KR101774086B1 - 성막 방법, 기억 매체 및 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

진공 용기 내에서 기판에 대해 박막을 형성하는 성막 방법으로, 가스를 플라즈마화하여 얻어진, 상기 박막의 품질에 관여하는 활성종을 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 기판에 제1 막을 성막하는 제1 공정과, 가스를 플라즈마화하여 얻어진, 상기 박막의 품질에 관여하는 활성종을, 제어 파라미터를 조정함으로써, 단위 막 두께당 활성종의 공급량이 상기 제1 공정에 있어서의 단위 막 두께당 활성종의 제1 공급량보다도 많아지도록 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 상기 제1 막 상에 당해 제1 막과 동일한 종별의 막인 제2 막을 성막하는 제2 공정을 구비하였다.

Description

성막 방법, 기억 매체 및 성막 장치{FILM DEPOSITION METHOD AND STORAGE MEDIUM AND FILM DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은, 2013년 6월 26일 출원의 일본 특허 출원 제2013-134002호를 우선권 주장의 기초 출원으로 하고 있고, 여기서 이것에 기초하는 우선권을 주장함과 함께, 그 전체 내용을 참조에 의해 삽입한다.
본 발명은 처리 가스의 플라즈마화에 의해 얻어진 플라즈마를 사용하여 기판에 대해 성막 처리를 행하는 성막 방법, 이 성막 방법이 기록된 기억 매체 및 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼(이하「웨이퍼」라 함)에 대해 행해지는 성막 처리로서, 성막 가스와 반응 가스를 교대로 복수회 반복해서 공급하는 ALD(Atomic Layer Deposition)법 등으로 부르고 있는 방법이 있다. 이 방법은, 성막된 박막이 치밀하고, 또한 오목부에 대한 매립 특성이 양호한 것 등의 이점이 있고, 성막 가스나 반응 가스를 플라즈마화함으로써, 불순물이 적고, 높은 치밀성의 박막이 얻어진다.
그런데 치밀성이 높은 양질의 막은 응력이 크기 때문에, 막의 재질에 따라서는, 온도가 변화되었을 때에 그 응력과 기초막의 응력의 차가 커지는 경우가 있다. 이로 인해, 박막에 요구되는 품질로서 더욱 고품질화가 요구되면, 박막(상층 막)이 기초막으로부터 박리될 우려도 있어, 이와 같은 우려를 불식하는 방법의 확립이 요망된다.
일본 특허 공개 제2013-55243에는, 공전하고 있는 웨이퍼에 대해 서로 반응하는 2종류의 반응 가스를 순서대로 공급함과 함께, 웨이퍼가 공전하는 경로의 도중에 당해 웨이퍼 상의 반응 생성물의 플라즈마 개질을 행하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 여기서는, 상술한 과제에 대해서는 착안되어 있지 않다.
따라서, 본 발명의 실시예는, 상기 사정을 감안하여 이것을 해결하도록 이루어진 것이며, 신규 또한 유용한 성막 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 처리 가스의 플라즈마화에 의해 얻어진 플라즈마를 사용하여 성막 처리를 행하는 데 있어서, 막질이 양호한 박막이 얻어지고, 또한 기초막에 대한 막 박리를 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일면에 의한 성막 방법은, 진공 용기 내에서 기판에 대해 박막을 형성하는 성막 방법에 있어서, 가스를 플라즈마화하여 얻어진, 상기 박막의 품질에 관여하는 활성종을 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 기판에 제1 막을 성막하는 제1 공정과, 가스를 플라즈마화하여 얻어진, 상기 박막의 품질에 관여하는 활성종을, 제어 파라미터를 조정함으로써, 단위 막 두께당 활성종의 공급량이 상기 제1 공정에 있어서의 단위 막 두께당 활성종의 제1 공급량보다도 많아지도록 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 상기 제1 막 상에 당해 제1 막과 동일한 종별의 막인 제2 막을 성막하는 제2 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 목적과 이점은, 일부는 명세서에 기재되고, 일부는 명세서로부터 자명하다. 본 발명의 목적과 이점은 첨부한 클레임에서 특별히 지적되는 요소와 그 조합에 의해 실현되고 달성된다. 상기한 일반적인 기재와 하기하는 상세한 설명은 예시로서 설명하는 것이며, 클레임된 본 발명을 한정적으로 하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 성막 장치의 일례를 도시하는 종단면도이다.
도 2는 상기 성막 장치를 도시하는 횡단 평면도이다.
도 3은 상기 성막 장치를 도시하는 횡단 평면도이다.
도 4는 상기 성막 장치의 일부를 도시하는 분해 사시도이다.
도 5는 상기 성막 장치를 도시하는 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 방법으로 질화실리콘막을 성막할 때의 시퀀스의 일례를 나타내는 특성도이다.
도 7은 상기 성막 장치의 작용을 모식적으로 도시하는 기판의 종단면도이다.
도 8은 상기 성막 장치의 작용을 모식적으로 도시하는 기판의 종단면도이다.
도 9는 상기 성막 장치의 작용을 모식적으로 도시하는 기판의 종단면도이다.
도 10은 상기 성막 장치의 작용을 모식적으로 도시하는 기판의 종단면도이다.
도 11은 상기 성막 장치의 작용을 모식적으로 도시하는 기판의 종단면도이다.
도 12는 상기 성막 장치의 작용을 모식적으로 도시하는 기판의 종단면도이다.
도 13은 일례의 방법으로 질화실리콘막을 성막할 때의 시퀀스의 일례를 나타내는 특성도이다.
도 14는 본 발명의 성막 방법을 실시하는 장치의 다른 예를 도시하는 종단면도이다.
도 15는 상기 다른 예에 있어서의 장치를 도시하는 횡단 평면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 모식적으로 도시하는 특성도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 모식적으로 도시하는 특성도이다.
도 21은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 모식적으로 도시하는 특성도이다.
도 22는 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
도 24는 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
도 26은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
도 28은 본 발명의 실시예에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다.
본 발명의 실시 형태 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 실시예 중, 다음의 부호는 전형적으로는 다음의 요소를 나타낸다.
W : 웨이퍼
1 : 진공 용기
2 : 회전 테이블
P1, P2 : 처리 영역
31, 32 : 가스 노즐
80 : 플라즈마 처리부
83 : 안테나
302 : 제1 막
303 : 제2 막
이 장치는, 도 1∼도 4에 도시한 바와 같이, 평면 형상이 대략 원형인 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1) 내에서 연직축 주위로 회전 가능하도록 구성된 회전 테이블(2)을 구비하고 있고, 실리콘으로 이루어지는 웨이퍼(W)에 대해 처리 가스의 플라즈마를 사용하여 ALD법에 의해 박막의 성막 처리를 행하도록 구성되어 있다. 이 장치에서는, 상세히 후술하는 바와 같이, 기초층인 웨이퍼(W)에 밀착시키기 어려운 질화실리콘막이어도, 당해 웨이퍼(W)의 표면에 양호하게 밀착시키면서, 또한 양호한 막질로 되도록 성막할 수 있도록 구성되어 있다. 계속해서, 이 성막 방법에 대해 상세하게 설명하기 전에, 상기 성막 장치에 대해 이하에 간단하게 설명한다.
진공 용기(1)는 용기 본체(12)와, 당해 용기 본체(12)로부터 착탈 가능하도록 구성된 천장판(11)을 구비하고 있다. 천장판(11)의 상면측에 있어서의 중앙부에는, 진공 용기(1) 내의 중심부 영역 C에 있어서 서로 다른 처리 가스끼리가 혼합되는 것을 억제하기 위해, 질소(N2) 가스를 분리 가스로서 공급하기 위한 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있다. 도 1 중 부호 13은 용기 본체(12)의 상면의 주연부에 링 형상으로 형성된 시일 부재, 예를 들어 O링이다.
진공 용기(1)의 저면부(14)의 상방측에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 가열 기구인 히터 유닛(7)이 설치되어 있고, 회전 테이블(2)을 통하여 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)를 성막 온도, 예를 들어 200℃∼450℃로 가열하도록 구성되어 있다. 도 1 중 부호 71a는 히터 유닛(7)의 측방측에 설치된 커버 부재, 부호 7a는 이 히터 유닛(7)의 상방측을 덮는 덮개 부재이다. 또한, 도 1 중 부호 73은 히터 유닛(7)에 대해 하방측으로부터 질소 가스를 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관이다.
