KR102641248B1 - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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시몬 오츠키
다케시 오야마
렌 무코우야마
준 오가와
노리아키 후키아게
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

제1 막과 제2 막이 표면에 노출된 기판에 질화 실리콘막을 성막하는 데 있어서, 제1 막 또는 제2 막의 질화를 억제함과 함께, 제1 막 상 및 제2 막 상 각각에서의 질화 실리콘의 막 두께를 균일하게 하는 것이다.
기판에, Si-Si 결합을 갖는 할로겐화 실리콘으로 구성되는 처리 가스를 공급하는 공정과, 기판에 플라스마화되지 않은 제2 질화 가스를 공급하는 공정과, 처리 가스를 공급하는 공정과 제2 질화 가스를 공급하는 공정을 순서대로 반복해서 행하여, 제1 막 및 제2 막을 피복하는 질화 실리콘의 박층을 형성하는 공정과, 질화 실리콘의 박층을 개질하기 위해서, 플라스마화된 개질용 가스를 기판에 공급하는 공정과, 원료 가스와, 제1 질화 가스를 상기 기판에 공급하여, 개질된 질화 실리콘의 박층 상에 질화 실리콘막을 성막하는 공정을 실시한다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 개시는, 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서, 기판인 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라고 함)에 SiN(질화 실리콘)막을 형성하는 성막 처리가 행하여지는 경우가 있다. 당해 웨이퍼의 표면에는, 후술하는 인큐베이션 타임이 각각 다른 막이 노출되어 있는 경우가 있는데, 그 경우에도, 당해 웨이퍼의 면내 각 부에서 상기 SiN막을, 균일성 높은 막 두께가 되도록 형성되는 것이 요구되고 있다. 특허문헌 1에는, Si(실리콘)막과 SiO2(산화 실리콘)막이 표면에 노출된 웨이퍼에 NH3(암모니아)를 공급해서 흡착시킨 후, 웨이퍼를 Ar(아르곤) 가스의 플라스마에 노출시켜서 상기 각 막을 질화시키는 것이 기재되어 있다. 그리고, 이 질화 후에 실리콘을 포함하는 원료 가스와, 플라스마화한 NH3 가스를 교대로 웨이퍼에 공급함으로써 SiN(질화 실리콘)막을 성막하고 있다.
일본 특허 공개 제2017-175106호 공보
본 개시는, 제1 막과 제2 막이 표면에 노출된 기판에 질화 실리콘막을 성막하는 데 있어서, 제1 막 또는 제2 막의 질화를 억제함과 함께, 제1 막 상 및 제2 막 상의 각각에서의 질화 실리콘의 막 두께를 균일하게 할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 성막 방법은, 실리콘을 포함하는 원료 가스와 상기 실리콘을 질화하는 제1 질화 가스를 공급했을 때, 질화 실리콘막의 성장이 개시될 때까지 요하는 인큐베이션 타임이 서로 다른 제1 막 및 제2 막을 표면에 구비하는 기판에, 당해 질화 실리콘막을 성막하는 성막 방법에 있어서,
상기 기판에, Si-Si 결합을 갖는 할로겐화 실리콘으로 구성되는 처리 가스를 공급하는 공정과,
상기 기판에 플라스마화되어 있지 않은 제2 질화 가스를 공급하는 공정과,
상기 처리 가스를 공급하는 공정과 상기 제2 질화 가스를 공급하는 공정을 순서대로 반복해서 행하여, 상기 제1 막 및 상기 제2 막을 피복하는 질화 실리콘의 박층을 형성하는 공정과,
상기 질화 실리콘의 박층을 개질하기 위해서, 플라스마화된 개질용 가스를 상기 기판에 공급하는 공정과,
상기 원료 가스와, 상기 제1 질화 가스를 상기 기판에 공급하여, 개질된 상기 질화 실리콘의 박층 상에 상기 질화 실리콘막을 성막하는 공정을
구비한다.
본 개시에 의하면, 제1 막과 제2 막이 표면에 노출된 기판에 질화 실리콘막을 성막하는 데 있어서, 제1 막 또는 제2 막의 질화를 억제함과 함께, 제1 막 상 및 제2 막 상의 각각에서의 질화 실리콘의 막 두께를 균일하게 할 수 있는 기술을 제공한다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태인 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 2는 상기 성막 장치의 횡단 평면도이다.
도 3은 상기 샤워 헤드의 종단 측면도이다.
도 4는 상기 성막 장치에 마련되는 샤워 헤드의 하면도이다.
도 5는 상기 성막 장치에 의해 처리되는 웨이퍼의 종단 측면도이다.
도 6은 상기 웨이퍼의 종단 측면도이다.
도 7은 상기 웨이퍼의 종단 측면도이다.
도 8은 상기 웨이퍼의 종단 측면도이다.
도 9는 상기 성막 장치에 의해 실시되는 성막 방법의 일 실시 형태의 흐름을 나타내는 차트도이다.
도 10은 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
도 11은 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
본 개시의 일 실시 형태에 따른 성막 방법에 대해서, 그 개요를 먼저 설명해 둔다. 이 실시 형태는, 표면에 Si(실리콘)막, SiO2(산화 실리콘)막, 금속막인 W(텅스텐)막이 노출된 웨이퍼(B)에 SiN막을 형성하는 처리를 행한다. 또한, W는 산화되기 쉬워, 당해 W막의 표면에 산소 원자가 존재한 상태에서 처리를 행한다.
