KR20060021940A - 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ALD법을 이용한 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치에 관한 것으로, ALD법에 의한 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급하는 성막에 앞서, 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 전처리를 실시하여, 성막에서의 인큐베이션 타임의 저감 및 작업 처리량의 향상을 도모한다.

Description

박막 형성 방법 및 박막 형성 장치 {THIN FILM FORMING METHOD AND THIN FILM FORMING DEVICE}
도 1은 종래의 ALD법에 의한 성막을 실시하기 위한 흐름도.
도 2는 종래의 ALD법 및 본 발명에 따른 극도로 얇은 박막의 형성 방법을 실시했을 때의 원료 가스 공급 사이클 수와 성막 두께의 관계를 도시하기 위한 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 극도로 얇은 박막의 형성 방법을 실시하기 위한 진공 처리 장치를 도시한 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 W2N 박막의 형성 방법을 실시하기 위한 흐름도.
도 5는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 박막 형성 방법을 실시했을 때의 웨이퍼 온도와 1 사이클당 성막 두께의 관계를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 박막 형성 방법을 실시했을 때의 WF6 가스 또는 NH3 가스의 공급량과 1 사이클당 성막 두께의 관계를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 박막 형성 방법을 실시하기 위한 흐름도.
도 8은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 박막 형성 방법을 실시하기 위한 진공 처리 장치를 도시한 개략적인 구성도.
도 9는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 TiN 박막 형성 방법을 실시하기 위한 흐름도.
본 발명은 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치에 관한 것으로, 특히 원료 가스를 교대로 공급함으로써 성막을 행하는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치에 관한 것이다.
최근의 반도체 집적 회로의 미세화, 고집적화에 따라, 기판(예컨대, 반도체 기판) 상에 형성하는 절연막 및 금속 배선막 등에 대해서는 박막화, 복잡한 형상에 대한 피복성이 좋은 성막, 웨이퍼 전체에 대해 거시적으로 균일한 성막, 나노미터 레벨의 미시적으로 평활한 성막 등이 요구되고 있다. 그러나, 종래의 화학적 기상 성장법(CVD법)으로는, 상기 요구 중 일부를 만족시킬 수 없는 상황에 있다. 한편, 이러한 요구를 만족시키는 성막 방법으로서 ALD(Atomic Layer Deposition)법이 주목받고 있다. 이 ALD법은, 성막 시에 원료 가스를 한 종류씩 교대로 공급함으로써, 원료 가스의 반응 표면에 대한 흡착을 경유하여 원자층·분자층 레벨에서 성막을 행하고, 이들 공정을 반복하여 소정 두께의 박막을 얻는 방법이다.
구체적으로는, 제1 원료 가스를 기판 상에 공급하여 그 흡착층을 기판 상에 형성한다. 그 후에, 제2 원료 가스를 기판 상에 공급하여 반응시킨다. 이 방법에 따르면, 제1 원료 가스가 기판에 흡착된 후 제2 원료 가스와 반응하기 때문에 성막 온도의 저온화를 도모할 수 있다.
또한, 홀에 성막하는 데에 있어서는, 종래의 CVD법에서 문제가 되었던, 원료 가스가 홀 상부에서 반응 소비됨에 따른 피복성 저하를 피할 수도 있다.
또한, 흡착층의 두께는, 일반적으로 원자, 분자의 단일층이거나 많아도 2, 3층이지만, 그 온도와 압력으로 결정되어, 흡착층을 만드는 데에 필요 이상의 원료 가스가 공급되면 배출된다고 하는 자기 정합성을 가지고 있기 때문에, 극도로 얇은박막의 두께를 제어하는 데에 좋다. 또한, 한 번의 성막이 원자층, 분자층 레벨로 행해지기 때문에, 반응이 완전히 진행되기 쉽고, 막 중에 불순물이 잔류하기 어려워져서 바람직하다.
그러나, 전술한 바와 같이 ALD법은 양호한 막 특성을 얻을 수 있는 반면, 한 번의 성막이 원자층, 분자층 레벨로 행해짐에 따라 총 성막 시간이 장시간화되는 문제가 있었다.