회전 테이블(2)은 중심부에서 대략 원통 형상의 코어부(21)에 고정되어 있고, 이 코어부(21)의 하면에 접속됨과 함께 연직 방향으로 신장되는 회전축(22)에 의해, 연직축 주위의 이 예에서는 시계 방향으로 회전 가능하도록 구성되어 있다. 도 1 중 부호 23은 회전축(22)을 연직축 주위로 회전시키는 구동부(회전 기구)이며, 부호 20은 회전축(22) 및 구동부(23)를 수납하는 케이스체이다. 이 케이스체(20)는 상면측의 플랜지 부분이 진공 용기(1)의 저면부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어 있다. 또한, 이 케이스체(20)에는, 회전 테이블(2)의 하방 영역에 질소 가스를 퍼지 가스로서 공급하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 접속되어 있다. 진공 용기(1)의 저면부(14)에 있어서의 코어부(21)의 외주측은, 회전 테이블(2)에 하방측으로부터 근접하도록 링 형상으로 형성되어 돌출부(12a)를 이루고 있다.
회전 테이블(2)의 표면부에는, 도 2∼도 3에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)를 떨어뜨려 넣어 보유 지지하기 위해, 원형의 오목부(24)가 기판 적재 영역으로서 형성되어 있고, 이 오목부(24)는 당해 회전 테이블(2)의 회전 방향(둘레 방향)을 따라 복수 개소, 예를 들어 5개소에 형성되어 있다. 오목부(24)의 통과 영역과 각각 대향하는 위치에는, 각각 예를 들어 석영으로 이루어지는 4개의 노즐(31, 32, 41, 42)이 진공 용기(1)의 둘레 방향으로 서로 간격을 두고 방사상으로 배치되어 있다. 이들 각 노즐(31, 32, 41, 42)은, 예를 들어 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 중심부 영역 C를 향하여 웨이퍼(W)에 대향하여 수평하게 신장되도록 각각 설치되어 있다. 이 예에서는, 후술하는 반송구(15)에서 볼 때 시계 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향]으로, 플라즈마 발생용 가스 노즐을 겸용하는 제2 처리 가스 노즐(32), 분리 가스 노즐(41), 제1 처리 가스 노즐(31) 및 분리 가스 노즐(42)이 이 순서로 배열되어 있다.
제1 처리 가스 노즐(31)은 제1 처리 가스 공급부를 이루고 있고, 제2 처리 가스 노즐(32)은 제2 처리 가스 공급부 및 플라즈마 발생용 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 분리 가스 노즐(41, 42)은, 각각 분리 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 도 2는 제2 처리 가스 노즐(32)이 보이도록 후술하는 플라즈마 처리부(80) 및 하우징(90)을 제거한 상태, 도 3은 이들 플라즈마 처리부(80) 및 하우징(90)을 설치한 상태를 도시하고 있다. 또한, 도 3에서는, 후술하는 슬릿(97)의 묘화를 생략하고 있다.
각 노즐(31, 32, 41, 42)은, 유량 조정 밸브를 통하여 각기 이하의 각 가스 공급원(도시하지 않음)에 각각 접속되어 있다. 즉, 제1 처리 가스 노즐(31)은 Si(실리콘)을 포함하는 제1 처리 가스, 예를 들어 디클로로실란(DCS) 가스 등의 공급원에 접속되어 있다. 제2 처리 가스 노즐(32)은 질소(N)를 포함하는 제2 처리 가스인, 예를 들어 암모니아(NH3) 가스와, 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스 및 수소(H2) 가스 중 적어도 1종류의 플라즈마 발생용의 가스를 공급할 수 있도록 이들 각 가스의 공급원에 접속되어 있다. 분리 가스 노즐(41, 42)은, 분리 가스인 질소 가스의 가스 공급원에 각각 접속되어 있다. 이들 가스 노즐(31, 32, 41, 42)의, 예를 들어 하면측에는, 도시하지 않은 가스 토출 구멍이 각각 형성되어 있고, 이 가스 토출 구멍은, 회전 테이블(2)의 반경 방향을 따라 복수 개소에, 예를 들어 등간격으로 배치되어 있다.
처리 가스 노즐(31, 32)의 하방 영역은, 각각 제1 처리 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역 P1 및 웨이퍼(W)에 흡착한 제1 처리 가스의 성분과 제2 처리 가스의 플라즈마를 반응시키기 위한 제2 처리 영역 P2로 된다. 분리 가스 노즐(41, 42)은, 각각 제1 처리 영역 P1과 제2 처리 영역 P2를 분리하는 분리 영역 D를 형성하기 위한 것이다. 이 분리 영역 D에 있어서의 진공 용기(1)의 천장판(11)에는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 대략 부채형의 볼록 형상부(4)가 형성되어 있고, 분리 가스 노즐(41, 42)은, 이 볼록 형상부(4) 내에 들어가 있다. 따라서, 분리 가스 노즐(41, 42)에 있어서의 회전 테이블(2)의 둘레 방향 양측에는, 각 처리 가스끼리의 혼합을 저지하기 위해, 상기 볼록 형상부(4)의 하면인 낮은 천장면이 배치되고, 이 천장면의 상기 둘레 방향 양측에는, 당해 천장면보다도 높은 천장면이 배치되어 있다. 볼록 형상부(4)의 주연부[진공 용기(1)의 외측 테두리측의 부위]는 각 처리 가스끼리의 혼합을 저지하기 위해, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향함과 함께 용기 본체(12)에 대해 약간 이격되도록, 하방측을 향하여 직각으로 굴곡되어 있다.
이어서, 상술한 플라즈마 처리부(80)에 대해 설명한다. 이 플라즈마 처리부(80)는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 금속선을 포함하는 안테나(전력 공급부)(83)를 코일 형상으로 권회하여 구성되어 있고, 평면에서 보았을 때에 회전 테이블(2)의 중앙부측으로부터 외주부측에 걸쳐 웨이퍼(W)의 통과 영역을 걸치도록 배치되어 있다. 이 안테나(83)는 정합기(84)를 통해 주파수가 예를 들어 13.56㎒ 및 출력 전력이 예를 들어 5000W의 고주파 전원(85)에 접속됨과 함께, 진공 용기(1)의 내부 영역으로부터 기밀하게 구획되도록 배치되어 있다. 즉, 상술한 제2 처리 가스 노즐(32)의 상방측에 있어서의 천장판(11)은 평면적으로 보았을 때에 대략 부채형으로 개방되어 있고, 예를 들어 석영 등으로 이루어지는 하우징(90)에 의해 기밀하게 덮혀 있다. 이 하우징(90)은 상단부측 주연부가 둘레 방향에 걸쳐 플랜지 형상으로 수평하게 신장됨과 함께, 중앙부가 진공 용기(1)의 내부 영역을 향하여 오목해지도록 형성되어 있고, 이 하우징(90)의 내측에 상기 안테나(83)가 수납되어 있다. 도 1 중 부호 91은 하우징(90)의 주연부를 하방측을 향하여 가압하기 위한 가압 부재이다. 또한, 도 1 중 부호 86은 플라즈마 처리부(80)와 정합기(84) 및 고주파 전원(85)을 전기적으로 접속하기 위한 접속 전극이다.
하우징(90)의 하면은, 당해 하우징(90)의 하방 영역에의 질소 가스나 암모니아 가스 등의 침입을 저지하기 위해, 도 5에 도시한 바와 같이, 외측 테두리부가 둘레 방향에 걸쳐 하방측[회전 테이블(2)측]을 향하여 수직으로 신장되어, 가스 규제용의 돌기부(92)를 이루고 있다. 그리고, 이 돌기부(92)의 내주면, 하우징(90)의 하면 및 회전 테이블(2)의 상면에 의해 둘러싸인 영역에는, 상술한 제2 처리 가스 노즐(32)이 수납되어 있다. 이 돌기부(92)의 외측에는, 당해 돌기부(92)에 의해 둘러싸이는 영역을 더욱 외측으로부터 둘러싸도록, 예를 들어 석영에 의해 구성된 대략 환 형상의 포위 부재(93)가 설치되어 있고, 이 포위 부재(93)는, 예를 들어 천장판(11)에 있어서의 회전 테이블(2)의 중심측의 부위에 설치되어 있다. 이 포위 부재(93)에 의해, 후술하는 구동부(122)를 통해 하우징(90)이 회전 테이블(2)로부터 상방측으로 이격되어도, 당해 하우징(90)의 하방측에의 질소 가스나 암모니아 가스의 침입을 저지할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 도 2에서는, 포위 부재(93)를 1점 쇄선으로 묘화하고 있다.