여기서, SiN막의 인큐베이션 타임에 대해서 설명해 둔다. 이 SiN막의 인큐베이션 타임이란, 실리콘을 포함하는 원료 가스와, 당해 실리콘을 질화하기 위한 질화 가스를 공급해서 SiN막을 성막하는 데 있어서, 이들의 한쪽의 가스의 공급이 개시되고 나서 SiN막의 성막이 개시될 때까지 요하는 시간이다. 보다 구체적으로 설명하면, 원료 가스, 질화 가스를 각각 공급함으로써, SiN막의 하지의 막에 있어서, 복수의 섬상의 SiN의 핵이 형성된다. 이 SiN의 핵이 하지막의 표면을 따라 퍼져나가 성장하여, 서로 접해서 박층이 형성되면, 이 박층이 SiN막으로서 성장한다(막 두께가 상승한다). 따라서, 상기 막의 성장이 개시되는 타이밍은, SiN의 박층이 형성되는 타이밍이다. SiN막의 하지로서 당해 SiN막에 접하는 막의 종류에 따라, 상기 핵의 형성, 성장에 요하는 시간이 서로 다르다.
그리고, 각 막간에서 SiN막의 인큐베이션 타임이 다르다는 것은, 각 막간에서 서로 동일한 조건에서 원료 가스 및 질화 가스를 공급하여, 각 막에 접한 SiN막의 성막을 행하는 데 있어서, 이들 가스의 공급을 개시하고 나서 상기 박층이 형성될 때까지의 시간이 서로 다른 것이다. 더 보충하면, 원료 가스의 흡착 및 질화 가스에 의한 원료 가스 중의 실리콘의 질화 이외의 처리는 행하지 않고 비교한 결과, 상기 박층이 형성될 때까지의 시간이 다르다는 것이다. 즉, 본 실시 형태에서 행하는 바와 같은 수소 플라스마에 의한 환원, 개질과 같은 처리는 행하지 않고 비교한 결과, 상기 박층이 형성될 때까지의 시간이 다른 것을 의미한다. 또한, 여기에서 말하는 질화 가스에는, 플라스마화하지 않은 질화 가스 이외에, 플라스마화한 질화 가스도 포함된다.
이렇게 인큐베이션 타임이 서로 다른 각 하지막에 원료 가스, 질화 가스를 각각 공급하면, 그 인큐베이션 타임의 차에 기인하여, 각 하지막에 접해서 각각 형성되는 SiN막의 막 두께에 변동이 생겨버리게 된다. 그리고, 상기 본 실시 형태의 웨이퍼(B)에 형성되는 W막, SiO2막 및 Si막의 사이에 대해서는, SiN막의 인큐베이션 타임이 다르다. 구체적으로, W막 및 SiO2막을 제1 막, Si막을 제2 막으로 하면, 제1 막의 인큐베이션 타임쪽이, 제2 막의 인큐베이션 타임보다도 길다.
이렇게 SiN막의 인큐베이션이 다른 각 막에 대하여 성막을 행하는 데 있어서, 후술하는 평가 시험에서 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(B)를 N2 가스의 플라스마에 노출시킴으로써 각 막의 표면 상태를 정렬시키는 전처리를 행하는 경우가 있다. 이 N2 가스의 플라스마에 노출시키는 전처리를 행한 후에는, 예를 들어 ALD에 의해 SiN막을 형성하는데, N2 가스의 플라스마는 질화력이 비교적 높다. 그 때문에, 상기 웨이퍼(B)를 그렇게 N2 가스의 플라스마로 처리하면, 예를 들어 Si막에 대해서는 그 표면부터 심부까지 질화되어 SiN으로 되어버려, 웨이퍼(B)로부터 제조되는 반도체 제품의 수율을 저하시켜버릴 우려가 있다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 이 인큐베이션 타임의 차의 영향을 억제하여, 당해 SiN막의 막 두께를 균일하게 하기 위한 전처리에 대해서, 상기 Si막의 질화가 억제되도록 행한다. 구체적으로 우선, 육염화이규소(Si2Cl6) 가스 및 NH3 가스(제2 질화 가스)를 플라스마화하지 않고 웨이퍼(B)에 교대로 공급하여, SiN의 박층을 형성한다. 그 후, 플라스마화한 NH3 가스를 공급하여, SiN의 박층을 개질한다.
그리고, 이러한 전처리를 행한 뒤에, Si2Cl6 가스와, 플라스마화한 NH3 가스(제1 질화 가스)를 사용한 ALD(Atomic Layer Deposition)를 행하여, 상기 SiN의 박층 상에 SiN막을 성막한다. 또한, Si2Cl6(Hexachlorodisilane)에 대해서, 이후에는 HCD로 기재하는 경우가 있다. 상기와 같이 HCD 가스는 전처리를 행하기 위한 처리 가스임과 함께, SiN막을 성막하기 위한 원료 가스이다. 또한, 본 명세서에서는 실리콘 질화물에 대해서, 화학양론비에 관계 없이 SiN으로 기재한다. 따라서, SiN이라는 기재에는 예를 들어 Si3N4가 포함된다. 또한, 상기 하지막이란, 웨이퍼(B)에 형성되는 막 이외에, 웨이퍼(B) 그 자체인 경우를 포함한다. 따라서, 예를 들어 상기 Si막에 대해서는 실리콘 웨이퍼에 형성된 막이어도 되고, 실리콘 웨이퍼 그 자체이어도 된다.
이하, 상기 성막 방법을 실시하는 장치의 일 실시 형태인 성막 장치(1)에 대해서, 도 1의 종단 측면도 및 도 2의 횡단 평면도를 참조하여 설명한다. 성막 장치(1)는, 편평한 대략 원형의 진공 용기(처리 용기)(11)를 구비하고 있고, 진공 용기(11)는, 측벽 및 저부를 구성하는 용기 본체(11A)와, 천장판(11B)에 의해 구성되어 있다. 도면 중 12는 진공 용기(11) 내에 수평하게 마련되는 원형의 회전 테이블이다. 도면 중 12A는 회전 테이블(12)의 이면 중앙부를 지지하는 지지부이다. 도면 중 13은 회전 기구이며, 지지부(12A)를 통해서 회전 테이블(12)을 그 주위 방향을 따라 평면으로 보아 시계 방향으로 회전시킨다. 또한 도면 중의 X는, 회전 테이블(12)의 회전축을 나타내고 있다.
