KR101716085B1 - 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양호한 특성을 갖는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 박막 형성 방법은, 제1 원료 가스와 제2 원료 가스를 반응실 내에 공급하는 제1 공정과, 제1 원료 가스의 공급을 정지하고, 제2 원료 가스를 반응실 내에 공급하고, 반응실 내의 압력을 제1 공정에서의 압력과 비교해서 높게 하는 제2 공정을 구비하고, 제1 공정과 제2 공정을 교대로 복수회 반복함으로써, 반응실 내에 수용된 피처리체에 박막을 형성한다.

Description

박막 형성 방법 및 박막 형성 장치{THIN FILM FORMING METHOD AND THIN FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치에 관한 것이다.
종래, 산화 실리콘막 등의 성막에는, LP-CVD(감압 CVD; Chemical Vapor Deposition)가 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1). LP-CVD에 의한 성막에서는, 압력 제어된 반응실 내에, 일정하게 유량 조정된 가스를 정해진 시간만큼 흘려서, 원하는 막 두께까지 성막시킨다.
일본 특허 공개 제2007-95885호 공보
최근, 반도체 장치의 구조의 변경이나 장치의 미세화에 수반하여, 종래의 LP-CVD 성막 조건에서는 커버리지 성능이 낮아, 종래의 공정을 그대로 적용할 수 없다는 문제가 있다. 이 문제는, 특히 종횡비가 높은 STI(Shallow Trench Isolation) 형상이나, 홀 형상의 패턴에 대해서 성막을 행할 때에 문제로 된다. 또한, LP-CVD 성막에 있어서는, 성막 중의 불순물 농도를 보다 저감하려고 하는 요망이 있다. 이와 같이, 양호한 특성을 갖는 박막을 형성하는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 양호한 특성을 갖는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 양호한 커버리지 성능을 갖는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 불순물 농도를 보다 저감할 수 있는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 관점에 따른 박막 형성 방법은,
반응실 내에 수용된 피처리체에 박막을 형성하는 박막 형성 방법으로서,
제1 원료 가스와 제2 원료 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 제1 공정과,
상기 제1 원료 가스의 공급을 정지하고, 상기 제2 원료 가스를 상기 반응실 내에 공급하고, 상기 반응실 내의 압력을 상기 제1 공정에서의 압력과 비교해서 높게 하는 제2 공정을 포함하고,
상기 제1 공정과, 상기 제2 공정을 교대로 복수회 반복한다.
상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 개질 공정을 더 포함하고,
상기 제1 공정과, 상기 제2 공정과, 상기 개질 공정을 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 개질 공정을 더 포함하고,
상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 교대로 복수회 반복하여 상기 피처리체에 원하는 두께의 박막이 형성된 후, 상기 개질 공정을 실행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 관점에 따른 박막 형성 방법은,
반응실 내에 수용된 피처리체에 박막을 형성하는 박막 형성 방법으로서,
성막용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여, 상기 반응실 내에 수용된 상기 피처리체에 박막을 형성하는 제1 공정과,
개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여, 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질 공정을 포함하고,
상기 제1 공정과 상기 개질 공정을 교대로 복수회 반복하거나 또는 상기 제1 공정을 복수회 반복하여 상기 피처리체에 원하는 두께의 박막이 형성된 후, 상기 개질 공정을 실행한다.
상기 개질 공정에서는, 예를 들어 개질용 가스에 산소 및 수소를 사용한다.
상기 피처리체에는, 예를 들어 홈 또는 홀이 형성되어 있다. 이 경우, 상기 홈 또는 상기 홀 상에 박막을 형성한다.
상기 제1 원료 가스는, 예를 들어 디클로로실란이고, 상기 제2 원료 가스는, 예를 들어 아산화질소이다.
본 발명의 제3 관점에 따른 박막 형성 장치는,
반응실 내에 수용된 피처리체에 박막을 형성하는 박막 형성 장치로서,
상기 반응실 내에 제1 원료 가스를 공급하는 제1 원료 가스 공급 수단과,
상기 반응실 내에 제2 원료 가스를 공급하는 제2 원료 가스 공급 수단과,
상기 반응실 내의 압력을 제어하는 압력 제어 수단과,
장치의 각 부를 제어하는 제어 수단을 포함하고,
상기 제어 수단은,
상기 제1 원료 가스 공급 수단과 상기 제2 원료 가스 공급 수단을 제어하여, 상기 제1 원료 가스와 상기 제2 원료 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 제1 공정과, 상기 제1 원료 가스 공급 수단을 제어하여 상기 제1 원료 가스의 공급을 정지하고, 상기 제2 원료 가스 공급 수단을 제어하여 상기 제2 원료 가스를 상기 반응실 내에 공급하고, 상기 압력 제어 수단을 제어하여 상기 반응실 내의 압력을 상기 제1 공정에서의 압력과 비교해서 높게 하는 제2 공정을 교대로 복수회 반복하여 상기 피처리체 상에 박막을 형성한다.
