KR20060091006A - 플라즈마 ｃｖｄ를 이용한 성막 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판(W) 상에 소정 박막을 형성하는 성막 방법은 제 1 및 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시한다. 제 1 단계에서는 기판(W)을 수납하는 처리 챔버(51) 내에 박막의 성분을 포함하는 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 처리 챔버(51) 내에 제 1 플라즈마를 생성한다. 제 2 단계에서는 제 1 단계에 이어서, 처리 챔버(51) 내에 상기 환원 가스를 공급하면서, 처리 챔버(51) 내에 제 2 플라즈마를 생성한다.

Description

플라즈마 ＣＶＤ를 이용한 성막 방법 및 장치{FILM-FORMING METHOD AND APPARATUS USING PLASMA CVD}
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 Ti막의 성막 장치가 배치된 멀티챔버형의 성막 시스템을 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 2는 Ti/TiN막을 형성한 반도체 장치의 비아 홀 부분을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 성막 시스템에 배치된 프리클리닝 장치를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 성막 시스템에 배치된 본 발명의 실시형태에 따른 Ti막의 성막 장치를 나타내는 단면도이다.
도 5는 샤워 헤드의 온도 제어가 있는 경우와 없는 경우에 있어서의, 성막시의 서셉터 온도와 Ti막의 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 있어서의 가스 공급 및 고주파 전력 공급의 타이밍을 나타내는 타이밍 챠트이다.
도 7은 제 1 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 의한 효과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 있어서의 가스공급 및 고주파 전력 공급의 타이밍을 나타내는 타이밍 챠트이다.
도 9는 제 2 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 의한 효과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1에 도시한 성막 시스템에 배치된 TiN막의 성막 장치를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 TiN막의 성막 방법에 있어서의 가스 공급의 타이밍을 나타내는 타이밍 챠트이다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따라 Ti막/TiN막을 동일 장치로 형성하는 경우의 가스 공급 및 고주파 전력 공급의 타이밍을 나타내는 타이밍 챠트이다.
도 13은 실험에 있어서의 Ti막의 성막 조건을 나타내는 도면이다.
도 14는 실험에 있어서의 TiN막의 성막 조건을 나타내는 도면이다.
도 15는 SiO2 상에 Ti막을 형성한 경우의, 샤워 헤드의 온도와 Ti막의 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 Si 상에 Ti막을 형성한 경우의, 샤워 헤드의 온도와 Ti막의 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 소정 박막을 형성하는 성막 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 디바이스를 제조하는 반도체 처리에서 이용되는 기술에 관한 것이다. 여기에서, 반도체 처리란, 반도체 웨이퍼나 LCD(Liquid crysta1 display)나 FPD(Flat Panel Display)용 유리 기판 등의 피처리 기판상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정 패턴으로 형성함으로써 상기 피처리 기판상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.
반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 최근의 고밀도화 및 고집적화의 요청에 대응하여 회로 구성을 다층 배선 구조로 하는 경향이 있다. 이 때문에, 반도체 기판과 배선층과의 접속부인 콘택트 홀이나, 상하의 배선층 상호간의 접속부인 비아 홀 등의 층간의 전기적 접속을 위한 매립 기술이 중요해진다.
이러한 콘택트 홀이나 비아 홀에 매립되는 접속 플러그의 재료로서, 일반적으로 Al(알루미늄)이나 W(텅스텐), 또는 이들을 주체로 하는 합금이 사용된다. 이 경우, 금속이나 합금제의 접속 플러그와 베이스인 Si 기판이나 poly-Si층과의 사이에는 양호한 콘택트를 형성해야 한다. 이 때문에, 접속 플러그의 매립에 앞서 홀의 내면상에 Ti막을 형성하고, 추가로 배리어층으로서 TiN막을 형성하는 것이 수행되고 있다.
이러한 Ti막이나 TiN막의 성막 방법으로서, 종래에는 PVD(Physical Vapor Deposition), 전형적으로는 스퍼터링이 사용되어 왔다. 그러나, PVD로는 최근의 디바이스의 미세화 및 고집적화에 대응한, 고커버리지를 달성하기가 어렵다. 즉, 최근에는 디자인 룰이 엄격해지고, 또한 그에 따라 선폭이나 홀의 개구 직경이 한층 작아지고, 따라서 홀이 높은 애스팩트비를 갖도록 되어 있다.
이에, 이들 Ti막 및 TiN막을, 보다 양질의 막의 형성을 기대할 수 있는 화학적 증착(CVD)으로 형성하는 것이 수행된다. Ti계의 막을 CVD로 형성하는 경우, 반도체 웨이퍼를 서셉터(탑재대)에 의해 가열하는 한편, 성막 가스로서 TiCl4(사염화티탄)를 공급한다. Ti막을 형성하는 경우에는 TiCl4와 H2(수소)를 반응시킨다. TiN막을 형성하는 경우에는 TiCl4와 NH3(암모니아)를 반응시킨다.
이러한 TiCl4를 이용한 CVD 성막의 문제점으로서, 막 내에 염소가 잔류하여, 막의 비저항이 높아질 수 있다. 특히 최근 들어 저온에서의 성막이 지향되는데(예컨대, 후술하는 바와 같이, 베이스가 NiSi층인 경우), 처리 온도가 낮으면 막 내의 염소 농도가 보다 높은 것으로 된다.
이러한 잔류 염소의 문제에 대하여, 일본 특허 공개 공보 제99-172438호에는 TiN막을 형성할 때에, 다음 네 공정을 순차적으로 반복하는 기술이 개시되어 있다. (1) TiCl4 가스를 공급한다; (2) TiCl4 가스를 정지시키고 퍼지 가스를 공급하며, TiCl4 가스를 제거한다; (3) 퍼지 가스를 정지시키고 NH3 가스를 공급한다; (4) NH3 가스를 정지시키고 퍼지 가스를 공급하며, NH3을 제거한다. 이 기술에 따르면, 잔류 염소를 적게 할 수 있는 동시에, 보다 저온에서의 성막이 가능해진다.