특히, 최초의 수회 사이클 동안 실질적으로 성막이 이루어지지 않는 잠복 기간(인큐베이션 타임)이 있어, 작업 처리량이 심각하게 저하되었다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 개량된 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공하는 것을 총괄적인 목적으로 하고 있다.
본 발명의 보다 상세한 목적은 ALD법의 인큐베이션 타임을 짧게 하여 작업 처리량이 높은 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 실현하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 복수 종의 원료 가스를 기판 상에서 반응시켜 그 기판 상에 박막을 형성하는 박막 형성 방법에 있어서, 상기 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 공정과, 이 공정의 실시 후에, 상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급함으로써 박막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 이른바 ALD법에 의한 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급하는 성막에 앞서, 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 전처리를 실시함으로써, 인큐베이션 타임을 짧게 하여 작업 처리량의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 발명에 있어서, 상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급할 때, 반응하는 2 종류의 원료 가스의 공급 사이에 진공 배기 또는 제3종 가스에 의한 치환을 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 반응하는 2 종류의 원료 가스의 공급 사이에서 불필요한 반응이 생기는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 발명에 있어서 상기 원료 가스는 WF6 가스, NH3 가스, SiH4 가스 인 것이 바람직하다. 이에 따라, 기판 상에는 WNx의 박막이 형성된다.
또한, 상기 발명에 있어서 상기 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 시간의 하한은 0.1 sec이며, 그 상한은 그 가스 구성으로 2.0 nm 두께의 성막이 행해 지는 것과 동일한 시간인 것이 바람직하다. 이와 같이 설정함으로써 인큐베이션 타임을 유효하게 단축할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수 종의 원료 가스를 기판 상에서 반응시켜 그 기판 상에 박막을 형성하는 박막 형성 장치에 있어서, 상기 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 수단과, 상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급함으로써 박막을 형성하는 수단과, 상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급할 때, 반응하는 2 종류의 원료 가스의 공급 사이에 진공 배기 또는 제3종 가스에 의한 치환을 행하는 수단을 마련한 것을 특징으로 한다.
상기 발명에 따른 장치에 의하면, 이른바 ALD법에 의한 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급하는 성막에 앞서, 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 전처리를 실시하는 것이 가능해져, 성막 시에 인큐베이션 타임을 짧게 하여 작업 처리량의 향상을 도모할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 가지 실시예인 박막 형성 방법을 실시하기 위한 박막 형성 장치(이하, 진공 처리 장치라고 부른)를 도시한 개략적인 구성도이다. 우선, 박막 형성 방법의 설명에 앞서, 박막 형성을 행하기 위한 진공 처리 장치에 대해 설명한다.
이 진공 처리 장치는 가스 공급원(10A∼10C), 샤워 헤드(20), 샤워 헤드 히터(21), 챔버(30), 챔버 히터(31), 서셉터(32), 지지 부재(33), 배기관(40), 밸브(41), 진공 펌프(42), 그리고 전원(50) 등으로 구성되어 있다.
가스 공급원(10A∼10C)은 샤워 헤드(20)에 마련된 가스 유입구(22∼24), 도입 통로(25, 26) 등을 통해 챔버(30) 내로 가스를 공급한다. 즉, 가스 공급원(10A∼10C)은 챔버(30) 내에서 반도체 웨이퍼(W)에 소정의 성막 처리를 실시하기 위한 가스를 각각 공급한다. 구체적으로, 가스 공급원(10A)은 원료 가스인 WF6 가스를 공급하고, 가스 공급원(10B)은 원료 가스인 NH3 가스를 공급하며, 가스 공급원(10C)은 원료 가스인 SiH4(실란) 가스를 공급한다.
샤워 헤드(20)는 챔버(30)의 상벽 중앙부를 관통하여 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 일체화하여 형성된 상하 3단의 블록체(20A, 20B, 20C)로 구성된 샤워 헤드(20)를 도시하였다. 이 샤워 헤드(20)에 마련된 가스 유로(25)[통로(25A, 25B, 25C)로 이루어짐]에는 가스 공급원(10A)으로부터 도시하지 않는 질량 유량 제어기 등을 통하여 소정 유량으로 WF6 가스가 공급된다.
