KR100903484B1 - 실리콘 함유 절연막을 형성하는 ｃｖｄ 방법 및 장치 - Google Patents

실리콘 함유 절연막을 형성하는 ｃｖｄ 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

CVD 장치(2)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막으로 이루어지는 군으로부터 선택된 막으로 이루어지는 절연막을 형성한다. CVD 장치는 피처리 기판(W)을 수납하기 위한 처리실(8)과, 처리실 내로 피처리 기판을 지지하기 위한 지지 부재(20)와, 지지 부재에 지지된 피처리 기판을 가열하는 히터(12)와, 처리실 내를 진공 배기하는 배기부(39)와, 처리실 내에 가스를 공급하는 공급부(40)를 포함한다. 공급부는 실란계 가스로부터 실질적이 되는 제1 가스를 공급하는 제1 공급계(42)와, 산화 가스, 질화 가스 및 산질화 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 가스로부터 실질적이 되는 제2 가스를 공급하는 제2 공급계(44)와, 탄화수소 가스로부터 실질적이 되는 제3 가스를 공급하는 제3 공급계(46)를 포함하고, 제1, 제2 및 제3 가스는 동시에 공급 가능하다.
처리실, 외통, 내통, 웨이퍼 보트, 매니폴드, 덮개부, 노즐

Description

실리콘 함유 절연막을 형성하는 ＣＶＤ 방법 및 장치{CVD METHOD AND DEVICE FOR FORMING SILICON-CONTAINING INSULATION FILM}
본 발명은, 피처리 기판 상에 실리콘 함유 절연막을 형성하기 위한 CVD 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스 중의 절연막으로서, SiO2, PSG(Phospho Silicate Glass), P(플라즈마 CVD로 형성된)-SiO, P(플라즈마 CVD로 형성된)-SiN, SOG(Spin On Glass), Si3N4(실리콘 질화막) 등이 사용된다. 반도체 웨이퍼의 표면에 상술한 바와 같이 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막을 형성하는 방법으로서, 실리콘 소스 가스로서 모노실란(SiH4), 디클로로실란(DCS : SiH2Cl2), 헥사클로로디실란(HCD : Si2Cl6), 비스타-샬부틸아미노실란(BTBAS : SiH2(NH(C4H9 ))2 등의 실란계 가스를 실리콘 소스 가스로서 이용하여, 열 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 성막하는 방법이 알려져 있다.
구체적으로는, 예를 들어 실리콘 산화막을 퇴적하는 경우 SiH4 + N20, SiH2Cl 2 + N20, 또는 TEOS(테트라에톡시실란) + O2 등의 가스 조합에서 열 CVD에 의해 실리 콘 산화막을 형성한다. 또한, 실리콘 질화막을 퇴적하는 경우 SiH2Cl2 + NH3 혹은 Si2Cl6 + NH3 등의 가스 조합에서 열 CVD에 의해 실리콘 질화막을 형성한다.
반도체 디바이스의 한층 더 고미세화 및 고집적화에 수반하여, 상술한 바와 같이 절연막도 한층 더 박막화가 필요로 되어 있다. 열 CVD의 성막 처리시의 온도에 관해서도, 절연막의 하측에 이미 형성되는 각종 막의 전기적 특성을 유지하는 것이 필요하기 때문에, 보다 저온화가 진행되고 있다. 이 점에 관하여, 예를 들어 실리콘 질화막을 열 CVD에 의해 퇴적하는 경우, 종래는 760 ℃ 정도의 고온에서 이 실리콘 질화막의 퇴적을 행하고 있다. 그러나, 최근 600 ℃ 정도까지 온도를 내려 열 CVD에 의해 퇴적하는 경우도 있다.
반도체 디바이스를 형성하는 경우, 도전막이나 상술한 바와 같은 절연막을 서로 적층하고, 패턴 에칭을 행하면서 다층 구조로 한다. 절연막을 형성한 후에 이 위에 다른 박막을 형성하는 경우, 상기 절연막의 표면이 유기물이나 파티클 등의 오염물이 부착되어 있을 가능성이 있다. 이로 인해, 필요에 따라서 이 오염물을 제거하는 목적으로 클리닝 처리를 행한다. 이 경우, 반도체 웨이퍼를 희불소산 등의 클리닝액에 침지시켜 절연막의 표면을 에칭한다. 이에 의해, 절연막의 표면을 매우 얇게 깎아 내어 오염물을 제거한다.
상기 절연막을 예를 들어 760 ℃ 정도의 고온에서 CVD 성막한 경우, 절연막의 클리닝시의 에칭률은 상당히 작아진다. 이로 인해, 클리닝시에 이 절연막이 지나치게 깎아 내어지는 일 없이, 막 두께의 제어성이 좋은 상태에서 클리닝 처리를 행할 수 있다. 이에 대해, 상기 절연막을 예를 들어 600 ℃ 정도의 낮은 온도로 CVD 성막한 경우, 절연막의 클리닝시 에칭률은 상당히 커진다. 이로 인해, 클리닝시에 이 절연막이 지나치게 깎아 내어지는 경우가 발생되어, 클리닝 처리시 막 두께의 제어성이 떨어져 버린다.
본 발명은, 비교적 저온에서 성막해도 클리닝시의 에칭률을 비교적 작게 할 수 있어, 클리닝시의 막 두께의 제어성을 향상시킬 수 있는 실리콘 함유 절연막을 형성하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 시점은, 실리콘 함유 절연막을 형성하는 CVD 방법이며,
피처리 기판을 수납한 처리실 내를 배기하면서, 상기 처리실 내로 성막 가스를 공급하고, 상기 피처리 기판 상에 상기 절연막을 퇴적에 의해 형성하는 공정을 구비하고, 여기에서 상기 성막 가스와 함께 탄화수소 가스를 공급한다.
