピーダンスの不整合が防止され、RF反射波の発生を十分に抑制できる。その結果、ウェハW間でのTi膜の成長膜厚の均質性を良好に担保でき、枚葉処理で特に重要な連続安定性を達成でき、高歩留まりを維持できる。また、RF反射波の発生源を根本的に駆逐できるので、シャワーヘッド等のプロセスキットを交換する頻度を低減できると共に、インピーダンス整合器12を含むマッチング回路の強化といった対策を施す必要がない。
【0056】
また、プロセスチャンバ2内からNi塩化物を除去でき、Ti成膜時にこれを起源とする化学種の発生を防止できるので、Ti成膜時にそのような化学種に起因する元素による汚染、特にNi塩化物由来のNiによる金属汚染を確実に防ぐことが可能となる。よって、ウェハ上の金属汚染量が許容値を超えてしまうといった不具合や、ウェハWの連続処理枚数の低下を防止できる。また、この点においても、プロセスチャンバ2内のプロセスキットの交換頻度を低減でき、さらに、キット母材の材料変更によるプロセス変更といった過大な負担を回避できる。
【0057】
さらに、プロセスチャンバ2内からNi塩化物を除去できるので、Ti成膜時にパーティクル等の異物が発生することを十分に抑止できる。よって、後工程での障害を回避でき、また、歩留まりの低下を防止できる。
【0058】
またさらに、ステップSP5におけるHプラズマを形成するプロセスタイムを上述した好適な下限値以上とすれば、RF反射波の発生、金属汚染の発生、及び異物の発生を確実に防止することができる。さらにまた、そのプロセスタイムを上述した好適な上限値以下とすれば、フェイスプレート10の面B等に付着・堆積した有用なTi系化合物を過剰に除去しないので、Ti膜の膜特性を良好に維持し易い利点がある。
【0059】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、ステップSP2の後に引き続き実施するTi膜の改質処理は実施しなくてもよい。また、Ti膜形成を行うための装置は、プラズマCVD装置1以外のタイプのチャンバシステムでもよい。さらに、ステップSP5においては、Nガスを供給しなくても構わず、Hガスは好適なプラズマ形成用ガスであって必須ではなく、他の還元性ガスを用いてもよい。
【0060】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0061】
〈実施例1〉
図2に示すステップSP5を含む手順及び上述したプロセス条件で、Si基層を有するウェハW上に約200Åの膜厚を有するTi膜を形成した。
【0062】
〈比較例1〉
ステップSP5を実行しなかったこと以外は実施例1と同様にしてウェハW上にTi膜を形成した。
【0063】
〈ウェハ上の元素定性定量分析〉
実施例1及び比較例1でTi膜を形成した各ウェハWに対し、全反射蛍光X線分析(TRXRF)を実施した。その結果、実施例1のウェハW上のNi濃度は、1013atoms/cmオーダーであったのに対し、比較例1のウェハW上のNi濃度は、1010atoms/cmオーダー(検出下限)未満であった。また、比較例1のウェハWでは、他の金属元素として、Cu,Co,Feが微量ながら観測されたのに対し、実施例1のウェハWでは、これらの元素はいずれも検出下限未満であった。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のTi膜形成方法によれば、Clガスによるクリーニングを実施した後、且つ、次に処理される基体へのTi成膜の前にチャンバ内のプラズマ処理によるクリーニングを実施するので、Clガスによるクリーニングで生じチャンバ内に残留する塩素系化合物やプロセスキット母材を構成する元素を含む化合物から含有して成る物質をチャンバ内から除去できる。これにより、Ti成膜時にRF反射波が発生することを防止でき、それのみならず、金属汚染及び異物の発生をも防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるTi膜形成方法を有効に実施するための基板処理装置としてプラズマCVD装置の一例を示す概略構成図である。
【図2】本発明のTi膜形成方法の好適な一実施形態によりウェハW上にTi膜を形成する手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
1…プラズマCVD装置、2…プロセスチャンバ(チャンバ)、3…チャンバ本体、4…蓋体、5…サセプタ、6…スロットルバルブ、7…真空ポンプ、8…ガス流路、9…ブロッカープレート、10…フェイスプレート、11…ガス導入孔、12…インピーダンス整合器、13…RF電源、14…TiClガス供給系、15…Hガス供給系、16…Clガス供給系、17…Arガス供給系、18…Nガス供給系、W…ウェハ(基体)。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a Ti film by a plasma CVD method.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of semiconductor devices, aluminum (Al) films and tungsten (W) films are widely used for filling contact holes, via holes, trenches and the like and forming wiring. When a metal film made of an Al film or a W film is formed, a mixed film of a titanium (Ti) film and a titanium nitride (TiN) film for protecting an underlayer is generally formed as a barrier metal film, and then formed thereon. A method of forming a metal film has been adopted.