회전 테이블(12)의 상면에는, 회전 테이블(12)의 주위 방향(회전 방향)을 따라 6개의 원형의 오목부(14)가 마련되어 있고, 각 오목부(14)에 웨이퍼(B)가 수납된다. 즉, 회전 테이블(12)의 회전에 의해 공전하도록, 각 웨이퍼(B)는 회전 테이블(12)에 적재된다. 또한, 도 1 중 15는 히터이며, 진공 용기(11)의 저부에서 동심원상으로 복수 마련되어, 회전 테이블(12)에 적재된 웨이퍼(B)를 가열한다. 도 2 중 16은 진공 용기(11)의 측벽에 개구된 웨이퍼(B)의 반송구이며, 도시하지 않은 게이트 밸브에 의해 개폐 가능하게 구성된다. 도시하지 않은 기판 반송 기구에 의해, 웨이퍼(B)는 반송구(16)를 통해서, 진공 용기(11)의 외부와 오목부(14) 내의 사이에서 주고 받아진다.
회전 테이블(12) 상에는, 샤워 헤드(2)와, 제1 플라스마 형성 유닛(3A)과, 제2 플라스마 형성 유닛(3B)과, 제3 플라스마 형성 유닛(3C)이 회전 테이블(12)의 회전 방향 하류측을 향해서, 당해 회전 방향을 따라 이 순서대로 마련되어 있다. 제1 가스 공급부인 샤워 헤드(2)는, 상기 SiN막의 성막 및 전처리에 각각 사용하는 HCD 가스를 웨이퍼(B)에 공급한다. 제2 가스 공급부인 제1 내지 제3 플라스마 형성 유닛(3A 내지 3C)은, 회전 테이블(12) 상에 공급된 플라스마 형성용 가스를 플라스마화해서 웨이퍼(B)에 플라스마 처리를 행하는 유닛이며, H2 가스 단독의 플라스마, NH3 가스 및 H2 가스의 플라스마를 각각 형성할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 진공 용기(11)에서의 회전 테이블(12)의 외측 하방이며, 제2 플라스마 형성 유닛(3B)의 외측에는, 제1 내지 제3 플라스마 형성 유닛(3A 내지 3C)에서 공급되는 플라스마 형성용 가스를 배기하는 배기구(51)가 개구되어 있다. 이 배기구(51)는 배기 기구(50)에 접속되어 있다.
처리 가스 공급부이며 또한 원료 가스 공급부인 샤워 헤드(2)에 대해서, 종단 측면도인 도 3 및 하면도인 도 4도 참조하면서 설명한다. 샤워 헤드(2)는, 평면으로 보아, 회전 테이블(12)의 중앙측으로부터 주연측을 향함에 따라서 회전 테이블(12)의 주위 방향으로 넓어지는 부채상으로 형성되어 있고, 당해 샤워 헤드(2)의 하면은, 회전 테이블(12)의 상면에 근접해서 대향하고 있다. 샤워 헤드(2)의 하면에는, 가스 토출구(21), 배기구(22) 및 퍼지 가스 토출구(23)가 개구되어 있다. 식별을 용이하게 하기 위해서, 도 4에서는, 배기구(22) 및 퍼지 가스 토출구(23)에 다수의 도트를 그려서 나타내고 있다. 상기 가스 토출구(21)는, 샤워 헤드(2)의 하면의 주연부보다도 내측의 부채상 영역(24)에 다수 배열되어 있다. 그리고, 이 가스 토출구(21)는, 회전 테이블(12)의 회전 중에 HCD 가스를 하방으로 샤워 형상으로 토출하여, 웨이퍼(B)의 표면 전체에 당해 HCD 가스가 공급되도록 개구되어 있다.
상기 부채상 영역(24)에서는, 회전 테이블(12)의 중앙측으로부터 회전 테이블(12)의 주연측을 향해서, 3개의 구역(24A, 24B, 24C)이 설정되어 있다. 각각의 구역(24A), 구역(24B), 구역(24C)에 마련되는 가스 토출구(21) 각각에 독립적으로 HCD 가스를 공급할 수 있도록, 샤워 헤드(2)에는 서로 구획된 가스 유로(25A, 25B, 25C)가 마련되어 있다. 가스 유로(25A, 25B, 25C)의 각 상류측은, 각각 배관을 통해서 HCD 가스의 공급원(26)에 접속되어 있고, 각 배관에는 밸브 및 매스 플로 컨트롤러에 의해 구성되는 가스 공급 기기(27)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 기기(27)에 의해, 배관의 하류측에의 HCD 가스의 급단 및 유량의 조정이 행하여진다. 또한, 후술하는 가스 공급 기기(27) 이외의 각 가스 공급 기기도 당해 가스 공급 기기(27)와 마찬가지로 구성되어, 하류측에의 가스의 급단 및 유량의 조정을 행한다.
상기 배기구(22) 및 퍼지 가스 토출구(23)는, 부채상 영역(24)을 둘러쌈과 함께 회전 테이블(12)의 상면을 향하도록 샤워 헤드(2)의 하면의 주연부에 각각 환상으로 개구되어 있고, 퍼지 가스 토출구(23)가 배기구(22)의 외측에 위치해서 당해 배기구(22)를 둘러싸도록 형성되어 있다. 회전 테이블(12) 상에서의 배기구(22)의 내측의 영역은, 웨이퍼(B)의 표면에의 HCD의 흡착이 행하여지는 흡착 영역(R0)을 형성한다. 퍼지 가스 토출구(23)는, 회전 테이블(12) 상에 퍼지 가스로서, 예를 들어 Ar(아르곤) 가스를 토출한다.
