KR102024983B1 - 성막 방법 - Google Patents

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준 사토
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

기판의 표면에 형성된 오목부 패턴 내에 SiN막을 매립하는 성막 방법이며, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 NH3을 포함하는 제1 처리 가스를 플라즈마화해서 공급하여, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 NH2기를 흡착시키는 질화 공정과, 해당 NH2기가 흡착된 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 N2를 포함하는 제2 처리 가스를 플라즈마화해서 공급하여, 상기 NH2기의 일부를 N기로 변환하는 흡착 사이트 제어 공정과, 실리콘 함유 가스를 상기 NH2기 및 상기 N기가 흡착된 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 공급하여, 상기 NH2기에 선택적으로 흡착시키는 실리콘 흡착 공정을 갖고, 상기 질화 공정, 상기 흡착 사이트 제어 공정 및 상기 실리콘 흡착 공정을 주기적으로 복수회 반복한다.

Description

성막 방법{FILM FORMING METHOD}
[관련 출원의 참조]
본 출원은, 2016년 2월 3일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 2016-18546호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 일본 특허 출원 2016-18546호의 전체 내용을 여기에 원용한다.
본 발명은 성막 방법에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제2015-165549호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 종래부터, 처리실에 설치된 기판에, 실리콘 함유 가스를 공급해서 기판의 표면에 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과, 실리콘 함유 가스가 흡착된 기판에, 수소 가스를 포함하는 제1 플라즈마 처리용 가스로부터 생성된 제1 플라즈마를 사용해서 제1 플라즈마 처리를 실시하는 공정과, 제1 플라즈마 처리가 실시된 기판에, 수소 가스를 포함하지 않고, 암모니아 가스를 포함하는 제2 플라즈마 처리용 가스로부터 생성된 제2 플라즈마를 사용해서 제2 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 포함하는 기판 처리 방법이 알려져 있다.
이러한 일본 특허 공개 제2015-165549호 공보에 기재된 성막 방법에서는, 이온 에너지가 작고, 라디칼 농도가 낮은 제1 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 거치고 나서, 이온 에너지가 크고, 라디칼 농도가 높은 제2 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 실시함으로써, 로딩 효과의 발생을 억제하고, 면내 균일성이 우수한 SiN막을 성막할 수 있다.
그러나, 최근 들어, 트렌치, 비아 등의 고 애스펙트비의 오목부 패턴을 매립하는 프로세스에의 대응이 요구되는 경우가 많고, 면내 균일성이 우수한 컨포멀한 성막 외에, 고 애스펙트비의 오목부 패턴 내에 양호한 보텀 업성을 갖고 막을 매립하기 위한 성막 방법이 널리 요구되고 있다. 즉, 고 애스펙트비의 오목부 패턴에서는, 오목부 패턴의 저부에 막이 충전되는 것보다, 상부에 막이 많이 충전되어 개구가 막혀버리면, 오목부 패턴 내에 매립한 막에 보이드가 발생해버릴 우려가 있기 때문에, 개구를 막지 않고, 오목부 패턴의 저부로부터 서서히 막을 매립해 가는 성막 방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 보텀 업성이 높고, 선택적인 성막이 가능한 SiN막의 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 형태에 관한 성막 방법은, 기판의 표면에 형성된 오목부 패턴 내에 SiN막을 매립하는 성막 방법이며,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 NH3을 포함하는 제1 처리 가스를 플라즈마화해서 공급하여, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 NH2기를 흡착시키는 질화 공정과,
해당 NH2기가 흡착된 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 N2를 포함하는 제2 처리 가스를 플라즈마화해서 공급하여, 상기 NH2기의 일부를 N기로 변환하는 흡착 사이트 제어 공정과,
실리콘 함유 가스를 상기 NH2기 및 상기 N기가 흡착된 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 공급하여, 상기 NH2기에 선택적으로 흡착시키는 실리콘 흡착 공정을 갖고,
상기 질화 공정, 상기 흡착 사이트 제어 공정 및 상기 실리콘 흡착 공정을 주기적으로 복수회 반복한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하는 성막 장치의 일례의 개략 종단면도이다.
도 2는 도 1의 성막 장치의 개략 평면도이다.
도 3은 도 1의 성막 장치의 회전 테이블의 동심원을 따른 단면도이다.
도 4는 도 1의 성막 장치의 플라즈마 발생부의 일례를 도시하는 종단면도이다.
도 5는 도 1의 성막 장치의 플라즈마 발생부의 일례를 도시하는 분해 사시도이다.
도 6은 도 1의 성막 장치의 플라즈마 발생부에 설치되는 하우징의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 1의 성막 장치의 플라즈마 발생부의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 8은 플라즈마 발생부에 설치되는 패러데이 실드의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9에서 설명한 성막 방법을, 반응 모델로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시한 실시예의 결과를 비교예와 함께 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태의 설명을 행한다.
〔성막 장치의 구성〕
도 1에, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하는 성막 장치의 일례의 개략 종단면도를 도시한다. 또한, 도 2에, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하는 성막 장치의 일례의 개략 평면도를 나타낸다. 또한, 도 2에서는, 설명의 편의상, 천장판(11)의 묘화를 생략하고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하는 성막 장치는, 평면 형상이 대략 원형인 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1) 내에 설치되고, 진공 용기(1)의 중심에 회전 중심을 가짐과 함께 웨이퍼(W)를 공전시키기 위한 회전 테이블(2)을 구비하고 있다.
진공 용기(1)는, 내부에서 기판을 처리하기 위한 처리실이다. 진공 용기(1)는, 회전 테이블(2)의 후술하는 오목부(24)에 대향하는 위치에 설치된 천장판(천장부)(11)과, 용기 본체(12)를 구비하고 있다. 또한, 용기 본체(12)의 상면의 주연부에는, 링 형상으로 설치된 시일 부재(13)가 설치되어 있다. 그리고, 천장판(11)은, 용기 본체(12)로부터 착탈 가능하게 구성되어 있다. 평면에서 보면 진공 용기(1)의 직경 치수(내경 치수)는 한정되지 않지만, 예를 들어 1100mm 정도로 할 수 있다.
진공 용기(1) 내의 상면측에서의 중앙부에는, 진공 용기(1) 내의 중심부 영역(C)에서 서로 다른 처리 가스끼리 혼합되는 것을 억제하기 위해 분리 가스를 공급하는, 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있다.
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 대하여, 연직축 둘레, 도 2에 도시하는 예에서는 시계 방향으로, 구동부(23)에 의해 회전 가능하게 구성되어 있다. 회전 테이블(2)의 직경 치수는, 한정되지 않지만, 예를 들어 1000mm 정도로 할 수 있다.
회전축(22) 및 구동부(23)는, 케이스체(20)에 수납되어 있고, 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 가스 등을 퍼지 가스(분리 가스)로서 공급하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 접속되어 있다.
진공 용기(1)의 저면부(14)에서의 코어부(21)의 외주측은, 회전 테이블(2)에 하방측으로부터 근접하도록 링 형상으로 형성되어 돌출부(12a)를 이루고 있다.
