KR102341593B1

KR102341593B1 - 성막 방법

Info

Publication number: KR102341593B1
Application number: KR1020217034161A
Authority: KR
Inventors: 켄고 츠츠미; 신지 코하리; 코우지 소가베; 토시미츠 우에히가시; 타카히로 난바
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2021-12-21
Also published as: JPWO2021106262A1; WO2021106262A1; CN114729443A; US20220056571A1; TWI772840B; JP6972427B2; TW202120719A; KR20210134050A

Abstract

타겟의 스퍼터링으로 유전체막을 성막하는 경우에 이상 방전의 유발을 효과적으로 억제하는 기능을 해치지 않고 성막 직후의 피처리 기판 표면에 부착하는 파티클의 수를 가급적 줄일 수 있도록 한 성막 방법을 제공한다.
진공 챔버(1)내에서 타겟(2)을 스퍼터링하여 피처리 기판 Sw의 표면에 유전체막을 성막하는 본 발명의 성막 방법은 타겟의 스퍼터링시 타겟에 대하여 음전위를 펄스 형상으로 인가하고, 음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 100kHz 이상에서 150kHz 이하의 범위, 음전위의 인가 시간 Ton을 5μsec보다 길고 8μsec보다 짧은 범위로 설정한다.

Description

성막 방법

본 발명은 진공 챔버 내에서 타겟을 스퍼터링하여 피처리 기판의 표면에 유전체막을 성막하는 성막 방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 실리콘 웨이퍼 등의 피처리 기판 표면에 질화 실리콘막이나 산화 알루미늄막과 같은 유전체막을 성막하는 공정이 있으며, 이러한 유전체막의 성막에는 예를 들어, 도전성의 타겟과 산소나 질소와 같은 반응 가스를 이용한 반응성 스퍼터링 법에 의한 것이 이용되고 있다. 이 때, 타겟에 대해 음전위를 펄스 형상으로 인가하여 이상 방전의 유발을 억제하는 것이 일반적이다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이러한 경우, 단일 피처리 기판에 소정의 막 두께로 성막하기 위한 성막 시간이나 음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수에 따라 듀티(duty)비가 설정된다.

그러나, 이상 방전의 유발이 효과적으로 억제되도록 하는 듀티비를 설정해도 성막 직후의 피처리 기판 표면에 부착하는 파티클의 수가 증가하는 것으로 판명되었다. 그래서 본 발명자는 예의 연구를 거듭하여 일주기의 음전위 인가 시간이 성막 직후의 피처리 기판 표면에 부착하는 파티클 수의 증감에 영향을 주는 것을 지견하기에 이르렀다.

특허문헌1 : 특개 2019-99907호 공보

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 타겟의 스퍼터링에 의해 유전체막을 성막하는 경우에, 이상 방전의 유발을 효과적으로 억제하는 기능을 해치지 않고, 성막 직후의 피처리 기판 표면에 부착하는 파티클의 수를 가급적 줄일 수 있도록 한 성막 방법을 제공하는 것을 그 과제로 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 진공 챔버 내에서 타겟을 스퍼터링하여 피처리 기판의 표면에 유전체막을 성막하는 본 발명의 성막 방법은, 타겟 스퍼터링 시, 타겟에 대해 음전위를 펄스 형상으로 인가하고, 음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 100kHz 이상 150kHz 이하의 범위, 음전위의 인가 시간을 5μsec보다 길고 8μsec보다 짧은 범위로 설정하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 타겟에 대하여 음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 듀티비를 60%이상, 85%보다 작게 설정하는 것이 바람직하다.

이상에 따르면, 이상 방전 유발을 효과적으로 억제하는 기능을 해치지 않고 성막 직후의 피처리 기판 표면에 부착하는 파티클의 수도 대폭 삭감할 수 있게 된다. 또한, 주파수가 100kHz보다 작아지면 성막 시간이 길어져 충전된 전하의 리셋이 어려워지는 한편 주파수가 150kHz를 넘으면 성막 속도가 저하되거나 전압이 추종하지 않는다는 문제가 있다. 또한, 인가 시간이 5μsec 이하가 되면 파티클의 수가 크게 증가하는 반면 인가 시간이 8μsec 이상이면 이상 방전을 효과적으로 억제할 수 없어 파티클의 수도 증가하게 된다.

