KR102202347B1 - 성막 장치 - Google Patents

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다츠오 마츠도
야스시 모리타
다카미치 기쿠치
츠요시 모리야
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 동일한 성막 장치에 있어서 성막되는 박막의 막질을 다양하게 제어할 수 있는 기술을 제공한다.
(해결 수단) 본 개시의 성막 장치는, 진공 배기 가능한 처리 용기와, 하부 전극과, 상부 전극과, 가스 공급부와, 전압 인가부와, 전환부를 구비한다. 하부 전극에는, 처리 용기 내에서 피처리 기판이 탑재된다. 상부 전극은, 처리 용기 내에서 하부 전극에 대향하여 배치된다. 가스 공급부는, 상부 전극과 하부 전극의 사이의 처리 공간에서 플라즈마화하는 성막 원료 가스를 처리 공간에 공급한다. 전압 인가부는, 고주파 전원 및 직류 전원을 갖고, 고주파 전원 및 직류 전원 중 적어도 한쪽으로부터 출력되는 전압을 상부 전극에 인가한다. 전환부는, 상부 전극에 인가되는 전압을, 고주파 전원으로부터 출력되는 고주파 전압과, 직류 전원으로부터 출력되는 직류 전압과, 고주파 전압에 직류 전압이 중첩된 중첩 전압에서 전환한다.

Description

성막 장치{FILM FORMING APPARATUS}
개시의 실시 형태는, 성막 장치에 관한 것이다.
종래, 반도체 집적 회로의 제조에서는, 성막 장치에 의해 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대한 성막이 행하여진다. 성막 장치에서는, 소정의 진공도가 된 챔버(처리 용기) 내에 기판이 배치되고, 챔버 내에 성막 원료 가스가 공급되어 플라즈마가 생성되는 것에 의해, 기판에 대하여 성막이 행하여진다. 성막 기술로서는, 예컨대, 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 ALD(Atomic Layer Deposition) 등이 알려져 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2009-239012호 공보
본 개시는, 동일한 성막 장치에 있어서 성막되는 박막의 막질을 다양하게 제어할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 태양에 의한 성막 장치는, 진공 배기 가능한 처리 용기와, 하부 전극과, 상부 전극과, 가스 공급부와, 전압 인가부와, 전환부를 구비한다. 하부 전극에는, 상기 처리 용기 내에서 피처리 기판이 탑재된다. 상부 전극은, 상기 처리 용기 내에서 상기 하부 전극에 대향하여 배치된다. 가스 공급부는, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이의 처리 공간에서 플라즈마화하는 성막 원료 가스를 상기 처리 공간에 공급한다. 전압 인가부는, 고주파 전원 및 직류 전원을 갖고, 상기 고주파 전원 및 상기 직류 전원 중 적어도 한쪽으로부터 출력되는 전압을 상기 상부 전극에 인가한다. 전환부는, 상기 상부 전극에 인가되는 전압을, 상기 고주파 전원으로부터 출력되는 고주파 전압과, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 직류 전압과, 상기 고주파 전압에 상기 직류 전압이 중첩된 중첩 전압에서 전환한다.
본 개시에 의하면, 동일한 성막 장치에 있어서 성막되는 박막의 막질을 다양하게 제어할 수 있다.
도 1은 실시 형태와 관련되는 성막 장치의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 형태와 관련되는 고주파 전압의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 형태와 관련되는 직류 펄스 전압의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 형태와 관련되는 중첩 전압의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시 형태와 관련되는 성막 처리의 흐름의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6은 실시 형태의 각 플라즈마 생성 조건에 있어서 형성된 TiO2막의 탑 위치, 사이드 위치 및 바텀 위치에 있어서의 WER의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7은 실시 형태의 중첩 전압에 있어서의 DC 펄스 전력과 막 응력의 관계의 일례를 나타낸 도면(1)이다.
도 8은 실시 형태의 중첩 전압에 있어서의 DC 펄스 전력과 막 응력의 관계의 일례를 나타낸 도면(2)이다.
도 9는 실시 형태의 각 플라즈마 생성 조건에 있어서 형성된 TiO2막의 굴절률의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10은 실시 형태의 각 플라즈마 생성 조건에 있어서 형성된 막의 균일성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 11은 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우와 펄스 형상의 직류 전압을 적용한 경우의 전자 밀도의 일례를 나타낸 도면(1)이다.
도 12는 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우와 펄스 형상의 직류 전압을 적용한 경우의 전자 밀도의 일례를 나타낸 도면(2)이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본원이 개시하는 성막 장치의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 개시가 한정되는 것이 아니다. 또한, 도면은 모식적인 것이고, 각 요소의 치수의 관계, 각 요소의 비율 등은, 현실과 상이한 경우가 있는 것에 유의할 필요가 있다. 또한, 도면의 상호간에 있어서도, 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 경우가 있다.
종래, 반도체 집적 회로의 제조에서는, 성막 장치에 의해 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대한 성막이 행하여진다. 성막 장치에서는, 소정의 진공도가 된 챔버(처리 용기) 내에 기판이 배치되고, 챔버 내에 성막 원료 가스가 공급되어 플라즈마가 생성되는 것에 의해, 기판에 대하여 성막이 행하여진다. 성막 기술로서는, 예컨대, 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 ALD(Atomic Layer Deposition) 등이 알려져 있다.
