KR101006056B1

KR101006056B1 - 성막 장치 및 성막 방법

Info

Publication number: KR101006056B1
Application number: KR1020077009374A
Authority: KR
Inventors: 나리시 고노헤; 마사미치 하라다; 노부유키 가토
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2011-01-11
Also published as: KR20070061897A; CN101052744B; WO2006098260A1; US20090232984A1; JP4807960B2; CN101052744A; JP2006257512A

Abstract

성막챔버(44) 및 기판(S)에 대향하도록 설치된 촉매원(48)을 구비한 촉매챔버(46)로 구성된 진공챔버(42)에 있어서, 성막챔버(44)와 촉매챔버(46)가 개구부(47)을 개재하여 접속되고, 성막챔버 내에 놓인 기판의 주연부와 개구부의 주연부의 최단거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 ω로 하고, 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리의 최단거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 θ로 한 경우에, 촉매원이 ω≥θ를 만족하는 위치에 배치된다. 이러한 성막장치를 사용하는 것에 의해 촉매원에서 발생한 라디칼의 불활성화를 막아 원료 가스와 라디칼의 반응을 효율적으로 수행하여 소망하는 막을 형성할 수 있다.

진공챔버, 성막챔버, 촉매챔버, 기판, 촉매원, 라디칼

Description

성막 장치 및 성막 방법{APPARATUS FOR FILM FORMATION AND METHOD FOR FILM FORMATION}

본 발명은 성막 장치 및 성막 방법에 관한 것이다.

최근, 반도체 디바이스 제조 분야에 있어서의 성막 기술로서 ALD(Atomic Layer Deposition) 법이 주목받고 있다.

통상, ALD법에서는, 원료 가스를 진공 챔버 내로 도입한 후, 원료 가스의 전구체를 기판 표면에 원자층 단위로 흡착시키고(흡착 공정), 그 상태에서 반응 가스를 도입하여 기판 표면에서 전구체와 반응 가스를 반응시켜(반응 공정), 소망하는 막을 형성한다. 이 전구체의 흡착 공정과 흡착한 전구체와 반응 가스의 반응 공정을 여러 번 반복하여 소망하는 두께의 막을 형성한다.

ALD법에서는, 상기 반응 가스로서 통상의 생가스, 플라즈마 분해로 생성한 라디칼이나 이온 등이 이용되고 있다. 그러나, 이것들을 반응 가스로서 이용하여도 소망하는 특성을 갖는 막을 형성할 수 있을 정도로는 반응 가스와 기판 상의 전구체 사이에서 충분한 반응이 생기지 않는다. 그 때문에, 불순물을 많이 포함하는 막이나 비저항이 높은 막이 생기고, 또한 하지층과의 밀착성도 나쁜 문제가 생긴다.

상기 ALD법과 같이 원료 가스와 반응 가스 사이의 화학반응을 이용하는 성막 방법으로서 촉매 CVD법이 있다. 이 CVD법은, 반응 가스를 촉매체에 접촉시켜 라디칼을 발생시키고, 기판상에서 이 라디칼과 원료 가스를 반응시켜 성막하는 것이다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 방법에 의하면, 대량의 라디칼을 발생시킬 수 있으므로 라디칼과 원료 가스 사이에서 충분한 반응이 생긴다. 그 결과, 불순물이 적은 소망하는 특성의 막을 형성할 수 있다. 또한, 라디칼을 플라즈마에 의해 발생시키는 경우와 달라, 기판상의 막을 손상시킬 우려도 없다.

거기서, ALD법에 대해서도 촉매 작용에 의해 생성된 라디칼을 반응 가스로서 이용하는 것이 제안되고 있다.

그러나, ALD법에서는, 통상 동일한 진공 챔버 내에서 라디칼의 발생과 원료 가스의 도입이 행해지고 있기 때문에, 촉매 작용에 의해 라디칼을 발생시키면 라디칼의 발생에 이용되는 촉매원에 원료 가스가 부착하고, 그 결과, 촉매원과 원료 가스가 반응하여 원료 가스 중의 금속이 촉매원 상에 성막할 우려가 있다. 이 경우, 촉매원에 원료 가스가 부착하지 않도록 촉매원을 원료 가스의 도입구로부터 떨어뜨려 설치하면 라디칼의 수송 효율이 저하하여, 즉, 라디칼이 수송중에 불활성화되어 소망하는 특성의 막을 형성할 수 없다.

촉매원에 원료 가스가 부착하지 않도록 구성된 성막 장치로서 예를 들면, 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같은 성막 장치가 알려져 있다. 이러한 성막 장치는, 반응 가스 공급 수단(1)이 접속되고 내부에 촉매원(2)이 설치된 촉매챔버(3)와, 기판 받침대(4)가 설치된 성막챔버(5)로 구성된다. 이러한 장치는 촉매챔버(3)와 성막챔버(5)가 라디칼 수송로를 개재하여 접속되어 있어 촉매원(2)이 성막챔버(5)로부터 멀리 설치되어 있고, 그 결과, 원료 가스가 촉매원에 부착하기 어려워진다. 이 라디칼 수송로로서, 도 1의 성막 장치에서는 L자형의 라디칼 수송로(6)가 설치되고, 도 2의 성막 장치에서는 I자형의 라디칼 수송로(7)가 설치되어 있다.

도 1, 도 2에 나타낸 장치를 이용해 라디칼의 수송 효율을 이하와 같이 하여 조사했다.