[0003]
As a method for forming such a barrier metal film, a CVD method is widely used in addition to a PVD method using sputtering such as an IMP method. When the CVD method is used, specifically, for example, a method in which a Ti film is formed by a plasma CVD method and a TiN film is formed by a thermal CVD method is used. In the case where the barrier metal film is formed by a single-wafer process, the formation of the Ti film as the first layer of the mixed film has been conventionally performed, for example, in the following procedure.
[0004]
That is, first, a wafer provided with an underlayer is accommodated in a CVD chamber, and titanium tetrachloride (TiCl 4 ) Gas and hydrogen (H 2 ) A Ti film is formed by a plasma CVD method using a gas as a reaction gas. After that, the wafer is unloaded from the chamber and chlorine (Cl) is loaded in the chamber before loading the next wafer into the chamber. 2 ) Purging with a gas, whereby the Ti-based compound or the like adhering to the inside of the chamber is peeled to some extent and discharged to the outside of the chamber.
[0005]
The latter Cl 2 The gas purging is a process for preventing the Ti-based compound attached in the chamber from being a main factor of particles, and is a process for preventing the Ti-based compound. This is called processing. Such Cl 2 By performing gas cleaning, it is possible to prevent particles from increasing with time when performing a Ti film deposition process on a large number of wafers, and particularly high film thickness uniformity and adhesion are required. The quality of the Ti film is maintained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, we have found that Cl 2 A detailed study of the above-described conventional Ti film forming method using gas cleaning revealed that high frequency (RF) reflected waves could be generated during the processing of a plurality of successive wafers. In this case, the growth thickness of the Ti film varies from wafer to wafer, and there is a possibility that a problem that uniformity of film quality between wafers cannot be ensured satisfactorily. In particular, in the case of single-wafer processing, continuous stability, which is an important factor in production, and tends to adversely affect maintenance of a high yield.
[0007]
Such RF reflected waves do not always tend to occur at the same time or at the same time in a processing campaign under the same conditions, and may not be highly reproducible because they may occur irregularly, discontinuously, or rarely. . Normally, a matching network including an impedance matching device is interposed between a shower head or the like of a chamber to which RF power is applied and the RF power source, thereby matching impedance and suppressing generation of reflected waves. . However, if the system is capable of switching the impedance stepwise, or if the reflected wave fluctuates greatly instantaneously even though continuous variable adjustment is possible, it may not be possible to sufficiently follow the change.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a Ti film forming method capable of sufficiently preventing generation of an RF reflected wave at the time of film formation using a plasma CVD method.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, obtained the following findings. As described above, the RF reflected wave sometimes occurs irregularly or discontinuously, and it is difficult to imagine that the cause is due to a change over time in the electric system or the chamber structure. On the other hand, the impedance on the chamber side is likely to be affected by the state of the plasma sheath. However, while supplying a source gas for Ti film formation at a constant flow rate and applying a constant output RF power while maintaining a constant pressure in the chamber, the ratio, concentration, It is hard to imagine that the energy distribution fluctuates dramatically.
[0010]
On the other hand, TiCl is used as a source gas for Ti film formation. 4 And H 2 When gas is used, TiCl 4 Ti dissociated from the GaN deposits and grows on the wafer, and part of the Ti adheres to the chamber as a Ti-based compound. On the other hand, most of the dissociated Cl is H 2 Combine with H originating in gas to form HCl, or Cl 2 Most of the gas is exhausted out of the chamber. At this time, a part of Cl may be taken into the Ti film and may adhere to the chamber as a chlorine-based compound.
[0011]
These substances adhering to the chamber are formed by Cl, which is continuously performed after the Ti film is formed. 2 It can be removed by cleaning the chamber by purging the gas. However, at this time Cl supplied in gaseous form 2 There is a possibility that a product such as a chlorine-based compound generated by reacting with an adhering substance in the chamber or a constituent material of a structure in the chamber may remain in the chamber. When plasma for forming a Ti film is formed in a chamber where such a residual substance exists, active species originating from the residual substance may be generated. In such a case, the impedance on the chamber side may be drastically changed so that the matching circuit cannot follow.