한편, 종래의 기술에서는, 각종 성막 파라미터를 다양하게 변경했다고 하더라도, 동일한 성막 장치에서 성막되는 박막의 막질을 다양하게 제어하는 것은 곤란하다.
그래서, 동일한 성막 장치에 있어서 성막되는 박막의 막질을 다양하게 제어하는 것이 기대되고 있다.
<성막 장치의 구성>
도 1은 실시 형태와 관련되는 성막 장치의 구성의 예를 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 성막 장치(1)는, 예컨대 알루미늄 또는 스테인리스강 등으로 이루어지는 금속제의 처리 용기인 챔버(10)를 갖는다. 챔버(10)는 보안 접지되어 있다.
챔버(10) 내에는, 피처리 기판으로서의 반도체 웨이퍼 W가 탑재되는 원반 형상의 서셉터(12)가, 수평으로 배치되어 있다. 서셉터(12)는, 하부 전극으로서도 기능한다. 챔버(10)의 측벽에는, 반도체 웨이퍼 W의 반입출구를 개폐하는 게이트 밸브(28)가 설치되어 있다. 서셉터(12)는, 예컨대 알루미늄, AlN 세라믹 또는 니켈로 이루어지고, 챔버(10)의 바닥으로부터 연직 위쪽으로 연장되는 절연성의 통 형상 지지부(14)에 지지되어 있다.
통 형상 지지부(14)의 외주를 따라 챔버(10)의 바닥으로부터 연직 위쪽으로 연장되는 도전성의 통 형상 지지부(내벽부)(16)와 챔버(10)의 측벽의 사이에는, 고리 형상의 배기로(18)가 형성되어 있다. 배기로(18)의 바닥에는 배기구(22)가 마련되어 있다.
배기구(22)에는 배기관(24)을 거쳐서 배기 장치(26)가 접속되어 있다. 배기 장치(26)는, 예컨대 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있고, 챔버(10) 내의 처리 공간을 소망하는 진공도까지 감압한다. 챔버(10) 내는, 예컨대, 500mTorr~5000mTorr의 범위의 일정한 압력으로 유지되는 것이 바람직하다.
하부 전극으로서 이용되는 서셉터(12)와 접지의 사이에는, 코일(101)과 콘덴서(102)를 갖는 임피던스 조정 회로(100)가 접속봉(36)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 이 임피던스 조정 회로는, 가변 코일과 고정 콘덴서, 또는 고정 코일과 가변 콘덴서의 조합으로 사용한다. 고주파 전원의 주파수가 수 ㎒ 이하이면 전자, 수 ㎒ 이상이면 후자를 사용한다. 예컨대 고주파 전원의 주파수가 13.56㎒인 경우는 고정 코일과 가변 콘덴서로 이루어지는 임피던스 조정 회로를 사용한다.
서셉터(12)의 위에는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼 W가 탑재되고, 반도체 웨이퍼 W를 둘러싸도록 링(38)이 마련되어 있다. 링(38)은, 프로세스에 대한 악영향이 적은 도전재(예컨대 니켈 또는 알루미늄 등)로 이루어지고, 서셉터(12)의 상면에 탈착 가능하게 설치된다.
서셉터(12)의 상면에는, 웨이퍼 흡착용의 정전 척(40)을 마련하더라도 좋다. 정전 척(40)은, 막 형상 또는 판 형상의 유전체의 사이에 시트 형상 또는 메시 형상의 도전체를 두어 형성된다.
정전 척(40) 내의 도전체에는, 챔버(10)의 밖에 배치되는 직류 전원(42)이 온/오프 전환 스위치(44) 및 급전선(46)을 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 직류 전원(42)으로부터 인가되는 직류 전압에 의해 정전 척(40)에 발생한 쿨롱력에 의해, 반도체 웨이퍼 W가 정전 척(40) 상에 흡착 유지된다.
서셉터(12)의 내부에는, 원주 방향으로 연장되는 고리 형상의 냉매실(48)이 마련되어 있다. 냉매실(48)에는, 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(50, 52)을 거쳐서, 소정 온도의 냉매(예컨대 냉각수)가 순환 공급된다. 그리고, 이러한 냉매의 온도에 의해, 정전 척(40) 상의 반도체 웨이퍼 W의 온도가 제어된다.
또한, 웨이퍼 온도의 정밀도를 한층 높이기 위해, 전열 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 전열 가스(예컨대 He 가스)가, 가스 공급관(51) 및 서셉터(12) 내의 가스 통로(56)를 거쳐서, 정전 척(40)과 반도체 웨이퍼 W의 사이에 공급된다.
챔버(10)의 천정에는, 서셉터(12)와 평행하게 마주 보아(다시 말해, 대향하여), 원반 형상의 내측 상부 전극(60) 및 링 형상의 외측 상부 전극(62)이 동심 형상으로 마련되어 있다.
