KR101606617B1 - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

Si―H 결합을 절단 가능한 제1 온도로 설정된 대략 원통형의 챔버 내에, 서로 이격된 제1 처리 영역과 제2 처리 영역이 둘레 방향을 따라 배치되고, 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 회전 통과 가능한 회전 테이블 상에 적재된 기판 상에 실리콘막을 형성하는 성막 방법이며, 상기 기판이 상기 제1 처리 영역을 통과할 때, 상기 제1 온도보다도 낮은 제2 온도로 설정된 Si2H6 가스를 공급하고, 상기 기판의 표면 상에 SiH3의 분자층을 형성하는 분자층 퇴적 스텝과, 표면 상에 상기 SiH3의 분자층이 형성된 상기 기판에 제1 온도로 유지된 상기 제2 처리 영역을 통과시키고, 상기 SiH3의 분자층의 Si―H 결합을 절단하고, 표면 상에 실리콘 원자층만을 남기는 수소 이탈 스텝을 포함한다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{METHOD OF DEPOSITING A FILM AND FILM DEPOSITION APPARATUS}
본원은, 2012년 10월 18일 출원의 일본 특허 출원 제2012-230897호를 우선권 주장의 기초 출원으로 하고 있고, 여기에서 이것에 기초하는 우선권을 주장하는 동시에, 그 전체 내용을 참조에 의해 삽입한다.
본 발명은, 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것으로, 특히, 기판 상에 실리콘막을 형성하는 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
종래부터, 원자층 레벨에서 성막을 행하는 원자층 퇴적법(ALD법, Atomic Layer Deposition)이나, 분자층 레벨에서 성막을 행하는 분자층 퇴적법(MLD법, Molecular Layer Deposition)이 알려져 있다. 이러한 ALD법, MLD법에서는, 원자층, 분자층과 같은 두께가 일정한 층을 형성하는 것이 가능하므로, 이것을 퇴적시켜 감으로써, 균일한 두께를 갖는 커버리지성이 양호한 성막을 행하는 것이 가능하다.
그런데 "Research―Atomic Layer Deposition", [online], Tufts Plasma Engineering Laboratory, [평성 24년 7월 27일 검색], 인터넷 <URL:http://www.ece.tufts.edu/∼hopwood/lab/PEALD.htm> 및 Jun-ichi Nishizawa, et.al, "Journal of the Electrochemical Society", 149(7) G399-G402, 2002년에 의하면, 이러한 ALD법, MLD법을 이용한 실리콘막의 성막 방법으로서, 우선, 450℃의 분위기하에서 디실란(Si2H6)을 반응종(전구체 precursor)으로서 웨이퍼 상에 공급하고, 웨이퍼 상에 SiH3의 분자층을 흡착 형성하고, 이어서, 분위기를 550℃로 올림으로써, Si―H 결합을 절단하고, 베어 실리콘 원자층을 웨이퍼 상에 남김으로써, 실리콘막의 성막을 행하도록 한 성막 방법이 알려져 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는, 신규이고 또한 유용한 성막 장치 및 성막 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점에 따르면, 성막 방법은, Si―H 결합을 절단하는 것이 가능한 제1 온도로 설정된 대략 원통형의 챔버 내에, 서로 이격된 제1 처리 영역과 제2 처리 영역이 둘레 방향을 따라 배치되고, 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 회전 통과 가능한 회전 테이블 상에 적재된 기판 상에 실리콘막을 형성하는 성막 방법이며,
상기 기판이 상기 제1 처리 영역을 통과할 때, 상기 제1 온도보다도 낮은 제2 온도로 설정된 Si2H6 가스를 공급하고, 상기 기판의 표면 상에 SiH3의 분자층을 형성하는 분자층 퇴적 스텝과,
표면 상에 상기 SiH3의 분자층이 형성된 상기 기판에 제1 온도로 유지된 상기 제2 처리 영역을 통과시키고, 상기 SiH3의 분자층의 Si―H 결합을 절단하고, 표면 상에 실리콘 원자층만을 남기는 수소 이탈 스텝을 포함한다.
또한 본 발명의 목적과 이점은, 일부는 명세서에 기재되고, 일부는 명세서로부터 자명하다. 본 발명의 목적과 이점은 첨부한 클레임에서 특별히 지적되는 요소와 그 조합에 의해 실현되어 달성된다. 상기한 일반적인 기재와 하기의 상세한 설명은 예시로서 설명하는 것이며, 클레임된 본 발명을 한정적으로 하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치의 일례를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치의 내부 구성의 일례를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치의 내부 구성의 일례를 나타낸 상면도.
도 4는 제1 처리 영역으로부터 제2 처리 영역까지 회전 테이블의 동심원을 따른 챔버의 단면을 도시하고 있는 도면.
도 5는 천장면이 설치되어 있는 영역을 도시하는 단면도.
도 6a는 본 실시 형태에 관한 성막 방법의 반응 메커니즘을 설명하기 위한 도면으로, 제1 처리 영역(P1)에서 행해지는 SiH3 분자층 퇴적 공정의 일례를 나타낸 도면.
도 6b는 본 실시 형태에 관한 성막 방법의 반응 메커니즘을 설명하기 위한 도면으로, 제2 처리 영역(P2)에서 행해지는 수소 이탈 공정의 일례를 나타낸 도면.
도 7은 본 실시 형태에 관한 성막 장치를 사용한 회전 테이블을 회전시키지 않는 경우의 실리콘 성막의 온도 의존성의 실험 결과를 나타낸 도면.
도 8은 본 실시 형태에 관한 성막 장치를 사용하였을 때의 성막의 시간 의존성을 조사하기 위한 실험 결과를 나타낸 도면. 도 8a는 횡축 전체를 15분 스케일로 하였을 때의 성막 전체에 있어서의 시간 의존성을 나타낸 도면. 도 8b는 횡축 전체를 1분 스케일로 하였을 때의 성막 초기에 있어서의 시간 의존성을 나타낸 도면.
도 9는 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시한 경우의 CVD 반응 발생 영역을 확인하기 위한 실험 결과를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 관한 성막 방법의 SiH3 분자층 퇴적 공정의 온도와 인큐베이션 시간의 관계를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 관한 성막 방법 및 성막 장치의 실시 결과를 나타낸 도면.
그러나 상술한 ALD법, MLD법을 이용한 실리콘막의 성막 방법은, 어디까지나 실험 레벨의 내용이며, 처리실 내의 온도를 450℃와 550℃ 사이에서 교대로 상승 하강시킬 필요가 있으므로, 실내 온도의 제어에 시간을 필요로 하고, 실제적인 양산화의 프로세스에 적용할 수는 없다고 하는 문제가 있었다.
즉, 웨이퍼 상에 SiH3의 분자층을 흡착 형성하기 위해서는, 웨이퍼의 표면에 실리콘이 노출한 상태에서, 처리실 내를 450℃ 전후의 온도로 하는 것이 불가결하며, 이러한 조건하에서만, 실리콘이 노출한 웨이퍼 상에 SiH3의 실리콘이 흡착한다. 예를 들어, 온도를 500℃ 이상으로 하면, CVD(Chemical Vapor Deposition) 반응이 발생해 버리고, 기상 중에서 SiH3끼리가 반응해 버려, 실리콘끼리가 흡착하는 MLD 반응(또는 ALD 반응)이 발생하지 않는다. 또한, 처리실 내에 공급되는 가스는 디실란(Si2H6) 가스이지만, 처리실 내에서 곧 열분해되어, SiH3의 상태로 되고, 상술한 바와 같은 흡착 반응이 발생한다.
한편, SiH3가 웨이퍼 상의 실리콘에 흡착한 상태는, Si―H 결합이 각 SiH3 분자로 3개 남아있는 상태이므로, Si―H 결합을 절단하여 수소의 이탈을 행하지 않으면, 실리콘이 노출한 상태를 만들어 낼 수 없다. Si―H 결합을 절단하기 위해서는, 550℃ 전후의 온도에서 가열하는 것이 필요하므로, 처리실 내를 550℃로 하는 스텝이 역시 반드시 필요해진다.
