KR101555572B1 - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

적어도 제1 원료 가스 및 제2 원료 가스를 기판에 대하여 교대로 공급함으로써, 제1 원료 가스와 제2 원료 가스와의 반응에 의해 발생하는 반응 생성 물질의 박막을 기판에 퇴적하는 성막 방법이 개시된다. 이 방법은, 기판이 수용되는 처리 용기 내에 가스를 공급하는 일 없이 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝과, 처리 용기 내가 소정의 압력이 될 때까지 처리 용기 내로 불활성 가스를 공급하는 스텝과, 처리 용기 내의 진공 배기를 정지한 상태에서, 불활성 가스가 소정의 압력으로 채워진 처리 용기 내에 제1 원료 가스를 공급하는 스텝과, 제1 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝과, 처리 용기 내에 제2 원료 가스를 공급하는 스텝과, 제2 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝을 포함한다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM DEPOSITION METHOD AND APPARATUS}
본 발명은, 적어도 제1 원료 가스 및 제2 원료 가스를 기판에 대하여 교대로 공급함으로써, 제1 원료 가스와 제2 원료 가스와의 반응에 의해 발생하는 반응 생성 물질의 박막을 기판에 퇴적하는 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 집적 회로의 제조 프로세스에 있어서, 예를 들면 절연막을 퇴적하기 위해, 그 절연막을 생성하기 위한 2종류의 원료 가스를 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대하여 교대로 공급하는 원자층 퇴적(ALD)법이 이용되는 경우가 있다. ALD법은, 원료 가스가 기판에 대하여 자기(自己) 제한적으로 흡착하는 성질을 이용할 수 있기 때문에 막두께 균일성이 우수하고, 또한, 교대 공급의 사이클수에 의해 막두께가 결정되기 때문에 막두께 제어성이 우수하다는 이점을 갖고 있다(예를 들면 특허문헌 1을 참조).
일본공개특허공보 2004-6801호
그런데, 박막을 퇴적하는 경우, 우수한 막두께 균일성을 갖고 있는 것이 반드시 바람직하다고는 할 수 없다. 예를 들면 종래의 감압 화학 퇴적(LPCVD)법에 의해 질화 실리콘막을 퇴적하고, 다음으로 그 질화 실리콘막을 에칭하는 경우에는, 그 질화 실리콘막은, 기판의 중앙 부근에서 두껍고, 기판 주연(周緣)을 향하여 얇아지는 바와 같은 막두께 분포를 갖고 있는 것이 바람직한 경우가 있다. 이것은, 패턴의 미세화에 수반하는 마이크로 로딩 효과(micro loading effect)를 억제하기 위해, 상기와 같은 막두께 분포를 갖는 박막을 퇴적하고, 그 막두께 분포를 고려하여 에칭 프로파일을 결정하고 있기 때문이다.
이 때문에, 예를 들면 막두께 제어성의 관점에서 ALD법을 이용하여 박막을 퇴적하는 경우에도, ALD법이 막두께 균일성이 우수한 퇴적법이라고 해도, 후속의 프로세스에 바람직한 막두께 분포를 갖는 박막을 퇴적하는 것이 요구된다.
본 발명은, 상기를 감안하여, 소망하는 막두께 분포를 갖는 박막을 퇴적 가능한 성막 방법 및 성막 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 의하면, 적어도 제1 원료 가스 및 제2 원료 가스를 기판에 대하여 교대로 공급함으로써, 제1 원료 가스와 제2 원료 가스와의 반응에 의해 발생하는 반응 생성 물질의 박막을 기판에 퇴적하는 성막 방법이 제공된다. 이 방법은, 기판이 수용되는 처리 용기 내에 가스를 공급하는 일 없이 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝과, 처리 용기 내가 소정의 압력이 될 때까지 처리 용기 내로 불활성 가스를 공급하는 스텝과, 처리 용기 내의 진공 배기를 정지한 상태에서, 불활성 가스가 소정의 압력으로 채워진 처리 용기 내에 제1 원료 가스를 공급하는 스텝과, 제1 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝과, 처리 용기 내에 제2 원료 가스를 공급하는 스텝과, 제2 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 성막 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 도 1 및 도 2에 나타내는 성막 장치에 있어서 실시할 때의 처리 용기 내의 압력 변화의 일 예를 나타내는 압력 차트이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 의해 퇴적된 질화 실리콘막의 막두께 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 의해 퇴적된 질화 실리콘막의 막두께 균일성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 막두께 분포가 발생하는 이유를 설명하는 도면이다.
(적합한 실시예의 상세한 설명)
이하, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명을 한정하지 않는 예시의 실시 형태에 대해서 설명한다. 첨부한 전 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 붙여, 중복하는 설명을 생략한다. 또한, 도면은, 부재 또는 부품 간의 상대비(比)를 나타내는 것을 목적으로 하지 않으며, 따라서, 구체적인 치수는, 이하의 한정적이지 않은 실시 형태에 비추어, 당업자에 의해 결정되어야 할 것이다. 또한, 도면 및 이하의 설명에 있어서, 압력의 단위로서 Torr를 이용하는 경우가 있다(1Torr＝133.3㎩).　