성막챔버(5) 내부의 기판 받침대(4) 상에 기판(S)을 놓고, 촉매원(2)의 온도를 1750℃까지 올렸다. 여기서, 기판(S)으로는 열산화물막이 형성되고 게다가 그 위에 동산화물막이 형성된 8인치 웨이퍼를 사용했다.

그 후, 촉매챔버(3)에 반응 가스 공급 수단(1)으로부터 반응 가스로서 H₂ 가스를 100 sccm으로 1분간 도입하고, 이 H₂ 가스가 촉매원(2)에 접촉하여 발생한 H 라디칼에 의해 동산화물막이 환원되었는지를 평가하여 라디칼의 수송 효율을 조사했다.

이 평가는 라디칼 조사 전후의 막의 절대 반사율을 측정하여 수행되었다. 이것은, 동산화물막에 라디칼을 조사하면 동산화물막은 환원되어 동막으로 변환되는 것에 착안하여, 라디칼 조사 후의 막의 절대 반사율을 측정하여 환원 효율 즉, 어느 정도의 라디칼이 기판(S)까지 수송되었는가 하는 수송 효율을 조사한 것이다. 결과를 도 3에 나타내었다. 덧붙여 동산화물막의 절대 반사율은 9% 이며, 동막의 절대 반사율은 54% 이다.

도 1의 성막 장치를 이용한 경우, 라디칼 조사 후의 막의 절대 반사율은 10% 이었다(도 3의 점A 참조). 이것은, 동산화물막의 반사율인 9%와 거의 동일한 정도이며, 발생한 라디칼이 기판(S) 상의 동산화물막까지 도달하지 않는 것을 나타낸다. 촉매챔버(3)로 생성된 라디칼의 거의 모두가 기판(S)까지 수송되는 사이에 L자형 수송로(6)의 벽면 등에 충돌하거나 하여 불활성화되어 버렸기 때문이라 생각된다.

도 2의 성막 장치를 이용한 경우, 라디칼 조사 후의 막의 절대 반사율은 38% 이고(도 3의 점B 참조), 기판(S)의 중앙부만이 환원되어 있었다. 이것은, 발생한 라디칼이 기판(S) 상의 산화물막의 중앙부에는 도달하지만, 기판의 그 외 부분에는 도달하지 않는 것을 나타낸다. 촉매챔버(3)에서 생성된 라디칼의 대부분이 I자형 수송로(7)나 촉매챔버 등의 벽면에 충돌하거나 하여 불활성화되어 버렸기 때문이라 생각된다.

이와 같이, 종래에는 라디칼이 수송중에 불활성화되어 원료 가스와 반응하는데 충분한 양의 라디칼이 기판상에 도달하지 않고 소망하는 막을 형성할 수 없었다.

특허 문헌1: 일본 특허공개공보 2000-243712(특허 청구 범위 등)

본 발명의 과제는, 상기 종래 기술의 문제점을 해결하는 것에 있고, 촉매원에서 생성된 라디칼이 수송중에 불활성화되는 것을 방지하여 원료 가스의 전구체와 라디칼의 반응을 효율적으로 행하여 소망하는 특성의 막을 형성할 수 있는 성막 장치 및 성막 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 성막 장치는, 원료 가스 공급 수단 및 기판 받침대를 구비한 성막챔버와, 반응 가스 공급 수단 및 기판에 대향하도록 설치된 촉매원을 구비한 촉매챔버을 가지는 진공챔버로 구성되고, 이 성막챔버와 촉매챔버가 개구부를 개재하여 접속되어 있는 성막 장치에 있어서, 기판 받침대에 놓인 기판의 주연부와 개구부의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 ω로 하고, 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리로부터 일정 거리 중심으로 향한 위치의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 δ로 한 경우에, 촉매원이,ω≥δ를 만족하는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

일정 거리로는 촉매원 길이의 0~35%를 말한다. 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선보다 안쪽이 촉매원에서 발생한 라디칼의 주요한 수송로로 된다. 그 때문에, 상기의 각도 조건 ω≥δ을 충족시키는 경우에는, 라디칼의 주요한 수송로의 대부분이 진공 챔버의 내벽 등에 의해 방해되는 것이 없고, 반응에 필요 최저한 양의 라디칼이 기판에 도달할 수 있다.

본 발명의 성막 장치의 바람직한 태양은 상기 촉매원의 가장자리로부터의 일정 거리가 0인 경우이다. 즉, 원료 가스 공급 수단 및 기판 받침대를 구비한 성막챔버와, 반응 가스 공급 수단 및 기판에 대향하도록 설치된 촉매원을 구비한 촉매챔버를 가지는 진공 챔버로 구성되고, 이 성막챔버와 촉매챔버가 개구부를 개재하여 접속되어 있는 성막 장치에 있어서, 기판 받침대에 놓인 기판의 주연부와 개구부의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를ω로 하고, 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 θ로 한 경우에, 촉매원이 ω≥θ, 바람직하게는ω>θ를 만족하는 위치에 배치되어 있는 경우이다.

ω≥θ를 만족하는 위치에 촉매원이 설치되어 있으면, 촉매원에서 발생한 라디칼은 진공 챔버의 내벽 등에서 불활성화되는 일 없이 기판까지 수송되어 기판에 흡착되어 있는 전구체 모두와 반응하여 소망하는 특성의 막을 형성할 수 있다.

