KR101575393B1 - 성막 방법 - Google Patents

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요시노부 이세
요시타카 에노키
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

복수의 웨이퍼가 적재되는 회전 테이블과, 회전 테이블의 상방에 구획되는 제1 반응 가스 공급 영역, 제2 반응 가스 공급 영역 및 이들을 분리하는 분리 영역을 갖는 성막 장치에 있어서, 제2 반응 가스 공급 영역에 반응 가스를 공급하지 않고, 제1 반응 가스 공급 영역에 제1 반응 가스를 공급하고, 회전 테이블의 회전에 의해 웨이퍼를 제1 반응 가스에 노출시킴으로써 당해 가스를 웨이퍼 표면에 흡착시키는 스텝과, 이 스텝에 이어서, 제1 반응 가스 공급 영역에 반응 가스를 공급하지 않고, 제2 반응 가스 공급 영역에 제2 반응 가스를 공급하고, 회전 테이블의 회전에 의해 웨이퍼를 제2 반응 가스에 노출시킴으로써, 웨이퍼 표면에 흡착된 제1 반응 가스를 제2 반응 가스와 반응시키는 스텝을 포함하는 성막 방법이다.

Description

성막 방법{FILM FORMING METHOD}
본 출원은 2011년 12월 27일에 출원된 일본 특허 출원 제2011-285848호에 기초하며 그로부터 우선권을 주장하고, 그 전체 내용이 참고로써 본 명세서에 포함되어 있다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 기판을, 서로 반응하는 2종류 이상의 반응 가스에 교대로 노출시킴으로써, 반응 생성물에 의한 박막을 성막하는 성막 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 기억 소자의 기억 용량의 증대에 대한 요망은 더욱 높아지고 있고, 반도체 기억 소자 중의 메모리 셀의 절연층으로서 고유전율을 갖는 재료가 사용되도록 되고 있다. 그와 같은 재료 중 하나로, 산화지르코늄(ZrO)이 있다. ZrO은 약 24 내지 40 등의 비유전율을 갖고 있지만, 내전압성이 낮다고 하는 문제가 있다. 따라서, ZrO에 대해 알루미늄(Al)을 첨가함으로써, 내전압성의 향상을 도모하고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2).
그런데, 반도체 기억 소자의 저비용화의 관점으로부터, 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼)의 대구경화가 진행되고 있다. 이에 수반하여, 웨이퍼 면 내에 있어서의 균일성의 향상이 요구되고 있다. 이와 같은 요망에 따르는 성막 방법으로서, 원자층 성막(ALD)법 또는 분자층 성막(MLD)법이라고 불리는 성막 방법이 기대되고 있다. ALD법에서는, 서로 반응하는 2종류의 반응 가스의 한쪽의 반응 가스(반응 가스 A)를 웨이퍼 표면에 흡착시키고, 흡착한 반응 가스 A를 다른 쪽의 반응 가스(반응 가스 B)로 반응시키는 사이클을 반복함으로써, 반응 생성물에 의한 박막이 웨이퍼 표면에 성막된다. ALD는 웨이퍼 표면으로의 반응 가스의 흡착을 이용하기 때문에, 막 두께 균일성 및 막 두께 제어성이 우수하다고 하는 이점을 갖고 있다.
ALD법을, 예를 들어 종형의 뱃치식 성막 장치에 있어서 실시하는 경우에는, 복수의 웨이퍼가 수용되는 프로세스 튜브 내에, 우선, 반응 가스 A를 소정의 기간 공급하여, 웨이퍼 표면에 반응 가스 A를 흡착시키고, 다음에, 프로세스 튜브 내로부터 반응 가스 A를 배기하는 동시에, 퍼지 가스를 공급하여 프로세스 튜브로부터 반응 가스 A를 퍼지한다. 계속해서, 반응 가스 B를 프로세스 튜브 내로 소정의 기간 공급하여, 웨이퍼 표면 상에서 반응 가스 A와 반응 가스 B를 반응시킴으로써, 웨이퍼 표면에 반응 생성물을 생성시킨다. 이하, 소정의 막 두께를 갖는 박막이 얻어질 때까지 상기의 공정이 반복된다. 뱃치식 성막 장치에 의해 ALD법을 실시하는 경우에는, 상술한 바와 같이, 반응 가스 A의 공급, 반응 가스 A의 배기/퍼지, 반응 가스 B의 공급 및 반응 가스 B의 배기/퍼지와 같이, 반응 가스 A와 반응 가스 B를 전환하는 동시에, 전환 사이에 배기/퍼지라고 하는 공정이 행해지므로, 성막에 시간이 걸린다.
뱃치식 성막 장치에 대해, 소위 회전 테이블식 성막 장치가 있다. 이 성막 장치는 진공 용기 내에 회전 가능하게 배치되어, 복수의 웨이퍼가 적재되는 회전 테이블과, 회전 테이블의 상방에 구획되는 반응 가스 A의 공급 영역, 반응 가스 B의 공급 영역 및 이들을 분리하는 분리 영역과, 반응 가스 A 및 반응 가스 B의 공급 영역에 대응하여 형성되는 배기구와, 이들 배기구에 접속되는 배기 장치를 갖고 있다. 이와 같은 성막 장치에 있어서는, 회전 테이블을 회전시킴으로써, 웨이퍼에 반응 가스 A의 공급 영역, 분리 영역, 반응 가스 B의 공급 영역 및 분리 영역을 통과시킨다. 이와 같이 하면, 반응 가스 A의 공급 영역에 있어서 웨이퍼 표면에 반응 가스 A를 흡착시켜, 반응 가스 B의 공급 영역에 있어서 반응 가스 A와 반응 가스 B를 웨이퍼 표면에서 반응시킬 수 있다. 이로 인해, 성막 중에는 반응 가스 A 및 반응 가스 B를 전환할 필요가 없어, 계속해서 공급할 수 있다. 따라서, 배기/퍼지 공정이 불필요해져, 성막 시간을 단축할 수 있다는 이점이 있다.
상술한 Al 첨가 ZrO을 회전 테이블식 성막 장치를 사용하여 성막하는 경우에는, 예를 들어 Zr을 함유하는 반응 가스(Zr 원료 가스)와, Al을 함유하는 반응 가스(Al 원료 가스)를 배관 중에서 혼합함으로써, ZrO에 Al을 첨가할 수 있다. 그러나, 이 경우에 있어서, Zr 원료 가스와 Al 원료 가스의 농도가 균일화되기 전에, 이들이 웨이퍼에 공급되면, 웨이퍼 면 내에서 Al 첨가량을 균일화할 수 없다.
또한, ZrO층 사이에 AlO층을 삽입하도록 Zr 원료 가스 및 Al 원료 가스의 공급을 제어함으로써도 Al 첨가 ZrO을 성막하는 것이 가능하다. 그러나, Al 원료 가스의 공급 타이밍에 의해, 회전 테이블 상의 복수의 웨이퍼 중 Al 첨가량이 많은 웨이퍼와 적은 웨이퍼가 생기거나, 1매의 웨이퍼의 면 내에 있어서도 Al 첨가량이 적은 부분과 많은 부분이 생길 우려가 있다.
또한, ZrO에 Al을 첨가하면, 내전압성은 향상되지만, 비유전율이 저하되어 버리는 경향이 있다. 이로 인해, ZrO에 대해 미량의 Al을, 또한 웨이퍼 면 내에서 균일하게 첨가할 필요가 있다.