[0012]
The present inventors have presumed that there is a close causal relationship between the generation of the residual chlorine-based material in the chamber and the RF reflected wave, and have completed the present invention based on the above findings. Was.
[0013]
That is, in the Ti film forming method according to the present invention, a Ti film forming step of accommodating a substrate in a chamber and forming a Ti film on the substrate by a plasma CVD method is performed. 2 A method of treating a plurality of substrates by repeatedly performing a cleaning step of purging with a gas, the method including a plasma processing step of forming plasma in a chamber after performing the cleaning step.
[0014]
When such a Ti film forming method is used, for example, TiCl 4 Gas and H 2 A Ti film forming process using a gas as a source gas; 2 A Ti film is formed by single-wafer processing in which a gas cleaning process is alternately performed. At this time, since the plasma processing step is performed between the cleaning step and the Ti film forming step for the next substrate, the inside of the chamber where residual substances such as chlorine-based compounds generated in the cleaning step may be exposed to the plasma. . As a result, the active species constituting the plasma attack the chlorine-based compounds and react with them to decompose and dissociate the compounds, thereby removing, as it were, “striking” from the chamber.
[0015]
As a result, a chemical species derived from a chlorine-based compound or a nickel (Ni) -based compound Is sufficiently suppressed from being contaminated by the chemical species derived from.
[0016]
Alternatively, separately from the viewpoint of processing a plurality of substrates in a single-wafer manner, if attention is paid to the Ti film forming process on each substrate, the Ti film forming method according to the present invention accommodates the substrate in a chamber and A method of forming a Ti film on a substrate, comprising: a cleaning step of purging the chamber with chlorine gas before accommodating the substrate in the chamber; and a plasma processing step of forming plasma in the chamber subjected to the cleaning step. And a Ti film forming step of forming a Ti film by a plasma CVD method while accommodating a substrate in a chamber subjected to a plasma processing step.
[0017]
Specifically, in the plasma processing step, H 2 It is desirable to supply gas. In this way, in the plasma processing step, hydrogen ions (H + ) And hydrogen radicals (H * ) Is formed. As a result, chlorine ions (Cl ) And chlorine radicals (Cl * ) Can be combined with the hydrogen active species, so that the efficiency of discharging residual substances out of the chamber is enhanced.
[0018]
Here, the present inventor conducted a more detailed study on the conventional Ti film forming method, and found that the following problems could occur in addition to the generation of the RF reflected wave.
[0019]
(1) Risk of metal contamination
When performing a Ti film forming process on a plurality of wafers using the conventional method, a significant amount of metal may adhere to the wafer, and rarely deviate from the allowable value of metal contamination. This tends to occur particularly when the number of processed sheets increases. In this case, it is necessary to increase the frequency of replacement of the process kit in the chamber, and in some cases, to change the material of the kit base material. In particular, the change of the kit base material is nothing less than a change in the process, and involves very great difficulties.
[0020]
Then, when an attempt was made to qualify and quantify the contaminated metal, it was found that nickel (Ni) was the main component. In general, a process kit such as a gas supply unit (shower head) provided in a plasma CVD chamber for Ti film formation is exposed to a high-temperature corrosive environment of 600 ° C. or more (for example, a temperature near a face plate of a shower head), and thus is deformed. In order to sufficiently prevent corrosion and corrosion, Ni is often used as a constituent material. In some cases, an aluminum material is used after being coated with Ni, but in order to impart sufficient resistance, a material obtained by cutting a solid Ni material is useful. From this, it was confirmed that the possibility that the contaminated metal was derived from the base material of the process kit was extremely high.
[0021]
In addition, even if a chamber having a shower head made of Ni is used, Cl 2 Without cleaning by gas purging, it is difficult to maintain good film properties. 2 The degree of contamination was lower than when gas cleaning was performed for each wafer process. As a result, the chlorine-based compound remaining in the chamber is combined with the base material component of the process kit, which is etched in a small amount at the time of forming the Ti film, for example, Ni x Cl y It is presumed that a Ni-based compound such as Ni chloride is generated, and this probably adheres to the wafer.
[0022]
(2) Foreign matter (including particles) may be generated
When performing a Ti film formation process on a plurality of wafers using the conventional method, particles may be generated particularly during the initial stage of the processing campaign, that is, for a certain period after the chamber is started. If such particles are present, they may hinder the subsequent process and adversely affect the yield.