이와 같이, ω≥δ 또는 ω≥θ라는 각도 조건을 만족하면, 반응에 필요한 양의 라디칼이 기판까지 불활성화되는 일 없이 도달하고 소망하는 특성을 가지는 막을 형성할 수 있으므로, 종래 기술과 같이 반드시 촉매원을 기판보다 크게 할 필요는 없다.

또한, 상기 성막챔버 내에 중앙에 개구를 가지는 원료 가스 공급용의 샤워노즐을 설치하여, 기판의 주연부와 샤워 노즐의 개구의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 φ로 하고, 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 θ로 한 경우에, 샤워노즐이 φ≥θ를 만족하는 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 이 각도 관계를 만족하는 경우에는 발생한 라디칼이 샤워노즐에 충돌해 불활성화되는 일 없이 기판까지 수송되기 때문이다.

상기 촉매원과 기판의 거리가 기판지름의 O.5~1.5배의 범위가 되도록 구성되는 것이 바람직하다. O.5배 미만이면, 원료 가스가 촉매원과 반응해 버리고, 1.5배를 넘으면 라디칼의 효과가 적어 소망하는 막을 형성할 수 없기 때문이다.

상기 촉매원이 나선 모양의 고융점 금속 와이어로 구성되는 것이 바람직하다. 나선 모양의 와이어를 이용하면, 직선 모양의 와이어를 이용한 경우보다도 반응 가스와 접촉하는 면적이 증가하기 때문에 라디칼이 효율적으로 대량으로 발생하여 소망하는 특성의 막을 형성할 수 있기 때문이다. 더욱이, 상기 고융점 와이어가 열에 의해 휘지 않도록 하는 것이 바람직하다. 휘면, 고융점 와이어끼리 접촉하거나 또는 고융점 와이어와 본 장치의 다른 부품이 접촉하여 전기적으로 단락되어 버리는 문제가 생기기 때문이다. 휘지 않게 하기 위해서는, 예를 들면, 고융점 와이어를 만곡하지 않도록 적당한 정도의 인장력으로 유지하여 배치하고 촉매원을 구성한다. 고융점 와이어를 만곡하여 설치하면 열에 의해 휘기 쉽기 때문이다.

상기 개구부에는 구멍이 뚫린 격벽을 설치해도 좋고, 이 경우, 상기 격벽 구멍의 총단면적이 격벽의 횡단면적의 50%이상인 것이 바람직하다. 라디칼의 불활성화를 막기 위함이다. 또한, 이 개구부에는 촉매원에 원료 가스가 부착하는 것을 방지하기 위하여 개구부에 고립 밸브(isolation valve)나 셔터(shutter)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 성막챔버의 저부에 진공 배기 수단을 설치해도 좋다. 저부에 설치하는 것에 의해 발생한 라디칼이 기판 방향으로 유도되기 쉽고 효율적으로 라디칼을 기판까지 수송할 수 있기 때문이다.

본 발명의 성막 장치는 촉매챔버 내의 온도를 일정하게 유지하기 위해 상기 촉매챔버의 내부 또는 외부에 냉각 수단을 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 성막 방법은 상기 성막 장치를 이용하여 성막하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 성막 장치에 의하면, 촉매원에서 생성된 라디칼이 수송중에 불활성화되는 것을 방지하여 라디칼과 원료 가스의 반응을 효율적으로 수행하고 소망하는 특성을 갖는 막을 형성할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 L자형의 라디칼 수송로를 구비한 성막 장치를 모식적으로 나타낸 구성도이다.

도 2는 I자형의 라디칼 수송로를 구비한 성막 장치를 모식적으로 나타낸 구성도이다.

도 3은 라디칼 조사 후의 막의 절대 반사율을 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 성막 장치의 실시태양을 모식적으로 나타낸 구성도이다.

도 5는 본 발명의 성막 장치에 이용되는 촉매원의 설치 위치를 설명하기 위한 모식적 구성도이다.

도 6은 본 발명의 성막 장치에 이용되는 촉매원의 바람직한 설치 위치를 설명하기 위한 모식적 구성도이다.

도 7은 본 발명의 성막 장치에 이용되는 샤워노즐의 설치 위치를 설명하기 위한 모식적 구성도이다.

도 8은 본 발명의 성막 장치에 이용되는 촉매원의 형상을 모식적으로 나타낸 구성도이다.

도 9는 본 발명의 성막 장치의 다른 실시태양을 모식적으로 나타내는 구성도이다.

도 10은 도 9의 성막 장치를 이용하여 발생한 라디칼 조사 후의 막의 상대 반사율을 나타낸 그래프이다.

도 11은 도 1, 2, 4의 각 장치를 이용하여 얻어진 TaN_x막의 비저항ρ(μΩ·㎝)를 나타낸 그래프이다.

부호의 설명

41 진공 배기 수단 42 진공 챔버

43 원료 가스 공급 수단 44 성막챔버

45 반응 가스 공급 수단 46 촉매챔버

47 개구부 48 촉매원

S 기판

우선 본 발명의 성막 장치의 개략 구성도를 도 4에 나타낸다.

본 발명의 성막 장치는 진공 배기 수단(41)을 가지는 진공 챔버(42)로 구성된다.

이 진공 챔버(42)는 원료 가스 공급 수단(43)을 가지는 성막챔버(44)와 반응 가스 공급 수단(45)을 가지는 촉매챔버(46)로 구성된다.

상기 성막챔버(44) 내에는, 그 저부에 기판(S)을 올려놓기 위한 기판 받침대(441)가 설치되어 있다.