국제 공개 제(WO)2008/108128호 공보 일본 특허 출원 공개 제2011-18707호 공보
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어지고, 첨가량의 제어성 및 균일성을 향상시킬 수 있는 원자층(분자층) 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 형태에 따르면, 진공 용기 내에 회전 가능하게 수용되어, 복수의 기판이 적재되는 적재부를 표면에 갖는 회전 테이블과, 상기 회전 테이블의 상기 표면의 제1 처리 영역에 배치되어, 상기 회전 테이블의 상기 표면에 반응 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와, 상기 회전 테이블의 둘레 방향을 따라서 상기 제1 처리 영역으로부터 이격되는 제2 처리 영역에 배치되어, 상기 회전 테이블의 상기 표면에 반응 가스를 공급하는 제2 가스 공급부와, 상기 진공 용기 내에 있어서 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역 사이에 설치되어, 상기 회전 테이블의 상기 표면에 대해 분리 가스를 공급하는 분리 가스 공급부를 포함하는 분리 영역을 구비하는 성막 장치에 있어서 행해지는 성막 방법이며, 상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제2 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 제1 가스 공급부로부터 제1 반응 가스를 소정의 기간 공급함으로써, 상기 기판 상에 상기 제1 반응 가스를 흡착시키는 흡착 스텝과, 상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제1 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 제2 가스 공급부로부터 상기 제2 반응 가스를 소정의 기간 공급함으로써, 상기 기판 상에 흡착한 상기 제1 반응 가스를 상기 제2 반응 가스와 반응시키는 반응 스텝을 포함하고, 상기 기판 상에 상기 제1 반응 가스와 상기 제2 반응 가스의 반응 생성물의 제1 박막을 성막하는 성막 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점들은, 첨부한 도면과 함께 볼 때 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다
도 1은 실시 형태에 의한 성막 방법을 실시하는데 적합한 성막 장치를 도시하는 단면도.
도 2는 도 1의 성막 장치의 진공 용기 내의 구조를 도시하는 사시도.
도 3은 도 1의 성막 장치의 진공 용기 내의 구조를 도시하는 개략 상면도.
도 4는 도 1의 성막 장치의 일부 단면도.
도 5는 도 1의 성막 장치의 다른 일부 단면도.
도 6은 실시 형태에 의한 성막 방법을 설명하는 타임차트.
도 7a 내지 도 7c는 실시예의 결과를 나타내는 도면.
도 8은 실시예의 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 실시예의 결과를 나타내는 도면.
도 10은 다른 실시 형태에 의한 성막 방법을 설명하는 타임차트.
도 11은 실시예의 결과를 나타내는 그래프.
도 12는 실시예의 결과를 나타내는 그래프.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 발명의 한정적이 아닌 예시의 실시 형태에 대해 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 번호를 부여하여 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도면은 부재 혹은 부품 사이의 상대비를 나타내는 것을 목적으로 하지 않고, 따라서, 구체적인 치수는 이하의 한정적이 아닌 실시 형태에 비추어, 당업자에 의해 결정되어야 하는 것이다.
본 실시 형태에 있어서, 고유전율부인 ZrO막에 미량의 Al을 불순물로서 첨가하는 성막 방법을 예로 들어 설명한다.
(성막 장치)
처음에, 본 발명의 실시 형태에 의한 성막 방법을 실시하는 데 적합한 성막 장치에 대해 설명한다.
도 1은 성막 장치(1)의 구성의 일례를 도시하는 단면도이다.
성막 장치(1)는 진공 용기(10)와, 회전 테이블(2)과, 히터 유닛(7)과, 케이스체(20)와, 코어부(21)와, 회전축(22)과, 구동부(23)를 포함한다. 진공 용기(10)는 대략 원형의 평면 형상을 갖는다. 진공 용기(10)는 바닥이 있는 원통 형상을 갖는 용기 본체(12)와, 용기 본체(12)의 상면에 배치되는 천장판(11)을 갖는다. 천장판(11)은, 예를 들어 O링 등의 시일 부재(13)(도 1)를 통해 기밀하게 착탈 가능하게 용기 본체(12) 상에 배치된다.
회전 테이블(2)은 진공 용기(10) 내에 설치되어, 진공 용기(10)의 중심에 회전 중심을 갖는다. 회전 테이블(2)은 중심부에서 원통 형상의 코어부(21)에 고정되어 있다. 코어부(21)는 연직 방향으로 신장되는 회전축(22)의 상단부에 고정되어 있다. 회전축(22)은 진공 용기(10)의 저부(14)를 관통하여, 그 하단부가 회전축(22)(도 1)을 연직축 주위로 회전시키는 구동부(23)에 설치되어 있다. 회전축(22) 및 구동부(23)는 상면이 개방된 통 형상의 케이스체(20) 내에 수용되어 있다. 케이스체(20)는 그 상면에 설치된 플랜지 부분이 진공 용기(10)의 저부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어, 케이스체(20)의 내부 분위기가 외부 분위기로부터 격리된다.
도 2 및 도 3은 진공 용기(10) 내의 구조를 설명하는 도면이다. 설명의 편의상, 천장판(11)의 도시를 생략하고 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 회전 테이블(2)의 표면에는 도면 중 화살표 A로 나타내는 회전 방향(둘레 방향)을 따라서 복수(도시한 예에서는 5매)의 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)(W)를 적재하기 위한 원형상의 오목부(24)가 형성되어 있다. 또한, 도 3에는 편의상 1개의 오목부(24)에만 웨이퍼(W)를 도시한다. 이 오목부(24)는 웨이퍼(W)의 직경(예를 들어, 300㎜)보다도 약간, 예를 들어 4㎜ 큰 내경과, 웨이퍼(W)의 두께에 대략 동등한 깊이를 갖고 있다. 따라서, 웨이퍼(W)를 오목부(24)에 적재하면, 웨이퍼(W)의 표면과 회전 테이블(2)의 표면[웨이퍼(W)가 적재되지 않는 영역]이 동일한 높이로 된다.
회전 테이블(2)의 상방에는 각각, 예를 들어 석영으로 이루어지는 반응 가스 노즐(31), 반응 가스 노즐(32) 및 분리 가스 노즐(41, 42)이 배치되어 있다. 도시의 예에서는, 진공 용기(10)의 둘레 방향으로 간격을 두고, 반송구(15)(후술)로부터 시계 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향]으로 분리 가스 노즐(41), 반응 가스 노즐(31), 분리 가스 노즐(42) 및 반응 가스 노즐(32)의 순서대로 배열되어 있다. 이들 노즐(31, 32, 41 및 42)은 각각의 기단부인 가스 도입 포트(31a, 32a, 41a 및 42a)(도 3)를 용기 본체(12)의 외주벽에 고정함으로써, 진공 용기(10)의 외주벽으로부터 진공 용기(10) 내로 도입되고, 용기 본체(12)의 반경 방향을 따라서 회전 테이블(2)에 대해 평행하게 신장되도록 설치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서, 반응 가스 노즐(31)로부터는, 메인 반응 가스(제3 반응 가스의 일례) 및 첨가용 반응 가스(제1 반응 가스의 일례)가 교대로 공급된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 반응 가스 노즐(31)의 도입 가스 포트(31a)에는 배관(110)이 접속되어 있다. 배관(110)은 소정의 조인트에 의해 2개의 분기관으로 분기되어 있다. 한쪽의 분기관에는 개폐 밸브 V1 및 유량 조정기(111)(예를 들어, 매스 플로우 컨트롤러)를 통해 메인 반응 가스를 공급하는 제1 가스 공급원(121)이 접속되고, 다른 쪽의 분기관에는 개폐 밸브 V3 및 유량 조정기(113)를 통해 첨가용 반응 가스를 공급하는 제2 가스 공급원(123)이 접속되어 있다.
본 실시 형태에 있어서, 제1 가스 공급원(121)은 메인 반응 가스로서, 지르코늄(Zr)을 함유하는 반응 가스인 Zr 함유 유기 금속 가스(또는 증기, 이하 동일)를 공급한다. 본 실시 형태에 있어서는, Zr 함유 유기 금속 가스로서, 테트라키스에틸메틸아미노지르코늄(TEMAZ)이 사용된다.
또한, 제2 가스 공급원(123)은 첨가용 반응 가스로서, 알루미늄(Al)을 함유하는 반응 가스인 Al 함유 유기 금속 가스를 공급한다. 본 실시 형태에 있어서는, Al 함유 유기 금속 가스로서, 트리메틸알루미늄(TMA)이 사용된다.