또한, 샤워 헤드(20)에 마련된 가스 통로(26)[통로(26A, 26B, 26C)로 이루어짐]에는, 가스 공급원(10B, 10C)으로부터 도시하지 않는 질량 유량 제어기 등을 통하여 소정 유량으로 NH3 가스 및 SiH4 가스가 공급된다. 이 때, 각 가스 유로(25, 26)는 각 가스를 챔버(30) 내로 거의 균일하게 공급하도록 구성되어 있다.
이 때, WF6를 공급하는 가스 유로(25)와, NH3 가스 및 SiH4 가스를 공급하는 가스 유로(26)를 나눈 이유는, 샤워 헤드(20) 내에서의 WF6과 NH3 또는 SiH4와의 반응을 억제하기 위해서이다. 또한, SiH4와 NH3의 반응을 억제해야 하는 경우에는 가 스 유로(26)를 추가로 분할하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 도시하지는 않았지만, 샤워 헤드(20)에는 전처리용 및 성막용 가스를 희석하는 Ar이나 N2 등의 불활성 가스를 챔버(30) 내로 공급하기 위한 가스 유입구나 유로도 형성되어 있고, 이 가스 유입구는 질량 유량 제어기 등을 개재시킨 상태로 불활성 가스 가스 공급원에 접속되어 있다.
샤워 헤드 히터(21)는 샤워 헤드(20)의 상면에 설치되어 샤워 헤드(20)의 온도를 제어하고, 샤워 헤드(20) 내를 통과하는 가스를 가온하거나, NH4F 등의 저증기압 반응 부생성물이 샤워 헤드(20)에 부착되는 것을 방지한다. 또한, 챔버(30)는 반도체 웨이퍼(W)에 소정의 처리를 실시하기 위한 처리실이다.
서셉터(32)는 지지 부재(33)에 의해 고정되어 챔버(30) 내에 설치되며, 도시하지 않는 반송 기구에 의해 반입된 처리 대상 반도체 웨이퍼(W)를 얹어 놓는다. 또한, 서셉터(32)는 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(32)의 중앙으로 안내하기 위한 가이드 링(34)과, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 제어하기 위한 스테이지 히터(35)를 내부에 구비하고 있다. 스테이지 히터(35)에는 챔버(30)의 밖에 설치한 전원(50)으로부터 전력이 공급된다.
배기관(40)은 챔버(30)의 바닥부에 설치되어, 배기 가스 유량을 조절하는 밸브(41)를 통해 진공 펌프(42)에 접속되어 있다. 진공 펌프(42)에 의해 배기관(40)을 통해 챔버(30) 내의 가스를 배기함으로써, 챔버(30) 내부를 진공 펌프(42)의 배기 능력과, 챔버(30), 배기관(40), 밸브(41)의 컨덕턴스에 의해 정해진 도달 진공 도 상태로 만들거나 소정 압력으로 유지할 수 있다.
계속해서, 본 발명자들이 상기 진공 처리 장치를 이용하여 실시한 박막 형성 방법에 대해 설명한다.
본 발명자들은 ALD법에 의한 성막 방법에 대해, 예컨대 도 1에 도시한 바와 같은 흐름도에 따라서 실행하여 성막을 실시하고, 특히 그 성막 초기의 거동에 대해서 조사하였다. 이하, 도 1에 도시한 박막 형성 처리의 각 처리에 대해 설명한다.
(단계 100) 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(30) 내로 반입하여, 미리 소정 온도, 예컨대 450도로 가열한 서셉터(32)에 얹어 놓는다.
(단계 110) Ar 또는 N2의 불활성 가스를 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를, 예컨대 400 Pa로 유지하도록 배기하고 반도체 웨이퍼(W)에 서셉터(32)의 열이 전달되게 하여 승온한다.
(단계 120) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 130) WF6 가스에 약간의 Ar, N2를 혼합한 것을 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를 소정의 압력으로 유지하도록 배기하여, 예컨대 WF6을 분압 ×시간 = 470 Pa·sec가 되도록 공급한다.
(단계 140) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 150) NH3 가스에 약간의 Ar, N2를 혼합한 것을 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를 소정 압력으로 유지하도록 배기하여, 예컨대 웨이퍼(W) 상에 대략 균등하게 NH3을 470 Pa·sec가 되도록 공급한다.
(단계 160) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 170) (단계 130)부터 (단계 160)까지를 소정 횟수 반복한다.