회전 테이블(2)의 표면부에는, 직경 치수가 예를 들어 300mm인 웨이퍼(W)를 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)가 기판 적재 영역으로서 형성되어 있다. 이 오목부(24)는, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라서, 복수 개소, 예를 들어 5개소에 형성되어 있다. 오목부(24)는, 웨이퍼(W)의 직경보다도 약간, 구체적으로는 1mm 내지 4mm 정도 큰 내경을 가진다. 또한, 오목부(24)의 깊이는, 웨이퍼(W)의 두께에 거의 동등하거나, 또는 웨이퍼(W)의 두께보다도 크게 구성된다. 따라서, 웨이퍼(W)가 오목부(24)에 수용되면, 웨이퍼(W)의 표면과, 회전 테이블(2)의 웨이퍼(W)가 적재되지 않는 영역의 표면이 동일한 높이가 되거나, 웨이퍼(W)의 표면이 회전 테이블(2)의 표면보다도 낮아진다. 또한, 오목부(24)의 깊이는, 웨이퍼(W)의 두께보다도 깊은 경우라도, 너무 깊게 하면 성막에 영향을 미치는 경우가 있으므로, 웨이퍼(W)의 두께의 3배 정도의 깊이까지로 하는 것이 바람직하다.
또한, 웨이퍼(W)의 표면에는, 트렌치, 비아 등의 오목부 패턴이 형성되어 있다. 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법은, 오목부 패턴 내에 매립해서 성막을 행함에 적합한 방법이므로, 표면에 오목부 패턴이 형성되어 웨이퍼(W)의 매립 성막에 적합하게 적용될 수 있다.
오목부(24)의 저면에는, 웨이퍼(W)를 하방측으로부터 밀어올려 승강시키기 위한, 예를 들어 후술하는 3개의 승강 핀이 관통하는, 도시하지 않은 관통 구멍이 형성되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 회전 테이블(2)에 있어서의 오목부(24)의 통과 영역과 대향하는 위치에는, 예를 들어 석영으로 이루어지는 복수개, 예를 들어 5개의 노즐(31, 32, 33, 41, 42)이 진공 용기(1)의 주위 방향으로 서로 간격을 두고 방사상으로 배치되어 있다. 이들 각각의 노즐(31, 32, 33, 41, 42)은, 회전 테이블(2)과 천장판(11)과의 사이에 배치된다. 또한, 이들 각각의 노즐(31, 32, 33, 41, 42)은, 예를 들어 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 중심부 영역(C)를 향해서 웨이퍼(W)에 대향해서 수평하게 신장되도록 설치되어 있다.
도 2에 도시하는 예에서는, 원료 가스 노즐(31)로부터 시계 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향)으로, 분리 가스 노즐(42), 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32), 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33), 분리 가스 노즐(41)이 이 순서로 배열되어 있다. 그러나, 본 실시 형태에 따른 성막 장치는, 이 형태에 한정되지 않고, 회전 테이블(2)의 회전 방향은 반시계 방향이어도 되고, 이 경우, 원료 가스 노즐(31)로부터 반시계 방향으로, 분리 가스 노즐(42), 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32), 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33), 분리 가스 노즐(41)이 이 순서로 배열되어 있다.
제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32), 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)의 상방측에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 각각의 플라즈마 처리용 가스 노즐로부터 토출되는 가스를 플라즈마화하기 위해서, 플라즈마 발생부(81a, 81b)가 각각 설치되어 있다. 이들 플라즈마 발생부(81a, 81b)에 대해서는 후술한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 각각의 처리 영역에 1개의 노즐을 배치하는 예를 나타냈지만, 각각의 처리 영역에 복수의 노즐을 배치하는 구성이어도 된다. 예를 들어, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)은, 복수의 플라즈마 처리용 가스 노즐로 구성되어, 각각, 후술하는 아르곤(Ar) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 수소(H2) 가스 등을 공급하는 구성이어도 되고, 1개의 플라즈마 처리용 가스 노즐만을 배치하여, 아르곤 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스의 혼합 가스를 공급하는 구성이어도 된다.
처리 가스 노즐(31)은, 원료 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)은, 제1 플라즈마 처리용 가스 공급부를 이루고 있고, 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)은, 제2 플라즈마 처리용 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 분리 가스 노즐(41, 42)은, 각각 분리 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 분리 가스는, 상술한 바와 같이, 퍼지 가스라 칭해도 된다.
각 노즐(31, 32, 33, 41, 42)은, 유량 조정 밸브를 통해서, 도시하지 않은 각각의 가스 공급원에 접속되어 있다.
원료 가스 노즐(31)로부터 공급되는 원료 가스는, 실리콘 함유 가스이다. 실리콘 함유 가스의 일례로서는, DCS[디클로로실란], 디실란(Si2H6), HCD[헥사클로로디실란], DIPAS[디이소프로필아미노실란], 3DMAS[트리스디메틸아미노실란], BTBAS[비스터셔리부틸아미노실란] 등의 가스를 들 수 있다.
원료 가스 노즐(31)로부터 공급되는 원료 가스로서, 실리콘 함유 가스 외에, TiCl4[사염화티타늄], Ti(MPD)(THD)[티타늄메틸펜탄디오나토비스테트라메틸헵탄디오나토], TMA[트리메틸알루미늄], TEMAZ[테트라키스에틸메틸아미노지르코늄], TEMHF[테트라키스에틸메틸아미노하프늄], Sr(THD)2[스트론튬비스테트라메틸헵탄디오네이트] 등의 금속 함유 가스를 사용해도 된다.
제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)로부터 공급되는 제1 플라즈마 처리용 가스는, 질화 가스로서, 암모니아(NH3) 함유 가스가 선택된다. NH3을 사용함으로써, 오목부 패턴을 포함하는 웨이퍼(W)의 표면 상에 NH2기를 흡착시켜, 실리콘 함유 가스의 흡착 사이트를 형성할 수 있다. 또한, NH3 이외의 가스로서는, H2 가스, Ar 등을 필요에 따라 포함해도 되고, 이들 혼합 가스가 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)로부터 공급되어, 제1 플라즈마 발생기(81a)에 의해 플라즈마화된다.
제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)로부터 공급되는 제2 플라즈마 처리용 가스는, NH2기를 일부 N기로 변환하기 위해서, 질소(N2) 함유 가스가 선택된다. N2를 공급함으로써, 표면 상에 흡착된 NH2기의 일부를 N기로 변환하여, NH2기에 의한 흡착 사이트를 일부 소멸시킨다. 이에 의해, 다음으로 공급되는 원료 가스의 선택적인 흡착이 가능하게 된다. 또한, 구체적으로는, 플라즈마화한 N2 가스는, 오목부 패턴의 내측(저부)까지는 도달하지 않고, 웨이퍼(W)의 표면 및 오목부 패턴의 상부에 흡착된 NH2기로부터 H가 제거되어, N기로 변환되게 된다.
N2 함유 가스는, N2 이외의 가스로서는, Ar 가스, H2 가스 등을 필요에 따라 포함해도 되고, 이들 혼합 가스가 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)로부터 제2 플라즈마 처리용 가스로서 공급되어도 된다.
이와 같이, 제1 플라즈마 처리용 가스와 제2 플라즈마 처리용 가스는, 서로 다른 가스가 선택된다.
분리 가스 노즐(41, 42)로부터 공급되는 분리 가스로서는, 예를 들어 질소(N2) 가스 등을 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 2에 도시하는 예에서는, 원료 가스 노즐(31)로부터 시계 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향)으로, 분리 가스 노즐(42), 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32), 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33), 분리 가스 노즐(41)이 이 순서로 배열되어 있다. 즉, 웨이퍼(W)의 실제 처리에 있어서는, 원료 가스 노즐(31)로부터 공급된 Si 함유 가스가 오목부 패턴을 포함하는 표면에 흡착된 웨이퍼(W)는, 분리 가스 노즐(42)로부터의 분리 가스, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)로부터의 플라즈마 처리용 가스, 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)로부터의 플라즈마 처리용 가스, 분리 가스 노즐(41)로부터의 분리 가스의 순서로, 가스에 노출된다.