가스 토출구(21)로부터의 HCD 가스의 토출 중에, 배기구(22)로부터의 배기 및 퍼지 가스 토출구(23)로부터의 퍼지 가스의 토출이 모두 행하여진다. 그에 의해, 도 3 중에 화살표로 나타낸 바와 같이 회전 테이블(12)을 향해서 토출된 원료 가스 및 퍼지 가스는, 회전 테이블(12)의 상면을 따라 배기구(22)를 향하게 하여, 당해 배기구(22)로부터 배기된다. 이렇게 퍼지 가스의 토출 및 배기가 행해짐으로써, 제1 영역인 흡착 영역(R0)의 분위기는 외부의 분위기로부터 분리되어, 당해 흡착 영역(R0)에 한정적으로 원료 가스를 공급할 수 있다. 즉, 흡착 영역(R0)에 공급되는 HCD 가스와, 후술하는 바와 같이 제1 내지 제3 플라스마 형성 유닛(3A 내지 3C)에 의해 흡착 영역(R0)의 외부에 공급되는 각 가스가 혼합되는 것이 억제되어, 상기 ALD에 의한 성막 처리를 행할 수 있다. 도 3 중 28은 배관을 통해서 배기구(22)로부터의 배기를 행하기 위한 배기 기구이다. 도 3 중 29는 퍼지 가스인 Ar 가스의 공급원이며, 배관을 통해서 당해 Ar 가스를 퍼지 가스 토출구(23)에 공급한다. 당해 배관에는 가스 공급 기기(20)가 개재 설치되어 있다.
계속해서, 제2 플라스마 형성 유닛(3B)에 대해서, 도 1, 도 2를 참조하면서 설명한다. 제2 플라스마 형성 유닛(3B)은, 제2 플라스마 형성 유닛(3B)의 하방에 토출되는 플라스마 형성용 가스(H2 가스 또는 H2 가스와 NH3 가스의 혼합 가스)에 마이크로파를 공급하여, 회전 테이블(12) 상에 플라스마를 발생시킨다. 제2 플라스마 형성 유닛(3B)은, 상기 마이크로파를 공급하기 위한 안테나(31)를 구비하고 있고, 당해 안테나(31)는, 유전체판(32)과 금속제의 도파관(33)을 포함한다.
유전체판(32)은, 평면으로 보아 회전 테이블(12)의 중앙측으로부터 주연측을 향함에 따라서 넓어지는 대략 부채상으로 형성되어 있다. 진공 용기(11)의 천장판(11B)에는 상기 유전체판(32)의 형상에 대응하도록, 대략 부채상의 관통구가 개구되고, 당해 관통구의 하단부의 내주면은 관통구의 중심부측으로 약간 돌출되어, 지지부(34)를 형성하고 있다. 상기 유전체판(32)은, 이 부채상의 관통구를 상측으로부터 막아, 회전 테이블(12)에 대향하고 있고, 유전체판(32)의 주연부는 지지부(34)에 지지되어 있다.
도파관(33)은, 유전체판(32) 상에 마련되고, 천장판(11B) 상에 연장되는 내부 공간(35)을 구비한다. 도면 중 36은 도파관(33)의 하부측을 구성하는 슬롯판이며, 복수의 슬롯 구멍(36A)을 갖고, 유전체판(32)에 접해서 마련되어 있다. 도파관(33)의 회전 테이블(12)의 중앙측 단부는 막혀 있고, 회전 테이블(12)의 주연부측 단부에는, 예를 들어 약 2.35GHz의 마이크로파를 도파관(33)에 공급하는 마이크로파 발생기(37)가 접속되어 있다. 이 마이크로파는, 슬롯판(36)의 슬롯 구멍(36A)을 통과해서 유전체판(32)에 이르러, 유전체판(32)의 하방에 공급된 플라스마 형성용 가스에 공급되어, 당해 유전체판(32)의 하방에 한정적으로 플라스마가 형성되어, 웨이퍼(B)에 처리가 행하여진다. 이렇게 유전체판(32)의 하방은 플라스마 형성 영역으로서 구성되어 있고, R2로서 나타낸다.
또한 제2 플라스마 형성 유닛(3B)은, 상기 지지부(34)에 가스 토출 구멍(41)과, 가스 토출 구멍(42)을 구비하고 있다. 가스 토출 구멍(41)은, 회전 테이블(12)의 중심부측으로부터 외주부측을 향해서 플라스마 형성용 가스를 토출하고, 가스 토출 구멍(42)은, 회전 테이블(12)의 외주부측으로부터 중심측을 향해서 플라스마 형성용 가스를 토출한다. 가스 토출 구멍(41) 및 가스 토출 구멍(42)은, 가스 공급 기기(45)를 구비한 배관계를 통해서 H2 가스 공급원(43) 및 NH3 가스 공급원(44)에 각각 접속되어 있다. 또한, 제1 및 제3 플라스마 형성 유닛(3A, 3C)은, 제2 플라스마 형성 유닛(3B)과 마찬가지로 구성되어 있고, 제1 및 제3 플라스마 형성 유닛(3A, 3C)에서의 플라스마 형성 영역(R2)에 상당하는 영역은, 플라스마 형성 영역(R1, R3)으로서 각각 나타내고 있다. 플라스마 형성 영역(R1 내지 R3)은 제2 영역이며, 제1 내지 제3 플라스마 형성 유닛(3A 내지 3C)은, 개질용 가스 공급부, 질화 가스 공급부 및 플라스마 형성 기구를 구성한다.
