KR102307267B1 - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

저저항의 금속 질화막을 형성할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 따른 성막 방법은, 기판을 수용하는 처리 용기 내에 금속 함유 가스를 공급하는 제1 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제2 공정과, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 가스를 공급하는 제3 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제4 공정을 소정 사이클 반복하여, 상기 기판 상에 금속 질화막을 형성하는 성막 방법이며, 상기 제4 공정은, 상기 제1 공정의 상기 금속 함유 가스의 유량 이상의 제1 유량의 제1 퍼지 가스를 공급하는 제1 스텝과, 상기 제1 유량보다 작은 제2 유량의 상기 제1 퍼지 가스를 공급하거나, 또는 상기 제1 퍼지 가스를 공급하지 않는 제2 스텝을 갖는다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM-FORMING METHOD AND FILM-FORMING APPARATUS}
본 개시는, 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
처리 용기 내에 퍼지 가스인 N2 가스를 상시 공급하고, TiCl4 가스와 NH3 가스를 교대로 또한 간헐적으로 공급함으로써, 기판 상에 TiN막을 형성하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2015-78418호 공보
본 개시는, 저저항의 금속 질화막을 형성할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 따른 성막 방법은, 기판을 수용하는 처리 용기 내에 금속 함유 가스를 공급하는 제1 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제2 공정과, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 가스를 공급하는 제3 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제4 공정을 소정 사이클 반복하여, 상기 기판 상에 금속 질화막을 형성하는 성막 방법이며, 상기 제4 공정은, 상기 제1 공정의 상기 금속 함유 가스의 유량 이상의 제1 유량의 제1 퍼지 가스를 공급하는 제1 스텝과, 상기 제1 유량보다 작은 제2 유량의 제1 퍼지 가스를 공급하거나, 또는 상기 제1 퍼지 가스를 공급하지 않는 제2 스텝을 갖는다.
본 개시에 따르면, 저저항의 금속 질화막을 형성할 수 있다.
도 1은, 성막 장치의 구성예를 도시하는 개략도.
도 2는, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면.
도 3은, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 다른 예를 도시하는 도면.
도 4는, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 또 다른 예를 도시하는 도면.
도 5는, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 비교예를 도시하는 도면.
도 6은, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 다른 비교예를 도시하는 도면.
도 7은, TiN막의 막 두께와 저항률의 관계를 도시하는 도면.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대하여 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일하거나 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일하거나 또는 대응하는 참조 부호를 붙여, 중복되는 설명을 생략한다.
[성막 장치]
본 개시의 일 실시 형태에 관한 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 1은, 성막 장치의 구성예를 도시하는 개략도이다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 성막 장치는, 처리 용기(1), 기판 적재대(2), 샤워 헤드(3), 배기부(4), 처리 가스 공급 기구(5), 제어 장치(6)를 갖는다.
처리 용기(1)는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되고, 대략 원통형을 갖는다. 처리 용기(1)의 측벽에는 기판의 일례인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼(W)」라고 함)를 반입 또는 반출하기 위한 반입출구(11)가 형성되고, 반입출구(11)는 게이트 밸브(12)로 개폐 가능하게 되어 있다. 처리 용기(1)의 본체 상에는, 단면이 직사각 형상을 이루는 원환형의 배기 덕트(13)가 마련되어 있다. 배기 덕트(13)에는, 내주면을 따라 슬릿(13a)이 형성되어 있다. 또한, 배기 덕트(13)의 외벽에는 배기구(13b)가 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 상면에는 처리 용기(1)의 상부 개구를 막도록 천장벽(14)이 마련되어 있다. 천장벽(14)과 배기 덕트(13)의 사이는 시일 링(15)으로 기밀하게 시일되어 있다.
기판 적재대(2)는, 처리 용기(1) 내에서 웨이퍼(W)를 수평으로 지지한다. 기판 적재대(2)는, 웨이퍼(W)에 대응한 크기의 원판형을 이루고, 지지 부재(23)에 지지되어 있다. 기판 적재대(2)는, 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹스 재료나, 알루미늄이나 니켈기 합금 등의 금속 재료로 구성되어 있고, 내부에 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터(21)가 매립되어 있다. 히터(21)는, 히터 전원(도시하지 않음)으로부터 급전되어 발열한다. 그리고, 기판 적재대(2)의 상면의 웨이퍼 적재면 근방에 마련된 열전대(도시하지 않음)의 온도 신호에 의해 히터(21)의 출력을 제어함으로써, 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 제어하도록 되어 있다.