본 발명의 제2 시점은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막으로 이루어지는 군으로부터 선택된 막으로부터 실질적이 되는 절연막을 형성하는 CVD 방법이며,
피처리 기판을 수납한 처리실 내를 가열하는 동시에 배기하면서, 상기 처리실 내에 실란계 가스로부터 실질적이 되는 제1 가스와, 산화 가스, 질화 가스 및 산질화 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 가스로부터 실질적이 되는 제2 가스와, 탄화수소 가스로부터 실질적이 되는 제3 가스를 공급하고, 상기 피처리 기판 상에 상기 절연막을 퇴적에 의해 형성하는 공정을 구비하고, 상기 제1 가스에 대한 상기 제3 가스의 유량비는 10 내지 100이다.
본 발명의 제3 시점은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막으로 이루어지는 군으로부터 선택된 막으로부터 실질적이 되는 절연막을 형성하는 CVD 장치이며,
피처리 기판을 수납하기 위한 처리실과,
상기 처리실 내로 상기 피처리 기판을 지지하기 위한 지지 부재와,
상기 지지 부재에 지지된 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
상기 처리실 내를 진공 배기하는 배기부와,
상기 처리실 내에 가스를 공급하는 공급부를 구비하고, 상기 공급부는 실란계 가스로부터 실질적이 되는 제1 가스를 공급하는 제1 공급계와, 산화 가스, 질화 가스 및 산질화 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 가스로부터 실질적이 되는 제2 가스를 공급하는 제2 공급계와, 탄화수소 가스로부터 실질적이 되는 제3 가스를 공급하는 제3 공급계를 구비하고, 제1, 제2 및 제3 가스는 동시에 공급 가능하다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 CVD 장치를 도시하는 단면도.
도2는 제1 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 유량과, 실리콘 질화막 중의 탄소 성분 농도의 관계를 나타내는 그래프.
도3은 제2 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 예비 가열 온도와, 실리콘 질화 막 중의 탄소 성분 농도의 관계를 나타내는 그래프.
도4는 제3 실험에 의해 얻어진 실리콘 질화막 중의 탄소 성분 농도와, 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프.
도5는 제4 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 예비 가열 온도와, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프.
도6은 제5 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 유량(예비 가열 있음/없음)과, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프.
도7은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 CVD 장치를 도시하는 단면도.
도8은 제6 실험에 의해 얻어진 탄화수소 가스의 유량과, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프.
도9는 제7 실험에 의해 얻어진 에틸렌 가스의 유량과, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프.
본 발명자들은, 본 발명의 개발 과정에서 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 등의 실리콘 함유 절연막을 클리닝할 때의 에칭률에 대해 연구하였다. 그 결과, 절연막 중에 탄소 성분을 적극적으로 함유시킴으로써, 클리닝시의 에칭률을 작게 억제할 수 있다는 지견을 얻었다.
이하에 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 부여하여 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
<제1 실시 형태>
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 CVD 장치를 도시하는 단면도이다. 이 CVD 장치(2)는 실란계 가스(실리콘 소스 가스)로부터 실질적이 되는 제1 가스와, 산화 가스, 질화 가스 및 산질화 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 가스로 이루어지는 제2 가스와, 탄화수소 가스로 이루어지는 제3 가스를 동시에 공급하고, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막으로 이루어지는 군으로부터 선택된 막으로 이루어지는 절연막을 형성하도록 구성된다. 일예로서, 예를 들어 Si2Cl6와 NH3 가스를 이용하여 실리콘 질화막을 퇴적할 때에 탄화수소 가스를 공급하여 막 중에 탄소 성분을 함유시킨다.
도1에 도시한 바와 같이, CVD 장치(2)는 통 부재형의 석영으로 된 내통(4)과, 그 외측에 소정의 간극(10)을 통해 동심원형으로 배치한 석영으로 된 외통(6)으로 이루어지는 2중관 구조의 처리실(8)을 갖는다. 처리실(8)의 외측은 가열 히터 등의 가열 수단(12)과 단열재(14)를 구비한 가열로(16)에 의해 덮여진다. 가열 수단(12)은 단열재(14)의 내면에 전체면에 걸쳐 배치된다. 또, 본 실시 형태에 있어서, 처리실(8)의 내통(4)의 내경은 240 ㎜ 정도, 높이는 1300 ㎜ 정도의 크기이 며, 처리실(8)의 용적은 대략 110 리터 정도이다.
처리실(8)의 하단부는, 예를 들어 스테인레스 스틸로 된 통 부재형의 매니폴드(18)에 의해 지지된다. 내통(4)의 하단부는 매니폴드(18)의 내벽보다 내측으로 돌출시킨 링형의 지지판(18A)에 의해 지지된다. 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)를 다단으로 적재한 석영으로 된 웨이퍼 보트(20)가 매니폴드(18)의 하방으로부터 처리실(8)에 대해 로드/언로드된다. 본 실시 형태의 경우에 있어서, 웨이퍼 보트(20)에는, 예를 들어 150매 정도의 직경이 200 ㎜의 제품 웨이퍼와 13매 혹은 20매의 더미 웨이퍼가 대략 등피치로 다단으로 지지 가능해진다. 즉, 웨이퍼 보트(20)에는 전체적으로 170매의 웨이퍼가 수용 가능해진다.