그리고, 성막챔버(44)는 그 측벽에 원료 가스 도입구(442)를 가진다. 이 원 료 가스 도입구(442)로부터 원료 가스 공급 수단(43)에 의해 공급된 원료 가스를 배관(431)을 통해서 성막챔버(44)에 도입한다.

이 원료 가스의 도입은, 단일관 노즐에 의해 행해져도 괜찮지만, 기판(S) 상에 균일하게 원료 가스의 전구체를 흡착할 수 있도록, 도 4에 나타낸 바와 같은 샤워노즐(443)을 촉매챔버(46)와 성막챔버(44) 사이의 개구부(47)보다 아래쪽에 설치해도 좋다. 이 경우의 샤워노즐(443)은 진공챔버(42) 내부의 라디칼의 수송로를 막지 않도록 중앙에 개구(444)를 가진다.

성막챔버(44)와 촉매챔버(46)는 개구부(47)를 개재하여 접속되어 있다. 도 4에 있어서는 개구부(47)의 직경과 촉매챔버(46)의 내경이 동일하지만 개구부(47)의 직경을 촉매챔버(46)의 내경보다 작게 해도 괜찮다. 예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 개구부(47)의 주연부에 성막챔버(44)와 촉매챔버(46)를 가리는 칸막이 부재(51)를 마련하여, 개구부(47)의 직경을 조절하면 좋다. 덧붙여 이 칸막이 부재는 진공 챔버와 일체로 되어도 괜찮다.

상기 촉매챔버(46)는 발생한 라디칼의 불활성화를 방지하기 위하여 그 내벽을 석영이나 알루미나 등으로 피복하는 것이 바람직하고, 그 윗벽에는 반응 가스 도입구(461)가 설치되어 있다. 반응 가스 도입구(461)와 반응 가스 공급 수단(45)은 배관(451)에 의해 접속되어 있고, 반응 가스 공급 수단(45)으로부터 공급된 반응 가스는 배관(451)을 통해서 촉매챔버(46) 내에 도입된다.

또한, 촉매챔버(46) 내에는 성막챔버(44)에 놓인 기판(S)과 대향하는 위치에 촉매원(48)이 설치되어 있다. 덧붙여, 이 촉매원(48)은 반응 가스의 도입 경로에 대해 수직하게 설치되어 반응 가스가 수직으로 촉매원에 접촉되도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

촉매원(48)에 대해, 도 5를 참조하여 설명한다. 덧붙여 도 5에 있어서, 도 4와 동일한 구성요소에는 동일한 참조 부호를 붙였다.

기판 받침대(441)에 놓인 기판(S)의 주연부와 개구부(47)의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 ω로 하고, 기판의 주연부와 촉매원(48)의 가장자리로부터 일정 거리 x만큼 중심으로 향한 위치의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 δ로 한 경우에, 촉매원이 ω≥δ를 만족하는 위치에 배치되어 있다. 이 경우, ω, δ는 각각 각 직선이 기판의 내경 방향과 이루는 각도를 말한다.

촉매원(48)의 바람직한 설치 태양에 대해, 도 6을 참조하여 설명한다. 덧붙여, 도 6에 있어서, 도 4와 동일한 구성요소에는 동일한 참조 부호를 붙였다. 이 태양은 도 5에 있어서의 일정 거리 x를 O으로 한 경우이며, 기판(S)의 주연부와 개구부(47)의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판(S)과 이루는 각도를 ω로 하고, 기판의 주연부와 촉매원(48)의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 θ로 한 경우에, 촉매원이 ω≥θ, 바람직하게는 ω>θ를 만족하는 위치에 배치된 것이다. ω>θ를 만족하는 위치에 촉매원을 설치하는 것이 바람직하다는 것은, ω=θ의 경우에는 촉매챔버(46)의 내벽(A) 등에 라디칼이 충돌하여 불활성화할 가능성이 있기 때문이다. 이 경우, θ는 직선이 기판의 내경 방향과 이루는 각도를 말한다.

이 각도 관계 ω≥θ는 기판(S) 상의 모든 위치로부터 촉매원이 보이도록 기판의 주연부의 모든 점에 대해 성립하고 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 개구부(47)의 지름이 촉매챔버(46)의 내경과 동일할 때는, 촉매챔버(46)의 내벽(A)의 주연부(a, 즉 개구부(47)의 주연부)와 기판(S)의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선 L1이 기판과 이루는 각도를 ω로 한다. 또한, 개구부(47)의 직경이 촉매챔버(46)의 내경보다 작은 경우, 바꾸어 말하면, 개구부의 주연부에 설치된 칸막이 부재(51)에 의해 성막챔버(44)와 촉매챔버가 분리되어 있는 경우에는, 이 칸막이 부재의 주연부(a', 즉 개구부의 주연부)와 기판(S)의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선 L2가 기판과 이루는 각도 ω'를 각도 ω로 한다.

어느 경우에 대해서도, 상기한 ω≥δ 또는 ω≥θ 라는 각도 관계가 성립하지 않으면 안 된다. 진공 챔버(42)가 어떠한 형상을 가지고 있다고 하여도, 또한 개구부(47)가 어떠한 형상이더라도, 이것들을 만족하지 않으면 발생한 라디칼이 진공 챔버의 내벽 등에 의해 불활성화되어 버리기 때문이다.