지름 방향의 적합한 사이즈로서, 내측 상부 전극(60)은 반도체 웨이퍼 W와 동일한 정도의 구경(직경)을 갖고, 외측 상부 전극(62)은 링(38)과 동일한 정도의 구경(내경ㆍ외경)을 갖고 있다. 단, 내측 상부 전극(60)과 외측 상부 전극(62)은 서로 전기적(보다 정확하게는 DC적)으로 절연되어 있다. 내측 상부 전극(60) 및 외측 상부 전극(62)의 사이에는, 예컨대 세라믹으로 이루어지는 링 형상의 절연체(63)가 삽입되어 있다.
내측 상부 전극(60)은, 서셉터(12)와 바로 정면으로 마주 보는 전극판(64)과, 전극판(64)을 그 배후(위쪽)로부터 탈착 가능하게 지지하는 전극 지지체(66)를 갖고 있다. 전극판(64)의 재질로서는, 니켈 또는 알루미늄 등의 도전재가 바람직하다.
전극 지지체(66)는, 예컨대 알루마이트 처리된 알루미늄 또는 니켈로 구성된다. 외측 상부 전극(62)도, 서셉터(12)와 마주 보는 전극판(68)과, 전극판(68)을 그 배후(위쪽)로부터 탈착 가능하게 지지하는 전극 지지체(70)를 갖고 있다.
전극판(68) 및 전극 지지체(70)는, 전극판(64) 및 전극 지지체(66)와 각각 동일한 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 이하에서는, 내측 상부 전극(60)과 외측 상부 전극(62)을 "상부 전극(60, 62)"이라고 총칭하는 일이 있다. 이와 같이, 성막 장치(1)에서는, 원반 형상의 서셉터(12)(다시 말해, 하부 전극)와, 원반 형상의 상부 전극(60, 62)이 서로 평행하게 대향하고 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 상부 전극(60, 62)이, 내측 상부 전극(60)과 외측 상부 전극(62)의 2개의 부재로 구성되는 경우를 일례로서 들었다. 그러나, 상부 전극은 1개의 부재로 구성되더라도 좋다.
상부 전극(60, 62)과 서셉터(12)의 사이에 설정되는 처리 공간 PS에 성막 원료 가스를 공급하기 위해, 내측 상부 전극(60)이 샤워 헤드로서 겸용된다. 보다 상세하게는, 전극 지지체(66)의 내부에 가스 확산실(72)이 마련되고, 가스 확산실(72)로부터 서셉터(12) 측으로 관통할 수 있는 다수의 가스 토출 구멍(74)이 전극 지지체(66) 및 전극판(64)에 형성된다.
가스 확산실(72)의 상부에 마련되는 가스 도입구(72a)에는, 원료 가스 공급부(76)로부터 연장되는 가스 공급관(78)이 접속되어 있다. 또, 내측 상부 전극(60)뿐만 아니라 외측 상부 전극(62)에도 샤워 헤드를 마련하는 구성으로 하더라도 좋다.
챔버(10)의 밖에는, 인가 전압을 출력하는 전압 인가부(5)가 배치되어 있다. 전압 인가부(5)는, 급전 라인(88)을 거쳐서 상부 전극(60, 62)에 접속되어 있다. 전압 인가부(5)는, 고주파 전원(30)과, 매칭 유닛(34)과, 가변 직류 전원(80)과, 펄스 발생기(84)와, 필터(86)와, 중첩기(91)와, 온/오프 전환 스위치(92, 93)를 갖는다.
고주파 전원(30)은, 플라즈마의 생성에 기여하는 고주파수의 교류 전압(이하에서는 "고주파 전압"이라고 부르는 일이 있다)을 생성하고, 생성한 고주파 전압을 매칭 유닛(34) 및 온/오프 전환 스위치(92)를 거쳐서 중첩기(91)에 공급한다.
온/오프 전환 스위치(92)가 온이 되어 있을 때는, 고주파 전압이 중첩기(91)에 공급되는 한편, 온/오프 전환 스위치(92)가 오프가 되어 있을 때는, 고주파 전압이 중첩기(91)에 공급되지 않는다. 고주파 전원(30)이 생성하는 고주파 전압의 주파수는, 예컨대 400㎑ 이상인 것이 바람직하다.
도 2는 실시 형태와 관련되는 고주파 전압의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 고주파 전원(30)은, 예컨대, 0V를 기준 전위 RP로 하는 -250V~250V의 고주파 전압 V1을 생성한다. 매칭 유닛(34)은, 고주파 전원(30) 측의 임피던스와 부하(주로 전극, 플라즈마, 챔버) 측의 임피던스의 사이의 정합을 취한다.
가변 직류 전원(80)의 출력 단자는 펄스 발생기(84)에 접속되고, 가변 직류 전원(80)은, 음의 직류 전압(다시 말해 음의 DC 전압)을 펄스 발생기(84)에 출력한다. 펄스 발생기(84)는, 가변 직류 전원(80)으로부터 입력되는 음의 직류 전압을 이용하여, 구형파의 직류 펄스 전압(다시 말해 DC 펄스 전압)을 발생시키고, 발생시킨 직류 펄스 전압을 필터(86) 및 온/오프 전환 스위치(93)를 거쳐서 중첩기(91)에 공급한다.
온/오프 전환 스위치(93)가 온이 되어 있을 때는, 직류 전압이 중첩기(91)에 공급되는 한편, 온/오프 전환 스위치(93)가 오프가 되어 있을 때는, 직류 전압이 중첩기(91)에 공급되지 않는다.