이에 반해, Ti막의 경우에는 플라즈마 CVD로 형성되기 때문에, 이러한 교대적인 가스의 전환을 실시하면, 전송 임피던스에 적절한 정합 상태를 유지한 플라즈마를 유지하기 어려운 것으로 여겨지고 있다. 이 때문에, Ti막의 성막에는 잔류 염소의 문제를 해소하기 위해, 상술한 TiN막의 성막에 사용되는 바와 같은 방법은 사용되지 않는다. 그 대신, Ti막의 성막에서는 600℃ 이상의 비교적 고온에서 TiCl4와 H2를 동시에 흘려서 성막을 실시함으로써, 잔류 염소의 문제를 해소하고 있다.
최근 들어, 디바이스의 고속화의 관점에서, 콘택트의 베이스로서 Si 대신에 보다 콘택트 특성이 양호한 CoSi나 NiSi 등의 실리사이드가 사용되고 있다. 그 중에서도, NiSi는 미세한 디자인 룰(65nm 세대)로 만들어진 디바이스의 콘택트 베이스로서 주목되고 있다.
그러나 NiSi는 내열성이 낮아, 그 위에 CVD로 Ti막을 형성하는 경우에는 성막 온도를 450℃ 정도의 저온으로 할 필요가 있다. 이러한 저온에서는 기존의 방법으로 Ti막을 형성하기는 어려우며, 가령 성막할 수 있다고 해도 잔류 염소 농도가 높아 막질이 나쁜 막이 되어 버린다. 또한, 450℃ 정도의 저온에서 Ti막을 형성한 후, 그 위에 TiN막을 형성하면, 이들 막의 사이에 막 박리가 생긴다.
또한, Ti막의 형성시에는 미리 가스 토출 부재인 샤워 헤드에도 프리코팅으로서 Ti막을 형성한다. 저온 성막의 경우에는 웨이퍼를 탑재하는 서셉터의 가열 온도가 낮기 때문에, 서셉터에 대향하여 설치된 가스 토출용 샤워 헤드의 온도도 낮아져, 샤워 헤드에 대하여 안정한 Ti막을 형성할 수 없다. 이 때문에, Ti막이 벗겨져 Ti막의 막질이 저하된다.
본 발명의 목적은, 저온 성막이 가능하면서, 또한 저온 성막이더라도 막 내의 잔류물을 저감시킬 수 있는, 플라즈마 CVD를 이용한 성막 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, Ti막을 형성한 후, 그 위에 TiN막을 형성하는 경우에, Ti막이 저온 성막이더라도 이들 사이에 막 박리 등이 생기지 않는, 플라즈마 CVD를 이용한 성막 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 요약
본 발명의 제 1 시점은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 소정 박막을 형성하는 성막 방법으로서,
상기 기판을 수납하는 처리 챔버내에 상기 박막의 성분을 포함하는 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및
상기 제 1 단계에 이어서, 상기 처리 챔버내에 상기 환원 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계
를 구비하여, 상기 제 1 및 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시한다.
본 발명의 제 2 시점은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 Ti막을 형성하는 성막 방법으로서,
상기 기판을 수납하는 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및 상기 제 1 단계에 이어서, 상기 Ti 화합물 가스의 공급을 정지하는 동시에, 상기 처리 챔버내에 상기 환원 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 구비하되, 상기 제 1 및 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시한다.
본 발명의 제 3 시점은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 Ti막 또는 Ti/TiN막을 형성하는 성막 방법으로서,
상기 기판을 수납하는 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및 상기 제 1 단계에 이어서, 상기 Ti 화합물 가스의 공급을 정지하는 동시에, 상기 처리 챔버내에 상기 환원 가스와 N 및 H를 포함하는 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 구비하여, 상기 제 1 및 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시한다.
본 발명의 제 4 시점은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 Ti/TiN막을 형성하는 성막 방법으로서,
Ti막을 형성하는 제 1 스테이지 및 상기 제 1 스테이지 후에, TiN막을 형성하는 제 2 스테이지를 구비하되,
상기 제 1 스테이지가 상기 기판을 수납하는 제 1 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 상기 제 1 처리 챔버내에 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및 상기 제 1 단계에 이어서, 상기 Ti 화합물 가스의 공급을 정지하는 동시에, 상기 제 1 처리 챔버내에 상기 환원 가스를 공급하면서, 상기 제 1 처리 챔버내에 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 구비하되, 상기 제 1 및 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시하고,
상기 제 2 스테이지가 상기 기판을 수납하는 제 2 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 상기 제 2 처리 챔버내에 제 3 플라즈마를 생성하는 제 3 단계, 및 상기 제 3 단계에 이어서, 상기 Ti 화합물 가스의 공급을 정지하는 동시에, 상기 제 2 처리 챔버내에 상기 환원 가스와 N 및 H를 포함하는 가스를 공급하면서, 상기 제 2 처리 챔버내에 제 4 플라즈마를 생성하는 제 4 단계를 구비하되, 상기 제 3 및 제 4 단계를 교대로 1회 이상씩 실시한다.
본 발명의 제 5 시점은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 Ti/TiN막을 형성하는 성막 방법으로서,
Ti막을 형성하는 제 1 스테이지, 및 상기 제 1 스테이지 후에, 상기 기판을 수납하는 제 2 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 N 및 H를 포함하는 가스를 공급하여 상기 Ti막 상에 TiN막을 형성하는 제 2 스테이지를 포함하고,
상기 제 1 스테이지가 상기 기판을 수납하는 제 1 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 상기 제 1 처리 챔버내에 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및 상기 제 1 단계에 이어서, 상기 Ti 화합물 가스의 공급을 정지하 는 동시에, 상기 제 1 처리 챔버내에 상기 환원 가스를 공급하면서, 상기 제 1 처리 챔버내에 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 구비하되, 상기 제 1 및 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시한다.