이와 같이, 상술한 성막 방법에서는, 처리실 내에서 약 100℃의 상승, 하강을 교대로 행할 필요가 있어, 시간을 매우 필요로 하는 프로세스로 될 수밖에 없다. 이러한 프로세스에서는, 생산성이 지나치게 낮아, 반도체 장치를 양산화하는 실제의 반도체 제조 프로세스에 적용하는 것은 곤란하다.
따라서, 본 발명은, 상술한 ALD법 또는 MLD법을 이용한 실리콘막의 성막 프로세스를, 처리실 내의 분위기 온도를 상승 하강시키는 일 없이 행하고, 균일한 막 두께의 실리콘막을 높은 생산성으로 형성할 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태의 설명을 행한다.
또한, 이하의 실시예 중, 하기의 부호는 전형적으로는 하기의 요소를 나타낸다.
1 : 챔버
2 : 회전 테이블
4 : 볼록 형상부
5 : 돌출부
7 : 히터 유닛
10 : 반송 아암
11 : 천장판
12 : 용기 본체
24 : 오목부(기판 적재부)
31 : 반응 가스 노즐
41, 42 : 분리 가스 노즐
44 : (낮은) 천장면
45 : (높은) 천장면
P1 : 제1 처리 영역
P2 : 제2 처리 영역
D1 : 제1 분리 영역
D2 : 제2 분리 영역
W : 웨이퍼
(성막 장치)
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치의 일례를 나타낸 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치의 내부 구성의 일례를 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치의 내부 구성의 일례를 나타낸 상면도이다.
도 1로부터 도 3까지를 참조하면, 본 실시 형태에 관한 성막 장치는, 평면에서 볼 때 대략 원형 형상을 갖는 동시에 측면에서 볼 때는 편평한 챔버(1)와, 이 챔버(1) 내에 설치되고, 챔버(1)의 중심에 회전 중심을 갖는 회전 테이블(2)을 구비하고 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 챔버(1)는, 바닥이 있는 원통 형상을 갖는 용기 본체(12)와, 용기 본체(12)의 상면에 대하여, 예를 들어 O링 등의 시일 부재(13)를 통해 기밀하게 착탈 가능하게 배치되는 천장판(11)을 갖고 있다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 회전 테이블(2)은, 중심부에서 원통 형상의 코어부(21)에 고정되고, 이 코어부(21)는, 연직 방향으로 신장되는 회전축(22)의 상단부에 고정되어 있다. 회전축(22)은 챔버(1)의 저부(14)를 관통하고, 그 하단부가 회전축(22)을 연직축 주위로 회전시키는 구동부(23)에 장착되어 있다. 회전축(22) 및 구동부(23)는, 상면이 개방된 통 형상의 케이스체(20) 내에 수납되어 있다. 이 케이스체(20)는 그 상면에 설치된 플랜지 부분이 챔버(1)의 저부(14)의 하면에 기밀하게 장착되어 있고, 케이스체(20)의 내부 분위기와 외부 분위기의 기밀 상태가 유지되어 있다. 또한, 회전 테이블(2)은, 서셉터(2)라 해도 된다.
회전 테이블(2)과 챔버(1)의 저부(14) 사이의 공간에는, 가열 수단인 히터 유닛(7)이 설치되어 있다. 히터 유닛(7)은, 환상의 형상을 갖고, 회전 테이블(2)의 하방으로부터, 챔버(1) 내를 일정한 온도로 유지한다. 본 실시 형태에 관한 성막 장치에 있어서는, 챔버(1) 내가, Si―H 결합을 절단할 수 있는 소정의 온도로 유지된다. 구체적으로는, Si―H 결합은 550℃ 전후에서 절단되므로, 히터 유닛(7)은, 챔버(1) 내가 550℃ 전후, 예를 들어, 540∼580℃, 바람직하게는 550∼570℃의 범위 내에 있도록 챔버(1) 내를 가열한다.
도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 회전 테이블(2)의 표면부에는, 회전 방향(둘레 방향)을 따라 복수(도시의 예에서는 5매)의 기판을 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)가 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 기판으로서, 실리콘으로 이루어지는 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라 함)(W)가 사용된 예를 들어 설명한다. 또한 도 3에는 편의상 1개의 오목부(24)에만 웨이퍼(W)를 도시한다. 이 오목부(24)는, 웨이퍼(W)의 직경보다도 근소하게 예를 들어 2㎜ 큰 내경과, 웨이퍼(W)의 두께에 대략 동등한 깊이를 갖고 있다. 따라서, 웨이퍼(W)가 오목부(24)에 수용되면, 웨이퍼(W)의 표면과 회전 테이블(2)의 표면[웨이퍼(W)가 적재되지 않는 영역]이 동일한 높이로 된다. 오목부(24)의 저면에는, 웨이퍼(W)의 이면을 지지하여 웨이퍼(W)를 승강시키기 위한 예를 들어 3개의 승강 핀이 관통하는 관통 구멍(모두 도시하지 않음)이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3은 챔버(1) 내의 구조를 설명하는 도면이며, 설명의 편의상, 천장판(11)의 도시를 생략하고 있다. 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 회전 테이블(2)의 상방에는, 각각 예를 들어 석영으로 이루어지는 반응 가스 노즐(31) 및 분리 가스 노즐(41, 42)이 챔버(1)의 둘레 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향(도 3의 화살표 A)]으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 도시의 예에서는, 후술하는 반송구(15)로부터 시계 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향]으로, 분리 가스 노즐(41), 반응 가스 노즐(31) 및 분리 가스 노즐(42)이 이 순서로 배열되어 있다. 이들 노즐(31, 41, 42)은, 각 노즐(31, 41, 42)의 기단부인 가스 도입 포트(31a, 41a, 42a)(도 3)를 용기 본체(12)의 외주벽에 고정함으로써, 챔버(1)의 외주벽으로부터 챔버(1) 내에 도입되고, 용기 본체(12)의 반경 방향을 따라 회전 테이블(2)에 대하여 수평으로 신장되도록 장착되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 반응 가스 노즐(31)은, 도시하지 않은 배관 및 유량 제어기 등을 통해, 반응 가스로서의 Si2H6 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 분리 가스 노즐(41, 42)은, 모두 도시하지 않은 배관 및 유량 제어 밸브 등을 통해, 분리 가스로서의 질소(N2) 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
반응 가스 노즐(31)에는, 회전 테이블(2)을 향해 개방되는 복수의 가스 토출 구멍(33)이, 반응 가스 노즐(31)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10㎜의 간격으로 배열되어 있다. 반응 가스 노즐(31)의 하방 영역은, Si2H6 가스가 분해한 SiH3를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역(P1)으로 된다. 또한, 제1 처리 영역(P1)과 대향하고, 반응 가스 노즐(31)이 설치되어 있지 않은 영역은, 제1 처리 영역(P1)에 있어서 웨이퍼(W)에 흡착된 SiH3로부터 H를 이탈시키는 제2 처리 영역(P2)으로 된다.
제1 처리 영역(P1)과 제2 처리 영역(P2) 사이에는, 2개의 분리 영역(D1, D2)이 형성된다. 제1 처리 영역(P1)과 제2 처리 영역(P2)은 대향하고 있으므로, 제1 처리 영역(P1)의 둘레 방향 양측에 형성된 제1과 제2 분리 영역(D1, D2)은, 제2 처리 영역(P2)의 둘레 방향 양측에 형성되게 된다. 즉, 둘레 방향에 있어서, 제1 처리 영역(P1)과 제2 처리 영역(P2)은, 서로 분리 영역(D1, D2)을 두고 형성된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 회전 테이블(2)이 시계 방향으로 회전하는 경우에, 적재된 웨이퍼(W)가 제1 처리 영역(P1)으로부터 제2 처리 영역(P2)을 향할 때에는 제1 분리 영역(D1)을 통과한다. 제2 처리 영역(P2)으로부터 제1 처리 영역(P1)을 향할 때에는 제2 분리 영역(D2)을 통과한다.