개폐 밸브 V1 및 V3을 상보적으로 개폐함으로써, TEMAZ 및 TMA 중 어느 하나가 반응 가스 노즐(31)로부터 진공 용기(10) 내로 공급된다.
반응 가스 노즐(32)에는 TEMAZ를 산화하여 ZrO을 생성하고, TMA를 산화하여 AlO을 생성하는 오존(O3) 가스(제2 반응 가스, 제4 반응 가스의 일례)를 공급하는 공급원(도시하지 않음)이 개폐 밸브 및 유량 조정기(모두 도시하지 않음)를 통해 접속되어 있다.
또한, 분리 가스 노즐(41, 42)에는 Ar이나 He 등의 희가스나 질소 가스 등의 불활성 가스의 공급원이 개폐 밸브 및 유량 조정기(모두 도시하지 않음)를 통해 접속되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 불활성 가스로서 N2 가스가 사용된다.
반응 가스 노즐(31, 32)에는 회전 테이블(2)을 향해 하방으로 개방되는 복수의 가스 토출 구멍(33)(도 4 참조)이, 반응 가스 노즐(31, 32)의 길이 방향에 따라서, 예를 들어 10㎜의 간격으로 배열되어 있다. 반응 가스 노즐(31)의 하방 영역은 TEMAZ 가스 또는 TMA 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역 P1로 된다. 반응 가스 노즐(32)의 하방 영역은 제1 처리 영역 P1에 있어서 웨이퍼(W)에 흡착된 TEMAZ 가스 또는 TMA 가스를 산화시키는 제2 처리 영역 P2로 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 진공 용기(10) 내에는 2개의 볼록 형상부(4)가 설치되어 있다. 볼록 형상부(4)는 정상부가 원호 형상으로 절단된 대략 부채형의 평면 형상을 갖고, 본 실시 형태에 있어서는, 내원호가 돌출부(5)(후술)에 연결되고, 외원호가 진공 용기(10)의 용기 본체(12)의 내주면을 따르도록 배치되어 있다.
도 4는 반응 가스 노즐(31)로부터 반응 가스 노즐(32)까지 회전 테이블(2)의 동심원에 따른 진공 용기(10)의 단면을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 볼록 형상부(4)는 천장판(11)의 이면에 설치되어 있다. 이로 인해, 진공 용기(10) 내에는 볼록 형상부(4)의 하면인 평탄한 낮은 천장면(44)(제1 천장면)과, 이 천장면(44)의 둘레 방향 양측에 위치하는, 천장면(44)보다도 높은 천장면(45)(제2 천장면)이 존재한다.
또한, 도시한 바와 같이, 볼록 형상부(4)에는 둘레 방향 중앙에 있어서 홈부(43)가 형성되어 있고, 홈부(43)는 회전 테이블(2)의 반경 방향을 따라서 연장되어 있다. 홈부(43)에는 분리 가스 노즐(42)이 수용되어 있다. 다른 하나의 볼록 형상부(4)에도 마찬가지로 홈부(43)가 형성되고, 여기에 분리 가스 노즐(41)이 수용되어 있다. 또한, 도면 중에 나타내는 참조 부호 42h는 분리 가스 노즐(42)에 형성되는 가스 토출 구멍이다. 가스 토출 구멍(42h)은 분리 가스 노즐(42)의 길이 방향을 따라서 소정의 간격(예를 들어, 10㎜)을 두고 복수개 형성되어 있다. 또한, 가스 토출 구멍의 개구 직경은, 예를 들어 0.3 내지 1.0㎜이다. 도시를 생략하지만, 분리 가스 노즐(41)에도 마찬가지로 가스 토출 구멍이 형성되어 있다.
높은 천장면(45)의 하방의 공간에는 반응 가스 노즐(31, 32)이 각각 설치되어 있다. 이들 반응 가스 노즐(31, 32)은 천장면(45)으로부터 이격되어 웨이퍼(W)의 근방에 설치되어 있다. 또한, 설명의 편의상, 도 4에 도시한 바와 같이, 반응 가스 노즐(31)이 설치되는, 높은 천장면(45)의 하방의 공간을 참조 부호 481로 나타내고, 반응 가스 노즐(32)이 설치되는, 높은 천장면(45)의 하방의 공간을 참조 부호 482로 나타낸다.
낮은 천장면(44)은 협애한 공간인 분리 공간 H를 회전 테이블(2)에 대해 형성하고 있다. 분리 가스 노즐(42)로부터 N2 가스가 공급되면, 이 N2 가스는 분리 공간 H를 통해 공간(481) 및 공간(482)을 향해 흐른다. 이때, 분리 공간 H의 용적은 공간(481 및 482)의 용적보다도 작으므로, N2 가스에 의해 분리 공간 H의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비해 높게 할 수 있다. 즉, 공간(481 및 482) 사이에 있어서, 분리 공간 H는 압력 장벽을 제공한다. 또한, 분리 공간 H로부터 공간(481 및 482)으로 흘러나오는 N2 가스는 제1 영역 P1로부터의 TEMAZ 가스 또는 TMA 가스와, 제2 영역 P2로부터의 O3 가스에 대한 카운터 플로우로서 작용한다. 따라서, 제1 영역 P1로부터의 TEMAZ 가스 또는 TMA 가스와, 제2 영역 P2로부터의 O3 가스가 분리 공간 H에 의해 분리된다. 따라서, 진공 용기(10) 내에 있어서 TEMAZ 가스 또는 TMA 가스와 O3 가스가 혼합하여 반응하는 것이 억제된다.
또한, 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이 h1은 성막 시의 진공 용기(10) 내의 압력, 회전 테이블(2)의 회전 속도, 공급하는 분리 가스(N2 가스)의 공급량 등을 고려하여, 분리 공간 H의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비해 높게 하는 데 적합한 높이로 설정하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 천장판(11)의 하면에는 회전 테이블(2)을 고정하는 코어부(21)의 외주를 둘러싸도록 돌출부(5)가 설치되어 있다. 돌출부(5)는, 본 실시 형태에 있어서는 볼록 형상부(4)에 있어서의 회전 중심측의 부위와 연속되어 있고, 그 하면이 천장면(44)과 동일한 높이로 형성되어 있다.
도 1은 도 3의 I-I'선을 따른 단면도로, 천장면(45)이 설치되어 있는 영역을 도시하고 있다. 한편, 도 5는 천장면(44)이 설치되어 있는 영역을 도시하는 일부 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 대략 부채형의 볼록 형상부(4)의 주연부[진공 용기(10)의 외측 테두리측의 부위]에는 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향하도록 L자형으로 굴곡되는 굴곡부(46)가 형성되어 있다. 이 굴곡부(46)는 회전 테이블(2)과 용기 본체(12)의 내주면 사이의 공간을 통해, 공간(481) 및 공간(482) 사이에서 가스가 유통되는 것을 억제한다. 부채형의 볼록 형상부(4)는 천장판(11)에 설치되어, 천장판(11)을 용기 본체(12)로부터 제거할 수 있도록 되어 있다. 그로 인해, 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12) 사이에는 약간 간극이 있다. 굴곡부(46)의 내주면과 회전 테이블(2)의 외측 단부면의 간극 및 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12)의 간극은, 예를 들어 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이와 동일한 치수로 설정되어 있다.
도 3을 참조하면, 회전 테이블(2)과 용기 본체의 내주면 사이에 있어서, 공간(481)과 연통하는 제1 배기구(610)와, 공간(482)과 연통하는 제2 배기구(620)가 형성되어 있다. 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)는, 도 1에 도시한 바와 같이 각각 배기관(630)을 통해 진공 배기 수단인, 예를 들어 진공 펌프(640)에 접속되어 있다. 또한, 도 1 중, 참조 부호 650은 압력 조정기이다.