하우징(90)과 안테나(83) 사이에는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상면측이 개방되는 대략 상자형의 패러데이 실드(95)가 배치되어 있고, 이 패러데이 실드(95)는 도전성의 판 형상체인 금속판에 의해 구성됨과 함께 접지되어 있다. 이 패러데이 실드(95)의 바닥면에는, 안테나(83)에 있어서 발생하는 전계 및 자계(전자계) 중 전계 성분이 하방의 웨이퍼(W)를 향하는 것을 저지함과 함께, 자계를 웨이퍼(W)에 도달시키기 위해, 슬릿(97)이 형성되어 있다. 이 슬릿(97)은 안테나(83)의 권회 방향에 대해 직교하는 방향으로 신장되도록 형성되어 있고, 안테나(83)의 길이 방향을 따르도록 둘레 방향에 걸쳐 당해 안테나(83)의 하방 위치에 설치되어 있다. 패러데이 실드(95)와 안테나(83) 사이에는, 이들 패러데이 실드(95)와 안테나(83) 사이의 절연을 취하기 위해, 예를 들어 석영으로 이루어지는 절연판(94)이 개재되어 있다.
이상 설명한 하우징(90)[상세하게는 후술하는 지지 부재(123)]의 상면에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 당해 하우징(90)과 함께 안테나(83), 패러데이 실드(95) 및 절연판(94)을 일체적으로 승강시키기 위한 구동부(122)로부터 신장되는 승강 축(121)이 접속되어 있다. 이 구동부(122)에 의해, 진공 용기(1)의 내부를 기밀하게 유지하면서, 회전 테이블(2)의 표면에 대한 하우징(90)의 하면[안테나(83)]의 높이 위치, 즉 당해 회전 테이블(2)의 상방측에 형성되는 플라즈마 공간에 있어서의 플라즈마 강도를 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 하우징(90)과 천장판(11) 사이에는, 상면측 외측 테두리부가 수평 방향으로 외측을 향하여 플랜지 형상으로 신장되는 대략 환 형상의 지지 부재(123)가 설치되어 있다. 그리고, 이 지지 부재(123)의 상기 외측 테두리부의 하면측과 진공 용기(1)의 천장판(11) 사이에는, 환 형상의 플렉시블 벽(124)이 설치되어 있다. 이 플렉시블 벽(124)은 내부에 스프링 등의 탄성체가 기밀하게 수납되어 있어, 상단부면 및 하단부면이 각각 지지 부재(123) 및 천장판(11)에 기밀하게 고정되어 있다. 따라서, 하우징(90)을 회전 테이블(2)에 대해 승강시켜도, 진공 용기(1)의 내부 영역이 기밀하게 유지된다. 도 5 중 부호 125는 시일 부재이다. 또한, 상술한 도 1에서는, 지지 부재(123)나 플렉시블 벽(124)에 대해서는 묘화를 생략하고 있다.
회전 테이블(2)의 외주측에 있어서 당해 회전 테이블(2)보다도 약간 아래 위치에는, 환 형상의 사이드 링(100)이 배치되어 있고, 이 사이드 링(100)의 상면에는, 서로 둘레 방향으로 이격되도록 2개소에 배기구(61, 62)가 형성되어 있다. 이들 2개의 배기구(61, 62) 중 한쪽 및 다른 쪽을 각각 제1 배기구(61) 및 제2 배기구(62)라고 칭하면, 제1 배기구(61)는 제1 처리 가스 노즐(31)과, 당해 제1 처리 가스 노즐(31)보다도 회전 테이블의 회전 방향 하류측에 있어서의 분리 영역 D 사이에 있어서, 당해 분리 영역 D측에 치우친 위치에 형성되어 있다. 제2 배기구(62)는 제2 처리 가스 노즐(32)과, 당해 제2 처리 가스 노즐(32)보다도 회전 테이블의 회전 방향 하류측에 있어서의 분리 영역 D 사이에 있어서, 당해 분리 영역 D측에 치우친 위치에 형성되어 있다.
제1 배기구(61)는 제1 처리 가스 및 분리 가스를 배기하기 위한 것이고, 제2 배기구(62)는 제2 처리 가스 및 분리 가스를 배기하기 위한 것이다. 그리고, 하우징(90)의 외측 테두리측에 있어서의 사이드 링(100)의 상면에는, 당해 하우징(90)을 피하여 가스를 제2 배기구(62)에 통류시키기 위한 홈 형상의 가스 유로(101)가 형성되어 있다. 이들 제1 배기구(61) 및 제2 배기구(62)는 도 1에 도시한 바와 같이, 각각 버터플라이 밸브 등의 압력 조정부(65)가 개재 설치된 배기관(63)에 의해, 진공 배기 기구인, 예를 들어 진공 펌프(64)에 접속되어 있다.
천장판(11)의 하면에 있어서의 중앙부에는, 도 3 등에 도시한 바와 같이, 볼록 형상부(4)에 있어서의 중심부 영역 C측의 부위와 연속해서 둘레 방향에 걸쳐 대략 링 형상으로 형성됨과 함께, 그 하면이 볼록 형상부(4)의 하면과 동일한 높이로 형성된 돌출부(5)가 형성되어 있다. 이 돌출부(5)보다도 회전 테이블(2)의 회전 중심측에 있어서의 코어부(21)의 상방측에는, 중심부 영역 C에 있어서 제1 처리 가스와 제2 처리 가스가 서로 혼합되는 것을 억제하기 위해, 회전 테이블(2)측과 천장판(11)측의 일측으로부터 타측을 향하여 신장되는 벽부(111)가 회전 테이블(2)의 반경 방향으로 교대로 배치되어 있다.
진공 용기(1)의 측벽에는, 도 2∼도 4에 도시한 바와 같이, 도시하지 않은 외부의 반송 아암과 회전 테이블(2) 사이에 있어서 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있고, 이 반송구(15)는 게이트 밸브(G)에 의해 기밀하게 개폐 가능하도록 구성되어 있다. 또한, 이 반송구(15)에 면하는 위치에 있어서의 회전 테이블(2)의 하방측에는, 회전 테이블(2)의 관통구를 통해 웨이퍼(W)를 이면측으로부터 들어올리기 위한 승강 핀(모두 도시하지 않음)이 설치되어 있다.
또한, 이 성막 장치에는, 장치 전체의 동작의 컨트롤을 행하기 위한 컴퓨터를 포함하는 제어부(200)가 설치되어 있고, 이 제어부(200)의 메모리 내에는 후술하는 성막 처리를 행하기 위한 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은, 후술하는 장치의 동작을 실행하도록 스텝 군이 구성되어 있고, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 기억 매체인 기억부(201)로부터 제어부(200) 내에 인스톨된다.
이어서, 상술한 실시 형태의 작용에 대해 설명한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 의한 성막 방법은, 이하에 상세하게 설명한 바와 같이, ALD법을 이용하여 박막의 성막을 행하는 데 있어서, 박막을 상하 2층으로 나누고, 하층측 및 상층측에 각각 개별의 성막 조건을 적용한, 소위 2단계의 성막 시퀀스를 조합하는 방법을 채용하고 있다. 이와 같이 2단계의 성막 방법을 이용한 이유에 대해, 종래의 1단계만의 성막 방법으로 박막을 성막한 경우에 발생하는 문제점과 함께, 이하에 설명한다.
즉, 실리콘을 포함하는 웨이퍼(W)에 질화실리콘막을 ALD법에 의해 1단계의 성막 처리에 의해 성막하고자 한 경우, 상술한 바와 같이, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스로서, 각각 실리콘 함유 가스 및 질소 함유 가스가 사용된다. 그리고, 이 질소 함유 가스로서는, 예를 들어 암모니아 가스가 사용됨과 함께, 웨이퍼(W) 상에 흡착한 실리콘 성분의 질화를 행하기 위해, 암모니아 가스가 플라즈마화(활성화)된다. 따라서, 양호한(치밀한) 막질을 얻기 위해서는, 웨이퍼(W)의 내부에 형성된 디바이스에 대미지가 가해지지 않을 정도로, 암모니아 가스의 플라즈마화 정도를 가능한 한 높게 해 두는 것이 바람직하다.
