KR102454904B1 - 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는, 막질의 제어를 행할 수 있는 성막 방법을 제공한다.
기판 상에 형성된 흡착 사이트 상에 흡착 저해 라디칼을 소정량 흡착시켜서 이산적으로 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과,
상기 흡착 사이트 상의 상기 흡착 저해 영역이 형성되어 있지 않은 영역에 원료 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 흡착 사이트 상에 흡착된 상기 원료 가스와 플라스마에 의해 활성화된 반응 가스를 반응시켜, 반응 생성물을 퇴적시키는 공정을 갖는다.

Description

성막 방법 {FILM DEPOSITION METHOD}
본 개시는, 성막 방법에 관한 것이다.
종래부터, 표면에 미세 오목부가 형성된 피처리 기판에, 성막하고자 하는 질화막을 구성하는 원소와 염소를 함유하는 성막 원료 가스를 흡착시키는 흡착 공정과, 흡착된 성막 원료 가스를 질화 활성종에 의해 질화시키는 질화 공정을 반복하여 미세 오목부 내에 질화막을 형성하는 질화막의 형성 방법에 있어서, 질화 공정은, 질화 활성종으로서 NH* 활성종 및 N* 활성종을 생성하고, 이들의 농도를 컨트롤함으로써, 미세 오목부 내에서 성막 원료 가스가 흡착되는 영역을 변화시키는 질화막의 형성 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
이러한 질화막의 형성 방법에서는, 성막 단계에 앞서, 질화 공정을 NH* 활성종을 주체로 하여 행하고, 컨포멀한 질화막을 형성하는 초기 성막 단계를 행하고, 그 후, 질화 공정에 있어서, N* 활성종의 농도가 높은 상태로부터 연속적으로 N* 활성종의 농도를 감소시켜, 미세 오목부의 저부로부터 질화막을 성장시키는 성막 단계를 행한다. 이에 의해, 트렌치 저부로부터 질화막을 보텀 업 성장시키고, 그 후 NH* 활성종이 높은 상태에서 컨포멀한 성장으로 제어하여, 미세 트렌치 내부에 보이드나 심이 형성되지 않고 질화막을 메울 수 있다.
일본 특허 공개 제2017-92098호 공보
질화막을 개질하기 위해서는, 플라스마에 의해 질화 가스를 활성화시켜, 질화력을 강화하는 것이 필요하지만, 플라스마 질화를 장시간 계속해도, 포화 상태로 되어 버려, 막질이 향상되지 않는 경우가 있다. 또한, 막질의 제어는 매우 곤란해서, 상술한 바와 같은 포화 상태로 되어 버리면, 유효한 대책이 찾아지지 않는 경우가 많다.
그래서, 본 개시는, 막질의 제어를 행할 수 있는 성막 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 개시의 일 양태에 관한 성막 방법은, 기판 상에 형성된 흡착 사이트 상에 흡착 저해 라디칼을 소정량 흡착시켜서 이산적으로 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과,
상기 흡착 사이트 상의 상기 흡착 저해 영역이 형성되어 있지 않은 영역에 원료 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 흡착 사이트 상에 흡착된 상기 원료 가스와 플라스마에 의해 활성화된 반응 가스를 반응시켜, 반응 생성물을 퇴적시키는 공정을 갖는다.
본 발명에 따르면, 퇴적되는 막의 막질을 제어할 수 있다.
도 1은, 본 개시의 실시 형태에 관한 성막 방법에 적용 가능한 성막 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는, 성막 장치의 진공 용기 내의 구성을 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은, 성막 장치의 진공 용기 내의 구성을 나타내는 개략 평면도이다.
도 4는, 성막 장치 회전 테이블의 동심원을 따른 진공 용기의 개략 단면도이다.
도 5는, 성막 장치의 다른 개략 단면도이다.
도 6은, 성막 장치에 마련되는 플라스마 발생원을 나타내는 개략 단면도이다.
도 7은, 성막 장치에 마련되는 플라스마 발생기를 나타내는 다른 개략 단면도이다.
도 8은, 성막 장치에 마련되는 플라스마 발생기를 나타내는 개략 상면도이다.
도 9는, 성막 장치의 일례를 나타내는 개략 평면도이다.
도 10은, 성막 장치에 있어서의 제3 처리 영역(P3)을 설명하기 위한 일부 단면도이다.
도 11은, 샤워 헤드부의 하면의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 12는, 본 개시의 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례의 일련의 공정을 나타낸 도면이다.
도 13은, 비교예에 관한 성막 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는, 비교예에 관한 성막 방법을 실시한 실시 결과이다.
도 16은, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시하여, 사이클 레이트를 여러 가지 변화시켜서 소정의 에칭 레이트를 실현하기 위한 사이클 레이트를 나타낸 도면이다.
도 17은, 본 실시예 및 비교예의 사이클 레이트와 막 밀도의 관계를 나타낸 도면이다.
도 18은, 본 실시예 및 비교예의 염소 가스의 유량과 사이클 레이트의 관계를 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태 설명을 행한다.
[성막 장치]
먼저, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법에 적합하게 사용되는 성막 장치에 대해서 설명한다. 도 1부터 도 3까지를 참조하면, 본 실시 형태에 관한 성막 장치는, 거의 원형의 평면 형상을 갖는 편평한 진공 용기(1)와, 진공 용기(1) 내에 마련되고, 진공 용기(1)의 중심에 회전 중심을 갖는 회전 테이블(2)을 구비하고 있다. 진공 용기(1)는, 내부에 수용한 웨이퍼의 표면 상에 성막 처리를 행하기 위한 처리실이다. 진공 용기(1)는, 바닥이 있는 원통 형상을 갖는 용기 본체(12)와, 용기 본체(12)의 상면에 대해서, 예를 들어 O링 등의 실 부재(13)(도 1)를 통해 기밀하게 착탈 가능하게 배치되는 천장판(11)을 갖고 있다.
회전 테이블(2)은, 중심부에서 원통 형상의 코어부(21)에 고정되고, 이 코어부(21)는, 연직 방향으로 신장되는 회전축(22)의 상단에 고정되어 있다. 회전축(22)은 진공 용기(1)의 저부(14)를 관통하고, 하단이 회전축(22)(도 1)을 연직축 주위로 회전시키는 구동부(23)에 설치되어 있다. 회전축(22) 및 구동부(23)는, 상면이 개구된 통상의 케이스체(20) 내에 수납되어 있다. 케이스체(20)는 그 상면에 마련된 플랜지 부분이 진공 용기(1)의 저부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어 있고, 케이스체(20)의 내부 분위기와 외부 분위기의 기밀 상태가 유지되고 있다.
회전 테이블(2)의 표면부에는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 회전 방향(주위 방향)을 따라 복수(도시의 예에서는 5장)의 기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 한다)(W)를 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)가 마련되어 있다. 또한, 도 3에는 편의상 1개의 오목부(24)에만 웨이퍼(W)를 나타낸다. 이 오목부(24)는, 웨이퍼(W)의 직경보다도 약간 예를 들어 4mm 큰 내경과, 웨이퍼(W)의 두께에 거의 동등한 깊이를 갖고 있다. 따라서, 웨이퍼(W)가 오목부(24)에 수용되면, 웨이퍼(W)의 표면과 회전 테이블(2)의 표면(웨이퍼(W)가 적재되지 않는 영역)이 동일한 높이가 된다. 오목부(24)의 저면에는, 웨이퍼(W)의 이면을 지지하여 웨이퍼(W)를 승강시키기 위한 예를 들어 3개의 승강 핀이 관통하는 관통 구멍(모두 도시하지 않음)이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3은, 진공 용기(1) 내의 구조를 설명하기 위한 도면이며, 설명의 편의상, 천장판(11)의 도시를 생략하고 있다. 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 회전 테이블(2)의 상방에는, 각각 예를 들어 석영으로 이루어지는 반응 가스 노즐(31), 반응 가스 노즐(32), 반응 가스 노즐(33), 및 분리 가스 노즐(41, 42)이 진공 용기(1)의 주위 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향(도 3의 화살표 A))으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 도시의 예에서는, 후술하는 반송구(15)로부터 시계 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향)으로, 분리 가스 노즐(41), 반응 가스 노즐(31), 분리 가스 노즐(42), 반응 가스 노즐(32) 및 반응 가스 노즐(33)이 이 순서로 배열되어 있다. 이들 노즐(31, 32, 33, 41, 42)은, 각 노즐(31, 32, 33, 41, 42)의 기단부인 가스 도입 포트(31a, 32a, 33a, 41a, 42a)(도 3)를 용기 본체(12)의 외주벽에 고정함으로써, 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 진공 용기(1) 내에 도입되고, 용기 본체(12)의 반경 방향을 따라 회전 테이블(2)에 대해서 수평하게 신장되도록 설치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 도 3에 나타나는 바와 같이, 반응 가스 노즐(31)은, 배관(110) 및 유량 제어기(120) 등을 통해, 원료 가스의 공급원(130)에 접속되어 있다. 반응 가스 노즐(32)은, 배관(111) 및 유량 제어기(121) 등을 통해, 반응 가스의 공급원(131)에 접속되어 있다. 또한, 반응 가스 노즐(33)은, 배관(112) 및 유량 제어기(122) 등을 통해, 흡착 저해 가스의 공급원(132)에 접속되어 있다. 분리 가스 노즐(41, 42)은, 어느 것이나 모두 도시하지 않은 배관 및 유량 제어 밸브 등을 통해, 분리 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 분리 가스로서는, 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 등의 희가스나 질소(N2) 가스 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, Ar 가스를 사용하는 예를 들어서 설명한다.
반응 가스 노즐(31, 32, 33)에는, 회전 테이블(2)을 향해서 개구되는 복수의 가스 토출 구멍(35)이, 반응 가스 노즐(31, 32, 33)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10mm의 간격으로 배열되어 있다. 반응 가스 노즐(31)의 하방 영역은, 원료 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역(P1)으로 된다. 반응 가스 노즐(32)의 하방 영역은, 제1 처리 영역(P1)에 있어서 웨이퍼(W)에 흡착된 원료 가스와 반응하여 반응 생성물을 생성 가능한 반응 가스를 공급하고, 반응 생성물의 분자층을 생성하는 제2 처리 영역(P2)으로 된다. 또한, 반응 생성물의 분자층이, 성막되는 박막을 구성한다. 또한, 필요에 따라, 제2 처리 영역(P2)에 있어서의 반응 가스의 공급은, 웨이퍼(W)가 회전 테이블(2) 상에 적재되고, 웨이퍼(W)에 원료 가스가 아직 공급되지 않은 초기 단계에서도 행해진다. 예를 들어, 반응 가스로서, 암모니아 등의 질화 가스가 사용되는 경우에는, 원료 가스의 공급 전에 웨이퍼(W)의 표면을 질화하게 된다. 이것은, 웨이퍼(W)의 표면에 원료 가스의 흡착 사이트를 형성하기 위한 질화이며, 필요에 따라 행해져도 된다. 반응 가스 노즐(33)의 하방 영역은, 제2 처리 영역(P2)에 있어서 생성한 반응 생성물 또는 흡착 사이트에 흡착 저해 라디칼을 공급하고, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착 저해 영역을 형성하는 제3 처리 영역(P3)으로 된다. 여기서, 제1 처리 영역(P1)은, 원료 가스를 공급하는 영역이므로, 원료 가스 공급 영역(P1)이라 칭해도 되는 것으로 한다. 마찬가지로, 제2 처리 영역(P2)은, 원료 가스와 반응하여 반응 생성물을 생성 가능한 반응 가스를 공급하는 영역이므로, 반응 가스 공급 영역(P2)이라 칭해도 되는 것으로 한다. 또한, 제3 처리 영역(P3)은, 흡착 저해 라디칼을 공급하는 영역이므로, 흡착 저해 라디칼 공급 영역(P3)이라 칭해도 되는 것으로 한다.