본 발명은 상기 타겟을 실리콘제로 하고 타겟 스퍼터링 시 희가스와 함께 반응 가스를 도입하여 반응성 스퍼터링에 의해 유전체막으로서의 질화 실리콘막을 성막하는 경우에 적합하게 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태의 스퍼터링 장치를 도시한 모식적 단면도이다.
도 2는 타겟에 대한 음전위 인가 시간 Ton을 설명하는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여, 피처리 기판을 실리콘 웨이퍼(이하 「기판 Sw」라고 한다), 타겟을 실리콘제로 하고, 반응성 스퍼터링에 의해 기판 Sw 표면에 유전체막으로서의 질화 실리콘막을 성막하는 경우를 예로, 본 발명의 실시 형태의 성막 방법에 대해 설명한다.

도 1을 참조하여 SM은 본 실시 형태의 성막 방법이 실시 가능한 스퍼터링 장치이며, 스퍼터링 장치 SM은 진공 챔버(1)를 갖춘다. 이하에 대해서는, 「상」「하」라고 하는 방향을 나타내는 용어는, 도1에 도시된 스퍼터링 장치 SM의 설치 자세를 기준으로 설명한다.

진공 챔버(1)에는, 터보 분자 펌프나 로터리 펌프 등으로 이루어진 진공 펌프 유닛 Pu에 통하는 배기관(11)이 접속되어 진공 챔버(1)내를 소정 압력(예를 들면 1×10^-5Pa)까지 진공 배기가 가능하도록 하고 있다. 진공 챔버(1)의 측벽에는 도시 생략의 가스원에 연통하여 질량 유량계(mass flow controller)(12a), (12b)가 개설된 가스관(13)이 접속되어, 진공 챔버(1) 내에 방전용 희가스로서의 아르곤 가스와 반응 가스로서의 질소 가스가 각각 소정 유량으로 도입할 수 있게 되어 있다.

진공 챔버(1)의 상부에는 타겟(2)이 설치되어 있다. 타겟(2)은 스퍼터면(2a)을 하방으로 한 자세로 상면에 도시 생략의 본딩재를 통해 백킹 플레이트(21)가 접합된 상태로 절연체 Io1을 통해 진공 챔버(1) 측벽 상부에 배치되어 있다. 타겟(2)에는 스퍼터 전원 Ps로서의 펄스 DC 전원의 출력이 접속되어, 타겟(2)의 스퍼터링 시 타겟(2)에 대해 음전위 Vn을 소정의 주파수로 펄스 형상으로 인가되도록 하고 있다. 펄스 DC 전원 Ps로서는 공지의 것을 이용할 수 있기 때문에 더 이상의 설명은 생략한다.

진공 챔버(1)의 하부에는 타겟(2)에 대항시켜 스테이지(3)가 배치되어 있다. 스테이지(3)는 진공 챔버(1)의 하부에 설치한 절연체 Io2를 통해 설치되는 원통형의 윤곽을 가진 금속제 기대(base)(31)와, 이 기대(31)위에 설치되는 척 플레이트(32)를 가진다. 척 플레이트(32)에는 정전척용 전극이 매설되어 있어, 이 전극에 도면 외의 척 전원으로부터 소정의 전압을 인가하면, 그 상면에 기판 Sw가 성막 면을 상측으로 해서 정전 흡착되게 되어 있다.

진공 챔버(1) 내에는 각각 원통형의 윤곽을 가진 상방착판(41)과 하방착판 (42)으로 구성된 방착판(4)이 배치되어, 진공 챔버(1)의 내벽면에 스퍼터 입자나 이와 반응 가스와의 반응 생성물이 부착되는 것을 방지하고 있다. 상기 스퍼터링 장치 SM은 특별히 도시하지는 않지만, 마이크로 컴퓨터나 시퀀서 등을 갖춘 공지의 제어 수단을 가지며, 제어 수단에 따라 펄스 DC전원 Ps의 가동, 질량 유량계(12a), (12b)의 가동이나 진공 펌프 유닛 Pu의 가동 등을 통괄 관리하게 되어 있다. 이하, 상기 스퍼터링 장치 SM을 이용한 성막 방법에 대해 설명한다.