성막챔버(44) 내부에 샤워노즐(443)을 설치한 경우에 대해, 도 7을 참조하여 설명한다. 덧붙여 도 7에 있어서, 도 4와 동일한 구성요소에는 동일한 참조 부호를 붙였다. 기판(S)의 주연부와 샤워노즐(443)의 중앙에 설치된 개구(444)의 주연부(b)의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 φ로 하고, 기판의 주연부와 촉매원(48)의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 θ로 한 경우에, 샤워 노즐이 φ≥θ를 만족하는 위치에 배치되지 않으면 안 된다. 이 각도 관계를 만족하지 않으면, 촉매원에서 발생한 라디칼이 샤워노즐(443) 에 충돌하여 불활성화되어 버리기 때문이다. 상기 각도 조건은 바람직하게는 φ>θ이다. φ=θ인 경우, 라디칼이 개구(443)의 측벽(B)에 충돌하여 불활성화되어 버릴 가능성이 있기 때문이다.

이 촉매원(48)은 고융점 금속 와이어를 1개 이상 조합하여 구성된다. 고융점 금속으로는, 예를 들면, 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 탄탈, 레늄, 오스뮴, 이리듐을 들 수 있다. 이 고융점 금속 와이어는 직선 와이어라도 좋지만 도 8에 나타낸 바와 같은 나선 모양으로 감겨진 것이 바람직하다.

이 조합 형상은 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 고융점 금속 와이어(81)를 복수개 이용하여 다각형상으로 늘어놓아도 좋고, 게다가 그 내부에 고융점 금속 와이어를 적절한 개수 조합하여 촉매원(48)의 표면적을 증대시켜도 괜찮다. 또한, 고융점 금속 와이어(81)를 메쉬 형상으로 조합한 것이라도 좋다. 도 8에서는, 고융점 금속 와이어(81) 8개를 가지고 팔각형상으로 늘어놓고 그 내부에 고융점 금속 와이어를 4개 조합하고 이에 더하여 그 내부에 고융점 금속 와이어를 4개 조합하여 사각형을 형성하고 있다. 덧붙여 이러한 고융점 와이어(81)는 열에 의해 휘지 않도록 설치하는 것이 바람직하다.

이 촉매원(48)은 전원(도시하지 않음)에 접속되어 있어 전원을 동작시키어 촉매원에 직류 전류 또는 교류 전류를 흘리면, 촉매원이 고온으로 발열하도록 구성되어 있다.

또한, 이 촉매원(48)의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록, 전류 전압을 모니터하여 피드백하는 제어 기구(도시하지 않음)가 촉매원에 설치되어 있다. 이 촉 매원(48)으로부터의 방열에 의해 촉매챔버(46)의 온도가 상승하므로, 촉매챔버 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 냉각 수단(도시하지 않음)이 촉매챔버의 외부 또는 내부에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

촉매원(48)과 기판(S)의 거리는 기판 지름의 0.5~1.5배 이내의 범위가 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 이 거리를 절대적인 거리로 설정하지 않고 기판 지름을 기준으로 한 상대적인 거리로 설정한 것은, 라디칼의 흐름 방향이 기판 지름의 크기에 대해 항상 일정하게 되도록 하기 위함이다.

상기 조건을 만족하여 촉매원(48)을 설치한 경우에는, 라디칼이 수송중에 불활성화되지 않고 반응에 충분한 양이 기판(S)까지 도달하여 소망하는 특성의 막을 형성할 수 있다.

또한, 촉매챔버(46)는, 원료 가스가 촉매챔버 내에 확산하고 촉매원(48)에 부착하는 것을 방지하기 위해서, 퍼지 가스 공급 수단(도시하지 않음)을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

촉매챔버(46)와 성막챔버(44) 사이의 개구부(47)에 샤워노즐과 같은 구멍이 있는 격벽을 설치해도 좋다. 이 격벽은 라디칼의 불활성화를 효과적으로 방지하기 위하여 석영이나 알루미나로 덮이지 않으면 안 된다. 이 격벽 구멍의 총단면적은 격벽의 횡단면적의 반 이상이 아니면 안된다. 반 미만이면, 라디칼의 대부분이 격벽에 부딪쳐 불활성화되어 버려 반응에 필요한 양의 라디칼이 기판에 도달하지 않고 소망하는 특성의 막을 형성할 수 없기 때문이다.

게다가 이 개구부(47)에는 원료 가스가 촉매챔버(46)에 확산하지 않도록 셔 터나 고립 밸브(isolation vlave)를 설치해도 좋다. 고립 밸브로서는 게이트 밸브를 이용하는 것이 바람직하다.

진공 배기 수단(41)은 도 4에서는 성막챔버(44)의 측벽에 마련했지만 성막챔버(44)의 저부에 설치해도 좋다.

이하, 본 발명의 성막 장치를 이용한 성막 방법에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

본 성막 장치를 이용하여 이하와 같이 성막 전의 전처리를 수행할 수도 있다.

처음에, 기판 받침대(441) 상에 기판(S)을 올려놓고, 촉매원(48)에 전류를 흘려 발열시킨다. 이 촉매원(48)에의 투입 전력은 예를 들면, 직류 전압 13.0V, 14.OA로 설정되어 있고, 이것에 의해 촉매원의 온도는 약 1700℃로 상승 한다. 이 온도를 유지한 상태에서 반응 가스 공급 수단(45)으로부터 촉매챔버(48) 내부에 반응 가스를 200 sccm으로 1분간 공급한다. 동시에 성막챔버(44)의 진공 배기 수단(41)에 의해 배기를 행하여 진공 챔버(42) 내의 압력을 1~60Pa의 범위로 한다.