원료 가스는, 퇴적시키는 박막의 종류에 따라, 실리콘 함유 가스, 금속 함유 가스 등의 여러 가지 가스를 사용할 수 있다. 반응 가스도, 원료 가스와 반응하여 반응 생성물을 생성 가능한 가스라면, 퇴적시키는 박막의 종류에 따라 여러 가지 가스를 사용할 수 있다. 예를 들어, 산화막을 성막하는 경우에는 산소 등의 산화 가스, 질화막을 성막하는 경우에는 암모니아 등의 질화 가스를 사용할 수 있다. 또한, 흡착 저해 가스는, 플라스마 등에 의한 활성화에 의해 원료 가스의 흡착을 방해할 수 있는 흡착 저해 라디칼이라면, 박막의 종류에 따라 여러 가지 가스를 사용할 수 있다.
그러나, 이하의 실시 형태에서는, 설명의 용이를 위해, 원료 가스로서 실리콘 및 염소를 함유하는 가스를 사용하고, 반응 가스로서 질화 가스를 사용하고, 흡착 저해 가스로서 염소 가스를 사용한 예를 들어서 설명한다. 흡착 저해 가스로서 염소를 사용한 경우, 흡착 저해 라디칼은 염소 라디칼로 된다. 단, 원료 가스, 반응 가스 및 흡착 저해 가스가 이들에 한정되는 것은 아니라는 것은, 상술한 바와 같다.
제3 처리 영역(P3)의 주변, 예를 들어 상방 또는 측방에는, 플라스마 발생기(90)가 마련된다. 또한, 제2 처리 영역(P2)의 상방에는, 플라스마 발생기(80)가 마련된다. 도 3에 있어서, 플라스마 발생기(80, 90)는, 파선으로 간략화하여 나타나 있다. 플라스마 발생기(90)는, 염소 라디칼을 생성하기 위한 리모트 플라스마 발생 장치로부터 구성된다. 한편, 플라스마 발생기(80)는, 특별히 종류는 묻지 않지만, 예를 들어 ICP(Inductively Coupled Plasma, 유도 결합형)플라스마 발생 장치로 구성되어도 된다. 또한, 플라스마 발생기(80, 90)의 상세에 대해서는 후술한다.
상술한 바와 같이, 원료 가스로서는, 실리콘 및 염소를 함유하는 가스가 선택되는 예를 들어서 설명한다. 예를 들어, 질화 실리콘(SiN)막을 성막하는 경우에는, 디클로로실란(DCS, SiH2Cl2) 등의 실리콘 및 염소를 함유하는 가스가 선택된다. 또한, 원료 가스는, 실리콘 및 염소를 함유하는 가스라면, 여러 가지 가스가 사용되어도 된다. 예를 들어, 디클로로실란 외에, 용도에 따라, 모노클로로실란(SiH3Cl), 트리클로로실란(SiHCl3), 헥사클로로디실란(Si2Cl6) 등의 클로로실란계 가스를 사용해도 된다. DCS는, 그러한 실리콘 및 염소를 함유하는 가스의 일례로서 예시되고 있다.
또한, 질화 가스로서는, 일반적으로는 암모니아(NH3) 함유 가스가 선택된다. 기타, 질화 가스를 플라스마에 의해 활성화하여 공급하는 경우에는, 질소(N2) 함유 가스가 선택되는 경우도 있다. 또한, 질화 가스는, 암모니아 외에, Ar 등의 캐리어 가스를 포함해도 된다.
제3 반응 노즐(33)로부터 공급되는 염소 라디칼은, 제1 반응 가스 노즐(31)로부터 공급되는 원료 가스가 웨이퍼(W)에 흡착되는 것을 저해하는 흡착 저해 영역을 웨이퍼의 표면 상에 이산적, 분산적으로 형성하는 역할을 갖는다. 본 실시 형태에 관한 성막 장치 및 성막 방법에 있어서는, 흡착 저해 영역을 살포적으로 형성하고, 원료 가스가 웨이퍼(W)의 표면 전체에 포화적으로 흡착되지 않고, 살포적·국소적으로 흡착되도록 제어한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 성막 방법의 상세에 대해서는 후술한다. 또한, 도 2 및 도 3에 있어서는, 수평으로 연장되는 노즐이 제3 반응 노즐(33)로서 나타나 있지만, 제3 반응 노즐(33)은, 샤워 헤드로서 구성되어도 된다. 도 2 및 도 3에 있어서는, 제3 반응 노즐(33)이 수평으로 연장되는 노즐로서 구성된 예에 대해서 설명하고, 샤워 헤드로서 구성된 경우에 대해서는 후술한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 진공 용기(1) 내에는 2개의 볼록형부(4)가 마련되어 있다. 볼록형부(4)는, 분리 가스 노즐(41, 42)과 함께 분리 영역 D를 구성하기 때문에, 후술하는 바와 같이, 회전 테이블(2)을 향해서 돌출되도록 천장판(11)의 이면에 설치되어 있다. 또한, 볼록형부(4)는, 정상부가 원호상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고, 본 실시 형태에 있어서는, 내 원호가 돌출부(5)(후술)에 연결되고, 외 원호가, 진공 용기(1)의 용기 본체(12)의 내주면을 따르도록 배치되어 있다.
도 4는, 반응 가스 노즐(31)로부터 반응 가스 노즐(32)까지 회전 테이블(2)의 동심원을 따른 진공 용기(1)의 단면을 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 천장판(11)의 이면에 볼록형부(4)가 설치되어 있기 때문에, 진공 용기(1) 내에는, 볼록형부(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 존재한다. 천장면(44)은, 정상부가 원호상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 도시하는 바와 같이, 볼록형부(4)에는 주위 방향 중앙에 있어서, 반경 방향으로 신장되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(42)이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 또 하나의 볼록형부(4)에도 마찬가지로 홈부(43)가 형성되고, 여기에 분리 가스 노즐(41)가 수용되어 있다. 또한, 높은 천장면(45)의 하방의 공간에 반응 가스 노즐(31, 32)이 각각 마련되어 있다. 이들 반응 가스 노즐(31, 32)은, 천장면(45)으로부터 이격되어 웨이퍼(W)의 근방에 마련되어 있다. 또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 높은 천장면(45)의 하방의 우측의 공간(481)에 반응 가스 노즐(31)이 마련되고, 높은 천장면(45)의 하방의 좌측의 공간(482)에 반응 가스 노즐(32)이 마련된다.
또한, 볼록형부(4)의 홈부(43)에 수용되는 분리 가스 노즐(41, 42)에는, 회전 테이블(2)을 향해서 개구되는 복수의 가스 토출 구멍(42h)(도 4 참조)이, 분리 가스 노즐(41, 42)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10mm의 간격으로 배열되어 있다.
천장면(44)은, 좁은 공간인 분리 공간 H를 회전 테이블(2)에 대해서 형성하고 있다. 분리 가스 노즐(42)의 토출 구멍(42h)으로부터 Ar 가스가 공급되면, 이 Ar 가스는, 분리 공간 H를 거쳐 공간(481) 및 공간(482)을 향해서 흐른다. 이때, 분리 공간 H의 용적은 공간(481) 및 공간(482)의 용적보다도 작기 때문에, Ar 가스에 의해 분리 공간 H의 압력을 공간(481) 및 공간(482)의 압력에 비해서 높게 할 수 있다. 즉, 공간(481) 및 공간(482)의 사이에 압력이 높은 분리 공간 H가 형성된다. 또한, 분리 공간 H로부터 공간(481) 및 공간(482)으로 흘러 나오는 Ar 가스가, 제1 영역(P1)으로부터의 제1 반응 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 제2 반응 가스에 대한 카운터 플로우로서 작용한다. 따라서, 제1 영역(P1)으로부터의 원료 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 반응 가스가 분리 공간 H에 의해 분리된다. 따라서, 진공 용기(1) 내에 있어서 원료 가스와 반응 가스가 혼합되어, 반응하는 것이 억제된다.
또한, 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이 h1은, 성막 시의 진공 용기(1) 내의 압력, 회전 테이블(2)의 회전 속도, 공급하는 분리 가스(Ar 가스)의 공급량 등을 고려하여, 분리 공간 H의 압력을 공간(481) 및 공간(482)의 압력에 비해서 높게 하는 데 적합한 높이로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 천장판(11)의 하면에는, 회전 테이블(2)을 고정하는 코어부(21)의 외주를 둘러싸는 돌출부(5)(도 2 및 도 3)가 마련되어 있다. 이 돌출부(5)는, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록형부(4)에 있어서의 회전 중심측의 부위와 연속하고 있어, 그 하면이 천장면(44)과 동일한 높이에 형성되어 있다.
앞서 참조한 도 1은, 도 3의 I-Ｉ'선을 따른 단면도이고, 천장면(45)이 마련되어 있는 영역을 나타내고 있다. 한편, 도 5는, 천장면(44)이 마련되어 있는 영역을 나타내는 단면도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 부채형의 볼록형부(4)의 주연부(진공 용기(1)의 외측 에지측의 부위)에는, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향하도록 L자형으로 굴곡되는 굴곡부(46)가 형성되어 있다. 이 굴곡부(46)는, 볼록형부(4)와 마찬가지로, 분리 영역 D의 양측으로부터 반응 가스가 침입하는 것을 억제하여, 양쪽 반응 가스의 혼합을 억제한다. 부채형의 볼록형부(4)는 천장판(11)에 마련되고, 천장판(11)을 용기 본체(12)로부터 떼어낼 수 있도록 되어 있다는 점에서, 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12)의 사이에는 약간 간극이 있다. 굴곡부(46)의 내주면과 회전 테이블(2)의 외측 단부면의 간극, 및 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12)의 간극은, 예를 들어 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이와 마찬가지의 치수로 설정되어 있다.
용기 본체(12)의 내주벽은, 분리 영역 D에 있어서는 도 4에 나타내는 바와 같이 굴곡부(46)의 외주면과 접근하여 수직면에 형성되어 있지만, 분리 영역 D 이외의 부위에 있어서는, 도 1에 나타내는 바와 같이 예를 들어 회전 테이블(2)의 외측 단부면과 대향하는 부위로부터 저부(14)에 걸쳐서 외측으로 오목해져 있다. 이하, 설명의 편의상, 대략 직사각형의 단면 형상을 갖는 오목한 부분을 배기 영역이라 기재한다. 구체적으로는, 제1 처리 영역(P1)에 연통하는 배기 영역을 제1 배기 영역 E1이라 기재하고, 제2 및 제3 처리 영역(P2, P3)에 연통하는 영역을 제2 배기 영역 E2라 기재한다. 이들 제1 배기 영역 E1 및 제2 배기 영역 E2의 저부에는, 도 1부터 도 3에 나타내는 바와 같이, 각각, 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)가 형성되어 있다. 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)는, 도 1에 나타내는 바와 같이 각각 배기관(630)을 통해 진공 배기 수단인 예를 들어 진공 펌프(640)에 접속되어 있다. 또한, 진공 펌프(640)와 배기관(630)의 사이에, 압력 제어기(650)가 마련된다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타나는 바와 같이, 제2 처리 영역(P2)과 제3 처리 영역(P3)의 사이에 분리 영역 H는 마련되어 있지 않지만, 도 3에 있어서는, 플라스마 발생기(80, 90)로서 나타난 영역에, 회전 테이블(2) 상의 공간을 구획하는 하우징이 마련된다. 이에 의해, 제2 처리 영역(P2)과 제3 처리 영역(P3)의 공간은 구획된다. 또한, 이 점의 상세는 후술한다.