우선, 진공 챔버(1)내의 스테이지(3)에 기판 Sw를 세트한후 진공 펌프 유닛 Pu를 작동시켜 진공 챔버(1)내를 소정의 진공도(예를 들면 1×10^-5Pa)까지 진공 배기한다. 진공 챔버(1)내가 소정 압력에 이르면, 일정한 배기 속도로 진공 배기되어 있는 진공 챔버 내(1)에 질량 유량계(12a), (12b)를 제어하고 아르곤 가스(10~100sccm)와 질소 가스를(30~200sccm)를 소정 유량비로 도입한다(이 때, 진공 챔버(1) 내의 압력은 0.01~30Pa의 범위가 된다). 그리고 펄스 DC 전원 Ps에 의해 타겟(2)에 대해 음전위 Vn을 소정 주파수로 펄스 형상으로 인가함으로써 진공 챔버(1) 내에 플라즈마 분위기를 형성한다. 이 경우 타겟(2)에의 투입 전력은 2kW~15kW 범위로 설정된다. 이 경우, 2kW보다 낮은 전력에서는 생산성 저하라는 문제가 있으며, 또한 15kW보다 높은 전력에서는 타겟(2)에 미치는 데미지가 커진다는 문제가 있다. 또한 주파수는 100kHz~150kHz 범위로 설정된다. 주파수가 100kHz보다 작아지면 성막 시간이 길어져 충전된 전하의 리셋이 어려워지는 반면 주파수가 150kHz를 넘으면 성막 속도가 떨어지거나 전압이 추종하지 않는다는 문제가 있다. 이로 의해 타겟(2)의 스퍼터면(2a)이 스퍼터링되어 주로 스퍼터면으로부터 비산한 스퍼터 입자와 질소 가스의 반응 생성물이 기판 Sw표면에 부착, 퇴적되어 질화 실리콘막이 성막 된다.

여기서, 상기와 같이 기판 Sw 표면에 질화 실리콘막을 성막할 때 이상 방전의 유발이 효과적으로 억제되도록 하는 듀티비를 설정해도, 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클(특히 0.2μm이상의 사이즈를 가진 것)의 수가 증가하는 경우가 있다. 본 실시 형태에서는, 음전위 Vn의 인가 시간 Ton을 5μsec보다 길고 8μsec보다 짧은 범위로 설정하기로 했다. 이로 인해 이상 방전의 유발을 효과적으로 억제하는 기능을 해치지 않고 성막 직후의 기판 Sw표면에 부착되는 파티클의 수도 큰 폭으로 삭감할 수 있게 된다. 인가 시간 Ton이 5μsec 이하가 되면 파티클의 수가 대폭 증가하는 한편, 인가 시간 Ton이 8μsec 이상이 되면 이상 방전을 효과적으로 억제할 수 없고, 그 결과 파티클의 수가 대폭 증가한다는 문제가 있다. 또한 듀티비(일주기의 인가 시간 Ton의 비율)를 60% 이상에 85%보다 작게 설정하는 것이 바람직하며, 60% 이상에 81%보다 작게 설정하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 비인가 시간 Toff 동안 양전위 Vp(예를 들어, +50V)를 인가해도 된다.