도 1은 본 실시 형태에 따른 ALD 장치를 개략적으로 나타내는 종단면도이며, 도 2는 도 1의 ALD 장치의 횡단면도이다. 　
도 1에 나타내는 바와 같이, ALD 장치(80)는, 하단(bottom)이 개구된 천정이 있는 원통체 형상을 갖는, 예를 들면 석영에 의해 형성되는 처리 용기(1)를 갖고 있다. 처리 용기(1) 내의 상방에는, 석영제의 천정판(2)이 설치되어 있다. 또한, 처리 용기(1)의 하단 개구부에는, 예를 들면 스테인리스 스틸에 의해 원통체 형상으로 성형된 매니폴드(3)가 O링 등의 시일 부재(4)를 통하여 연결되어 있다.
매니폴드(3)는 처리 용기(1)의 하단을 지지하는 지지 부재로서 작용함과 함께, 측면에 형성된 복수의 관통공에 각각 접속되는 배관으로부터 소정의 가스를 처리 용기(1) 내로 공급한다. 매니폴드(3)의 하부에는, 매니폴드(3)의 하단 개구부를 개폐하는 예를 들면 스테인리스 스틸제의 덮개부(9)가 예를 들면 O링으로 이루어지는 시일 부재(12)를 통하여 연결되어 있다. 덮개부(9)는 중앙에 개구를 갖고 있으며, 이 개구를 회전 샤프트(10)가 기밀하게(airtightly) 관통하고 있다. 회전 샤프트(10)의 상단부에는 테이블(8)이 부착되고, 테이블(8)의 위에는 석영제의 보온통(7)을 개재하여 웨이퍼 보트(wafer boat; 5)가 설치되어 있다. 웨이퍼 보트(5)는 3개의 지주(pillar; 6)를 가지며(도 2 참조), 지주(6)에 형성된 홈에 의해 다수매의 웨이퍼(W)가 지지된다. 회전 샤프트(10)가 도시하지 않은 회전 기구에 의해 중심축의 주위로 회전함으로써, 웨이퍼 보트(5)도 또한 회전할 수 있다.
회전 샤프트(10)의 하단부는, 도시하지 않은 승강 기구에 의해 상하동이 가능하게 지지되는 아암(13)에 부착되어 있다. 아암(13)의 상하동에 의해, 웨이퍼 보트(5)가 처리 용기(1) 내로 반입되고, 반출된다. 또한, 회전 샤프트(10)와 덮개부(9)의 개구와의 사이에는 자성 유체 시일(magnetic fluid seal; 11)이 설치되고, 이에 따라 처리 용기(1)가 밀폐된다.
또한, ALD 장치(80)는, 처리 용기(1) 내로 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급 기구(14)와, 처리 용기(1) 내로 Si 함유 가스를 공급하는 Si 함유 가스 공급 기구(15)와, 처리 용기(1) 내로 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 기구(16)를 갖고 있다.
질소 함유 가스 공급 기구(14)는, 질소 함유 가스 공급원(17)과, 질소 함유 가스 공급원(17)으로부터의 질소 함유 가스를 인도(guide)하는 질소 함유 가스 배관(17L)과, 질소 함유 가스 배관(17L)에 접속되며, 매니폴드(3)의 측벽을 내측으로 관통하여 상방향으로 굴곡되고 수직으로 연장되는 석영관으로 이루어지는 질소 함유 가스 분산 노즐(19)을 갖고 있다. 질소 함유 가스 분산 노즐(19)의 수직 부분에는, 복수의 가스 토출공(19a)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있으며, 각 가스 토출공(19a)으로부터 수평 방향으로 처리 용기(1)를 향하여 거의 균일하게 질소 함유 가스를 토출할 수 있다.
또한, 질소 함유 가스 배관(17L)에는, 개폐 밸브(17a)와, 질소 함유 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기(17b)가 설치되어 있다. 이들에 의해, 질소 함유 가스의 공급의 개시/정지 및, 유량이 제어된다.
Si 함유 가스 공급 기구(15)는, Si 함유 가스 공급원(20)과, Si 함유 가스 공급원(20)으로부터의 Si 함유 가스를 인도하는 Si 함유 가스 배관(20L)과, Si 함유 가스 배관(20L)에 접속되며, 매니폴드(3)의 측벽을 내측으로 관통하여 상방향으로 굴곡되고 수직으로 연장되는 석영관으로 이루어지는 Si 함유 가스 분산 노즐(22)을 갖고 있다. 도시의 예에서는, 2개의 Si 함유 가스 분산 노즐(22)이 설치되어 있고(도 2 참조), 각 Si 함유 가스 분산 노즐(22)에는, 그 길이 방향을 따라서 복수의 가스 토출공(22a)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있다. 이에 따라, 각 가스 토출공(22a)으로부터 수평 방향으로 처리 용기(1) 내에 거의 균일하게 Si 함유 가스를 토출할 수 있다. 또한, Si 함유 가스 분산 노즐(22)은 1개만이라도 좋다.