이들 노즐(31, 32, 33, 41, 42)의 하면측(회전 테이블(2)에 대향하는 측)에는, 상술한 각 가스를 토출하기 위한 가스 토출 구멍(35)이, 회전 테이블(2)의 반경 방향을 따라서 복수 개소에 예를 들어 등간격으로 형성되어 있다. 각 노즐(31, 32, 33, 41, 42)의 각각의 하단부 에지와 회전 테이블(2)의 상면과의 이격 거리가 예를 들어 1 내지 5mm 정도로 되도록 배치되어 있다.
원료 가스 노즐(31)의 하방 영역은, Si 함유 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역(P1)이다. 또한, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)의 하방 영역은, 웨이퍼(W) 상의 박막의 제1 플라즈마 처리를 행하기 위한 제2 처리 영역(P2)이 되고, 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)의 하방 영역은, 웨이퍼(W) 상의 박막의 제2 플라즈마 처리를 행하기 위한 제3 처리 영역(P3)이 된다.
도 3에, 성막 장치의 회전 테이블의 동심원을 따른 단면도를 도시한다. 또한, 도 3은, 분리 영역(D)에서부터 제1 처리 영역(P1)을 거쳐서 분리 영역(D)까지의 단면도이다.
분리 영역(D)에서의 진공 용기(1)의 천장판(11)에는, 대략 부채형의 볼록 형상부(4)가 설치되어 있다. 볼록 형상부(4)는, 천장판(11)의 이면에 설치되어 있고, 진공 용기(1) 내에는, 볼록 형상부(4)의 하면인 평탄한 낮은 천장면(44)(제1 천장면)과, 이 천장면(44)의 주위 방향 양측에 위치하는, 천장면(44)보다도 높은 천장면(45)(제2 천장면)이 형성된다.
천장면(44)을 형성하는 볼록 형상부(4)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 정상부가 원호 형상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 볼록 형상부(4)에는, 주위 방향 중앙에 있어서, 반경 방향으로 신장되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(41, 42)이 이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 또한, 볼록 형상부(4)의 주연부(진공 용기(1)의 외측 에지측 부위)는, 각 처리 가스끼리의 혼합을 저지하기 위해서, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향함과 함께 용기 본체(12)에 대하여 약간 이격되도록, L자 형으로 굴곡되어 있다.
원료 가스 노즐(31)의 상방측에는, 원료 가스를 웨이퍼(W)를 따라 통류시키기 위해서, 또한 분리 가스가 웨이퍼(W)의 근방을 피해 진공 용기(1)의 천장판(11)측을 통류하도록, 노즐 커버(230)가 설치되어 있다. 노즐 커버(230)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 원료 가스 노즐(31)을 수납하기 위해서 하면측이 개구되는 대략 상자형의 커버체(231)와, 이 커버체(231)의 하면측 개구단부에 있어서의 회전 테이블(2)의 회전 방향 상류측 및 하류측에 각각 접속된 판상체인 정류판(232)을 구비하고 있다. 또한, 회전 테이블(2)의 회전 중심측에 있어서의 커버체(231)의 측벽면은, 원료 가스 노즐(31)의 선단부에 대향하도록 회전 테이블(2)을 향해서 연장되어 있다. 또한, 회전 테이블(2)의 외측 에지측에 있어서의 커버체(231)의 측벽면은, 원료 가스 노즐(31)에 간섭하지 않도록 절결되어 있다.
이어서, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32, 33)의 상방측에 각각 배치되는, 제1 플라즈마 발생부(81a) 및 제2 플라즈마 발생부(81b)에 대해서, 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제1 플라즈마 발생부(81a) 및 제2 플라즈마 발생부(81b)는, 각각 독립된 플라즈마 처리를 실행할 수 있는데, 각각의 구체적 구성에 대해서는, 마찬가지의 것을 사용할 수 있다.
도 4는, 플라즈마 발생부의 일례를 도시하는 종단면도이다. 또한, 도 5는, 플라즈마 발생부의 일례를 도시하는 분해 사시도이다. 또한, 도 6은, 플라즈마 발생부에 설치되는 하우징의 일례를 나타내는 사시도이다.
플라즈마 발생부(81a, 81b)는, 금속선 등으로 형성되는 안테나(83)를 코일 형상으로 예를 들어 연직축 주위로 3중으로 권회해서 구성되어 있다. 또한, 플라즈마 발생부(81)는, 평면에서 보아 회전 테이블(2)의 직경 방향으로 신장되는 띠 형상체 영역을 둘러싸도록, 또한 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)의 직경 부분에 걸쳐 있도록 배치되어 있다.
안테나(83)는, 정합기(84)를 통해서 주파수가 예를 들어 13.56MHz 및 출력 전력이 예를 들어 5000W인 고주파 전원(85)에 접속되어 있다. 그리고, 이 안테나(83)는, 진공 용기(1)의 내부 영역으로부터 기밀하게 구획되도록 설치되어 있다. 또한, 도 4에서, 안테나(83)와 정합기(84) 및 고주파 전원(85)을 전기적으로 접속하기 위한 접속 전극(86)이 설치되어 있다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)의 상방측에서의 천장판(11)에는, 평면에서 보아 대략 부채형으로 개구되는 개구부(11a)가 형성되어 있다.
개구부(11a)에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 개구부(11a)의 개구 에지부를 따라, 이 개구부(11a)에 기밀하게 설치되는 환상 부재(82)를 가진다. 후술하는 하우징(90)은, 이 환상 부재(82)의 내주면측에 기밀하게 설치된다. 즉, 환상 부재(82)는, 외주측이 천장판(11)의 개구부(11a)에 면하는 내주면(11b)에 대향함과 함께, 내주측이 후술하는 하우징(90)의 플랜지부(90a)에 대향하는 위치에, 기밀하게 설치된다. 그리고, 이 환상 부재(82)를 개재하여, 개구부(11a)에는, 안테나(83)를 천장판(11)보다도 하방측에 위치시키기 위해, 예를 들어 석영 등의 유도체에 의해 구성된 하우징(90)이 설치된다.
또한, 환상 부재(82)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 연직 방향으로 신축 가능한 벨로우즈(82a)를 갖고 있다. 또한, 플라즈마 발생부(81a, 81b)는, 전동 액추에이터 등의 도시하지 않은 구동 기구(승강 기구)에 의해, 각각 독립하여 승강 가능하게 형성되어 있다. 플라즈마 발생부(81a, 81b)의 승강에 대응하여, 벨로우즈(82a)를 신축시킴으로써, 플라즈마 처리 시에 있어서의, 플라즈마 발생부(81a, 81b)의 각각과 웨이퍼(W)(즉, 회전 테이블(2))와의 사이의 거리, 즉, (이후, 플라즈마 생성 공간의 거리라 칭하는 경우가 있음)을 변경 가능하게 구성되어 있다.
하우징(90)은, 도 6에 도시한 바와 같이, 상방측의 주연부가 주위 방향에 걸쳐서 플랜지 형상으로 수평하게 신장되어 플랜지부(90a)를 이룸과 함께, 평면에서 보아, 중앙부가 하방측의 진공 용기(1)의 내부 영역을 향해서 오목해지게 형성되어 있다.