기판 적재대(2)에는, 웨이퍼 적재면의 외주 영역, 및 기판 적재대(2)의 측면을 덮도록 알루미나 등의 세라믹스를 포함하는 커버 부재(22)가 마련되어 있다.
지지 부재(23)는, 기판 적재대(2)의 저면 중앙으로부터 처리 용기(1)의 저벽에 형성된 구멍부를 관통하여 처리 용기(1)의 하방으로 연장되고, 그 하단이 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 승강 기구(24)에 의해 기판 적재대(2)가 지지 부재(23)를 통하여, 도 1에서 도시하는 처리 위치와, 그 하방의 이점쇄선으로 나타내는 웨이퍼의 반송이 가능한 반송 위치의 사이에서 승강 가능하게 되어 있다. 또한, 지지 부재(23)의 처리 용기(1)의 하방에는, 플랜지부(25)가 설치되어 있고, 처리 용기(1)의 저면과 플랜지부(25)의 사이에는, 처리 용기(1) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 기판 적재대(2)의 승강 동작에 수반하여 신축하는 벨로우즈(26)가 마련되어 있다.
처리 용기(1)의 저면 근방에는, 승강판(27a)으로부터 상방으로 돌출되도록 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(27)이 마련되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 처리 용기(1)의 하방에 마련된 승강 기구(28)에 의해 승강판(27a)을 통하여 승강 가능하게 되어 있고, 반송 위치에 있는 기판 적재대(2)에 마련된 관통 구멍(2a)에 삽입 관통되어 기판 적재대(2)의 상면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 되어 있다. 이와 같이 웨이퍼 지지 핀(27)을 승강시킴으로써, 웨이퍼 반송 기구(도시하지 않음)와 기판 적재대(2)의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해진다.
샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 샤워 형상으로 공급한다. 샤워 헤드(3)는 금속제이며, 기판 적재대(2)에 대향하도록 마련되어 있고, 기판 적재대(2)와 거의 동일한 직경을 갖는다. 샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1)의 천장벽(14)에 고정된 본체부(31)와, 본체부(31)의 밑에 접속된 샤워 플레이트(32)를 갖는다. 본체부(31)와 샤워 플레이트(32)의 사이에는 가스 확산 공간(33)이 형성되어 있고, 가스 확산 공간(33)에는, 본체부(31) 및 처리 용기(1)의 천장벽(14)의 중앙을 관통하도록 가스 도입 구멍(36)이 마련되어 있다. 샤워 플레이트(32)의 주연부에는 하방으로 돌출되는 환형 돌기부(34)가 형성되고, 샤워 플레이트(32)의 환형 돌기부(34)의 내측의 평탄면에는 가스 토출 구멍(35)이 형성되어 있다.
기판 적재대(2)가 처리 위치에 존재한 상태에서는, 샤워 플레이트(32)와 기판 적재대(2)의 사이에 처리 공간(37)이 형성되고, 환형 돌기부(34)와 기판 적재대(2)의 커버 부재(22)의 상면이 근접하여 환형 간극(38)이 형성된다.
배기부(4)는, 처리 용기(1)의 내부를 배기한다. 배기부(4)는, 배기 덕트(13)의 배기구(13b)에 접속된 배기 배관(41)과, 배기 배관(41)에 접속된, 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 기구(42)를 구비하고 있다. 처리 시에는, 처리 용기(1) 내의 가스는 슬릿(13a)을 통하여 배기 덕트(13)에 이르고, 배기 덕트(13)로부터 배기부(4)의 배기 기구(42)에 의해 배기 배관(41)을 통하여 배기된다.
처리 가스 공급 기구(5)는, 원료 가스 공급 라인(L1), 질화 가스 공급 라인(L2), 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3), 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4), 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)을 갖는다.
원료 가스 공급 라인(L1)은, 금속 함유 가스, 예를 들어 TiCl4 가스의 공급원인 원료 가스 공급원(G1)으로부터 연장되어, 합류 배관(L7)에 접속되어 있다. 합류 배관(L7)은, 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. 원료 가스 공급 라인(L1)에는, 원료 가스 공급원(G1)측으로부터 순서대로, 매스 플로우 컨트롤러(M1), 버퍼 탱크(T1) 및 개폐 밸브(V1)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(M1)는, 원료 가스 공급 라인(L1)을 흐르는 TiCl4 가스의 유량을 제어한다. 버퍼 탱크(T1)는, TiCl4 가스를 일시적으로 저류하고, 단시간에 필요한 TiCl4 가스를 공급한다. 개폐 밸브(V1)는, 원자층 퇴적(ALD: Atomic Layer Deposition) 프로세스 시에 TiCl4 가스의 공급ㆍ정지를 전환한다.