회전 테이블(2)과 진공 용기(1)의 저부(14)의 사이의 공간에는, 도 1 및 도 5에 나타내는 바와 같이 가열 수단인 히터 유닛(7)이 마련되고, 회전 테이블(2)을 통해 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)가, 프로세스 레시피에서 결정된 온도(예를 들어 400℃)로 가열된다. 회전 테이블(2)의 주연 부근의 하방측에는, 회전 테이블(2)의 상방 공간으로부터 배기 영역 E1, E2에 이르기까지의 분위기와 히터 유닛(7)이 놓여 있는 분위기를 구획하여 회전 테이블(2)의 하방 영역에의 가스의 침입을 억제하기 위해서, 링상의 커버 부재(71)가 마련되어 있다(도 5). 이 커버 부재(71)는, 회전 테이블(2)의 외측 에지부 및 외측 에지부보다도 외주측을 하방측으로부터 면하도록 마련된 내측 부재(71a)와, 이 내측 부재(71a)와 진공 용기(1)의 내벽면의 사이에 마련된 외측 부재(71b)를 구비하고 있다. 외측 부재(71b)는, 분리 영역 D에 있어서 볼록형부(4)의 외측 에지부에 형성된 굴곡부(46)의 하방에서, 굴곡부(46)와 근접해서 마련되고, 내측 부재(71a)는, 회전 테이블(2)의 외측 에지부 하방(및 외측 에지부보다도 약간 외측의 부분의 하방)에 있어서, 히터 유닛(7)을 전체 주위에 걸쳐서 둘러싸고 있다.
히터 유닛(7)이 배치되어 있는 공간보다도 회전 중심 부근의 부위에 있어서의 저부(14)는, 회전 테이블(2)의 하면의 중심부 부근에 있어서의 코어부(21)에 접근하도록 상방측으로 돌출되어서 돌출부(12a)를 이루고 있다. 이 돌출부(12a)와 코어부(21)의 사이는 좁은 공간으로 되어 있고, 또한 저부(14)를 관통하는 회전축(22)의 관통 구멍의 내주면과 회전축(22)의 간극이 좁아져 있어서, 이들 좁은 공간은 케이스체(20)에 연통하고 있다. 그리고 케이스체(20)에는 퍼지 가스인 Ar 가스를 좁은 공간 내에 공급하여 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 마련되어 있다. 또한 진공 용기(1)의 저부(14)에는, 히터 유닛(7)의 하방에 있어서 주위 방향으로 소정의 각도 간격으로, 히터 유닛(7)의 배치 공간을 퍼지하기 위한 복수의 퍼지 가스 공급관(73)이 마련되어 있다(도 5에는 1개의 퍼지 가스 공급관(73)을 나타낸다). 또한, 히터 유닛(7)과 회전 테이블(2)의 사이에는, 히터 유닛(7)이 마련된 영역에의 가스의 침입을 억제하기 위해서, 외측 부재(71b)의 내주벽(내측 부재(71a)의 상면)으로부터 돌출부(12a)의 상단부와의 사이를 주위 방향에 걸쳐서 덮는 덮개 부재(7a)가 마련되어 있다. 덮개 부재(7a)는 예를 들어 석영으로 제작할 수 있다.
또한, 진공 용기(1)의 천장판(11)의 중심부에는 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있고, 천장판(11)과 코어부(21)의 사이의 공간(52)에 분리 가스인 Ar 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 이 공간(52)에 공급된 분리 가스는, 돌출부(5)와 회전 테이블(2)의 좁은 간극(50)를 통해 회전 테이블(2)의 웨이퍼 적재 영역측의 표면을 따라 주연을 향해서 토출된다. 공간(50)은 분리 가스에 의해 공간(481) 및 공간(482)보다도 높은 압력으로 유지될 수 있다. 따라서, 공간(50)에 의해, 제1 처리 영역(P1)에 공급되는 원료 가스와 제2 처리 영역(P2)에 공급되는 질화 가스가, 중심 영역 C를 통과하여 혼합되는 것이 억제된다. 즉, 공간(50)(또는 중심 영역 C)은 분리 공간 H(또는 분리 영역 D)와 마찬가지로 기능할 수 있다.
또한, 진공 용기(1)의 측벽에는, 도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이, 외부의 반송 암(10)과 회전 테이블(2)의 사이에서 기판인 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는 도시하지 않은 게이트 밸브에 의해 개폐된다. 또한 회전 테이블(2)에 있어서의 웨이퍼 적재 영역인 오목부(24)는 이 반송구(15)에 대향하는 위치에서 반송 암(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해진다는 점에서, 회전 테이블(2)의 하방측에 있어서 전달 위치에 대응하는 부위에, 오목부(24)를 관통하여 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어 올리기 위한 전달용의 승강 핀 및 그 승강 기구(어느 것이나 모두 도시하지 않음)가 마련되어 있다.
이어서, 도 6부터 도 8까지를 참조하면서, 플라스마 발생기(80)에 대해서 설명한다. 도 6은, 회전 테이블(2)의 반경 방향을 따른 플라스마 발생기(80)의 개략 단면도이고, 도 7은, 회전 테이블(2)의 반경 방향과 직교하는 방향을 따른 플라스마 발생기(80)의 개략 단면도이고, 도 8은, 플라스마 발생기(80)의 개략을 나타내는 상면도이다. 도시의 편의상, 이들 도면에 있어서 일부의 부재를 간략화하고 있다.
도 6을 참조하면, 플라스마 발생기(80)는, 고주파 투과성의 재료로 제작되고, 상면으로부터 오목한 오목부를 갖고, 천장판(11)에 형성된 개구부(11a)에 끼워 넣어지는 프레임 부재(81)와, 프레임 부재(81)의 오목부 내에 수용되고, 상부가 개구된 대략 상자상의 형상을 갖는 패러데이 차폐판(82)과, 패러데이 차폐판(82)의 저면 상에 배치되는 절연판(83)과, 절연판(83)의 상방에 지지되고, 대략 팔각형의 상면 형상을 갖는 코일상의 안테나(85)를 구비한다.
천장판(11)의 개구부(11a)는 복수의 단차부를 갖고 있고, 그 중 1개의 단차부에는 전체 주위에 걸쳐서 홈부가 형성되고, 이 홈부에 예를 들어 O-링 등의 실 부재(81a)가 끼워 넣어져 있다. 한편, 프레임 부재(81)는, 개구부(11a)의 단차부에 대응하는 복수의 단차부를 갖고 있고, 프레임 부재(81)를 개구부(11a)에 끼워 넣으면, 복수의 단차부 중 1개의 단차부의 이면이, 개구부(11a)의 홈부에 끼워 넣어진 실 부재(81a)와 접하고, 이에 의해, 천장판(11)과 프레임 부재(81)의 사이의 기밀성이 유지된다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 천장판(11)의 개구부(11a)에 끼워 넣어지는 프레임 부재(81)의 외주를 따른 압박 부재(81c)가 마련되고, 이에 의해, 프레임 부재(81)가 천장판(11)에 대해서 하방으로 압박된다. 이 때문에, 천장판(11)과 프레임 부재(81)의 사이의 기밀성이 보다 확실하게 유지된다.
프레임 부재(81)의 하면은, 진공 용기(1) 내의 회전 테이블(2)에 대향하고 있고, 그 하면의 외주에는 전체 주위에 걸쳐서 하방으로(회전 테이블(2)을 향해) 돌기하는 돌기부(81b)가 마련되어 있다. 돌기부(81b)의 하면은 회전 테이블(2)의 표면에 근접하고 있고, 돌기부(81b)와, 회전 테이블(2)의 표면과, 프레임 부재(81)의 하면에 의해 회전 테이블(2)의 상방에 공간(이하, 제3 처리 영역(P3))이 구획 형성되어 있다. 또한, 돌기부(81b)의 하면과 회전 테이블(2)의 표면의 간격은, 분리 공간 H(도 4)에 있어서의 천장면(11)의 회전 테이블(2)의 상면에 대한 높이 h1과 거의 동일해도 된다.
또한, 이 제2 처리 영역(P2)에는, 돌기부(81b)를 관통한 반응 가스 노즐(32)이 연장되어 있다. 반응 가스 노즐(32)에는, 본 실시 형태에 있어서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 질화 가스가 충전되는 질화 가스 공급원(131)이, 유량 제어기(121)를 통해 배관(111)에 의해 접속되어 있다. 질화 가스는, 예를 들어 암모니아(NH3)를 함유하는 가스여도 되고, 구체적으로는, 암모니아(NH3)와 아르곤(Ar)의 혼합 가스여도 된다. 유량 제어기(121)에 의해 유량 제어된 질화 가스가, 플라스마 발생기(80)로 활성화되어, 소정의 유량으로 제2 처리 영역(P2)에 공급된다. 또한, 암모니아와 아르곤의 혼합 가스가 질화 가스로서 사용되는 경우, 암모니아와 아르곤은 제각기 공급되어도 되지만, 도 6에 있어서는, 설명의 편의상, 혼합 가스의 상태에서 반응 가스 노즐(32)에 공급된 상태를 예시하고 있다.
반응 가스 노즐(32)에는, 그 길이 방향을 따라 소정의 간격(예를 들어 10mm)으로 복수의 토출 구멍(35)이 형성되어 있고, 토출 구멍(35)으로부터 상술한 염소 가스가 토출된다. 토출 구멍(35)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 회전 테이블(2)에 대해서 수직인 방향으로부터 회전 테이블(2)의 회전 방향의 상류측을 향해서 기울어 있다. 이 때문에, 반응 가스 노즐(32)로부터 공급되는 가스는, 회전 테이블(2)의 회전 방향과 반대의 방향으로, 구체적으로는, 돌기부(81b)의 하면과 회전 테이블(2)의 표면의 사이의 간극을 향해서 토출된다. 이에 의해, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라 플라스마 발생기(80)보다도 상류측에 위치하는 천장면(45)의 하방의 공간으로부터 반응 가스나 분리 가스가, 제2 처리 영역(P2) 내로 유입되는 것이 억제된다. 또한, 상술한 바와 같이, 프레임 부재(81)의 하면의 외주를 따라 형성되는 돌기부(81b)가 회전 테이블(2)의 표면에 근접해 있기 때문에, 반응 가스 노즐(32)로부터의 가스에 의해 제2 처리 영역(P2) 내의 압력을 용이하게 높게 유지할 수 있다. 이에 의해서도, 반응 가스나 분리 가스가 제2 처리 영역(P2) 내로 유입되는 것이 억제된다.
이와 같이, 프레임 부재(81)는, 제2 처리 영역(P2)을 주위로부터 분리하기 위한 역할을 담당하고 있다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치는, 플라스마 발생기(80)와 함께, 제2 처리 영역(P2)을 구획하기 위해서, 프레임 부재(81)를 구비하고 있는 것으로 한다.