회전 테이블(2)과 진공 용기(10)의 저부(14) 사이의 공간에는, 도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이 가열 수단인 히터 유닛(7)이 설치되고, 회전 테이블(2)을 통해 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)가, 프로세스 레시피로 정해진 온도(예를 들어, 450℃)로 가열된다. 회전 테이블(2)의 주연 부근의 하방측에는 회전 테이블(2)의 하방의 공간으로 가스가 침입하는 것을 억제하기 위해, 링 형상의 커버 부재(71)가 설치되어 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 이 커버 부재(71)는 회전 테이블(2)의 외측 테두리부 및 외측 테두리부보다도 외주측을 하방측으로부터 면하도록 설치된 내측 부재(71a)와, 이 내측 부재(71a)와 진공 용기(10)의 내벽면 사이에 설치된 외측 부재(71b)를 구비하고 있다. 외측 부재(71b)는 볼록 형상부(4)의 외측 테두리부에 형성된 굴곡부(46)의 하방에서, 굴곡부(46)와 근접하여 설치되고, 내측 부재(71a)는 회전 테이블(2)의 외측 테두리부 하방(및 외측 테두리부보다도 약간 외측의 부분의 하방)에 있어서, 히터 유닛(7)을 전체 둘레에 걸쳐서 둘러싸고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 히터 유닛(7)이 배치되어 있는 공간보다도 회전 중심 부근의 부위에 있어서의 진공 용기(10)의 저부(14)는 회전 테이블(2)의 하면의 중심부 부근에 있어서의 코어부(21)에 접근하도록 상방측으로 돌출되어 돌출부(12a)를 이루고 있다. 이 돌출부(12a)와 코어부(21) 사이는 좁은 공간으로 되어 있다. 또한, 저부(14)를 관통하는 회전축(22)의 관통 구멍의 내주면과 회전축(22)의 간극이 좁게 되어 있고, 이들 좁은 공간은 케이스체(20)에 연통하고 있다. 그리고 케이스체(20)에는 퍼지 가스인 N2 가스를 좁은 공간 내에 공급하여 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 설치되어 있다. 또한, 진공 용기(10)의 저부(14)에는 히터 유닛(7)의 하방에 있어서 둘레 방향으로 소정의 각도 간격으로, 히터 유닛(7)의 배치 공간을 퍼지하기 위한 복수의 퍼지 가스 공급관(73)이 설치되어 있다[도 5에는 하나의 퍼지 가스 공급관(73)을 도시함]. 또한, 히터 유닛(7)과 회전 테이블(2) 사이에는 히터 유닛(7)이 설치된 영역으로의 가스의 침입을 억제하기 위해, 외측 부재(71b)의 내주벽[내측 부재(71a)의 상면]으로부터 돌출부(12a)의 상단부 사이를 둘레 방향에 걸쳐서 덮는 덮개 부재(7a)가 설치되어 있다. 덮개 부재(7a)는, 예를 들어 석영으로 제작할 수 있다.
퍼지 가스 공급관(72)으로부터 N2 가스를 공급하면, 이 N2 가스는 회전축(22)의 관통 구멍의 내주면과 회전축(22)의 간극과, 돌출부(12a)와 코어부(21) 사이의 간극을 통해, 회전 테이블(2)과 덮개 부재(7a) 사이의 공간을 흘러, 제1 배기구(610) 또는 제2 배기구(620)(도 3)로부터 배기된다. 또한, 회전 퍼지 가스 공급관(73)으로부터 N2 가스를 공급하면, 이 N2 가스는 히터 유닛(7)이 수용되는 공간으로부터, 덮개 부재(7a)와 내측 부재(71a) 사이의 간극(도시하지 않음)을 통해 유출되고, 제1 배기구(610) 또는 제2 배기구(620)(도 3)로부터 배기된다. 이들 N2 가스의 흐름에 의해, 진공 용기(10)의 중앙 하방의 공간과, 회전 테이블(2)의 하방의 공간을 통해, 공간(481) 및 공간(482) 내의 가스가 혼합되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 진공 용기(10)의 천장판(11)의 중심부에는 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있고, 천장판(11)과 코어부(21) 사이의 공간(52)에 분리 가스인 N2 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 이 공간(52)에 공급된 분리 가스는 돌출부(5)와 회전 테이블(2)의 좁은 간극(50)을 통해 회전 테이블(2)의 웨이퍼 적재 영역측의 표면을 따라서 주연을 향해 토출된다. 공간(50)은 분리 가스에 의해 공간(481) 및 공간(482)보다도 높은 압력으로 유지될 수 있다. 따라서, 공간(50)에 의해, 제1 처리 영역 P1에 공급되는 TEMAZ 가스와, 제2 처리 영역 P2에 공급되는 O3 가스가, 중심 영역 C를 통해 혼합되는 것이 억제된다. 즉, 공간(50)(또는 중심 영역 C)은 분리 공간 H(또는 분리 영역 D)와 마찬가지로 기능할 수 있다.
또한, 진공 용기(10)의 측벽에는, 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이 외부의 반송 아암(10)과 회전 테이블(2) 사이에서 기판인 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는 도시하지 않은 게이트 밸브에 의해 개폐된다. 또한, 회전 테이블(2)에 있어서의 웨이퍼 적재 영역인 오목부(24)는 이 반송구(15)에 면하는 위치에서 반송 아암(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해지므로, 회전 테이블(2)의 하방측에 있어서 전달 위치에 대응하는 부위에, 오목부(24)를 관통하여 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어올리기 위한 전달용 승강 핀 및 그 승강 기구(모두 도시하지 않음)가 설치되어 있다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 성막 장치(1)는 장치 전체의 동작의 컨트롤을 행하기 위한 컴퓨터로 이루어지는 제어부(100) 및 기억부(101)를 더 포함한다. 기억부(101)는 제어부(100)의 제어 하에, 후술하는 성막 방법을 성막 장치(1)에 실시시키는 프로그램을 기억한다. 이 프로그램은 후술하는 성막 방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있다. 기억부(101)는, 예를 들어 하드 디스크 등에 의해 구성할 수 있다. 기억부(101)에 기억되는 프로그램은, 예를 들어 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 매체(102)로부터, 소정의 판독 장치에 의해 기억부(101)로 판독할 수 있다.
(성막 방법)
다음에, 지금까지 참조한 도면에 추가하여 도 6을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 의한 성막 방법에 대해, 상술한 성막 장치(1)를 사용하여 실시되는 경우를 예로 들어 설명한다.
(웨이퍼 반입 공정)
우선, 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하여, 반송 아암(10)에 의해 반송구(15)(도 3)를 통해 웨이퍼(W)를 회전 테이블(2)의 오목부(24) 내로 전달한다. 이 전달은 오목부(24)가 반송구(15)에 면하는 위치에 정지했을 때에 오목부(24)의 저면의 관통 구멍을 통해 진공 용기(10)의 저부측으로부터 도시하지 않은 승강 핀이 승강함으로써 행해진다. 이와 같은 웨이퍼(W)의 전달을 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시켜 행하여, 회전 테이블(2)의 5개의 오목부(24) 내에 각각 웨이퍼(W)를 적재한다.
(예비 공정)
계속해서 게이트 밸브를 폐쇄하여, 진공 펌프(640)에 의해 진공 용기(10)를 최저 도달 진공도까지 배기한 후, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터 분리 가스인 N2 가스를 소정의 유량으로 토출하고, 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72, 72)으로부터도 N2 가스를 소정의 유량으로 토출한다. 이에 수반하여, 압력 조정기(650)에 의해 진공 용기(10) 내를 미리 설정한 처리 압력으로 조정한다. 계속해서, 회전 테이블(2)을 시계 방향으로, 예를 들어 최대 240rpm의 회전 속도로 회전시키면서, 히터 유닛(7)에 의해 웨이퍼(W)를, 예를 들어 250℃로부터 350℃까지의 범위의 온도로 가열한다.