상기 처리를 실시함으로써 성막되는 박막을 조사한 결과, ALD법으로 질화텅스텐막(W2N막)을 형성하는 경우에는, 도 2의 일점 쇄선 B로 나타낸 바와 같이 성막 초기의 10 사이클은 실질적으로 성막이 행해지지 않은 것, 즉 10 사이클에 해당하는 인큐베이션 타임(T)이 존재한다는 것을 알았다.
따라서, 본 발명자들은 이 인큐베이션 타임(T)을 줄이기 위한 전처리에 대해 여러 가지 검토를 거듭하여, 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 전처리를 실시함으로써, 도 2에 실선 A로 나타낸 바와 같이 이 인큐베이션 타임(T)을 0으로 하여 최초의 1 사이클째로부터 성막할 수 있다는 것을 발견하였다.
도 4는 본 발명에 따라서 개량한 박막 형성 방법의 흐름도이다. 본 발명에서는, 단계 110과 단계 120 사이의 단계 115에서 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 전처리를 실시하는 것을 특징으로 한다. 이하, 도 4에 도시한 박막 형성 처리의 각 처리에 대해 설명한다. 또한, 도 4에서는 먼저 설명한 도 1에 도시한 처리와 동일 처리에 대해서는 동일한 숫자를 부여하였다.
(단계 100) 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(30) 내에 반입하고, 미리 소정의 온도, 예컨대 450℃로 가열한 서셉터(32)에 얹어 놓는다.
(단계 110) Ar 또는 N2의 불활성 가스를 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를, 예컨대 400 Pa로 유지하도록 배기하고 반도체 웨이퍼(W)에 서셉터(32)의 열이 전달되게 하여 승온한다.
(단계 115) 약간의 Ar, N2를 혼합하여 이하의 분압으로 조정한 WF6 가스와 NH3 가스를 동시에 7.5 sec 공급하는 것으로 이루어지는 전처리를 실시한다. 이 처리 시간은, 이 유량 구성으로 W2N막이 1 nm 성막되는 시간에 해당한다. 또한, 이 때 WF6 가스의 분압은 0.2 Pa, NH3 가스의 분압은 102 Pa이다.
(단계 120) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 130) WF6 가스에 약간의 Ar, N2를 혼합한 것을 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를 소정의 압력으로 유지하도록 배기하고, 예컨대 WF6을 분압 ×시간 = 470 Pa·sec가 되도록 공급한다.
(단계 140) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 150) NH3 가스에 약간의 Ar, N2를 혼합한 것을 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를 소정 압력으로 유지하도록 배기하고, 예컨대 웨이퍼(W) 상에 대 략 균등하게 NH3을 470 Pa·sec가 되도록 공급한다.
(단계 160) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 170) (단계 130)부터 (단계 160)까지의 처리를 소정 횟수 반복한다.
여기서, 도 1에 도시한 흐름도에 따른 박막 형성 방법과, 도 4에 도시한 본 발명에 따른 박막 형성 방법을 비교하면서 설명한다.
도 4에 도시한 본 발명에 따른 박막 형성 방법에 따르지 않고, 도 1의 흐름도에 따라서 성막한 경우에는, (단계 130)부터 (단계 160)까지를 30 사이클 반복한 경우, 최초 10 사이클은 성막하지 않고 그 후의 20 사이클에서 1 사이클당 0.64 nm의 속도로 성막했기 때문에, 총 막 두께는 12.8 nm가 되었다.
한편, 본 발명에 따라서 도 4의 흐름도를 따라 성막한 경우에는, (단계 130)부터 (단계 160)까지를 마찬가지로 30 사이클 반복한 경우, 최초의 1 사이클로부터 성막했기 때문에, 총 막 두께가 20.1 nm로 되어 작업 처리량이 개선되었다.
그런데, 상기 실시예에 있어서는, ALD법에 의해 W2N막을 형성하는 경우 WF6 가스와 NH3 가스의 공급 사이에서 진공 배기를 행하는 예를 들었다. 그런데, 본 발명은 이 예에 한정되는 것이 아니라, 진공 배기를 행하는 대신에 WF6 가스 또는 NH3 가스를 소정 가스에 의해 압출하는, 이른바 퍼지 처리를 실시하여도 좋다. 구체적으로는, WF6 가스 또는 NH3 가스의 공급을 정지한 후, 예컨대 500 sccm 이상의 대유 량의 Ar, N2 등의 불활성 가스 또는 H2를 공급하여, 챔버(30) 내의 WF6 가스 또는 NH3 가스를 압출하는 것이다.