회전 테이블(2)이 시계 방향으로 회전함으로써, 오목부(24)에 적재된 웨이퍼(W)는, 제1 처리 영역(P1), 제1 분리 영역(D1), 제2 처리 영역(P2), 제2 분리 영역(D2)을 연속적으로 순차적으로 통과하게 된다. 그 상세는 후술하지만, 성막 방법의 개요를 설명하면, 히터 유닛(7)에 의해, 챔버(1) 내가 Si―H 결합을 절단할 수 있는 온도(550℃ 전후)로 유지된 상태에서, 웨이퍼(W)가 제1 처리 영역(P1)을 통과하였을 때, 반응 가스 노즐(31)로부터 디실란 가스(Si2H6 가스)가 공급되고, 열분해한 SiH3가, 분자층으로서 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한다. 또한, 디실란 가스는, 450℃ 정도에서 SiH3로 분해하므로, 본 실시 형태와 같은 550℃ 전후의 온도 설정에서는, 용이하게 분해한다. 웨이퍼(W)의 표면은, 실리콘으로 형성되어 있고, 웨이퍼 표면의 Si와, 디실란 가스가 분해한 SiH3의 Si끼리가 흡착한다. 그 후, 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는 제1 분리 영역(D1)에 들어가고, 표면이 N2 가스로 퍼지된다. 이에 의해, SiH3 분자층에는 여분의 분자가 부착되지 않고, 분자층의 상태가 유지된다. 즉, 여분의 CVD 반응 등도 발생하지 않는다. 이어서, 가일층의 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는 제2 처리 영역(P2)에 들어간다. 제2 처리 영역(P2)은, 가스 노즐을 갖지 않고, 일정 온도의 공간을 형성하고 있다. 이 제2 처리 영역(P2) 내에서 Si―H를 절단하는 처리가 행해지고, 웨이퍼(W)의 표면 상에는, Si의 원자층만이 남겨진 상태로 된다. 그리고 회전 테이블(2)의 가일층의 회전에 의해 웨이퍼(W)는 제2 분리 영역(D2)에 들어가고, 퍼지 가스가 공급되어 표면의 먼지 등이 제거된다. 또한 회전 테이블(2)이 회전하고, 제1 처리 영역(P1)에 웨이퍼(W)가 들어갈 때에는, 표면에는 실리콘의 원자층이 형성되고, 먼지 등이 표면으로부터 제거된 상태이므로, 다시 마찬가지의 프로세스를 반복함으로써, 실리콘막을 웨이퍼(W)의 표면 상에 형성할 수 있다.
이러한 일련의 프로세스를, 회전 테이블(2)의 회전에 의해 연속적으로 행함으로써, 웨이퍼(W)의 표면 상에는, 원하는 두께의 실리콘막을 형성하는 것이 가능해진다. 이러한 성막 프로세스를 행하기 위해 본 실시 형태에 관한 성막 장치는 구성되어 있지만, 이하, 개개의 구성 요소에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 4는 제1 처리 영역(P1)으로부터 제2 처리 영역(P2)까지 회전 테이블(2)의 동심원을 따른 챔버(1)의 단면을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 천장판(11)의 이면에 볼록 형상부(4)가 장착되어 있으므로, 챔버(1) 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. 천장면(44)은, 주연부가 원호 형상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 도시한 바와 같이, 볼록 형상부(4)에는 둘레 방향 중앙에 있어서, 반경 방향으로 신장되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(42)이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 다른 하나의 볼록 형상부(4)에도 마찬가지로 홈부(43)가 형성되고, 여기에 분리 가스 노즐(41)이 수용되어 있다. 또한, 제1 처리 영역(P1)의 높은 천장면(45)의 하방의 공간에는, 반응 가스 노즐(31)이 설치되어 있다. 한편, 제2 처리 영역(P2)의 높은 천장면(45)의 하방의 공간은, 온도는 일정하게 유지되어 있지만, 가스의 공급은 없으므로, 가스 노즐은 특별히 설치되어 있지 않은 구성으로 되어 있다. 또한, 반응 가스 노즐(31)은, 천장면(45)으로부터 이격되어 웨이퍼(W)의 근방에 설치되어 있다. 또한, 설명의 편의상, 도 4에 도시하는 바와 같이, 반응 가스 노즐(31)이 설치되는, 높은 천장면(45)의 하방의 공간을 참조 부호 481로 나타내고, 가스 노즐을 갖지 않는, 높은 천장면(45)의 하방의 공간을 참조 부호 482로 나타낸다.
또한, 볼록 형상부(4)의 홈부(43)에 수용되는 분리 가스 노즐(41, 42)에는, 회전 테이블(2)을 향해 개방되는 복수의 가스 토출 구멍(42h)(도 4 참조)이, 분리 가스 노즐(41, 42)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 2㎜의 간격으로 배열되어 있다.
천장면(44)은, 협애한 공간인 분리 공간(H)을 회전 테이블(2)에 대하여 형성하고 있다. 분리 가스 노즐(42)의 토출 구멍(42h)으로부터 N2 가스가 공급되면, 이 N2 가스는, 분리 공간(H)을 통해 공간(481) 및 공간(482)을 향해 흐른다. 이때, 분리 공간(H)의 용적은 공간(481 및 482)의 용적보다도 작으므로, N2 가스에 의해 분리 공간(H)의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비해 높게 할 수 있다. 즉, 공간(481 및 482)의 사이에 압력이 높은 분리 공간(H)이 형성된다. 또한, 분리 공간(H)으로부터 공간(481 및 482)으로 유출되는 N2 가스가, 제1 처리 영역(P1)의 Si2H6 가스의 제2 처리 영역(P2)으로의 유입에 대한 카운터 플로우로서 작용한다. 따라서, 제1 처리 영역(P1)으로부터의 Si2H6 가스가, 제2 처리 영역(P2)에 유입되지 않도록 분리 공간(H)에 의해 분리된다. 따라서, 챔버(1) 내에 있어서 Si2H6 가스가, 가스의 출입 없이 안정적으로 고온으로 유지되어 있는 제2 처리 영역(P2)으로 이동하여, CVD 반응이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이 h1은, 성막 시의 챔버(1) 내의 압력, 회전 테이블(2)의 회전 속도, 공급하는 분리 가스(N2 가스)의 공급량 등을 고려하고, 분리 공간(H)의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비해 높게 하는 데 적합한 높이로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 천장판(11)의 하면에는, 회전 테이블(2)을 고정하는 코어부(21)의 외주를 둘러싸는 돌출부(5)가 설치되어 있다. 이 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.
먼저 참조한 도 1은 도 3의 I―I'선을 따른 단면도이며, 천장면(45)이 설치되어 있는 영역을 도시하고 있다.
한편, 도 5는 천장면(44)이 설치되어 있는 영역을 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 부채형의 볼록 형상부(4)의 주연부[챔버(1)의 외측 테두리측의 부위]에는, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향하도록 L자형으로 굴곡하는 굴곡부(46)가 형성되어 있다. 이 굴곡부(46)는, 볼록 형상부(4)와 마찬가지로, 제1 처리 영역(P1)으로부터 제1과 제2의 분리 영역(D1과 D2)에 반응 가스(Si2H6)가 침입하는 것을 억제하여, CVD 반응의 발생을 억제한다. 부채형의 볼록 형상부(4)는 천장판(11)에 설치되고, 천장판(11)이 용기 본체(12)로부터 제거할 수 있게 되어 있으므로, 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12) 사이에는 근소하게 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 마찬가지의 치수로 설정되어 있다.