또한, Si 함유 가스 배관(20L)에는, 개폐 밸브(20a), 유량 제어기(20b), 버퍼 탱크(180) 및, 개폐 밸브(20c)가 설치되어 있다. 예를 들면 개폐 밸브(20c)를 닫은 채로 개폐 밸브(20a)를 열고, Si 함유 가스원(20)으로부터 Si 함유 가스를 소정의 유량으로 흘림으로써, 버퍼 탱크(180) 내에 Si 함유 가스를 일시적으로 모을 수 있다. 그 후, 개폐 밸브(20a)를 닫고 개폐 밸브(20c)를 열면, 소정량의 Si 함유 가스를 처리 용기(1) 내로 공급하는 것이 가능해진다.
불활성 가스 공급 기구(16)는, 불활성 가스 공급원(41)과, 불활성 가스 공급원(41)에 접속되어, Si 함유 가스 배관(20L)에 합류되는 불활성 가스 배관(41L)을 갖고 있다. 불활성 가스 배관(41L)이 Si 함유 가스 배관(20L)에 합류되어 있기 때문에, 불활성 가스는, Si 함유 가스 분산 노즐(22)로부터 처리 용기(1) 내로 토출된다. 또한, 불활성 가스 배관(41L)에는, 개폐 밸브(41a)와, 불활성 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기(41b)가 설치되어 있다. 이들에 의해, 불활성 가스의 공급의 개시/정지 및, 유량이 제어된다.
처리 용기(1)의 측벽의 일부에는, 질소 함유 가스의 플라즈마를 형성하는 플라즈마 생성 기구(30)가 형성되어 있다. 이 플라즈마 생성 기구(30)는, 처리 용기(1)의 측벽에 상하로 가늘고 길게 형성된 개구(31)와, 개구(31)를 외측으로부터 덮도록 처리 용기(1)의 외벽에 기밀하게 용접된 플라즈마 구획벽(32)을 갖고 있다. 플라즈마 구획벽(32)은, 단면 오목부 형상을 이루어 상하로 가늘고 길게 형성되고, 예를 들면 석영으로 형성되어 있다. 플라즈마 구획벽(32)에 의해, 처리 용기(1)의 측벽의 일부가 오목부 형상으로 외측으로 움푹 패여 있으며, 플라즈마 구획벽(32)의 내부 공간은 처리 용기(1)의 내부 공간으로 연통한다. 또한, 개구(31)는, 웨이퍼 보트(5)에 보유지지되어 있는 모든 웨이퍼(W)를 높이 방향에 있어서 커버할 수 있도록 상하 방향으로 충분히 길게 형성되어 있다.
또한, 플라즈마 생성 기구(30)는, 이 플라즈마 구획벽(32)의 양측벽의 외면에 상하 방향을 따라서 서로 대향하도록 하여 배치된 가늘고 긴 한 쌍의 플라즈마 전극(33, 33)과, 플라즈마 전극(33, 33)에 급전 라인(34)을 통하여 접속되며 플라즈마 전극(33, 33)으로 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(35)을 갖고 있다. 그리고, 고주파 전원(35)으로부터 플라즈마 전극(33, 33)에 대하여 예를 들면 13.56㎒의 고주파 전압을 인가함으로써 질소 함유 가스의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 이 고주파 전압의 주파수는, 13.56㎒로 한정되지 않으며, 다른 주파수, 예를 들면 400㎑ 등이라도 좋다.
질소 함유 가스 분산 노즐(19)은, 처리 용기(1) 내를 상방향으로 연장되는 도중에 처리 용기(1)의 반경 방향 바깥쪽으로 굴곡되어, 플라즈마 구획벽(32)의 직립면(直立面)을 따라서 상방을 향하여 연장되어 있다. 이 때문에, 고주파 전원(35)으로부터 플라즈마 전극(33, 33) 간에 고주파 전압이 인가되어, 양전극(33, 33) 간에 고주파 전계가 형성되면, 질소 함유 가스 분산 노즐(19)의 가스 토출공(19a)으로부터 토출된 질소 함유 가스가 플라즈마화 되어 처리 용기(1)의 중심을 향하여 흐른다.
플라즈마 구획벽(32)의 외측에는, 이것을 덮도록 하고 예를 들면 석영으로 이루어지는 절연 보호 커버(36)가 부착되어 있다. 또한, 이 절연 보호 커버(36)의 내측에는, 도시하지 않은 냉매 통로가 설치되고 있고, 예를 들면 냉각된 질소 가스를 흘림으로써 플라즈마 전극(33, 33)을 냉각할 수 있다.
2개의 Si 함유 가스 분산 노즐(22)은, 처리 용기(1)의 측벽의 개구(31)를 사이에 끼우는 위치에 기립하여 설치되어 있고, Si 함유 가스 분산 노즐(22)에 형성된 복수의 가스 토출공(22a)으로부터 처리 용기(1)의 중심 방향을 향하여 Si 함유 가스를 토출할 수 있다.
또한, Si 함유 가스로서는, 디클로로실란(DCS), 헥사클로로디실란(HCD) 가스, 모노실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 헥사메틸디실라잔(HMDS), 테트라클로로실란(TCS), 디실릴아민(DSA), 트리실릴아민(TSA), 비스터셔리부틸아미노실란(BTBAS) 등을 이용할 수 있다. 또한, 질소 함유 가스로서는, 암모니아(NH3) 가스, 하이드라진(N2H2) 등을 이용할 수 있다.