상기 반응실 내에 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 공급하는 개질용 가스 공급 수단을 더 포함하고,
상기 제어 수단은,
상기 제1 공정과, 상기 제2 공정과, 상기 개질용 가스 공급 수단을 제어하여 상기 개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질 공정을 복수회 반복하여 상기 피처리체 상에 박막을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 반응실 내에 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 공급하는 개질용 가스 공급 수단을 더 포함하고,
상기 제어 수단은,
상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 교대로 복수회 반복하여 상기 피처리체에 원하는 두께의 박막이 형성된 후, 상기 개질용 가스 공급 수단을 제어하여 상기 개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질 공정을 실행하여 상기 피처리체 상에 박막을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제4 관점에 따른 박막 형성 장치는,
반응실 내에 수용된 피처리체에 박막을 형성하는 박막 형성 장치로서,
상기 반응실 내에 성막용 가스를 공급하는 성막용 가스 공급 수단과,
상기 반응실 내에 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 공급하는 개질용 가스 공급 수단과,
장치의 각 부를 제어하는 제어 수단을 포함하고,
상기 제어 수단은,
상기 성막용 가스 공급 수단을 제어하여 상기 성막용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여, 상기 반응실 내에 수용된 상기 피처리체에 박막을 형성하는 제1 공정과, 상기 개질용 가스 공급 수단을 제어하여 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 개질 공정을, 교대로 복수회 반복하거나 또는 상기 제1 공정을 복수회 반복하여 상기 피처리체에 원하는 두께의 박막이 형성된 후 상기 개질 공정을 실행함으로써, 상기 피처리체 상에 박막을 형성한다.
본 발명에 따르면, 양호한 특성을 갖는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 열처리 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 제어부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 실시 형태의 박막 형성 방법을 설명하는 레시피를 도시하는 도면이다.
도 4는 박막 형성 방법을 설명하는 레시피의 별도예를 도시하는 도면이다.
도 5는 박막 형성 방법을 설명하는 레시피의 별도예를 도시하는 도면이다.
도 6은 박막 형성 방법을 설명하는 레시피의 별도예를 도시하는 도면이다.
도 7은 박막 형성 방법을 설명하는 레시피의 별도예를 도시하는 도면이다.
도 8은 박막 형성 방법을 설명하는 레시피의 별도예를 도시하는 도면이다.
도 9는 박막 형성 방법을 설명하는 레시피의 별도예를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치에 대해서 설명한다. 이하에서는, HTO(High Temperature Oxide)막을 형성하는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 박막 형성 장치로서, 도 1에 도시하는 뱃치식 종형 열처리 장치를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(1)는 길이 방향이 수직 방향으로 향해진 대략 원통 형상의 반응관(2)(반응실)을 구비하고 있다. 반응관(2)은 내관(3)과, 내관(3)을 덮음과 함께 내관(3)과 일정한 간격을 갖도록 형성된 천장이 있는 외관(4)으로 구성된 이중관 구조를 갖는다. 내관(3) 및 외관(4)은 내열 및 내부식성이 우수한 재료, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있다.
외관(4)의 하방에는, 통 형상으로 형성된 스테인리스강(SUS)으로 이루어지는 매니폴드(5)가 배치되어 있다. 매니폴드(5)는 외관(4)의 하단과 기밀하게 접속되어 있다. 또한, 내관(3)은 매니폴드(5)의 내벽으로부터 돌출됨과 함께, 매니폴드(5)와 일체로 형성된 지지 링(6)에 지지되어 있다.
매니폴드(5)의 하방에는 덮개(7)가 배치되고, 보트 엘리베이터(8)에 의해 덮개(7)는 상하 이동 가능하게 구성되어 있다. 그리고, 보트 엘리베이터(8)에 의해 덮개(7)가 상승하면, 매니폴드(5)의 하방측(노구 부분)이 폐쇄되고, 보트 엘리베이터(8)에 의해 덮개(7)가 하강하면, 매니폴드(5)의 하방측(노구 부분)이 개구된다.
덮개(7)에는, 예를 들어 석영으로 이루어지는 웨이퍼 보트(9)가 적재되어 있다. 웨이퍼 보트(9)는 피처리체, 예를 들어 반도체 웨이퍼(10)가 수직 방향으로 소정의 간격을 두고 복수매 수용 가능하게 구성되어 있다.