본 발명의 제 6 시점은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 Ti/TiN막을 형성하는 성막 방법으로서,
Ti막을 형성하는 제 1 스테이지, 및 상기 제 1 스테이지 후에, 상기 기판을 수납하는 제 2 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 N 및 H를 포함하는 가스를 공급하여 상기 Ti막 상에 TiN막을 형성하는 제 2 스테이지를 포함하고,
상기 제 1 스테이지가 상기 기판을 수납하는 제 1 처리 챔버내에 Ti 화합물 가스와 환원 가스를 공급하면서, 상기 제 1 처리 챔버내에 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및 상기 제 1 단계에 이어서, 상기 Ti 화합물 가스의 공급을 정지하는 동시에, 상기 제 1 처리 챔버내에 상기 환원 가스와 N 및 H를 포함하는 가스를 공급하면서, 상기 제 1 처리 챔버내에 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 구비하되, 상기 제 1 및 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시한다.
본 발명의 제 7 시점은 플라즈마 CVD를 이용하여 피처리 기판상에 소정 박막을 형성하는 성막 장치로서,
피처리 기판을 수용하는 처리 챔버,
상기 처리 챔버내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대,
상기 처리 챔버내에 상기 박막의 성분을 포함하는 화합물 가스와 환원 가스를 공급하는 가스 공급계,
상기 처리 챔버내에 플라즈마를 생성하기 위한 한 쌍의 전극,
상기 한 쌍의 전극의 한쪽 이상에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원,
플라즈마 임피던스를 전송로 임피던스에 정합시키는 전자 정합식의 매칭 네트워크,
상기 화합물 가스 및 상기 환원 가스의 온/오프의 전환을 행하는 밸브군, 및
상기 고주파 전원 및 상기 밸브군을 제어함으로써, 상기 처리 챔버내에 상기 화합물 가스와 상기 환원 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및, 상기 제 1 단계에 이어서, 상기 처리 챔버내에 상기 환원 가스를 공급하면서, 상기 처리 챔버내에 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 교대로 1회 이상씩 실시하는 제어계
를 구비한다.
이하에 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명은 필요한 경우에만 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 Ti막의 성막 장치가 배치된 멀티챔버형의 성막 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성막 시스템(100)은 육각형을 이루는 웨이퍼 반송실(1)을 갖는다. 반송실(1)의 네 변에는 각각 소정의 처리 장치가 접속되는 접속 포트(1a, 1b, 1c, 1d)가 형성된다. 접속 포트(1a)에는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W) 상(베이스의 표면상)의 자연 산화막을 제거하는 프리클리닝 장치(2)가 접속 된다. 접속 포트(1b)에는 플라즈마 CVD에 의해 Ti막을 형성하는 Ti막의 성막 장치(3)가 접속된다. 접속 포트(1c)에는 열 CVD로 TiN막을 형성하는 TiN막의 성막 장치(4)가 접속된다. 접속 포트(1d)에는 처리 장치가 접속되지 않지만, 필요에 따라 적절한 처리 장치(5)가 접속 가능하게 된다.
반송실(1)의 다른 두 변에는 각각 로드락실(6, 7)이 설치된다. 이들 로드락실(6, 7)을 통해 웨이퍼 I/O(인/아웃)실(8)이 반송실(1)에 접속된다. 로드락실(6, 7)과 반대측에서, I/O실(8)에는 웨이퍼(W)를 수용할 수 있는 3개의 풉(FOUP)(F)을 부착하는 포트(9, 10, 11)가 형성되어 있다.
프리클리닝 장치(2), Ti막의 성막 장치(3), TiN막의 성막 장치(4) 및 로드락실(6, 7)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 게이트 벨브(G)를 통해 반송실(1)에 접속된다. 이들은 각 게이트 벨브(G)를 개방함으로써 반송실(1)과 연통되고, 각 게이트 벨브(G)를 닫음으로써 반송실(1)로부터 차단된다. 로드락실(6, 7)의 I/O실(8)에 접속되는 부분에도 게이트 벨브(G)가 설치된다. 로드락실(6, 7)은 게이트 벨브(G)를 개방함으로써 I/O실(8)에 연통되고, 이들을 닫음으로써 I/O실(8)로부터 차단된다.
반송실(1) 내에는 프리클리닝 장치(2), Ti막의 성막 장치(3), TiN막의 성막 장치(4), 및 로드락실(6, 7)에 대하여 웨이퍼(W)의 반입출을 실시하는 웨이퍼 반송 장치(12)가 설치된다. 반송 장치(12)는 반송실(1)의 대략 중앙에 설치되며, 회전 및 신축 가능한 2개의 아암부(13) 선단의 각각에 웨이퍼(W)를 유지하는 핸드(14a, 14b)를 갖는다. 2개의 핸드(14a, 14b)는 서로 반대 방향을 향하도록 아암부(13)에 부착된다. 또한, 반송실(1) 내부는 소정의 진공도로 유지된다.
I/O실(8)의 천정부에는 HEPA 필터(도시하지 않음)가 설치되어, HEPA 필터를 통과한 청정한 공기가 I/O실(8) 내에 다운 플로우 상태로 공급된다. 웨이퍼(W)의 반입출은 대기압의 청정 공기 분위기에서 실시된다. 풉(F)을 부착하기 위한 I/O실(8)의 3개의 포트(9, 10, 11)에는 각각 셔터(도시하지 않음)가 설치된다. 이들 포트(9, 10, 11)에 웨이퍼(W)를 수용했거나, 또는 비어 있는 풉이 직접 부착되고, 이 때, 셔터가 떨어져서 외부공기의 침입을 방지하면서 풉(F)과 I/O실(8)의 연통이 확립된다. 또한, I/O실(8)의 측면에는 웨이퍼(W)의 얼라이먼트를 실시하기 위한 얼라이먼트 챔버(15)가 설치된다.
I/O실(8) 내에는 풉(F) 및 로드락실(6, 7)에 대하여 웨이퍼(W)의 반입출을 하는 웨이퍼 반송 장치(16)가 설치된다. 반송 장치(16)는 핸드(17)를 선단에 갖는 다관절 아암 구조를 갖는다. 반송 장치(16)는 풉(F)의 배열 방향을 따라 레일(18) 상을 주행할 수 있고, 그 선단의 핸드(17) 상에 웨이퍼(W)를 탑재하여 반송한다.
반송 장치(12, 16)의 동작 등, 시스템 전체의 제어는 제어부(19)에 의해 이루어진다.