그러나, 질화실리콘막은, 웨이퍼(W)를 구성하는 실리콘층에 비해, 내부 응력이 극히 크다. 그로 인해, 질화실리콘막의 치밀화를 도모하려고 할수록, 상기 응력이 커지고, 따라서 웨이퍼(W)로부터의 막 박리가 발생하기 쉬워진다. 후술하는 실시예에 나타내는 도 16 및 도 17은, 이와 같은 질화실리콘막의 막 박리를 나타내는 SEM(전자 현미경) 사진이며, 원 형상의 막 박리가 웨이퍼(W)의 표면에 있어서 다수 개소에서 발생하고 있다. 따라서, 웨이퍼(W) 상에 질화실리콘막을 형성하는 경우에는, 당해 질화실리콘막의 치밀함(밀도)을 향상시키는 것과, 질화실리콘막과 웨이퍼(W)의 밀착성을 확보하는 것이 상반된 관계가 되어, 막 박리를 억제하면서 치밀한 질화실리콘막을 얻는 것은 극히 곤란하다.
따라서, 본 발명에서는, 웨이퍼(W)로부터의 막 박리를 억제하면서, 치밀한 질화실리콘막을 성막하기 위해, 2단계의 성막 방법을 채용하고 있다. 이하에, 장치의 구체적인 사용 방법을 포함하여, 이 성막 방법을 설명한다. 우선, 도 2에 도시하는 게이트 밸브(G)를 개방하고, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시키면서, 도시하지 않은 반송 아암에 의해 반송구(15)를 통해 회전 테이블(2) 상에, 예를 들어 5매의 웨이퍼(W)를 적재한다. 계속해서, 게이트 밸브(G)를 폐쇄하고, 진공 펌프(64)에 의해 진공 용기(1) 내의 처리 분위기를 진공의 상태로 한다. 도 6은 본 발명의 성막 방법의 일 실시 형태를 나타내는 시퀀스도이다. 그리고, 회전 테이블(2)의 회전 속도를, 예를 들어 30rpm을 향하여 증가시키면서, 안테나(83)에는 급전시키지 않고, 즉 처리 가스의 플라즈마화는 행하지 않고, 제2 처리 가스 노즐(32)로부터 아르곤 가스와 암모니아 가스를 진공 용기(1) 내에, 예를 들어 각각 2000sccm 및 3500sccm의 유량으로 공급한다(시각 t0). 또한, 분리 가스 노즐(41, 42), 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72, 72)으로부터도 질소 가스를 소정의 유량으로 토출한다.
계속해서, 도 1에 도시하는 히터 유닛(7)에 의한 웨이퍼(W)의 가열 온도가, 예를 들어 400℃ 정도로 안정된 후, 도 5 등에 도시하는 안테나(83)에의 급전을, 예를 들어 3000W로 시각 t1에 있어서 개시한다. 그리고, 아르곤 가스의 공급을 정지함과 함께, 암모니아 가스의 유량을 8000sccm까지 증가시켜, 웨이퍼(W)의 표면의 질화 처리를 행한다(시각 t2). 즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 진공 용기(1) 내에 반입되었을 때의 웨이퍼(W)의 표면에는, 대기 분위기를 반송한 것에 수반하여 자연 산화막(300)이 형성되어 있다. 그로 인해, 이 웨이퍼(W)의 표면에 대해 암모니아 가스의 플라즈마를 공급하면, 도 8에 도시한 바와 같이, 이 플라즈마에 포함되는 활성종에 의해 상기 자연 산화막(300)이 질화되어 질화층(301)이 형성된다. 이렇게 하여 각 웨이퍼(W)의 자연 산화막(300)이 제거될 때까지, 즉 회전 테이블(2)이 미리 설정된 회수 회전할 때까지, 당해 자연 산화막(300)의 질화 처리를 계속한다.
계속해서, 시각 t3에 있어서, 예를 들어 900sccm으로 진공 용기(1) 내에의 디클로로실란 가스의 공급을 개시하는 동시에, 안테나(83)에의 급전 전력을 5000W로 증가시킨다. 회전 테이블(2)에 의해 제1 처리 영역 P1과 제2 처리 영역 P2를 교대로 통과하고 있는 각 웨이퍼(W)의 표면에는, 제1 처리 영역 P1에서 디클로로실란 가스의 성분이 흡착한다. 계속해서, 디클로로실란 가스의 성분이 표면에 흡착한 웨이퍼(W)가 제2 처리 영역 P2에 도달하면, 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 성분이 암모니아 가스의 플라즈마(활성종)에 의해 질화되어, 박막의 일부를 이루는 반응 생성물인 질화실리콘막이 제1 막(302)으로서 형성된다.
이 제1 막(302)은 회전 테이블(2)의 회전 속도를 30rpm 정도의 비교적 빠른 속도로 설정하고 있는 점에서, 그다지 치밀화되지 않는다. 즉, 상세하게 설명한 바와 같이, 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)는, 제2 처리 영역 P2를 빠르게 통과하므로, 당해 제2 처리 영역 P2에 있어서의 체류 시간이 극히 근소하고, 따라서 암모니아 가스의 플라즈마에 의해 그다지 강하게 질화되지 않는다. 따라서, 도 10에 모식적으로 도시된 바와 같이, 제1 막(302)은 질화실리콘 분자가 성기게 배치된 구성을 취한다. 그로 인해, 이 제1 막(302)은 하층측의 웨이퍼(W)[상세하게는 질화층(301)]에 대해 그다지 큰 응력 차가 발생하지 않는다. 또한, 도 10에서는, 상술한 질화층(301)의 묘화를 생략하고 있다. 후술하는 도 11도 마찬가지이다.
즉, 상술한 바와 같이, 치밀한 질화실리콘막을 웨이퍼(W)의 표면에 형성하고자 하면, 당해 질화실리콘막의 내부 응력에 의해 웨이퍼(W)로부터 막 박리를 일으키기 쉽다. 그러나, 제1 막(302)과 같이 질화실리콘 분자가 성기게 분산되어 있으면, 당해 제1 막(302)의 내부에 응력이 발생하려고 해도, 그다지 큰 응력이 발생하지 않고, 또한 제1 막(302)에서는 상기 질화실리콘 분자가 움직이기 쉽게 되어 있고, 따라서 응력이 완화되기 쉽다. 그로 인해, 이 제1 막(302)은 하층측의 웨이퍼(W)에 대해 양호한 밀착성으로 밀착한다. 이렇게 하여 디클로로실란 가스 성분의 흡착 처리와, 당해 성분의 질화 처리를 포함하는 성막 스텝을 설정 회수분만큼 반복하면, 예를 들어 5㎚ 정도의 막 두께로 되도록 상기 제1 막(302)이 적층된다. 이 제1 막(302)의 성막 공정은, 제1 공정을 이룬다. 또한, 제1 막(302)은 응력 완화층을 이룬다.
그 후, 시각 t4에 있어서, 회전 테이블(2)의 회전 속도를 10rpm 정도의 저속으로 내리고, 마찬가지로 성막 스텝을 다수회에 걸쳐 각 웨이퍼(W)에 대해 행한다. 이와 같이 회전 테이블(2)의 회전 속도를 저속도로 설정하고 있는 점에서, 각 웨이퍼(W)는, 상술한 제1 공정에 비해, 제2 처리 영역 P2에 있어서의 체류 시간이 길어지고, 따라서 암모니아 가스의 플라즈마(활성종)의 공급량이 많아진다. 바꾸어 말하면, 회전 테이블(2)의 회전 속도를 저속으로 설정하여 성막을 행하는 공정을 「제2 공정」이라고 칭하면, 이 제2 공정의 각 성막 스텝에서 각 웨이퍼(W)에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 양은, 제1 공정에 있어서의 각각의 성막 스텝에서 각 웨이퍼(W)에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 양보다도 많아진다. 그로 인해, 단위 막 두께당에 공급되는 활성종의 양은, 제1 공정보다도 제2 공정 쪽이 많다. 즉, 제2 공정에서 성막되는 제2 막(303)에 있어서의 어떤 임의의 막 두께를 보았을 때, 당해 임의의 막 두께 전체에 공급된 활성종의 양은, 이 임의의 막 두께와 동일한 막 두께의 제1 막(302)에 공급된 활성종의 양보다도 많아진다.
따라서, 이 제2 공정에서 성막되는 질화실리콘막은, 도 11에 도시한 바와 같이, 하층측의 제1 막(302)보다도 밀도가 높은 제2 막(치밀층)(303)으로 된다. 이 제2 막(303)은 실리콘층과의 사이에 있어서의 응력 차가 극히 크다. 그러나, 이 제2 막(303)과 웨이퍼(W) 사이에, 제1 막(302)을 개재시키고 있는 점에서, 이 제1 막(302)에 의해 제2 막(303)과 웨이퍼(W) 사이의 응력 차가 완화되어, 당해 제2 막(303)의 막 박리가 억제된다. 이렇게 하여 성막 스텝을 반복함으로써, 도 12에 도시한 바와 같이, 이들 제1 막(302)과 제2 막(303)에 의해 박막이 형성된다. 제2 막(303)의 막 두께 치수는, 예를 들어 15㎚∼50㎚로 된다. 따라서, 박막의 막 두께 전체[제1 막(302)과 제2 막(303)의 합계의 막 두께]에 대한 제1 막(302)의 막 두께 치수가 차지하는 비율은, 10％∼25％로 된다.