패러데이 차폐판(82)은, 금속 등의 도전성 재료로 제작되고, 도시는 생략하지만 접지되어 있다. 도 8에 명확하게 나타나는 바와 같이, 패러데이 차폐판(82)의 저부에는, 복수의 슬릿(82s)이 형성되어 있다. 각 슬릿(82s)은, 대략 팔각형의 평면 형상을 갖는 안테나(85)가 대응하는 변과 거의 직교하도록 연장되어 있다.
또한, 패러데이 차폐판(82)은, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 상단의 2개소에 있어서 외측으로 절곡되는 지지부(82a)를 갖고 있다. 지지부(82a)가 프레임 부재(81)의 상면에 지지됨으로써, 프레임 부재(81) 내의 소정의 위치에 패러데이 차폐판(82)이 지지된다.
절연판(83)은, 예를 들어 석영 유리에 의해 제작되고, 패러데이 차폐판(82)의 저면보다도 약간 작은 크기를 갖고, 패러데이 차폐판(82)의 저면에 적재된다. 절연판(83)은, 패러데이 차폐판(82)과 안테나(85)를 절연하는 한편, 안테나(85)로부터 방사되는 고주파를 아래쪽으로 투과시킨다.
안테나(85)는, 평면 형상이 대략 팔각형이 되도록 구리제의 중공관(파이프)를 예를 들어 3겹으로 권회함으로써 형성된다. 파이프 내에 냉각수를 순환시킬 수 있고, 이에 의해, 안테나(85)로 공급되는 고주파에 의해 안테나(85)가 고온으로 가열되는 것이 방지된다. 또한, 안테나(85)에는 입설부(85a)가 설치되어 있고, 입설부(85a)에 지지부(85b)가 설치되어 있다. 지지부(85b)에 의해, 안테나(85)가 패러데이 차폐판(82) 내의 소정의 위치에 유지된다. 또한, 지지부(85b)에는, 매칭 박스(86)를 통해 고주파 전원(87)가 접속되어 있다. 고주파 전원(87)은, 예를 들어 13.56MHz의 주파수를 갖는 고주파를 발생할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 플라스마 발생기(80)에 따르면, 매칭 박스(86)를 통해 고주파 전원(87)으로부터 안테나(85)에 고주파 전력을 공급하면, 안테나(85)에 의해 전자계가 발생한다. 이 전자계 중 전계 성분은, 패러데이 차폐판(82)에 의해 차폐되기 때문에, 아래쪽으로 전파할 수는 없다. 한편, 자계 성분은 패러데이 차폐판(82)의 복수의 슬릿(82s)을 통해 제3 처리 영역(P3) 내로 전파된다. 이 자계 성분에 의해, 반응 가스 노즐(33)로부터 소정의 유량비로 제2 처리 영역(P2)에 공급되는 질화 가스가 활성화된다.
이어서, 본 실시 형태에 관한 성막 장치의 플라스마 발생기(90)에 대해서 설명한다.
도 9는, 플라스마 발생기(80, 90)를 탑재한 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치의 상면도이다. 플라스마 발생기(90)는, 리모트 플라스마 발생 장치로서 구성되어 있다.
도 6 내지 8에서 설명한 안테나(85)를 사용한 유도형 플라스마 발생 장치(ICP, Inductively Coupled Plasma)(80)는, 높은 플라스마 강도로 플라스마를 발생시키는 데 유효하고, 이온화된 질화 가스와, 라디칼화된 질화 가스의 양쪽을 발생시켜도 되는 경우에는, 유효하게 기능한다. 그러나, 염소 이온은 불필요하여, 염소 라디칼만이 필요한 경우에는, 리모트 플라스마 발생 장치 쪽이 적합하다. 즉, 리모트 플라스마 발생 장치는, 진공 용기(1)의 외부에서 플라스마에 의한 염소의 활성화를 행하기 때문에, 수명이 짧은 이온화된 염소는 진공 용기(1) 내 또는 웨이퍼(W)에 도달하기 전에 사활되고, 수명이 긴 라디칼화한 염소만이 웨이퍼(W)에 공급된다. 이에 의해, 진공 용기(1) 내에서 직접적으로 플라스마를 발생시키는 ICP 플라스마 발생 장치보다도 약하게 활성화된 염소 라디칼이 대부분을 차지하는 활성화된 염소 가스를 웨이퍼(W)에 공급할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 플라스마 발생기(90)에는, 이온화한 염소를 거의 웨이퍼(W)에 공급하지 않고, 염소 라디칼을 공급하는 것이 가능한 플라스마 발생 장치를 사용한다. 리모트 플라스마 발생 장치는, 그러한 플라스마 발생 장치의 일례이다. 단, 플라스마 발생기(90)는, 리모트 플라스마 발생 장치에 한정되는 것은 아니며, 염소 이온을 그다지 발생시키지 않고 염소 라디칼을 주로 발생시킬 수 있으면, 여러 가지 플라스마 발생 장치를 사용할 수 있다.
도 10은, 플라스마 발생기(90)를 포함하는 본 실시 형태에 관한 성막 장치의 단면도이다.
도 10에 나타나는 바와 같이, 플라스마 발생기(90)는, 제3 처리 영역(P3)에 있어서, 회전 테이블(2)에 대향해서 마련된다. 플라스마 발생기(90)는, 플라스마 생성부(91)와, 가스 공급관(92)과, 샤워 헤드부(93)와, 배관(94)을 구비하고 있다. 또한, 샤워 헤드부(93)는, 염소 가스 토출부의 일례이고, 예를 들어 샤워 헤드부(93) 대신에 가스 노즐이 사용되어도 된다.
플라스마 생성부(91)는, 가스 공급관(92)으로부터 공급된 염소 가스를 플라스마원에 의해 활성화한다. 플라스마원으로서는, 염소 가스를 라디칼화하는 것이 가능하면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 플라스마원으로서는, 예를 들어 유도 결합형 플라스마(ICP: Inductively Coupled Plasma), 용량 결합형 플라스마(CCP: Capacitively Coupled Plasma), 표면파 플라스마(SWP: Surface Wave Plasma)를 사용할 수 있다.
가스 공급관(92)은, 그 일단부가 플라스마 생성부(91)와 접속되어 있고, 플라스마 생성부(91)에 염소 가스를 공급한다. 가스 공급관(92)의 타단부는, 예를 들어 개폐 밸브 및 유량 조정기를 통해 염소 가스가 저류된 염소 가스 공급원(132)과 접속되어 있다.
샤워 헤드부(93)는, 배관(94)을 통해 플라스마 생성부(91)와 접속되어 있고, 플라스마 생성부(91)에서 활성화된 불소 함유 가스를 진공 용기(1) 내에 공급하는 부분이다. 샤워 헤드부(93)는, 부채형의 평면 형상을 갖고, 부채형의 평면 형상의 외측 에지를 따르도록 형성된 압박 부재(95)에 의해 하방측을 향해서 주위 방향에 걸쳐서 압박된다. 또한, 압박 부재(95)가 도시하지 않은 볼트 등에 의해 천장판(11)에 고정됨으로써, 진공 용기(1)의 내부 분위기가 기밀 상태로 된다. 천장판(11)에 고정되었을 때의 샤워 헤드부(93)의 하면과 회전 테이블(2)의 상면의 간격은, 예를 들어 0.5mm 내지 5mm 정도로 할 수 있다.
샤워 헤드부(93)에는, 회전 테이블(2)의 각속도 차이에 대응하여 회전 중심측에서 적고, 외주측에서 많아지도록 복수의 가스 토출 구멍(93a)이 마련되어 있다. 복수의 가스 토출 구멍(93a)의 개수로서는, 예를 들어 몇십 내지 몇백개로 할 수 있다. 또한, 복수의 가스 토출 구멍(93a)의 직경으로서는, 예를 들어 0.5mm 내지 3mm 정도로 할 수 있다. 샤워 헤드부(93)에 공급된 활성화된 염소 가스는, 가스 토출 구멍(93a)을 통해 회전 테이블(2)과 샤워 헤드부(93)의 사이의 공간에 공급된다.
도 11은, 샤워 헤드부(93)의 하면의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 11에 나타나는 바와 같이, 하방 돌출면(93c)은, 부채형의 샤워 헤드부(93)의 하면(93b)의 외주를 따르도록, 띠상으로 마련되어도 된다. 이에 의해, 주위 방향으로 균일하게 제3 처리 영역(P3)의 외주측의 압력의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 가스 토출 구멍(93a)은, 샤워 헤드부(93)의 하면(93b)의 주위 방향의 중앙에, 반경 방향으로 연장되도록 마련되어도 된다. 이에 의해, 회전 테이블(2)의 중심측으로부터 외주측으로 분산시켜서 염소 가스를 공급할 수 있다.
이와 같이, 리모트 플라스마 발생 장치로서 구성된 플라스마 발생기(90)를 사용하여 염소 라디칼을 웨이퍼(W)에 공급해도 된다.
또한, 리모트 플라스마 발생 장치는, 도 9 내지 도 11에 나타낸 바와 같은 샤워 헤드부(93)를 갖는 구조에 한정되지 않고, 도 2, 3에 나타낸 반응 가스 노즐(33)을 사용한 구조여도 된다. 이 경우에는, 예를 들어 플라스마 생성부(91)를, 용기 본체(12)의 외측의 측면에 마련하고, 외측면측으로부터 반응 가스 노즐(33)에 염소 라디칼을 공급하는 구조로 해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 장치에는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 장치 전체의 동작의 컨트롤을 행하기 위한 컴퓨터로 이루어지는 제어부(100)가 마련되어 있고, 이 제어부(100)의 메모리 내에는, 제어부(100)의 제어 하에, 후술하는 성막 방법을 성막 장치에 실시시키는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은 후술하는 성막 방법을 실행하도록 스텝군이 편성되어 있고, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 매체(102)에 기억되어 있고, 소정의 판독 장치에 의해 기억부(101)에 읽어들여져, 제어부(100) 내에 인스톨된다.
또한, 제어부(100)는, 후술하는 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법을 실행하기 위한 제어도 행한다.
[성막 방법]
이어서, 도 12을 사용하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법에 대해서 상술한 성막 장치를 사용하여 행하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 12는, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례의 일련의 공정을 나타낸 도면이다.
또한, 본 실시 형태에 관한 성막 방법은, 여러 가지 박막의 성막에 적용할 수 있지만, 본 실시 형태에 있어서는, 설명의 용이를 위해서, 원료 가스로서 디클로로실란(DCS, SiH2Cl2), 반응 가스로서 암모니아, 저해 흡착 라디칼로서 염소 라디칼을 사용하여, 실리콘 질화막을 성막하는 예를 들어서 설명한다.
도 12의 (a)는, 본 실시 형태에 관한 성막 방법의 플라스마 개질 공정의 일례를 나타낸 도면이다.