웨이퍼 보트(20)는 석영으로 된 보온통(22)을 통해 회전 테이블(24) 상에 적재된다. 회전 테이블(24)은 매니폴드(18)의 하단 개구부를 개폐하는 덮개부(26)를 관통하는 회전축(28) 상에 지지된다. 회전축(28)의 관통부에는, 예를 들어 자성 유체 밀봉 부재(30)가 개재 설치되고, 회전축(28)이 기밀에 밀봉된 상태에서 회전 가능하게 지지된다. 또한, 덮개부(26)의 주변부와 매니폴드(18)의 하단부에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 밀봉 부재(32)가 개재 설치되어 처리실(8) 내의 밀봉성이 보유 지지된다.
회전축(28)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(34)에 지지된 아암(36)의 선단부에 부착된다. 승강 기구(34)에 의해, 웨이퍼 보트(20) 및 덮개부(26) 등이 일체적으로 승강된다. 매니폴드(18)의 측부에는, 내통(4)과 외통(6)의 간극(10)의 바닥부로부터 처리실(8) 내의 분위기를 배출하는 배기구(38) 가 형성된다. 배기구(38)에는 진공 펌프 등을 개재 설치한 진공 배기부(39)가 접속된다.
매니폴드(18)의 측부에는, 내통(4) 내에 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(40)가 배치된다. 구체적으로는, 가스 공급부(40)는 실란계 가스 공급계(42)와, 산화 및/또는 질화 가스 공급계(44)와, 탄화수소 가스 공급계(46)를 포함한다. 각 가스 공급계(42, 44, 46)는 매니폴드(18)의 측벽을 관통하여 설치된 직선형의 가스 노즐(48, 50, 52)을 각각 갖는다.
각 가스 노즐(48, 50, 52)에는 질량 유량 제어기와 같은 유량 제어기(54, 56, 58)를 각각 개재 설치한 가스 유로(60, 62, 64)가 각각 접속된다. 가스 유로(60, 62, 64)는 실란계 가스, 산화 및/또는 질화 가스, 탄화수소 가스를 각각 유량 제어하면서 공급할 수 있게 구성된다. 여기에서, 예를 들어 실란계 가스(실리콘 소스 가스)로서 헥사클로로디실란(Si2Cl6) 가스가 사용되고, 질화 가스로서는 NH3 가스가 사용되고, 탄화수소 가스로서는 에탄(C2H6) 가스가 사용된다. 또, 산화 가스로서는 N20 가스나 O2 가스 등이 사용되는 경우도 있다.
탄화수소용의 가스 유로(64)에는 예비 가열부(66)가 개재 설치된다. 예비 가열부(66)는, 예를 들어 외부에 가열 히터 등을 권취하여 이루어지는 석영 용기 내에 석영 입자를 충전하여 구성된다. 예비 가열부(66)는, 이에 흐르게 되는 에탄 가스 등의 탄화수소 가스를 소정의 온도로 예비 가열한다. 이에 의해, 예비 가열부(66) 내에 흐르게 되는 에탄 가스가 활성화된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 장치를 이용하여 행해지는 본 발명의 실시 형태에 관한 CVD 방법에 대해 설명한다.
우선, CVD 장치가 웨이퍼를 로드하지 않은 대기 상태에 있을 때에는, 처리실(8) 내를 프로세스 온도, 예를 들어 500 ℃ 정도로 유지한다. 한편, 다수매, 예를 들어 150매의 제품 웨이퍼(W)와 20매의 더미 웨이퍼를 웨이퍼 보트(20)에 탑재한다. 웨이퍼를 탑재한 후, 상온의 웨이퍼 보트(20)를 처리실(8) 내에 그 하방으로부터 상승시켜 처리실(8) 내에 로드한다. 그리고, 덮개부(26)에서 매니폴드(18)의 하단 개구부를 폐쇄함으로써 처리실(8) 내를 밀폐한다.
다음에, 처리실(8) 내를 진공화하여 소정의 프로세스 압력, 예를 들어 27 Pa 정도로 유지한다. 또한, 웨이퍼 온도를 성막용의 프로세스 온도, 예를 들어 600 ℃ 정도로 상승시킨다. 온도 안정 후, 소정의 실란계 가스인 Si2Cl6 가스와, 질화 가스인 NH3 가스와, 탄화수소 가스인 C2H6 가스를, 각각 유량 제어하면서 가스 공급부(40)의 각 노즐(48, 50, 52)로부터 공급한다.
C2H6 가스는 노즐(52)의 직전의 탄화수소용 가스 유로(64)에 개재 설치한 예비 가열부(66)에 의해, 공급 직전에 소정의 온도, 예를 들어 500 내지 1000 ℃의 범위 내로 가열하여 활성화한다. 그러나, C2H6 가스는 예비 가열하지 않아도 좋다. 이와 같이 예비 가열되지 않거나, 혹은 예비 가열되어 활성화된 C2H6 가스는 처리실(8)의 하부에 공급되어 Si2Cl6 가스 및 NH3 가스와 혼합된다. 혼합 가스는 처리 공간(S)을 상승하면서 반응하여, 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘 질화막의 박막을 퇴적한다. 처리 공간(S)을 상승한 처리 가스는, 처리실(8) 내의 천정부에서 반환되어 내통(4)과 외통(6) 사이의 간극(10)을 하향 유동하여, 배기구(38)로부터 밖으로 배기된다.