펄스 발생기(84)가 발생시키는 직류 펄스 전압의 주파수는, 예컨대, 10㎑~1㎒인 것이 바람직하다. 또한, 펄스 발생기(84)가 발생시키는 직류 펄스 전압의 듀티비는, 10%~90%인 것이 바람직하다. 또, 펄스 발생기(84)는, 펄스 형상이 아닌 일정한 직류 전압을 출력할 수도 있다. 이러한 일정한 직류 전압을 출력하는 예에 대해서는 후술한다.
도 3은 실시 형태와 관련되는 직류 펄스 전압의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 펄스 발생기(84)는, 예컨대, -500V~0V의 구형파의 직류 펄스 전압 V2를 생성한다. 필터(86)는, 펄스 발생기(84)로부터 출력되는 직류 펄스 전압을 통과시켜 중첩기(91)에 출력하는 한편, 고주파 전원(30)으로부터 출력되는 고주파 전압을 접지 라인에 흘리고 펄스 발생기(84) 측으로는 흘리지 않도록 구성되어 있다.
중첩기(91)는, 고주파 전원(30)으로부터 출력되는 고주파 전압과, 펄스 발생기(84)로부터 출력되는 직류 펄스 전압을 중첩하는 것에 의해, 고주파 전압과 직류 펄스 전압이 중첩된 전압(이하에서는 "중첩 전압"이라고 부르는 일이 있다)을 생성한다. 생성된 중첩 전압은, 급전 라인(88)을 거쳐서 상부 전극(60, 62)에 인가된다.
도 4는 실시 형태와 관련되는 중첩 전압의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 고주파 전압 V1과 도 3에 나타내는 직류 펄스 전압 V2가 중첩된 경우, 도 4에 나타내는 중첩 전압 V3이 생성된다.
고주파 전압에 직류 펄스 전압이 중첩되는 것에 의해, 도 4에 나타내는 바와 같이, 중첩 전압 V3에 있어서는, 구형파의 직류 펄스 전압 V2(도 3)의 파형에 맞추어, 고주파 전압 V1(도 2)의 기준 전위 RP가 시간의 경과에 따라 상하로 교대로 변화한다. 다시 말해, 전압 인가부(5)는, 온/오프 전환 스위치(92) 및 온/오프 전환 스위치(93)가 온이 되어 있는 경우에는, 중첩기(91)로부터, 펄스 형상(다시 말해, 구형파 형상)으로 변화하는 고주파 전압을 출력한다.
성막 장치(1)의 전압 인가부(5)에는, 전환부(6)가 접속된다. 전환부(6)는, 온/오프 전환 스위치(92, 93)를 제어하는 것에 의해, 상부 전극(60, 62)에 인가되는 전압을, 상술한 고주파 전압과, 직류 펄스 전압과, 중첩 전압에서 전환한다.
구체적으로는, 전환부(6)는, 온/오프 전환 스위치(92, 93)를 양쪽 모두 온으로 제어하는 것에 의해, 고주파 전압 및 직류 펄스 전압을 중첩기(91)에 공급하여, 중첩기(91)로부터 중첩 전압을 출력시킬 수 있다. 또한, 전환부(6)는, 온/오프 전환 스위치(92)를 온으로 제어하고, 온/오프 전환 스위치(93)를 오프로 제어하는 것에 의해, 고주파 전압만을 중첩기(91)에 공급하여, 중첩기(91)로부터 고주파 전압을 출력시킬 수 있다.
또한, 전환부(6)는, 온/오프 전환 스위치(92)를 오프로 제어하고, 온/오프 전환 스위치(93)를 온으로 제어하는 것에 의해, 직류 펄스 전압만을 중첩기(91)에 공급하여, 중첩기(91)로부터 직류 펄스 전압을 출력시킬 수 있다.
또한, 챔버(10) 내에서 처리 공간 PS에 면하는 적당한 개소(예컨대, 외측 상부 전극(62)의 반경 방향 외측)에는, 예컨대 니켈 또는 알루미늄 등의 도전성 부재로 이루어지는 링 형상의 그라운드 파츠(96)가 설치되어 있다.
그라운드 파츠(96)는, 예컨대 세라믹으로 이루어지는 링 형상의 절연체(98)에 설치됨과 아울러, 챔버(10)의 천정벽에 접속되어 있고, 챔버(10)를 거쳐서 접지되어 있다. 플라즈마 처리 중에 전압 인가부(5)로부터 상부 전극(60, 62)에 중첩 전압이 인가되면, 플라즈마를 통해서 상부 전극(60, 62)과 그라운드 파츠(96)의 사이에서 전자 전류가 흐르게 되어 있다.
성막 장치(1) 내의 각 구성(예컨대, 배기 장치(26), 고주파 전원(30), 전환부(6), 원료 가스 공급부(76), 칠러 유닛, 전열 가스 공급부 등)의 개개의 동작, 및, 성막 장치(1) 전체의 동작(시퀀스)은, 제어부(도시하지 않음)에 의해 제어된다. 이러한 제어부는, 예컨대 마이크로컴퓨터로 이루어진다.