용기 본체(12)의 내주벽은, 제1과 제2 분리 영역(D1과 D2)에 있어서는 도 5에 도시하는 바와 같이 굴곡부(46)의 외주면과 접근하여 수직면으로 형성되어 있지만, 제1과 제2 분리 영역(D1과 D2) 이외의 부위에 있어서는, 도 1에 도시하는 바와 같이 예를 들어 회전 테이블(2)의 외측 단부면과 대향하는 부위로부터 저부(14)에 걸쳐 외측으로 우묵하게 들어가 있다. 이하, 설명의 편의상, 대략 직사각형의 단면 형상을 갖는 우묵하게 들어간 부분을 배기 영역(E)이라고 표기한다. 구체적으로는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 제1 처리 영역(P1)에 연통되는 배기 영역을 제1 배기 영역(E1)이라고 표기하고, 제2 처리 영역(P2)에 연통되는 영역을 제2 배기 영역(E2)이라고 표기한다. 이들 제1 배기 영역(E1) 및 제2 배기 영역(E2)의 저부에는, 도 1 내지 도 3에 도시하는 바와 같이, 각각, 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)가 형성되어 있다. 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)는, 도 1에 도시하는 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 제어기이다.
도 5로 되돌아간다. 도 1에서도 설명한 바와 같이, 회전 테이블(2)과 챔버(1)의 저부(14) 사이의 공간에는, 가열 수단인 히터 유닛(7)이 설치된다. 본 실시 형태에 관한 성막 장치에 있어서는, 회전 테이블(2)을 통해 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)가, 웨이퍼(W)의 표면 상에 형성된 SiH3의 분자층의 Si―H 결합을 절단하는 것이 가능한 온도(예를 들어 550℃)로 가열된다. 회전 테이블(2)의 주연 부근의 하방측에는, 회전 테이블(2)의 상방 공간으로부터 배기 영역(E1, E2)에 이르기까지의 분위기와 히터 유닛(7)이 놓여 있는 분위기를 구획하여 회전 테이블(2)의 하방 영역으로의 가스의 침입을 억제하기 위해, 링 형상의 커버 부재(71)가 설치되어 있다. 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 챔버(1)의 내벽면 사이에 설치된 외측 부재(71b)를 구비하고 있다. 외측 부재(71b)는, 제1과 제2 분리 영역(D1, D2)에 있어서 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 근소하게 외측의 부분의 하방)에 있어서, 히터 유닛(7)을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸고 있다.
히터 유닛(7)이 배치되어 있는 공간보다도 회전 중심 부근의 부위에 있어서의 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 있고, 또한 저부(14)를 관통하는 회전축(22)의 관통 구멍의 내주면과 회전축(22)의 간극이 좁게 되어 있고, 이들 좁은 공간은 케이스체(20)의 내부에 연통되어 있다. 그리고 케이스체(20)에는 퍼지 가스인 N2 가스를 좁은 공간 내에 공급하여 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 설치되어 있다. 또한 챔버(1)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 걸쳐 덮는 덮개 부재(7a)가 설치되어 있다. 덮개 부재(7a)는 예를 들어 석영으로 제작할 수 있다.
또한, 챔버(1)의 천장판(11)의 중심부에는, 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있어, 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 따라 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(P1)에 공급되는 Si2H6 가스가, 중심 영역(C)을 통과하여 제2 처리 영역(P2)에 침입하는 것이 억제된다. 즉, 공간(50)[또는 중심 영역(C)]은, 분리 공간(H)[또는 제1과 제2 분리 영역(D1, D2)]과 마찬가지로 기능할 수 있다.
또한, 챔버(1)의 측벽에는, 도 2 및 도 3에 도시하는 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)에는, 이 반송구(15)에 대향하는 위치에서 반송 아암(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해진다. 따라서, 회전 테이블(2)의 하방측에 있어서 전달 위치에 대응하는 부위에, 오목부(24)를 관통하여 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어올리기 위한 전달용의 승강 핀 및 그 승강 기구(모두 도시하지 않음)가 설치되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 성막 장치에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 장치 전체의 동작의 컨트롤을 행하기 위한 컴퓨터로 이루어지는 제어부(100)가 설치되어 있고, 이 제어부(100)의 메모리 내에는, 제어부(100)의 제어하에, 후술하는 성막 방법을 성막 장치에 실시시키는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은 후술하는 성막 방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있고, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 매체(102)에 기억되어 있고, 소정의 판독 장치에 의해 기억부(101)에 판독되고, 제어부(100) 내에 인스톨된다.
(성막 방법)
다음으로, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법에 대해 상술한 성막 장치를 사용하여 행하는 경우를 예로 들어 설명한다. 본 실시 형태에서는, 웨이퍼(W)로서 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것으로 한다. 또한, 반응 가스 노즐(31)로부터 디실란 가스가 공급되는 것으로 한다.
우선, 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하고, 외부로부터 반송 아암(10)(도 3)에 의해 반송구(15)(도 2 및 도 3)를 통해 웨이퍼(W)를 회전 테이블(2)의 오목부(24) 내에 전달한다. 이 전달은, 오목부(24)가 반송구(15)에 면하는 위치에 정지하였을 때에 오목부(24)의 저면의 관통 구멍을 통해 챔버(1)의 저부측으로부터 도시하지 않은 승강 핀이 승강함으로써 행해진다. 이러한 웨이퍼(W)의 전달을, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시켜 행하고, 회전 테이블(2)의 5개의 오목부(24) 내에 각각 웨이퍼(W)를 적재한다.
계속해서 게이트 밸브를 폐쇄하고, 진공 펌프(640)에 의해 도달 가능 진공도에까지 챔버(1) 내를 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. 이것에 수반하여, 압력 제어 수단(650)(도 1)에 의해 챔버(1) 내를 미리 설정한 처리 압력으로 제어한다. 이어서, 회전 테이블(2)을 시계 방향으로 예를 들어 20rpm의 회전 속도로 회전시키면서 히터 유닛(7)에 의해 웨이퍼(W)를 예를 들어 550℃로 가열한다. 또한, 이후 설명하는 온도는, 엄밀하게는 히터 유닛(7)의 온도이지만, 이해의 용이를 위해, 히터 유닛(7)의 설정 온도대로 챔버(1) 내의 분위기가 설정되어 있다고 가정하여 설명한다.
이 후, 제1 처리 영역(P1)의 반응 가스 노즐(31)(도 2 및 도 3)로부터 Si2H6 가스를 공급한다.
도 6은 본 실시 형태에 관한 성막 방법의 반응 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 제1 처리 영역(P1)에서 행해지는 SiH3 분자층 퇴적 공정의 일례를 나타낸 도면이다. 도 6a에 있어서, Si2H6 가스가 공급되면, 실리콘 웨이퍼(W)의 표면에는, Si2H6가 열분해한 SiH3 분자층의 Si 원자가 흡착하여 결합한다. 즉, 소위 ALD법 또는 MLD법에 의해 SiH3 분자층이 웨이퍼(W)의 표면 상에 형성된다. 또한, 이러한 반응은, 일반적으로는 ALD법이라 하고 있지만, SiH3는 화학적으로는 원자가 아니라 분자이므로, 본 실시 형태에 있어서는 분자층이라고 표현하고, ALD법과 MLD법을 엄밀하게 구별하지 않고 ALD법 또는 MLD법이라고 포괄적으로 표현하고 있다.