여기서, 퍼지 가스로서 H2를 이용하는 것은, 특히 W2N막을 산화시키고 싶지 않은 경우에 유효하다. 또한, 진공 배기, 퍼지, 진공 배기를 한 셋트로서 운용하더라도, 총 성막 시간이 길어지는 문제는 있기는 하지만 WF6 가스 또는 NH3 가스의 잔류를 제거하는 효과가 높아져서 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, ALD법으로 W2N막을 형성하는 조건으로서 웨이퍼 온도 370℃, 1 사이클의 WF6 가스 공급, NH3 가스 공급을 모두 470 Pa·sec로 하고, 1 사이클당 W2N막의 성막량이 약 0.6 내지 0.7 nm인 예를 들었다. 그러나, 본 발명자들은 이 W2N막의 형성 방법으로서 여러 가지를 검토한 결과, 도 5, 도 6에 도시한 바와 같은 이하의 관계를 발견하였다.
도 5는 1 사이클당 성막 두께의 웨이퍼 온도 의존성을 보여주고 있다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 온도 300℃ 내지 450℃의 범위에서는 1 사이클당 성막 두께가 웨이퍼 온도에 상관 없이 일정하다. 그런데, 웨이퍼 온도가 450℃를 넘으면, 1 사이클당 성막 두께가 감소하는 현상이 발생하였다. 이 1 사이클당 성막 두께가 웨이퍼 온도에 상관없이 일정한 영역은, 반응이 원료의 흡착을 율속 과정으로서 진행하고 있는 것을 보여주는 것이며, 제어성이 좋고 피복성이 우수한 W2N막을 얻을 수 있는 영역으로서 바람직하다.
또한, 도 6은 1 사이클당 성막 두께의 WF6 가스 또는 NH3 가스의 공급량 의존성을 보여주고 있으며, 웨이퍼 온도 370℃에서 실험한 예를 도시한 것이다. 이 도면으로부터, 가스 공급량이 200 Pa·sec 이상이며, 1 사이클당 성막 두께가 포화되어 있다는 것을 알 수 있다. 이 영역은 반응이 원료의 흡착을 율속 과정으로서 진행하고 있는 것을 보여주는 것이며, 제어성이 좋고 피복성이 우수한 W2N막을 얻을 수 있는 영역으로서 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서는 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 전처리(즉, 도 4의 단계 115의 처리)의 시간이 7.5 sec인 예를 들었다. 그러나, 이 전처리 시간은 이것에 한정되는 것이 아니다.
도 4의 단계 115에서 실시되는 이른바 전처리는, 대상 표면(웨이퍼의 표면)을 개질하여, 그 후의 ALD법에 의한 성막 시에 원료 가스를 흡착하기 쉽게 하는 효과가 있다. 즉, 비록 약간의 시간이라도, 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하여 생긴 혼합체가 대상 표면에 도달하면 개질의 효과가 있기 때문에, 처리 시간의 하한은 원료 가스의 혼합체가 대상 표면에 도달하는 데에 필요한 시간으로서 0.1 sec 이상으로 하였다.
한편, 전처리 시간이 2.0 nm의 성막에 해당하는 시간을 넘으면, 이 전처리에 의해 대상 표면(웨이퍼의 표면)에 막이 형성되어 버린다. 따라서, ALD법에 의해 형성되는 막은 전처리 시에 형성된 막 상에 형성되는 것이 된다.
이 전처리 시에 형성되는 막은 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급함으로써 형성되는 막이기 때문에, ALD법에 의해 형성되는 막과 비교하여 피복성, 평활성, 막 순도가 떨어진다. 따라서, 이 전처리 시에 형성되는 막은 그 상부에 형성되는 ALD법에 의해 형성되는 막에 영향을 주어, ALD법에 의해 형성되는 막도 피복성, 평활성, 막의 순도 등의 특성이 열화되어 버린다. 따라서, 전처리 시간이 2.0 nm의 성막에 해당하는 시간을 넘는 것은 바람직하지 못하다.