본 실시 형태에서는, 웨이퍼(W)로서 실리콘 웨이퍼를 사용하기로 한다. 도 12에 있어서는, 이해의 용이를 위해, 웨이퍼(W)의 표면에 트렌치, 비아 등의 오목부 등의 패턴은 특별히 형성되어 있지 않고, 웨이퍼(W)의 평탄면 상에 실리콘 질화막을 성막하는 예를 들어서 설명하지만, 본 실시 형태에 관한 성막 방법은, 웨이퍼(W)의 표면에 트렌치, 비아 등이 형성되어 있는 경우에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 이하, 웨이퍼(W)의 평탄면 상에 실리콘 질화막을 성막하는 것에 대해서 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 반응 가스 노즐(31)로부터 디클로로실란(DCS, SiH2Cl2)과 캐리어 가스인 질소 가스가 공급되고, 반응 가스 노즐(32)로부터 질화 가스로서 암모니아(NH3)와 아르곤의 혼합 가스가 공급되고, 샤워 헤드부(93)로부터 염소 함유 가스로서 염소와 아르곤의 혼합 가스가 공급되는 예를 들어서 설명한다. 단, 디클로로실란의 캐리어 가스인 질소 가스, 질화 가스 및 염소 가스와 함께 공급되는 아르곤 가스는, 모두 불활성 가스에서 반응에 기여하고 있는 것이 아니므로, 이후의 설명에서는, 특별히 언급하지 않기로 한다. 또한, 질화 가스는, 플라스마 발생기(80)에서 생성되는 ICP 플라스마에 의해 활성화(플라스마화)되고, 염소 함유 가스는 플라스마 발생기(90)에서 생성되는 리모트 플라스마에 의해 라디칼화되어서 공급되고 있는 것으로 한다.
우선, 도 1 내지 도 11에 있어서 설명한 성막 장치에 있어서, 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하고, 외부로부터 반송 암(10)(도 3)에 의해 반송구(15)(도 2 및 도 3)를 통해 웨이퍼(W)를 회전 테이블(2)의 오목부(24) 내에 전달한다. 이 전달은, 오목부(24)가 반송구(15)에 면하는 위치에 정지했을 때 오목부(24)의 저면의 관통 구멍을 통해 진공 용기(1)의 저부측으로부터 도시하지 않은 승강 핀이 승강함으로써 행해진다. 이러한 웨이퍼(W)의 전달을, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시켜서 행하고, 회전 테이블(2)의 5개의 오목부(24) 내에 각각 웨이퍼(W)를 적재한다.
계속해서 게이트 밸브를 폐쇄하고, 진공 펌프(640)에 의해 도달 가능 진공도까지 진공 용기(1) 내를 배기한 후, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터 분리 가스인 Ar 가스를 소정의 유량으로 토출하고, 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72, 73)으로부터도 Ar 가스를 소정의 유량으로 토출한다. 이에 따라, 압력 제어 수단(650)(도 1)에 의해 진공 용기(1) 내를 미리 설정한 처리 압력으로 제어한다. 이어서, 회전 테이블(2)을 시계 방향으로 예를 들어 10rpm의 회전 속도로 회전시키면서 히터 유닛(7)에 의해 웨이퍼(W)를 예를 들어 400℃로 가열한다. 회전 테이블(2)의 회전 속도는, 용도에 따라 여러 가지 회전 속도로 설정할 수 있다. 또한, 플라스마 발생기(80, 90)도 작동시킨다.
이 후, 흡착 사이트 형성 공정이 행해진다. 구체적으로는, 반응 가스 노즐(32)(도 2 및 도 3)로부터 활성화된 질화 가스를 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면의 플라스마 개질을 개시한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 표면은 플라스마 질화되어서 개질되고, 웨이퍼(W)의 표면에 NH2 라디칼이 흡착된다. 여기서, NH2 라디칼은 실리콘을 함유하는 원료 가스에 대해서 흡착 사이트(140)로서 기능하므로, 웨이퍼(W)의 표면에는, 원료 가스인 디클로로실란에 관한 흡착 사이트(140)가 형성된다. 또한, 최초의 플라스마 개질 공정은, 웨이퍼(W)의 표면이 충분히 질화되기까지 회전 테이블(2)을 소정 회전수 회전시키고, 개질된 단계에서 종료하고, 질화 가스의 공급을 일단 정지한다. 회전 테이블(2)은, 웨이퍼(W)를 적재한 상태에서 그대로 회전을 계속한다.
또한, 웨이퍼(W)의 표면에 이미 원료 가스에 관한 흡착 사이트(140)가 형성되어 있는 경우에는, 흡착 사이트 형성 공정은 불필요하다. 또한, 특별한 흡착 사이트(140)가 형성되어 있지 않아도, 원료 가스가 웨이퍼(W)의 표면에 흡착 가능한 상태인 경우에는, 흡착 사이트 형성 공정은 마련하지 않아도 된다. 따라서, 흡착 사이트 형성 공정은, 필요에 따라 마련하도록 해도 된다.
도 12의 (a)의 흡착 사이트 형성 공정을 행하지 않는 경우에는, 분리 가스를 공급하여 회전 테이블(2)을 회전시키고 나서, 도 12의 (a)를 행하지 않고 도 12의 (b)를 실시하면 된다. 또한, 도 12의 (a)의 플라스마 개질 공정을 소정 시간 행하면, 반응 가스 노즐(32)로부터의 질화 가스의 공급을 정지시켜, 일단 플라스마 개질을 정지시키고 나서 도 12의 (b)의 공정에 들어가도록 한다. 즉, 플라스마 개질 공정을 행하는 경우도 행하지 않는 경우도, 도 12의 (b)의 공정에 들어갈 때는 반응 가스 노즐(32)로부터의 질화 가스의 공급은 정지시키도록 한다.
도 12의 (b)는, 흡착 저해 영역 형성 공정의 일례를 나타낸 도면이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 흡착 저해 영역 형성 공정은, 흡착 저해 라디칼인 염소 라디칼을 웨이퍼(W)의 표면 위, 보다 정확하게는 흡착 사이트(140)의 표면 상에 흡착시키는 공정이므로, 흡착 저해 라디칼 흡착 공정, 또는 더욱 상세하게 염소 라디칼 흡착 공정이라 칭해도 된다.
상술한 바와 같이, 흡착 저해 영역 형성 공정은, 활성화된 질화 가스의 공급을 정지시킨 상태에서 행한다. 흡착 저해 영역 형성 공정에서는, 샤워 헤드부(93)로부터 염소 라디칼이 공급된 상태에서, 회전 테이블(2)을 소정 회전수 회전시켜, 웨이퍼(W)의 표면에 염소 라디칼을 이산적 또는 분산적으로 흡착시킨다. 즉, 웨이퍼(W)의 전체면에 염소 라디칼을 흡착시키는 것이 아닌, 흡착 사이트(140)를 어느 정도 남기면서, 분산적으로 염소 라디칼을 흡착 사이트(140) 상에 흡착시킨다. 이에 의해, 흡착 사이트(140)인 NH2 라디칼도 웨이퍼(W)의 표면에 이산적 또는 분산적으로 존재하는 상태로 된다. 즉, 흡착 사이트(140)는 부분적 또는 국소적으로 염소 라디칼의 흡착에 의해 덮이지만, 염소 라디칼이 흡착되지 않은 영역도 부분적 또는 국소적으로 잔존하기 때문에, 흡착 사이트(140)가 분산적 또는 이산적으로 노출된 상태로 된다.
흡착 저해 영역 형성 공정에 있어서는, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터 분리 가스인 아르곤의 공급은 행해지고 있지만, 반응 가스 노즐(31)로부터 원료 가스인 디클로로실란의 공급은 행해지지 않고, 반응 가스 노즐(32)로부터 질화 가스인 암모니아의 공급도 행해지지 않는 상태가 유지된다.
염소 라디칼은, 염소를 함유하는 디클로로실란에 대해서 흡착 저해 효과를 갖기 때문에, 디클로로실란의 흡착을 억제한다. 그리고, 흡착 저해 영역 형성 공정에 있어서는, 이러한 흡착 저해 효과를 갖는 흡착 저해 라디칼이, 흡착 사이트(140) 상에 이산적으로 소정량 흡착되고, 흡착 사이트(140) 상에 이산적으로 흡착 저해 영역(150)을 형성하도록 한다. 즉, 염소 라디칼이 웨이퍼(W)의 표면의 흡착 사이트(140) 상에 부분적 또는 국소적으로 흡착되어 흡착 사이트(140)를 덮고, 흡착 사이트(140)가 부분적 또는 국소적으로 노출된 상태를 형성한다.
이러한 이산적인 흡착 저해 영역(150)의 형성은, 흡착 저해 가스인 염소 가스의 공급 시간 또는 유량을 조정함으로써 행한다. 본 실시 형태에 관한 성막 장치의 경우에는, 회전 테이블(2)을 몇번 회전시키는 동안 염소 라디칼 흡착 공정을 계속해서 행할지를 조정함으로써, 용이하게 염소 라디칼 흡착 공정의 시간을 조정할 수 있다. 즉, 염소 라디칼 흡착 공정을 계속적으로 실시하는 회전 테이블(2)의 회전수를 많게 설정하면, 염소 라디칼은 흡착 사이트(140)의 넓은 영역에 흡착되어 흡착 저해 영역이 광범위하게 형성되고, 회전 테이블(2)의 회전수를 적게 하면 염소 라디칼의 흡착 범위는 좁아져, 흡착 사이트(140)가 광범위하게 잔존하는 상태로 된다. 또한, 염소 라디칼의 단위 시간당 공급량을 많게 하면 염소 라디칼은 많이 흡착되므로, 염소 가스의 공급량으로 흡착 저해 영역(150)의 분포 및 넓이를 조정하는 것도 가능하다.
어느 경우라도, 흡착 저해 영역(150)을 흡착 사이트(140)의 전체면에 형성하는 것은 아니며, 이산적 또는 분산적으로 형성하도록 한다. 이에 의해, 원료 가스의 흡착량을 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 염소 라디칼의 흡착은 물리 흡착이며, 염소의 전기 음성도가 높은 것에 기인한 쿨롱력을 이용한 흡착이다. 따라서, 화학 결합과는 상이하게, 간단하게 불어 날려 버려질 레벨의 흡착이다.
도 12의 (c)는, 원료 가스 흡착 공정의 일례를 나타낸 도면이다. 원료 가스 흡착 공정에 있어서는, 실리콘 및 염소를 함유하는 원료 가스(160)가 웨이퍼(W)의 표면에 공급된다. 즉, 반응 가스 노즐(31)로부터, 디클로로실란을 공급한다. 이에 의해, 원료 가스(160)인 디클로로실란이 웨이퍼(W) 상의 흡착 사이트(140)의 표면에 흡착된다. 이때, 흡착 저해 영역(150)이 이산적으로 형성되어 있기 때문에, 원료 가스(160)인 디클로로실란은, 흡착 저해 영역(150)이 형성되지 않고 이산적으로 노출되어 있는 흡착 사이트(140) 상에 이산적으로 흡착된다.
이와 같이, 흡착 저해 영역(150)의 흡착량을 제어함으로써, 원료 가스의 흡착량을 제어할 수 있다.