반응관(2) 주위에는, 반응관(2)을 둘러싸도록 단열체(11)가 설치되어 있다. 단열체(11)의 내벽면에는, 예를 들어 저항 발열체로 이루어지는 승온용 히터(12)가 설치되어 있다. 이 승온용 히터(12)에 의해 반응관(2)의 내부가 소정의 온도로 가열되고, 그 결과 반도체 웨이퍼(10)가 소정의 온도로 가열된다.
매니폴드(5)의 측면에는, 복수의 처리 가스 도입관(13)이 삽입 관통(접속)되어 있다. 또한, 도 1에서는 처리 가스 도입관(13)을 1개만 그리고 있다. 처리 가스 도입관(13)은 내관(3) 내를 접하도록 배치되어 있다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 처리 가스 도입관(13)은 지지 링(6)으로부터 하방(내관(3)의 하방)의 매니폴드(5)의 측면에 삽입 관통되어 있다.
처리 가스 도입관(13)은 매스 플로우 컨트롤러(도시하지 않음) 등을 통해서, 처리 가스 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 따라서, 처리 가스 공급원으로부터 처리 가스 도입관(13)을 통해서 원하는 양의 처리 가스가 반응관(2) 내에 공급된다. 본 실시 형태에서는, HTO막을 형성하기 때문에, 처리 가스 도입관(13)으로부터 공급되는 성막용 가스(원료 가스)는, 예를 들어 실리콘 소스로서의 디클로로실란(DCS), 산화제로서의 아산화질소(N2O)이다.
매니폴드(5)의 측면에는 반응관(2) 내의 가스를 배기하기 위한 배기구(14)가 설치되어 있다. 배기구(14)는 지지 링(6)으로부터 상방에 설치되어 있고, 반응관(2) 내의 내관(3)과 외관(4) 사이에 형성된 공간으로 연통한다. 그리고, 내관(3)에서 발생한 배기 가스 등이 내관(3)과 외관(4) 사이의 공간을 통과해서 배기구(14)로 배기된다.
매니폴드(5)의 측면의 배기구(14)의 하방에는, 퍼지 가스 공급관(15)이 삽입 관통되어 있다. 퍼지 가스 공급관(15)에는 퍼지 가스 공급원(도시하지 않음)이 접속되어 있고, 퍼지 가스 공급원으로부터 퍼지 가스 공급관(15)을 통해서 원하는 양의 퍼지 가스, 예를 들어 질소 가스가 반응관(2) 내에 공급된다.
배기구(14)에는 배기관(16)이 기밀하게 접속되어 있다. 배기관(16)에는 그 상류측으로부터, 밸브(17)와, 진공 펌프(18)가 개재 설치되어 있다. 밸브(17)는 배기관(16)의 개방도를 조정하여, 반응관(2) 내의 압력을 소정의 압력으로 제어한다. 예를 들어, 밸브(17)의 오리피스 또는 컨덕턴스를 조정하여, 오리피스를 작게 또는 컨덕턴스를 작게 함으로써 반응관(2) 내의 압력을 상승시킨다. 또한, 밸브(17)를 완전히 클로즈해도 된다. 또한, 처리 가스의 유량을 증가시켜서, 반응관(2) 내의 압력을 높여도 된다. 진공 펌프(18)는 배기관(16)을 통해서 반응관(2) 내의 가스를 배기하는 동시에, 반응관(2) 내의 압력을 조정한다.
또한, 배기관(16)에는 트랩(도시하지 않음), 스크러버(도시하지 않음) 등이 개재 설치되어 있고, 반응관(2)으로부터 배기된 배기 가스를, 무해화한 후, 열처리 장치(1) 밖으로 배기하도록 구성되어 있다.
또한, 열처리 장치(1)는 장치 각 부의 제어를 행하는 제어부(100)를 구비하고 있다. 도 2에 제어부(100)의 구성을 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제어부(100)에는 조작 패널(121), 온도 센서(군)(122), 압력계(군)(123), 히터 컨트롤러(124), 매스 플로우 컨트롤러(MFC: Mass Flow Controller) 제어부(125), 밸브 제어부(126) 등이 접속되어 있다.
조작 패널(121)은 표시 화면과 조작 버튼을 구비하고, 오퍼레이터의 조작 지시를 제어부(100)에 전달하고, 또한 제어부(100)로부터의 여러가지 정보를 표시 화면에 표시한다.
온도 센서(군)(122)는 반응관(2) 내, 처리 가스 도입관(13) 내, 배기관(16) 내 등의 각 부의 온도를 측정하고, 그 측정값을 제어부(100)에 통지한다.
압력계(군)(123)는 반응관(2) 내, 처리 가스 도입관(13) 내, 배기관(16) 내 등의 각 부의 압력을 측정하고, 그 측정값을 제어부(100)에 통지한다.