예비 가열부(66)에 있어서의 C2H6 가스의 가열 온도에 관하여, 하한치는 대략 500 ℃이다. 예비 가열의 상한치는 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 바와 같이 실리콘 질화막의 에칭률이 포화되는 온도, 예를 들어 대략 1000 ℃ 정도가 바람직하다. 또한, C2H6 가스 유량의 상한치는 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 바와 같이 실리콘 질화막의 에칭률이 포화되는 유량, 예를 들어 대략 200 sccm 정도가 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 Si2Cl6 가스의 유량은 대략 30 sccm 정도, NH3 가스의 유량은 대략 900 sccm 정도이다.
이와 같이, C2H6 가스를 처리실(8) 내로 공급함으로써, 웨이퍼 표면에 형성되는 실리콘 질화막 중에 탄소 성분이 함유된다. 이에 의해, 종래의 성막 온도, 예를 들어 760 ℃ 정도보다도 낮은 온도로 성막함에도 불구하고, 클리닝 처리시에 사용되는 희불소산에 대한 실리콘 질화막 표면의 에칭률을 작게 할 수 있다. 그 결과, 클리닝 처리시에 실리콘 질화막이 지나치게 깎아 내어지는 것을 방지하여, 이 막 두께의 제어성을 향상시키는 것이 가능해진다.
특히, C2H6 가스를 예비 가열하면, 이 가스가 활성화되어 그 만큼만 다량의 탄소 성분이 실리콘 질화막 중에 함유된다. 이에 의해, 실리콘 질화막의 에칭률을 한층 작게 할 수 있다. 이 경우, 후술하는 바와 같이 실리콘 질화막 중의 탄소 성분의 농도를 제어함으로써, 원하는 에칭률을 얻는 것이 가능해진다.
다음에, 도1에 도시한 CVD 장치(2)를 사용하여 행한 실험에 대해 설명한다. 이러한 실험에 있어서, 웨이퍼 보트(20) 상에 150매의 제품 웨이퍼와 20매의 더미 웨이퍼를 탑재하는 상태에 대응하는 상태로 처리를 행하였다. 도1에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 위치에 관하여, 처리실(8)[웨이퍼 보트(20)] 내를 상하 방향으로 3개의 영역으로 분할하고, 각각 TOP(상부), CTR(중앙), BTM(하부)으로 하였다. 여기에서, 상부 영역에는 웨이퍼 보트(20)의 상부로부터 1번째 내지 60번째의 웨이퍼가 속하고, 중앙 영역에는 61번째 내지 111번째의 웨이퍼가 속하고, 하부 영역에는 112번째 내지 170번째의 웨이퍼가 속하는 것으로 하였다.
또한, 에칭률에 관해서는 실험에 의해 얻어진 값을 기준치「1」에 대한 비교치로 변환하고, 이를 정규화 에칭률로서 사용하였다. 여기서, 탄화수소 가스를 사용하지 않고 디클로로실란(SiH2Cl2) 가스와 NH3 가스를 사용하고, 프로세스 온도를 760 ℃(종래의 성막 온도)로 설정하여 성막한 실리콘 질화막의 에칭률을 기준치「1」로 하였다.
[제1 실험]
C2H6 가스의 유량과, 실리콘 질화막 중에 포함되는 탄소 성분의 농도와의 관계를 평가하는 실험을 행하였다. 이 실험의 조건으로서, 프로세스 온도를 600 ℃, 프로세스 압력을 27 Pa, Si2Cl6 가스의 유량을 30 sccm, NH3 가스의 유량을 900 sccm, C2H6 가스의 예비 가열 온도를 1000 ℃로 각각 일정하게 하였다. 한편, C2 H6 가스의 유량을 0 내지 200 sccm의 범위로 변화시켰다.
도2는 제1 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 유량과, 실리콘 질화막 중의 탄소 성분 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도2에 나타낸 바와 같이, 상부로부터 하부까지의 웨이퍼 위치에 관계 없이, C2H6 가스의 유량을 0 내지 200 sccm의 범위 내로 증가시키면, 이 증가에 따라서 실리콘 질화막 중의 탄소 성분 농도는 대략 직선적으로 증가하였다. 따라서, C2H6 가스의 유량을 증가할수록, 실리콘 질화막 중 탄소 성분 농도는 증가하는 것이 판명되었다.
[제2 실험]
C2H6 가스의 예비 가열 온도와, 실리콘 질화막 중에 포함되는 탄소 성분의 농도와의 관계를 평가하는 실험을 행하였다. 이 실험의 조건으로서, 프로세스 온도를 600 ℃, 프로세스 압력을 27 Pa, Si2Cl6 가스의 유량을 30 sccm, NH3 가스의 유량을 900 sccm, C2H6 가스의 유량을 200 sccm로 각각 일정하게 하였다. 한편, C2H6 가스의 예비 가열 온도를 500 내지 1000 ℃의 범위로 변화시켰다.
도3은 제2 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 예비 가열 온도와, 실리콘 질화 막 중 탄소 성분 농도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도3에 나타낸 바와 같이, C2H6 가스의 예비 가열 온도가 500 내지 700 ℃의 범위에서는 실리콘 질화막 중의 탄소 함유 농도는, 일부에 오차 범위 내라고 고려되는 감소 경향은 보여졌지만, 기본적으로는 약간씩 증가하였다. 예비 가열 온도가 700 내지 900 ℃의 범위에서는, 온도가 높아질수록 탄소 함유 농도는 급격히 증가하였다. 예비 가열 온도가 900 내지 1000 ℃의 범위 내에서는 온도가 높아질수록, 탄소 함유 농도는 약간씩 증가하였지만 대략 포화 상태가 되었다. 따라서, C2H6 가스의 예비 가열을 행하고, 또한 그 온도를 높게 하면 할수록, 탄소 함유 농도를 보다 높게 할 수 있는 것이 판명되었다.