이 반응은, 일반적으로는, 450℃ 전후의 분위기하에서, 베어 실리콘이 존재하고, 실리콘끼리가 직접 결합할 수 있는 조건에서만 발생하는 반응이다. 본 실시 형태에 관한 성막 장치에서는, 챔버(1) 내의 온도는 550℃ 전후로 설정되어 있으므로, 통상의 프로세스에서는 이 ALD 반응은 일어날 수 없다. 그러나 본 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 반응 가스 노즐(31)로부터 공급하는 Si2H6 가스를, 상온에서 공급한다. 상온은, 20∼30℃의 범위 내의 온도에 있고, 일반적으로는 25℃ 전후이다. 따라서, 상온의 Si2H6 가스를 웨이퍼(W)를 향해 가까운 거리에서 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 표면 근방의 온도를 순간적으로 저하시킬 수 있고, 450℃의 온도 조건을 순간적으로 만들어 내고 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 처리 영역(P1)에 있어서는, 천장면(45)은 제1과 제2 분리 영역(D1, D2)의 천장면(44)보다도 높지만, 반응 가스 노즐(31)은, 분리 가스 노즐(42)과 대략 동일한 높이이며, 웨이퍼(W)의 표면에 가까운 거리이다. 따라서, 반응 가스 노즐(31)로부터 공급되는 Si2H6 가스는, 주위의 분위기와 동일한 온도로 되기 전에 웨이퍼(W)의 표면에 도달하고, 본래적으로는 450℃ 전후의 분위기하에서만 발생하는 분자층 퇴적 반응(MLD)을 발생시키고 있다.
또한, 챔버(1) 내의 온도인 550℃는, Si2H6 가스를 공급한 경우, 본래적으로는 CVD 반응이 발생해 버리는 온도이다. 따라서, 가령 SiH3가 실리콘 웨이퍼(W)의 표면에 흡착하였다고 해도, 그 위에 CVD 반응에 의해 SiH3막이 퇴적해 버릴 우려가 있다. 그러나 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서는, 회전 테이블(2)이 회전함으로써, 그러한 여분의 CVD 반응을 발생시키는 일 없이 제1 분리 영역(D1)으로 SiH3 분자층이 표면 상에 흡착한 웨이퍼(W)가 이동한다. 제1 분리 영역(D1)에서는, 좁은 공간 내에서 N2의 퍼지 가스가 공급되고, Si2H6 가스의 유입을 방지하는 구성으로 되어 있으므로, SiH3 분자층의 표면 상에, 또한 CVD 반응에 의해 SiH3막이 퇴적하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 본 실시 형태에 관한 실리콘막의 성막 방법에 있어서는, 제1 처리 영역(P1)에서, 웨이퍼(W)의 표면 부근에서 순간적으로 분자층 퇴적 반응이 발생하는 조건을 만들어 내어 SiH3의 분자층을 형성하고, 형성 후에는 여분의 CVD 반응이 발생하지 않을 때에 제1 분리 영역(D1)으로 회전 이동해 버린다. 이러한 상온의 Si2H6 가스의 공급과, 웨이퍼(W)의 회전 이동을 적절하게 조합함으로써, Si―H 결합의 절단이 가능한 고온 분위기하에 있어서도, 그것보다도 저온 분위기하에서만 발생하는 SiH3의 분자층 퇴적 반응을 발생시켜, SiH3 분자층을 형성할 수 있다.
또한, 제1 처리 영역(P1)은, 상술한 바와 같은 분자층 퇴적 반응에 의해 SiH3 분자층을 형성하므로, 분자층 퇴적 영역, SiH3 흡착 영역, ALD 영역 등이라 해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 상온의 Si2H6 가스를 공급하는 예를 들어 설명하지만, Si―H 결합의 절단이 가능한 550℃보다도 낮은 온도이면, 다른 온도에서 Si2H6 가스를 공급해도 된다. 예를 들어, 0∼50℃의 범위에서, 조건에 따른 적절한 가스 공급 온도를 설정할 수 있다.
또한, 제1 분리 영역(D1)에 있어서는, 도 4 및 도 5에서 설명한 구조에 의해, 제1 처리 영역(P1)으로부터의 Si2H6 가스의 유입을 방지할 수 있고, 웨이퍼(W)는, N2 등의 퍼지 가스가 표면에 공급된 상태에서 제1 분리 영역(D1)을 통과한다.
도 6b는 제2 처리 영역(P2)에서 행해지는 수소 이탈 공정의 일례를 나타낸 도면이다. 도 6b에 도시하는 바와 같이, 제2 처리 영역(P2)에서는, Si―H 결합의 절단에 의해 수소의 이탈이 행해진다. 이에 의해, SiH3 분자층의 Si는 실리콘 웨이퍼(W)의 표면 상에 저류되고, 실리콘의 원자층이 형성된다. 제2 처리 영역(P2)에서는, 제2 처리 영역(P2)의 온도를 낮추는 요인으로 되는 가스의 공급 등은 행해지지 않고, Si―H 결합의 절단에 필요한 온도인 550℃ 전후로 유지된 상태가 유지된다. 웨이퍼(W)는, Si―H 결합의 절단에 필요한 소정 온도로 유지된 제2 처리 영역(P2)의 공간을 회전에 의해 통과함으로써, 수소를 이탈하고, 베어 실리콘 원자층을 형성한다.
그때, 웨이퍼(W)가 제2 처리 영역(P2)을 통과 중에 Si―H 결합의 절단이 발생하도록, 제2 처리 영역(P2)의 둘레 방향의 길이와 회전 테이블(2)의 회전 속도가 정해진다. 일반적으로, 제1 처리 영역(P1)은, CVD 반응이 발생하지 않도록 짧은 영역으로서 형성되는 것에 반해, 제2 처리 영역(P2)은, 수소의 이탈 반응이 확실하게 발생하도록 제1 처리 영역(P1)보다도 긴 영역으로서 형성된다.
또한, 제2 처리 영역(P2)에 있어서는, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시하기 위해서는 노즐은 불필요하지만, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시하기 전후나, 다른 목적에서 노즐이 필요한 경우에는, 그들의 설치를 방해하는 것이 아니라, 용도에 따라 소정의 목적에 따른 노즐을 설치하도록 해도 된다. 예를 들어, 웨이퍼(W)의 표면에 시드층을 형성하기 위해, 산화나 플라즈마 처리를 행하는 경우에는, 산화 가스 공급 노즐이나, 플라즈마 처리 장치를 설치해도 된다. 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시할 때에는, 그들을 정지하면, 전혀 문제없이 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시할 수 있다.
또한, 제2 처리 영역(P2)은, 상술한 바와 같은 Si―H 결합을 분해하고, 수소 이탈에 의해 Si 원자층을 형성하므로, 수소 이탈 영역, 수소 해리(解離) 영역, Si―H 결합 절단 영역 등이라 해도 된다.
제2 처리 영역(P2)을 통과한 웨이퍼(W)는, 제2 분리 영역(D2)으로 회전 이동한다. 제2 분리 영역(D2)에 있어서는, N2 등의 퍼지 가스가 웨이퍼(W)의 표면에 공급되고, 실리콘 원자층의 표면에 여분의 먼지 등이 퇴적하는 것이 방지된다.
제2 분리 영역(D2)을 통과한 웨이퍼(W)는, 회전 테이블(2)의 가일층의 회전에 의해, 베어 실리콘막이 형성된 상태에서, 다시 제1 처리 영역(P1)에 들어가고, 상술한 분자층 퇴적법에 의한 SiH3 분자층의 형성이 행해지고, 이하 마찬가지의 프로세스가 반복된다. 그리고 회전 테이블(2)을 복수회 연속하여 회전시킴으로써, 상술한 실리콘 성막 프로세스가 반복되어, 원하는 두께의 실리콘막을 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 따르면, Si―H 결합의 절단이 가능한 챔버(1) 내의 온도 설정, 이것보다도 낮은 온도의 실란 가스의 공급, 회전 테이블(2)의 회전에 의한 CVD 반응의 발생 방지를 적절하게 조합함으로써, 챔버(1) 내의 온도를 일정하게 한 채, 높은 생산성으로 ALD법을 이용한 균일성이 높은 실리콘막을 형성할 수 있다.
또한, 상술한 설명에 있어서, 챔버(1) 내의 온도가 550℃ 전후인 예를 들어 설명하였지만, Si―H 결합의 절단이 발생하는 온도로 히터 유닛(7)이 설정되어 있으면 되므로, 예를 들어, 540∼580℃의 범위에서, Si―H 결합의 절단이 발생하는 소정 온도로 설정하는 것이 가능하다.