질화 가스 공급 라인(L2)은, 질소 함유 가스, 예를 들어 NH3 가스의 공급원인 질화 가스 공급원(G2)으로부터 연장되어, 합류 배관(L7)에 접속되어 있다. 질화 가스 공급 라인(L2)에는, 질화 가스 공급원(G2)측으로부터 순서대로, 매스 플로우 컨트롤러(M2), 버퍼 탱크(T2) 및 개폐 밸브(V2)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(M2)는, 질화 가스 공급 라인(L2)을 흐르는 NH3 가스의 유량을 제어한다. 버퍼 탱크(T2)는, NH3 가스를 일시적으로 저류하고, 단시간에 필요한 NH3 가스를 공급한다. 개폐 밸브(V2)는, ALD 프로세스 시에 NH3 가스의 공급ㆍ정지를 전환한다.
제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)은, N2 가스의 공급원인 N2 가스 공급원(G3)으로부터 연장되어, 원료 가스 공급 라인(L1)에 접속되어 있다. 이에 의해, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)을 통하여 원료 가스 공급 라인(L1)측에 N2 가스가 공급된다. 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)은, ALD법에 의한 성막 중에 N2 가스를 상시 공급하고, TiCl4 가스의 캐리어 가스로서 기능함과 함께, 퍼지 가스로서의 기능도 갖는다. 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)에는, N2 가스 공급원(G3)측으로부터 순서대로, 매스 플로우 컨트롤러(M3), 개폐 밸브(V3) 및 오리피스(F3)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(M3)는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)을 흐르는 N2 가스의 유량을 제어한다. 오리피스(F3)는, 버퍼 탱크(T1, T5)에 의해 공급되는 비교적 큰 유량의 가스가 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)으로 역류하는 것을 억제한다.
제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)은, N2 가스의 공급원인 N2 가스 공급원(G4)으로부터 연장되어, 질화 가스 공급 라인(L2)에 접속되어 있다. 이에 의해, 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통하여 질화 가스 공급 라인(L2)측으로 N2 가스가 공급된다. 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)은, ALD법에 의한 성막 중에 N2 가스를 상시 공급하고, NH3 가스의 캐리어 가스로서 기능함과 함께, 퍼지 가스로서의 기능도 갖는다. 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)에는, N2 가스 공급원(G4)측으로부터 순서대로, 매스 플로우 컨트롤러(M4), 개폐 밸브(V4) 및 오리피스(F4)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(M4)는, 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 흐르는 N2 가스의 유량을 제어한다. 오리피스(F4)는, 버퍼 탱크(T2, T6)에 의해 공급되는 비교적 큰 유량의 가스가 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로 역류하는 것을 억제한다.
제1 플래시 퍼지 라인(L5)은, N2 가스의 공급원인 N2 가스 공급원(G5)으로부터 연장되어, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)에 접속되어 있다. 이에 의해, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)을 통하여 원료 가스 공급 라인(L1)측으로 N2 가스가 공급된다. 제1 플래시 퍼지 라인(L5)은, ALD법에 의한 성막 중의 퍼지 스텝일 때에만 N2 가스를 공급한다. 제1 플래시 퍼지 라인(L5)에는, N2 가스 공급원(G5)측으로부터 순서대로, 매스 플로우 컨트롤러(M5), 버퍼 탱크(T5) 및 개폐 밸브(V5)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(M5)는, 제1 플래시 퍼지 라인(L5)을 흐르는 N2 가스의 유량을 제어한다. 버퍼 탱크(T5)는, N2 가스를 일시적으로 저류하고, 단시간에 필요한 N2 가스를 공급한다. 개폐 밸브(V5)는, ALD 프로세스의 퍼지 시에 N2 가스의 공급ㆍ정지를 전환한다.
제2 플래시 퍼지 라인(L6)은, N2 가스의 공급원인 N2 가스 공급원(G6)으로부터 연장되어, 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)에 접속되어 있다. 이에 의해, 제2 플래시 퍼지 라인(L6) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통하여 질화 가스 공급 라인(L2)측으로 N2 가스가 공급된다. 제2 플래시 퍼지 라인(L6)은, ALD법에 의한 성막 중의 퍼지 스텝일 때에만 N2 가스를 공급한다. 제2 플래시 퍼지 라인(L6)에는, N2 가스 공급원(G6)측으로부터 순서대로, 매스 플로우 컨트롤러(M6), 버퍼 탱크(T6) 및 개폐 밸브(V6)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(M6)는, 제2 플래시 퍼지 라인(L6)을 흐르는 N2 가스의 유량을 제어한다. 버퍼 탱크(T6)는, N2 가스를 일시적으로 저류하고, 단시간에 필요한 N2 가스를 공급한다. 개폐 밸브(V6)는, ALD 프로세스의 퍼지 시에 N2 가스의 공급ㆍ정지를 전환한다.