[0023]
When the components of such particles were analyzed, those containing Ni in addition to the Ti-based compound were confirmed. This Ni is considered to be derived from the process kit in the chamber as described in (1) above. That is, Cl 2 Ni separated from the base material of the kit by gas cleaning, and Ni-based compounds generated by reacting with other substances such as Cl, reach the wafer surface, and react with, for example, silicon (Si) on the wafer surface to become abnormal. It is supposed to grow.
[0024]
On the other hand, when a Ti film forming method of the present invention in which a plasma processing step is performed between a Ti film forming step and a cleaning step using a chamber having a shower head made of a Ni base material, metal contamination and foreign matter are generated. When the amount was measured, the Ni amount on the wafer surface was less than the lower limit of detection, and there was almost no foreign matter such as particles throughout the processing campaign. In particular, in the plasma processing step, H 2 It has been confirmed that the effect can be further enhanced by using a gas.
[0025]
That is, in the present invention, TiCl is used as the chamber. 4 This is extremely effective when using a gas-introduced reaction gas supply unit having at least a surface made of Ni. In this case, the active species (H 2 In the case of plasma, the chlorine-based compound and the Ni-based compound described above are wiped off by the hydrogen active species, and the precursor which is a metal component and a foreign substance which can be deposited on the substrate to be subsequently processed is fundamentally removed. Is eliminated.
[0026]
Further, in the plasma processing step, it is more preferable that the plasma forming time is 5 to 20 seconds. By doing so, the chlorine-based compound and the Ni-based compound remaining in the chamber are sufficiently decomposed and removed, and at the same time, Ti which is deposited on a process kit in the chamber, particularly a face plate of a shower head, is useful in terms of film forming properties. Excessive removal of the system material is suppressed.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The positional relationship such as up, down, left, and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. The dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.
[0028]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a plasma CVD apparatus as a substrate processing apparatus for effectively implementing a Ti film forming method according to the present invention. In FIG. 1, the plasma CVD apparatus 1 includes a process chamber 2 (chamber). The process chamber 2 includes a chamber body 3 and a lid 4 provided on an upper portion of the chamber body 3. .
[0029]
A susceptor 5 for supporting a wafer W (substrate) is disposed in the process chamber 2, and a heater (not shown) for heating the wafer W is provided in the susceptor 5. The susceptor 5 constitutes a lower electrode made of a conductive metal such as nickel and is grounded to a predetermined potential.
[0030]
Further, a vacuum pump 7 is connected to a side wall of the process chamber 2 via a throttle valve 6. The vacuum pump 7 depressurizes the inside of the process chamber 2 and exhausts the inside of the process chamber 2. Further, on the side wall of the process chamber 2, a wafer loading port 3 a for loading and unloading the wafer W into and from the process chamber 2 is provided.
[0031]
On the other hand, the lid 4 is provided with a gas flow path 8 including a gas mixing section 8a, and the gas mixing section 8a is connected to each of the gas mixing sections 8a via a pipe provided with a mass flow controller (MFC; not shown). , TiCl 4 Gas supply system 14, H 2 Gas supply system 15, Cl 2 Gas supply system 16, Ar gas supply system 17, and N 2 A gas supply system 18 is connected. A blocker plate 9 having a plurality of gas introduction holes (not shown) is provided on the lower surface of the lid 4, and a face plate 10 is disposed below the blocker plate 9 so as to face the susceptor 5. Have been. A shower head (reactive gas supply unit) is constituted by the blocker plate 9, the face plate 10, and the space defined by these.
[0032]
The face plate 10 is a circular plate forming an upper electrode, and is formed of a conductive metal such as Ni or Al having a surface coated with Ni by plating or the like. The face plate 10 has a plurality of gas introduction holes 11, and the process gas sent from the gas flow path 8 via the blocker plate 9 is placed on the susceptor 5 through the gas introduction holes 11. The wafer W is supplied toward the wafer W. Further, the surface B of the face plate 10 facing the susceptor 5 is subjected to a rough surface treatment such as a blast treatment as necessary.
[0033]
A high frequency (RF) power supply 13 is connected to the face plate 10 via an impedance matching device 12. When the RF power supply 13 is turned on, a space S between the face plate 10 and the susceptor 5 has a constant frequency. RF power is applied to form a plasma.
[0034]
An example of a wafer processing method using the plasma CVD apparatus 1 configured as described above will be described below. FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for forming a Ti film on a wafer W according to a preferred embodiment of the Ti film forming method of the present invention. First, in a state where the wafer W is not housed in the process chamber 2 or a state where a dummy wafer is housed, a source gas is supplied into the process chamber 2 under a predetermined Ti film forming condition, and the plasma CVD apparatus 1 is started. Thereafter, a processing campaign for a plurality of wafers W is started.