이러한 성막 시스템(100)에 있어서는, 우선, I/O실(8) 내의 반송 장치(16)에 의해, 어느 하나의 풉(F)에서 웨이퍼(W)를 한 장 꺼낸다. 이 때, I/O실(8) 내는 대기압의 청정 공기 분위기로 유지된다. 다음으로 웨이퍼(W)를 얼라이먼트 챔버(15)에 반입하여, 웨이퍼(W)의 위치 조정을 한다. 다음으로 웨이퍼(W)를 로드락실(6, 7)의 어느 하나에 반입한다. 이 로드락실 내를 진공 흡인한 후, 반송실(1) 내의 반송 장치(12)에 의해 로드락실 내의 웨이퍼를 꺼낸다.
다음으로 웨이퍼(W)를 프리클리닝 장치(2)에 반입하여 베이스 표면의 자연 산화막을 제거한다. 다음으로 웨이퍼(W)를 Ti막의 성막 장치(3)에 반입하여 Ti막의 성막을 실시한다. 다음으로 Ti막의 성막 후의 웨이퍼(W)를 계속해서 TiN막의 성막 장치(4)에 반입하여 TiN막의 성막을 실시한다. 즉, 성막 시스템(100)에서는 자연 산화막 제거, Ti막의 성막, TiN막의 성막을, 진공을 깨지 않고(웨이퍼(W)를 진공 분위기 내에서 꺼내지 않은채) 실시한다.
성막 후, 웨이퍼(W)를 반송 장치(12)에 의해 로드락실(6, 7) 중 어느 하나에 반입한다. 이 로드락실 내를 대기압으로 되돌린 후, I/O실(8) 내의 반송 장치(16)에 의해 로드락실 내의 웨이퍼(W)를 꺼내어, 풉(F)의 어느 하나에 수용되도록 한다. 이러한 동작을 1 로트의 웨이퍼(W)에 대하여 실시하여, 1 로트의 처리가 종료된다.
도 2는 이러한 성막 처리에 의해 Ti/TiN막을 형성한 반도체 장치의 비아 홀부분을 나타내는 단면도이다.
도 2에 있어서, 기판 도전층(20)(베이스)의 표면에는 NiSi층(20a)이 형성된다. 도전층(20) 상에는 층간 절연막(21)이 설치되고, 여기에 도전층(20)에 도달하는 비아 홀(22)이 형성된다. 비아 홀(22)의 내면상에는 콘택트층으로서의 Ti막(23) 및 배리어층으로서의 TiN막(24)이 형성된다. 도 2에 도시된 구조에 대해서는 추가로 다른 장치에 의해, Al이나 W의 성막을 실시하고, 콘택트 홀(22)의 매립(접속 플러그의 형성) 및 배선층의 형성을 실시한다.
상술한 바와 같이, 베이스가 NiSi층인 경우, NiSi는 내열성이 낮기 때문에 성막 온도를 낮게 할 필요가 있다. 그러나, 성막 온도가 낮으면, 막 내의 잔류 염소 농도가 높아 막질이 나빠지거나, 또는 Ti막과 TiN막 사이에 막 박리가 생기는 등의 문제가 발생한다. 이에 반해, 후술하는 본 발명의 실시형태에 따른 성막 방법에 의하면, 낮은 성막 온도에서도 이러한 문제를 해소할 수 있다. 또한, 베이스가 NiSi 이외의 층, 예컨대 poly-Si층, CoSi와 같은 다른 금속 실리사이드층, 캐패시터 절연막, Low-k막, Al막 위에 성막을 하는 경우라도, 후술하는 본 발명의 실시형태에 따른 성막 방법에 의하면, Ti막 및 /또는 TiN막의 막질의 향상을 도모할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 성막 시스템(100)에 배치된 프리클리닝 장치(2)를 나타내는 단면도이다.
프리클리닝 장치(2)는 유도 결합 플라즈마(ICP) 방식의 장치로 이루어진다. 장치(2)는 베이스가 되는 poly-Si나 실리사이드의 자연 산화막을 제거하기 위해 사용된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 장치(2)는 대략 원통형의 챔버(31)와, 챔버(31)의 상방에 챔버(31)에 연속하여 설치된 대략 원통형의 벨자(32)를 갖는다. 챔버(31) 내에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위해 예컨대 AlN 등의 세라믹으로 이루어진 서셉터(33)가 설치된다. 서셉터(33)는 원통형의 지지 부재(34)에 지지된다.
서셉터(33)의 바깥 테두리부에는 웨이퍼(W)를 클램프하는 클램프 링(35)이 설치된다. 서셉터(33) 내에는 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터(36)가 매설된다. 히터(36)는 전원(39)으로부터 급전됨으로써 웨이퍼(W)를 소정 온도로 가열한다. 또한, 서셉터(33) 내에는, 예컨대, 몰리브덴선 등을 메쉬 형상으로 짜 넣어 이루어진 전극(45)이 매설된다. 전극(45)에는 바이어스를 인가하기 위한 고주파 전원(46)이 접속된다.
벨자(32)는, 예컨대, 석영, 세라믹 재료 등의 전기 절연 재료로 형성된다. 벨자(32)의 주위에는 안테나 부재로서의 코일(37)이 감겨진다. 코일(37)에는 고주파 전원(38)이 접속된다. 고주파 전원(38)은 300 kHz 내지 60 MHz, 바람직하게는 450 kHz의 주파수를 갖는다. 고주파 전원(38)으로부터 코일(37)에 고주파 전력을 공급함으로써 벨자(32) 내에 유도 전자계가 형성된다.
가스 공급 기구(40)는 처리 가스를 챔버(31) 내에 도입하기 위해 사용된다. 가스 공급 기구(40)는 소정 가스의 가스 공급원, 및 각 가스 공급원으로부터의 배관, 개폐 밸브, 및 유량 제어를 위한 매스 플로우 컨트롤러(모두 도시하지 않음)를 갖는다. 챔버(31)의 측벽에는 가스 도입 노즐(42)이 설치된다. 가스 공급 기구(40)로부터 연장되는 배관(41)이 가스 도입 노즐(42)에 접속되어, 소정 가스가 가스 도입 노즐(42)을 통해 챔버(31) 내에 도입된다. 또한, 각 배관의 밸브 및 매스 플로우 컨트롤러는 컨트롤러(도시하지 않음)에 의해 제어된다.