이에 반하여, 전처리 시간이 0.1 sec로부터 2.0 nm의 성막에 해당하는 시간 범위이면, ALD법에서의 원료 가스 흡착의 촉진 효과가 있으면서, 그 후에 ALD법에 의해 성막되는 막의 막질에 영향을 주지 않기 때문에 바람직하다.
또한, 2.0 nm 이하의 막은 매우 얇아, 예컨대 SEM(주사형 전자 현미경) 등의 수단을 사용하더라도 검출할 수 없는 경우가 있다. 그런데, 전처리에 의한 효과를 실현할 수 있는 막 두께는, 전술한 바와 같이 전처리를 실시하는 시간에 의해 관리할 수 있다. 따라서, 직접 전처리에 의해 형성되는 막 두께를 측정하지 않고, 단순히 전처리의 실시 시간을 관리하는 것만의 간단한 처리로 전술한 소정의 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 ALD법에 의한 성막에 있어서 WF6 가스와 NH3 가스를 교대로 공급하여 W2N막을 성막하는 예를 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 도 7의 흐름도에 도시한 바와 같이 WF6 가스, NH3 가스, SiH4 가스를 이 순서로 반복하여 공급하여도 좋다.
이 경우, WF6 가스와 SiH4 가스의 공급이 서로 가깝기 때문에 W나 WSix 등이 형성되어 W2N막 중에 이들이 포함되는 혼합막(WNx막)을 형성할 수 있다. W나 WSix는 W2N에 비해 비저항이 낮기 때문에, 각 가스의 공급량을 변화시키거나 공급 순서에 변화를 줌으로써 WNx막 중의 W2N 및 WSix의 양을 제어할 수 있다. 이에 따라, W2N 단독 막에 비해 비저항을 낮게 하거나, 막 중에 Si를 함유시키거나 하는 것이 가능해져, 임의의 특성을 갖은 박막의 형성이 가능해진다. 예컨대, WF6, SiH4, NH3, WF6, SiH4의 순서로 반복 공급하면, WNx막 중의 W2N 비율이 줄어들어 W와 WSix의 비율이 증가하기 때문에 비저항이 낮은 WNx막을 얻을 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 도 3에 도시한 진공 처리 장치를 사용하여 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하는 전처리를 실시하는 때에도, 그 후에 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급하여 성막하는 때(ALD법에 의한 성막 시)에도 샤워 헤드(20)를 통해서 각 가스를 공급하였다.
그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 도 8(도 3과 동일한 구성에 관해서는 동일 부호를 붙임)에 도시한 바와 같이, 전처리 시에는 샤워 헤드(20)를 통하여 가스를 공급하지만, ALD법에 의한 성막 시에는 샤워 헤드(20)를 통하지 않고 측면으로부터 각 가스를 챔버(30) 내로 유입시키는 구성으로 하여도 좋다.
구체적인 구성으로서, 각 가스 공급원(10A∼10C)에 접속된 가스 공급 배관을 배관(44A∼46A)과 배관(44B∼46B)으로 분기하여, 배관(44A∼46A)을 샤워 헤드(20)에 접속하는 동시에, 배관(44B∼46B)을 챔버(30)의 측면에 배치된 노즐(47∼49)과 접속한 구성으로 하였다. 또한, 배관(44A∼46A)에는 밸브 장치(44C∼46C)를 배치하고, 배관(44B∼46B)에는 밸브 장치(44D∼46D)를 배치함으로써 배관(44A∼46A) 및 배관(44B∼46B) 내를 흐르는 가스량을 제어할 수 있는 구성으로 하였다.
전처리 시에는 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하기 때문에, 웨이퍼(W)의 표면에 균일하게 공급하기 위해서는 샤워 헤드(20)가 필요하다. 따라서, 전처리 시에는 밸브 장치(44D∼46D)를 닫는 동시에 밸브 장치(44C∼46C)를 열어 원료 가스를 헤드(20)에 공급한다. 한편, ALD법에 의한 성막 시에는, 밸브 장치(44C∼46C)를 닫는 동시에 밸브 장치(44D∼46D)를 열어 원료 가스를 챔버(30)의 측면으로부터 공급한다.