[0035]
Next, the wafer W is loaded (loaded) from the wafer loading port 3a by the wafer transfer robot (not shown) into the process chamber 2 in which the pressure is reduced to a desired degree of vacuum by the vacuum pump 7, and is heated to a desired temperature. (Step SP1; Ti film forming step).
[0036]
Next, TiCl using helium as a carrier gas 4 Gas is TiCl 4 While being supplied from the gas supply system 14, H 2 Gas to H 2 The gas is supplied from the gas supply system 15 into the process chamber 2. Note that TiCl 4 Gas and H 2 The gas is introduced into the process chamber 2 while the flow rate is controlled by an MFC (not shown) (hereinafter, the same applies to other gases). These TiCl 4 Gas and H 2 The gas is mixed in the gas mixing section 8a and supplied to the face plate 10 via the gas flow path 8 and the blocker plate 9. This mixed gas is uniformly diffused from each gas introduction hole 11 of the face plate 10 toward the wafer W.
[0037]
Next, while the pressure of the mixed gas introduced into the process chamber 2 is controlled by the throttle valve 6, the RF power supply 13 is turned on to apply RF power to the space S between the face plate 10 and the susceptor 5. Then, TiCl 4 Gas and H 2 The mixed gas with the gas is turned into plasma in the space S, and TiCl 4 Gas and H 2 The gas is dissociated and decomposed, and the binding reaction between the chlorine active species and the hydrogen active species is promoted. If the wafer W has an oxide film such as a Si oxide film formed thereon, a metal Ti film is formed on the wafer W (step SP2). Alternatively, if the wafer W is a pure Si wafer, when plasma is generated in the space S, a bonding reaction occurs at the Si-Ti interface in addition to the bonding reaction between the chlorine active species and the hydrogen active species, and the wafer W Titanium silicide (TiSi x ) Is formed (step SP2).
[0038]
Step SP2 is performed until the thickness of the Ti film to be formed reaches a desired thickness required as the first layer of the barrier layer. For example, the thickness of the Ti film is generally 100 to 150 ° (1.0 × 10 -5 ~ 1.5 × 10 -5 mm), and depending on the type of device and the like, in some cases, 200 to 300 ° (2.0 × 10 -5 ~ 2.0 × 10 -5 mm) in some cases.
[0039]
In step SP2 for forming a Ti film in this manner, TiCl 4 Cl inside is H 2 Although it reacts with H derived from gas to become HCl and is mostly discharged to the outside of the process chamber 2, it is considered that a part of Cl is mixed into the Ti film. Therefore, in order to remove Cl in the Ti film and improve the adhesion of the TiN film as the second layer of the barrier film formed on the Ti film in the post-process of forming the Ti film to the Ti film, a predetermined film is formed. In order to form a thick Ti film, after performing step SP2 for a certain period of time, the surface of the Ti film is modified as necessary.
[0040]
In this case, first, TiCl 4 Gas and H 2 With the supply of gas stopped and the high-frequency power kept constant at a low output, H was introduced into the process chamber 2 of the plasma CVD apparatus. 2 Gas supply system 15, Ar gas supply system 17, and N 2 H from the gas supply system 18 2 Gas, Ar gas, and N 2 The gas is supplied at a predetermined flow rate. These gases are mixed in the gas mixing section 8a to become a mixed gas, and are introduced into the space S through the shower head. At the same time, while the pressure of the mixed gas is controlled by the throttle valve 6, the output of the high-frequency power is increased to a constant value to convert the mixed gas into plasma. As a result, each gas is dissociated and decomposed, and particularly, the very surface of the Ti film is nitrided by the nitrogen active species.
[0041]
Next, H 2 Gas and N 2 The supply of gas is stopped, the supply of RF power 13 is stopped, and the application of RF power is stopped to extinguish the plasma. Then, the pressure in the process chamber 2 is adjusted by adjusting the throttle valve 6, and after the supply of the Ar gas is stopped, the wafer W is unloaded (unloaded) from the process chamber 2 (step SP3).
[0042]
Next, Cl 2 is introduced into the process chamber 2. 2 Cl from gas supply system 2 A gas is supplied at a constant flow rate, and an appropriate amount of Ar gas is supplied as needed. Thus, the inside of the process chamber 2 is 2 By purging with a gas, dry cleaning of Ti, Ti-based compounds, and the like adhered to the surface of the process kit in the process chamber 2 in the Ti film forming step (Step SP2) (Step SP4; cleaning step). At this time, Cl 2 The gas flow rate and the purge time are desirably set so that Ti or a Ti-based compound deposited on the surface B of the face plate 10 of the shower head or the like is not excessively removed.