히터 컨트롤러(124)는 승온용 히터(12)를 개별로 제어하기 위한 것으로, 제어부(100)로부터의 지시에 응답하여, 이들에 통전해서 이들을 가열하고, 또한 이들 소비 전력을 개별로 측정하여, 제어부(100)에 통지한다.
MFC 제어부(125)는 처리 가스 도입관(13) 및 퍼지 가스 공급관(15)에 설치된 MFC(도시하지 않음)를 제어하여, 이들에 흐르는 가스의 유량을 제어부(100)로부터 지시된 양으로 함과 함께, 실제로 흐른 가스의 유량을 측정하여, 제어부(100)에 통지한다.
밸브 제어부(126)는 각 관에 배치된 밸브의 개방도를 제어부(100)로부터 지시된 값으로 제어한다.
제어부(100)는 레시피 기억부(111)와, ROM(Read Only Memory)(112)과, RAM(Random Access Memory)(113)과, I/O 포트(Input/Output Port)(114)와, CPU(Central Processing Unit)(115)와, 이들을 서로 접속하는 버스(116)로 구성되어 있다.
레시피 기억부(111)에는 셋업용 레시피와 복수의 프로세스용 레시피가 기억되어 있다. 열처리 장치(1)의 제조 당초에는 셋업용 레시피만이 저장된다. 셋업용 레시피는 각 열처리 장치에 따른 열 모델 등을 생성할 때에 실행되는 것이다. 프로세스용 레시피는 유저가 실제로 행하는 열처리(프로세스)마다 준비되는 레시피이며, 예를 들어 반응관(2)에의 반도체 웨이퍼(10)의 로드로부터, 처리 완료된 반도체 웨이퍼(10)를 언로드할 때까지의, 각 부의 온도의 변화, 반응관(2) 내의 압력 변화, 처리 가스의 공급의 개시 및 정지의 타이밍과 공급량 등을 규정한다.
ROM(112)은 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 등으로 구성되고, CPU(115)의 동작 프로그램 등을 기억하는 기록 매체이다.
RAM(113)은 CPU(115)의 워크 에리어 등으로서 기능한다.
I/O 포트(114)는 조작 패널(121), 온도 센서(군)(122), 압력계(군)(123), 히터 컨트롤러(124), MFC 제어부(125), 밸브 제어부(126) 등에 접속되며, 데이터나 신호의 입출력을 제어한다.
CPU(115)는 제어부(100)의 중추를 구성하고, ROM(112)에 기억된 제어 프로그램을 실행하고, 조작 패널(121)로부터의 지시에 따라 레시피 기억부(111)에 기억되어 있는 레시피(프로세스용 레시피)를 따라, 열처리 장치(1)의 동작을 제어한다.즉, CPU(115)는 온도 센서(군)(122), 압력계(군)(123), MFC 제어부(125) 등에 반응관(2) 내, 처리 가스 도입관(13) 내 및 배기관(16) 내의 각 부의 온도, 압력, 유량 등을 측정시키고, 이 측정 데이터에 기초해서, 히터 컨트롤러(124), MFC 제어부(125), 밸브 제어부(126) 등에 제어 신호 등을 출력하여, 상기 각 부가 프로세스용 레시피에 따르도록 제어한다.
버스(116)는 각 부의 사이에서 정보를 전달한다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 열처리 장치(1)를 사용한 막의 형성 방법에 대해서 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 열처리 장치(1)를 구성하는 각 부의 동작은 제어부(100)(CPU(115))에 의해 제어되고 있다. 또한, 각 처리에서의 반응관(2) 내의 온도, 압력, 가스의 유량 등은, 전술한 바와 같이, 제어부(100)(CPU(115))가 히터 컨트롤러(124)(승온용 히터(12)), MFC 제어부(125), 밸브 제어부(126) 등을 제어함으로써, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같은 레시피에 따른 조건으로 설정된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 실리콘 소스로서 DCS(디클로로실란), 산화제로서 N2O(아산화질소)를 사용해서 실리콘 산화막(HTO막)을 형성하는 방법을 예로 들어 설명한다.
우선, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 반응관(2)(내관(3)) 내를 소정의 온도, 예를 들어 600℃로 설정한다. 또한, 도 3의 (e)에 도시한 바와 같이, 퍼지 가스 공급관(15)으로부터 내관(3)(반응관(2)) 내에 소정량의 질소를 공급한다. 다음으로, 반도체 웨이퍼(10)가 수용되어 있는 웨이퍼 보트(9)를 덮개(7) 상에 적재한다. 그리고, 보트 엘리베이터(8)에 의해 덮개(7)를 상승시켜, 반도체 웨이퍼(10)(웨이퍼 보트(9))를 반응관(2) 내에 로드한다(로드 공정). 또한, 반도체 웨이퍼(10)의 표면에는, 소위 STI 구조의 홈 및/또는 홀이 형성되어 있다.