도 1에 도시한 바와 같이 성막 장치(1)에는, 컴퓨터에 의해 구성되는 제어부(10)가 마련되어 있고, 제어부(10)에는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램에 대해서는, 성막 장치(1)의 각 부에 제어 신호를 송신해서 각 부의 동작을 제어하여, 앞서 서술한 전처리 및 SiN막의 성막 처리가 실행되도록 스텝 군이 짜여져 있다. 구체적으로는, 회전 기구(13)에 의한 회전 테이블(12)의 회전수, 각 가스 공급 기기의 동작, 각 배기 기구(28, 50)에 의한 배기량, 마이크로파 발생기(37)로부터 안테나(31)에의 마이크로파의 급단, 히터(15)에의 급전 등이, 당해 프로그램에 의해 제어된다. 히터(15)에의 급전의 제어는, 즉 웨이퍼(B)의 온도의 제어이며, 배기 기구(50)에 의한 배기량의 제어는, 즉 진공 용기(11) 내의 압력 제어이다. 이 프로그램은, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, DVD, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되어, 제어부(10)에 인스톨된다.
이하, 성막 장치(1)에 의해 행하여지는 전처리 및 SiN막의 성막 처리에 대해서, 웨이퍼(B)의 종단 측면도인 도 5 내지 도 8과, 성막 장치(1)의 동작 흐름도인 도 9를 참조하면서 설명한다. 도 5는, 성막 장치(1)에 반송되는 웨이퍼(B)의 일례를 나타내고 있고, 당해 웨이퍼(B)에는, 당해 Si막(61), SiO2막(62), W막(63), SiO2막(64)이, 이 순서대로 상방을 향해서 적층되는 적층체가 형성되어 있다. 이 적층체에는 오목부(65)가 형성되어 있고, 오목부(65)의 측면이 SiO2막(62), W막(63), SiO2막(64)에 의해 구성되고, 오목부(65)의 저면이 Si막(61)에 의해 구성되어 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 웨이퍼(B)의 표면에 있어서, Si막, SiO2막, W막이 각각 노출되어 있다.
이 도 5에 도시하는 웨이퍼(B)가 6매, 회전 테이블(12)의 오목부(14)에 각각 적재된다. 그리고, 진공 용기(11)의 반송구(16)에 마련되는 게이트 밸브를 폐쇄해서 당해 진공 용기(11) 내가 기밀하게 되고, 웨이퍼(B)는 히터(15)에 의해 예를 들어 200℃ 내지 600℃, 보다 구체적으로는 예를 들어 550℃로 가열된다. 그리고, 배기구(51)로부터의 배기에 의해, 진공 용기(11) 내가 예를 들어 53.3Pa 내지 666.5Pa인 진공 분위기로 됨과 함께, 회전 테이블(12)이 예를 들어 3rpm 내지 60rpm으로 회전하여, 각 웨이퍼(B)가 공전한다.
제1 내지 제3 플라스마 형성 유닛(3A 내지 3C)에 의해 플라스마 형성 영역(R1 내지 R3)에 있어서는, NH3 가스의 공급이 행하여진다. 단, 마이크로파는 공급되지 않아, 이 NH3 가스는 플라스마화되지 않는다. 한편, 샤워 헤드(2)에서는 가스 토출구(21)로부터 HCD 가스, 퍼지 가스 토출구(23)로부터 Ar 가스가 각각 토출됨과 함께, 배기구(22)로부터 배기가 행하여진다(도 9 중, 스텝 S1). 이렇게 샤워 헤드(2) 및 제1 내지 제3 플라스마 형성 유닛(3A 내지 3C)이 동작함으로써, 공전하는 각 웨이퍼(B)에, HCD 가스의 공급과 NH3 가스의 공급이, 교대로 반복해서 행하여진다.
원료 가스 중의 Si는, SiO2막(62, 64) 및 Si막(61)을 구성하는 Si, W막(63)을 구성하는 W와 흡착하기 쉽다. 즉, SiO2막(62, 64) 및 W막(63)의 표면에 산소 원자가 존재하고 있는데, 원료 가스인 HCD 가스에 대해서는 Si 원자를 2개 포함함으로써, 이들 SiO2막(62, 64), Si막(61), W막(63)에 대하여 높은 흡착성을 갖는다. 따라서, 흡착 영역(R0)에서 이들 각 막에 효율적으로 HCD 가스가 흡착된다. 그리고, 플라스마 형성 영역(R1 내지 R3)에서는, 흡착된 HCD 가스에 NH3 가스가 공급되어, 열에 의해 서로 반응하여, SiN의 박층(66)이 형성된다. 웨이퍼(B)의 공전이 계속되어, SiN의 박층(66)의 두께가 상승한다(도 6).
샤워 헤드(2)로부터의 HCD 가스의 공급 및 제1 내지 제3 플라스마 형성 유닛(3A 내지 3C)에 의한 NH3 가스의 공급이 개시되고 나서 회전 테이블(12)이 미리 설정된 횟수, 예를 들어 30회 회전하면, 샤워 헤드(2)로부터의 HCD 가스의 공급이 정지한다. 이렇게 HCD 가스의 공급이 정지하는 한편, 플라스마 형성 영역(R1 내지 R3)에는 H2 가스와 NH3 가스가 공급됨과 함께 마이크로파가 공급되어, 이들 가스의 플라스마가 형성된다(스텝 S2). 그리고 웨이퍼(B)의 공전이 계속되어, 각 웨이퍼(B)는 플라스마 형성 영역(R1 내지 R3)을 반복해서 통과한다. 그에 의해, 플라스마를 구성하는 NH3 가스의 활성종(NH2 라디칼, NH 라디칼 등)이 SiN의 박층(66)에 작용하여, HCD 가스를 구성하고 있던 염소 등의 불순물이 방출됨과 함께 당해 박층(66)이 경화하는 개질이 행하여진다. 이 개질에 의해, 박층(66)의 특성은 후에 형성하는 SiN막(67)의 특성에 가까운 것이 된다.