하우징(90)은, 이 하우징(90)의 하방에 웨이퍼(W)가 위치한 경우에, 회전 테이블(2)의 직경 방향에서의 웨이퍼(W)의 직경 부분에 걸쳐 있도록 배치되어 있다. 또한, 환상 부재(82)와 천장판(11)과의 사이에는, O-링 등의 시일 부재(11c)가 설치된다.
진공 용기(1)의 내부 분위기는, 환상 부재(82) 및 하우징(90)을 통해서 기밀하게 설정되어 있다. 구체적으로는, 환상 부재(82) 및 하우징(90)을 개구부(11a) 내에 넣고, 계속해서 환상 부재(82) 및 하우징(90)의 상면이며, 환상 부재(82) 및 하우징(90)의 접촉부를 따르도록 프레임 형상으로 형성된 가압 부재(91)에 의해 하우징(90)을 하방측을 향해서 주위 방향에 걸쳐 가압한다. 또한, 이 가압 부재(91)를 도시하지 않은 볼트 등에 의해 천장판(11)에 고정한다. 이에 의해, 진공 용기(1)의 내부 분위기는 기밀하게 설정된다. 또한, 도 5에서는, 간단화를 위해서, 환상 부재(82)를 생략해서 나타내고 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 하우징(90)의 하면에는, 당해 하우징(90)의 하방측의 처리 영역(P2, P3)의 각각을 주위 방향을 따라 둘러싸듯이, 회전 테이블(2)을 향해서 수직으로 신장되는 돌기부(92)가 형성되어 있다. 그리고, 이 돌기부(92)의 내주면, 하우징(90)의 하면 및 회전 테이블(2)의 상면에 의해 둘러싸인 영역에는, 상술한 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32) 및 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)이 수납되어 있다. 또한, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32) 및 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)의 기단부(진공 용기(1)의 내벽측)에 있어서의 돌기부(92)는, 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)의 외형을 따르도록 대략 원호 형상으로 절결되어 있다.
하우징(90)의 하방측에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 돌기부(92)가 주위 방향에 걸쳐서 형성되어 있다. 시일 부재(11c)는, 이 돌기부(92)에 의해, 플라즈마에 직접 노출되지 않고, 즉, 플라즈마 생성 영역으로부터 격리되어 있다. 그 때문에, 플라즈마 생성 영역으로부터 플라즈마가 예를 들어 시일 부재(11c)측으로 확산하려고 해도, 돌기부(92)의 하방을 경유해 나가게 되므로, 시일 부재(11c)에 도달하기 전에 플라즈마가 실활되게 된다.
하우징(90)의 상방측에는, 당해 하우징(90)의 내부 형상을 대략 따르도록 형성된 도전성의 판상체인 금속판, 예를 들어 구리 등을 포함하는, 접지된 패러데이 실드(95)가 수납되어 있다. 이 패러데이 실드(95)는, 하우징(90)의 바닥면을 따르도록 수평하게 형성된 수평면(95a)과, 이 수평면(95a)의 외종단부로부터 주위 방향에 걸쳐서 상방측으로 신장되는 수직면(95b)을 구비하고 있고, 평면에서 보아 예를 들어 대략 육각형이 되도록 구성되어 있어도 된다.
도 7은, 플라즈마 발생부의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 8은, 플라즈마 발생부에 설치되는 패러데이 실드의 일부를 도시하는 사시도이다.
회전 테이블(2)의 회전 중심으로부터 패러데이 실드(95)를 본 경우의 우측 및 좌측에서의 패러데이 실드(95)의 상단부 에지는, 각각, 우측 및 좌측으로 수평하게 신장되어 지지부(96)를 이루고 있다. 그리고, 패러데이 실드(95)와 하우징(90)과의 사이에는, 지지부(96)를 하방측으로부터 지지함과 함께 하우징(90)의 중심부 영역(C)측 및 회전 테이블(2)의 외측 에지부측의 플랜지부(90a)에 각각 지지되는 프레임 형상체(99)가 설치되어 있다.
안테나(83)에 의해 생성한 전계가 웨이퍼(W)에 도달하는 경우, 웨이퍼(W)의 내부에 형성되어 있는 패턴(전기 배선 등)이 전기적으로 대미지를 받아버리는 경우가 있다. 그 때문에, 도 8에 도시한 바와 같이, 수평면(95a)에는, 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 위해서, 다수의 슬릿(97)이 형성되어 있다.
슬릿(97)은, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 안테나(83)의 권회 방향에 대하여 직교하는 방향으로 신장하도록, 주위 방향에 걸쳐서 안테나(83)의 하방 위치에 형성되어 있다. 여기서, 슬릿(97)은, 안테나(83)에 공급되는 고주파에 대응하는 파장의 1/10000 이하 정도의 폭 치수가 되도록 형성되어 있다. 또한, 각각의 슬릿(97)의 길이 방향에 있어서의 일단부측 및 타단부측에는, 이들 슬릿(97)의 개구단부를 막도록, 접지된 도전체 등으로 형성되는 도전로(97a)가 주위 방향에 걸쳐서 배치되어 있다. 패러데이 실드(95)에 있어서 이들 슬릿(97)의 형성 영역에서 벗어난 영역, 즉, 안테나(83)가 권회된 영역의 중앙측에는, 당해 영역을 통해서 플라즈마의 발광 상태를 확인하기 위한 개구부(98)가 형성되어 있다. 또한, 상술한 도 2에서는, 간단화를 위해서, 슬릿(97)을 생략하고 있고, 슬릿(97)의 형성 영역 예를, 일점 쇄선으로 나타내고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 패러데이 실드(95)의 수평면(95a) 상에는, 패러데이 실드(95)의 상방에 적재되는 플라즈마 발생부(81a, 81b)와의 사이의 절연성을 확보하기 위해서, 두께 치수가 예를 들어 2mm 정도의 석영 등으로 형성되는 절연판(94)이 적층되어 있다. 즉, 플라즈마 발생부(81a, 81b)는, 각각, 하우징(90), 패러데이 실드(95) 및 절연판(94)을 개재해서 진공 용기(1)의 내부(회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W))에 대향하도록 배치되어 있다.
이와 같이, 제1 플라즈마 발생기(81a)와 제2 플라즈마 발생기(81b)는, 거의 마찬가지의 구성을 가지지만, 설치되는 높이가 상이하다. 즉, 회전 테이블(2)의 표면과 제1 플라즈마 발생기(81a)와의 사이의 거리와, 회전 테이블(2)의 표면과 제2 플라즈마 발생기(81b)와의 사이의 거리가 상이하다. 이것은, 하우징(90)의 저면의 높이를 조정함으로써, 용이하게 높이를 상이하게 할 수 있다.