한편, 처리 용기(1)의 개구(31)에 대향하는 부분에는, 처리 용기(1) 내를 배기하기 위한 배기구(37)가 형성되어 있다. 이 배기구(37)는 처리 용기(1)의 측벽을 상하로 가늘고 길게 깎아냄으로써 형성되어 있다. 처리 용기(1)의 외측에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 배기구(37)를 덮도록 단면 오목부 형상으로 성형된 배기구 커버 부재(38)가 용접에 의해 부착되어 있다. 배기구 커버 부재(38)는, 처리 용기(1)의 측벽을 따라서 상방으로 연장되어 있고, 처리 용기(1)의 상방으로 가스 출구(39)를 획정하고 있다. 그리고, 가스 출구(39)는, 처리 용기(1)의 주(主)밸브(MV) 및 압력 조정기(PC)를 통하여 진공 펌프(VP)에 접속되고, 이에 따라 처리 용기(1) 내가 배기된다. 진공 펌프(VP)는, 예를 들면 메커니컬 부스터 펌프와 터보 분자 펌프를 포함해도 좋다.
또한, 처리 용기(1)의 외주를 둘러싸도록, 처리 용기(1) 및 그 내부의 웨이퍼(W)를 가열하는 케이스체 형상의 가열 유닛(40)이 설치되어 있다(도 2에 있어서는, 가열 유닛(40)을 생략하고 있다).
ALD 장치(80)의 각 구성부의 제어, 예를 들면 개폐 밸브(17a, 20a∼20c, 41a)의 개폐에 의한 각 가스의 공급/정지, 유량 제어기(17b, 20b, 41b)에 의한 가스 유량의 제어 및, 고주파 전원(35)의 온/오프 제어, 가열 유닛(40)의 제어 등은 예를 들면 마이크로 프로세서(컴퓨터)로 이루어지는 컨트롤러(50)에 의해 행해진다. 컨트롤러(50)에는, 공정 관리자가 ALD 장치(80)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, ALD 장치(80)의 가동 상황을 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 유저 인터페이스(51)가 접속되어 있다.
또한, 컨트롤러(50)에는, ALD 장치(80)에서 실행되는 각종 처리를 컨트롤러(50)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라서 ALD 장치(80)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 각종의 프로그램(또는 레시피)이 격납된 기억부(52)가 접속되어 있다. 프로그램에는, 후술하는 성막 방법을 ALD 장치(80)에 실행시키는 퇴적 프로그램이 포함된다. 또한, 각종의 프로그램은 기억 매체(52a)에 기억되어, 기억부(52)에 격납될 수 있다. 기억 매체(52a)는, 하드 디스크나 반도체 메모리라도 좋고, CD-ROM, DVD, 플래시 메모리 등의 가반성의 것이라도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예를 들면 전용 회선을 통하여 레시피를 기억부(52)로 적절히 전송시키도록 해도 좋다.
그리고, 필요에 따라서, 유저 인터페이스(51)로부터의 지시 등으로 임의의 프로그램을 기억부(52)로부터 불러내어 컨트롤러(50)에 실행시킴으로써, 컨트롤러(50)의 제어하에서, ALD 장치(80)에서의 소망하는 처리가 행해진다. 즉, 퇴적 프로그램이 실행되는 경우, 컨트롤러(50)는, ALD 장치(80)의 각 구성부를 제어하여, 성막 방법을 실행하는 제어부로서 기능한다.
다음으로, 지금까지 참조한 도 1 및 도 2에 더하여 도 3 및 도 4를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 대해서, ALD 장치(80)에 있어서 행해지는 경우를 예로 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, Si 함유 가스로서 DCS 가스를 사용하고, 질소 함유 가스로서 암모니아 가스를 사용하는 것으로 한다. 　
우선, 웨이퍼 보트(5)에 웨이퍼(W)를 탑재하고, 아암(13)에 의해 웨이퍼 보트(5)를 처리 용기(1) 내에 수용한다. 그 후, 처리 용기(1) 내에 어느 가스도 공급하지 않고(개폐 밸브(17a, 20c 및, 41a)를 닫고), 처리 용기(1)의 주밸브(MV)를 열고, 압력 제어기(PC)의 압력 조정 밸브를 완전히 열리게 하여, 진공 펌프(VP)에 의해, 처리 용기(1) 내를 도달 진공도까지 배기한다(도 3의 스텝 S31).
처리 용기(1) 내를 소정 기간 배기한 후, 스텝 S32(도 3)에 있어서, 주밸브(MV)를 닫고, 불활성 가스 공급원(41)으로부터의 질소 가스를 유량 제어기(41b)로 유량 제어하면서, 불활성 가스 배관(41L), Si 함유 가스 배관(20L) 및, Si 함유 가스 분산 노즐(22)을 통하여 처리 용기(1) 내로 공급한다. 이에 따라, 처리 용기(1) 내의 압력은, 질소 가스의 유량에 따라서 증가하고, 예를 들면 0.05Torr 이상으로 할 수 있다.