(ZrO 성막 공정 200)
이 후, 진공 용기(10)에 대해, 도 3에 도시하는 개폐 밸브 V3을 폐쇄한 상태에서 개폐 밸브 V1을 개방함으로써 반응 가스 노즐(31)로부터 TEMAZ 가스를 공급하고, 반응 가스 노즐(32)로부터 O3 가스를 공급한다. 도 6 중, ZrO 성막 공정을 200으로서 나타낸다. 도 6에 도시한 바와 같이, ZrO 성막 공정 200에 있어서는 TEMAZ 가스와 O3 가스가 동시에 공급된다. 단, 이들 가스는 분리 영역 H(도 4)에 의해 분리되어, 진공 용기(10) 내에서 서로 혼합되는 일은 거의 없다.
TEMAZ 가스와 O3 가스가 동시에 공급될 때에, 회전 테이블(2)의 회전에 의해 웨이퍼(W)가 제1 처리 영역 P1을 통과하면, 웨이퍼(W)의 표면에 TEMAZ 가스가 흡착하고, 제2 처리 영역 P2를 통과하면, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 TEMAZ 가스가 O3 가스에 의해 산화되어, 웨이퍼(W)의 표면에 ZrO막이 성막된다. 이하, 원하는 막 두께를 갖는 ZrO막이 형성될 때까지 소정의 횟수만큼 회전 테이블(2)을 회전하고, TEMAZ 가스와 O3 가스의 공급을 정지함으로써, ZrO 성막 공정 200이 종료된다. 또한, 회전 테이블(2)의 회전수는, 예를 들어 40회전 정도이면 된다. 이 경우에 성막되는 ZrO막의 막 두께는, 예를 들어 약 3㎚이다.
(AlO 성막 공정 1:TMA 가스 흡착 공정 202)
계속해서, 진공 용기(10)에 대해, 도 3에 도시하는 개폐 밸브 V1을 폐쇄하고 개폐 밸브 V3을 개방함으로써 반응 가스 노즐(31)로부터 TMA 가스를 공급한다. 도 6 중, TMA 가스 흡착 공정을 202로서 나타낸다. 이때, 반응 가스 노즐(32)로부터는 O3 가스도 다른 반응성 가스도 공급하지 않는다. 단, 반응 가스 노즐(32)로부터 Ar이나 He 등의 희가스나 질소 가스 등의 불활성 가스를 흘려도 된다. 즉, TMA 가스 흡착 공정 202에서는, 반응 가스로서는 TMA 가스만이 공급된다. 또한, 분리 가스 노즐(41, 42), 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72, 73)으로부터의 N2 가스의 공급은 계속되고 있다(이하의 공정에 있어서 마찬가지임).
여기서, 회전 테이블(2)의 회전에 의해 제1 처리 영역 P1을 웨이퍼(W)가 통과하면, 웨이퍼(W)(ZrO막)의 표면에 TMA 가스가 흡착한다. 그 후, 웨이퍼(W)는 분리 공간 H(도 4)를 거쳐서 제2 처리 영역 P2에 이른다. 반응 가스 노즐(32)로부터는 O3 가스도 다른 반응 가스도 공급되고 있지 않으므로, 웨이퍼(W)가 제2 처리 영역 P2를 통과할 때, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 TMA 가스는 분해도 반응도 하지 않는다. 계속해서, 웨이퍼(W)는 다른 한쪽의 분리 공간 H를 거쳐서, 다시 제1 처리 영역 P1에 이른다. 이하, 이와 같은 동작이 반복되어, 웨이퍼(W)(ZrO막)의 표면 전체에 대략 1분자층분의 TMA 가스가 흡착한다. 예를 들어, TMA 가스 흡착 공정에 있어서는, 회전 테이블(2)의 회전 속도를 12회전/분으로 하여, 회전 테이블(2)을 15초간 회전시켜도 된다(즉, 3회전).
또한, 상술한 웨이퍼(W)의 온도 범위에 있어서는, TMA 가스는 웨이퍼(W)의 표면에 거의 자기 제한적으로 흡착한다. 즉, TMA 가스는, 웨이퍼(W)의 표면에는 흡착하고, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 TMA 가스 위에는 거의 흡착하지 않고, 또한 웨이퍼(W)의 표면 위에서 열분해되지 않는다. 이로 인해, 웨이퍼(W)가, 제1 처리 영역 P1을 복수회 통과해도, 웨이퍼(W)의 표면 전체는 대략 1분자층의 TMA 가스로 덮이게 된다.
(AlO 성막 공정 2:TMA 가스 산화 공정 204)
다음에, 도 3에 도시하는 개폐 밸브 V3을 폐쇄하여(개폐 밸브 V1은 폐쇄한 상태), 반응 가스 노즐(31)로부터의 TMA 가스의 공급을 정지하고, 반응 가스 노즐(32)로부터 O3 가스를 진공 용기(10)(제2 처리 영역 P2)에 공급한다. 도 6 중, TMA 가스 산화 공정을 204로서 나타낸다. 도 6에 도시한 바와 같이, TMA 가스 산화 공정 204에서는, 반응 가스 노즐(31)로부터는 TMA 가스도 TEMAZ 가스도 다른 반응 가스도 공급되지 않고, 반응 가스 노즐(32)로부터 O3 가스만이 공급된다. 단, 이때, 반응 가스 노즐(31)로부터 Ar이나 He 등의 희가스나 질소 가스 등의 불활성 가스를 흘려도 된다. 반응 가스로서 O3 가스만이 공급되는 상황에 있어서, 웨이퍼(W)가 제2 처리 영역 P2에 이르면, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 TMA 가스가 O3 가스에 의해 산화된다. 그리고, 회전 테이블(2)의 회전에 의해 웨이퍼(W)가 제2 처리 영역 P2를 복수회 통과함으로써, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 거의 모든 TMA 가스 분자가 산화되어, 웨이퍼(W)(ZrO막)의 표면 전체에 대략 1분자층의 AlO이 형성된다. 그 두께는 약 0.1㎚이다. TMA 가스가 산화되는 데 충분한 기간이 경과한 후, O3 가스의 공급이 정지되고, 이에 의해 TMA 가스 산화 공정 204가 종료된다. 또한, TMA 가스 산화 공정에 있어서는, 예를 들어 회전 테이블(2)의 회전 속도를 12회전/분으로 하여, 회전 테이블(2)을 30초간 회전시켜도 된다(즉, 6회전).
이하, 상술한 ZrO 성막 공정 200과, TMA 성막 공정(TMA 가스 흡착 공정 202 및 TMA 가스 산화 공정 204)이 소정의 횟수 반복되어, 원하는 막 두께를 갖는 Al 첨가 ZrO막이 성막된다. 이 후, 진공 용기(10)로의 가스의 공급이 정지되고, 회전 테이블(2)의 회전이 정지되고, 진공 용기(10) 내에 웨이퍼(W)를 반입했을 때의 수순과 역의 수순에 의해, 진공 용기(10) 내로부터 웨이퍼(W)가 반출된다. 이에 의해, 성막 공정이 종료된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시 형태에 의한 성막 방법에 따르면, ZrO 성막 공정 200에 있어서 성막되는 소정의 막 두께를 갖는 복수층의 ZrO막에 대략 1분자층의 AlO이 주기적으로 삽입된 다층막 형상의 Al 첨가 ZrO막이 얻어진다. 1분자층의 AlO이 웨이퍼 사이 및 웨이퍼 면 내에서 균일하게 형성되고, 또한 ZrO층의 층수에 대한 AlO층의 층수에 의해, Al 첨가량을 조정할 수 있으므로, 제어성이 양호하고, 또한 균일하게 ZrO막에 Al을 첨가하는 것이 가능해진다. 이로 인해, 비유전율이 크고, 또한 리크 특성이 우수한(내전압성이 높은) 유전체층을 얻는 것이 가능해진다.