구체적으로는, 제1 플라즈마 발생기(81a)의 높이가, 제2 플라즈마 발생기(81b)의 높이보다도 더 높게 설정된다. 상술한 바와 같이, 제1 플라즈마 발생기(81a)의 하방의 영역은, 하우징(90)에 의해 실질적으로 폐쇄된 제2 처리 영역(P2)이 형성되어 있고, 제2 플라즈마 발생기(81b)의 하방의 영역도, 하우징(90)에 의해 실질적으로 폐쇄된 제3 처리 영역(P3)이 형성되어 있다. 따라서, 회전 테이블(2)의 표면과의 거리가 작은 것, 즉, 플라즈마 발생기(81a, 81b)가 낮게 설치되어 있는 것이, 더 좁은 공간을 형성한다. 여기서, 제2 처리 영역(P2)에서의 제1 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)의 표면과의 사이의 거리를 제1 거리, 제3 처리 영역(P3)에서의 제2 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)의 표면과의 사이의 거리를 제2 거리로 하면, 제1 거리보다도 상대적으로 작은 제2 거리에 의해, 제3 처리 영역(P3)에서는, 웨이퍼(W)에 도달하는 이온량이, 제2 처리 영역(P2)과 비교해서 많아진다. 따라서, 제3 처리 영역(P3)에서는, 웨이퍼(W)에 도달하는 라디칼량도, 제2 처리 영역(P2)과 비교해서 많아진다.
일반적으로, 플라즈마화된 N2는, 에너지는 높지만, 수명이 짧기 때문에, 웨이퍼(W)의 표면까지 도달하지 않아, 균일한 질화나 개질 처리를 행함에도 불리하였다. 그러나, 웨이퍼(W)와 제2 플라즈마 발생기(81b)와의 거리를 짧게 함으로써, 웨이퍼(W)의 표면 및 오목부 패턴의 상부에까지는 도달하여, 웨이퍼(W)의 표면 및 오목부 패턴의 상부에만 선택적으로 비흡착 사이트를 형성할 수 있다. 즉, N2 가스를 전체의 질화가 아니라, 국소적인 비흡착 사이트의 형성에 이용함으로써, N2 플라즈마의 에너지는 높지만 수명은 짧다는 성질을 적절하게 이용할 수 있고, 보텀 업성이 높은 매립 성막에 활용할 수 있다.
또한, 제1 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)의 표면과의 사이의 제1 거리와, 제2 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)의 표면과의 사이의 제2 거리는, 제1 거리가 제2 거리보다 큰 한, 다양한 값으로 할 수 있는데, 예를 들어 제1 거리가 80mm 이상 150mm 이하, 제2 거리가 20mm 이상 80mm 미만의 범위 내에 설정되어도 된다. 단, 거리는, 용도에 따라서 다양하게 변경할 수 있으며, 이들 값에 한정되는 것은 아니다.
다시, 본 실시 형태에 따른 성막 장치의 다른 구성 요소에 대해서 설명한다.
회전 테이블(2)의 외주측에 있어서, 회전 테이블(2)보다도 약간 아래 위치에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 커버체인 사이드 링(100)이 배치되어 있다. 사이드 링(100)의 상면에는, 서로 주위 방향으로 이격하도록 예를 들어 2개소에 배기구(61, 62)가 형성되어 있다. 다른 표현으로 말하면, 진공 용기(1)의 바닥면에는, 2개의 배기구가 형성되고, 이들 배기구에 대응하는 위치에서의 사이드 링(100)에는, 배기구(61, 62)가 형성되어 있다.
본 명세서에서는, 배기구(61, 62) 중 한쪽 및 다른 쪽을, 각각, 제1 배기구(61), 제2 배기구(62)라 칭한다. 여기에서는, 제1 배기구(61)는, 분리 가스 노즐(42)과, 이 분리 가스 노즐(42)에 대하여 회전 테이블의 회전 방향 하류측에 위치하는 제1 플라즈마 발생부(81a)와의 사이에 형성되어 있다. 또한, 제2 배기구(62)는, 제2 플라즈마 발생부(81b)와, 이 플라즈마 발생부(81b)보다도 회전 테이블(2)의 회전 방향 하류측의 분리 영역(D)과의 사이에 형성되어 있다.
제1 배기구(61)는, 원료 가스나 분리 가스를 배기하기 위한 것이고, 제2 배기구(62)는, 플라즈마 처리용 가스나 분리 가스를 배기하기 위한 것이다. 이들 제1 배기구(61) 및 제2 배기구(62)는, 각각, 나비 밸브 등의 압력 조정부(65)가 개재 설치된 배기관(63)에 의해, 진공 배기 기구인 예를 들어 진공 펌프(64)에 접속되어 있다.
상술한 바와 같이, 중심부 영역(C)측으로부터 외측 에지측에 걸쳐서 하우징(90)을 배치하고 있기 때문에, 플라즈마 처리 영역(P2, P3)에 대하여 회전 테이블(2)의 회전 방향 상류측으로부터 통류해 오는 가스는, 이 하우징(90)에 의해 배기구(62)를 향하려고 하는 가스류가 규제되어버리는 경우가 있다. 그 때문에, 하우징(90)보다도 외주측에 있어서의 사이드 링(100)의 상면에는, 가스가 흐르기 위한 홈 형상의 가스 유로(101)(도 1 및 도 2 참조)가 형성되어 있다.
천장판(11)의 하면에서의 중앙부에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 볼록 형상부(4)에 있어서의 중심부 영역(C)측의 부위와 연속해서 주위 방향에 걸쳐서 대략 링 형상으로 형성됨과 함께, 그 하면이 볼록 형상부(4)의 하면(천장면(44))과 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(C)에 있어서 각종 가스가 서로 혼합되는 것을 억제하기 위한 래비린스 구조부(110)가 배치되어 있다.
상술한 바와 같이 하우징(90)은, 중심부 영역(C)측에 가까운 위치까지 형성되어 있으므로, 회전 테이블(2)의 중앙부를 지지하는 코어부(21)는, 회전 테이블(2)의 상방측 부위가 하우징(90)을 피하도록 회전 중심측에 형성되어 있다. 그 때문에, 중심부 영역(C)측에서는, 외측 에지부측보다도, 각종 가스끼리 혼합되기 쉬운 상태로 되어 있다. 그 때문에, 코어부(21)의 상방측에 래비린스 구조를 형성함으로써, 가스의 유로를 벌어, 가스끼리 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로는, 래비린스 구조부(110)는, 회전 테이블(2)측으로부터 천장판(11)측을 향해서 수직으로 신장되는 벽부와, 천장판(11)측으로부터 회전 테이블(2)을 향해서 수직으로 신장되는 벽부가, 각각 주위 방향에 걸쳐서 형성됨과 함께, 회전 테이블(2)의 반경 방향에 있어서 교대로 배치된 구조를 가진다. 래비린스 구조부(110)에서는, 예를 들어 원료 가스 노즐(31)로부터 토출되어 중심부 영역(C)을 향하려고 하는 원료 가스는, 래비린스 구조부(110)를 타고 넘어갈 필요가 있다. 그 때문에, 중심부 영역(C)을 향함에 따라서 유속이 느려져, 확산하기 어려워진다. 결과로서, 처리 가스가 중심부 영역(C)에 도달하기 전에, 중심부 영역(C)에 공급되는 분리 가스에 의해, 처리 영역(P1)측으로 되돌려지게 된다. 또한, 중심부 영역(C)을 향하려고 하는 다른 가스에 대해서도, 마찬가지로 래비린스 구조부(110)에 의해 중심부 영역(C)에 도달하기 어려워진다. 그 때문에, 처리 가스끼리 중심부 영역(C)에서 서로 혼합되는 것이 방지된다.