또한, 이 사이, Si 함유 가스 공급원(20)과 처리 용기(1)를 연결하는 Si 함유 가스 배관(20L)의 개폐 밸브(20c)를 닫은 채로 개폐 밸브(20a)를 열고, Si 함유 가스 공급원(20)으로부터의 DCS 가스를 유량 제어기(20b)로 유량 제어하면서 흘려, 버퍼 탱크(180) 내에 DCS 가스를 모아 둔다. 이때, 버퍼 탱크(180) 내에 모여지는 DCS 가스의 양(DCS 가스 분자수)은, 웨이퍼 보트(5)에 지지되는 웨이퍼(W)의 표면을 DCS 가스 분자로 덮을 수 있도록 설정되며, 구체적으로는 예비 실험으로부터 결정해도 좋다.
다음으로, 스텝 S33(도 3)에 있어서, 주밸브(MV)를 닫은 채로, 불활성 가스 배관(41L)의 개폐 밸브(41a)를 닫아 질소 가스의 공급을 정지함과 함께, 개폐 밸브(20c)를 엶으로써, 버퍼 탱크(180) 내에 모여 있었던 DCS 가스를 처리 용기(1) 내로 공급한다. 이에 따라, 도 4에 나타내는 바와 같이, 공급되는 DCS 가스의 양에 따라서 처리 용기(1) 내의 압력이 상승함과 함께, 처리 용기(1) 내가 질소 가스 및 DCS 가스의 혼합 가스 분위기가 되어, 웨이퍼(W)의 표면에 DCS 가스가 흡착한다.
DCS 가스의 공급 후, 개폐 밸브(20c)를 닫음과 함께 주밸브(MV)를 열어, 처리 용기(1) 내를 도달 진공도까지 배기한다(도 3의 스텝 S34). 이에 따라, 도 4에 나타내는 바와 같이, 처리 용기(1) 내의 압력이 저하하여, 처리 용기(1) 내의 기상(氣相) 중의 DCS 가스가 배기된다.
이어서, 스텝 S35에 있어서, 고주파 전원(35)으로부터 플라즈마 전극(33, 33)에 대하여 예를 들면 13.56㎒의 고주파 전압을 인가함과 함께, 개폐 밸브(17a)를 열고 질소 함유 가스 공급원(17)으로부터의 NH3 가스를 유량 제어하면서 처리 용기(1) 내로 공급한다. 이 공급에 의해, 처리 용기(1) 내의 압력은, 도 4에 나타내는 바와 같이, NH3 가스의 유량에 따른 압력으로 유지된다. 또한, 플라즈마 전극(33, 33) 간에 플라즈마가 생성되고, NH3 가스가 활성화되어 이온이나 라디칼 등의 활성종이 생성된다. 활성종은, 웨이퍼 보트(5)에 지지되는 웨이퍼(W)를 향하여 흐르고, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 DCS 가스와 반응하여, 웨이퍼(W)의 표면에 질화 실리콘이 생성된다.
NH3 가스에 유래하는 활성종과 DCS 가스가 반응하는 데에 충분한 시간이 경과한 후, NH3 가스의 공급을 정지함과 함께, 처리 용기(1)의 주밸브(MV)를 열어, 처리 용기(1) 내를 도달 진공도까지 배기한다(도 3의 스텝 S36).　
이하, 전술한 스텝을 소정의 횟수(소망하는 막두께가 얻어지는 횟수)만큼 반복하고(도 3의 스텝 S37 및 스텝 S37: NO), 소정의 횟수에 도달한 시점에서(스텝 S37: YES), 질화 실리콘막의 퇴적이 종료된다. 구체적으로는, 주밸브(MV)를 열어 처리 용기(1) 내를 도달 진공도까지 배기한 후, 주밸브(MV)를 닫고 처리 용기(1) 내에 질소 가스를 공급하여, 처리 용기(1) 내의 압력을 대기압으로 되돌린다. 이어서, 아암(13)에 의해 웨이퍼 보트(5)를 처리 용기(1)로부터 낮추어 웨이퍼(W)를 소정의 로더/언로더에 의해 취출함으로써 질화 실리콘막의 퇴적이 종료된다.
다음으로, 상기의 성막 방법에 의해 질화 실리콘막을 퇴적한 실험 및 그 결과에 대해서, 도 5 및 도 6을 참조하면서 설명한다. 이 실험에 있어서는, DCS 가스를 공급하기 전에, ALD 장치(80)의 주밸브(MV)를 닫고 처리 용기(1) 내에 질소 가스를 공급하는 스텝(도 3의 스텝 S32)에 있어서의 처리 용기(1) 내의 압력을 0.08, 2.67, 3.24 및, 3.91Torr로서, 각각 질화 실리콘막을 웨이퍼 상에 퇴적하고, 처리 용기 내의 압력에 대한 막두께 분포의 변화를 조사했다.