이 경우, 실리콘 질화막 중 탄소 성분 농도를 어느 정도 이상으로 증가시키기 위해서는, C2H6을 예비 가열하여 그 온도를 대략 500 ℃ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 대략 1000 ℃에서 탄소 성분 농도는 대략 포화하기 때문에, 그 상한치는 대략 1000 ℃ 정도로 설정하는 것이 바람직하다.
[제3 실험]
제1 및 제2 실험의 결과를 참고로 하여, 실리콘 질화막 중의 탄소 성분 농도와, 희불소산에 대한 에칭률과의 관계를 평가하는 실험을 행하였다. 이 실험의 조건으로서, 프로세스 온도를 600 ℃, 프로세스 압력을 27 Pa, Si2Cl6 가스의 유량을 30 sccm, NH3 가스의 유량을 900 sccm, C2H6 가스의 유량을 200 sccm으로 각각 일정 하게 하였다. 한편, 실리콘 질화막 중의 탄소 함유 농도를, 예비 가열 온도를 변화시킴으로써, 1 × 1018 내지 1 × 1022 atms/㎤의 범위로 변화시켰다.
도4는, 제3 실험에 의해 얻어진 실리콘 질화막 중의 탄소 성분 농도와, 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도4에 나타낸 바와 같이, 상부로부터 하부까지의 웨이퍼 위치에 관계 없이, 실리콘 질화막 중의 탄소 함유 농도를 1 × 1018 내지 1 × 1022 atms/㎤까지 증가하면 할수록, 에칭률은 직선적으로 저하하였다. 즉, 탄소 함유 농도를 제어하면 이 정규화 에칭률을 제어할 수 있는 것이 판명되었다. 특히, 탄소 함유 농도가 1 × 1022 atms/㎤일 때에는 정규화 에칭률은 대략「1」이었다. 즉, 프로세스 온도 600 ℃인 저온에서 성막함에도 불구하고, 760 ℃에서 성막한 종래의 실리콘 질화막과 대략 동일 에칭률로 할 수 있는 것이 판명되었다.
[제4 실험]
제3 실험의 결과를 보완하는 목적으로, C2H6 가스의 예비 가열 온도와, 실리콘 질화막의 희불소산에 대한 에칭률과의 관계를 평가하는 실험을 행하였다. 본 실험의 조건으로서, 프로세스 온도를 600 ℃, 프로세스 압력을 27 Pa, Si2Cl6 가스의 유량을 30 sccm, NH3 가스의 유량을 900 sccm, C2H6 가스의 유량을 200 sccm으로 각각 일정하게 하였다. 한편, C2H6 가스의 예비 가열 온도를 500 내지 1000 ℃의 범위로 변화시켰다.
도5는 제4 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 예비 가열 온도와, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도5에 나타낸 바와 같이, 상부로부터 하부까지의 웨이퍼 위치에 관계 없이, 예비 가열 온도가 500 내지 700 ℃의 범위 내에서는 온도가 높아질수록, 정규화 에칭률은 약간씩 감소하였다. 700 내지 900 ℃의 범위 내에서는 온도가 높아질수록, 정규화 에칭률은 급격히 감소하였다. 예비 가열 온도가 900 내지 1000 ℃의 범위 내에서는 온도가 높아질수록, 정규화 에칭률은 또한 약간씩 감소하고, 예비 가열 온도가 1000 ℃ 정도에서 정규화 에칭률은 대략「1」이 되어 포화하였다. 따라서, C2H6 가스의 예비 가열 온도를 500 내지 1000 ℃의 범위 내로 제어함으로써, 정규화 에칭률을 1 내지 8 정도의 범위 내에서 임의로 선택할 수 있는 것이 판명되었다.
[제5 실험]
제3 실험의 결과를 보완하는 목적으로, C2H6 가스의 유량(예비 가열 있음/없음)과 희불소산에 대한 에칭률의 관계를 평가하는 실험을 행하였다. 본 실험의 조건으로서, 프로세스 온도를 600 ℃, 프로세스 압력을 27 Pa, Si2Cl6 가스의 유량을 30 sccm, NH3 가스의 유량을 900 sccm으로 각각 일정하게 하였다. 한편, C2H6 가스 의 유량을 0 내지 200 sccm의 범위로 변화시켜, 각 선택 유량에 있어서 C2H6를 예비 가열하지 않는 경우(상온)와 1000 ℃로 예비 가열한 경우와의 2 종류로 조건을 설정하였다.
도6은 제5 실험에 의해 얻어진 C2H6 가스의 유량(예비 가열 있음/없음)과, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도6에 나타낸 바와 같이, C2H6 가스를 예비 가열하지 않고 상온에서 공급한 경우, 상부로부터 하부까지의 웨이퍼 위치에 관계 없이, C2H6 가스의 유량을 0 내지 200 sccm의 범위 내로 증가시켜도, 그 정규화 에칭률의 저하는「6 내지 7.5」로부터「5.5 내지 7.0」으로 사소한 것이었다. 즉, 예비 가열하지 않는 경우, C2H6 가스 유량의 증가에 수반하여 에칭률 저하의 효과는 볼 수 있지만, 그 저하의 정도는 매우 적은 것이 판명되었다.