한편, 분리 가스 공급관(51)으로부터 이 중심부 영역(C)에 공급된 분리 가스는, 주위 방향으로 급격하게 확산하려고 하지만, 래비린스 구조부(110)를 설치하고 있기 때문에, 래비린스 구조부(110)를 타고 넘어가는 동안에 유속이 억제되어 간다. 이 경우, 질소 가스는, 예를 들어 회전 테이블(2)과 돌기부(92)와의 사이의 매우 좁은 영역에도 침입하려고 하는데, 래비린스 구조부(110)에 의해 유속이 억제되어 있으므로, 예를 들어 반송구(15) 부근 등의 비교적 넓은 영역으로 흘러 간다. 그 때문에, 하우징(90)의 하방측으로의 질소 가스의 유입이 억제된다.
회전 테이블(2)과 진공 용기(1)의 저면부(14)와의 사이의 공간에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 가열 기구인 히터 유닛(7)이 설치되어 있다. 히터 유닛(7)은, 회전 테이블(2)을 개재해서 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)를 예를 들어 실온 내지 760℃ 정도로 가열할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 도 1에서의 참조 부호 71a는, 히터 유닛(7)의 측방측에 설치된 커버 부재이며, 참조 부호 7a는, 이 히터 유닛(7)의 상방측을 덮는 덮개 부재이다. 또한, 진공 용기(1)의 저면부(14)에는, 히터 유닛(7)의 하방측에 있어서, 히터 유닛(7)의 배치 공간을 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(73)이, 주위 방향에 걸쳐서 복수 개소에 설치되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 진공 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 수수를 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는, 게이트 밸브(G)보다 기밀하게 개폐 가능하게 구성되어 있다. 진공 용기(1)의 외부에는, 도시하지 않은 반송 아암이 설치되고, 반송 아암을 사용해서 진공 용기(1) 내에 웨이퍼(W)를 반송한다.
회전 테이블(2)의 오목부(24)는, 이 반송구(15)에 대향하는 위치에서 도시하지 않은 반송 아암에 의해 웨이퍼(W)의 수수가 행하여진다. 그 때문에, 회전 테이블(2)의 하방측의 수수 위치에 대응하는 개소에는, 오목부(24)를 관통해서 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어올리기 위한 도시하지 않은 승강 핀 및 승강 기구가 설치되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 장치에는, 장치 전체의 동작을 제어하기 위한 컴퓨터를 포함하는 제어부(120)가 설치되어 있다. 이 제어부(120)의 메모리 내에는, 후술하는 기판 처리를 행하기 위한 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은, 장치의 각종 동작을 실행하도록 스텝 군이 짜여져 있고, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 기억 매체인 기억부(121)로부터 제어부(120) 내에 인스톨된다.
〔성막 방법〕
이어서, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법은, ALD법(Atomic Layer Deposition, 원자층 퇴적 방법) 또는 MLD법(Molecular Layer Deposition, 분자층 퇴적 방법)에 의한 성막이 가능한 성막 장치라면, 다양한 성막 장치에 의해 실시할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 상술한 회전 테이블식 성막 장치를 사용해서 실시하는 예에 대해서 설명한다.
또한, 제1 플라즈마 처리를 행하는 제2 처리 영역(P2)에서의 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리는 90mm, 제2 플라즈마 처리를 행하는 제3 처리 영역(P3)에서의 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리는 60mm로 설정한 예를 들어서 설명한다. 또한, 원료 가스 노즐(31)로부터 공급하는 원료 가스로서는 DCS(SiH2Cl2, 디클로로실란)와 N2의 혼합 가스, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)로부터 공급하는 제1 플라즈마 처리용 가스로서는 NH3, Ar 및 H2의 혼합 가스, 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)로부터 공급하는 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐로서는 N2, Ar 및 H2의 혼합 가스를 사용하는 예를 들어서 설명한다. 단, 이것들은 일례로서 드는 것이며, 원료 가스로서는 다양한 Si 함유 가스, 제1 플라즈마 처리용 가스로서는 다양한 NH3 함유 가스, 제2 플라즈마 처리용 가스로서는 다양한 N2 함유 가스를 사용할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 설명하기 위한 도면이다.
성막 방법의 실시에 앞서, 웨이퍼(W)를 진공 용기(1) 내에 반입한다. 구체적으로는, 우선, 게이트 밸브(G)를 개방한다. 그리고, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시키면서, 반송 아암(도시하지 않음)에 의해 반송구(15)를 개재해서 회전 테이블(2) 상에 적재한다.
계속해서, 게이트 밸브(G)를 폐쇄하고, 히터 유닛(7)에 의해, 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열한다. 또한, 웨이퍼(W)의 온도는, 암모니아 라디칼로 웨이퍼(W)의 표면을 질화할 수 있는 온도로 설정되고, 예를 들어 400℃ 이상 800℃ 이하로 설정된다. 계속해서, 원료 가스 노즐(31)로부터 원료 가스를, 소정의 유량으로 토출함과 함께, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32) 및 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)로부터, 소정의 유량으로 제1 및 제2 플라즈마 처리용 가스를 각각 공급한다.
그리고, 압력 조정부(65)에 의해 진공 용기(1) 내를 소정의 압력으로 조정한다. 또한, 플라즈마 발생부(81a, 81b)에서는, 각각, 안테나(83)에 대하여 소정의 출력의 고주파 전력을 인가한다. 고주파 전력은, 예를 들어 5kW로 설정해도 된다.
도 9의 (a)는 웨이퍼(W)의 초기 상태의 일례를 나타낸 도이다. 웨이퍼(W)의 표면에는, 트렌치, 비아 등의 오목부 패턴이 형성되어 있다. 여기에서는, 웨이퍼(W)의 표면에 트렌치(T)가 형성되어 있는 예를 들어서 설명한다. 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 트렌치(T)를 포함하는 웨이퍼(W)의 표면에는, OH기가 흡착되어 있다.
도 9의 (b)는, 질화 공정의 일례를 나타낸 도이다. 질화 공정에서는, 웨이퍼(W)에 플라즈마화된 NH3 함유 가스(제1 플라즈마 처리용 가스)가 공급되어, 트렌치(T)를 포함하는 웨이퍼(W)의 표면이 질화된다. 구체적으로는, 회전 테이블(2)을 회전시키면, 웨이퍼(W)는 제2 처리 영역(P2)을 통과하여, 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)로부터 Ar/NH3/H2의 혼합 가스가 공급되고, 이것이 플라즈마 발생기(81a)에 의해 플라즈마화된다. 이러한 플라즈마화된 NH3에 의해 트렌치(T)를 포함하는 웨이퍼(W)의 표면이 질화되어, 표면에 NH2기가 흡착된다.
또한, 질화 공정에서는, 웨이퍼(W)의 표면 전체를 균일하게 질화하기 위해서, NH3 함유 가스가 공급된다. 플라즈마화한 NH3은, 플라즈마의 수명이 비교적 길고, 제2 처리 영역(P2)의 전체에 확산하여, 트렌치(T)의 내측(저면)까지 도달하여, 트렌치(T) 내를 포함하는 웨이퍼(W)의 표면 전체를 질화한다. NH3 플라즈마의 수명이 길기 때문에, 전체를 균일하게 질화하기 위해서, 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)과의 거리도 비교적 크게 설정된다. 본 실시 형태에서는, 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)과의 거리는 90mm로 설정되어 있지만, 제3 처리 영역(P3)에서의 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리보다 큰 한, 다양한 값으로 할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)과의 거리는, 80mm 이상 150mm 이하로 설정되어도 된다. 또한, 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리는, 하우징(90)의 저면과 회전 테이블(2)의 표면과의 사이의 거리, 즉, 하우징(90)의 저면의 높이를 조정함으로써, 다양한 값으로 설정할 수 있다.