여기서, 반응 가스로는 H₂ 가스, SiH₄ 가스, NH₂NH₂ 가스, NH₃가스, H₂O 가스 등과 같은 H 원자 함유 가스를 이용할 수 있고, 이들을 단독으로 이용해도 복수로 이용해도 괜찮다.

반응 가스가 촉매원(48)에 접촉하여 라디칼이 생성되고, 이 라디칼이 기판(S)의 표면에 잔류하고 있는 금속 산화물을 환원하여 청정한 금속면을 노출시킨 다. 예를 들어, 반응 가스가 H₂ 가스인 경우에는 H 라디칼이 생성되고, 반응성 가스가 NH₃ 가스인 경우에는 NH나 NH₂ 등의 라디칼이 생성된다.

라디칼은 반응성이 매우 풍부하여 환원성이 높고, 기판 온도가 200℃이하에서도 기판 표면의 금속 산화물이나, 불화물, 또는 탄화물 등을 용이하게 환원하여 청정한 표면을 노출시킬 수 있다. 이것에 의해, 원료 가스의 전구체의 핵 발생 빈도나, 얻어진 막과 하지층의 밀착성을 개선할 수 있다.

상기 전처리에 의해, 기판(S)의 세정뿐만이 아니라, 진공 챔버(42) 내부의 세정을 할 수도 있다.

계속해서, 상기 전처리를 수행한 기판(S)에 본 장치를 이용하여 성막하는 방법에 대해 설명한다

전처리용으로 사용하던 반응 가스의 공급을 멈춘 후, 기판 받침대(441)의 온도를 올려 기판의 온도를 200℃~300℃의 범위로 올린다. 기판의 온도가 안정된 후, 퍼지 가스를 촉매챔버(46)에 도입한다. 여기서, 퍼지 가스로는, Ar, Xe 등의 희가스나, N₂ 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다.

그 후, 퍼지 가스를 도입하면서, 원료 가스를 0.5g/min으로 성막챔버(44) 내에 도입하여 원료 가스의 전구체를 기판(S)에 흡착시킨다. 여기서, 원료 가스의 원료는 유기계 금속 화합물이면 특히 제한은 없고, 소망하는 막의 종류·성질에 대응하여 선택할 수 있고, 예를 들어, Ta[NC(CH₃)₂C₂H₅][N(CH₂)₂]₃(TIMATA), 펜타디메틸아미노탄탈(PDMAT), tert-아미르이미드트리스(디메틸아미드)탄탈(TAIMATA), 펜타디에 틸아미노탄탈(PEMAT), tert-부틸이미드트리스(디메틸아미드)탄탈(TB TDET), tert-부틸이미드트리스(에틸메틸아미드)탄탈(TBTEMT), TaX₅(X: 불소, 염소, 브롬 및 요오드로부터 선택된 할로겐 원자)를 사용할 수 있다.

10초간 원료 가스를 도입하고 원료 가스를 정지한다. 퍼지 가스는 그대로 계속 도입하여 잔류하고 있는 원료 가스를 배기한다. 원료 가스를 완전히 배출한 후, 퍼지 가스의 도입을 정지한다.

다음에, 반응 가스를 반응 가스 도입구(461)에서 200 sccm으로 10초간 도입한다. 반응 가스로는, 상기한 H 원자 함유 가스를 이용할 수 있고, 이것들은 어느 것이나 단독으로 이용해도 2종 이상을 동시에 이용해도 괜찮다.

도입한 반응 가스가 촉매원(48)에 접촉하여 라디칼을 생성한다. 이 생성된 라디칼이 기판 표면에 흡착한 전구체와 반응하여 막을 형성한다. 예를 들면, TIMATA를 원료로 한 경우에는 TaN_x 막이 형성된다.

상기 공정을 여러 번 반복하여 소망하는 두께의 막을 얻을 수 있다.

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에 의해 하등 한정되지 않는다.

실시예1

도 9에 나타낸 성막 장치를 이용하여 개구부(47)의 크기를 변화시킨 경우의 라디칼의 수송 효율에 대해 조사했다. 본 성막 장치는 개구부(47)에 칸막이 부재(51)를 설치하고 있다. 이 칸막이 부재(51)의 크기를 변화시켜 개구부(47)의 크 기를 바꾸는 것에 의해, 기판(S)의 주연부와 개구부(47)의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 촉매원(48)과 교차하는 점과 촉매원의 가장자리의 거리 y를 변화시키는 것이 가능하다. 촉매원(48)을 구성하는 고융점 와이어(81)는 텅스텐으로 이루어지고, 그 길이 z는 100 mm이다. 덧붙여 도 9에 있어서, 도 4와 동일한 구성요소에는 동일한 참조 부호를 붙였다.

상기의 구성을 가지는 장치의 칸막이 부재(51)의 크기를 변화시키는 것에 의해 촉매원으로부터의 거리 y를 0, 35, 40, 45 mm로 바꾸고, 각각의 경우에 대해 이하와 같이 라디칼을 생성하여 환원 처리를 수행했다.