도 5는, 이 실험에서 얻어진 질화 실리콘막의 막두께 분포를 나타내는 그래프로, 횡축은 웨이퍼의 직경 방향의 위치(㎜)를 나타내고, 종축은 막두께(㎚)를 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 처리 용기(1) 내의 압력이 0.08Torr인 경우에는, 질화 실리콘막은, 웨이퍼의 거의 중앙부에서의 막두께가 얇고, 웨이퍼 외주부 영역에서의 막두께가 두꺼워지는 오목 형상의 막두께 분포를 가진다. 한편, 처리 용기(1) 내의 압력이 2.67, 3.24 및, 3.91Torr의 경우에는, 질화 실리콘막은, 웨이퍼의 거의 중앙부에서의 막두께가 두껍고, 웨이퍼 외주부 영역에서의 막두께가 얇아지는 오목 형상의 막두께 분포를 가진다. 즉, 처리 용기(1) 내의 압력을 0.08Torr로부터 높게 하면, 오목 형상의 막두께 분포로부터 볼록 형상의 막두께 분포로 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서, DCS 가스를 공급하기 전의 처리 용기(1) 내의 압력을 조정함으로써, 질화 실리콘막의 막두께분포 형상을 제어할 수 있는 것이 나타났다.
또한, 도 6은, 이 실험에서 얻어진 질화 실리콘막의 막두께 균일성을 나타내는 그래프이다. 도시하는 바와 같이, 처리 용기(1) 내의 압력을 2.67Torr로부터, 3.24Torr, 3.91Torr로 높게 함에 따라, 막두께 균일성이 나빠지지만, 도 5에 나타내는 결과와 아울러 생각하면, 압력이 높아짐에 따라 막두께분포 형상이 보다 볼록 형상이 되는 것을 알 수 있다. 또한, 처리 용기(1) 내의 압력을 0.08Torr로부터 높게 하면, 오목 형상의 막두께 분포로부터 볼록 형상의 막두께 분포로 변환하는데, 그 변환점은 약 0.5Torr라고 생각된다. 즉, ALD 장치(80)에 있어서, 질화 실리콘막의 막두께 분포는, 약 0.08Torr에서 약 0.5Torr까지의 압력 범위에 있어서 오목 형상이 되고, 약 0.5Torr 이상의 압력 범위에 있어서 볼록 형상이 되는 것을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이 DCS 가스를 공급하기 전의 처리 용기(1) 내의 압력에 의해 막두께 분포를 제어할 수 있는 이유로서는, 이하와 같이 생각할 수 있다.
우선, DCS 가스를 공급하기 전의 처리 용기(1) 내의 압력이 비교적 낮은 경우에는, 처리 용기(1) 내로 공급된 DCS 가스는, 도 7(a)의 상단(上段)에 화살표 A로 나타내는 바와 같이, DCS 가스는, Si 함유 가스 분산 노즐(22)의 가스 토출공(22a)으로부터 먼 위치까지 도달할 수 있다. 처리 용기(1) 내의 압력이 낮으면, 가스 분자의 평균 자유 행정이 길어지기 때문이다. 이 경우에 있어서, 가령 웨이퍼 보트(5)를 회전하지 않고 DCS 가스와 NH3 가스를 교대로 공급하면, 웨이퍼 보트(5)(지주(6))에 지지되는 웨이퍼(W)의 면 내의 막두께는, 도 7(a)의 중단(中段)에 나타내는 바와 같이, 가스 토출공(22a)에 가까운 단부(근단부)로부터 먼 단부(원단부)에 걸쳐 일률적으로 얇아진다. 이러한 상황에 있어서, 웨이퍼(W) 상의 막두께를 균일화하기 위해 웨이퍼 보트(5)를 회전하여 질화 실리콘막을 퇴적하면, 근단부와 원단부에서의 막두께가 상쇄되어 막두께가 균일화되지만, 도 7(a)의 하단에 나타내는 바와 같이, 그 막두께 분포는 오목 형상이 된다. 　
한편, DCS 가스를 공급하기 전의 처리 용기(1) 내의 압력이 비교적 높은 경우에는, 처리 용기(1) 내의 질소 가스 분자에 의해 DCS 가스의 흐름이 방해되어, 도 7(b)의 상단에 화살표 B로 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 중앙부 정도까지 밖에 도달할 수 없다. 이 경우에 있어서, 가령 웨이퍼 보트(5)를 회전하지 않고 DCS 가스와 NH3 가스를 교대로 공급하면, 도 7(b)의 중단에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(W) 상의 박막의 막두께는, 근단부에서 중앙부까지는, 서서히 얇아지기는 하지만 비교적 두껍고, 중앙부로부터 원단부에 걸쳐서는 상당히 얇아진다. 이러한 상황하에서 웨이퍼 보트(5)를 회전하여 질화 실리콘막을 퇴적하면, 원단부의 비교적 두꺼운 막두께가, 근단부에 있어서의 매우 얇은 막두께에 의해 상쇄되기 때문에, 웨이퍼(W) 면 내의 외연에 가까운 외주부 영역에서의 막두께가 얇아지고, 웨이퍼(W)의 거의 중앙부에서의 막두께가 두꺼워진다. 이 결과, 도 7(b)의 하단에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(W) 면 내의 막두께 분포는 볼록 형상이 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의하면, ALD법에 의한 질화 실리콘막의 퇴적에 있어서도 소망하는 막두께 분포를 갖는 박막을 실현하는 것이 가능해진다.
이상, 몇 가지의 실시 형태 및 실시예를 참조하면서 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 전술한 실시 형태 및 실시예로 한정되는 일 없이, 첨부한 특허 청구의 범위에 비추어, 여러 가지로 변형 또는 변경이 가능하다.