도 9의 (c)는 NH2기(130)가, 트렌치(T)를 포함하는 웨이퍼(W)의 표면 상에 흡착된 상태를 모식적으로 도시한 도이다. 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, NH2기(130)는, 트렌치(T)를 포함하는 웨이퍼(W)의 표면 상에 컨포멀하게 형성된다.
도 9의 (d)는, 흡착 사이트 제어 공정의 일례를 나타낸 도이다. 흡착 사이트 제어 공정에서는, 웨이퍼(W)에 플라즈마화한 N2 함유 가스(제2 플라즈마 처리용 가스)가 공급되어, 트렌치(T)의 상부 및 웨이퍼(W)의 상면의 NH2기가 N기로 변환된다. 구체적으로는, 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는 제3 처리 영역(P3)을 통과하여, 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)로부터 N2/Ar/H2의 혼합 가스가 공급되고, 플라즈마 발생기(81b)에 의해 플라즈마화된다. 플라즈마화된 N2는, 수명이 비교적 짧기 때문에, 트렌치(T)의 내측까지는 도달하지 않고, 트렌치(T)의 상부와 웨이퍼(W)의 상면만, NH2기로부터 H를 제거하여, N기로 변환한다. NH2기는, DCS 등의 원료 가스에 대하여 흡착기로서 기능하지만, N기는 비흡착기로서 기능하기 때문에, 트렌치(T)의 상부 및 웨이퍼(W)의 상면에 비흡착 사이트가 형성되고, 트렌치(T)의 저부 부근에 흡착 사이트가 형성된 상태가 된다.
여기서, N2는, 수명이 짧기 때문에, 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)과의 거리는, 제2 처리 영역(P2)에서의 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리보다도 짧게 설정된다. 본 실시 형태에서는, 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리를 60mm로 설정하고 있지만, 제2 처리 영역(P2)에서의 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리보다도 짧게 설정되어 있으면, 다양한 값으로 할 수 있다. 예를 들어, 제3 처리 영역(P3)에서의 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)과의 사이의 거리는, 20mm 이상 80mm 미만으로 설정해도 된다.
또한, 트렌치(T)의 상부의 NH2기만으로부터 H를 제거하여, N기로 변환하기 위해서, N2의 유량, 고주파 전력의 크기, 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)의 표면과의 거리 등의 다양한 조건을 적절히 변경하여, 적절한 값으로 설정할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제2 플라즈마 처리용 가스로서, N2/Ar/H2의 혼합 가스를 사용하고 있지만, N2를 함유하는 한, 다양한 N2 함유 가스를 사용할 수 있다.
도 9의 (e)는, NH2기(130)의 일부가 N기(131)로 변환한 상태를 모식적으로 도시한 도이다. 도 9의 (e)에 도시된 바와 같이, 트렌치(T)의 상부 및 웨이퍼(W)의 상면에 형성된 NH2기(130)는, N기(131)로 변환된다.
이어서, 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는 분리 영역(D)의 하방을 통과하여, 분리 가스가 공급되어서 퍼지된다. 또한, 분리 가스(퍼지 가스)는 N2, Ar 등이 사용된다. 웨이퍼(W)는, 분리 영역(D)을 통과한 후, 제1 처리 영역(P1)에 도달한다.
도 9의 (f)는 원료 흡착 공정의 일례를 나타낸 도이다. 원료 흡착 공정에서는, 웨이퍼(W)에 원료 가스가 공급되고, 원료 가스가 선택적으로 트렌치(T) 내의 NH2기(130) 상에 흡착된다. 구체적으로는, 웨이퍼(W)는 제1 처리 영역(P1)을 통과하여, 원료 가스 노즐(31)로부터 DCS가 공급된다. DCS는, NH2기(130) 상에는 흡착되지만, N기(131) 상에는 흡착되지 않는다. 따라서, 트렌치(T)의 저면 부근에만 DCS가 흡착된다.
도 9의 (g)는, DCS가 선택적으로 흡착된 상태를 모식적으로 도시한 도이다. 도 9의 (g)에 도시된 바와 같이, 트렌치(T)의 저면 부근에 DCS(132)가 흡착되어 있고, 트렌치(T)의 상부 및 웨이퍼(W)의 상면에는, DCS(132)는 그다지 흡착되어 있지 않다. 따라서, 보텀 업하는 형태로 트렌치(T) 내에 DCS(132)가 매립된다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에 의하면, 선택적으로 DCS(132)를 흡착시킬 수 있어, 보텀 업성이 높은 매립 성막을 행할 수 있다.
계속해서, 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는 분리 영역(D)의 하방을 통과하여, 분리 가스가 공급되어서 퍼지된다. 그 후, 웨이퍼(W)는, 제2 처리 영역(P2)에 도달한다.
제2 처리 영역(P2)을 웨이퍼(W)가 통과하면, 다시 도 9의 (b), (c)에서 설명한 질화 공정이 행하여진다. 이하, 회전 테이블(2)의 회전에 수반해서, 웨이퍼(W)는, 도 9의 (b) 내지 (g)에서 설명한 질화 공정, 흡착 사이트 제어 공정 및 원료 흡착 공정을 반복하여, 트렌치(T) 내의 저면으로부터 보텀 업하도록 매립 성막이 행하여진다. 그리고, 트렌치(T) 내에 SiN막이 매립되어 성막되고, 트렌치(T) 내가 모두 매립된 단계에서, 성막 처리가 종료된다. 이에 의해, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법이 종료된다.
성막 처리가 종료되면, 가스 노즐(31 내지 33, 41, 42)로부터의 가스의 공급을 정지함과 함께, 회전 테이블(2)의 회전도 정지한다. 그리고, 게이트 밸브(G)를 개방하여, 성막 처리 후의 웨이퍼(W)를, 반송 아암(도시하지 않음)을 사용해서 반송구(15)로부터 반출한다. 모든 웨이퍼(W)의 반출을 종료하면, 성막 처리 모두가 종료된다. 필요에 따라, 다음으로 처리해야 할 웨이퍼(W)를 반입하고, 또한 마찬가지로 성막 처리를 실시한다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 의하면, 양호한 보텀 업성으로 트렌치(T), 비아 등의 오목부 패턴에 실리콘 질화막을 매립할 수 있으므로, 실리콘 질화막의 보이드의 발생을 방지할 수 있다.
도 10은, 도 9에서 설명한 성막 방법을, 반응 모델로 도시한 도면이다.
도 10의 (a)는 초기의 웨이퍼(W)의 표면 상태의 일례를 나타낸 도이다. 초기 상태에서는, 웨이퍼(W)의 표면에는, OH기가 형성되어 있다.
도 10의 (b)는, 질화 공정에서의 웨이퍼(W)의 표면 상태의 일례를 나타낸 도이다. 질화 공정에서는, 웨이퍼(W)의 표면에 플라즈마화한 NH3/H2/Ar의 혼합 가스가 공급되어, 웨이퍼(W)의 표면에 NH2기가 형성된다.
도 10의 (c)는, 흡착 사이트 제어 공정에서의 웨이퍼의 표면 상태의 일례를 나타낸 도이다. 흡착 사이트 제어 공정에서는, 웨이퍼(W)의 표면에 플라즈마화한 N2/H2/Ar의 혼합 가스가 공급되어, 개질을 행함과 함께, NH2기의 일부를 N기로 변환한다. 또한, 이러한 흡착 사이트 및 비흡착 사이트의 형성은, 트렌치의 깊이 방향에서 제어한다. 즉, 트렌치의 상부에 비흡착 사이트를 형성하고, 트렌치의 중단으로부터 하부에 흡착 사이트를 남긴다.