처리 가스로서는, Ar, Ne, He가 예시되며, 각각 단일체로 이용할 수 있다. 또한, Ar, Ne, He 중 어느 하나와 H2, 및 Ar, Ne, He 중 어느 하나와 NF3가 병용될 수 있다. 이들 중에서는 Ar 단독, Ar＋H2가 바람직하다.
챔버(31)의 저벽에는 배기관(43)이 접속된다. 배기관(43)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(44)가 접속된다. 배기 장치(44)를 작동시킴으로써, 챔버(31) 및 벨자(32) 내부가 소정의 진공도까지 감압된다. 챔버(31)의 측벽은 게이트 벨브(G)를 통해 반송실(1)과 접속된다.
이와 같이 구성되는 프리클리닝 장치(2)에 있어서는, 게이트 벨브(G)를 개방으로 하여, 챔버(31) 내에 웨이퍼(W)를 반입한다. 웨이퍼(W)를 서셉터(33) 상에 탑재하여 클램프 링(35)에 의해 클램프한다. 다음으로 게이트 벨브(G)를 닫고, 배기 장치(44)에 의해 챔버(31) 및 벨자(32) 내부를 배기하여 소정의 감압 상태로 한다. 계속해서, 가스 공급 기구(40)로부터 가스 도입 노즐(42)을 통해 챔버(31) 내에 소정 가스, 예컨대 Ar 가스, 또는 Ar 가스 및 H2 가스를 도입한다. 이와 동시에, 고주파 전원(38)으로부터 코일(37)에 고주파 전력을 공급하여 벨자(32) 내에 유도 전자계를 형성함으로써 유도 결합 플라즈마를 생성한다. 한편, 서셉터(33)에는 고주파 전원(46)으로부터 고주파 전력을 공급하고, 웨이퍼(W)에 이온을 끌어 넣는다.
이렇게 해서 유도 결합 플라즈마를 웨이퍼(W)에 작용시켜서 베이스의 도전성층의 표면에 형성된 자연 산화막을 제거한다. 이 경우에 유도 결합 플라즈마는 고밀도이기 때문에, 낮은 에너지로 베이스에 손상을 주지 않고 자연 산화막을 효율적으로 제거할 수 있다. 베이스에 손상을 주지 않는 낮은 에너지의 플라즈마원으로서, 리모트 플라즈마 기구, 마이크로파 플라즈마 기구를 사용할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 성막 시스템(100)에 배치된 본 발명의 실시형태에 따른 Ti막의 성막 장치(3)를 나타내는 단면도이다.
Ti막의 성막 장치(3)는 기밀하게 구성된 대략 원통형의 챔버(51)를 갖는다. 챔버(51) 내에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위해 서셉터(52)가 설치된다. 서셉터(52)는 그 중앙 하부에 설치된 원통형의 지지 부재(53)에 의해 지지된다. 서셉터(52)는 AlN 등의 세라믹으로 이루어지며, 그 바깥 테두리부에는 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 가이드 링(54)이 설치된다. 서셉터(52)내에는 히터(55)가 매립된다. 히터(55)는 전원(56)으로부터 급전됨으로써 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 소정 온도로 가열한다. 서셉터(52) 내에는 하부 전극으로서 기능하는 전극(58)이 히터(55) 위에 매설된다.
챔버(51)의 상벽(51a)에는 절연 부재(59)를 통해 샤워 헤드(60)가 설치된다. 샤워 헤드(60)는 상단 블록체(60a), 중단 블록체(60b), 하단 블록체(60c)로 구성된다. 하단 블록체(60c)의 외주 근방에는 링 형상을 이루는 히터(96)가 매설된다. 히터(96)는 전원(97)으로부터 급전됨으로써 샤워 헤드(60)를 소정 온도로 가열한다.
하단 블록체(60c)에는 가스를 토출하는 토출 구멍(67)과 (68)이 교대로 형성된다. 상단 블록체(60a)의 표면에는, 제 1 가스 도입구(61)와, 제 2 가스 도입구(62)가 형성된다. 상단 블록체(60a) 내에서는 제 1 가스 도입구(61)로부터 다수의 가스 통로(63)가 분기된다. 중단 블록체(60b)에는 가스 통로(65)가 형성된다. 가스 통로(63)는 수평으로 연장되는 연통로(63a)를 통해 이들 가스 통로(65)에 연 통한다. 가스 통로(65)는 하단 블록체(60c)의 토출 구멍(67)에 연통한다.
상단 블록체(60a) 내에서는 제 2 가스 도입구(62)로부터 다수의 가스 통로(64)가 분기된다. 중단 블록체(60b)에는 가스 통로(66)가 형성되고, 가스 통로(64)가 이들 가스 통로(66)에 연통한다. 가스 통로(66)는 중단 블록체(60b) 내에 수평으로 연장되는 연통로(66a)에 접속된다. 연통로(66a)는 하단 블록체(60c)의 다수의 토출 구멍(68)에 연통한다. 제 1 및 제 2 가스 도입구(61, 62)는 각각 후술하는 가스 공급 기구(70)의 가스 라인(78, 80)에 접속된다.
가스 공급 기구(70)는 ClF3 가스 공급원(71), TiCl4 가스 공급원(72), 제 1 Ar 가스 공급원(73), H2 가스 공급원(74), NH3 가스 공급원(75), 및 제 2 Ar 가스 공급원(76)을 갖는다. 가스 공급원(71)은 가스 공급 라인(77)을 통해 클리닝 가스인 ClF3 가스를 공급한다. 가스 공급원(72)은 가스 공급 라인(78)을 통해 Ti 함유 가스인 TiCl4 가스를 공급한다. 가스 공급원(73)은 가스 공급 라인(79)을 통해 Ar 가스를 공급한다. 가스 공급원(74)은 가스 공급 라인(80)을 통해 환원 가스인 H2 가스를 공급한다. 가스 공급원(75)은 가스 공급 라인(80a)을 통해 질화 가스인 NH3 가스를 공급한다. 가스 공급원(76)은 가스 공급 라인(80b)을 통해 Ar 가스를 공급한다. 가스 공급 기구(70)는 N2 가스 공급원(도시하지 않음)도 갖는다. 각 가스 공급 라인에는 매스 플로우 콘트롤러(82) 및 이를 협지한 2개의 밸브(81)가 설치된다.