ALD법에 의한 성막 시에는, 원료 가스의 흡착 과정이 성막의 율속으로 되기 때문에, 가스 공급에 노즐(47∼49)을 사용한 구성으로 해도 문제 없다. 가스 치환의 관점에서는, 컨덕턴스가 작은 샤워 헤드(20)보다 구조가 간단한 노즐(47∼49)이 유리한 경우도 있어 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서는, ALD법에 의한 성막에 있어서 WF6 가스와 NH3 가스를 교대로 공급하여 W2N막을 성막하는 예와, WF6 가스, NH3 가스, SiH4가스를 교대로 공급하여 WNx막을 성막하는 예를 주로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 다른 금속막이나 절연막의 성막에도 적용할 수 있음은 물론이다.
이하에서는 TiCl4 가스와 NH3를 교대로 공급하여 TiN을 성막하는 예에 대해 도 9를 참조하면서 설명한다.
(단계 300) 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(30) 내로 반입하고, 미리 소정의 온도, 예컨대 450℃로 가열한 서셉터(32)에 얹어 놓는다.
(단계 310) Ar 또는 N2를 샤워 헤드(20)로 공급하면서, 챔버(30)를, 예컨대 400 Pa로 유지하도록 배기하고 반도체 웨이퍼(W)에 서셉터(32)의 열이 전달되게 하여 승온한다.
(단계 315) 약간의 Ar, N2를 혼합하여 이하의 분압으로 조정한 TiCl4 가스와 NH3 가스를 동시에 10 sec 공급하는 것으로 이루어지는 전처리를 실시한다. 이 처리 시간은, 이 유량 구성으로 TiN막이 2 nm 성막되는 시간에 해당한다.
TiCl4 분압 = 23 Pa, NH3 분압 = 301 Pa
(단계 320) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 330) TiCl4 가스에 약간의 Ar, N2를 혼합한 것을 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를 소정의 압력으로 유지하도록 배기하여, 예컨대 TiCl4를 분압 ×시간 = 260 Pa·sec가 되도록 공급한다.
(단계 340) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 350) NH3 가스에 약간의 Ar，N2를 혼합한 것을 샤워 헤드(20)에 공급하면서, 챔버(30)를 소정 압력으로 유지하도록 배기하여, 예컨대 웨이퍼(W) 상에 대 략 균등하게 NH3를 665 Pa·sec가 되도록 공급한다.
(단계 360) 가스 공급을 정지하고, 챔버(30)를, 예컨대 20 Pa 이하까지의 진공이 되도록 배기한다.
(단계 370) (단계 330)부터 (단계 360)까지를 소정 횟수, 예컨대 100 사이클 반복한 경우, 총 막 두께로서 14 nm을 얻었다.
또한, 상기 실시예에 따르지 않고, 단계 315를 행하지 않은 경우에는, (단계 370) (단계 330)부터 (단계 360)까지의 반복에서 최초의 8 사이클은 성막이 나타나지 않고, 100 사이클 후의 막 두께로서 12.8 nm을 얻었다.
이상, 상기 실시예에서는, ALD법에 의해 TiN막을 형성하는 경우, TiCl4 가스와 NH3의 공급 사이에 진공 배기를 행하는 예를 들었지만, 이 예에 얽매이지 않고, 대신에 TiCl4 가스 또는 NH3 가스의 공급을 정지한 후, 예컨대 500 sccm 이상의 대유량의 Ar, N2 등의 불활성 가스 또는 H2를 공급하여, 챔버(30) 내의 TiCl4 가스 또는 NH3 가스를 압출하는 이른바 퍼지를 실시하여도 좋다. 여기서, H2는 특히 TiN막을 산화시키고 싶지 않은 경우에 유효하다. 또한, 진공 배기, 퍼지, 진공 배기를 한 셋트로서 운용하더라도, 총 성막 시간이 길어지는 문제는 있지만 TiCl4 가스 또는 NH3 가스의 잔류를 제거하는 효과가 높아져 좋다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 원료 가스를 교대로 공급함으로써 성막을 행하는 성막 방법(ALD법)의 실시 전에, 복수 종의 원료 가스를 동시에 공급하 는 전처리를 실시함으로써, 원료 가스를 교대로 공급하여 성막을 행하는 박막 형성 처리의 인큐베이션 타임을 짧게 할 수 있어, 작업 처리량이 높은 박막 형성을 행할 수 있다.