일반적으로, 회전 테이블식 ALD 장치에 있어서는[특히, 성막 장치(1)와 같이 반응 가스끼리를 충분히 분리 가능한 회전 테이블식 ALD층에 있어서는], 상술한 ZrO 성막 공정 200과 같이, 첨가용 반응 가스인 TMA 가스와 O3 가스를 교대로 공급할 필요는 없고, TMA 가스와 O3 가스를 챔버 내에 동시에 공급하여, 웨이퍼가 적재된 회전 테이블을 회전시키고, TMA 가스 및 O3 가스에 대해 웨이퍼를 교대로 노출시킴으로써, 분자층 성막이 실현된다. 동시 공급이 가능하므로 각 반응 가스의 배기/퍼지가 불필요해져, 이들에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다. 이 점이, 뱃치식 ALD 장치나, 샤워 헤드를 갖는 매엽식 ALD 장치에 대한 회전 테이블식 ALD 장치에 비교한 회전 테이블식 ALD 장치의 이점이다.
그러나, 그와 같은 이점에도 불구하고, 본 실시 형태에 있어서의 TMA 성막 공정에 있어서는, 회전 테이블식 성막 장치(1)에서, O3 가스를 공급하지 않고 TMA 가스를 공급하는 공정(TMA 가스 흡착 공정 202)과, TMA 가스를 공급하지 않고 O3 가스를 공급하는 공정(TMA 가스 산화 공정 204)을 설치하고 있다. 그 이유는 이하와 같다.
AlO 성막 공정에 있어서, 가령, TMA 가스와 O3 가스를 동시에 공급하면, 제1 처리 영역 P1에서 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 TMA 가스가, 제2 처리 영역 P2에서 산화되어, 웨이퍼(W)의 표면에 AlO이 생성된다. 그렇게 하면, 웨이퍼(W)가 다시 제1 처리 영역 P1에 이르렀을 때에, AlO 상에도 TMA 가스가 흡착하고, 흡착한 TMA 가스가 제2 처리 영역 P2에 있어서 산화되어 다시 AlO이 생성될 수 있다. 즉, 이 웨이퍼(W)의 표면 상에는 2분자층의 AlO이 생성될 수 있다. 여기서, 회전하는 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)에 대해 TMA 가스를 공급하는 타이밍을 엄밀하게 제어하는 것은 곤란하므로, 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W) 사이에서, 또는 웨이퍼(W)의 면 내에 있어서, AlO의 분자층의 수에 편차가 발생할 가능성이 있다.
구체적으로 설명하면, 예를 들어 회전 테이블(2) 상의 5매의 웨이퍼(W) 중 1매의 웨이퍼(W)가 제1 처리 영역 P1에 도달했을 때에, 반응 가스 노즐(31)로부터 TMA 가스가 공급되었다고 하면, 회전 테이블(2)이 회전하고, 그 웨이퍼(W)가 제1 처리 영역 P1에 도달하기 직전에 TMA 가스의 공급을 정지하지 않으면, AlO의 분자층의 수를 웨이퍼(W) 사이에서 일정하게 할 수는 없다. 당해 웨이퍼(W)가 다시 제1 처리 영역 P1을 통과한 시점에서, TMA 가스의 공급이 정지된다고 하면, 그 웨이퍼(W) 상에는 2분자층의 AlO이 생성되게 되는 한편, 그 웨이퍼(W)보다도 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라서 하류측에 위치하는 웨이퍼(W)에는 1분자층의 AlO이 생성되어 있게 된다. 즉, 웨이퍼(W) 사이에서의 분자층수의 편차가 발생한다.
또한, 당해 웨이퍼(W)의 일부가 다시 제1 처리 영역 P1에 도달했을 때에, TMA 가스의 공급이 정지되었다고 하면, 그 웨이퍼(W)의 면 내에는 1분자층의 AlO이 생성된 부분과, 2분자층의 AlO이 생성된 부분이 병존하게 된다. 즉, TMA 가스를 공급한 직후에 TMA 가스에 노출된 부분이, 다시 TMA 가스에 노출되기 직전에 TMA 가스의 공급을 정지하지 않으면, 웨이퍼 사이 또는 웨이퍼 면 내에서의 AlO막의 막 두께를 균일화할 수 없다. 그러나, 회전 테이블(2)이 (경우에 따라서는 200rpm을 초과하는 회전 속도로) 회전하는 경우에 있어서, 그와 같은 제어는 거의 불가능하다.
이에 대해, 본 실시 형태에 의한 성막 방법에 따르면, 회전 테이블식 성막 장치(1)에 있어서 일부러 TMA 가스 흡착 공정 202와 TMA 가스 산화 공정 204를 설치하고 있으므로, 웨이퍼(W) 사이 및 웨이퍼 면 내에서, 제어성이 양호하고 균일하게 ZrO막에 Al을 첨가하는 것이 가능해진다. 특히, Al 첨가 ZrO막과 같이, Al의 첨가량에 의해 Al 첨가 ZrO막의 비유전율이 크게 변화될 때에, 본 실시 형태에 의한 성막 방법은 유효하다.
본 실시 형태에 있어서의 성막 방법은 고유전율부인 ZrO막에 미량의 Al을 불순물로서 첨가할 때에 사용할 수 있다. 여기서, 미량이라 함은, 예를 들어 1원자％ 이상 50원자％ 미만, 보다 바람직하게는 1원자％ 이상 30원자％ 이하로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, ZrO막(제2 박막)을 성막하는 스텝을 회전 테이블(2)을 M회(상기한 예에서는 60회) 회전시키는 동안 행할 때마다, TMA 가스 흡착 스텝을 회전 테이블(2)을 N회(N<M, 상기한 예에서는 N＝3) 회전시키는 동안 행하는 동시에, 이어서 TMA 가스 산화 스텝을 회전 테이블(2)을 L회(L<M, 상기한 예에서는 L＝6) 회전시키는 동안 행하는 처리를 반복한다.
또한, 본 실시 형태에 의한 성막 방법은 회전 테이블식 성막 장치(1)에서 적절하게 실시되지만, 본 성막 방법을 실시하기 위해, 성막 장치(1)는, 예를 들어 샤워 헤드를 구비하는 매엽식 성막 장치에 비해 이하의 이점을 갖고 있다.
매엽식 성막 장치에 있어서, TEMAZ 가스의 공급을 정지하여, TMA 가스의 공급을 개시할 때에는, 샤워 헤드 내에 잔류하는 TEMAZ 가스를 퍼지하기 위해 비교적 긴 퍼지 시간을 필요로 한다. 또한, Al 첨가량에 의한 비유전율의 변화율은 비교적 크기 때문에, Al 첨가량 제어가 중요한 것을 고려하면, 샤워 헤드 내에 TMA 가스가 잔류하고 있음에도 TEMAZ 가스를 공급해 버리면, 원하는 비유전율을 얻을 수 없는 사태로 된다. 그러나, 성막 장치(1)에 있어서의 반응 가스 노즐(31 또는 32)은 샤워 헤드에 비해, 가스의 전환이 용이해, 가스의 잔류도 적다.
또한, 샤워 헤드의 경우에는, 샤워 헤드에 형성되는 다수의 가스 토출 구멍으로부터 가스가 공급되지만, 이들 가스 토출 구멍으로부터 균일하게 가스를 공급하는 것은 반드시 용이하지 않다. 이로 인해, 샤워 헤드 내에 있어서, TMA 가스의 공급량이 적은 부분이 발생한 경우에는, 그 부분에 대응하는 웨이퍼(W)의 표면에서는, TMA 가스를 흡착시키는 데 긴 시간을 갖는다. 한편, 성막 장치(1)에 있어서는, 회전 테이블(2)의 회전과, 반응 가스 노즐(31 또는 32)에 의해, 웨이퍼(W) 면 내에서의 가스 농도 분포가 결정되므로, 웨이퍼(W)에 대해 TMA 가스를 균일하게 공급하는 것이 용이하다. 환언하면, 샤워 헤드의 경우에는 샤워 헤드 면 내에 있어서의 2차원적인 가스 농도 분포를 균일화할 필요가 있는 것에 비해, 성막 장치(1)에 있어서는, 반응 가스 노즐(31 또는 32)에 있어서의 가스 토출 구멍(33)(도 4)의 배치에 의해, 직선적인 가스 농도 분포를 균일화하면 된다고 하는 이점이 있다.