도 12의 (d)는, 반응 생성물 퇴적 공정의 일례를 나타낸 도면이다. 반응 생성물 퇴적 공정에 있어서는, 이산적으로 소정의 흡착량의 원료 가스가 흡착된 웨이퍼(W)의 표면에 반응 가스(170)가 공급되어, 원료 가스(160)와 반응 가스(170)의 반응 생성물(180)이 웨이퍼(W)의 표면 상에 퇴적된다. 본 실시 형태에서는, 디클로로실란이 분산적으로 흡착된 웨이퍼(W)의 표면에 질화 가스인 암모니아가 공급되어, 반응 생성물(180)인 실리콘 질화물이 웨이퍼(W) 상에 퇴적되고, 실리콘 질화막으로 된다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 반응 생성물 퇴적 공정을 질화 공정이라 칭해도 된다. 보다 상세하게는, 반응 가스 노즐(32)로부터 질화 가스가 공급되어, 플라스마 발생기(80)에 의해 활성화된 질화 가스(암모니아)가 웨이퍼(W)의 표면에 공급된다. 활성화된 암모니아는, 디클로로실란과 반응하여 반응 생성물(180)인 질화 실리콘의 분자층이 웨이퍼(W)의 표면에 퇴적된다. 디클로로실란이 웨이퍼(W)의 표면 상에 이산적으로 흡착되어 있기 때문에, 흡착된 디클로로실란은 성긴 상태로 웨이퍼(W) 상에 흡착되어 있고, 암모니아가 디클로로실란의 전체면에 접촉하기 쉬운 상태로 되어 있기 때문에, 디클로로실란을 충분히 질화할 수 있어, 치밀한 실리콘 질화막을 성막할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 예를 들어 흡착 저해 라디칼이 염소 라디칼과 같이 흡착 사이트(140) 상에 물리 흡착되어 있는 경우, 활성화된 반응 가스(170)가 공급될 때, 흡착 저해 라디칼은 불어 날려 버려져, 흡착 저해 영역(150)의 상당한 부분, 또는 전부가 소멸해 버린다.
이와 같이, ALD(Atomic Layer Deposition, 원자 퇴적법)에 의한 성막을 행하기 위해서는, 원료 가스(160)를 웨이퍼(W)의 표면(보다 정확하게는 흡착 사이트(140)의 표면) 상에 흡착시킨 후, 질화 가스 등의 반응 가스를 공급하여, 반응 생성물(180)의 박막을 퇴적시킬 필요가 있지만, 박막의 품질(막질)을 높이기 위해서는, 원료 가스(160)에 충분히 반응 가스(170)를 반응시켜, 치밀한(고밀도의) 박막을 퇴적시킬 필요가 있다.
퇴적된 박막의 막질을 높이기 위해서, 활성화된 반응 가스(170)를 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 원료 가스(160)에 공급하고, 막질을 향상시키는 개질 처리가 빈번히 행해진다. 활성화된 반응 가스(170)는, 예를 들어 반응 가스(170)를 플라스마에 의해 활성화함으로써 생성된다. 본 실시 형태의 경우라면, 질화 가스인 암모니아를 플라스마 발생기(80)에 의해 활성화하여 공급한다. 이에 의해, 질화 플라스마, 질화 라디칼이 생성된다.
또한, 개질 공정은, 반응 생성물 퇴적 공정과 독립해서 행해져도 되지만, 본 실시 형태에서는, 반응 생성물 퇴적 공정에서 플라스마를 사용하여 활성화된 반응 가스(170)를 생성하고, 반응물 퇴적과 개질을 겸하는 성막 방법을 예시하고 있다.
즉, 원료 가스(160)의 질화 시, 또는 원료 가스(160)의 질화 후, 플라스마에 의해 활성화된 반응 가스(질화 가스)(170)를 웨이퍼(W)에 공급함으로써 개질 공정이 행해진다. 여기서, 웨이퍼(W)의 표면 전체에 원료 가스(160)가 흡착되어 있으면, 활성화된 반응 가스(170)는 원료 가스(160)의 표면만을 플라스마 질화하여, 개질 공정을 장시간 행해도 질화가 진행되지 않고, 충분한 개질을 행하는 것이 불가능한 경우가 있다. 이것은, 원료 가스(160)가 포화적으로 웨이퍼(W)의 표면에 흡착되어 있기 때문에, 질화 라디칼이 원료 가스(160)의 안까지 도달하지 않아, 질화량이 제한되기 때문이라고 생각된다.
도 13은, 비교예에 관한 성막 방법을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 웨이퍼(W)의 표면 상에 포화 흡착된 원료 가스를 질화할 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 13의 (a)는, 원료 가스로서 디클로로실란(161)이 웨이퍼(W)의 표면에 포화 흡착된 상태를 나타내고 있다. 이 경우, 원료 가스인 디클로로실란(161)의 분자가 웨이퍼(W)의 표면 상에 밀접하게 흡착되어 있고, 인접하는 디클로로실란(161)의 분자와는 거의 간극이 없는 상태이다.
도 13의 (b)는, 포화 흡착된 디클로로실란(161)에 반응 가스로서 활성화된 암모니아(171)(암모니아 플라스마 및／또는 암모니아 라디칼)를 공급한 경우를 나타낸 도면이다. 디클로로실란(161)이 밀접하게 배치되어 있기 때문에, 반응 가스인 활성화된 암모니아(171)는, 디클로로실란(161)의 상면에 밖에 흡착될 수 없다. 따라서, 디클로로실란(161)의 전부가 활성화된 암모니아(171)에 의해 질화되는 것은 아니다. 이 상태에서 활성화된 암모니아(171)를 장시간 공급해도, 반응 가능한 면은 밀하게 흡착된 디클로로실란(161)의 상면만이기 때문에, 디클로로실란(161)의 질화가 충분히 진행되지 않는다. 즉, 질화가 포화 상태로 된다.
도 14는, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 웨이퍼(W)의 표면 상에 소정의 흡착량으로 제어된 원료 가스의 반응 생성물을 생성하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 14의 (a)는, 디클로로실란(161)과의 사이에 염소 라디칼(151)이 흡착되어 있는 상태를 나타낸 도면이다. 즉, 흡착 사이트(140)(도 12) 상에 염소 라디칼(151)이 이산적으로 흡착되어 있어, 원료 가스인 디클로로실란(161)은 염소 라디칼(151)이 흡착되지 않은 영역에 이산적으로 흡착되어 있다.
도 14의 (b)는, 저해 흡착 라디칼인 염소 라디칼(151)에 의해 이산적으로 디클로로실란(161)이 흡착된 웨이퍼(W)의 표면에 질소 라디칼을 공급하여 실리콘 질화막(181)을 퇴적시키는 상태를 나타낸 도면이다. 도 14의 (b)에 나타나는 바와 같이, 디클로로실란(161)이 이산적으로 흡착되어 있기 때문에, 활성화된 암모니아(171)는, 디클로로실란(161)의 상면뿐만 아니라 측면에도 흡착될 수 있어, 디클로로실란(161)과 충분히 반응할 수 있다. 상술한 바와 같이, 염소 라디칼(151)은 물리 흡착으로 흡착 사이트(140) 상에 흡착되어 있기 때문에, 활성화된 암모니아(171)의 공급에 의해 상당 부분이 불어 날려 버려, 디클로로실란(161)의 노출면을 증가시킨다. 이에 의해, 활성화된 암모니아는 이산적으로 흡착된 디클로로실란(161)의 상면뿐만 아니라 측면에도 흡착될 수 있고, 디클로로실란(161)의 안까지 들어가서 반응할 수 있다. 이에 의해, 디클로로실란(161)의 질화가 진행되고, 밀도가 높은 치밀한 실리콘 질화막(181), 즉 고품질의 실리콘 질화막(181)을 생성 및 퇴적시킬 수 있다.
이와 같이, 흡착 저해 라디칼로서 기능하는 염소 라디칼(151)을 흡착 사이트(140) 상에 이산적으로 흡착시켜서 흡착 저해 영역(150)을 이산적으로 형성하고, 그 후에 공급되는 원료 가스(160)인 디클로로실란(161)의 흡착량을 제어하고, 반응 가스(170)로서 활성화된 암모니아(171)를 공급하여 염소 라디칼(151)을 불어 날려 버리면서 디클로로실란(161)과 반응시킴으로써, 치밀한 실리콘 질화막(181)을 성막할 수 있다. 이에 의해, 막질을 제어한 성막이 가능해지고, 퇴적시키는 박막의 막 밀도의 제어가 가능해진다.
또한, 디클로로실란(161)의 분자끼리의 간격은, 디클로로실란(161)을 1회 흡착시켜, 질화를 1회 행한다는 1사이클의 데포 레이트, 즉 사이클 레이트에 의해 정해진다. 따라서, 사이클 레이트를 제어함으로써, 디클로로실란(161)의 분자끼리의 간격을 제어하여, 막질을 제어할 수 있다.
도 12의 설명으로 되돌아간다.
도 12의 (c), (d)의 원료 가스 흡착 공정 및 반응 생성물 퇴적 공정에 있어서, 반응 가스 노즐(31)로부터의 원료 가스의 공급과, 반응 가스 노즐(32)로부터의 질화 가스의 공급은, 동시에 개시해도 된다. 도 2, 3, 9에 나타나는 바와 같이, 회전 테이블(2)을 시계 방향으로 회전시키면, 웨이퍼(W)는 염소 라디칼 공급 영역(P3)을 통과한 후에는 원료 가스 공급 영역(P1)에 도달하고, 그 후 질화 가스 공급 영역(P2)에 도달하므로, 동시에 원료 가스와 질화 가스의 공급을 개시해도, 원료 가스 흡착 공정 후에 질화 공정이 실시되도록 되기 때문이다.
또한, 도 12의 (c), (d)에 나타내는 원료 가스 흡착 공정 및 반응 생성물 퇴적 공정 동안, 흡착 소체 라디칼의 공급은 정지시켜도 되고, 정지시키지 않아도 되지만, 다음 흡착 저해 영역 형성 공정으로 원활하게 들어간다는 관점에서는, 정지시키지 않는 것이 바람직하다. 도 12의 (b)에 나타낸 염소 라디칼 흡착 공정은, 회전 테이블(2)을 적어도 1회 이상 회전시켜서 소정 시간 계속적으로 행하는 데 비해, 도 12의 (c), (d)의 원료 가스 흡착 공정 및 질화 공정은, 회전 테이블(2)을 1회전만 시켜서 행한다. 즉, 도 2, 3, 9에서 나타낸 배치의 경우, 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)는, 제3 처리 영역(P3)에서 염소 라디칼이 공급된 후, 제1 처리 영역(P1)에서 원료 가스가 공급되고, 제2 처리 영역(P2)에서 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 원료 가스가 질화되어서 SiN막의 분자층이 웨이퍼(W) 상에 퇴적된 후, 곧 또한 제3 처리 영역(P3)에 돌입하여 염소 라디칼이 공급된다. 따라서, 염소 라디칼의 공급을 정지시키지 않고, 도 12의 (b) 내지 (d)의 시퀀스를 연속적으로 행하는 것이 가능하다.
또한, 도 12의 (d)의 반응 생성물 퇴적 공정(또는 질화 공정)을 길게 행해도 되지만, 회전 테이블(2)을 1회전만 회전시켜도 충분한 질화가 가능하도록 원료 가스(160)의 흡착량을 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 원료 가스(160)의 흡착량을 저감시킴으로써, 1회전의 질화로도 충분한 막 밀도를 갖는 질화를 행하는 것이 가능해진다.