제 1 가스 도입구(61)에는 가스 공급원(72)으로부터 연장되는 TiCl4 가스 공급 라인(78)이 접속된다. TiCl4 가스 공급 라인(78)에는 가스 공급원(71)으로부터 연장되는 ClF3 가스 공급 라인(77) 및 가스 공급원(73)으로부터 연장되는 제 1 Ar 가스 공급 라인(79)이 접속된다. 제 2 가스 도입구(62)에는 가스 공급원(74)으로부터 연장되는 H2 가스 공급 라인(80)이 접속된다. H2 가스 공급 라인(80)에는 가스 공급원(75)으로부터 연장되는 NH3 가스 공급 라인(80a) 및 가스 공급원(76)으로부터 연장되는 제 2 Ar 가스 공급 라인(80b)이 접속된다.
따라서, 프로세스시에는 가스 공급원(72)으로부터의 TiCl4 가스가, 가스 공급원(73)으로부터의 Ar 가스와 함께 TiCl4 가스 공급 라인(78)에 도입된다. 이 혼합 가스는 샤워 헤드(60)의 제 1 가스 도입구(61)로부터 샤워 헤드(60)내에 이르고, 가스 통로(63, 65)를 지나 토출 구멍(67)으로부터 챔버(51) 내로 토출된다. 한편, 가스 공급원(74)으로부터의 환원 가스인 H2 가스가, 가스 공급원(76)으로부터의 Ar 가스와 함께 H2 가스 공급 라인(80)에 도입된다. 이 혼합 가스는 샤워 헤드(60)의 제 2 가스 도입구(62)로부터 샤워 헤드(60) 내에 이르고, 가스 통로(64, 66)를 지나 토출 구멍(68)으로부터 챔버(51) 내로 토출된다.
즉, 샤워 헤드(60)는 TiCl4 가스와 H2 가스가 완전히 독립적으로 챔버(51) 내에 공급되는 포스트 믹스 타입을 이룬다. TiCl4 가스와 H2 가스는 토출 후에 혼합 되어 반응이 생긴다. 또한, 질화 처리를 하는 경우에는 가스 공급원(75)으로부터의 NH3 가스를, 환원 가스인 H2 가스의 가스 라인(80)에 H2 가스 및 Ar 가스와 동시에 흘린다. 이 혼합 가스는 제 2 가스 도입구(62)로부터 샤워 헤드(60)내에 도입되고, 토출구(68)로부터 토출된다. 각 가스의 밸브(81) 및 매스 플로우 컨트롤러(82)는 컨트롤러(98)에 의해 제어되며, 후술하는 바와 같은 교대적인 가스 공급을 행한다.
샤워 헤드(60)에는 전송로(83)가 접속된다. 전송로(83)에는 전자 정합식 매칭 네트워크(100)를 통해 고주파 전원(84)이 접속된다. 성막시에 고주파 전원(84)으로부터 전송로(83)를 통해 샤워 헤드(60)에 고주파 전력이 공급된다. 고주파 전원(84)으로부터 고주파 전력을 공급함으로써 샤워 헤드(60) 및 전극(58) 사이에 고주파 전계가 생긴다. 이에 따라, 챔버(51) 내에 공급된 가스를 플라즈마화하여 Ti막을 형성한다. 전송로(83)에는 컨트롤러(106)가 접속된다. 컨트롤러(106)는 전송로(83)를 통해 챔버(51) 내에서 생성된 플라즈마로부터의 반사파를 검출하여, 플라즈마로부터의 반사파가 0 내지 최소가 되도록 전자 정합식 매칭 네트워크(100)를 제어한다. 고주파 전원(84)으로서는, 주파수가 400 kHz 내지 13.56 MKz인 것이 사용된다.
전자 정합식 매칭 네트워크(100)는 통상의 매칭 네트워크와 마찬가지로, 콘덴서(101)와 2개의 코일(102, 104)을 갖는다. 2개의 코일(102, 104)은 각각 유도 코일(103) 및 (105)로부터의 자계를 전기적으로 변화시킴으로서 리액턴스가 가변된 다. 즉, 전자 정합식 매칭 네트워크(100)에는 통상의 매칭 네트워크와 같이 기계적인 가동부는 존재하지 않는다. 따라서, 플라즈마로의 추종이 매우 빨라, 0.5 sec 정도로 보통의 매칭 네트워크의 1/10 정도의 시간으로 정상 상태로 할 수 있다. 이 때문에, 후술하는 바와 같은 플라즈마를 형성하면서 교대적인 가스 공급을 실시하는 경우에 적합하다.
챔버(51)의 저벽(51b)의 중앙부에는 원형의 구멍(85)이 형성된다. 저벽(51b)에는 구멍(85)을 덮도록 하방을 향해 돌출하는 배기실(86)이 설치된다. 배기실(86)의 측면에는 배기관(87)이 접속되며, 배기관(87)에는 배기 장치(88)가 접속된다. 배기 장치(88)를 작동시킴으로써 챔버(51) 내를 소정 진공도까지 감압하는 것이 가능해진다.
서셉터(52)에는 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(89)이 설치된다. 지지 핀(89)은 지지판(90)에 고정되면서 서셉터(52)의 표면에 대하여 돌출 함몰 가능해진다. 지지 핀(89)은 에어 실린더 등의 구동 기구(91)에 의해 지지판(90)을 통해 승강된다. 챔버(51)의 측벽에는 반송실(1)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 반입출을 하기 위한 반입출구(92)와, 반입출구(92)를 개폐하는 게이트 벨브(G)가 설치된다.
다음으로 이와 같은 장치를 이용한 Ti막의 성막 방법에 대하여 설명한다.