[0043]
When the apparatus is started prior to the processing, an appropriate amount of Ti or a Ti-based compound is deposited on the face plate 10, so that a Ti film is formed on the wafer W to be processed first in the campaign. Good film thickness uniformity and film characteristics are ensured. Therefore, also in step SP4, by maintaining the state in which a certain amount of useful deposits exist on the face plate 10, the characteristics of the Ti film formed on the wafer W to be subsequently processed are favorably maintained. You.
[0044]
Next, Cl 2 The supply of the gas is stopped, and only the Ar gas is continuously supplied to the process chamber 2 for a certain period of time, so that the Cl 2 Purge gas. After that, while adjusting the Ar gas flow rate again, 2 H from gas supply system 15 2 Supply gas. At this time, N 2 Gas may be supplied simultaneously. These Ar gas and H 2 The gas is mixed in the gas mixing section 8a, supplied to the face plate 10 side through the gas flow path 8 and the blocker plate 9, and uniformly diffused from each gas introduction hole 11 toward the wafer W.
[0045]
Subsequently, while the pressure of the mixed gas introduced into the process chamber 2 is controlled by the throttle valve 6, the RF power supply 13 is turned on to apply RF power to the space S between the face plate 10 and the susceptor 5. Thereby, Ar gas and H 2 The mixed gas with the gas is turned into plasma in the space S, and each gas is dissociated and decomposed. In the process chamber 2, the purge gas Cl supplied in step SP4 is placed. 2 In addition, a product generated by a reaction with a substance adhered to the process chamber 2 in the process up to that time and a base material constituting a process kit such as a shower head remains in the chamber. Such a residue includes Ni chloride (which is a chlorine-based compound and also a Ni-based compound) containing Ni and Cl, which are base materials of the face plate 10.
[0046]
In the process chamber 2, mainly hydrogen active species generated in the plasma attack such Ni chloride and the like, dissociate and decompose it, and desorb from the process kit such as the face plate 10. The substance thus desorbed is exhausted to the outside by exhausting the inside of the process chamber 2 (step SP5; plasma processing step). Further, it is conceivable that the chemical species including Cl and Ni generated at this time is further hydrogenated or reduced and shifts to a gaseous phase, thereby further improving the efficiency of removing adhering substances. As described above, by performing step SP5, the inside of the process chamber 2 becomes H 2 It is cleaned with plasma.
[0047]
In step SP5, H 2 From the viewpoint of sufficiently reducing metal contamination of the Ti film, the time during which plasma is formed by supplying gas (process time) is preferably 5 seconds or more, more preferably 10 seconds or more. . That is, if this time is less than 5 seconds, the removal of the remaining adhered substances in the process chamber 2 tends to be insufficient so that the metal contamination of the Ti film cannot be sufficiently suppressed.
[0048]
On the other hand, from the viewpoint of sufficiently suppressing the generation of an RF reflected wave in the Ti film forming step (step SP2), the process time of step SP5 is preferably set to 5 seconds or more, more preferably 10 seconds or more. That is, if this time is less than 5 seconds, the change in the impedance on the process chamber 2 side excessively increases and the generation of the RF reflected wave cannot be sufficiently prevented, so that the remaining adhering substance in the process chamber 2 is removed. It tends to be insufficient.
[0049]
On the other hand, from the viewpoint of sufficiently suppressing the generation of foreign matters such as particles, the process time of step SP5 is preferably set to 5 seconds or more, more preferably 10 seconds or more. That is, if the time is less than 5 seconds, the removal of the remaining adhered substances in the process chamber 2 tends to be insufficient such that generation of particles and abnormal growth of foreign substances on the wafer W cannot be sufficiently suppressed. is there.
[0050]
Further, it is desirable that the upper limit of the process time is preferably set to 20 seconds. If the time exceeds 20 seconds, useful deposits on the surface B of the face plate 10 may be excessively peeled off and removed, and the uniformity of the thickness of the Ti film and the barrier properties are impaired. There is a tendency. Note that the preferable range of the process time does not tend to largely depend on the frequency and output of the high frequency, the pressure and the temperature in the process chamber 2, and the like.
[0051]
Other process conditions in step SP5 include, for example:
・ RF output: 300W, 600W, etc.