계속해서, 도 3의 (e)에 도시한 바와 같이, 퍼지 가스 공급관(15)으로부터 내관(3) 내에 소정량의 질소를 공급함과 함께, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 반응관(2) 내를 소정의 온도로 설정한다. 또한, 반응관(2) 내의 가스를 배출하여, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 반응관(2)을 소정의 압력으로 감압한다. 여기서, 반응관(2) 내의 온도는, 예를 들어 800℃, 압력은 예를 들어 0.1Torr(13.3㎩)로 한다. 그리고, 반응관(2) 내를 이 온도 및 압력으로 안정시킨다(안정화 공정).
반응관(2) 내를 소정의 압력 및 온도로 안정시킨 후, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 처리 가스 도입관(13)으로부터 반응관(2) 내에 소정량의 제1 성막용 가스(원료 가스)로서, DCS를 도입한다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이 DCS는 200sccm의 유량으로 공급된다. 제1 성막용 가스를 공급함과 함께, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이, 제2 성막용 가스(원료 가스)로서, N2O를 처리 가스 도입관(13)으로부터 반응관(2) 내에 공급한다. N2O는 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이 200sccm의 유량으로 공급된다. 이때, 반응관(2) 내의 압력은, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 0.1Torr(13.3㎩)로 유지된다(제1 공정). 이 제1 공정은 소정의 시간, 예를 들어 1분 정도 유지한다.
여기서, 제1 공정에서의 성막용 가스의 공급에 있어서는, 반응관(2) 내에 갑자기 설정값(200sccm)의 유량의 성막용 가스를 흘리는 것이 아니라, 서서히 성막용 가스의 유량을 증가시킴으로써, 설정값의 유량의 성막용 가스를 반응관(2) 내에 공급하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 성막용 가스인 DCS의 공급을 정지함과 함께, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 반응관(2) 내의 압력을 제1 공정에서의 압력과 비교해서 상승시킨다. 예를 들어 반응관(2) 내의 압력은, 0.1Torr 내지 10Torr(13.3㎩ 내지 1330㎩)로 한다. 또한, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이, 제2 성막용 가스인 N2O의 공급은 정지하지 않고, 200sccm의 유량을 유지한다(제2 공정). 또한, 이 제2 공정은 소정의 시간, 예를 들어 1분 정도 유지한다.
계속해서, 도 3의 (b) 및 (c)에 도시한 바와 같이, 다시, 제1 성막용 가스로서 DCS를 공급하여, 반응관(2) 내의 압력을 감압하는 제1 공정을 실행한다. 또한, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이 제2 성막용 가스인 N2O의 공급도 유지되고 있다. 이 공정에서도, 제1 성막용 가스의 공급 유량과, 제2 성막용 가스의 공급 유량과, 반응관(2) 내의 압력과, 공정을 유지하는 시간은 1 사이클 전의 사이클에 있어서의 제1 공정과 마찬가지로 한다.
다음으로, 다시, 제1 성막용 가스인 DCS의 공급을 정지함과 함께, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 반응관(2) 내의 압력을 상승시키는 제2 공정을 실행한다. 또한, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이 N2O의 공급은 정지하지 않고, 200sccm의 유량을 유지한다. 이 공정에서도, 제2 성막용 가스의 공급 유량과, 반응관(2) 내의 압력과, 공정을 유지하는 시간은 1 사이클 전의 사이클에 있어서의 제2 공정과 마찬가지로 한다.
이와 같이, 제1 공정과 제2 공정을 하나의 사이클로 하고, 이 사이클을 복수회 반복함으로써 반도체 웨이퍼(10) 상에 소정 두께의 HTO막을 형성한다. 또한, 사이클을 반복하는 횟수는, 예를 들어 75회 내지 225회 정도이다. 이 횟수는 필요로 되는 막 두께 등에 따라서 결정된다.