상술한 실시 형태에 의하면, 디클로로실란 가스와 암모니아 가스의 플라즈마를 웨이퍼(W)에 교대로 공급하는 성막 스텝을 다수회에 걸쳐 행하여 질화실리콘막을 포함하는 박막을 형성하는 데 있어서, 당해 박막에 대해, 하층측의 제1 막(302)과 상층측의 제2 막(303)에 의해 구성하고 있다. 그리고, 제1 막(302)을 형성할 때의 성막 스텝에서 웨이퍼(W)에 공급되는 활성종의 양에 대해, 제2 막(303)을 형성할 때의 성막 스텝에서 웨이퍼(W)에 공급되는 활성종의 양보다도 작게 하고 있다. 그로 인해, 양호한 밀도를 갖는 동시에 내부의 응력이 웨이퍼(W)와는 크게 다른 제2 막(303)을 성막해도, 제1 막(302)에 의해 이들 제2 막(303)과 웨이퍼(W) 사이의 응력 차를 완화할 수 있다. 그로 인해, 박막의 막 박리를 억제하면서, 양호한 밀도를 갖는 제2 막(303)을 웨이퍼(W)의 노출면(최표면)에 형성할 수 있다.
또한, 제1 공정에서는 제2 공정보다도 고속으로 회전 테이블(2)을 회전시키고 있으므로, 이 제1 공정의 성막 속도가 제2 공정보다도 빠르다. 따라서, 성막 초기부터 성막 종료 시까지 제2 공정과 동일 정도의 회전 속도로 회전 테이블(2)을 회전시키는 경우에 비해, 박막을 빠르게 성막할 수 있다. 도 13은, 종래의 1단계만의 성막 처리로 임의의 막 두께의 박막을 성막한 경우에 있어서의 가스 유량이나 플라즈마 전력 등의 시계열 데이터를 나타내고 있고, 상술한 도 6과 비교하면, 본 발명의 실시예보다도 박막의 성막 처리에 필요로 하는 시간이 길게 되어 있다.
그리고, 이상 설명한 질화실리콘막은, 최표면에 제2 막(303)이 형성되어 있는 점에서, 예를 들어 불산에의 내에칭성이 요구되는 디바이스, 예를 들어 당해 질화실리콘막을 에칭 스톱막으로서 이용하는 경우에 양호하게 적용할 수 있다. 즉, 제2 막(303)보다도 밀도가 낮은 제1 막(302)이 박막의 하층측에 형성되어 있어도, 이 제1 막(302)이 박막의 표면에는 노출되어 있지 않으므로, 또한 당해 제1 막(302)의 막 두께 치수가 박막 전체의 막 두께 치수에 비해 극히 작으므로, 본 발명의 실시예의 방법에 의해 얻어진 박막은, 에칭 스톱막으로서 양호하게 기능할 수 있다.
이상과 같이 상술한 실시 형태에서는, 응력 완화층인 제1 막(302)을 성막할 때의 플라즈마 처리는, 치밀층인 제2 막(303)을 성막할 때의 플라즈마 처리에 비해, ALD의 1사이클 시에 있어서의 웨이퍼(W)에 대한 활성종의 공급량이 적은 상태에서 행해진다. 즉, 상술한 실시 형태는, 제1 막(302)을 성막할 때의 회전 테이블(2)의 회전 속도를, 제2 막(303)을 성막할 때의 회전 속도보다도 높게 함으로써, ALD의 1사이클 시에 있어서의 웨이퍼(W)에 대한 활성종의 공급량이 적은 상태를 만들어 내고 있다.
그러나 ALD의 1사이클 시에 있어서의 웨이퍼(W)에 대한 활성종의 공급량의 조정(제어 파라미터의 조정값)은 회전 테이블(2)의 회전 속도를 조정하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 활성종의 공급량의 조정 파라미터로서는, 플라즈마가 발생하고 있는 영역의 압력(진공도), 암모니아 가스의 유량, 플라즈마를 발생시키는 안테나(83)와 웨이퍼(W)의 이격 거리, 안테나(83)에 대한 공급 전력 및 H2(수소) 가스의 첨가 등을 들 수 있다.
이 경우, 제2 막(303)의 성막 시에 대해 제1 막(302)의 성막 시에 있어서의 상기 활성종의 공급량을 작게 하기 위해서는, 압력을 높게 하거나, 암모니아 가스의 유량을 적게 하거나, 상기 이격 거리를 크게 하거나, 상기 공급 전력을 작게 하거나, 수소 가스의 첨가량을 적게 하거나 하는 조정을 들 수 있고, 이들을 복수 조합하여 조정해도 된다.
구체적으로는, 수소 가스의 첨가량을 증가시킴으로써, 후술하는 도 28로부터 알 수 있는 바와 같이, 박막 내의 스트레스는 축퇴 방향(Compressive)을 향한다. 즉, 질화실리콘막을 성막하기 위한 제1 처리 가스인 상술한 DCS 가스에는, 염소(Cl) 원소가 포함되어 있다. 그로 인해, 이 DCS 가스를 질화실리콘막의 성막에 사용하면, 당해 질화실리콘막에는 염소 성분이 불순물로서 도입되어 버릴 가능성이 있다. 그로 인해, 제2 처리 가스에 수소 가스를 첨가하면, 박막 중에 포함되는 염소 성분이 수소 가스의 활성종의 작용에 의해 탈리하여 보다 순수한(치밀한) 질화막이 된다.
또한, 이상 설명한 본 발명의 실시예의 성막 방법을 실시하기 위한 장치로서는, 상술한 미니 뱃치식의 장치 대신에, 매엽 장치를 사용해도 되고, 또는 다수매의 웨이퍼(W)에 대해 일괄하여 성막을 행하는 뱃치식의 장치를 사용해도 된다. 도 14 및 도 15는, 이와 같은 장치 중 뱃치식의 종형 열처리 장치를 도시하고 있고, 반응관(401)의 내부에는 다수의 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 적재하는 웨이퍼 보트(402)가 하방측으로부터 기밀하게 수납되어 있다.
반응관(401)의 내부에는, 웨이퍼 보트(402)를 사이에 두고 대향하도록, 2개의 가스 인젝터(403, 404)가 당해 반응관(401)의 길이 방향에 걸쳐 배치되어 있다. 제2 처리 가스인 암모니아 가스를 공급하기 위한 가스 인젝터(404)와 웨이퍼 보트(402) 사이에는, 암모니아 가스를 플라즈마화하기 위한 한 쌍의 전극(405, 405)이 배치되어 있다.
이 종형 열처리 장치에서는, 가스 인젝터(403)로부터 각 웨이퍼(W)에 대해 디클로로실란 가스를 공급한 후, 반응관(401)의 상단부에 설치된 배기구(406)로부터 반응관(401)의 분위기를 배기하고, 계속해서 암모니아 가스의 플라즈마를 각 웨이퍼(W)에 공급하여, 상술한 성막 스텝이 행해진다. 이 예에 대해서도, 제1 막(302)을 형성할 때에 웨이퍼(W)에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 양은, 제2 막(303)을 형성할 때에 웨이퍼(W)에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 양보다도 작게 설정된다. 도 14 중 부호 410은 웨이퍼 보트(402)를 연직축 주위로 회전시키기 위한 모터, 부호 412는 압력 조정부, 부호 411은 진공 펌프이다.
또한, 이상의 각 예에 있어서, 제2 처리 영역 P2에 있어서의 회전 테이블(2)의 회전 방향 하류측의 위치이며, 또한 제1 처리 영역 P1에 있어서의 회전 테이블(2)의 회전 방향 상류측의 위치에, 반응 생성물의 플라즈마 개질 처리를 행하는 개질 영역을 형성해도 된다. 즉, 상술한 플라즈마 처리부(80)[안테나(83)]나 하우징(90) 등의 부재에 대해, 반송구(15)에서 볼 때 회전 테이블(2)의 회전 방향 상류측의 위치에도 별도 설치함과 함께, 당해 회전 방향 상류측의 위치에서 상술한 암모니아 가스의 활성종의 공급 처리를 행한다.