제어 장치(6)는, 성막 장치의 각 부의 동작을 제어한다. 제어 장치(6)는, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 갖는다. CPU는, RAM 등의 기억 영역에 저장된 레시피에 따라, 원하는 처리를 실행한다. 레시피에는, 프로세스 조건에 대한 장치의 제어 정보가 설정되어 있다. 제어 정보는, 예를 들어 가스 유량, 압력, 온도, 프로세스 시간이어도 된다. 또한, 레시피 및 제어 장치(6)가 사용하는 프로그램은, 예를 들어 하드 디스크, 반도체 메모리에 기억되어도 된다. 또한, 레시피 등은, CD-ROM, DVD 등의 가반성 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기억 매체에 수용된 상태로 소정의 위치에 세트되어, 판독되도록 해도 된다.
[성막 방법]
본 개시의 일 실시 형태에 관한 성막 방법에 대하여, ALD 프로세스에 의해, 웨이퍼(W) 상에 TiN막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 처리 용기(1) 내에 웨이퍼(W)를 반입한다. 구체적으로는, 기판 적재대(2)를 반송 위치로 하강시킨 상태에서 게이트 밸브(12)를 개방한다. 계속해서, 반송 암(도시하지 않음)에 의해 웨이퍼(W)를, 반입출구(11)를 통하여 처리 용기(1) 내로 반입하고, 히터(21)에 의해 소정 온도(예를 들어, 350℃ 내지 700℃)로 가열된 기판 적재대(2) 상에 적재한다. 계속해서, 기판 적재대(2)를 처리 위치까지 상승시키고, 처리 용기(1) 내를 소정의 진공도까지 감압한다. 그 후, 개폐 밸브(V3, V4)를 개방하고, 개폐 밸브(V1, V2, V4, V5)를 폐쇄한다. 이에 의해, N2 가스 공급원(G3, G4)으로부터 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통해 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여 압력을 상승시키고, 기판 적재대(2) 상의 웨이퍼(W)의 온도를 안정시킨다. 이때, 버퍼 탱크(T1) 내에는, 원료 가스 공급원(G1)으로부터 TiCl4 가스가 공급되고, 버퍼 탱크(T1) 내의 압력은 대략 일정하게 유지되어 있다.
계속해서, TiCl4 가스와 NH3 가스를 사용한 ALD 프로세스에 의해 TiN막을 성막한다.
도 2는, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 일례를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시되는 ALD 프로세스는, TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1, N2 가스를 공급하는 공정 S2, NH3 가스를 공급하는 공정 S3, 및 N2 가스를 공급하는 공정 S4를 소정 사이클 반복하여, 웨이퍼(W) 상에 원하는 막 두께의 TiN막을 형성하는 프로세스이다. 또한, 도 2에서는 1사이클만을 도시한다.
TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1은, TiCl4 가스를 처리 공간(37)에 공급하는 공정이다. TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1에서는, 우선, 개폐 밸브(V3, V4)를 개방한 상태에서, N2 가스 공급원(G3, G4)으로부터, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통해 N2 가스(연속 N2 가스)를 계속해서 공급한다. 또한, 개폐 밸브(V1)를 개방함으로써, 원료 가스 공급원(G1)으로부터 원료 가스 공급 라인(L1)을 통해 TiCl4 가스를 처리 용기(1) 내의 처리 공간(37)에 공급한다. 이때, TiCl4 가스는, 버퍼 탱크(T1)에 일단 저류된 후에 처리 용기(1) 내로 공급된다. 일 실시 형태에서는, TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1에 있어서, TiCl4 가스의 유량은 30sccm 내지 300sccm이다. 또한, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 0.3slm 내지 10slm이다. 또한, TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1의 시간은, 0.03초 내지 0.3초이다.
N2 가스를 공급하는 공정 S2는, 처리 공간(37)의 잉여의 TiCl4 가스 등을 퍼지하는 공정이다. N2 가스를 공급하는 공정 S2에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통한 N2 가스(연속 N2 가스)의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브(V1)를 폐쇄하여 TiCl4 가스의 공급을 정지한다. 이에 의해, 처리 공간(37)의 잉여의 TiCl4 가스 등을 퍼지한다. 일 실시 형태에서는, N2 가스를 공급하는 공정 S2에 있어서, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 0.3slm 내지 10slm이다. 또한, N2 가스를 공급하는 공정 S2의 시간은, 0.1초 내지 0.5초이다.