본 실시 형태에서는, 제1 성막용 가스인 DCS의 공급과 정지를 반복하여 행하고, 더하여 제2 성막용 가스인 N2O의 공급은 제1 성막용 가스의 공급과는 연동시키지 않고 유지한 다음, 반응관(2) 내의 압력은 제1 성막용 가스의 공급 시와 비교해서 제1 성막용 가스를 정지하고 있을 때에는 높은 압력으로 한다. 제1 공정에서는, 제2 공정에 비해 저압이기 때문에, DCS와 N2O를, 홈 및/또는 홀이 형성된 반도체 웨이퍼(10) 상에 널리 퍼지게 하기 쉬워진다. 또한, 제2 공정에서는, 제1 공정에 비해 고압으로서 N2O를 공급하고 있으므로, 홈 및/또는 홀이 형성된 반도체 웨이퍼(10) 상에 널리 퍼진 DCS와 N2O의 반응(산화)을 촉진할 수 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼(10) 상에 형성되는 HTO막의 커버리지 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
소정의 두께의 HTO막이 형성되면, 처리 가스 도입관(13)으로부터의 성막용 가스의 공급을 정지한다. 다음으로, 반응관(2) 내로부터 성막용 가스를 배출하고, 도 3의 (e)에 도시한 바와 같이, 퍼지 가스 공급관(15)으로부터 내관(3) 내에 소정량의 질소를 공급하여, 반응관(2) 내의 가스를 배출한다(퍼지 공정).
계속해서, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 반응관(2) 내를 소정의 온도, 예를 들어 600℃로 설정한다. 또한, 반응관(2) 내의 가스를 배출하여, 반응관(2)을 상압으로 되돌린다. 그리고, 보트 엘리베이터(8)에 의해 덮개(7)를 하강시킴으로써, 반도체 웨이퍼(10)(웨이퍼 보트(9))를 반응관(2) 내로부터 언로드한다(언로드 공정). 이에 의해, 적층막의 형성이 종료된다.
본 발명은 상기의 실시 형태에 한정되지 않고, 다양한 변형, 응용이 가능하다.
상기 실시 형태에서는, 각 사이클의 성막용 가스(DCS 및 N2O)의 유량을 동일하게 하는 구성을 예로 들고 있지만, 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이, 사이클에 따라 성막용 가스의 유량을 다르게 해도 된다. 또한, 각 사이클에 있어서의 DCS와 N2O의 유량을 다르게 해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제1 공정과 제2 공정에서 성막용 가스(DCS 및N2O)의 유량을 동일하게 하는 구성을 예로 들고 있지만, 예를 들어 제1 공정에서의 성막용 가스의 유량과 제2 공정에서의 성막용 가스의 유량을 다르게 해도 된다. 또한, 제1 공정의 유지 시간을 1분, 제2 공정의 유지 시간을 2분으로 하는 바와 같이 제2 공정을 제1 공정과 비교해서 길게 설정해도 되고, 반대로 제1 공정을 제2 공정과 비교해서 길게 설정해도 된다.
또한, 본 발명은 제2 공정에서의 반응관(2) 내의 압력(P2, P4)을 제1 공정에서의 반응관(2) 내의 압력(P1, P3)과 비교해서 높게 하는 것이면 되고, 사이클에 따라 반응관(2) 내의 압력을 다르게 해도 된다. 예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 사이클 A를 복수 사이클 행한 후, 사이클 B를 복수 사이클 행해도 된다. 이 경우, 사이클 B에서의 제1 공정에서의 반응관(2) 내의 압력 P3을 사이클 A에서의 제1 공정에서의 반응관(2) 내의 압력 P1보다 높게(P3＞P1) 하는 것이 바람직하다. 커버리지 성능을 향상시킬 수 있음과 함께, 데포지션 레이트를 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한, 제2 공정에서의 반응관(2) 내의 압력(P2, P4)을 크게 변화시키는, 예를 들어 사이클 B에서의 제2 공정에서의 반응관(2) 내의 압력 P4를 사이클 A에서의 제2 공정에서의 반응관(2) 내의 압력 P2보다 매우 높게(P4≫P2) 해도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 반응관(2) 내의 온도를 800℃로 하는 경우를 예로 들어 설명하고 있지만, 반응관(2) 내의 온도는 적절히 변경 가능하다.