이에 대해, C2H6 가스를 1000 ℃로 예비 가열한 경우, 상부로부터 하부까지의 웨이퍼 위치에 관계 없이, C2H6 가스의 유량을 0 내지 200 sccm의 범위 내에서 증가시키면 정규화 에칭률은 크게 변화하였다. 즉, C2H6 가스의 유량이 0 내지 100 sccm의 범위 내에서는 정규화 에칭률은「6 내지 8」로부터「2」정도까지 급격하게 저하하였다. 유량이 100 내지 200 sccm의 범위에서는 유량이 증가될수록 정규화 에칭률은 약간씩 저하하였다. 유량이 200 sccm에서는 에칭률은 대략「1」이 되어 그 저하가 포화되었다. 즉, C2H6 가스의 예비 가열 온도를 1000 ℃로 유지한 상태에서, 이 유량을 0 내지 200 sccm의 범위 내로 제어함으로써, 정규화 에칭률을 1 내지 8 정도의 범위 내로 임의로 선택할 수 있는 것이 판명되었다.
<제2 실시 형태>
상술한 제1 실시 형태에 있어서, 탄화수소 가스로서 파라핀 탄화수소의 에탄(C2H6)을 이용하고 있다. 그러나, 탄화수소 가스로서 메탄, 프로판, 부탄 등의 다른 파라핀계 탄화수소를 이용해도 좋고, 또는 파라핀계 탄화수소에 한정되지 않고, 아세틸렌, 에틸렌 등의 아세틸렌계 탄화수소 등을 이용해도 좋다.
제2 실시 형태에 있어서는, 탄화수소 가스로서 에틸렌(C2H4) 가스를 사용한다. 탄화수소 가스로서 에틸렌 가스를 이용하는 장점은, 예비 가열 없이 처리실(8) 내로 공급해도, 전술한 효과와 마찬가지인 효과를 얻을 수 있는, 즉 충분히 에칭률이 작은 실리콘 함유막을 형성할 수 있다는 점이다. 또, 에틸렌 가스는 예비 가열해도 좋다.
도7은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 CVD 장치를 도시하는 단면도이다. 도7에 도시한 CVD 장치(2X)는 도1에 도시한 CVD 장치(2)와 비교하면, 가스 공급부(40)의 탄화수소 가스 공급계(46)가 에틸렌(C2H4) 가스원에 접속되는 동시에, 예비 가열부(66)를 포함하지 않는 점에서 다르다. 도7에 도시한 CVD 장치(2X)의 그 밖의 부분의 구성은 도1에 도시한 CVD 장치(2)와 기본적으로 동일하다.
즉, 제2 실시 형태에 관한 CVD 장치(2X)에서는 실란계 가스(실리콘 소스 가스)로서 헥사클로로디실란(Si2Cl6) 가스가 사용되고, 질화 가스로서는 NH3 가스가 사용되고, 탄화수소 가스로서는 에틸렌(C2H4) 가스가 사용된다. 탄화수소 가스로서 사용되는 에틸렌 가스는 예비 가열되지 않고, 대략 실온 상태에서 처리실(8) 내로 도입된다.
제2 실시 형태에 관한 CVD 장치(2X)에 있어서 실리콘 질화막을 형성한 경우에도, 에틸렌을 예비 가열하지 않음에도 불구하고, 실리콘 질화막 속에 탄소 성분을 충분히 포함할 수 있다. 이에 의해, 비교적 저온에서 성막을 행해도, 클리닝시의 에칭률이 비교적 작아져 클리닝시의 막 두께의 제어성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 탄화수소 가스로서 에틸렌 가스를 이용한 경우에 예비 가열 없이 사용할 수 있는 이유는, 에틸렌의 C=C(이중 결합)의 결합 해리 에너지(약 63 kcal/㏖)가 에탄의 C-C의 결합 해리 에너지(약 83 kcal/㏖)보다도 작고, 에틸렌쪽이 반응성이 높다고(차이가 약 20 kcal/㏖) 고려된다.
다음에, 도7에 도시한 CVD 장치(2X)를 사용하여 행한 실험에 대해 설명한다. 이들 실험에 있어서도, 웨이퍼 보트(20) 상에 150매의 제품 웨이퍼와 20매의 더미 웨이퍼를 탑재하는 상태에 대응하는 상태로 처리를 행하였다. 도7에도 도시한 바와 같이 웨이퍼 위치에 관하여, 처리실(8)[웨이퍼 보트(20)] 내를 상하 방향으로 3개의 영역으로 분할하고, 각각 TOP(상부), CTR(중앙), BTM(하부)으로 하였다. 여기에서, 상부 영역에는 웨이퍼 보트(20)의 상부로부터 1번째 내지 60번째의 웨이퍼 가 속하고, 중앙 영역에는 61번째 내지 111번째의 웨이퍼가 속하고, 하부 영역에는 112번째 내지 170번째의 웨이퍼가 속하는 것으로 하였다.
또한, 에칭률에 관해서는 실험에 의해 얻어진 값을 기준치「1」에 대한 비교치로 변환하고, 이를 정규화 에칭률로서 사용하였다. 여기에서, 탄화수소 가스를 사용하지 않고, 디클로로실란(SiH2Cl2) 가스와 NH3 가스를 사용하고, 프로세스 온도를 760 ℃(종래의 성막 온도)로 설정하여 성막한 실리콘 질화막의 에칭률을 기준치「1」로 하였다.