도 10의 (d)는 원료 흡착 공정에서의 웨이퍼의 표면 상태의 일례를 나타낸 도이다. 원료 흡착 공정에서는, 원료 가스인 DCS(SiH2Cl2)를 웨이퍼(W)의 표면에 공급하는데, DCS는, 흡착 사이트인 NH2기에 선택적으로 화학 흡착되고, N기에는 흡착되지 않는다. 이에 의해, 선택적인 매립 성막이 가능하게 된다.
또한, 이후, 도 10의 (b) 내지 (d)가 반복되어, 트렌치 내에 SiN막이 충전되어 간다.
〔실시예〕
도 11은, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시한 실시예의 결과를, 비교예와 함께 도시한 도면이다. 비교예 1, 2 및 실시예의 결과가 도 1에 도시되어 있다.
본 실시예에 관한 성막 방법은, 상술한 회전 테이블식의 성막 장치를 사용해서 실시하였다. 또한, 제2 처리 영역(P2)에서의 플라즈마 발생기(81a)와 회전 테이블(2)의 표면과의 사이의 거리는 90mm, 제3 처리 영역(P3)에서의 플라즈마 발생기(81b)와 회전 테이블(2)의 표면과의 사이의 거리는 60mm로 설정하였다. 또한, 고주파 전력의 출력은 5kW로 하였다. 제2 처리 영역(P2)에서의 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐(32)로부터는, NH3/H2/Ar의 혼합 가스를, 300/600/2000sccm의 유량으로 공급하였다.
제3 처리 영역(P3)의 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐(33)로부터는, NH3/N2/Ar의 혼합 가스를, 유량 조건을 변경해서 공급하였다. 비교예 1에서는, NH3/N2/Ar=2000/0/2000sccm(NH3/N2=2000/0sccm)으로 하였다. 비교예 2에서는, NH3/N2/Ar=1500/500/2000sccm(NH3/N2=1500/500sccm)으로 하였다. 실시예에서는, NH3/N2/Ar=0/1500/2000sccm(NH3/N2=0/2000sccm)으로 하였다.
비교예 1은, 제2 플라즈마 처리용 가스의 질화 가스를 NH3만으로 한 예이며, 비교예 2는, 제2 플라즈마 처리용 가스의 질화 가스를 NH3/N2의 혼합 가스로 하고, NH3의 유량을 많게 한 예이다. 실시예는, 제2 플라즈마 처리용 가스의 질화 가스를 N2만으로 한 예이다.
도 11은, 비교예 1, 2 및 실시예를 실시한 후의 트렌치를 도시하는 도면이며, 비교예 1의 22nm의 막 두께를 100％의 기준 상태로 하였다. 또한, 도 11 중에는, 막 두께를 측정한 개소가 파선의 원으로 도시되어 있고, 그 개소의 막 두께가 기재되어 있다.
비교예 2에서는, 비교예 1과 비교하면, 저부 BTM의 막 두께가 96％로 되어 있고, 다른 부분에서의 막 두께는 100％이므로, 저부보다도 상부가 약간 더 두껍게 성막되어 있다.
한편, 실시예에서는, 저부 BTM 및 밑에서부터 2번째의 2㎛의 부분의 막 두께가 115％로, 상부의 100％, 105％의 막 두께보다도 두껍게 성막되어 있는 것으로 나타나 있다. 이와 같이, 본 실시예에 관한 성막 방법에 의하면, 선택적으로 매립 성막을 행할 수 있고, 보텀 업성이 양호한 매립 성막을 행할 수 있음이 도 11에 의해 나타났다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 기판의 표면에 형성된 오목부 패턴에, 보텀 업성이 높은 매립 성막을 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 실시예에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태 및 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고, 상술한 실시 형태 및 실시예에 다양한 변형 및 치환을 가할 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판의 표면에 형성된 오목부 패턴 내에 SiN막을 매립하는 성막 방법이며,
    표면에 형성된 오목부 패턴을 포함하는 기판의 표면에 NH3을 포함하는 제1 처리 가스를 플라즈마화해서 공급하여, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 NH2기를 흡착시키는 질화 공정과,
    해당 NH2기가 흡착된 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 N2를 포함하는 제2 처리 가스를 플라즈마화해서 공급하여, 상기 NH2기의 일부를 N기로 변환하는 흡착 사이트 제어 공정과,
    실리콘 함유 가스를 상기 NH2기 및 상기 N기가 흡착된 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 공급하여, 상기 NH2기에 선택적으로 흡착시키는 실리콘 흡착 공정을 갖고,
    상기 질화 공정, 상기 흡착 사이트 제어 공정 및 상기 실리콘 흡착 공정을 주기적으로 복수회 반복하는 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 사이트 제어 공정에서, 상기 오목부 패턴의 상부 및 상기 기판의 표면 상에 흡착된 상기 NH2기가 상기 N기로 변환되는, 성막 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 처리 가스는, N2를 포함하지 않는 가스인, 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 처리 가스 및 상기 제2 처리 가스는, Ar 및 H2를 더 포함하는, 성막 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 함유 가스는, 디클로로실란 가스, 디실란 가스, 헥사클로로디실란 가스, 디이소프로필아미노실란 가스, 트리스디메틸아미노실란 가스, 비스터셔리부틸아미노실란 가스 중 어느 것인, 성막 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 온도는, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면을 암모니아 라디칼로 질화할 수 있는 400℃ 이상으로 설정된, 성막 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    플라즈마화된 상기 제2 처리 가스는, 플라즈마화된 상기 제1 처리 가스보다도 높은 에너지를 갖는, 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 처리 가스를 플라즈마화하는 제1 플라즈마는, 상기 제2 처리 가스를 플라즈마화하는 제2 플라즈마보다도 상기 기판의 표면으로부터 이격된 높은 위치에서 생성되는, 성막 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 사이트 제어 공정과 상기 실리콘 흡착 공정과의 사이, 및 상기 실리콘 흡착 공정과 상기 질화 공정과의 사이에, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 공정을 더 갖는, 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판은, 처리실 내에 설치된 회전 테이블의 표면 상에 주위 방향을 따라 배치되고,
    상기 처리실 내에는, 상기 회전 테이블의 상방에 상기 회전 테이블의 회전 방향을 따라서 상기 질화 공정을 실시하는 제1 플라즈마 처리 영역과, 상기 흡착 사이트 제어 공정을 실시하는 제2 플라즈마 처리 영역과, 상기 퍼지 공정을 실시하는 퍼지 영역과, 상기 실리콘 흡착 공정을 실시하는 흡착 영역과, 상기 퍼지 공정을 실시하는 퍼지 영역이 형성되고,
    상기 회전 테이블이 회전함으로써, 상기 질화 공정, 상기 흡착 사이트 제어 공정, 상기 퍼지 공정, 상기 실리콘 흡착 공정 및 상기 퍼지 공정이 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 실시되는, 성막 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 처리 영역 및 상기 제2 플라즈마 처리 영역에서는, 상기 처리실의 천장면에 제1 플라즈마 발생기 및 제2 플라즈마 발생기가 설치되고,
    상기 제1 플라즈마 발생기가, 상기 제2 플라즈마 발생기보다도 높은 위치에 설치되어 있는, 성막 방법.
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