그리고, 반송구(15)에서 볼 때 회전 테이블(2)의 회전 방향 하류측에 있어서의 플라즈마 처리부(80)에 있어서, 상술한 플라즈마 개질 처리를 행한다. 즉, 플라즈마 개질 처리는, 아르곤 가스 등의 플라즈마 발생용 가스, 또는 당해 플라즈마 발생용 가스 및 제2 처리 가스(암모니아 가스)를 플라즈마화함과 함께, 이 플라즈마화에 의해 얻어진 플라즈마(활성종)를 웨이퍼(W)에 공급함으로써 행해진다. 이 플라즈마 개질 처리에 의해 웨이퍼(W)에 공급되는 플라즈마는, 박막의 품질에 관여하는 활성종에 상당한다. 따라서, 웨이퍼(W)의 표면에 박막을 성막할 때에, 당해 박막의 품질에 관여하는 활성종이라 함은, 제2 처리 가스의 플라즈마화에 의해 얻어진 활성종과, 박막(반응 생성물)의 개질을 행할 때에 웨이퍼(W)에 공급되는 플라즈마 발생용 가스의 플라즈마화에 의해 얻어진 활성종 중 적어도 한쪽이다.
이상 설명한 박막으로서는, 질화티타늄(TiN)막 등의 질화막이어도 되고, 또는 실리콘산화막(SiO2막)이어도 된다. 실리콘산화막을 성막할 때는, 제2 처리 영역 P2에서는, 산소(O2) 가스나 오존(O3) 가스 등의 플라즈마(활성종)가 웨이퍼(W)에 공급된다. 이와 같은 실리콘산화막을 성막할 때에 상술한 플라즈마 개질 처리를 행하는 경우에는, 제2 처리 가스(오존 가스)의 활성종을 생성시키는 방법으로서는, 안테나(83)에 의한 플라즈마화의 방법 대신에, 오조나이저를 사용하여 오존 가스를 발생시키는 방법을 채용해도 된다.
또한, 웨이퍼(W) 상에 박막을 성막하는 방법으로서는, ALD법 대신에, CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 이용해도 된다. 즉, 상술한 제1 처리 가스와, 제2 처리 가스의 플라즈마화에 의해 얻어진 플라즈마를 웨이퍼(W)에 대해 동시에 공급하여, 박막을 성막해도 된다. 이 경우에도, 제1 막(302)을 성막할 때에 웨이퍼(W)에 공급되는 활성종의 단위 막 두께당 양은, 제2 막(303)을 성막할 때에 웨이퍼(W)에 공급되는 활성종의 단위 막 두께당 양보다도 적어지도록 제어 파라미터의 조정값이 조정된다.
CVD법을 이용하는 경우에는, 텅스텐(W)계의 막 등의 금속막을 성막해도 된다. 이와 같은 금속막을 성막할 때는, 제2 처리 가스로서 예를 들어 수소(H2) 가스나 실란(Si-H계 화합물) 가스가 사용되고, 이 가스가 플라즈마화된다. 또한, 박막을 성막하는 기초층으로서는, 실리콘을 포함하는 웨이퍼(W) 대신에, 당해 웨이퍼(W)의 표면에 형성한 상기 질화막, 금속막 또는 실리콘산화막 등이어도 된다.
[실시예]
계속해서, 본 발명에서 얻어진 실시예에 대해 설명한다. 먼저, 종래의 1단계의 성막 처리에 의해 치밀한 질화실리콘막을 성막하였을 때의 모습을 도 16 및 도 17에 나타내었다. 웨이퍼(W)의 표면에는, 직경 치수가 수십㎛ 정도의 대략 원 형상의 막 박리가 다수 개소에 발생하고 있고, 이 막 박리는, 수평 방향으로 막 수축하려고 하는 압축성의 응력이 질화실리콘막의 내부에 발생하여, 이 응력이 질화실리콘막과 웨이퍼(W) 사이의 밀착력보다도 커진 것이 원인으로 발생한 것으로 생각된다.
따라서, 웨이퍼(W)에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 양을 다양하게 변경하였을 때에, 이와 같은 막 박리가 어떻게 변화되는지 실험을 행하였다. 구체적으로는, 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)와, 하우징(90)의 하면[상세하게는 안테나(83)의 하방 위치에 있어서의 하우징(90)의 하면] 사이의 이격 치수를 다양하게 변경하였을 때에, 웨이퍼(W)의 표면에 발생하는 막 박리의 분포를 관찰하였다. 또한, 상기 이격 치수 이외의 성막 조건에 대해서는, 각 예에서 공통의 조건으로 설정하였다.
그 결과, 도 18에 도시한 바와 같이, 상기 이격 치수가 30㎜로 될 때까지 하우징(90)을 회전 테이블(2)에 근접시키면, 막 박리가 발생하고 있었다. 한편, 이때의 박막의 막 두께의 균일성은, 도 19에 나타내는 바와 같이, 상기 이격 치수가 작을수록, 양호한 결과로 되어 있었다. 이 이유로서는, 웨이퍼(W)에 하우징(90)을 근접시키면, 당해 웨이퍼(W)에 접촉하는 플라즈마 영역이 넓어져, 면 내에 걸쳐 양호한 플라즈마 처리가 행해지기 때문이라고 생각된다. 따라서, 하우징(90)의 높이 위치에 따라, 웨이퍼(W)에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 양을 조정할 수 있는 것을 알 수 있었다. 박막의 막 두께에 대해서는, 상기 이격 치수를 45㎜ 이하로 설정한 경우에는, 상기 이격 치수가 90㎜인 경우와 비교하여 양호한 결과로 되어 있었다. 또한, 도 18에서는, 웨이퍼(W)의 표면에 있어서 막 박리가 발생한 부위에 회색의 착색을 나타내고 있고, 단위 면적당 막 박리의 발생량에 따라 상기 착색을 짙게 하고 있다. 후술하는 도 20도 마찬가지이다.
따라서, 도 18에서 막 박리가 발생하지 않았던 조건 중, 가능한 한 암모니아 가스의 활성종의 공급량이 많은 조건(상기 이격 치수:37.5㎜)에 있어서, 진공 용기(1) 내의 진공도를 높게 함과 함께, 안테나(83)에의 급전 전력을 크게 한바, 도 20과 같이, 막 박리가 발생하고 있었다. 따라서, 웨이퍼(W)에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 공급량이 많아질수록, 질화실리콘막의 막 박리가 발생하기 쉬워지는 것을 알 수 있었다.
이때, 도 20의 조건으로 박막의 성막 처리를 행하기 전에, 당해 박막의 하층측에 상술한 제1 막(302)을 형성한 시점에, 도 21에 도시한 바와 같이, 막 박리가 보이지 않았다. 또한, 막 두께의 균일성에 대해서도 개선되어 있었다. 따라서, 상술한 2단계의 성막 시퀀스를 거침으로써, 막 박리의 발생 및 막 두께의 균일성 중 어느 것에 대해서도 양호한 결과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
도 22는, 상술한 이격 치수[하우징(90)과 회전 테이블(2) 사이의 치수:갭]를 다양하게 변경하여 질화실리콘막을 성막하였을 때, 당해 질화실리콘막의 내부에 있어서의 응력이 압축성으로 되어 있는지, 인장성으로 되어 있는지를 측정한 결과를 나타내고 있다. 그 결과, 갭에 의해 질화실리콘막 내부의 응력 성상이 바뀌는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터, 박막 내에 압축성의 응력이 발생함으로써, 상술한 막 박리의 발생으로 이어져 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 23은, 이하의 조건 11, 12, 13으로 질화실리콘막을 성막하였을 때의 응력을 나타내고 있다.
(조건 11)
제2 처리 가스:암모니아 가스(3.5slm)
고주파 전력:4.5㎾
회전 테이블(2)의 회전 속도:10rpm
(조건 12)
제2 처리 가스:암모니아 가스(7slm), 아르곤 가스(1slm)
고주파 전력:5㎾
회전 테이블(2)의 회전 속도:10rpm
(조건 13)
제2 처리 가스:암모니아 가스(3.5slm)
고주파 전력:4.5㎾
회전 테이블(2)의 회전 속도:5rpm
이들 결과로부터, 플라즈마 발생용의 가스(제2 처리 가스)의 성분, 제2 처리 가스의 유량, 회전 테이블(2)의 회전 속도 및 플라즈마 발생용의 고주파 전력에 따라, 질화실리콘막 내의 응력이 변화되는 것을 알 수 있었다.