이어서, 상기 효과를 확인하기 위해서, 상기 스퍼터링 장치 SM을 이용해 다음의 실험을 실시했다. 발명 실험 1에서는 기판 Sw로서 φ300mm의 실리콘 웨이퍼를 이용하고, 이 기판 Sw를 진공 챔버(1) 내의 스테이지(3)에 세트한 후, 질량 유량계(12a), (12b)를 제어해서 진공 챔버(1) 내에 희가스로서의 아르곤 가스 20sccm와 반응 가스로서의 질소 가스 100sccm를 도입하고(이 때 진공 챔버(1) 내의 압력은 0.3Pa), 타겟(2)에 대해서 음전위 Vn(-480V)을 펄스 형상으로 인가했다. 본 실험에서는 이 음전위 Vn을 인가할 때의 주파수를 150kHz, 인가 시간 Ton을 5.3μsec(이 때의 듀티비는 80.3%)로 설정했다. 이로 인해, 진공 챔버(1) 내에 플라즈마 분위기를 형성하고, 반응성 스퍼터링에 의해 기판 Sw 표면에 질화 실리콘 막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 공지의 파티클 카운터로 측정하여, 그 측정값을 후술한 비교 실험 7에서 측정된 파티클 수를 1.00으로 규격화 하면 0.06이 되어(표 1 참조), 제품 수율을 고려하여 설정한 기준값(0.24)보다도 적음이 확인되었다. 또한, 성막 중의 이상 방전 횟수를 공지의 측정 방법으로 측정하고 그 측정값을 후술한 비교 실험에서 발생한 이상 방전 횟수를 1.00으로 규격화 하면 0.09가 되어, 이상 방전의 유발이 효과적으로 억제된다는 것이 확인되었다.

발명 실험 2에서는 음전위 Vn을 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 140kHz, 인가 시간 Ton을 5.7μsec(이 때의 듀티비는 80.3%)으로 설정한 점을 제외하고, 상기 발명 실험 1과 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.06으로, 상기 기준 값 보다도 적음이 확인되었다. 또한, 성막 중의 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.07로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제되는 것이 확인되었다.

상기 발명 실험 2에 대한 비교를 위해 비교 실험 1, 2를 실시했다. 이들 비교 실험 1, 2에서는 인가 시간 Ton을 상기 발명 실험 2 보다 짧은 4.3μsec(이때 듀티비는 60.6%), 5.0μsec(이때 듀티비는 70.4%)으로 각각 설정한 점을 제외하고, 상기 발명 실험 2와 마찬가지로, 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 중의 이상 방전 횟수를 각각 측정하고, 각 측정값을 규격화 하면 0.05, 0.07이며, 이상 방전의 유발이 효과적으로 억제된다는 것이 확인되었다. 그러나 성막 직후의 기판 Sw표면에 부착하는 파티클 수를 각각 측정하고, 각 측정값을 규격화한 결과 0.54, 0.42로, 상기 기준값을 초과한다는 것이 확인되었다.

발명 실험 3에서는 음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 120kHz, 인가 시간 Ton을 5.8μsec(이 때의 듀티비는 69.9%)로 설정한 점을 제외하고 상기 발명 실험 1과 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.06으로 상기 기준 값 보다도 적음이 확인되었다. 또한 성막 중의 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.01로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제되는 것으로 확인되었다.

발명 실험 4에서는 인가 시간 Ton을 상기 발명 실험 3 보다 긴 6.7μsec(이 때의 듀티비는 80.7%)로 설정한 점을 제외하고 상기 발명 실험 3과 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.15로 상기 기준 값 보다도 적음이 확인되었다. 또한 성막 중의 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.06으로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제되는 것으로 확인되었다.

상기 발명 실험 3, 4에 대한 비교를 위해 비교 실험 3, 4를 실시했다. 이러한 비교 실험 3, 4에서는 인가 시간 Ton을 상기 발명 실험 3보다 짧은 5.0μsec(이 때의 듀티비는 60.2%), 상기 발명 실험 4 보다 긴 7.3μsec(이 때의 듀티비는 90.1%)으로 각각 설정한 점을 제외하고, 상기 발명 실험 3, 4와 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 중의 이상 방전 횟수를 각각 측정하고 각 측정값을 규격화 하면 0.00, 0.58이며, 비교 실험 3에서는 이상 방전의 유발이 효과적으로 억제되는 한편 비교 실험 4에서는 이상 방전의 유발을 효과적으로 억제되지 않는 것으로 확인되었다. 또한, 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 각각 측정하고 각 측정값을 규격화한 결과 0.56, 0.04로, 비교 실험 3에서는 상기 기준값을 초과한 반면 비교 실험 4에서는 상기 기준값 보다도 적은 것으로 확인되었다.