예를 들면, 스텝 S35에 있어서 NH3 가스를 공급하는 경우에, ALD 장치(80)의 플라즈마 전극(33, 33)에 고주파 전력을 공급하여 NH3 가스를 플라즈마화했지만, 플라즈마화하는 일 없이, NH3 가스를 공급하여 웨이퍼(W)의 열에 의해 NH3를 분해하고, 웨이퍼(W) 상에 흡착하는 DCS 가스를 질화함으로써, 질화 실리콘막을 퇴적해도 좋다.
스텝 S32에 있어서, 주밸브(MV)를 닫은 후에 질소 가스를 공급했지만, 주밸브(MV)를 연 채로 질소 가스를 공급하고, 소정의 압력이 된 시점에서, 주밸브(MV)를 닫음과 함께 질소 가스의 공급을 정지하고, 스텝 S33에 있어서 DCS 가스를 처리 용기(1) 내로 공급해도 좋다. 즉, 주밸브(MV)는, DCS 가스를 처리 용기(1) 내로 공급할 때에 닫혀 있으면 좋다. 또한, 주밸브(MV)를 연 채로 질소 가스를 공급할 때에는, 압력 조정기(PC)에 의해 처리 용기(1) 내의 압력을 조정해도 좋다.
또한, 스텝 S32에 있어서 처리 용기(1) 내에 질소 가스를 공급하는 경우, Si 함유 가스에 대해서 버퍼 탱크(180)를 사용한 것과 동일하게, 버퍼 탱크를 사용해도 좋다. 즉, 스텝 S32의 전까지 버퍼 탱크 내에 질소 가스를 모아 두고, 스텝 S32에 있어서, 버퍼 탱크로부터 처리 용기(1) 내로 질소 가스를 한번에 공급해도 좋다. 이에 따라, 단시간에 가스 치환이 행해져, 처리 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
또한, 스텝 S33에 있어서, 버퍼 탱크(180) 내에 모여진 DCS 가스를 처리 용기(1) 내로 공급했지만, 버퍼 탱크(180)를 이용하지 않고, 질소 함유 가스 공급원(17)으로부터의 질소 가스를 유량 제어기(17b)로 유량 제어하면서 처리 용기(1) 내로 공급해도 좋다.
또한, 스텝 S32에 있어서 처리 용기(1) 내에 질소 가스를 공급했지만, 질소 가스 대신에 헬륨(He) 가스나 아르곤(Ar) 가스 등의 희(希)가스를 이용해도 좋다.
또한, Si 함유 가스와 산소 함유 가스를 원료 가스로서 이용하는 산화 실리콘막을 성막하는 경우에 있어서도, 동일한 효과가 얻어진다. 산소 함유 가스로서는, 예를 들면 오존(O3) 가스를 이용할 수 있다. 또한, 산소 가스를 이용해 플라즈마에 의해 활성화하여, Si 함유 가스가 흡착한 웨이퍼(W)에 공급해도 좋다.
Si 함유 가스를 공급하기 전에 처리 용기(1) 내에 불활성 가스를 공급하여, 처리 용기(1) 내를 소정의 압력으로 했지만, 이 압력은, 처리 용기(1)의 사이즈나, 불활성 가스의 종류, 사용하는 원료 가스 등에 따라서 상이하다. 또한, 후속의 프로세스에 있어서 바람직한 막두께 분포에 따라서 소정의 압력을 결정해도 좋다. 예를 들면 예비 실험이나 시뮬레이션을 행함으로써, 그 압력을 결정하는 것이 바람직하다.
또한, ALD 장치(80)에 퍼지 가스 공급원과, 퍼지 가스 공급원으로부터의 퍼지 가스를 처리 용기(1) 내로 공급하기 위하여 매니폴드(3)를 관통하여 처리 용기(1) 내에 이르는 퍼지 가스 공급관을 설치하고, 이에 따라, 처리 용기(1) 내에 퍼지 가스(불활성 가스)를 공급해도 좋다. 이에 따르면, 웨이퍼 보트(5)를 처리 용기(1) 내에 수용했을 때에, 처리 용기(1) 내에 퍼지 가스를 공급함으로써, 처리 용기(1) 내의 공기를 퍼지 가스로 용이하게 치환할 수 있다. 또한, DCS 가스(또는 NH3 가스)의 공급 후, 퍼지 가스로 처리 용기(1) 내를 퍼지한 후에 NH3 가스(또는 DCS 가스)를 공급해도 좋다. 이에 따라, DCS 가스와 NH3 가스가 기상 중에서 반응하는 것을 억제할 수 있어, 질화 실리콘막의 ALD를 확실하게 행하는 것이 가능해진다.