우선, 챔버(51) 내를 배기하여 압력을 667 Pa로 한다. 히터(55)에 의해 서셉터(52)를 350 내지 700℃로 가열한다. 히터(96)에 의해 샤워 헤드(60)를 450℃ 이상의 온도, 예컨대 470 내지 490℃ 정도로 가열한다.
이 상태에서, 가스 공급원(72, 73)으로부터 제 1 가스 도입구(61)로 TiCl4 가스 및 Ar 가스를 공급하고, 가스 토출 구멍(67)으로부터 토출한다. 또한, 가스 공급원(74, 76)으로부터 제 2 가스 도입구(62)로 H2 가스 및 Ar 가스를 공급하고, 가스 토출 구멍(68)으로부터 토출한다. 이와 함께, 고주파 전원(84)으로부터 샤워 헤드(60)에 고주파 전력을 인가한다. 이에 따라, 챔버(51) 내에 이들 가스의 플라즈마가 형성되고, 챔버(51)의 내벽 및 샤워 헤드(60) 등의 챔버내 부재에 Ti막이 프리코팅된다.
이 때의 가스 유량은 TiCl4 가스: 0.001 내지 0.03 L/min(1 내지 30 sccm), H2 가스: 0.5 내지 5 L/min(500 내지 5000 sccm), Ar 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm) 정도이다. 챔버(51) 내의 압력은 66.6 내지 1333 Pa 정도, 바람직하게는 133.3 내지 666.5 Pa 정도이다. 또한, 고주파 전원(84)의 파워는 200 내지 2000W 정도, 바람직하게는 500 내지 1500W 정도이다.
다음으로 서셉터(52) 및 샤워 헤드(60)의 온도는 그대로 유지한 상태에서, 게이트 벨브(G)를 개방으로 한다. 그리고, 진공 상태의 반송실(1)로부터 반송 장치(12)의 핸드(14a) 또는 (14b)에 의해, 반입출구(92)를 통해 웨이퍼(W)를 챔버(51) 내로 반입하고, 서셉터(52)로부터 돌출한 지지 핀(89) 위에 탑재한다. 핸드(14a) 또는 (14b)를 반송실(1)로 되돌려, 게이트 벨브(G)를 닫고, 지지 핀(89)을 하강시켜 서셉터(52) 상에 웨이퍼(W)를 탑재한다.
이 상태에서, 웨이퍼(W)에 대한 Ti막의 성막을 개시한다. 이 점에 관하여, 종래 기술에서는 샤워 헤드(60)에 히터가 존재하지 않아, 샤워 헤드(60)는 서셉터(52)에 의해 간접적으로 가열된다. 이 경우, 샤워 헤드(60)에 프리코팅한 Ti막이 벗겨지지 않는 450℃ 이상을 확보하기 위해서는 서셉터(52)의 온도를 550℃ 이상 정도로 할 필요가 있다. 이 조건은 베이스가 Si나 CoSi층인 경우에는 문제가 없다. 그러나, 베이스가 NiSi층인 경우에는 성막 온도가 450 내지 500℃ 정도로 제한되기 때문에, 종래의 CVD-Ti막의 성막 조건을 적용할 수 없다. 또한, Ti막의 성막을 Low-k막, 나아가 Al막 위에 실시하는 것도 생각할 수 있지만, 이 경우에도 역시 성막 온도 500℃ 이하가 필요하다.
이에 반해, 본 발명의 실시형태에 따른 Ti막의 성막 장치(3)에 있어서는 히터(96)에 의해 샤워 헤드(60)를 가열한다. 이 때문에, 서셉터(52)의 온도에 상관없이 샤워 헤드(60)를 막 박리가 생기지 않는 440℃ 이상으로 할 수 있다. 따라서, 베이스가 NiSi나 Low-k막 등의 500℃ 보다 낮은 저온 성막이 필요한 재료이더라도 샤워 헤드(60) 상에서 막 박리를 발생시키지 않고 Ti막을 형성하는 것이 가능하다. 이 때문에, 비저항이 낮고 막질이 좋은 Ti막을 형성할 수 있다.
도 5는 샤워 헤드(60)의 온도 제어가 있는 경우와 없는 경우에 있어서의, 성막시의 서셉터 온도와 Ti막의 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 실험에 있어서, 샤워 헤드(60)의 온도 제어는 샤워 헤드(60) 내의 히터(96)의 가열에 의해 450℃ 이상으로 했다. 또한, Ti막을 형성하는 베이스로서 SiO2막을 사용했다. 도 5에 도시한 바와 같이, 히터(96)에 의해 샤워 헤드(60)의 온도를 450℃ 이상으 로 제어함으로써 비저항이 낮은 양질인 Ti막이 형성되는 것이 확인되었다.
도 15는 SiO2 상에 Ti막을 형성한 경우의, 샤워 헤드(60)의 온도와 Ti막의 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 16은 Si 상에 Ti막을 형성한 경우의, 샤워 헤드(60)의 온도와 Ti막의 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 15 및 도 16에 있어서, 왼쪽 세로축은 비저항치의 평균치 RsAve(ohm)를 나타내고, 오른쪽 세로축은 비저항치의 면내 균일성 RSUni(%: 1σ)을 나타낸다. 이 실험에 있어서, 서셉터(52)의 온도는 600℃로 하였다. 샤워 헤드(60)의 표면 온도는 3개의 다른 온도 416.6℃, 464.3℃, 474.9℃로 변화시켰다. 도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이, 샤워 헤드(60)의 온도를 440℃ 이상, 바람직하게는 460℃ 이상으로 제어함으로써 비저항이 낮으면서 면내 균일성이 높은 Ti막이 형성되는 것이 확인되었다.
실제의 Ti막의 성막은 상기한 바와 같이 웨이퍼(W)를 서셉터(52)에 탑재한 후, 이하에 설명하는 제 1 및 제 2 실시형태에 의해 실시한다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 있어서의 가스공급 및 고주파 전력 공급의 타이밍을 나타내는 타이밍 챠트이다.