도 24는, 이하의 조건 21, 22, 23으로 성막하였을 때에 있어서의 질화실리콘막 내의 응력을 측정한 결과를 나타내고 있다.
(조건 21:1단계의 성막 처리)
제2 처리 가스:암모니아 가스(5slm)
고주파 전력:4.5㎾
회전 테이블(2)의 회전 속도:10rpm
(조건 22:2단계의 성막 처리)
제2 처리 가스:암모니아 가스(8slm)
고주파 전력:5㎾
회전 테이블(2)의 회전 속도:30rpm(1단계째)→10rpm(2단계째)
(조건 23:1단계의 성막 처리)
제2 처리 가스:암모니아 가스(8slm)
고주파 전력:5㎾
회전 테이블(2)의 회전 속도:10rpm
이 조건에 의해, 1단째를 30rpm으로 설정하여 성긴 막을 형성한 후, 2단째에서 회전 테이블(2)의 회전 속도를 저속 회전으로 변경함으로써 암모니아 가스의 흡착 확률이 오르고, 치밀한 박막[제2 막(303)]의 성막이 가능해진다. 이들 결과로부터도, 제2 가스의 유량 및 고주파 전력에 의해 질화실리콘막 내부의 응력이 변화됨과 함께, 상층측의 질화실리콘막과 웨이퍼(W) 사이에 다른 질화실리콘막[제1 막(302)]을 개재시킴으로써 마찬가지로 막 내의 응력이 변화되어 있었다. 그로 인해, 다른 표현을 하면, 이들 회전 테이블(2)의 회전 속도, 제2 가스의 유량 및 고주파 전력을 각각 적절히 설정함으로써, 어떤 임의의 스트레스(응력)를 갖는 박막[제1 막(302)이나 제2 막(303)]을 성막할 수 있다.
도 25는, 웨이퍼(W)의 가열 온도에 대해, 400℃(조건 31, 32) 및 450℃(조건 33, 34)로 설정함과 함께, 질화실리콘막의 막 두께를 50㎚(조건 31, 조건 33) 및 25㎚(조건 32, 조건 34)로 설정하였을 때에 당해 막 내에 발생하는 응력을 측정한 결과를 나타내고 있다. 웨이퍼(W)의 가열 온도 및 질화실리콘막의 막 두께에 대해서도, 마찬가지로 응력을 바꾸는 요인으로 되어 있는 것을 알 수 있었다.
도 26은, 질화실리콘막의 막 두께를 25㎚로 고정하였을 때, 웨이퍼(W)의 가열 온도가 질화실리콘막 내의 응력에 미치는 영향을 조사한 결과를 나타내고 있다. 구체적으로는, 상기 가열 온도에 대해, 조건 41로부터 조건 46을 향하여, 200℃로부터 50℃씩 높게 하고 있다. 이 도 26에 있어서도, 도 25와 동일한 결과가 얻어졌다.
도 27은, 질화실리콘막의 성막 온도와, 당해 질화실리콘막의 불산에 대한 습식 에칭레이트의 상관을 나타낸 결과를 나타내고 있다. 성막 처리에는, 도 1에 도시한 세미 뱃치식의 장치와, 도 14에 도시한 뱃치식의 종형 열처리 장치를 사용하여 각각 ALD법에 의해 성막을 행한 결과를 나타내고 있다. 도 1의 세미 뱃치 장치에서는, 성막 온도가 400℃의 저온에서도, 종형 열처리 장치에 있어서 550℃에서 얻어진 특성과 동 레벨의 질화실리콘막이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 또한, 모든 장치에 있어서, 성막 온도가 높아질수록, 습식 에칭레이트가 낮아지고, 따라서 질화실리콘막의 치밀화가 진행되어 있는 것을 알 수 있었다.
그로 인해, 제2 막(303)을 성막할 때, 제1 막(302)을 성막할 때보다도 성막 온도를 높게 함으로써, 제2 막(303)이 제1 막(302)보다도 치밀해지므로, 바꾸어 말하면 제2 막(303)의 하층측에 당해 제2 막(303)보다도 연질의 응력 완화층을 형성할 수 있으므로, 상술한 예와 동일한 효과가 얻어진다. 이와 같이 박막의 성막 도중에 성막 온도를 높이는 경우에는, 성막 초기[제1 막(302)을 성막할 때]에는 예를 들어 200℃에서 성막 처리를 행한다. 계속해서, 제1 막(302)의 막 두께에 상당하는 분만큼 성막이 진행된 후, 성막 온도를 예를 들어 400℃까지 높게 하여, 제2 막(303)의 성막을 행한다.
도 28은, 이하의 각 조건에 있어서 질화실리콘막을 성막한 경우에, 당해 질화실리콘막에 잔존하는 응력을 측정한 결과를 나타내고 있다. 또한, 처리 압력 및 안테나(83)에의 공급 전력으로서는, 각 조건 51∼53의 모든 예에 대해 각각 93.3㎩(0.7Torr) 및 5000W로 설정하였다. 또한, 하우징(90)과 회전 테이블(2) 사이의 이격 거리에 대해서는 각각 30㎜로 설정하였다.
(조건 51)
제2 처리 가스:암모니아/수소＝5000sccm/0scc㎜)
(조건 52)
제2 처리 가스:암모니아/수소＝5000sccm/600scc㎜)
(조건 53)
제2 처리 가스:암모니아/수소＝300sccm/600scc㎜)
그 결과, 상술한 바와 같이, 수소 가스의 첨가량(제2 처리 가스 전체에 포함되는 수소 가스의 비율)을 증가시킬수록, 질화실리콘막이 치밀화하고 있고, 따라서 수소 가스의 첨가량(수소 가스의 활성종의 양)에 의해서도 박막의 치밀함을 조정할 수 있는 것을 알 수 있다. 수소 가스의 첨가에 의해 상술한 제1 막(302) 및 제2 막(303)의 치밀함을 조정하는 경우에는, 구체적으로는 이하의 방법이 채용된다. 즉, 제1 막(302)을 성막할 때에는, 제2 처리 가스로서, 예를 들어 수소 가스를 사용하지 않고, 암모니아 가스만을 사용한다. 그리고, 제2 막(303)을 성막할 때에는, 수소 가스를 첨가한 암모니아 가스를 제2 처리 가스로서 사용한다. 바꾸어 말하면, 제2 막(303)을 성막할 때에 사용하는 제2 처리 가스에는, 제1 막(302)을 성막할 때에 사용하는 제2 처리 가스에 비해, 수소 가스의 첨가량(제2 처리 가스에 차지하는 수소 가스의 첨가 비율)을 많게 함으로써, 상술한 각 예와 동일한 효과가 얻어진다. 또한, 도 28 등에 있어서의 실험 결과는, 각각의 조건에 있어서 얻어진 것이며, 처리 압력이나 가스 유량 등의 파라미터를 적절히 변경한 경우에는, 다양한 다른 결과가 얻어지는 것은 당연하다.
본 발명의 실시예에서는, 박막의 품질에 기여하는 활성종을 기판에 공급함으로써 당해 기판 상에 박막을 성막하는 데 있어서, 당해 박막의 하측 부분을 제1 막(응력 완화층)에 의해 구성함과 함께, 이 하측 부분의 상층측에 제2 막(치밀층)을 박막의 일부로서 형성하고 있다. 그리고, 제1 막을 성막할 때에 기판에 공급되는 단위 막 두께당 상기 활성종의 양에 대해, 제2 막을 성막할 때에 기판에 공급되는 단위 막 두께당 상기 활성종의 양보다도 작게 하고 있다. 그로 인해, 기판과 제2 막 사이의 응력 차에 의해 당해 제2 막이 막 박리를 일으키려고 해도, 제1 막에 의해 이 응력 차를 완화할 수 있으므로, 막 박리를 억제하면서, 양호한 막질의 (치밀한) 박막을 형성할 수 있다.
이상, 각 실시 형태에 기초하여 본 발명의 설명을 행해 온 것은 설명에 최선을 다하여 발명의 이해를 촉진하고, 기술을 더욱 진전시키는 것의 도움이 되도록 기재한 것이다. 따라서, 실시 형태에 나타낸 요건으로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시 형태에서의 예시는 그 장점 단점을 의미하는 것은 아니다. 실시 형태에 상세하게 발명을 기재하였지만, 발명의 취지로부터 이격되지 않는 범위에서 다종 다양한 변경, 치환, 개변이 가능하다.