또한, 상술한 성막 프로세스를 실행하기 전에, 웨이퍼(W)의 표면에 시드층을 형성하도록 해도 된다. 시드층의 형성은, 아미노실란계 가스, 예를 들어, DIPAS(디이소프로필아미노실란)를 실리콘 기판 표면에 흡착시켜 시드층을 형성함으로써, 인큐베이션 시간을 짧게 하여 효율적으로 성막을 행할 수 있다.
(실시예 등)
다음으로, 본 실시 형태에 관한 성막 장치를 사용하여 실시한 다양한 실시예 및 실험 결과에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실험 결과는, 반드시 본 실시 형태에 관한 성막 방법의 실시예로는 한정하는 것이 아니고, 본 실시 형태에 관한 성막 방법 및 성막 장치에서 설정한 다양한 설정값의 설정 근거를 나타내기 위한 내용도 포함하고 있다.
도 7은 본 실시 형태에 관한 성막 장치를 사용한 회전 테이블을 회전시키지 않는 경우의 실리콘 성막의 온도 의존성의 실험 결과를 나타낸 도면이다. 도 7에 있어서, 횡축은 온도〔℃〕, 종축은 성막 속도〔㎚/분〕를 나타내고 있다. 이 실험은, 시드층이 형성되어 있지 않은 웨이퍼(W)에 대해, 회전 테이블(2)을 회전시키지 않고, 히터 유닛(7)의 온도를 몇 도까지 올렸을 때에 실리콘 성막을 할 수 있었는지를 확인하기 위한 실험이다. 프로세스 조건은, 챔버(1) 내의 압력이 1.8Torr, Si2H6 가스의 유량이 100sccm이다. 이 조건하에서, 온도를 다양하게 변화시켜 실험을 행하였다. 또한, 본 실험에서는, ALD에 의한 성막인지 CVD에 의한 성막인지는 특별히 논하지 않고, 단순히 실리콘이 성막되었는지 여부만을 확인하였다. 또한, 실리콘 성막의 유무를 확인한 개소는, 웨이퍼(W)의 중심점이며, 300㎜의 웨이퍼(W)에 있어서, 중심을 통과하는 종축(Y축) 상에서는 상방으로부터 150.0㎜의 개소이다.
도 7의 특성 곡선 F에 있어서, 400∼430℃까지는 대략 제로에서 성막이 확인되지 않고, 430℃ 이상으로 되었을 때에 성막 속도가 제로 이상으로 된 것이 나타내어져 있다. 따라서, 회전 테이블(2)을 회전시키지 않는 경우에는, 430℃ 이상일 때에 성막이 되는 것이 나타났다. 즉, 실리콘막의 성막을 행하기 위해서는, 챔버(1) 내의 온도를 430℃ 이상으로 하는 것이 필요한 것이, 도 7의 실험에 의해 나타났다.
도 8은 본 실시 형태에 관한 성막 장치를 사용하였을 때의 성막의 시간 의존성을 조사하기 위한 실험 결과를 나타낸 도면이다. 도 8a는 횡축 전체를 15분 스케일로 하였을 때의 성막 전체에 있어서의 시간 의존성을 나타낸 도면이며, 도 8b는 횡축 전체를 1분 스케일로 하였을 때의 성막 초기에 있어서의 시간 의존성을 나타낸 도면이다. 또한, 측정 개소는, 도 7과 마찬가지로 웨이퍼(W)의 중심점으로 되는 개소이다. 또한, 본 실험에 있어서는, 회전 테이블(2)은 회전시키고 있지 않다.
도 8a에 있어서, 측정 결과를 나타내는 특성선 G의 시간과 막 두께가 비례 관계에 있고, 전체적으로 선형성을 갖는 성막 시간 특성을 나타내고 있다.
한편, 도 8b에 있어서, 1분 이내의 성막의 시간 의존성을 확대해 보면, 플롯점이 나타내는 바와 같이, 실제로는 성막의 개시는 제로로부터가 아니라, 0.5min(＝30sec) 부근으로부터 성막이 개시하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 특성선 H는, 특성선 G가 1분 이내의 영역에서도 완전히 선형이었던 경우의 비교용의 가상선이며, 시간 제로로부터 비례적으로 성막이 개시하는 선형 특성선 G 및 H와 비교하여, 실제로는 약 0.5min 지연되어 성막이 개시하고 있다. 이 성막 개시의 지연 시간을, 이후, 인큐베이션 시간이라 하는 것으로 한다. 도 8b에 나타내는 바와 같이, 인큐베이션 시간이 0.5min(30sec) 부근에 존재하므로, 이 상태로는, 성막 개시의 시간 지연이 발생해 버린다. 본 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 이 인큐베이션 시간을 제로로 하는 것에 성공하고 있는데, 이하, 거기에 이르기까지의 내용에 대해 설명한다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시한 경우의 CVD 반응과 ALD 반응의 온도 의존성을 비교하기 위한 실험 결과를 나타낸 도면이다. 도 9에 있어서, 횡축은 온도〔℃〕, 종축은 성막 속도(단위 시간당 성막량)〔㎚/min〕를 나타내고 있다. 또한, 웨이퍼(W)의 중심점에 대해 측정하고 있는 점은, 도 7 및 도 8에서 설명한 실험과 마찬가지이다.
특성선 I는, 회전 테이블(2)을 회전시키지 않고 성막을 행한 경우의 성막 속도의 시간 특성이며, Si2H6 가스의 유량이 100sccm이다. 특성선 I에 있어서는, 430℃ 부근으로부터 성막이 개시하고, 온도가 500℃까지 상승함에 따라, 성막 속도는 높아지고 있다. 특성선 I에 있어서는, 성막 속도는 빠르지만, Si―H 결합이 절단되는 550℃ 이상보다도 훨씬 낮은 온도에서 성막 속도가 상승하고 있으므로, ALD 반응이 아니라, CVD 반응이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 특성선 I의 반응에서는, 실리콘막만의 성막이 아니라, SiH3가 CVD 반응으로 퇴적하여 성막되어 있는 상태로 되어 있다.
한편, 특성선 J에 있어서는, 챔버(1) 내의 압력이 0.25Torr, 회전 테이블(2)의 회전 속도가 20rpm, Si2H6 가스의 유량이 300sccm인 프로세스 조건에서 성막을 행하고, 성막 속도는 특성선 I와 같이 고속은 아니지만, 550℃ 이상 600℃ 미만(약 590℃ 이하)의 영역에서 선형적으로 성막이 행해지고 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 회전 테이블(2)을 무회전으로 하면, 500℃ 이하에서 CVD 반응이 발생해 버리지만, 회전 테이블(2)을 20rpm 정도로 회전시키고, 온도를 550℃ 이상 600℃ 미만으로 하면, ALD 반응을 발생시키는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 이 결과는, 이미 설명한 본 실시 형태에 관한 성막 방법과 합치하는 것이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 관한 성막 방법의 SiH3 분자층 퇴적 공정의 온도와 인큐베이션 시간의 관계를 나타낸 도면이다. 도 10에 있어서, 횡축이 온도〔℃〕, 종축이 인큐베이션 시간〔분〕을 나타내고 있다. 도 10에 있어서는, SiH3 분자층 퇴적 공정에 있어서의 인큐베이션 시간을 나타내고 있으므로, 베어 실리콘 원자층이 표면에 노출하여 형성되어 있으면, 인큐베이션 시간은 제로로 되고, 그러한 이상적인 상태로 되어 있지 않은 경우에, 인큐베이션 시간이 증가하는 것을 의미한다.
도 10에 있어서, 흑색의 사각형은, 웨이퍼(W)에 시드층이 형성되어 있고, Si2H6 가스 유량이 300sccm, 백색의 사각형은, 웨이퍼(W)에 시드층이 형성되어 있지 않고, Si2H6 가스 유량이 300sccm인 데이터를 나타내고 있다. 또한, 흑색의 마름모는, 웨이퍼(W)에 시드층이 형성되어 있고, Si2H6 가스 유량이 100sccm, 백색의 마름모는, 웨이퍼(W)에 시드층이 형성되어 있지 않고, Si2H6 가스 유량이 100sccm인 데이터를 나타내고 있다. 또한, 흑색의 사각형을 라인 K, 백색의 사각형을 라인 L로 연결하고 있다.