H2 가스 및 NH3 가스의 플라스마의 형성 개시부터 회전 테이블(12)이 미리 설정된 횟수를 회전하면, 샤워 헤드(2)로부터 흡착 영역(R0)에의 HCD 가스의 공급이 재개된다. 또한, 플라스마 형성 영역(R1, R2)에서는 NH3 가스의 공급이 정지하는 한편, H2 가스는 계속해서 공급되어, 당해 H2 가스의 플라스마가 형성된다. 플라스마 형성 영역(R3)에서는 계속해서 H2 가스 및 NH3 가스가 공급되어, 이들 가스의 플라스마가 형성된다(스텝 S3).
그리고, 웨이퍼(B)는 계속해서 공전하여, 흡착 영역(R0)에서의 HCD 가스의 공급, 플라스마 형성 영역(R1, R2)에서의 플라스마화한 H2 가스의 공급, 플라스마 형성 영역(R3)에서의 플라스마화한 H2 가스 및 NH3 가스의 공급이, 순차 반복해서 행하여진다. 흡착 영역(R0)에서 웨이퍼(B)에 흡착된 HCD 가스 중의 Si가 플라스마 형성 영역(R3)에서 질화되어, SiN이 된다. 그리고 플라스마 형성 영역(R1, R2)에서는, H2 가스의 플라스마에 의해, 퇴적된 SiN의 개질이 행하여진다. 구체적으로, SiN 중의 미 결합손에 대한 H의 결합 및 퇴적된 SiN으로부터의 Cl의 제거가 행해짐으로써, 치밀하고 불순물의 함유량이 적은 SiN이 된다.
상술한 바와 같이 SiN의 핵의 형성과 성장이 일어나는데, 하지가 당해 핵과 동일한 SiN인 박층(66)이기 때문에, 이 핵의 형성과 성장은 비교적 빠르게 행하여진다. 그리고, Si막(61), SiO2막(62, 64) 및 W막(63)의 각 막 상에, 그러한 공통의 SiN의 박층(66)이 형성되어 있어, 말하자면 이들 각 막의 표면 상태가 균일하게 되어 있다. 따라서, 이들 각 막 상에서 핵의 형성과 성장이 마찬가지로 일어나서, SiN의 박층(SiN막(67))이 성막된다. 즉, Si막(61), SiO2막(62, 64) 및 W막(63)의 각 막 상에서, 마치 인큐베이션 타임이 맞추어지는 것처럼 SiN막(67)의 성막이 행하여진다(도 7).
웨이퍼(B)의 공전이 계속되어, SiN막(67)의 막 두께가 상승함과 함께 당해 SiN막(67)의 개질이 진행된다. 상기와 같이 Si막(61), SiO2막(62, 64), W막(63)의 각 막 상에서 마찬가지의 타이밍에 SiN막(67)의 성막이 개시되므로, 이들 각 막간에 균일성 높은 막 두께로 당해 SiN막(67)이 성장한다. 스텝 S3에서의 HCD 가스의 공급 및 플라스마 형성 영역(R1 내지 R3)에서의 각 가스의 플라스마화가 개시되고 나서 미리 설정된 횟수를 회전 테이블(12)이 회전하여, 원하는 막 두께의 SiN막(67)이 형성되면, SiN막(67)의 성막 처리가 종료된다(도 8). 즉, 각 가스의 공급, 마이크로파의 공급, 회전 테이블(12)의 회전이 각각 정지해서 성막 처리가 종료된다. 그 후, 웨이퍼(B)는, 기판 반송 기구에 의해 진공 용기(11)로부터 반출된다.
이렇게 성막 장치(1)를 사용한 처리에 의하면, Si막(61), SiO2막(62, 64) 및 W막(63) 사이에서의 SiN막(67)의 인큐베이션 타임의 차의 영향이 억제되어, 성막이 개시되는 타이밍을 맞출 수 있다. 그 결과로서, 각 막 상에서 균일성 높은 막 두께가 되도록 당해 SiN막(67)을 성막할 수 있다. 그리고, 이 인큐베이션 타임의 차의 영향을 억제하기 위한 SiN의 박층(66)을 형성하는 데 있어서, 웨이퍼(B)에 흡착된 HCD의 질화를 플라스마화하지 않은 NH3 가스에 의해 행하고, 그 후에 플라스마화한 NH3 가스에 의해 개질을 행하도록 하고 있다. 즉, 박층(66)의 형성에는 플라스마가 사용되지 않기 때문에, 플라스마화한 NH3 가스에 웨이퍼(B)가 노출되는 시간을 억제할 수 있고, NH3의 플라스마를 형성할 때는 플라스마와 각 막(61 내지 64)의 사이에는 박층(66)이 개재하게 된다. 그 때문에, 각 막(61 내지 64)의 질화가 억제된다. 특히 후술하는 평가 시험에서 나타내는 바와 같이 Si막(61)에 대해서는 비교적 질화되기 쉬운 성질을 갖지만, 이 Si막(61)의 질화에 대해서 억제할 수 있다. 또한, 상기와 같이 플라스마화되는 가스에 웨이퍼(B)가 노출되는 시간이 억제되므로, 각 막(61 내지 64)이 받는 플라스마의 대미지를 억제할 수 있는 이점도 있다.