NH3 가스를 공급하는 공정 S3은, NH3 가스를 처리 공간(37)에 공급하는 공정이다. NH3 가스를 공급하는 공정 S3에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통한 N2 가스(연속 N2 가스)의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브(V2)를 개방한다. 이에 의해, 질화 가스 공급원(G2)으로부터 질화 가스 공급 라인(L2)을 통해 NH3 가스를 처리 공간(37)으로 공급한다. 이때, NH3 가스는, 버퍼 탱크(T2)에 일단 저류된 후에 처리 용기(1) 내로 공급된다. NH3 가스를 공급하는 공정 S3에 의해, 웨이퍼(W) 상에 흡착된 TiCl4가 질화된다. 이때의 NH3 가스의 유량은, 충분히 질화 반응이 생기는 양으로 할 수 있다. 일 실시 형태에서는, NH3 가스를 공급하는 공정 S3에 있어서, NH3 가스의 유량은 2slm 내지 10slm이다. 또한, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 0.3slm 내지 10slm이다. 또한, NH3 가스를 공급하는 공정 S3의 시간은, 0.2초 내지 3초이다.
N2 가스를 공급하는 공정 S4는, 처리 공간(37)의 잉여의 NH3 가스를 퍼지하는 공정이다. N2 가스를 공급하는 공정 S4에서는, 스텝 S41을 행하고, 이어서 스텝 S42를 행한다.
스텝 S41은, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 N2 가스를 공급하여, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하는 스텝이다. 스텝 S41에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통한 N2 가스(연속 N2 가스)의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브(V2)를 폐쇄하여 질화 가스 공급 라인(L2)으로부터의 NH3 가스의 공급을 정지한다. 또한, 개폐 밸브(V5, V6)를 개방하여, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터도 N2 가스(플래시 퍼지 N2 가스)를 공급하여, 대유량의 N2 가스에 의해, 처리 공간(37)의 잉여의 NH3 가스를 퍼지한다. 이때, 플래시 퍼지 N2 가스는, 버퍼 탱크(T5 및 T6)에 일단 저류된 후에 처리 용기(1) 내로 공급된다. 또한, 이때, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 공급되는 N2 가스(플래시 퍼지)의 합계 유량은, TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1에 있어서의 TiCl4 가스의 유량 이상이다. 바꾸어 말하면, 스텝 S41에 있어서 처리 용기(1) 내에 공급되는 플래시 퍼지 N2 가스와 연속 N2 가스의 합계 유량은, 공정 S1에 있어서 처리 용기(1) 내로 공급되는 TiCl4 가스와 연속 N2 가스의 합계 유량 이상이다. 일 실시 형태에서는, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 1slm 내지 5slm이다. 또한, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 0.3slm 내지 10slm이다. 또한, 스텝 S41의 시간은, 0.05초 내지 0.25초이다.
스텝 S42는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 N2 가스를 공급하는 한편, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하지 않는 스텝이다. 단, 스텝 S42에서는, 스텝 S41에 있어서 공급되는 플래시 퍼지 N2 가스의 유량보다 작은 유량의 플래시 퍼지 N2 가스를 공급해도 된다. 스텝 S42에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통한 N2 가스(연속 N2 가스)의 공급을 계속한다. 또한, 개폐 밸브(V5, V6)를 폐쇄하여 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)을 통한 N2 가스(플래시 퍼지 N2 가스)의 공급을 정지한다. 일 실시 형태에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 0.3slm 내지 10slm이다. 또한, 스텝 S42의 시간은, 0.05초 내지 0.25초이다.
이어서, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 다른 예에 대하여 설명한다. 도 3은, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 다른 예를 도시하는 도면이다. 또한, 도 3에서는, 1사이클만을 도시한다. 도 3에 도시되는 ALD 프로세스는, NH3 가스를 공급하는 공정 S3 후에, N2 가스를 공급하는 공정 S4 대신에 N2 가스를 공급하는 공정 S4A를 행한다. 또한, 그 밖의 공정에 대해서는, 도 2에 도시되는 ALD 프로세스와 마찬가지이다.
N2 가스를 공급하는 공정 S4A에서는, 스텝 S42를 행하고, 이어서 스텝 S41을 행한다. 즉, 도 3에 도시되는 ALD 프로세스는, 도 2에 도시되는 ALD 프로세스에 대하여, 스텝 S41 및 스텝 S42를 행하는 순번이 반대이다.