또한, 도 12의 (c), (d)의 원료 가스 흡착 공정 및 질화 공정에 있어서, 원료 가스(160)가 질화됨으로써, NH2 구조의 수소기로 종단되어, 원료 가스(160)에 대해서 흡착 사이트(140)가 형성된다. 그 후, 도 12의 (b)의 흡착 저해 영역 형성 공정에서 흡착 저해 라디칼인 염소 라디칼이 공급되면, NH2 구조의 H기가 Cl기로 치환된다. 상술한 바와 같이, 디클로로실란이 염소를 함유하는 가스이며, 염소끼리는 흡착되지 않기 때문에, 염소로 종단화된 개소에는 원료 가스(160)가 흡착되지 않는다. 이와 같이 하여, Cl기로 종단된 개소는 흡착 저해기로서 기능하여, 원료 가스(160)의 흡착을 저해한다. 따라서, Cl기를 웨이퍼(W)의 표면에 이산적으로 흡착시킴으로써, 원료 가스(160)의 흡착량을 제어할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 흡착 저해 라디칼이 염소 라디칼, 원료 가스(160)가 염소 및 실리콘을 함유하는 디클로로실란인 예를 들어서 설명하고 있지만, 원료 가스(160)에 대해서 흡착 저해 영역(150)을 형성할 수 있는 조합이라면, 원료 가스(160) 및 흡착 저해 라디칼은 여러 가지 조합으로 할 수 있다. 흡착 저해의 방법도, 전기 음성도의 이용으로 한정되는 것은 아니며, 흡착 저해 라디칼이 원료 가스(160)의 흡착을 저해할 수 있으면, 그 원리나 방법은 상관없다.
이와 같이, 도 12의 (b) 내지 (d)의 공정을 반복하여 계속해서 행함으로써, 웨이퍼(W)의 표면 상에 치밀하게 고품질의 반응 생성물(180)이 퇴적되어 간다. 흡착 저해기인 염소 라디칼의 영향으로, 데포지션 레이트는 통상의 성막보다도 약간 저하될지도 모르지만, 독립된 개질 공정을 행하지 않고 플라스마 개질이 충분히 이루어진 고품질의 박막을 성막할 수 있기 때문에, 결과적으로 스루풋도 저하시키지 않고 고품질의 성막을 행하는 것이 가능해진다.
도 12의 (e)는, 필요에 따라 행하는 플라스마 개질 공정의 일례를 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 원료 가스(160)의 흡착량을 제어함으로써, 독립된 플라스마 개질 공정을 행하지 않고 고품질의 성막을 행하는 것이 가능해지지만, 요구되는 프로세스에 따라, 원료 가스(160)의 흡착량을 충분히 저하시킬 수 없어, 단독의 플라스마 개질 공정을 병용한 편이 좋을 경우에는, 필요에 따라, 단독의 플라스마 개질 공정을 행하게 해도 된다.
도 12의 (e)의 플라스마 개질 공정에서는, 반응 가스 노즐(32)로부터 플라스마 발생기(80)에 의해 활성화된 질화 가스를 SiN막에 공급하고, SiN막의 플라스마 개질을 행한다. 이 공정은, 도 12의 (a)에서 행한 플라스마 개질 공정과 동일한 동작을 행하지만, 퇴적된 실리콘 질화막의 개질을 목적으로 하고 있다는 점에서, 도 12의 (a)의 플라스마 개질 공정과 상이하다. 회전 테이블(2)을 1회전시키는 실리콘 질화막의 질화가 불충분한 경우에는, 원료 가스(160)의 공급을 정지한 상태에서 플라스마에 의해 활성화된 질화 가스를 공급함으로써, 실리콘 질화막의 질화가 충분히 행해져, 고밀도로 치밀한 고품질의 실리콘 질화막을 성막할 수 있다. 플라스마 개질 공정은, 플라스마에 의해 활성화된 질화 가스와 분리 가스만을 공급하고, 원료 가스 및 염소 라디칼은 공급하지 않는 상태에서 행한다. 플라스마 개질 공정에 의해, 웨이퍼(W)의 표면은 플라스마 질화되어, 개질되게 된다.
또한, 플라스마 개질 공정은, 도 12의 (a)의 플라스마 개질 공정과 마찬가지로, 필요에 따라 행하게 하면 되고, 필수는 아니다. 원료 가스(160)의 흡착량을 그다지 저하시키지 않고 고품질의 성막을 행하거나 하는 특별한 요구가 있는 경우만, 필요에 따라 행한다는 선택적인 공정이다.
성막이 종료되면, 모든 가스의 공급 및 플라스마 발생기(80, 90)를 정지시킴과 함께 회전 테이블(2)의 회전을 정지시킨다. 그리고, 웨이퍼(W)의 반입 시와 반대의 순서로, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전 및 정지시키고, 승강 핀으로 웨이퍼(W)를 들어 올려, 진공 용기(1)로부터 웨이퍼(W)를 순차 반출한다. 웨이퍼(W)의 표면에는, 콘포멀로 고품질의 실리콘 질화막이 성막되어 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 따르면, 웨이퍼(W)의 표면 상에 고품질의 실리콘 질화막을 성막할 수 있다. 도 12에 있어서는, 웨이퍼(W)의 평탄면 상에 실리콘 질화막을 성막하는 예를 들어서 설명했지만, 웨이퍼(W)의 표면의 형상은 상관없이, 트렌치, 비아 홀 등의 오목부 패턴을 포함한 여러 가지 패턴 형상에 대해서, 고품질의 성막을 행하는 것이 가능하다. 다양화되는 반도체 제조 프로세스에 있어서, 트렌치나 비아 등의 다양한 패턴 상에 고품질의 성막을 행하는 요청은 많이 존재하고, 본 실시 형태에 관한 성막 방법 및 성막 장치는, 그러한 고품질 성막의 요청에 따르는 것이며, 여러가지 용도에 적용 가능하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 회전 테이블식의 ALD 성막 장치를 사용하여 ALD 성막에 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 적용하는 예를 들어서 설명했지만, 흡착 사이트(140) 상에 소정량의 흡착 저해 라디칼을 흡착시켜서 이산적으로 흡착 저해 영역(150)을 형성하여, 원료 가스(160)의 흡착량을 제어한다는 성막 방법은, CVD(Chemical Vapor Deposition)에도 적용 가능하고, 회전 테이블식의 ALD 성막 장치 이외의 ALD 성막 장치, CVD 성막 장치에도 적용 가능하다. CVD 성막에 있어서는, 도 12의 (c), (d)의 공정이 동시에 행해지게 되지만, 흡착 저해 영역(150)을 분산적으로 형성해 두면, 원료 가스(160)의 흡착량의 제어는 가능하기 때문이다.
이러한 관점에서, 매 양식의 CVD 성막 장치, ALD 성막 장치, 웨이퍼(W)를 복수매 처리 용기 내에 반입하고, 처리 용기 내에 가스를 공급하면서 열처리를 행하는 종형 열처리 장치 등에도 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 적용하는 것이 가능하다.
즉, 도 12의 (b)의 흡착 저해 영역 형성 공정에 있어서 분산적으로 흡착 저해 영역(150)을 형성하고, 그 후에 ALD 또는 CVD 성막을 행함으로써, 원료 가스의 흡착량을 제어할 수 있고, 막질을 제어하면서 고품질의 성막을 행할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 성막하는 박막의 종류에 대해서는, 원료 가스(160)에 대한 흡착 사이트(140)가 형성되어 있는 상태로, 원료 가스(160)에 대한 흡착 저해 영역(150)을 분산적으로 형성할 수 있고, 원료 가스(160)의 흡착량을 제어할 수 있으면, 여러 가지 박막을 성막하는 프로세스에 적용할 수 있다.
[실시예]
이어서, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시한 실시예에 대해서, 비교예와 함께 설명한다.
도 15는, 비교예에 관한 성막 방법을 실시한 실시 결과이다. 염소 라디칼의 흡착을 행하지 않고 실리콘 질화막을 성막한 경우의 질화 횟수와 박막의 에칭 레이트의 관계를 나타낸 도면이다. 에칭 레이트는, 박막의 밀도를 간접적으로 나타내는 지표이며, 단위 시간당 에칭 레이트가 낮으면, 박막의 밀도가 높고, 고품질의 박막이라는 것을 나타낸다.
도 15는, 도 1 내지 도 9에 나타낸 회전 테이블식의 ALD 성막 장치를 사용하여 성막을 행한 경우에 있어서, 1회의 원료 가스(160)의 흡착에 대해서, 질화 횟수를 증가시킴으로써, 에칭 레이트가 어떻게 변화하는지를 나타내고 있다. 횡축은 1흡착량에 대한 질화 횟수, 종축은 1분간당 박막의 에칭 레이트(nm/nm)를 나타낸다.
도 15에 있어서, 1회의 사이클 레이트(1회의 원료 가스 흡착, 1회의 질화)가 0.059nm/cycle의 성막 조건에서 질화의 횟수를 증가시켜 가면, 에칭 레이트는 횟수에 비례하여 감소한다는 것이 나타나 있다. 즉, 0.059nm/cycle의 사이클 레이트의 경우, 질화의 횟수를 증가시키는 데 비례하여 박막의 에칭 레이트는 저하되고, 박막의 밀도는 증가하고 있다는 것이 나타나 있다.
도 15에 있어서, 예를 들어 1(nm/min)의 에칭 레이트를 목표 에칭 레이트(목표 막 밀도에 비례하는 지표)로 하면, 7.5회의 질화가 필요해진다는 것이 나타나 있다.
도 16은, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시하여, 사이클 레이트를 여러 가지 변화시켜서 소정의 에칭 레이트(막 밀도)를 실현하기 위한 사이클 레이트를 나타낸 도면이다.
도 16에 있어서, 목표로 하는 에칭 레이트의 1(nm/min)을 실현하기 위해서는, 사이클 레이트를 약 0.015(nm/cycle)로 설정하면 된다는 것이 나타나 있다. 즉, 사이클 레이트를 약 0.015(nm/cycle)까지 저하시키면, 도 15에 있어서 7.5회의 질화로 도달한 목표 에칭 레이트 1(nm/min)이, 1회의 질화로 실현할 수 있다는 것이 나타나 있다.
여기서, 도 15의 종래예(비교예)와 비교하면, 종래, 1회의 질화로 약 3.6(nm/nm)의 에칭 레이트였던 것을(점 A), 사이클 레이트를 약 0.015(nm/cycle)로 설정하면, 1회의 질화로 0.9(nm/min)의 에칭 레이트로 하는 것이 되어 있다(목표 에칭 레이트 1(nm/min)에 가장 가까운 실측값, 점 B). 또한, 사이클 레이트를 0.013(nm/cycle)로 설정하면, 목표 에칭 레이트의 1(nm/min)을 하회하는 에칭 레이트 0.6(nm/min)을 실현할 수 있다(점 C). 도 16에 나타나는 바와 같이, 에칭 레이트가 제로로 되는 것이 사이클 레이트 0.008(nm/cycle)이고, 3(nm/min)으로 되는 것이 0.042(nm/cycle)이고, 2(nm/min)로 되는 것이 약 0.024(nm/cycle)이고, 약 1.6(nm/min)으로 되는 것이 0.020(nm/cycle)이고, 약 1.2(nm/min)로 되는 것이 0.016(nm/cycle)이라는 점에서, 사이클 레이트의 범위는, 0.008(nm/cycle)보다 크고 0.042(nm/cycle) 이하인 것이 바람직하고, 0.008(nm/cycle)보다 크고 0.024m/cycle) 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.008(nm/cycle)보다 크고 0.020(nm/cycle) 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.008(nm/cycle)보다 크고 0.016(nm/cycle) 이하인 것이 한층 바람직하고, 0.008(nm/cycle)보다 크고 0.015(nm/cycle) 이하인 것이 최적이다. 또한, 하한은, 에칭 레이트가 0.4(nm/min)로 될 때의 사이클 레이트인 0.0010(nm/cycle)이어도 된다.
즉, 도 16에 있어서, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 따르면, 1회의 질화로 목표 에칭 레이트에 가까운 막질을 달성할 수 있는 것이 나타나 있다.