상기 스텝 S1에서, NH3 가스를 사용해서 질화를 행하는 것에 한정되지는 않고, 예를 들어 N2 가스 등을 사용해도 된다. 또한, 이 스텝 S1에서 사용하는 실리콘을 포함하는 처리 가스로서는, 상기와 같이 각 막에 대하여 높은 흡착성을 담보하기 위해서, Si-Si 결합을 가짐으로써, 1분자 중에 복수의 Si 원자를 갖는 할로겐화 실리콘 가스를 사용할 수 있다. 그러한 할로겐화 실리콘 가스로서 HCD 가스 이외에는, 예를 들어 옥타클로로트리실란(Si3Cl8) 가스를 사용할 수 있다.
또한, 상기 스텝 S2에서 플라스마에 노출시킴으로써, 상기와 같이 SiN의 박층(66)의 개질을 행할 수 있으면 되므로, NH3 가스의 플라스마를 사용하는 것에 한정되지는 않는다. 단, 박층(66)을 NH3 가스의 플라스마를 사용해서 처리함으로써, 당해 박층(66)의 막질에 대해서, 그 후에 형성하는 SiN막(67)과 동등한 막질로 할 수 있기 때문에 바람직하다.
그리고, SiN의 박층(66)의 개질 후의 SiN막(67)의 형성은, ALD로 행하는 것에 한정되지 않고, CVD(Chemical Vapor Deposition)로 행해도 된다. 이 SiN막(67)의 형성에 있어서는, 원료 가스 중의 실리콘을 질화할 수 있으면 되므로, 플라스마화한 NH3 가스를 사용하는 것에도 한정되지 않고, 예를 들어 플라스마화하지 않은 NH3 가스를 사용해도 된다.
또한, 이 SiN막(67)을 성막하는 원료 가스로서는, 예를 들어 DCS(디클로로실란) 가스과 같이, Si-Si 결합을 갖지 않는 가스를 사용해도 된다.
상기 처리 예에서는 금속막으로서 W막(63) 상에 SiN막을 형성하고 있지만, W막(63)에 한정되지 않고, 예를 들어 Ti(티타늄)이나 Ni(니켈) 등의 금속 막 상에 SiN막(67)을 형성하는 경우에도 본 방법이 유효하다. 즉, SiN막의 하지가 되는 금속막으로서는, W막에 한정되는 것은 아니다. 또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 특허 청구 범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태에서 생략, 치환, 변경되어도 된다.
이하, 본 기술에 관련해서 행하여진 평가 시험에 대해서 설명한다.
평가 시험 1로서, Si에 의해 구성됨과 함께 표면이 노출 상태인 웨이퍼(베어 웨이퍼)와, Si에 의해 구성됨과 함께 표면에 SiO2막이 형성된 웨이퍼(SiO2 웨이퍼로 함)를 복수매씩 준비하였다. 그리고, 상기 실시 형태에서 설명한 스텝 S1 내지 S3으로 이루어지는 일련의 처리(전처리 및 SiN막(67)의 성막 처리)를, 베어 웨이퍼, SiO2 웨이퍼에 각각 행하였다. 이 일련의 처리에서의 스텝 S3의 SiN막(67)의 성막 처리 시간은, 180초 또는 360초로서 설정하였다. 일련의 처리 종료 후에는, 형성된 SiN막(67)의 막 두께를 측정하였다.
또한 비교 시험 1로서, 상기 스텝 S1의 처리를 행하는 대신에 플라스마 형성 영역(R1 내지 R3)에 N2 가스를 공급하여, 당해 N2 가스를 플라스마화해서 베어 웨이퍼, SiO2 웨이퍼의 표면을 각각 질화시키는 처리를 행하였다. 이 질화 후에는, 각 웨이퍼에 이미 설명한 스텝 S2, 스텝 S3의 각 처리를 행했지만, 스텝 S3의 원료 가스로서는 HCD 가스 대신에 DCS 가스를 사용하였다. 이러한 차이점을 제외하고, 비교 시험 1의 처리는 평가 시험 1의 처리와 마찬가지다.
도 10의 그래프는 평가 시험 1의 결과를, 도 11의 그래프는 비교 시험 1의 결과를 각각 나타내고 있다. 각 그래프에 대해서 횡축은 스텝 S3의 SiN막(67)의 성막 시간(단위: 초)이며, 종축은 SiN막(67)의 막 두께(Å)이다. 각 그래프에는, 측정된 SiN막(67)의 막 두께를 플롯해서 나타냄과 함께, 베어 웨이퍼에 대해서 플롯된 각 점을 연결하는 실선의 직선, SiO2 웨이퍼에 대해서 플롯된 각 점을 연결하는 실선의 직선을 각각 나타내고 있다. 또한 그래프에는, 상기 각 실선의 직선을, 횡축의 성막 시간이 0초가 되는 위치 혹은 종축의 SiN막(67)의 막 두께가 0Å이 되는 위치까지 신장시킨 연장선에 대해서, 점선으로 표시하고 있다. 또한, 막에 관한 인큐베이션 타임을, 그 막에 직접 접하도록 SiN막을 성막할 때 성막이 개시할 때까지의 시간으로서 정의했지만, 그 정의에 관계 없이 이 평가 시험에서는, 상기 점선의 연장선을 보아 막 두께가 0Å일 때의 성막 시간을 인큐베이션 타임으로 한다.
평가 시험 1에 대해서는, SiN막(67)의 성막 시간이 180초, 360초일 때의 어떤 경우든 SiO2 웨이퍼와 베어 웨이퍼의 사이에서의, SiN막(67)의 막 두께의 차가 비교적 작다. SiO2 웨이퍼에 대해서 얻어지는 상기 실선의 직선과, 베어 웨이퍼에 대해서 얻어지는 상기 실선의 직선은 서로 대략 평행하고 있다. 그리고, 각 점선에 의한 연장선을 보면, SiO2 웨이퍼의 SiN막(67)의 막 두께가 0Å일 때 인큐베이션 타임은 대략 0초이며, 이때 베어 웨이퍼의 SiN막(67)의 막 두께는 5.4Å이다.