상기 실시 형태에서는, 제1 성막용 가스인 실리콘 소스로서 DCS, 제2 성막용 가스로서 산화제인 N2O를 사용한 경우를 예로 들어 본 발명을 설명했지만, HTO막(SiO2막)을 형성할 수 있는 것이면, 다른 원료를 사용해도 된다. 예를 들어, 실리콘 소스로서, 테트라클로로실란, 트리클로로실란, 헥사클로로디실란(HCD)을 사용해도 된다. 또한, 산화제로서, 산화질소(NO）, 이산화질소(NO2), 오존(O3)을 사용해도 된다. 또한, HTO막에 한정되지 않고, SiN막을 형성해도 된다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1, 제2 공정 후에, 처리 가스 도입관(13)으로부터 반응관(2) 내에 개질용 가스, 예를 들어 산소(O2)와 수소(H2)를 공급하여, 반응관(2) 내에 산소를 포함하는 활성종(라디칼)을 발생시키는 개질 공정을 실시해도 된다. 개질용 가스는 수소(H2)와 산소(O2)로 한정되는 것은 아니며, HTO막의 개질이 가능한 것이면 되고, 예를 들어 수소(H2)와 아산화질소(N2O)여도 된다. 개질 공정은, 소정의 시간, 예를 들어 1초 내지 60초, 바람직하게는 5초 내지 15초 정도 실행한다. 이 개질 공정에 의해, 형성된 박막(HTO막)과 활성화된 산소 및 수소(라디칼)가 반응하여, HTO막에 포함되는 염소(Cl), 수소(H), 탄소(C), 질소(N) 등의 불순물의 농도를 저감할 수 있다. 예를 들어, 형성된 HTO막 중의 염소 농도를 측정한 바, 개질 공정을 실시함으로써, HTO막 중의 염소 농도를 크게 저감할 수 있는 것을 확인하였다. 또한, HTO막의 막 스트레스를 크게 할 수 있다. 특히, Y축 방향의 막 스트레스에 대해서는, 4배 가까이 크게 할 수 있는 것을 확인하였다.
여기서, 개질 공정에서는 반응관(2) 내의 온도를 700℃ 내지 900℃로 설정하는 것이 바람직하다. 반응관(2) 내의 온도를 이러한 범위로 함으로써, HTO막 중에 포함되는 염소, 수소 등의 불순물이 제거되기 쉽고, HTO막을 개질하기 쉽기 때문이다. 특히, 개질 공정에서는 반응관(2) 내의 온도를 HTO막의 성막 온도(800℃) 근방, 예를 들어 750℃ 내지 850℃로 하는 것이 바람직하다. 이러한 범위로 함으로써, 반응관(2) 내의 온도 제어를 용이하게 할 수 있기 때문이다.
또한, 개질 공정에서는, 반응관(2) 내의 압력을 1.33㎩ 내지 133㎩(0.01Torr 내지 1Torr)로 설정하는 것이 바람직하다. 반응관(2) 내의 압력을 이러한 범위로 함으로써, HTO막 중에 포함되는 염소, 수소 등의 불순물이 제거되기 쉽고, HTO막을 개질하기 쉽기 때문이다. 특히, 반응관(2) 내의 압력을 6.65㎩ 내지 13.3㎩(0.05Torr 내지 0.1Torr)로 하는 것이 바람직하다. 이러한 범위로 함으로써, 형성되는 HTO막의 면간 균일성이 향상되기 때문이다.
또한, 개질 공정에서는, 수소(H2)와 산소(O2)의 공급량의 비를 1:1 내지 1:3인 것이 바람직하고, 1:1.5 내지 1:2인 것이 보다 바람직하다. 산소와 수소의 혼합비를 이러한 범위로 함으로써, HTO막에 포함되는 불순물의 농도를 저감할 수 있음과 함께, HTO막의 막 스트레스를 크게 할 수 있기 때문이다.
또한, 개질 공정은 사이클마다 실행하지 않아도 된다. 예를 들어, 최초의 수 사이클까지는 개질 공정을 실행하지 않고 제1 및 제2 공정을 실행하고, 그 후, 제1, 제2 공정 및 개질 공정을 실행해도 된다. 또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 원하는 두께의 HTO막을 형성한 후, 개질 공정을 실행해도 된다. 이들의 경우에도, HTO막에 포함되는 불순물의 농도를 저감할 수 있음과 함께, HTO막의 막 스트레스를 크게 할 수 있다.
또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 공정 대신에, 개질 공정을 실행해도 된다. 이 경우에도, HTO막에 포함되는 불순물의 농도를 저감할 수 있음과 함께, HTO막의 막 스트레스를 크게 할 수 있다. 이 경우, HTO막의 염소 농도를 크게 저감할 수 있고, 특히 막 중의 깊이 방향에 있어서의 농도의 저하가 현저한 것을 확인하였다.
또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 공정을 복수회 반복하여 원하는 두께의 HTO막을 형성한 후, 개질 공정을 실행해도 된다. 이 경우에도, HTO막에 포함되는 불순물의 농도를 저감할 수 있음과 함께, HTO막의 막 스트레스를 크게 할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 막의 형성 장치로서, 이중관 구조의 뱃치식 종형 열처리 장치를 사용한 경우를 예로 들어 본 발명을 설명했지만, 예를 들어 본 발명을 단관 구조의 뱃치식 열처리 장치에 적용하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시 형태에 따른 제어부(100)는 전용 시스템에 의하지 않고, 통상의 컴퓨터 시스템을 사용해서 실현 가능하다. 예를 들어, 범용 컴퓨터에, 상술한 처리를 실행하기 위한 프로그램을 저장한 기록 매체(플렉시블 디스크, CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory) 등)로부터 당해 프로그램을 인스톨함으로써, 상술한 처리를 실행하는 제어부(100)를 구성할 수 있다.