이어서, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 또 다른 예에 대하여 설명한다. 도 4는, ALD 프로세스의 가스 공급 시퀀스의 또 다른 예를 도시하는 도면이다. 또한, 도 4에서는, 1사이클만을 도시한다. 도 4에 도시되는 ALD 프로세스는, TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1 후에, N2 가스를 공급하는 공정 S2 대신에 N2 가스를 공급하는 공정 S2A를 행한다. 또한, 그 밖의 공정에 대해서는, 도 3에 도시되는 ALD 프로세스와 마찬가지이다.
N2 가스를 공급하는 공정 S2A에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)을 통한 N2 가스(연속 N2 가스)의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브(V1)를 폐쇄하여 원료 가스 공급 라인(L1)으로부터의 TiCl4 가스의 공급을 정지한다. 또한, 개폐 밸브(V5, V6)를 개방하고, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터도 N2 가스(플래시 퍼지 N2 가스)를 공급하고, 대유량의 N2 가스에 의해, 처리 공간(37)의 잉여의 TiCl4 가스를 퍼지한다. 이때, 플래시 퍼지 N2 가스는, 버퍼 탱크(T5 및 T6)에 일단 저류된 후에 처리 용기(1) 내로 공급된다. 또한, 이때, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 공급되는 N2 가스(플래시 퍼지 N2 가스)의 합계 유량은, TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1에 있어서의 TiCl4 가스의 유량 이상이다. 일 실시 형태에서는, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 1slm 내지 5slm이다. 또한, 제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3) 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 0.3slm 내지 10slm이다. 또한, N2 가스를 공급하는 공정 S2의 시간은, 0.05초 내지 0.25초이다.
[실시예]
본 개시의 일 실시 형태에 관한 성막 방법에 의해 형성한 TiN막의 저항률을 평가한 실시예에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 전술한 도 2에 도시되는 ALD 프로세스에 의해 웨이퍼(W) 상에 TiN막을 형성하였다. 즉, 공정 S3 후, 우선, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하는 스텝 S41을 행하였다. 계속해서, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하지 않는 스텝 S42를 행하였다. 또한, 웨이퍼(W) 상에 형성한 TiN막의 막 두께 및 저항률을 측정하였다. 실시예 1의 프로세스 조건은 이하이다.
웨이퍼 온도: 460℃
처리 용기 내 압력: 3Torr(400Pa)
1사이클의 시간: 0.85초
(공정 S1/공정 S2/공정 S3/공정 S4=0.05초/0.2초/0.3초/0.3초, 스텝 S41=0.1초 내지 0.25초, 스텝 S42=0.05초 내지 0.2초)
TiCl4 가스의 유량: 50sccm
NH3 가스의 유량: 2.7slm
N2 가스(제1 연속 N2 가스 공급 라인(L3)): 3slm
N2 가스(제2 연속 N2 가스 공급 라인(L4)): 3slm
N2 가스(제1 플래시 퍼지 라인(L5)): 1 내지 5slm
N2 가스(제2 플래시 퍼지 라인(L6)): 1 내지 5slm
사이클수: 182회
(실시예 2)
실시예 2에서는, 전술한 도 3에 도시되는 ALD 프로세스에 의해 웨이퍼(W) 상에 TiN막을 형성하였다. 즉, 공정 S3 후, 우선, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하지 않는 스텝 S42를 행하였다. 계속해서, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하는 스텝 S41을 행하였다. 실시예 2의 프로세스 조건은, 스텝 S41과 스텝 S42의 순서가 반대인 점 이외에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이다. 또한, 웨이퍼(W) 상에 형성한 TiN막의 막 두께 및 저항률을 측정하였다.
(실시예 3)
실시예 3에서는, 전술한 도 4에 도시되는 ALD 프로세스에 의해 웨이퍼(W) 상에 TiN막을 형성하였다. 즉, 실시예 2의 공정 S2 대신에, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하는 공정 S2A를 행하였다. 실시예 3의 프로세스 조건은, 공정 S1 후에, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하는 공정 S2A를 행한 점 이외에 대해서는 실시예 2와 마찬가지이다. 공정 S2A에 있어서의 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 공급되는 N2 가스의 유량은, 각각 1 내지 5slm, 1 내지 5slm, 예를 들어 3slm이다. 또한, 웨이퍼(W) 상에 형성한 TiN막의 막 두께 및 저항률을 측정하였다.