도 17은, 본 실시예 및 비교예의 사이클 레이트(nm/cycle)와 막 밀도(g/cm3)의 관계를 나타낸 도면이다. 도 17에 있어서, 점 D는 비교예에 관한 흡착 저해 영역 형성 공정을 갖지 않는 성막 방법의 실시 결과를 나타내고, 점 E 내지 G는 본 실시 형태에 관한 성막 방법의 실시예 1 내지 3의 실시 결과를 나타내고 있다. 점 E는, 실시예 1의 실시 결과이고, 흡착 저해 영역 형성 공정을 회전 테이블(2)에 1회전분만 행한 경우를 나타내고 있다. 점 F는, 실시예 2의 실시 결과이고, 흡착 저해 영역 형성 공정을 회전 테이블(2)의 3회전분 행한 경우를 나타내고 있다. 점 G는, 실시예 3의 실시 결과이고, 흡착 저해 영역 형성 공정을 회전 테이블(2)의 5회전분 행한 경우를 나타내고 있다.
도 17에 나타나는 바와 같이, 비교예에 관한 실시 결과를 나타내는 점 D는 막 밀도가 2.64(g/cm3)로 가장 낮고, 실시예 1에 관한 실시 결과를 나타내는 점 E는, 막 밀도가 약 2.77(g/cm3)로 비교예보다도 0.13(g/cm3) 높고, 대폭으로 막 밀도가 향상되어 있다는 것이 나타나 있다. 또한, 실시예 2에 관한 실시 결과를 나타내는 점 F는, 막 밀도가 약 2.80(g/cm3)으로 실시예 1보다도 0.03(g/cm3) 더 향상되어 있다. 또한, 실시예 3에 관한 실시 결과를 나타내는 점 G는, 막 밀도가 약 2.81(g/cm3)이고, 실시예 2보다도 0.01(g/cm3) 더 향상되어 있다.
이와 같이, 도 17로부터, 실시예 1 내지 3에 관한 성막 방법은, 비교예에 관한 성막 방법보다도 1사이클당 막 밀도를 대폭으로 향상시키는 것이 가능하다는 것이 나타났다. 또한, 실시예 1 내지 3의 결과로부터, 흡착 저해 영역 형성 공정을 어느 정도 길게 행한 쪽이, 막 밀도를 향상시키는 가능하다는 것이 나타났다. 단, 회전 테이블(2)의 1회전분(1사이클분) 흡착 저해 영역 형성 공정을 실시한 실시예 1(점 E)과 회전 테이블(2)의 3회전분(3사이클분) 흡착 저해 영역 형성 공정을 실시한 실시예 2(점 F)의 차는 0.03(g/cm3)으로 비교적 큰 데 비해, 실시예 2(점 F)와 회전 테이블(2)의 5회전분(5사이클분) 흡착 저해 영역 형성 공정을 실시한 실시예 3(점 G)의 차는 0.01(g/cm3)으로 작다. 따라서, 목표로 하는 막 밀도와 스루풋의 관계를 고려하여 흡착 저해 영역 형성 공정에 있어서의 흡착 저해 라디칼의 흡착량을 정하는 것이 가능하다. 즉, 도 17의 결과의 경우, 보다 막 밀도가 높은 프로세스를 원하는 경우에는, 실시예 3과 같이 5사이클분 흡착 저해 영역 형성 공정을 실시하면 되지만, 어느 정도의 막 밀도와 어느 정도의 스루풋을 원하는 경우에는, 실시예 2와 같이, 3사이클분 흡착 저해 형성 공정을 실시하면 된다. 또한, 실시예 1의 레벨에서 요구하는 막 밀도에 도달해 있는 경우에는, 1사이클분만 흡착 저해 영역 형성 공정을 실시하면, 스루풋을 저하시키지 않고 막질을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 흡착 저해 라디칼의 흡착량에 의해 막 밀도를 제어할 수 있으므로, 요구되는 막 밀도와 스루풋의 관계를 고려하면서, 용도에 따라 여러 가지 프로세스 조건을 설정할 수 있다.
도 18은, 본 실시예 및 비교예의 염소 가스 유량(sccm)과 사이클 레이트(nm/cycle)의 관계를 나타낸 도면이다. 도 18에 있어서, 횡축은 흡착 저해 가스인 염소 가스의 유량(sccm)을 나타내고, 종축은 사이클 레이트(nm/cycle)를 나타내고 있다.
도 18에 나타나는 바와 같이, 염소 가스의 유량을 올림에 따라, 1사이클당 데포 레이트, 즉 사이클 레이트(nm/cycle)가 저하되어 있다는 것이 나타나 있다. 즉, 흡착 저해 가스인 염소 가스의 유량을 증가시킴으로써, 사이클 레이트를 저하시킬 수 있고, 도 16에서 설명한 바와 같은 사이클 레이트를 실현할 수 있다. 이 점에서, 염소 가스의 공급 시간뿐만 아니라, 염소 가스의 유량에 의해서도 흡착 저해 라디칼의 흡착량을 제어하는 것이 가능하다는 것이 나타나 있다.
이와 같이, 흡착 저해 라디칼의 공급 시간, 유량의 양쪽에 있어서 흡착 저해 라디칼의 흡착량을 제어할 수 있고, 이에 의해 원료 가스의 흡착량을 제어할 수 있다. 원료 가스의 흡착량의 제어에 의해, 질화 레벨을 제어할 수 있고, 막 밀도, 즉 막질을 제어할 수 있다. 구체적으로는, 상술한 바와 같이, 막 밀도를 높이고 싶은 경우에는, 사이클 레이트를 저하시키기 위해, 흡착 저해 라디칼의 흡착량을 증가시키면 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태 및 본 실시예에 관한 성막 방법에 따르면, 흡착 저해 라디칼의 흡착량을 제어함으로써, 성막되는 박막의 막질을 제어할 수 있다. 그리고, 본 실시 형태 및 본 실시예에 관한 성막 방법이, 여러 가지 박막의 성막 프로세스 및 성막 장치에 적용할 수 있다는 것은 상술한 바와 같다.
이상, 본 개시의 바람직한 실시 형태 및 실시예에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 개시는, 상술한 실시 형태 및 실시예에 제한되는 것은 아니며, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고, 상술한 실시 형태 및 실시예에 여러 가지 변형 및 치환을 첨가할 수 있다.
1: 진공 용기
2: 회전 테이블
4: 볼록형부
7: 히터 유닛
11: 천장판
12: 용기 본체
15: 반송구
24: 오목부
31 내지 33: 반응 가스 노즐
41, 42: 분리 가스 노즐
80, 90: 플라스마 발생기
91: 플라스마 생성부
93: 샤워 헤드부
130 내지 132: 가스 공급원
140: 흡착 사이트
150: 흡착 저해 영역
151: 염소 라디칼
160: 원료 가스
161: 디클로로실란
170: 반응 가스
171: 암모니아
180: 반응 생성물
181: 실리콘 질화막
P1 내지 P3: 처리 영역
W: 웨이퍼

Claims (20)

  1. 기판 상에 형성된 흡착 사이트 상에 흡착 저해 라디칼을 소정량 흡착시켜서 이산적으로 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과,
    상기 흡착 사이트 상의 상기 흡착 저해 영역이 형성되어 있지 않은 영역에 원료 가스를 흡착시키는 공정과,
    상기 흡착 사이트 상에 흡착된 상기 원료 가스와 플라스마에 의해 활성화된 반응 가스를 반응시켜, 반응 생성물을 퇴적시키는 공정을 갖고,
    상기 흡착 저해 라디칼의 흡착량을 증가시킴으로써 상기 원료 가스의 흡착량을 저감시켜,
    상기 반응 생성물의 막 밀도를 증가시키는, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 저해 라디칼은, 리모트 플라즈마 장치를 사용하여 생성되는, 성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 활성화된 반응 가스는 유도 결합형 플라스마에 의해 활성화되는, 성막 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 원료 가스의 흡착량이 소정량 이하로 되도록 상기 흡착 저해 라디칼의 흡착량을 설정하는, 성막 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정은, 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정 및 상기 반응 생성물을 퇴적시키는 공정보다도 장시간 행해지는, 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정, 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정 및 상기 반응 생성물을 퇴적시키는 공정을 주기적으로 반복하여, 상기 반응 생성물의 분자층을 서서히 퇴적시키는, 성막 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡착 저해 라디칼은 염소 라디칼이며,
    상기 원료 가스는, 염소 및 실리콘을 함유하는 가스이며,
    상기 반응 가스는 질화 가스이며,
    상기 반응 생성물은 실리콘 질화막인, 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 원료 가스의 흡착량의 소정량은, 0.008nm/사이클보다 크고 0.042nm/사이클 이하의 범위 내에 있는, 성막 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정의 사이 및 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정과 상기 실리콘 질화막을 퇴적시키는 공정의 사이에, 상기 기판의 표면에 퍼지 가스를 공급하는 공정을 더 갖는, 성막 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    1회째의 상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정 전에, 상기 기판의 표면에 플라스마에 의해 활성화된 질화 가스를 공급하여 상기 기판의 표면을 질화하는 공정을 더 갖는, 성막 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기판은, 처리실 내에 마련된 회전 테이블의 표면 상의 주위 방향을 따라 적재되고,
    상기 회전 테이블에 상기 염소 라디칼을 공급 가능한 염소 라디칼 흡착 영역, 상기 회전 테이블에 상기 퍼지 가스를 공급 가능한 제1 퍼지 영역, 상기 회전 테이블에 상기 원료 가스를 공급 가능한 원료 가스 흡착 영역, 상기 회전 테이블에 상기 퍼지 가스를 공급 가능한 제2 퍼지 영역, 상기 회전 테이블에 상기 활성화된 질화 가스를 공급 가능한 질화 영역이 상기 회전 테이블의 상기 주위 방향을 따라 상기 회전 테이블의 상방에 마련되고,
    상기 염소 라디칼 흡착 영역에서 상기 염소 라디칼, 상기 제1 및 제2 퍼지 영역에서 상기 퍼지 가스를 공급하고, 상기 원료 가스 흡착 영역에서 상기 원료 가스, 상기 질화 영역에서 상기 활성화된 질화 가스를 공급하지 않는 상태에서 상기 회전 테이블을 제1 소정 횟수 회전시켜서 상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정을 실시하고,
    상기 염소 라디칼 흡착 영역에서 상기 염소 라디칼, 상기 제1 및 제2 퍼지 영역에서 상기 퍼지 가스, 상기 원료 가스 흡착 영역에서 상기 원료 가스, 상기 질화 영역에서 상기 활성화된 질화 가스를 공급한 상태에서 상기 회전 테이블을 제2 소정 횟수 회전시켜서 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정 및 상기 실리콘 질화막을 퇴적시키는 공정을 실시하는, 성막 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 소정 횟수는, 상기 제2 소정 횟수 이상인, 성막 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 소정 횟수는 1회인, 성막 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 염소 라디칼의 흡착량은, 상기 제1 소정 횟수에 의해 조정되는, 성막 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 염소 라디칼 흡착 영역, 상기 제1 퍼지 영역, 상기 원료 가스 흡착 영역, 상기 제2 퍼지 영역 및 상기 질화 영역은 상기 회전 테이블의 회전 방향을 따라서 배치되어 있는, 성막 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 염소 라디칼은, 샤워 헤드에 의해 공급되는, 성막 방법.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응 가스는 암모니아 함유 가스인, 성막 방법.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원료 가스는 디클로로실란인, 성막 방법.
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