본 발명은, 구체적으로 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 청구된 본 발명의 범위로부터 일탈하지 않고, 여러 가지의 변형예나 실시예가 고려된다.
본 발명에 따르면, 작업 처리량을 증가시켜 종래에 비해 개량된 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (15)

  1. 복수 종의 원료 가스를 기판 상에서 반응시켜 그 기판 상에 박막을 형성하는 박막 형성 방법으로서,
    상기 복수 종의 원료 가스 중 적어도 둘 이상을 동시에 공급하는 공정과,
    상기 공정의 실시 후에, 상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급함으로써 박막을 형성하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급할 때, 반응하는 2 종류의 원료 가스의 공급 사이에, 진공 배기 또는 제3종 가스에 의한 치환을 행하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 원료 가스는 WF6 가스, NH3 가스, SiH4 가스인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 원료 가스는 WF6 가스, NH3 가스, SiH4 가스인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 복수 종의 원료 가스 중 적어도 둘 이상을 동시에 공급하는 시간의 하한은 0.1 sec이며, 그 상한은 그 가스 구성으로 2.0 nm의 두께의 성막이 행해지는 것과 동일한 시간인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복수 종의 원료 가스 중 적어도 둘 이상을 동시에 공급하는 시간의 하한은 0.1 sec이며, 그 상한은 그 가스 구성으로 2.0 nm의 두께의 성막이 행해지는 것과 동일한 시간인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  7. 복수 종의 원료 가스를 기판 상에서 반응시켜 그 기판 상에 박막을 형성하는 박막 형성 장치로서,
    상기 복수 종의 원료 가스 중 적어도 둘 이상을 동시에 공급하는 수단과,
    상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급하는 수단
    을 포함하며,
    상기 복수 종의 원료 가스 중 적어도 둘 이상을 동시에 공급하는 수단은 샤워 헤드이고, 상기 복수 종의 원료 가스를 한 종류씩 복수 회에 걸쳐 공급하는 수단은 상기 샤워 헤드를 통하지 않고 상기 복수 종의 원료 가스 각각에 대응하는 노즐인 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 원료 가스는 WF6 가스 및 NH3 가스인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 원료 가스는 TiCl4 가스 및 NH3 가스인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  10. 복수의 원료 가스를 반응시켜 기판 상에 박막을 형성하는 박막 형성 방법에 있어서,
    상기 박막의 성분을 갖는 제1 원료 가스와, 이 제1 원료 가스와 반응하는 제2 원료 가스를 동시에 공급하는 공정과,
    상기 동시 공급 공정의 실시 후에, 상기 박막의 성분을 갖는 제3 원료 가스와, 이 제3 원료 가스와 반응하는 제4 원료 가스를 교대로 복수 회에 걸쳐 공급함으로써 박막을 형성하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 원료 가스와 제3 원료 가스는 동일한 원료 가스인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2 원료 가스와 제4 원료 가스는 동일한 원료 가스인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  13. 박막 형성에 사용되는 ALD(Atomic Layer Deposition)법을 위한 기판의 전처리 방법에 있어서,
    미리 정해진 압력을 갖는 챔버 내로 상기 기판을 제공하는 공정과,
    상기 기판을 미리 정해진 온도로 가열하는 공정과,
    상기 기판 가열 단계 후에, 상기 박막의 성분을 갖는 제1 원료 가스와, 이 제1 원료 가스와 반응하는 제2 원료 가스를 동시에 공급하는 공정
    을 포함하며,
    상기 제1 원료 가스 및 제2 원료 가스의 동시 공급 공정 이전에는 상기 제1 원료 가스 및 상기 제2 원료 가스를 각각 개별적으로 공급하지 않는 것인 기판 전처리 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 원료 가스 및 상기 제2 원료 가스는 적어도 0.1 sec 동안 동시 공급되는 것인 기판 전처리 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1 원료 가스 및 상기 제2 원료 가스를 동시 공급하는 시간의 상한은 그 가스 구성으로 2.0 nm의 두께의 전처리막이 형성되는 것과 동일한 시간인 것인 기판 전처리 방법.
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