또한, 도 3의 스텝 S32에 있어서의(DCS 가스 공급 전의) 불활성 가스는, 전술한 바와 같이 Si 함유 가스 배관(20L) 및 Si 함유 가스 분산 노즐(22)을 통하여 처리 용기(1) 내로 공급하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 처리 용기(1) 내에 있어서의 불활성 가스의 흐름의 패턴이 나중에 공급되는 DCS 가스의 흐름의 패턴과 거의 동일해지기 때문에, DCS 가스의 흐름을 저해하는 경우는 거의 없고, 웨이퍼에 대하여 DCS 가스를 균일하게 공급하는 것이 가능해진다. 가령, 전술한 퍼지 가스 공급관으로부터 불활성 가스를 공급하면, 불활성 가스가 DCS 가스의 흐름을 과잉으로 저해하게 되는 결과, 막두께 분포가 악화될 우려가 있다. 다만, 퍼지 가스 공급관으로부터 불활성 가스를 공급하여, 처리 용기(1) 내에서의 불활성 가스의 흐름이 안정된 후에 DCS 가스를 공급하면, DCS 가스의 흐름이 과잉으로 저해되는 것을 억제할 수 있다.

Claims (8)

  1. 적어도 제1 원료 가스 및 제2 원료 가스를 기판에 대하여 교대로 공급함으로써, 상기 제1 원료 가스와 상기 제2 원료 가스와의 반응에 의해 발생하는 반응 생성 물질의 박막을 상기 기판에 퇴적하는 성막 방법으로서,
    상기 기판이 수용되는 처리 용기 내에 가스를 공급하는 일 없이 상기 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝과,
    상기 처리 용기 내가 소정의 압력이 될 때까지 상기 처리 용기 내로 불활성 가스를 공급하는 스텝과,
    상기 처리 용기 내의 진공 배기를 정지한 상태에서, 상기 불활성 가스가 상기 소정의 압력으로 채워진 상기 처리 용기 내에 상기 제1 원료 가스를 공급하는 스텝과,
    상기 제1 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 상기 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝과,
    상기 처리 용기 내에 상기 제2 원료 가스를 공급하는 스텝과,
    상기 제2 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 상기 처리 용기 내를 진공 배기하는 스텝을 포함하고,
    상기 기판에 퇴적되는 상기 반응 생성물질의 박막의 막두께 분포가 오목 형상이 되도록 상기 소정의 압력을 0.08Torr이상 0.5Torr미만으로 조정하거나, 또는 상기 기판에 퇴적되는 상기 반응 생성물질의 박막의 막두께 분포가 볼록 형상이 되도록 상기 소정의 압력을 0.5Torr 이상으로 조정하는 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스가, 질소 가스 및 희(希)가스 중 어느 하나인 성막 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스가, 상기 처리 용기 내에 상기 제1 원료 가스를 공급하는 배관으로부터 상기 처리 용기 내로 공급되는 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 원료 가스의 공급원과 상기 처리 용기를 연결하는 배관에 설치된 버퍼 탱크에 상기 제1 원료를 모으는 스텝을 추가로 포함하고,
    상기 제1 원료 가스를 공급하는 스텝에 있어서, 상기 버퍼 탱크로부터 상기 제1 원료 가스가 공급되는 성막 방법.
  5. 기판을 수용 가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 제1 원료 가스를 공급하는 제1 원료 가스 공급부와,
    상기 처리 용기 내에 제2 원료 가스를 공급하는 제2 원료 가스 공급부와,
    상기 처리 용기 내로 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급부와,
    상기 처리 용기 내를 진공 배기하는 배기부와,
    상기 처리 용기 내에 가스를 공급하지 않으면서 상기 처리 용기 내를 진공 배기하여, 상기 처리 용기 내로 불활성 가스를 소정의 압력까지 공급하고, 상기 처리 용기 내의 진공 배기를 정지한 상태에서, 상기 불활성 가스가 상기 소정의 압력으로 채워진 상기 처리 용기 내에 상기 제1 원료 가스를 공급하고, 상기 제1 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 상기 처리 용기 내를 진공 배기하고, 상기 처리 용기 내에 상기 제2 원료 가스를 공급하고, 상기 제2 원료 가스의 공급을 정지함과 함께 상기 처리 용기 내를 진공 배기하도록 상기 제1 원료 가스 공급부, 상기 제2 원료 가스 공급부, 상기 불활성 가스 공급부 및, 상기 배기부를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 원료 가스와 상기 제2 원료 가스와의 반응에 의해 발생되어 상기 기판에 퇴적되는 반응 생성물질의 박막의 막두께 분포가 오목 형상이 되도록 상기 소정의 압력을 0.08Torr이상 0.5Torr미만으로 조정하거나, 또는 상기 기판에 퇴적되는 상기 반응 생성물질의 박막의 막두께 분포가 볼록 형상이 되도록 상기 소정의 압력을 0.5Torr 이상으로 조정하는 성막 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 불활성 가스가, 질소 가스 및 희가스 중 어느 하나인 성막 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 원료 가스 공급부는, 상기 처리 용기 내에 배치되는 가스 공급관을 포함하고,
    당해 가스 공급관이, 상기 처리 용기 내로의 상기 불활성 가스의 공급에 이용되는 성막 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 원료 가스의 공급원과 상기 처리 용기를 연결하는 배관에 설치되며, 상기 제1 원료를 모으는 버퍼 탱크를 추가로 구비하고,
    상기 제1 원료 가스를 공급할 때에, 상기 버퍼 탱크로부터 상기 제1 원료 가스가 공급되는 성막 장치.
KR1020120018300A 2011-02-24 2012-02-23 성막 방법 및 성막 장치 KR101555572B1 (ko)

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