한편, 비교 시험 1에 대해서는, SiN막(67)의 성막 시간이 180초, 360초일 때 각각에 있어서, SiO2 웨이퍼와 베어 웨이퍼의 사이에서 SiN막(67)의 막 두께에 비교적 큰 차가 보였다. SiO2 웨이퍼에 대해서 얻어지는 상기 실선의 직선과, 베어 웨이퍼에 대해서 얻어지는 상기 실선의 직선은 서로 대략 평행하고 있지만, 그 간격이 비교적 크다. 그리고, 각 점선에 의한 연장선을 보면, SiO2 웨이퍼에 관한 인큐베이션 타임은 대략 0초이지만, 베어 웨이퍼에 대해서는 성막 시간이 0초일 때 SiN막(67)의 막 두께가 13.2Å이다.
평가 시험 1, 비교 시험 1에서 성막 시간이 0초일 때 베어 웨이퍼에 SiN막(67)이 형성되는 것처럼 나타나는 것은, 스텝 S3을 실시하기 전의 처리로 이미 질화가 이루어져 있기 때문이다. 그리고 평가 시험 1에 의하면, 비교 시험 1에 비해서 이 질화가 억제되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 평가 시험의 결과로부터, 상기 실시 형태의 효과가 확인되었다.

Claims (7)

  1. 실리콘을 포함하는 원료 가스와 상기 실리콘을 질화하는 제1 질화 가스를 공급했을 때, 질화 실리콘막의 성장이 개시될 때까지 요하는 인큐베이션 타임이 서로 다른 제1 막 및 제2 막을 표면에 구비하는 기판에, 당해 질화 실리콘막을 성막하는 성막 방법에 있어서,
    상기 제1 막은 실리콘막이며, 상기 제2 막은 산화 실리콘막 및 텅스텐막이고,
    상기 기판에, Si-Si 결합을 갖는 육염화이실리콘으로 구성되는 처리 가스를 공급하는 공정과,
    상기 기판에 플라스마화되지 않은 제2 질화 가스인 암모니아 가스를 공급하는 공정과,
    상기 처리 가스를 공급하는 공정과 상기 제2 질화 가스를 공급하는 공정을 순서대로 반복해서 행하여, 상기 제1 막 및 상기 제2 막을 피복하는 질화 실리콘의 박층을 형성하는 공정과,
    상기 질화 실리콘의 박층을 개질하기 위해서, 플라스마화된 암모니아 가스 및 플라스마화된 수소 가스를 개질용 가스로서 상기 기판에 공급하는 공정과,
    상기 원료 가스와, 상기 제1 질화 가스인 플라스마화된 암모니아 가스와, 플라스마화된 수소 가스를 상기 기판에 공급하여, 개질된 상기 질화 실리콘의 박층 상에 상기 질화 실리콘막을 성막하는 공정을
    포함하는 성막 방법.
  2. 실리콘을 포함하는 원료 가스와 상기 실리콘을 질화하는 제1 질화 가스를 공급했을 때, 질화 실리콘막의 성장이 개시될 때까지 요하는 인큐베이션 타임이 서로 다른 제1 막 및 제2 막을 표면에 구비하는 기판에, 당해 질화 실리콘막을 성막하는 성막 장치에 있어서,
    상기 기판을 적재해서 공전시키는 회전 테이블과,
    상기 회전 테이블 상에 Si-Si 결합을 갖는 육염화이실리콘으로 구성되는 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블 상에 상기 제1 질화 가스와, 제2 질화 가스를 공급하는 질화 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블 상에 상기 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블 상에 각각 플라스마화된 암모니아 가스 및 수소 가스를 개질용 가스로서 공급하는 개질용 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블 상에 공급된 개질용 가스를 플라스마화하는 플라스마 형성 기구와,
    상기 제1 막 및 상기 제2 막을 피복하는 질화 실리콘의 박층을 형성하기 위해서, 공전하는 상기 기판에 상기 처리 가스와 플라스마화되지 않은 상기 제2 질화 가스인 암모니아 가스를 교대로 반복 공급하는 스텝과, 상기 질화 실리콘의 박층을 개질하기 위해서, 공전하는 상기 기판에 암모니아 가스 및 수소 가스를 상기 개질용 가스로서 공급함과 함께 당해 개질용 가스를 플라스마화하는 스텝과, 개질된 상기 질화 실리콘의 박층 상에 상기 질화 실리콘막을 성막하기 위해서, 공전하는 상기 기판에 상기 원료 가스와 수소 가스 및 상기 제1 질화 가스인 암모니아 가스를 교대로 반복해서 공급하고, 상기 수소 가스 및 당해 암모니아 가스를 플라스마화하는 스텝을 행하도록 구성된 제어부를
    포함하고,
    상기 제1 막은 실리콘막이며, 상기 제2 막은 산화 실리콘막 및 텅스텐막인 성막 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 회전 테이블 상의 제1 영역에 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블 상의 상기 제1 영역에 대하여 당해 회전 테이블의 회전 방향으로 이격되고 또한 분위기가 분리된 제2 영역에 가스를 공급하는 제2 가스 공급부가
    마련되고,
    상기 원료 가스 공급부 및 상기 처리 가스 공급부는 상기 제1 가스 공급부이며,
    상기 질화 가스 공급부 및 개질용 가스 공급부는 상기 제2 가스 공급부이며,
    상기 플라스마 형성 기구는, 상기 제2 영역에서의 가스를 플라스마화할 수 있도록 구성되는, 성막 장치.
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  6. 삭제
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