우선, 기판(S)으로서 열산화물막이 형성되고 게다가 그 위에 동산화물막이 형성된 8인치 웨이퍼를 기판 받침대(441)에 놓고, 그 다음에 촉매원(48)에 전류를 흘려 발열시켰다. 이 촉매원(48)에의 투입 전력을 직류 전압 13.OV, 14.OA로 설정하고, 이것에 의해 촉매원(48)의 온도를 1700~1800℃가 되도록 했다. 이 온도를 유지한 상태에서 반응 가스 공급 수단으로부터 촉매챔버(46) 내부에 반응 가스로서 H₂ 가스를 200 sccm으로 1분간 공급했다. 동시에 성막챔버(44)의 진공 배기 수단에 의해 배기하여 진공 챔버(42) 내의 압력을 10Pa로 했다. 공급된 H₂ 가스는 촉매원(48)과 접촉하여 H 라디칼을 생성했다. 이 라디칼에 의해 기판(S) 상의 동산화물막이 환원되는지 여부를, 기판(S) 상의 각 점에서 상대 반사율을 측정하여 평가했다. 그 결과를 도 10에 나타냈다.

도 10에 있어서, 횡축은 라디칼 조사 후의 기판(S) 상의 막의 측정 위치와 기판(S) 중심의 거리를 나타낸다. 종축은 동막의 반사율을 100%로 한 경우의 라디칼 조사 후의 막의 상대 반사율을 나타낸다.

도 10에 의하면, 거리 y가 0 mm인 경우에는, 환원된 동산화물막의 상대 반사율은 기판상의 모든 점에 대해 100%이며, 동막의 반사율과 같았다. 거리 y가 35 mm인 경우, 즉, 촉매원의 단부로부터의 거리 y가 촉매원의 길이의 35%인 경우에는, 기판의 중앙부로부터 45 mm 이하의 위치에 있으면, 상대 반사율은 100%로 동막의 반사율과 같았지만, 기판의 중앙부로부터 45 mm를 넘은 위치에서는, 상대 반사율은 100% 미만이었다. 또한, 거리 y가 40, 45 mm인 경우에는, 기판 상의 모든 점에 대해서 상대 반사율은 100% 미만이며, 기판의 중심으로부터 거리가 멀어짐에 따라 상대반사율이 급격히 감소했다.

이것으로부터, 촉매원의 단부로부터의 거리 y가 촉매원의 길이의 35% 이내에 있으면 성막에 필요한 양의 라디칼이 불활성화되지 않고 기판에 도달할 수 있는 알수 있었다.

실시예2

도 4에 나타낸 성막 장치로 샤워노즐(443)을 가지고 있지 않은 것을 이용하여 라디칼의 수송 효율을 조사했다. 본 성막 장치는 개구부(47)의 지름이 촉매챔버(46)의 내경과 일치하는 것이다. 기판(S)으로서 열산화물막이 형성되고 게다가 그 위에 동산화물막이 형성된 8인치 웨퍼를 이용했다. 이 기판(S)을 기판 받침대(441)에 설치했다. 기판(S)의 주연부와 개구부(47)의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도 ω는 약 80도 이었다.

촉매원(48)은 와이어 직경 0.5 mm, 길이 350 mm의 텅스텐으로 이루어진 고융점 금속 와이어(81)를 도 8과 같이 정팔각형이 되도록 8개 배치하고, 그 내부에 정사각형을 형성하도록 와이어 직경 0.5 mm, 길이 300 mm의 고융점 금속 와이어(81)를 4개, 이에 더하여 그 내부에 정사각형을 형성하도록 직경 0.5 mm, 길이 300 mm의 고융점 금속 와이어(81)를 4개 배치한 것을 이용했다. 이 촉매원(48)을 기판(S)에 대향하고 또한 기판으로부터 400 mm인 위치에 설치했다. 기판(S)의 주연부와 촉매원(48)의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도는 80도이었다. 따라서, 해당 장치는 ω≥θ의 각도 관계를 만족했다.

상기의 구성을 가지는 장치의 촉매원(48)에 전류를 흘려 발열시켰다. 이 촉매원(48)에의 투입 전력은 직류 전압 13.OV, 14.OA로 설정하고, 이것에 의해 촉매원(48)의 온도는 1700~1800℃가 되도록 했다. 이 온도를 유지한 상태에서 반응 가스 공급 수단(45)으로부터 촉매챔버(46) 내부에 반응 가스로서 H₂ 가스를 200 sccm으로 1분간 공급했다. 동시에 성막챔버(44)의 진공 배기 수단(41)에 의해 배기하여 진공 챔버(42) 내의 압력을 10Pa로 했다.

H₂ 가스는 촉매원(48)에 접촉하여 H 라디칼을 생성했다. 이 라디칼은 라디칼 수송로를 지나 기판(S)의 표면에 도달하여 동산화물막을 환원했다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.

도 3에 의하면, 라디칼 처리 후의 막의 절대 반사율이 열산화물막을 가지는 기판(S) 상에 형성된 동막의 절대 반사율인 54%로 일치했다(도 3의 점C 참조). 이 것은 발생한 라디칼에 의해 기판 상의 동산화물막이 모두 환원되어 동막이 얻어진 것을 나타낸다. 이것으로부터, 본 발명의 성막 장치를 이용하면, 라디칼이 수송중에 불활성화되는 일 없이 효율적으로 기판(S)상에 조사되는 것을 알 수 있었다.

실시예3

도 4에 나타낸 성막 장치를 이용하여 TaN_x막의 형성을 수행하고, 그 막질 특성을 평가했다. 덧붙여 실시예1과 동일한 8인치 웨이퍼를 기판(S)으로서 사용했다.

최초에, 기판(S)을 성막챔버(44)에 반송하여 기판 받침대(441) 상에 놓았다. 기판 받침대(441)의 온도는 250℃로 설정했다. 기판 온도를 안정시키고, 촉매챔버(46)에 퍼지 가스로서 N₂ 가스를 200 sccm 도입했다.