[제6 실험]
탄화수소 가스로서, 에탄(C2H6) 가스 대신에 에틸렌(C2H4) 가스를 사용한 경우의 효과를 평가하는 실험을 행하였다. 본 실험의 조건으로서, 프로세스 온도를 600 ℃, 프로세스 압력을 27 Pa, Si2Cl6 가스의 유량을 30 sccm, NH3의 가스 유량을 900 sccm으로 각각 일정하게 하였다. 한편, C2H4 가스의 유량을 0 내지 150 sccm의 범위로 변화시켰다.
도8은 제6 실험에 의해 얻어진 탄화수소 가스의 유량과, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프 중에는 비교를 위해 예비 가열 없이 에탄을 이용하였을 때 결과도 병기되어 있다.
도8에 도시한 바와 같이 에탄(C2H6)을 예비 가열 없이 사용한 경우, 상부로 부터 하부까지의 웨이퍼 위치 사이에서 약간의 차이는 있지만, 가스 유량을 0 내지 150 sccm의 범위 내로 증가시켜도, 정규화 에칭률은 대략 6 내지 8의 범위보다 작아지는 일은 없었다. 즉, 이 경우 가스 유량을 증가시켜도, 정규화 에칭률은 대략 일정하거나 혹은 약간 저하할 뿐이었다.
이에 대해, 탄화수소 가스로서 에틸렌을 예비 가열 없이 사용한 경우, 상부로부터 하부까지의 각 웨이퍼 위치에 있어서, 가스 유량을 0 내지 l50 sccm의 범위 내로 증가시키면, 이 증가에 따라서 정규화 에칭률은 약「5 내지 6」으로부터 약「3.2 내지 4」로 저하하였다.
[제7 실험]
또한, 에틸렌(C2H4) 가스의 유량과, 실리콘 질화막의 희불소산에 대한 에칭률의 관계를 평가하는 실험을 행하였다. 본 실험의 조건으로서, 프로세스 온도를 600 ℃, 프로세스 압력을 27 Pa, Si2Cl6 가스의 유량을 30 sccm, NH3의 가스 유량을 900 sccm으로 각각 일정하게 하였다. 한편, C2H4 가스의 유량을 0 내지 900 sccm의 범위로 변화시켰다.
도9는, 제7 실험에 의해 얻어진 에틸렌 가스의 유량과, 실리콘 질화막의 희불소산(49％ HF : H20 = 1 : 100)에 대한 정규화 에칭률의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로서는 상부로부터 하부까지의 웨이퍼 위치의 평균치로 에칭률을 나타내고 있다.
도9에 나타낸 바와 같이, 에틸렌 가스 유량을 0 내지 900 sccm의 범위 내로 증가시키면, 이 증가에 따라서 정규화 에칭률은 약 6.45로부터 약 1.80으로 차례로 저하하였다. 또한, 정규화 에칭률의 저하는 에틸렌 가스 유량이 900 sccm 근방에서 대략 포화되었다.
제6 및 제7 실험의 결과로부터, 탄화수소 가스로서 에틸렌을 사용하는 경우, 예비 가열 없이도 실리콘 질화막의 에칭률을 충분히 낮게 할(즉 실리콘 질화막 중에 탄소 성분을 충분히 포함하게 할) 수 있는 것이 판명되었다.
[제8 실험]
제6 및 제7 실험의 결과를 보완하는 목적으로, 프로세스 온도를 450 ℃, 에틸렌 가스의 유량을 300 sccm으로 한 이외에는, 제6 실험과 동일 조건(즉 예비 가열 없음)으로 실험을 행하였다. 그 결과, 이 경우라도 정규화 에칭률은 에틸렌 가스가 들어갈 수 없는 경우에 비해 약 절반으로까지 저하되는 것이 판명되었다.
또, 제1 및 제2 실시 형태에서는 성막 가스[실란계 가스(실리콘 소스 가스)로 이루어지는 제1 가스와, 산화 가스, 질화 가스 및 산질화 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 가스로 이루어지는 제2 가스와의 조합]와 탄화수소 가스를 각각 다른 계통으로 독립적으로 처리실(8) 내로 공급하고 있다. 그러나, 탄화수소 가스를 성막 가스의 1 종류(Si2Cl6 가스, 또는 NH3 가스)로 혼합시킨 상태로 공급하도록 해도 좋다.
어느 쪽의 경우도, 성막 가스에 대한 탄화수소 가스의 유량비는 0.3 내지 3.2, 바람직하게는 0.4 내지 2.8로 한다. 또한, 실란계 가스에 대한 탄화수소 가 스의 유량비는 10 내지 100, 바람직하게는 15 내지 85로 한다. 탄화수소 가스의 유량비가 상기한 범위보다도 낮으면, 실리콘 함유 절연막의 에칭 속도가 커진다. 이 경우, 클리닝시에 이 절연막이 지나치게 깎아 내어져 막 두께의 제어성이 악화된다. 한편, 탄화수소 가스의 유량비가 상기한 범위보다도 높으면, 실리콘 함유 절연막의 성장 속도가 저하되기 때문에 실용적이지 않다.