도 10에 있어서, 시드층이 존재하는 라인 K는 535℃ 전후, 시드층이 존재하지 않는 라인 L도 540℃ 전후에서 인큐베이션 시간이 제로로 되어 있다. 상술한 바와 같이, 인큐베이션 시간은, 표면에 실리콘 원자층이 노출하고 있는 상태이므로, Si―H 결합이 열로 절단되는 온도를 나타내고 있다. 따라서, 540℃ 전후로부터 Si―H 결합을 절단할 수 있으므로, 챔버(1) 내의 온도는, 540℃ 전후 이상으로 설정하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
또한, 시드층이 형성된 웨이퍼(W)의 특성을 나타내는 라인 K와, 시드층이 형성되어 있지 않은 웨이퍼(W)의 특성을 나타내는 라인 L을 비교하면, 500℃ 부근에서는, 라인 K 쪽이, 인큐베이션 시간이 대폭으로 작아져, 시드층이 형성된 웨이퍼(W) 쪽이 인큐베이션 시간을 단축할 수 있는 것을 알 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이, 시드층이 형성되어 있지 않은 라인 L에 있어서도, 540℃ 부근에서 인큐베이션 시간은 제로로 되어 있으므로, 히터 유닛(7)의 온도를 540℃ 전후 이상으로 설정하면, 시드층이 없어도 인큐베이션 시간을 없앨 수 있다. 따라서, 본 실시예에 관한 성막 방법에서는, 히터 유닛(7)의 온도를 540℃ 전후 이상으로 설정함으로써, 웨이퍼(W)에 시드층이 형성되어 있지 않아도, 성막 개시 후로부터 빠르게 실리콘막의 성막을 행할 수 있다.
한편, 전체적으로 보면, 라인 L에 비교하여, 라인 K 쪽이 인큐베이션 시간은 단축되어 있다. 또한, 시드층이 존재하는 웨이퍼(W)의 데이터를 나타내는 흑색의 마름모와, 시드층이 존재하지 않는 웨이퍼(W)의 데이터를 나타내는 백색의 마름모를 비교해도, 시드층이 존재하는 웨이퍼(W)의 데이터를 나타내는 흑색의 마름모 쪽이, 인큐베이션 시간이 짧아져 있다. 따라서, 전체의 경향으로서, 시드층을 형성함으로써, 인큐베이션 시간을 단축할 수 있으므로, 웨이퍼(W)에 시드층을 형성하여 본 실시예에 관한 성막 방법을 실시해도 된다.
또한, 시드층의 유무에 대해서는 동일한 조건의 경우에, Si2H6 가스 유량이 다른 흑색의 사각형과 흑색의 마름모 및 백색의 사각형과 백색의 마름모를 각각 비교하면, 모두 Si2H6 가스 유량이 적은 쪽이, 인큐베이션 시간이 길어져 있고, 가스 농도의 영향이 있는 것이 나타내어져 있다. 즉, CVD 반응이 발생하지 않는 범위 내에서, Si2H6 가스의 농도·유량을 올린 쪽이, 인큐베이션 시간의 단축에 관해 말하면 유효한 것이 나타내어져 있다.
이러한 실시 결과로부터, 본 실시예에 관한 성막 방법 및 성막 장치에 있어서는, 챔버(1) 내의 온도는 540℃ 이상, 예를 들어 540∼580℃, 바람직하게는 550∼570℃로 설정하는 것으로 하고 있다. 이 온도는, 비특허문헌 1에서 나타내어진 550℃와도 부합되고 있다.
또한, 본 실시예에 있어서, 시드층을 형성한 후에, 본 실시 형태에 관한 실리콘막의 성막 방법의 SiH3 분자층 형성 스텝 및 수소 이탈 스텝을 실시해도 되는 것도 나타났다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 관한 성막 방법 및 성막 장치의 실시 결과를 나타낸 도면이다. 제2 실시예에 있어서는, 히터 유닛(7)의 온도 570℃, 챔버(1) 내의 압력이 0.25torr, 회전 속도가 20rpm으로 하였다. 압력은, 지금까지의 실험 및 실시예의 1.8Torr보다도 저압으로 설정되어 있다. 또한, 디이소프로필아미노실란 가스를 900sccm/5min의 시간 유량으로 공급하여 시드층을 웨이퍼(W) 상에 형성하고, Si2H6 가스의 유량을 100sccm으로 하는 동시에, Si2H6 가스를 N2 가스로 희석하고, N2 가스를 캐리어 가스로서 공급하였다. 그리고 Si2H6 가스와 캐리어 N2 가스의 혼합비(유량비)를 다양하게 변화시키고, 실리콘 웨이퍼(W)에 형성된 비어 홀의 각 위치에 있어서의 막 두께를 측정하고, 스텝 커버리지(단차 피복성)를 산출하였다. 또한, 비어 홀에 대해서는, 개구 직경은 65∼70㎚, 깊이는 1600∼1800㎚이며, 어스펙트비는 24∼28의 비어 홀을 형성하였다.
도 11에 나타내는 바와 같이, Si2H6 가스/N2 가스의 비는, 300/600, 100/800, 50/850, 25/875인 경우에 대해 실시하였다. 도 11 중, 보다 우측에 기재된 데이터가, Si2H6 가스의 N2 가스에 대한 유량비가 작은 것을 나타내고 있다. 또한, 좌측 단부의 비어 홀은, 성막 전의 비어 홀의 상태를 나타내고 있다.
막 두께는, 상단부와, 상단부로부터 깊이 50㎚, 상단부로부터 깊이 150㎚, 상단부로부터 깊이 250㎚(사진에서는 TOP의 범위), 상단부로부터 깊이 800㎚(사진에서는 MID의 범위) 및 저면측에서 상단부로부터 깊이 1600∼1800㎚(사진에서는 BTM의 범위)에 대해 각각 측정하였다.
각 데이터를 비교하면, Si2H6 가스의 유량 비율이 작을수록, 각 개소에 있어서 막 두께의 차가 작고, 스텝 커버리지가 향상되어 있는 것이 나타내어져 있다. 즉, 굵은 선으로 둘러싼 우측 단부에 있는 데이터에 있어서는, 상단부(TOP)가 24㎚인 것 이외는, 모든 개소에서 22㎚의 균일한 막 두께 특성을 나타내고 있다. 따라서, 스텝 커버리지도, 모든 개소에서 92라고 하는 극히 양호한 균일성을 나타내는 측정 결과가 얻어졌다.
이와 같이, 제2 실시예에 관한 성막 방법 및 성막 장치에 따르면, 챔버(1) 내의 압력을 저압으로 설정하고, Si2H6 가스의 유량비를 캐리어 N2 가스에 비교하여 작게 함으로써, 커버리지성이 양호한 성막을 행할 수 있다.
또한, 이 Si2H6 가스의 유량비가 작은 쪽이 커버리지성이 양호해지는 원인은, 이하와 같다고 추정된다. 즉, 본 실시예에 관한 성막 방법 및 성막 장치에 있어서는, 제1 처리 영역(P1)에 있어서, 저온의 Si2H6 가스를 공급하는 동시에, 회전 테이블(2)을 회전시킴으로써 웨이퍼(W)의 표면 부근에 있어서 주위의 분위기보다도 약 100℃ 낮은 상태를 순간적으로 만들어 내고 있지만, 주위는 역시 높은 온도이므로, CVD 반응은 항상 발생하기 쉬운 상태라고 생각된다. 또한, ALD 반응(또는 MLD 반응)이 발생하는 상태로 되는 것은, 웨이퍼(W)의 표면 부근의 한 순간뿐이며, 따라서 ALD 반응이 발생하지 않은 Si2H6 가스는, 웨이퍼(W) 표면 부근의 주위의 분위기의 온도에 의해, 바로 CVD 반응을 발생시킬 수 있는 가스로 변해 버린다고 생각된다. 따라서, Si2H6 가스의 공급은, 웨이퍼(W)의 표면에 직접 공급되는 최소한의 가스로 충분하며, 이러한 조건을 만족시키기 위해서는, 여분의 반응을 억제시키기 위해, Si2H6 가스의 유량비를 그다지 크게 하지 않고, 또한, 압력도 저압으로 한 쪽이 바람직한 것은 아닌지 생각된다.