다음에, 실시예를 설명한다.
(제1 실시예)
우선, Al 첨가량의 제어성에 대해 검토하였다.
ZrO 성막 공정에 있어서의 회전 테이블(2)의 회전수와 TMA 가스 흡착 공정에 있어서의 회전 테이블(2)의 회전수의 비를 바꾸어 실리콘 웨이퍼 상에 Al 첨가 ZrO막을 성막하였다. 여기서는, 회전수의 비[ZrO 성막 공정에서의 회전 테이블(2)의 회전수:TMA 가스 흡착 공정에서의 회전 테이블(2)의 회전수]는 (7:1), (10:1), (16:1)로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 막에 있어서의 ZrO층과 AlO층과 층 두께를 측정하고, 또한 이들 막 중의 Al 첨가량을 러더포드 후방 산란(RBS)법에 의해 측정하였다.
도 7a 내지 도 7c는 RBS법에 의해 구한 주요 원소의 농도의 깊이 프로파일을 도시하는 그래프이다. 이들 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 어떤 회전수비에 있어서도, Zr, 산소(O) 및 Al의 농도는 깊이 방향으로 대략 일정하고, 막 두께 방향으로 균일한 조성비를 갖는 Al 첨가 ZrO막이 얻어져 있다. 또한, 어떤 시료에 있어서도, Al 첨가 ZrO막의 전체의 막 두께는 대략 11㎚이고, 회전수비를 바꾸어도, 전체의 막 두께를 제어 가능한 것을 알 수 있다.
도 8은 Al 첨가량의 층 두께비 의존성을 도시하고 있다. 도 8의 그래프에 있어서, 횡축에는 1회의 ZrO 성막 공정에 있어서 성막된 ZrO층의 두께와 1회의 TMA 성막 공정에 있어서 성막된 AlO층의 두께의 합계에 대한 AlO층의 두께를 취하고, 종축에는 RBS법에 의해 구한 Al 첨가량을 취하고 있다. 이 그래프에 도시한 바와 같이, 상이한 3개의 회전수비에 있어서의 Al 첨가량은 직선 상에 있고, 그 직선은 원점을 지나고 있다. 또한, 이 그래프에 대해 최소 제곱법에 기초하는 피팅을 행한 바, y＝0.56×x, R2＝1.00이라고 하는 결과가 얻어졌다. 이와 같은 결과로부터, 본 실시 형태에 의한 성막 방법의 Al 첨가량 제어성이 극히 우수한 것이 이해된다.
(제2 실시예)
다음에, 회전 테이블(2)에 적재되는 5매의 웨이퍼(W) 사이의 조성 균일성을 조사하였다. 도 9에 결과를 나타낸다.
구체적으로는, 상술한 회전수비가 7:1인 경우에 얻어진 5매의 웨이퍼 중, 오목부(24A)와, 이것으로부터 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따른 2번째의 오목부(24C)에 적재된 2매의 웨이퍼에 대해, RBS에 의한 조성 분석을 행하였다. 그 결과, 도 9에 도시한 바와 같이, 오목부(24A)와 오목부(24C)에 적재된 2매의 웨이퍼에 있어서 Al 첨가량은 동일하고, 이 결과로부터, 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼 적재 위치에 의하지 않고, Al이 균일하게 첨가되는 것을 알 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 참조하면서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시 형태로 한정되지 않고, 첨부의 특허청구의 범위에 비추어, 다양하게 변경 또는 변형되는 것이 가능하다.
예를 들어, 성막 장치(1)에 있어서는, 도 3에 도시한 바와 같이 TEMAZ 가스의 제1 가스 공급원(121)과, TMA 가스의 제2 가스 공급원(123)이 반응 가스 노즐(31)에 접속되어, 이들을 택일적으로 공급할 수 있지만, 이들에 추가하여 불활성 가스의 가스 공급원을 유량 제어기 및 개폐 밸브를 통해 접속하고, 반응 가스 노즐(31)로부터 TEMAZ 가스, TMA 가스 및 불활성 가스를 택일적으로 공급할 수 있도록 해도 된다.
또한, 반응 가스 노즐(32)로부터 O3 가스와 불활성 가스를 택일적으로 공급할 수 있도록 해도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, TEMAZ 가스와 O3 가스의 동시 공급 후, TMA 가스의 공급 후 및/또는 O3 가스의 공급 후에 불활성 가스를 공급하는 퍼지 공정을 설치할 수 있다.
이 예를 도 10에 도시한다. 구체적으로는, ZrO 성막 공정 200에 있어서 TEMAZ 가스와 O3 가스를 동시에 공급한 후, 이들의 공급을 정지하고, 제1 퍼지 공정 210에 있어서, 반응 가스 노즐(31)로부터 불활성 가스를 공급하고, 반응 가스 노즐(32)로부터 불활성 가스를 공급한다. 또한, TMA 가스 흡착 공정 202에 있어서 TMA 가스를 공급한 후, TMA 가스의 공급을 정지하고, 제2 퍼지 공정 212에 있어서, 반응 가스 노즐(31)로부터 불활성 가스를 공급한다. 또한, TMA 가스 산화 공정 204에 있어서 O3 가스를 공급한 후, O3 가스의 공급을 정지하고, 제3 퍼지 공정 214에 있어서, 반응 가스 노즐(32)로부터 불활성 가스를 공급한다. 이와 같이 하면, TEMAZ 가스 또는 TMA 가스를 공급한 후의 반응 가스 노즐(31)에 잔류하는 이들 가스를 불활성 가스에 의해 퍼지할 수 있고, O3 가스를 공급한 후에 반응 가스 노즐(32)에 잔류하는 O3 가스를 불활성 가스에 의해 퍼지할 수 있다. 특히, TEMAZ 가스 공급 후에 반응 가스 노즐(31)에 잔류하는 TEMAZ 가스를 불활성 가스에 의해 퍼지하면, TMA 가스 공급 개시 시에, TMA 가스에 TEMAZ 가스가 혼합될 가능성을 저감시킬 수 있으므로, 웨이퍼(W)의 표면에 확실하게 TMA 가스를 흡착시킬 수 있다.
또한, 제1 퍼지 공정 210, 제2 퍼지 공정 212 및 제3 퍼지 공정 214 모두를 행할 필요는 없고, 어느 하나 또는 2개의 공정을 행해도 된다. 또한, 불활성 가스로서는, N2 가스 또는 Ar 가스를 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 반응 가스 노즐(31)로부터 공급하는 불활성 가스로서 N2 가스를 사용하고, 반응 가스 노즐(32)로부터 공급하는 불활성 가스로서 Ar 가스를 사용해도 된다.
또한, 이상과 같은 퍼지 공정을 행한 경우에도, Al 첨가 ZrO막의 막 두께를 양호하게 제어할 수 있는 동시에, 막 두께의 웨이퍼 면 내 균일성도 양호하게 할 수 있다.
도 11은 제2 퍼지 공정(TMA 가스만의 공급 후의 퍼지 공정) 212의 시간만을 바꾸어 성막한 Al 첨가 ZrO막의 막 두께와, 그 웨이퍼 면 내 균일성을 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 제2 퍼지 공정 212의 시간을 0초(제2 퍼지 공정 없음), 5초, 10초 및 15초로 바꾸어도, Al 첨가 ZrO막의 막 두께에 거의 변화는 없고, 또한 막 두께의 웨이퍼 면 내 균일성도 양호하다.