<성막 장치에서의 성막 처리>
계속하여, 성막 장치(1)에 있어서의 성막 처리의 흐름에 대하여, 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 5는 실시 형태와 관련되는 성막 처리의 흐름을 나타내는 타이밍 차트이다.
성막 장치(1)에 있어서 성막을 행하려면, 우선 게이트 밸브(28)를 열린 상태로 하여 처리 대상의 반도체 웨이퍼 W를 챔버(10) 내에 반입하여, 서셉터(12) 또는 정전 척(40)의 위에 탑재한다. 정전 척(40)에 탑재하는 경우, 온/오프 전환 스위치(44)를 온으로 하고, 정전 흡착력에 의해 정전 척(40) 상에 반도체 웨이퍼 W를 흡착 유지한다. 또한, 정전 척(40)과 반도체 웨이퍼 W의 사이에 전열 가스를 공급한다.
그리고, 도 5에 나타내는 바와 같이, 원료 가스 공급부(76)로부터 성막 원료 가스인 원료 가스 및 퍼지 가스를 소정의 유량으로 챔버(10) 내에 도입하고, 배기 장치(26)에 의해 챔버(10) 내의 압력을 설정치로 조절한다(스텝 S1).
예컨대, TiO2를 성막하는 경우, 원료 가스로서는, 테트라키스다이메틸아미노타이타늄(TDMAT) 가스가 바람직하다. 한편, 사염화타이타늄(TiCl4), 테트라(이소프로폭시)타이타늄(TTIP), 사브롬화타이타늄(TiBr4), 사요오드화타이타늄(TiI4), 테트라키스에틸메틸아미노타이타늄(TEMAT) 등의 다른 Ti 함유 가스를 이용할 수도 있다.
또한, 퍼지 가스로서는, 예컨대, Ar 가스 및 O2 가스의 혼합 가스(이하, Ar/O2 가스라고 부르는 일이 있다) 등이 이용된다.
다음으로, 원료 가스의 공급을 정지한다(스텝 S2). 이것에 의해, Ar/O2 가스로 반도체 웨이퍼 W의 표면이 퍼지되고, 반도체 웨이퍼 W의 표면에 부착된 여분의 원료 가스의 분자가 제거된다.
다음으로, 고주파 전원(30) 및 가변 직류 전원(80)을 이용하여, 소정의 전압을 상부 전극(60, 62)에 인가하고, 처리 공간 PS에 플라즈마를 생성한다(스텝 S3). 상부 전극(60, 62)과 하부 전극으로서 이용되는 서셉터(12)의 사이에서의 방전에 의해 산소 분자가 플라즈마화하고, 이 플라즈마로 생성되는 산소 라디칼이나 산소 이온과, 반도체 웨이퍼 W 표면에 흡착된 원료 가스의 분자가 반응한다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼 W 표면에 TiO2의 피막이 생성된다.
다음으로, 처리 공간 PS 내의 플라즈마 생성을 정지한다(스텝 S4). 이것에 의해, Ar/O2 가스로 반도체 웨이퍼 W의 표면이 퍼지되고, 여분의 TiO2의 분자가 제거된다. 이것에 의해, 원자층 1층분의 TiO2막이 형성된다. 그리고, 여기까지 설명한 스텝 S1~S4의 처리를 반복하는 것에 의해, 소망하는 막 두께를 갖는 TiO2막을 반도체 웨이퍼 W의 표면에 형성할 수 있다.
예컨대, 도 5에 나타내는 바와 같이, 스텝 S1을 0.4초 행하고, 스텝 S2를 0.4초 행하고, 스텝 S3을 0.4초 행하고, 스텝 S4를 0.1초 행하는 것에 의해, 반도체 웨이퍼 W의 표면에 TiO2막을 형성할 수 있다. 또, 스텝 S1~S4의 실시 시간은 이러한 예로 한정되지 않는다.
<실험 결과>
계속하여, 성막 장치(1)를 이용하여 다양한 조건으로 성막한 TiO2막의 각종 특성에 관한 실험 결과에 대하여, 도 6~도 10을 참조하면서 설명한다. 도 6은 실시 형태의 각 플라즈마 생성 조건에 있어서 형성된 TiO2막의 탑 위치, 사이드 위치 및 바텀 위치에 있어서의 WER(Wet Etching Rate)을 나타낸 도면이다.
이 실험 결과는, 반도체 웨이퍼 W 상에 직사각형 형상의 볼록부를 복수 나란히 형성하고, 이러한 볼록부 상에 TiO2막을 형성한 경우의 WER을 나타내고 있다. 또한, 이러한 WER은, 볼록부의 상면(이하, 탑 위치라고 부르는 일이 있다)과, 볼록부의 측면(이하, 사이드 위치라고 부르는 일이 있다)과, 인접하는 볼록부 사이의 저면(이하, 바텀 위치라고 부르는 일이 있다)에 대하여 각각 평가했다.
또한, 이 실험 결과에 있어서의 TiO2막의 성막은, 상술한 스텝 S3의 실시 시간 0.4초, 압력 0.5Torr로 행하고, 임피던스 조정 회로(100)를 동작시키지 않고 반도체 웨이퍼 W를 접지시킨 상태에서 행하였다.