퍼지 가스 도입으로부터 5초 후, 원료 가스로서 TIMATA를 샤워노즐(443)을 개재시켜 0.5 g/min 도입했다.

원료 가스의 전구체를 기판(S) 상에 흡착시킨 후, 원료 가스의 도입을 정지했다.

촉매챔버(44)로부터 도입되고 있던 퍼지 가스의 도입을 원료 가스 도입 정지로부터 수초 후에 정지했다.

그 다음에, 촉매챔버(46)에 반응 가스로서 H₂ 가스를 200 sccm 도입하여 촉매원(48)에 접촉시켜 H 라디칼을 생성시키고, 기판(S) 상에 흡착하고 있던 전구체와 반응시켜 막을 형성했다. 도입으로부터 10초 후, H₂ 가스의 도입을 정지했다.

상기 공정을 200회 반복하여 얻은 막 두께 18 nm의 TaN_x 막의 비저항을 측정하여 도 11에 나타냈다. 또한, 비교예로서, 도 1, 도 2와 같은 ω≥θ을 만족하지 않는 구조를 가지는 각 성막 장치를 이용한 이외는 모두 동일 조건으로 형성한 경우의 TaN_x 막의 비저항을 측정하여 함께 도 11에 나타냈다.

도 1, 도 2와 같은 구조를 가지는 성막 장치에서 성막한 TaN_x 막의 비저항은 10⁶(μΩ·㎝) 정도이고(도 11의 점A, B 참조), 이것은 촉매원(48)에서 생성된 라디칼이 수송로에서 불활성화되었기 때문에, 기판까지 도달할 수 없었던 결과, 절연물에 가까운 막으로 이루어진 것이라 생각된다.

한편, 본 발명의 성막 장치를 이용하여 성막한 TaN_x 막의 비저항은 800(μΩ·㎝) 정도이며(도 11의 점C 참조), 도 1, 도 2의 장치에서 형성된 막에 비해 극히 비저항이 낮았다. 이것은, 본 장치의 경우, 생성된 라디칼을 효과적으로 기판 위까지 수송시켜 기판상에 흡착한 전구체와 라디칼이 충분히 반응한 결과, 비저항이 극히 낮은 막이 형성된 것이라 생각된다.

본 발명의 성막 장치 및 성막 방법에 의하면, 촉매 작용에 의해 얻어딘 라디칼을 불활성화되지 않고 효율적으로 기판까지 수송할 수 있으므로 소망하는 막을 형성할 수 있다. 그 때문에, 본 발명은 반도체 디바이스 분야의 박막 형성 프로세스에 적용가능하다.

Claims

원료 가스 공급 장치 및 기판 받침대를 구비한 성막챔버와, 반응 가스 공급 장치 및 기판에 대향하도록 설치된 촉매원을 구비한 촉매챔버를 가지는 진공 챔버로 구성되고, 이 성막챔버와 촉매챔버가 개구부를 개재하여 접속되는 성막 장치에 있어서, 상기 성막챔버의 내경이 촉매챔버의 내경보다 큰 것, 그리고 기판 받침대에 놓인 기판의 주연부와 개구부의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 ω로 하고, 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리로부터 촉매원의 길이의 0~35% 중심으로 향한 위치의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 δ로 한 경우에, 촉매원이 ω≥δ를 만족하는 위치에 배치되어 있는 것, 그리고 상기 개구부에 구멍이 뚫린 격벽을 설치한 것을 특징으로 하는 성막 장치.
원료 가스 공급 장치 및 기판 받침대를 구비한 성막 챔버와, 반응 가스 공급 장치 및 기판에 대향하도록 설치된 촉매원을 구비한 촉매챔버를 가지는 진공 챔버로 구성되고, 이 성막챔버와 촉매챔버가 개구부를 개재하여 접속되는 성막 장치에 있어서, 상기 성막챔버의 내경이 촉매챔버의 내경보다 큰 것, 그리고 기판 받침대에 놓인 기판의 주연부와 개구부의 주연부의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 ω로 하고, 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 θ으로 한 경우에, 촉매원이 ω≥θ를 만족하는 위치에 배치되어 있는 것, 그리고 상기 개구부에 구멍이 뚫린 격벽을 설치한 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 촉매원과 기판의 거리가 기판 지름의 O.5~1.5배의 범위가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 성막 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 촉매원이 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 탄탈, 레늄, 오스뮴 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 고융점 금속으로 제작된 나선 모양의 고융점 금속 와이어로 구성된 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 고융점 금속 와이어가 인장력이 유지되어 열에 의해 휘지 않도록 설치된 것을 특징으로 하는 성막 장치.
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청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 격벽 구멍의 총단면적이 격벽의 횡단면적의 50% 이상 100% 미만인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 성막챔버 내에 중앙에 개구를 가지는 원료 가스 공급용의 샤워노즐을 설치하고, 기판의 주연부와 샤워노즐의 개구의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 φ로 하고, 기판의 주연부와 촉매원의 가장자리의 최단 거리를 연결하는 직선이 기판과 이루는 각도를 θ로 한 경우에, 샤워노즐이 φ≥θ를 만족하는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 성막챔버의 저부에 진공 배기 장치를 설치한 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 촉매챔버의 내부 또는 외부에 냉각 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 개구부에 셔터를 설치한 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1 또는 2에 기재된 성막장치를 사용하여 성막하는 방법.
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