Claims (19)

  1. 진공 용기 내에서 기판에 대해 박막을 형성하는 성막 방법에 있어서,
    가스를 플라즈마화하여 얻어진, 상기 박막의 품질에 관여하는 활성종을 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 기판에 제1 막을 성막하는 제1 공정과,
    상기 활성종을, 제어 파라미터를 조정함으로써, 단위 막 두께당 활성종의 공급량이 상기 제1 공정에 있어서의 단위 막 두께당 활성종의 제1 공급량보다도 많아지도록 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 상기 제1 막 상에 당해 제1 막과 동일한 종별의 막인 제2 막을 성막하는 제2 공정을 구비하고,
    상기 제1 공정 및 제2 공정의 각각은, 기판에 대해 제1 처리 가스와, 이 제1 처리 가스와 반응하여 반응 생성물을 기판 상에 생성하는 제2 처리 가스를 교대로 공급하는 공정이며,
    상기 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽의 처리 가스의 공급은, 당해 처리 가스를 플라즈마화하여 활성종을 기판에 공급하는 공정이고,
    상기 제1 공정 및 제2 공정은, 기판을 적재한 회전 테이블을 회전시킴으로써 기판을 공전시키면서, 회전 테이블의 둘레 방향으로 서로 이격된 제1 처리 영역 및 제2 처리 영역에 각각 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스를 공급하는 공정이며,
    제1 공정에 있어서의 회전 테이블의 회전 속도는, 제2 공정에 있어서의 회전 테이블의 회전 속도보다도 높은 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공정 및 제2 공정의 각각은, 기판에 대해 제1 처리 가스와, 이 제1 처리 가스와 반응하여 반응 생성물을 기판 상에 생성하는 제2 처리 가스를 교대로 공급함과 함께,
    제1 처리 가스의 기판에의 공급과 제2 처리 가스의 기판에의 공급 사이에, 박막의 개질용의 가스를 플라즈마화하여 개질용 활성종을 기판에 공급하는 개질 공정이 개재되는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공정 및 제2 공정은, 플라즈마 CVD법에 의한 성막 공정인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 공정 및 제2 공정에서 사용하는 플라즈마는, 전력 공급부로부터 가스에 전력을 공급함으로써 생성되고,
    상기 제어 파라미터의 조정은,
    a) 제1 공정에 있어서의 전력 공급부와 기판의 이격 거리를, 제2 공정에 있어서의 전력 공급부와 기판의 이격 거리보다도 크게 하거나,
    b) 제1 공정에 있어서의 전력 공급부의 공급 전력을, 제2 공정에 있어서의 전력 공급부의 공급 전력보다도 작게 하는 것 중 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 파라미터의 조정은,
    a) 제1 공정에 있어서의 처리 분위기의 압력을 제2 공정에 있어서의 처리 분위기의 압력보다도 높게 하거나,
    b) 플라즈마화해야 하는 가스에 대해 제1 공정에 있어서의 유량을 제2 공정에 있어서의 유량보다도 작게 하는 것 중 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    제1 막 및 제2 막은 실리콘질화막이고, 제1 막의 기초막은 실리콘막인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 공정 및 제2 공정에 있어서의 활성종은 암모니아 가스를 플라즈마화하여 얻어진 것인 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
  11. 진공 용기 내에서 기판에 대해 박막을 형성하는 성막 장치에 사용되는 컴퓨터 프로그램을 기억한 비일시적이고 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체이며,
    상기 컴퓨터 프로그램은,
    가스를 플라즈마화하여 얻어진, 상기 박막의 품질에 관여하는 활성종을 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 기판에 제1 막을 성막하는 제1 공정과,
    상기 활성종을, 제어 파라미터를 조정함으로써, 단위 막 두께당 활성종의 공급량이 상기 제1 공정에 있어서의 단위 막 두께당 활성종의 제1 공급량보다도 많아지도록 기판에 공급하는 공정을 포함하고, 상기 제1 막 상에 당해 제1 막과 동일한 종별의 막인 제2 막을 성막하는 제2 공정을 실시하고,
    상기 제1 공정 및 제2 공정의 각각은, 기판에 대해 제1 처리 가스와, 이 제1 처리 가스와 반응하여 반응 생성물을 기판 상에 생성하는 제2 처리 가스를 교대로 공급하며,
    상기 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽의 처리 가스의 공급은, 당해 처리 가스를 플라즈마화하여 활성종을 기판에 공급하고,
    상기 제1 공정 및 제2 공정은, 기판을 적재한 회전 테이블을 회전시킴으로써 기판을 공전시키면서, 회전 테이블의 둘레 방향으로 서로 이격된 제1 처리 영역 및 제2 처리 영역에 각각 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스를 공급하며,
    제1 공정에 있어서의 회전 테이블의 회전 속도는, 제2 공정에 있어서의 회전 테이블의 회전 속도보다도 높도록 컴퓨터에 처리되는 것을 특징으로 하는 비일시적이고 컴퓨터 판독 가능한, 기억 매체.
  12. 진공 용기 내에서 기판에 대해 박막을 형성하는 성막 장치에 있어서,
    성막용의 처리 가스를 기판에 공급하기 위한 처리 가스 공급부와,
    상기 박막의 품질에 관여하는 활성종을 기판에 공급하기 위해, 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생부와,
    상기 처리 가스의 공급 및 상기 플라즈마의 발생에 의해, 기판에 제1 막을 성막하고, 단위 막 두께당 활성종의 공급량이 상기 제1 막의 성막 시에 있어서의 단위 막 두께당 활성종의 제1 공급량보다도 많아지도록 제어 파라미터를 조정하여, 상기 처리 가스의 공급 및 상기 플라즈마의 발생을 행하여, 상기 제1 막 상에 당해 제1 막과 동일한 종별의 막인 제2 막을 성막하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어부를 구비하고,
    상기 처리 가스 공급부는, 제1 처리 가스를 공급하기 위한 제1 처리 가스 공급부와, 상기 제1 처리 가스와 반응하여 반응 생성물을 기판 상에 생성하는 제2 처리 가스를 공급하기 위한 제2 처리 가스 공급부를 구비하고,
    상기 플라즈마 발생부는, 상기 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽을 플라즈마화하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스를 교대로 기판에 공급하도록 제어 신호를 출력하며,
    기판을 적재하여 공전시키기 위한 회전 테이블을 구비하고,
    상기 제1 처리 가스 공급부 및 제2 처리 가스 공급부는, 회전 테이블의 둘레 방향으로 서로 이격된 제1 처리 영역 및 제2 처리 영역에 각각 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스를 공급하도록 설치되어 있고,
    상기 제1 막의 성막 시에 있어서의 회전 테이블의 회전 속도는, 상기 제2 막의 성막 시에 있어서의 회전 테이블의 회전 속도보다도 높은 것을 특징으로 하는, 성막 장치.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 처리 가스 공급부는, 제1 처리 가스를 공급하기 위한 제1 처리 가스 공급부와, 상기 제1 처리 가스와 반응하여 반응 생성물을 기판 상에 생성하는 제2 처리 가스를 공급하기 위한 제2 처리 가스 공급부를 구비하고,
    상기 플라즈마 발생부는, 제1 처리 가스의 공급 시와 제2 처리 가스의 공급 시의 사이에, 박막의 개질용의 가스를 플라즈마화하여 개질용 활성종을 기판에 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 성막 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는, 상기 처리 가스 공급부로부터 공급되는 처리 가스를 플라즈마화하도록 구성되어 있고,
    상기 제1 막 및 제2 막이 CVD법에 의해 제막되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 성막 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는, 상기 처리 가스에 전력을 공급하는 전력 공급부를 구비하고,
    상기 제어 파라미터의 조정은,
    a) 제1 막의 성막 시에 있어서의 전력 공급부와 기판의 이격 거리를, 제2 성막 시에 있어서의 전력 공급부와 기판의 이격 거리보다도 크게 하거나,
    b) 제1 막의 성막 시에 있어서의 전력 공급부의 공급 전력을, 제2 막의 성막 시에 있어서의 전력 공급부의 공급 전력보다도 작게 하는 것 중 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는, 성막 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 제어 파라미터의 조정은,
    a) 제1 막의 성막 시에 있어서의 처리 분위기의 압력을 제2 막의 성막 시에 있어서의 처리 분위기의 압력보다도 높게 하거나,
    b) 플라즈마화해야 하는 가스에 대해 제1 막의 성막 시에 있어서의 유량을 제2 막의 성막 시에 있어서의 유량보다도 작게 하는 것 중 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는, 성막 장치.
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