이와 같이, 본 실시 형태 및 본 실시예에 관한 성막 방법 및 성막 장치에 따르면, 균일하고 커버리지성이 양호한 실리콘막을 높은 생산성으로 성막할 수 있다.
이상, 성막 방법의 설명을 행해 온 것은 설명을 다하여 실시 형태의 이해를 촉진하고, 기술을 더욱 진보시키는 것의 도움이 되도록 기재한 것이다. 따라서, 실시 형태에 나타낸 요건에 성막 방법이 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시 형태에서의 예시는 그 장점 단점을 의미하는 것은 아니다. 성막 방법을 기재하였지만, 발명의 취지로부터 이격되지 않는 범위에서 다종 다양한 변경, 치환, 개변이 가능하다.

Claims (20)

  1. Si―H 결합을 절단하는 것이 가능한 제1 온도로 설정된 원통형의 챔버 내에, 서로 이격된 제1 처리 영역과 제2 처리 영역이 상기 챔버의 둘레 방향을 따라 배치되고, 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 회전 통과 가능한 회전 테이블 상에 적재된 기판 상에 실리콘막을 형성하는 성막 방법이며,
    상기 기판이 상기 제1 처리 영역을 통과할 때, 상기 제1 온도보다도 낮은 제2 온도로 설정된 Si2H6 가스를 공급하고, 상기 기판의 표면 상에 SiH3의 분자층을 형성하는 분자층 퇴적 스텝과,
    표면 상에 상기 SiH3의 분자층이 형성된 상기 기판에 제1 온도로 유지된 상기 제2 처리 영역을 통과시키고, 상기 SiH3의 분자층의 Si―H 결합을 절단하고, 표면 상에 실리콘 원자층만을 남기는 수소 이탈 스텝을 포함하는, 실리콘막의 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 온도는 상온인, 실리콘막의 성막 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 온도는 540∼580℃의 범위 내에 있는, 실리콘막의 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분자층 퇴적 스텝은, 상기 기판 상에 실리콘막이 노출하여 형성되고, 또한 상기 회전 테이블을 고정시킨 경우에는 430∼470℃의 범위 내의 분위기하인 경우에서만 발생하는 분자층 퇴적 반응에 의해 형성되고, 상기 제2 온도로 설정된 Si2H6 가스의 공급과, 상기 회전 테이블의 회전에 의해, 상기 기판의 표면 부근에서 상기 430∼470℃의 온도 범위의 분위기를 순간적으로 형성하는, 실리콘막의 성막 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분자층 퇴적 스텝 및 상기 수소 이탈 스텝의 사이클을 복수회, 연속적으로 반복하는, 실리콘막의 성막 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 처리 영역으로부터 상기 제2 처리 영역으로 상기 기판이 이동하는 간격에, 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하는 제1 분리 영역이 형성되고,
    상기 분자층 퇴적 스텝 후, 상기 기판에 상기 제1 분리 영역을 통과시켜 상기 기판의 표면에 퍼지 가스를 공급하고, SiH3의 CVD 반응의 발생을 억제하는 CVD 반응 억제 스텝을 더 갖는, 실리콘막의 성막 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 처리 영역으로부터 상기 제1 처리 영역으로 상기 기판이 이동하는 간격에 제2 분리 영역이 형성되고,
    상기 수소 이탈 스텝 후, 상기 기판에 상기 제2 분리 영역을 통과시켜 상기 기판의 표면에 퍼지 가스를 공급하는 분리 스텝을 더 갖는, 실리콘막의 성막 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 처리 영역은, 상기 제1 처리 영역보다도 넓은 영역을 갖고, 상기 수소 이탈 스텝이 상기 분자층 퇴적 스텝보다도 장시간 행해지는, 실리콘막의 성막 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판인, 실리콘막의 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 분자층 퇴적 스텝을 개시하기 전에, 상기 실리콘 기판의 표면에 시드층을 형성하는 시드층 형성 스텝을 더 갖는, 실리콘막의 성막 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 시드층 형성 스텝은, 유기 아미노실란 가스를 상기 실리콘 기판의 표면에 공급하는 처리를 포함하는, 실리콘막의 성막 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 회전 테이블 상에는, 둘레 방향을 따라 상기 기판이 복수매 적재 가능하며,
    상기 회전 테이블의 회전에 의해 복수의 기판 상에 동시에 상기 실리콘막을 형성하는, 실리콘막의 성막 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 Si2H6 가스를, 퍼지 가스로 희석하면서 공급하는, 실리콘막의 성막 방법.
  14. Si―H 결합을 절단하는 것이 가능한 제1 온도로 설정된 원통형의 챔버와,
    상기 챔버 내에 설치되고, 기판이 적재되는 동시에 회전 가능한 회전 테이블과,
    상기 챔버 내에, 상기 챔버의 둘레 방향을 따라 형성되고, 상기 제1 온도보다도 낮은 제2 온도에서 Si2H6 가스를 공급하고, 상기 회전 테이블의 회전에 의해 상기 기판이 통과하였을 때에, 분자층 퇴적법에 의해 상기 기판 상에 SiH3의 분자층을 형성하는 제1 처리 영역과,
    상기 제1 처리 영역과 상기 챔버의 둘레 방향으로 이격되어 형성되고, 상기 회전 테이블의 회전에 의해 상기 기판이 통과하였을 때에 상기 기판 상에 형성된 SiH3의 분자층의 Si―H 결합을 절단하고, 상기 기판 상에 실리콘 원자층만을 남기는 제2 처리 영역을 갖는, 실리콘막의 성막 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 온도는 상온인, 실리콘막의 성막 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 온도는 540∼580℃의 범위 내에 있는, 실리콘막의 성막 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 처리 영역에서 행해지는 상기 SiH3의 분자층의 형성은, 상기 기판 상에 실리콘막이 노출하여 형성되고, 또한 상기 회전 테이블을 고정시킨 경우에는 430∼470℃의 범위 내의 분위기하인 경우에서만 발생하는 분자층 퇴적 반응에 의해 행해지는 처리이며,
    상기 제1 처리 영역은, 상기 제2 온도로 설정된 Si2H6 가스의 공급과, 상기 회전 테이블의 회전에 의해, 상기 기판의 표면 부근에서 상기 430∼470℃의 온도 범위의 분위기를 순간적으로 형성하는, 실리콘막의 성막 장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 회전 테이블을 복수회 회전시켜, 상기 제1 처리 영역 및 상기 제2 처리 영역에서 행해지는 처리를 복수 사이클 연속적으로 반복하는, 실리콘막의 성막 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제1 처리 영역으로부터 상기 제2 처리 영역으로 상기 기판이 이동하는 간격에, 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 분리하는 제1 분리 영역이 형성되고,
    상기 제1 분리 영역에서는, 상기 기판의 표면에 퍼지 가스를 공급하고, SiH3의 CVD 반응의 발생을 억제하는, 실리콘막의 성막 장치.
  20. 제14항에 있어서, 상기 제2 처리 영역으로부터 상기 제1 처리 영역으로 상기 기판이 이동하는 간격에 제2 분리 영역이 형성되고,
    상기 제2 분리 영역에서는, 상기 기판의 표면에 퍼지 가스를 공급하는, 실리콘막의 성막 장치.
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