(비교예 1)
비교예 1에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이 공정 S3 후에 행해지는 N2 가스를 공급하는 공정의 모든 시간에 있어서, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하는 공정 S4X를 행하였다. 또한, 웨이퍼 온도, 처리 용기 내 압력, 1사이클의 시간, TiCl4 가스, NH3 가스 및 N2 가스의 유량은, 실시예 1과 마찬가지이다. 또한, 웨이퍼(W) 상에 형성한 TiN막의 막 두께 및 저항률을 측정하였다.
(비교예 2)
비교예 2에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이 공정 S1 및 공정 S3 후에 행해지는 N2 가스를 공급하는 공정의 모든 시간에 있어서, 제1 플래시 퍼지 라인(L5) 및 제2 플래시 퍼지 라인(L6)으로부터 N2 가스를 공급하였다. 즉, 비교예 2에서는, 실시예 3에 있어서의 공정 4A 대신에 전술한 공정 4X를 행하였다. 또한, 웨이퍼 온도, 처리 용기 내 압력, 1사이클의 시간, TiCl4 가스, NH3 가스 및 N2 가스의 유량은, 실시예 1과 마찬가지이다. 또한, 웨이퍼(W) 상에 형성한 TiN막의 막 두께 및 저항률을 측정하였다.
(평가 결과)
도 7은, TiN막의 막 두께와 저항률의 관계를 도시하는 도면이며, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 형성한 TiN막의 막 두께와 저항률의 관계를 도시한다. 도 7 중, 막 두께를 횡축에 나타내고, 저항률을 종축에 나타낸다. 도 7의 실선 α는, 공정 S1 및 공정 S3 후에 행해지는 N2 가스를 공급하는 공정에 있어서, 플래시 퍼지 N2 가스를 공급하지 않은 경우에, 사이클수를 조정하여 막 두께를 변화시켰을 때의 저항률의 변화를 나타낸다.
도 7에 도시되는 바와 같이, TiN막의 막 두께가 얇은 경우, 사이클수를 적게 하여 막 두께를 얇게 하면, 저항률이 커진다(실선 α를 참조). 비교예 1 내지 2에서는, 공정 S1 및 공정 S3 후에 행해지는 N2 가스를 공급하는 공정에 있어서, 플래시 퍼지 N2 가스를 공급하지 않은 경우(실선 α를 참조)와 대략 동일한 저항률임을 알 수 있다.
이에 비해, 실시예 1 내지 3에서는, 공정 S1 및 공정 S3 후에 행해지는 N2 가스를 공급하는 공정에 있어서, 플래시 퍼지 N2 가스를 공급하지 않은 경우(실선 α를 참조)와 비교하여, TiN막의 저항률이 작게 되어 있음을 알 수 있다. 실시예 2 및 실시예 3에서는, TiN막의 저항률이 특히 작게 되어 있음을 알 수 있다.
이상의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2의 결과로부터, 공정 S4가 스텝 S41과 스텝 S42를 가짐으로써, 저저항의 TiN막을 형성할 수 있다고 할 수 있다.
또한, 실시예 1, 2의 결과로부터, 공정 S4에서는, 스텝 S42 후, 스텝 S41을 행함으로써, 보다 저저항의 TiN막을 형성할 수 있다고 할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 개시의 일 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(1) 내에 TiCl4 가스를 공급하는 공정 S1과, 처리 용기(1) 내에 N2 가스를 공급하는 공정 S2와, 처리 용기(1) 내에 NH3 가스를 공급하는 공정 S3과, 처리 용기(1) 내에 N2 가스를 공급하는 공정 S4를 소정 사이클 반복하여, 웨이퍼(W) 상에 TiN막을 형성한다. 그리고, 공정 S4는, 제1 공정 S1의 TiCl4 가스의 유량 이상의 제1 유량의 플래시 퍼지 N2 가스를 공급하는 스텝 S41과, 제1 유량보다 작은 제2 유량의 플래시 퍼지 N2 가스를 공급하거나, 또는 플래시 퍼지 N2 가스를 공급하지 않는 스텝 S42를 갖는다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 염소 농도를 저감하고, TiN막의 저항률을 저감할 수 있다.