그리고, 스텝 S3에 있어서의 플라즈마 생성을, 상부 전극(60, 62)에 고주파 전압(RF 200W)을 투입한 경우와, 중첩 전압(RF 200W+DC 330V)을 투입한 경우와, 직류 펄스 전압(DC 410V)을 투입한 경우에서 비교하였다. 또, 고주파 전압의 주파수는 13.56㎒이고, DC 펄스 전압의 주파수는 500㎑, 듀티비는 50%이다(이하 마찬가지).
도 6에 나타내는 바와 같이, 플라즈마를 고주파 전압(도면에서는 "RF"라고 기재)으로 생성하는 것에 의해, 탑 위치와, 사이드 위치와, 바텀 위치의 WER을 대략 균등하게 맞출 수 있다. 즉, 실시 형태에서는, 플라즈마를 고주파 전압으로 생성하는 것에 의해, 요철이 있는 반도체 웨이퍼 W의 표면에 WER이 대략 균등한 TiO2막을 형성할 수 있다.
또한, 플라즈마를 중첩 전압(도면에서는 "RF+DC"라고 기재)으로 생성하는 것에 의해, 탑 위치 및 바텀 위치에 비하여, 사이드 위치의 WER을 작게 할 수 있다. 즉, 실시 형태에서는, 플라즈마를 중첩 전압으로 생성하는 것에 의해, 더블 패터닝 프로세스의 스페이서에 TiO2막을 적용하는 경우에, 마스크로서 이용하는 사이드 위치의 TiO2막을 보다 남기기 쉽게 할 수 있다.
또한, 플라즈마를 직류 펄스 전압(도면에서는 "DC"라고 기재)으로 생성하는 것에 의해, 탑 위치 및 바텀 위치에 비하여, 사이드 위치의 WER을 크게 할 수 있다. 즉, 실시 형태에서는, 플라즈마를 직류 펄스 전압으로 생성하는 것에 의해, 요철이 있는 반도체 웨이퍼 W의 탑 위치와 바텀 위치에 선택적으로 TiO2막을 형성하는 경우에, 효율적으로 TiO2막을 형성할 수 있다.
여기까지 설명한 바와 같이, 실시 형태에 의하면, 상부 전극(60, 62)에 투입되는 전압을, 전환부(6)에서 고주파 전압, 중첩 전압 또는 직류 펄스 전압으로 전환하는 것에 의해, 동일한 성막 장치(1)에 있어서 성막되는 박막의 WER을 다양하게 제어할 수 있다.
또, 투입되는 전압의 종류에 의해 박막의 WER이 크게 변화하는 것은, 플라즈마 중의 이온이나 라디칼의 입사 분포 및 플럭스가, 수평면(=탑 위치나 바텀 위치)과 수직면(=사이드 위치)에 있어서 투입되는 전압의 종류에 따라 크게 바뀌는 것이 요인이라고 추측된다.
도 7은 실시 형태의 중첩 전압에 있어서의 DC 펄스 전력과 막 응력의 관계를 나타낸 도면(1)이다. 이 실험 결과는, 평탄한 반도체 웨이퍼 W 상에 TiO2막을 형성한 경우의 막 응력을 나타내고 있다. 또, 이러한 TiO2막의 막 응력은, 더블 패터닝 프로세스의 스페이서에 TiO2막을 적용하는 경우의 중요한 파라미터이다.
이 실험 결과에 있어서의 TiO2막의 성막은, 스텝 S3의 실시 시간 0.4초, 압력 0.5Torr 및 2Torr로 행하고, 임피던스 조정 회로(100)를 동작시키지 않고 반도체 웨이퍼 W를 접지시킨 상태에서 행하였다. 그리고, 중첩 전압을 RF 200W 일정하게, DC 펄스 전압을 다양하게 변화시켜 상부 전극(60, 62)에 인가하여 플라즈마 생성을 행하고, 이러한 변화시킨 각 직류 펄스 전압에서의 막 응력을 플롯하였다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 압력이 2Torr인 경우에서, 직류 펄스 전력을 제로, 즉 플라즈마를 고주파 전압으로 생성하는 것에 의해, 막 응력을 tensile(플러스 측)로 할 수 있다. 한편, 동일한 조건으로 직류 펄스 전력을 인가, 즉 플라즈마를 중첩 전압으로 생성하는 것에 의해, 막 응력을 compressive(마이너스 측)로 할 수 있다.
이와 같이, 실시 형태에 의하면, 상부 전극(60, 62)에 투입되는 전압을, 전환부(6)에서 고주파 전압 또는 중첩 전압으로 전환하는 것에 의해, 동일한 성막 장치(1)에 있어서 성막되는 박막의 막 응력을 다양하게 제어할 수 있다.
도 8은 실시 형태의 중첩 전압에 있어서의 DC 펄스 전력과 막 응력의 관계를 나타낸 도면(2)이다. 이 실험 결과는, 임피던스 조정 회로(100)를 동작시켜 반도체 웨이퍼 W를 플로팅 상태로 한 것 이외에는 도 7의 실험 결과와 동일한 조건으로 TiO2막을 성막한 경우의 결과이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 직류 펄스 전력을 제로, 즉 플라즈마를 고주파 전압으로 생성하는 것에 의해, 어느 압력에서도 도 7의 예에 비하여 막 응력을 보다 tensile(플러스 측)로 할 수 있다. 또한, 동일한 조건으로 직류 펄스 전력을 인가, 즉 플라즈마를 중첩 전압으로 생성하는 것에 의해, 막 응력을 단계적으로 compressive(마이너스 측)로 제어할 수 있다.