・ H 2 Gas flow rate: 3000 sccm, etc.
Ar gas flow rate: 5000 sccm, etc.
Can be exemplified. Note that Ar gas may be supplied to the rear surface side of the wafer W at a flow rate of, for example, 500 sccm.
[0052]
Then, after step SP5 is completed, it is determined whether or not all the processing target wafers W have been processed, that is, whether or not the processing campaign has been completed. If the campaign has been completed, the Ti film formation processing is completed. I do. On the other hand, if the campaign has not been completed, the process returns to step SP1 to process the next wafer W, and the processing is repeatedly performed according to the above-described procedure.
[0053]
Note that the wafer W after the formation of the Ti film, which is unloaded from the process chamber 2 in step SP3, is transferred to another apparatus such as a thermal CVD apparatus (not shown). 4 And NH 3 A TiN is formed on the Ti film by a thermochemical reaction using a raw material gas containing, and a barrier metal film is completed. Further, the wafer W on which the barrier metal film has been formed is transferred to still another thermal CVD apparatus (not shown), for example, tungsten hexafluoride (WF). 6 ) And monosilane (SiH 4 ) Or H 2 A W film is formed on the TiN film by a thermochemical reaction using as a source gas.
[0054]
According to such a Ti film forming method, the inside of the process chamber 2 is H in step SP5. 2 It is cleaned by plasma, and Cl in step SP4 2 At the time of gas cleaning, residual substances mainly attached to the process kit in the chamber and considered to be Ni chloride are discharged out of the chamber. Therefore, even if the plasma of the source gas for the Ti film is formed in the step SP2 of forming the Ti film on the subsequent wafer W, active species are generated from the Ni chloride and mixed into the plasma sheath.
[0055]
Therefore, a rapid change in the ratio, concentration, and energy distribution of the active species in the plasma can be suppressed. As a result, an impedance change that cannot be followed by the impedance matching device 12, that is, an impedance mismatch between the process chamber 2 and the RF power supply 13 is prevented, and generation of an RF reflected wave can be sufficiently suppressed. As a result, the uniformity of the growth thickness of the Ti film between the wafers W can be ensured well, and particularly important continuous stability can be achieved in the single-wafer processing, and a high yield can be maintained. Further, since the source of the RF reflected wave can be fundamentally eliminated, the frequency of replacing a process kit such as a shower head can be reduced, and it is not necessary to take measures such as strengthening a matching circuit including the impedance matching unit 12.
[0056]
In addition, since Ni chloride can be removed from the process chamber 2 and the generation of chemical species originating therefrom can be prevented during Ti film formation, contamination by elements due to such chemical species during Ti film formation, particularly Ni Metal contamination due to chloride-derived Ni can be reliably prevented. Therefore, it is possible to prevent a problem that the amount of metal contamination on the wafer exceeds an allowable value and a decrease in the number of continuously processed wafers W. Also in this regard, the frequency of replacing the process kit in the process chamber 2 can be reduced, and an excessive burden such as a process change due to a change in the material of the kit base material can be avoided.
[0057]
Further, since Ni chloride can be removed from the inside of the process chamber 2, it is possible to sufficiently suppress the generation of foreign substances such as particles during the formation of Ti. Therefore, it is possible to avoid obstacles in later steps and prevent a decrease in yield.
[0058]
Further, H in step SP5 2 When the process time for forming the plasma is equal to or longer than the above-described preferable lower limit, generation of an RF reflected wave, generation of metal contamination, and generation of foreign matter can be reliably prevented. Furthermore, if the process time is set to be equal to or less than the above-mentioned preferable upper limit value, the useful Ti-based compound attached and deposited on the surface B of the face plate 10 and the like is not excessively removed, so that the film characteristics of the Ti film can be improved. It has the advantage of being easy to maintain.
[0059]
As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, the modification process of the Ti film that is performed after step SP2 may not be performed. Further, the apparatus for forming the Ti film may be a chamber system of a type other than the plasma CVD apparatus 1. Further, in step SP5, N 2 It does not matter if gas is not supplied. 2 The gas is a suitable plasma forming gas and is not essential, and another reducing gas may be used.
[0060]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[0061]
<Example 1>
Under the procedure including step SP5 shown in FIG. 2 and the above-described process conditions, a Ti film having a thickness of about 200 ° was formed on the wafer W having the Si base layer.
[0062]
<Comparative Example 1>
A Ti film was formed on the wafer W in the same manner as in Example 1 except that Step SP5 was not performed.