그런데, 종래에는, 처리 용기 내에 처리 가스(예를 들어, TiCl4 가스, NH3 가스)를 공급한 후, 가능한 한 많은 N2 가스를 처리 용기 내에 공급하는 것이, 처리 가스를 퍼지 가스로 치환하는 효율(이하 「퍼지 효율」이라고 함)을 최대화한다고 생각되고 있었다. 그 때문에, 처리 가스를 공급한 직후에 플래시 퍼지 N2 가스가 도입되고 있었다. 그러나, 플래시 퍼지 N2 가스에 의해 처리 가스가 도리어 잔류하기 쉬워지고, 성막 모드가 ALD 모드로부터 CVD 모드로 이행하여, 저항률이 커지는 경우가 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 공정 S1은 제1 공정의 일례이고, 공정 S2는 제2 공정의 일례이고, 공정 S3은 제3 공정의 일례이고, 공정 S4는 제4 공정의 일례이다. 또한, TiCl4 가스는 금속 함유 가스의 일례이고, NH3 가스는 질화 가스의 일례이고, N2 가스는 퍼지 가스의 일례이고, TiN막은 금속 질화막의 일례이다. 또한, 플래시 퍼지 N2 가스는 제1 퍼지 가스의 일례이고, 연속 N2 가스는 제2 퍼지 가스의 일례이다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이지 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 금속 함유 가스로서 TiCl4 가스를 예시하였지만, 이것에 한정되지 않고, 여러 가지 금속 함유 가스를 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 함유 가스로서 TaCl4 가스를 사용함으로써, TaN막을 형성할 수 있다. 또한, 질화 가스로서 NH3 가스를 예시하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 N2H4 등, 여러 가지 질화 가스를 사용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 금속 질화막의 일례로서 TiN막을 형성하는 경우를 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 TaN막, TiSiN막을 형성하는 경우에도 상기의 성막 방법을 적용할 수 있다. TiSiN막을 형성하는 경우, 예를 들어 Ti 함유 가스와 질화 가스를 퍼지를 중간에 두어 교대로 반복하는 공정과, Si 함유 가스와 질화 가스를 퍼지를 중간에 두어 교대로 반복하는 공정을 소정 횟수 행하면 된다. 이 경우, Ti 함유 가스와 질화 가스를 퍼지를 중간에 두어 교대로 반복하는 공정에 있어서, 상기 성막 방법을 적용할 수 있다.
1: 처리 용기
5: 처리 가스 공급 기구
6: 제어 장치
W: 웨이퍼

Claims (12)

  1. 기판을 수용하는 처리 용기 내에 금속 함유 가스를 공급하는 제1 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제2 공정과, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 가스를 공급하는 제3 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제4 공정을 포함하는 미리 정해진 사이클을 반복하여, 상기 기판 상에 금속 질화막을 형성하는 성막 방법이며,
    상기 제4 공정은,
    상기 제1 공정의 상기 금속 함유 가스의 유량 이상의 제1 유량의 제1 퍼지 가스를 공급하는 제1 스텝과,
    상기 제1 유량보다 작은 제2 유량의 상기 제1 퍼지 가스를 공급하는 제2 스텝
    을 포함하는, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스텝은, 상기 제1 퍼지 가스를 공급하지 않는 것을 포함하는, 성막 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제4 공정에서는, 상기 제2 스텝 후, 상기 제1 스텝이 행해지는, 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4 공정에서는, 상기 제1 스텝 후, 상기 제2 스텝이 행해지는, 성막 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공정 내지 상기 제4 공정의 모든 공정에 있어서, 상기 처리 용기 내에 제2 퍼지 가스를 상시 공급하는, 성막 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 퍼지 가스와 상기 제2 퍼지 가스는 다른 가스 공급 라인으로부터 공급되는, 성막 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 공정에서는, 상기 제1 공정의 상기 금속 함유 가스의 유량 이상의 제3 유량의 상기 제1 퍼지 가스를 공급하는, 성막 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 공정에서는, 상기 제1 퍼지 가스를 공급하지 않는, 성막 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 함유 가스는 TiCl4 가스이고,
    상기 질소 함유 가스는 NH3 가스인, 성막 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 질화막은 TiN막인, 성막 방법.
  11. 기판을 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 금속 함유 가스, 질소 함유 가스 및 퍼지 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구와,
    상기 처리 가스 공급 기구를 제어하는 제어 장치
    를 포함하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 처리 용기 내에 금속 함유 가스를 공급하는 제1 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제2 공정과, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 가스를 공급하는 제3 공정과, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제4 공정을 포함하는 미리 정해진 사이클을 반복하는 공정을 실행하고,
    상기 제4 공정에 있어서, 상기 제1 공정의 상기 금속 함유 가스의 유량 이상의 제1 유량의 제1 퍼지 가스를 공급하는 제1 스텝과, 상기 제1 유량보다 작은 제2 유량의 상기 제1 퍼지 가스를 공급하는 제2 스텝을 실행하는,
    성막 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 스텝에서는, 상기 제1 퍼지 가스를 공급하지 않는 것을 포함하는, 성막 장치.
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