이와 같이, 실시 형태에 의하면, 임피던스 조정 회로(100)를 동작시키는 것에 의해, 동일한 성막 장치(1)에 있어서 성막되는 박막의 막 응력을 더욱 다양하게 제어할 수 있다.
도 9는 실시 형태의 각 플라즈마 생성 조건에 있어서 형성된 TiO2막의 굴절률을 나타낸 도면이다. 이 실험 결과는, 평탄한 반도체 웨이퍼 W 상에 TiO2막을 형성한 경우의 굴절률을 나타내고 있다.
또한, 이 실험 결과에 있어서의 TiO2막의 성막은, 스텝 S3의 실시 시간 0.4초, 압력 0.5Torr 및 2Torr로 행하고, 임피던스 조정 회로(100)를 동작시키지 않고 반도체 웨이퍼 W를 접지시킨 상태에서 행하였다.
그리고, 스텝 S3에 있어서의 플라즈마 생성을, 상부 전극(60, 62)에 고주파 전압(RF 200W)을 투입한 경우와, 중첩 전압(RF 200W+DC 330V)을 투입한 경우와, 직류 펄스 전압(DC 410V)을 투입한 경우에서 비교하였다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 투입되는 전압의 종류 및 압력을 바꾸어 플라즈마를 생성하는 것에 의해, 파장 633㎚에 있어서의 TiO2막의 굴절률을 2.23으로부터 2.39까지 다양하게 제어할 수 있다.
이와 같이, 실시 형태에 의하면, 상부 전극(60, 62)에 투입되는 전압을, 전환부(6)에서 고주파 전압, 중첩 전압 또는 직류 펄스 전압으로 전환하는 것에 의해, 동일한 성막 장치(1)에 있어서 성막되는 박막의 굴절률을 다양하게 제어할 수 있다.
도 10은 실시 형태의 각 플라즈마 생성 조건에 있어서 형성된 막의 균일성을 나타낸 도면이고, 도 9에 나타낸 예와 동일한 조건으로 반도체 웨이퍼 W 상에 TiO2막을 형성한 경우의 균일성을 1σ의 값으로 나타내고 있다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 압력이 2Torr인 경우에서, 플라즈마를 중첩 전압 또는 직류 펄스 전압으로 생성하는 것에 의해, 플라즈마를 고주파 전압으로 생성하는 경우에 비하여 막의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 압력이 0.5Torr인 경우에서도, 플라즈마를 직류 펄스 전압으로 생성하는 것에 의해, 플라즈마를 고주파 전압으로 생성하는 경우에 비하여 막의 균일성을 향상시킬 수 있다.
<일정한 직류 전압의 적용에 대하여>
계속하여, 고주파 전압과의 중첩 전압에 펄스 형상의 직류 전압(즉, 직류 펄스 전압)을 적용한 경우와, 일정한 직류 전압을 적용한 경우의 비교에 대하여, 도 11 및 도 12를 참조하면서 설명한다.
상술한 바와 같이, 가변 직류 전원(80)에 접속된 펄스 발생기(84)는, 펄스 형상 외에 일정한 직류 전압을 출력할 수도 있는 것으로부터, 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용할 수 있다. 그래서, 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우와, 직류 펄스 전압을 적용한 경우의 효과의 차이에 대하여 이하에 검증한다.
도 11은 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우와 펄스 형상의 직류 전압을 적용한 경우의 전자 밀도를 나타낸 도면(1)이다. 구체적으로는, 도 11은 이러한 양쪽의 경우에 있어서, 직류 전력을 300W로 일정하게 하고 고주파 전력을 변화시켰을 때의 전자 밀도를 플라즈마 계측으로 평가한 결과에 대하여 나타내고 있다. 또, 도 11 및 도 12에는, 이해를 쉽게 하기 위해, 고주파 전압만을 인가한 경우의 플라즈마 계측 결과도 나타내고 있다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 고주파 전압만을 인가한 경우에 비하여, 고주파 전압과의 중첩 전압에 펄스 형상의 직류 전압을 적용하는 것에 의해, 플라즈마 중의 전자 밀도를 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우에도, 펄스 형상의 직류 전압을 적용한 경우와 동등한 전자 밀도를 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 12는 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우와 펄스 형상의 직류 전압을 적용한 경우의 전자 밀도를 나타낸 도면(2)이고, 이러한 양쪽의 경우에 있어서의 전자 밀도의 면 내 분포에 대하여 나타내고 있다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우에도, 펄스 형상의 직류 전압을 적용한 경우와 동등한 면 내 분포를 얻을 수 있다.
이와 같이, 실시 형태에서는, 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용한 경우에, 직류 펄스 전압을 적용한 경우와 동등한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 실시 형태에 의하면, 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용하는 것에 의해, 동일한 성막 장치에 있어서 성막되는 박막의 막질을 다양하게 제어할 수 있다.