도 12는 제3 퍼지 공정(O3 가스만의 공급 후의 퍼지 공정) 214의 시간만을 바꾸어 성막한 Al 첨가 ZrO막의 막 두께와, 그 웨이퍼 면 내 균일성을 나타내는 그래프이다. 제3 퍼지 공정의 시간을 0초(제3 퍼지 공정 없음), 5초, 10초, 15초 및 30초로 바꾸어도, Al 첨가 ZrO막의 막 두께에 거의 변화는 없고, 또한 막 두께의 웨이퍼 면 내 균일성도 양호하다.
단, 이와 같은 퍼지 공정을 행하지 않아도, Al 첨가 ZrO막 중의 Al 첨가량을 양호하게 제어할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서의 TMA 가스 흡착 공정 202 및 TMA 가스 산화 공정 204에 의해 대략 1분자층의 AlO이 생성되는 것(TMA 가스가 자기 제한적으로 흡착되는 것)은 TMA 가스 흡착 공정의 시간을 바꾸어 성막한 몇 개의 Al 첨가 ZrO막에 있어서, 비유전율이 대략 동일하고, 유의한 차가 보이지 않았던 것으로부터 확인할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 반응 가스 노즐(31)로부터 TEMAZ 가스, TMA 가스 및 불활성 가스를 택일적으로 공급할 수 있도록 하고, 반응 가스 노즐(32)로부터 O3 가스와 불활성 가스를 택일적으로 공급할 수 있도록 한 경우에는, 예를 들어 TMA 가스 흡착 공정 202(도 6)에 있어서 반응 가스 노즐(32)로부터 불활성 가스를 공급해도 되고, TMA 가스 산화 공정 204(도 6)에 있어서 반응 가스 노즐(31)로부터 불활성 가스를 공급해도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 TEMAZ 가스 또는 TMA 가스를 산화하는 산화 가스로서 O3 가스를 사용하였지만, 이를 대신하여, 산소(O2) 플라즈마나, 산화 질소(NOx) 가스, H2O 가스 등을 사용해도 된다. O2 플라즈마를 사용하는 경우에는, 진공 용기(10) 내에 플라즈마 발생원을 설치하는 것이 바람직하다. 플라즈마 발생원으로서는, 진공 용기(10) 내에, 서로 평행하고, 회전 테이블(2)에도 평행한 2개의 로드 형상의 전극을 배치하여, 전극 사이의 공간에 O2 가스를 공급하는 동시에, 전극 사이에 고주파 전력을 공급하여 O2 플라즈마를 발생시켜도 된다. 또한, 이와 같은 용량 결합형(CCP)의 플라즈마 발생원을 대신하여, 유도 결합형(ICP)의 플라즈마 발생원을 사용해도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, TEMAZ 가스와 TMA 가스를 사용하는 경우를 설명하였지만, 지르코늄을 포함하는 원료 가스이면, TEMAZ 가스로 한정되지 않고, 예를 들어 트리(디메틸아민)시클로펜타디에닐지르코늄을 사용해도 되고, 알루미늄을 포함하는 원료 가스이면, TMA 가스로 한정되지 않고 트리에틸알루미늄 등, 유기 금속 알루미늄을 사용할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는 ZrO막에 대해 설명하였지만, 탄탈(Ta), 하프늄(Hf), 랜턴(La), 스트론튬(Sr), 티탄(Ti), 니오브(Nb), 또는 실리콘(Si)의 산화막에 제어성이 양호하고 균일하게 불순물을 첨가하는 경우에도, 본 발명의 실시 형태에 의한 성막 방법을 적용할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 첨가량의 제어성 및 균일성을 향상시킬 수 있는 원자층(분자층) 성막 방법이 제공된다.
본 발명은 특별히 개시한 실시 형태에 에 한정되지 않고, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 변이 및 변형이 만들어질 수 있다.

Claims (12)

  1. 진공 용기 내에 회전 가능하게 수용되어, 복수의 기판이 적재되는 적재부를 표면에 갖는 회전 테이블과,
    상기 회전 테이블의 상기 표면의 제1 처리 영역에 배치되어, 상기 회전 테이블의 상기 표면에 반응 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블의 둘레 방향을 따라서 상기 제1 처리 영역으로부터 이격되는 제2 처리 영역에 배치되어, 상기 회전 테이블의 상기 표면에 반응 가스를 공급하는 제2 가스 공급부와,
    상기 진공 용기 내에 있어서 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역 사이에 설치되어, 상기 회전 테이블의 상기 표면에 대해 분리 가스를 공급하는 분리 가스 공급부를 포함하는 분리 영역을 구비하는 성막 장치에 있어서 행해지는 성막 방법이며,
    상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제2 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 제1 가스 공급부로부터 제1 반응 가스를 소정의 기간 공급함으로써, 상기 기판 상에 상기 제1 반응 가스를 흡착시키는 흡착 스텝과,
    상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제1 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 제2 가스 공급부로부터 제2 반응 가스를 소정의 기간 공급함으로써, 상기 기판 상에 흡착한 상기 제1 반응 가스를 상기 제2 반응 가스와 반응시키는 반응 스텝을 포함하고,
    상기 기판 상에 상기 제1 반응 가스와 상기 제2 반응 가스의 반응 생성물의 제1 박막을 성막하고,
    상기 흡착 스텝에 앞서, 상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제1 가스 공급부로부터 제3 반응 가스를 공급하는 동시에, 상기 제2 가스 공급부로부터 제4 반응 가스를 공급하여, 상기 기판 상에 상기 제3 반응 가스와 상기 제4 반응 가스의 반응 생성물의 제2 박막을 형성하는 스텝을 더 포함하고,
    상기 제1 반응 가스는 상기 제2 박막에 대해 첨가하는 원자를 포함하는,
    성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡착 스텝에 이어서 행해지고, 상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제2 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 제1 가스 공급부로부터 불활성 가스를 소정의 기간 공급하는 제1 불활성 가스 공급 스텝을 더 포함하는, 성막 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응 스텝에 이어서 행해지고, 상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제1 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 제2 가스 공급부로부터 불활성 가스를 소정의 기간 공급하는 제2 불활성 가스 공급 스텝을 더 포함하는, 성막 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응 가스가 알루미늄을 함유하는 가스이고,
    상기 제2 반응 가스가 산소를 함유하는 가스이고,
    상기 제3 반응 가스가 지르코늄을 함유하는 가스이고,
    상기 제4 반응 가스가 산소를 함유하는 가스인, 성막 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응 가스가 알루미늄을 함유하는 유기 금속 원료의 가스이고,
    상기 제2 반응 가스가 산소 가스 또는 오존 가스이고,
    상기 제3 반응 가스가 지르코늄을 함유하는 유기 금속 원료의 가스이고,
    상기 제4 반응 가스가 산소 가스 또는 오존 가스인, 성막 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 박막을 형성하는 스텝을 상기 회전 테이블을 M회 회전시키는 동안 행할 때마다, 상기 흡착 스텝을 상기 회전 테이블을 N회(N<M) 회전시키는 동안 행하는 동시에 계속해서 상기 반응 스텝을 행하는 처리를 반복하는, 성막 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 박막은 고유전율막이고,
    상기 제1 박막은 상기 고유전율막에 첨가하는 원자를 포함하는, 성막 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 박막은 ZrO막이고,
    상기 제1 박막은 상기 ZrO막에 첨가하는 Al을 포함하는, 성막 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 흡착 스텝에 앞서, 상기 회전 테이블을 회전시키면서, 상기 분리 가스 공급부로부터 상기 분리 가스를 공급하여 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하면서, 상기 제1 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 제2 가스 공급부로부터 불활성 가스를 소정의 기간 공급하는 제3 불활성 가스 공급 스텝을 더 포함하는, 성막 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 분리 영역은 상기 분리 가스 공급부로부터의 상기 분리 가스를 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역으로 유도하는 협애한 공간을 상기 회전 테이블의 상기 표면에 대해 형성하는 천장면이며, 상기 회전 테이블의 외측 테두리를 향하는 방향에 따라서, 상기 회전 테이블의 둘레 방향에 따르는 폭이 커지는 당해 천장면을 포함하는, 성막 방법.
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