[0063]
<Qualitative elemental analysis on wafer>
Each wafer W on which a Ti film was formed in Example 1 and Comparative Example 1 was subjected to total reflection X-ray fluorescence analysis (TRXRF). As a result, the Ni concentration on the wafer W of Example 1 was 10 Thirteen atoms / cm 2 On the other hand, the Ni concentration on the wafer W of Comparative Example 1 was 10 10 atoms / cm 2 It was less than the order (lower detection limit). In addition, in the wafer W of Comparative Example 1, Cu, Co, and Fe were observed in trace amounts as other metal elements, whereas in the wafer W of Example 1, all of these elements were less than the lower detection limit. Was.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the Ti film forming method of the present invention, Cl 2 Since cleaning by plasma processing in the chamber is performed after the cleaning with the gas and before the Ti film is formed on the substrate to be processed next, 2 It is possible to remove from the inside of the chamber any chlorine-based compounds generated by cleaning with gas and remaining in the chamber and substances contained from compounds containing elements constituting the base material of the process kit. As a result, it is possible to prevent the generation of an RF reflected wave at the time of forming the Ti film, and also to prevent the occurrence of metal contamination and foreign matter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a plasma CVD apparatus as a substrate processing apparatus for effectively implementing a Ti film forming method according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for forming a Ti film on a wafer W according to a preferred embodiment of the Ti film forming method of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma CVD apparatus, 2 ... Process chamber (chamber), 3 ... Chamber main body, 4 ... Lid, 5 ... Susceptor, 6 ... Throttle valve, 7 ... Vacuum pump, 8 ... Gas flow path, 9 ... Blocker plate, 10 ... Face plate, 11 ... Gas introduction hole, 12 ... Impedance matching device, 13 ... RF power supply, 14 ... TiCl 4 Gas supply system, 15 ... H 2 Gas supply system, 16 ... Cl 2 Gas supply system, 17 ... Ar gas supply system, 18 ... N 2 Gas supply system, W: wafer (substrate).

Claims (5)

チャンバ内に基体を収容しプラズマCVD法により該基体上にTi膜を形成するTi成膜工程と、該基体を該チャンバから取り出した状態で該チャンバ内をClガスでパージするクリーニング工程と、を繰り返し実施して複数の基体を処理する方法であって、
前記クリーニング工程を実施した後に、前記チャンバ内にプラズマを形成するプラズマ処理工程を備える、Ti膜形成方法。
A Ti film forming step of accommodating a substrate in a chamber and forming a Ti film on the substrate by a plasma CVD method, a cleaning step of purging the chamber with Cl 2 gas with the substrate taken out of the chamber, A method of treating a plurality of substrates by repeatedly performing
A method of forming a Ti film, comprising: a plasma processing step of forming plasma in the chamber after performing the cleaning step.
チャンバ内に基体を収容し該基体上にTi膜を形成する方法であって、
前記基体を前記チャンバ内に収容する前に、該チャンバ内を塩素ガスでパージするクリーニング工程と、
前記クリーニング工程を施したチャンバ内にプラズマを形成するプラズマ処理工程と、
前記プラズマ処理工程を施したチャンバ内に前記基体を収容しプラズマCVD法により前記Ti膜を形成するTi成膜工程と、
を備えるTi膜形成方法。
A method for housing a substrate in a chamber and forming a Ti film on the substrate,
Before accommodating the substrate in the chamber, a cleaning step of purging the chamber with chlorine gas;
A plasma processing step of forming plasma in the chamber subjected to the cleaning step,
A Ti film forming step of accommodating the substrate in a chamber subjected to the plasma processing step and forming the Ti film by a plasma CVD method;
A method for forming a Ti film, comprising:
前記プラズマ処理工程においては、前記チャンバ内に水素ガスを供給する、請求項1又は2に記載のTi膜形成方法。3. The Ti film forming method according to claim 1, wherein a hydrogen gas is supplied into the chamber in the plasma processing step. 前記チャンバとして、TiClガスが導入され且つ少なくとも表面がNiで構成された反応ガス供給部を有するものを用いる、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のTi膜形成方法。
As the chamber, a chamber having a reaction gas supply unit into which TiCl 4 gas is introduced and at least a surface of which is made of Ni is used.
The method of forming a Ti film according to claim 1.
前記プラズマ処理工程においては、プラズマを形成している時間を5〜20秒とする、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のTi膜形成方法。
In the plasma processing step, the plasma forming time is 5 to 20 seconds,
The method of forming a Ti film according to claim 1.
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