또한, 고주파 전압과의 중첩 전압에 일정한 직류 전압을 적용하는 것에 의해, 전압 인가부(5)의 펄스 발생기(84)를 불필요하게 할 수 있는 것으로부터, 성막 장치(1)의 제조 비용을 저감할 수 있다.
이상과 같이, 실시 형태에서는, 성막 장치(1)는, 진공 배기 가능한 챔버(10)와, 하부 전극으로서 이용되는 서셉터(12), 상부 전극(60, 62)과, 원료 가스 공급부(76)와, 전압 인가부(5)와, 전환부(6)를 갖는다. 서셉터(12)에는 피처리 기판이 탑재된다. 상부 전극(60, 62)은, 챔버(10) 내에서 서셉터(12)에 대향하여 배치된다. 원료 가스 공급부(76)는, 상부 전극(60, 62)과 서셉터(12)의 사이의 처리 공간 PS에서 플라즈마화하는 성막 원료 가스를 처리 공간 PS에 공급한다. 전압 인가부(5)는, 고주파 전원(30) 및 가변 직류 전원(80)을 갖고, 고주파 전원(30) 및 가변 직류 전원(80) 중 적어도 한쪽으로부터 출력되는 전압을 상부 전극(60, 62)에 인가한다. 전환부(6)는, 상기 전압 인가부(5)로부터 상부 전극(60, 62)에 출력되는 상기 전압을, 고주파 전원(30)으로부터 출력되는 고주파 전압과, 가변 직류 전원(80)으로부터 출력되는 직류 전압과, 고주파 전압에 직류 전압이 중첩된 중첩 전압에서 전환한다.
이렇게 함으로써, 동일한 성막 장치(1)에 있어서 성막되는 박막의 막질을 다양하게 제어할 수 있다.
또한, 실시 형태에서는, 성막 장치(1)는, 서셉터(12)와 접지의 사이에 접속된 임피던스 조정 회로(100)를 갖는다. 이렇게 함으로써, 동일한 성막 장치(1)에 있어서 성막되는 박막의 막 응력을 더욱 다양하게 제어할 수 있다.
또한, 실시 형태에서는, 가변 직류 전원(80)으로부터 출력되는 직류 전압은 펄스 형상이다. 이렇게 함으로써, 반도체 웨이퍼 W 상에 형성되는 막의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시 형태에서는, 가변 직류 전원(80)으로부터 출력되는 직류 전압은 일정하다. 이렇게 함으로써, 성막 장치(1)의 제조 비용을 저감할 수 있다.
이상, 본 개시의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 본 개시는 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 다양한 변경이 가능하다. 예컨대, 상기의 실시 형태에서는, 스텝 S1~S4의 처리를 반복하여 1층의 막을 성막할 때에는, 투입되는 전압의 종류를 고정하여 성막한 예에 대하여 나타냈지만, 스텝 S1~S4의 처리를 반복할 때에 투입되는 전압의 종류를 적당히 변경하더라도 좋다.
예컨대, 성막 처리의 전반에서는 고주파 전압으로 플라즈마 생성하여 막 응력이 tensile인 막을 성막하고, 성막 처리의 후반에서는 중첩 전압으로 플라즈마 생성하여 막 응력이 compressive인 막을 성막하더라도 좋다. 이것에 의해, 막 응력을 전체적으로 제로에 가깝게 할 수 있다.
또, 본 개시의 실시 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 실제로, 상기의 실시 형태는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 상기의 실시 형태는, 특허 청구의 범위 및 그 취지를 일탈하는 일 없이, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되더라도 좋다.
W : 반도체 웨이퍼(피처리 기판의 일례)
1 : 성막 장치
5 : 전압 인가부
6 : 전환부
10 : 챔버
12 : 서셉터(하부 전극의 일례)
30 : 고주파 전원
60, 62 : 상부 전극
76 : 원료 가스 공급부
80 : 가변 직류 전원(직류 전원의 일례)
100 : 임피던스 조정 회로
PS : 처리 공간

Claims (4)

  1. 진공 배기 가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에서 피처리 기판이 탑재되는 하부 전극과,
    상기 처리 용기 내에서 상기 하부 전극에 대향하여 배치되는 상부 전극과,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이의 처리 공간에서 플라즈마화하는 성막 원료 가스를 상기 처리 공간에 공급하는 가스 공급부와,
    플라즈마 생성용의 고주파 전원 및 직류 전원을 갖고, 상기 고주파 전원 및 상기 직류 전원 중 적어도 한쪽으로부터 출력되는 전압을 상기 상부 전극에 인가하는 전압 인가부와,
    상기 전압 인가부로부터 상부 전극에 출력되는 상기 전압을, 상기 고주파 전원으로부터 출력되는 고주파 전압과, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 직류 전압과, 상기 고주파 전압에 상기 직류 전압이 중첩된 중첩 전압에서 전환하여 성막되는 박막의 막질을 제어하는 전환부
    를 구비하는 성막 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극과 접지의 사이에 접속된 임피던스 조정 회로를 더 구비하는 성막 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 직류 전원으로부터 출력되는 직류 전압은 펄스 형상인 성막 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 직류 전원으로부터 출력되는 직류 전압은 일정한 성막 장치.
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