발명 실험 5에서는 음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 100kHz, 인가 시간 Ton을 6.0μsec(이 때의 듀티비는 60.0%)으로 설정한 점을 제외하고 상기 발명 실험 1과 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.04로, 상기 기준 값 보다도 적음이 확인되었다. 또한 성막 중의 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.00으로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제되는 것으로 확인되었다.

발명 실험 6에서는 인가 시간 Ton을 상기 발명 실험 5보다 긴 7.0μsec(이 때의 듀티비는 70.0%)로 설정한 점을 제외하고 상기 발명 실험 5와 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화한 결과 0.06으로 상기 기준 값 보다도 적음이 확인되었다. 또한 성막 중의 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.03으로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제되는 것으로 확인되었다.

상기 발명 실험 5, 6에 대한 비교를 위해 비교 실험 5를 실시했다. 비교 실험 5에서는 인가 시간 Ton을 상기 발명 실험 5, 6보다 긴 8.0μsec(이 때의 듀티비는 80.0%)로 설정한 점을 제외하고 상기 발명 실험 5, 6과 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화한 결과 0.29로, 상기 기준값을 초과한다는 것이 확인되었다. 성막 중 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.41로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제되지 않음이 확인되었다.

비교 실험 6에서는 음전위 Vn을 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 80kHz, 인가 시간 Ton을 7.5μsec로 설정(이 때의 듀티비는 60.0%)한다는 점을 제외하고, 상기 발명 실험 1과 마찬가지로, 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화한 결과 0.08로, 상기 기준값 이하임이 확인되었다. 또한 성막 중의 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 0.11로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제된다는 것이 확인되었다. 그러나 성막 시간이 길어지고 생산성이 저하됨이 확인되었다.

비교 실험 7에서는 인가 시간 Ton을 상기 비교 실험 6보다 긴 10.0μsec로 설정한(이 때의 듀티비는 80.0%) 점을 제외하고, 상기 비교 실험 6과 마찬가지로 질화 실리콘막을 성막했다. 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 측정하고 그 측정값을 규격화한 결과 1.00으로 상기 기준치를 넘는 것이 확인되었다. 또한, 성막 중 이상 방전 횟수를 측정하고 그 측정값을 규격화 하면 1.00으로 이상 방전 유발이 효과적으로 억제되지 않는 것으로 확인되었다.

이상의 실험에 따르면, 음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 100kHz 이상 150kHz이하의 범위, 음전위의 인가 시간 Ton을 5μsec보다 길고 8μsec보다 짧은 범위로 설정함으로써, 이상 방전의 유발을 효과적으로 억제하는 기능을 해치지 않고, 성막 직후의 기판 Sw 표면에 부착하는 파티클 수를 줄일 수 있음을 알았다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태에서는 실리콘제 타겟(2)을 사용하여 질화 실리콘막을 성막하는 경우를 예로 설명하였으나 유전체막은 질화 실리콘막으로 한정되지 않고 산화 실리콘막이나 산질화 실리콘막을 성막하는 경우나 알루미늄제 타겟을 사용하여 산화 알루미늄을 성막하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.

SM…스퍼터링 장치
Sw…기판(피처리 기판)
Ton…음전위의 인가 시간
1…진공 챔버
2…타겟

Claims

진공 챔버 내에서 타겟을 스퍼터링하여 피처리 기판의 표면에 유전체막을 성막하는 성막 방법에 있어서, 타겟 스퍼터링 시 타겟에 대해 음전위를 펄스 형상으로 인가하는 것에 있어서,
음전위를 펄스 형상으로 인가할 때의 주파수를 100kHz 이상에서 150kHz 이하의 범위, 음전위의 인가 시간을 5μsec보다 길고 8μsec보다 짧은 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 타겟을 실리콘제로 하고, 타겟의 스퍼터링시, 희가스와 함께 반응 가스를 도입해 반응성 스퍼터링에 의해 유전체막으로서의 질화 실리콘막을 성막하는 것을 특징으로 하는, 성막 방법.