그리고, 이들 프로그램을 공급하기 위한 수단은 임의이다. 상술한 바와 같이 소정의 기록 매체를 통해서 공급할 수 있는 것 외에, 예를 들어 통신 회선, 통신 네트워크, 통신 시스템 등을 통해서 공급해도 된다. 이 경우, 예를 들어 통신 네트워크의 게시판(BBS; Bulletin Board System)에 당해 프로그램을 게시하고, 이것을 네트워크를 통해서 반송파에 중첩해서 제공해도 된다. 그리고, 이와 같이 제공된 프로그램을 기동하여, OS(Operating System)의 제어 하에서, 다른 어플리케이션 프로그램과 마찬가지로 실행함으로써, 상술한 처리를 실행할 수 있다.
본 발명은, 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치에 유용하다.
1 : 열처리 장치
2 : 반응관
3 : 내관
4 : 외관
5 : 매니폴드
6 : 지지 링
7 : 덮개
8 : 보트 엘리베이터
9 : 웨이퍼 보트
10 : 반도체 웨이퍼
11 : 단열체
12 : 승온용 히터
13 : 처리 가스 도입관
14 : 배기구
15 : 퍼지 가스 공급관
16 : 배기관
17 : 밸브
18 : 진공 펌프
100 : 제어부
111 : 레시피 기억부
112 : ROM
113 : RAM
114 : I/O 포트
115 : CPU
116 : 버스
121 : 조작 패널
122 : 온도 센서
123 : 압력계
124 : 히터 컨트롤러
125 : MFC 제어부
126 : 밸브 제어부

Claims (2)

  1. 반응실 내에 수용된 피처리체에 박막을 형성하는 박막 형성 방법으로서,
    성막용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여, 상기 반응실 내에 수용된 상기 피처리체에 박막을 형성하는 제1 공정과,
    개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여, 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질 공정을 포함하고,
    상기 제1 공정을 복수회 반복하여 상기 피처리체에 원하는 두께의 박막이 형성된 후, 상기 개질 공정을 실행하고,
    상기 성막용 가스는, 실리콘 소스로서 디클로로실란, 테트라클로로실란, 트리클로로실란 및 헥사클로로디실란 중 어느 하나와, 산화제로서 아산화질소, 산화질소, 이산화질소 및 오존 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 제1 공정은 실리콘 소스와 산화제를 공급하는 공정과, 실리콘 소스의 공급을 정지하고 산화제를 공급하는 공정을 포함하고, 실리콘 소스를 공급할 때보다 실리콘 소스의 공급을 정지하고 있을 때 반응실 내의 압력을 높게 하며,
    상기 개질용 가스는 수소와 산소, 또는 수소와 아산화질소로 구성되는, 박막 형성 방법.
  2. 반응실 내에 수용된 피처리체에 박막을 형성하는 박막 형성 장치로서,
    상기 반응실 내에 성막용 가스를 공급하는 성막용 가스 공급 수단과,
    상기 반응실 내에 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 공급하는 개질용 가스 공급 수단과,
    상기 반응실 내의 압력을 제어하는 압력 제어 수단과,
    장치의 각 부를 제어하는 제어 수단을 포함하고,
    상기 제어 수단은, 상기 성막용 가스 공급 수단을 제어하여 상기 성막용 가스를 상기 반응실 내에 공급하여 상기 반응실 내에 수용된 상기 피처리체에 박막을 형성하는 제1 공정을 복수회 반복하여 상기 피처리체에 원하는 두께의 박막이 형성된 후, 상기 개질용 가스 공급 수단을 제어하여 상기 피처리체에 형성된 박막을 개질하는 개질용 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 개질 공정을 실행함으로써, 상기 피처리체 상에 박막을 형성하고,
    상기 성막용 가스는, 실리콘 소스로서 디클로로실란, 테트라클로로실란, 트리클로로실란 및 헥사클로로디실란 중 어느 하나와, 산화제로서 아산화질소, 산화질소, 이산화질소 및 오존 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 제어 수단은 상기 제1 공정에서, 상기 성막용 가스 공급 수단을 제어하여, 실리콘 소스 및 산화제를 공급하는 공정과, 실리콘 소스의 공급을 정지하고 산화제를 공급하는 공정을 실행하며,
    상기 압력 제어 수단은 실리콘 소스를 공급할 때보다 실리콘 소스의 공급을 정지하고 있을 때 반응실 내의 압력을 높게 하며,
    상기 개질용 가스는 수소와 산소, 또는 수소와 아산화질소로 구성되는, 박막 형성 장치.
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