또한, 제1 및 제2 실시 형태는 헥사클로로디실란(HCD : Si2Cl6)과 NH3를 이용하여 실리콘 질화막을 형성할 때에, 이와 동시에 탄화수소 가스를 공급한다. 그러나, 다른 처리 가스를 이용하여 실리콘 질화막을 형성하는 경우라도, 탄화수소 가스를 더불어 공급함으로써, 상술한 효과와 마찬가지인 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 실리콘 질화막을 형성하는 다른 처리 가스의 예로서는, 실란계 가스(실리콘 소스 가스)인 디클로로실란(DCS : SiH2Cl2), 테트라클로로실란(SiCl4), 비스타-샬부틸아미노실란(BTBAS : SiH2(NH(C4H9))2 및 헥사에틸아미노디실란(HEAD)의 하나와, 질화 가스인 NH3의 조합을 들 수 있다.
또한, 실리콘 질화막이 아니라, 열 CVD에 의해 실리콘 산화막을 형성하는 경우라도, 탄화수소 가스를 더불어 공급함으로써, 전술한 효과와 마찬가지인 효과를 얻을 수 있다. 실리콘 산화막을 열 CVD에 의해 형성하기 위한 처리 가스의 예로서는, 모노실란(SiH4)과 N20와의 조합, 디클로로실란(DCS : SiH2Cl2 )과 N20와의 조합, TEOS(테트라에톡시실란)와 O2와의 조합, 또는 헥사클로로디실란(HCD : Si2Cl6 )과 N20 와의 조합을 들 수 있다. 이 경우, 상기 N20 가스나 O2 가스는 산화 가스로서 사용된다.
또한, 실리콘 산질화막을 형성하는 경우라도, 성막 가스와 탄화수소 가스를 더불어 공급함으로써, 전술한 효과와 마찬가지인 효과를 얻을 수 있다. 실리콘 산질화막을 열 CVD에 의해 형성하기 위한 처리 가스의 예로서는, 디클로로실란(DCS : SiH2Cl2)과 N20와 NH3와의 조합을 예를 들 수 있다. 또, 이 경우 도1 중에 파선으로 나타낸 바와 같이, CVD 장치의 산질화 가스 공급계로서 NH3 가스 공급계(44)에 부가하여 N20 가스 공급계(45)(도1에 있어서, 부호 57, 63은 유량 제어기 및 가스 유로를 나타냄)를 배치하고, N20와 NH3를 개별로 처리실(8)에 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 이상의 실시 형태에서는 CVD 장치로서 종형의 배치식의 장치를 예시하고 있다. 그러나, 본 발명은 횡형의 배치식의 CVD 장치, 또는 피처리 기판을 1매씩 처리하는 매엽식의 CVD 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 피처리 기판에 관해, 본 발명은 반도체 웨이퍼 이외의 유리 기판이나 LCD 기판 등에도 적용할 수 있다.
이상의 실시 형태에 관한 실리콘 함유 절연막을 형성하는 CVD 방법 및 장치에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 실리콘 함유 절연막의 성막시에 탄화수소 가스를 더불어 공급함으로써, 실리콘 함유 절연막 중에 탄소 성분을 포함할 수 있다. 이에 의해, 비교적 저온에서 성막을 행해도, 실리콘 함유 절연막 의 클리닝시의 에칭률이 비교적 작아져 클리닝시 막 두께의 제어성을 향상시킬 수 있다. 또한, 공급되는 탄화수소 가스를 예비 가열하여 활성화시킴으로써, 실리콘 함유 절연막 중에 보다 많은 탄소 성분을 포함할 수 있다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 실리콘 질화막을 형성하는 CVD 방법이며,
    피처리 기판을 수납한 처리실 내를 배기하면서, 상기 처리실 내로 성막 가스를 공급하고, 상기 피처리 기판 상에 상기 실리콘 질화막을 퇴적에 의해 형성하는 공정을 구비하고, 여기에서 상기 성막 가스와 함께 탄화수소 가스를 공급하여 실리콘 질화막 중에 탄소 성분을 함유시키고,
    상기 탄화수소 가스를 상기 처리실 내로 공급하기 직전에 예비 가열하는 공정을 더 구비하는 CVD 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 예비 가열의 온도는 500 내지 1000 ℃의 범위 내인 CVD 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서, 상기 성막 가스는 실란계 가스로 이루어지는 제1 가스와, 질화 가스로 이루어지는 제2 가스를 구비하는 CVD 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 가스는 헥사클로로디실란, 헥사에틸아미노디실란, 비스타-샬부틸아미노실란 및 디클로로실란으로 이루어지는 군으로부터 선택된 가스로 이루어지고, 상기 제2 가스는 질화 가스로 이루어지고, 상기 실리콘 질화막을 퇴적에 의해 형성하는 공정에 있어서의 프로세스 온도는 450 내지 600 ℃의 범위 내인 CVD 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 실리콘 질화막으로 이루어지는 절연막을 형성하는 CVD 장치이며,
    피처리 기판을 수납하기 위한 처리실과,
    상기 처리실 내에 상기 피처리 기판을 지지하기 위한 지지 부재와,
    상기 지지 부재에 지지된 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
    상기 처리실 내를 진공 배기하는 배기부와,
    상기 처리실 내에 가스를 공급하는 공급부를 구비하고,
    상기 공급부는 실란계 가스로 이루어지는 제1 가스를 공급하는 제1 공급계와, 질화 가스로 이루어지는 제2 가스를 공급하는 제2 공급계와, 탄화수소 가스로 이루어지는 제3 가스를 공급하는 제3 공급계를 구비하고, 제1, 제2 및 제3 가스는 동시에 공급 가능하고,
    상기 공급부는 상기 제3 가스를 상기 처리실 내로 공급하기 직전에 예비 가열하는 예비 가열부를 포함하는 CVD 장치.
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