여기에서는, 히터(55) 및 히터(96)를 프리코팅시와 동일한 조건으로 유지한다. 이 상태에서, 도 6의 타이밍 챠트에 나타낸 바와 같이, 처음에 고주파 전원(84)으로부터 샤워 헤드(60)에 고주파 전력을 인가한다. 이와 동시에, 가스 공급원(72, 73, 74, 76)으로부터 TiCl4 가스, Ar 가스, H2 가스, Ar 가스를 각각 공급 한다. 이에 따라, 이들 가스의 플라즈마(제 1 플라즈마)를 생성하여, 이를 1 내지 20초, 바람직하게는 2 내지 10초간 유지하는 제 1 단계를 수행한다.
다음으로 TiCl4 가스만을 정지시키고, 고주파 전력 및 Ar 가스, H2 가스를 그대로 한다. 이에 따라, Ar 가스, H2 가스의 플라즈마(제 2 플라즈마)에 의한 환원 처리인 제 2 단계를 2 내지 60초, 바람직하게는 5 내지 40초간 수행한다. 제 2 플라즈마 처리는 제 1 플라즈마 처리보다 긴 처리 시간으로 하는 것이 바람직하다.
이들 제 1 및 제 2 단계를 교대로 여러번, 바람직하게는 3회 이상, 예컨대 12 내지 24회 정도 반복한다. 이 때의 가스의 전환은 컨트롤러(98)에 의해 밸브를 전환함으로써 수행한다. 이 때, 컨트롤러(106)로부터의 지령에 따라, 전자 정합식 매칭 네트워크(100)가 자동적으로 또한 플라즈마의 변화에 따라 플라즈마 임피던스를 전송로 임피던스에 정합시킨다. 이 때문에, 가스의 전환에 의해 플라즈마의 상태가 변화되더라도 양호한 플라즈마 상태가 유지된다.
이렇게 하여 소정 두께의 Ti막이 성막된다. 이 때의 가스 유량은 TiCl4 가스: 0.001 내지 0.03 L/min(1 내지 30 sccm), H2 가스: 0.5 내지 5 L/min(500 내지 5000 sccm), Ar 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm) 정도이다. 챔버(51)내의 압력은 66.6 내지 1333 Pa 정도, 바람직하게는 133.3 내지 666.5 Pa 정도이다. 또한, 고주파 전원(84)의 파워는 200 내지 2000W 정도, 바람직하게는 500 내지 1500 W 정도이다.
이와 같이, TiCl4 가스＋Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 성막을 하는 제 1 단계, 및 Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 환원을 하는 제 2 단계를 비교적 단시간에 교대로 여러번 실시한다. 이에 따라, 하기 반응식(1) 및 (2)에 따라 TiCl4를 환원하는 환원 작용이 높아져, Ti막 중의 잔류 염소 농도를 적게 할 수 있다. 또한, 제 1 단계에서는 반응식(1) 및 (2)가 발생하고, 제 2 단계에서는 반응식(2)만이 발생한다.
Figure 112006052523883-PAT00001
Figure 112006052523883-PAT00002
특히, 웨이퍼 온도 450℃ 이하의 저온시에 Ti막 중으로의 염소의 잔류가 많아지는 경향이 있다. 그러나, 그와 같은 저온이더라도 제 1 실시형태의 순서를 이용함으로써, 잔류 염소 농도를 낮게 하여, 비저항이 낮은 양호한 막질을 얻을 수 있다.
다음으로 고주파 전력 및 가스의 공급을 정지하여 Ti막의 성막이 종료한 후, 질화 처리를 한다. 이 질화 처리에서는 도 6에 도시한 바와 같이, 고주파 전원(84)으로부터 샤워 헤드(60)에 고주파 전력을 인가한다. 이와 동시에, 가스 공급원(73, 74, 75, 76)으로부터 Ar 가스, H2 가스, NH3 가스, Ar 가스를 각각 공급한 다. 이에 따라, 이들 가스의 플라즈마에 의해 Ti막 표면을 질화시킨다.
이 처리 시간은 30 내지 60초간 정도이다. 이 때의 가스 유량은 H2 가스: 0.5 내지 5 L/min(500 내지 5000 sccm), Ar 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm) 정도, NH3 가스: 0.5 내지 2.0 L/min(500 내지 2000 sccm) 정도이다. 챔버(51) 내의 압력은 66.6 내지 1333 Pa 정도, 바람직하게는 133.3 내지 666.5 Pa 정도이다. 또한, 고주파 전원(84)의 파워는 200 내지 2000W 정도, 바람직하게는 500 내지 1500W 정도이다.
이러한 질화 처리를 함으로써, Ti막의 산화 등에 의한 열화를 방지한다. 또한, 다음에 성막되는 TiN막과의 밀착성을 양호하게 한다. 단, 이 질화 처리는 필수적인 것은 아니다.
도 7은 제 1 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 의한 효과를 나타내는 그래프이다. 이 실험에 있어서, 제 1 실시형태에 따라 Ti막을 형성한 경우와, 종래 방법으로 Ti막을 형성한 경우를 비교하였다. 여기에서는, 양쪽 모두 서셉터 온도를 500℃로 하고, Si 위에 두께 10nm의 Ti막을 형성하여, 비저항을 측정하였다. 제 1 실시형태의 샘플에서는 제 1 단계를 4초, 제 2 단계를 4초 실시하는 사이클을 16회 반복하여 Ti막으로 하였다. 그 결과, 도 7에 도시한 바와 같이, 종래 방법으로 형성한 Ti막의 경우에는 잔류 염소의 영향으로 비저항이 280μΩ·cm로 높았지만, 제 1 실시형태에서 형성한 Ti막은 225μΩ·cm로 비저항이 저하되었다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 있어서의 가스 공급 및 고주파 전력 공급의 타이밍을 나타내는 타이밍 챠트이다.
여기에서는, 히터(55) 및 히터(96)를 프리코팅시와 동일한 조건으로 유지한다. 이 상태에서, 도 8의 타이밍 챠트에 나타낸 바와 같이, 처음에 고주파 전원(84)으로부터 샤워 헤드(60)에 고주파 전력을 인가한다. 이와 동시에, 가스 공급원(72, 73, 74, 76)으로부터 TiCl4 가스, Ar 가스, H2 가스, Ar 가스를 각각 공급한다. 이에 따라, 이들 가스의 플라즈마(제 1 플라즈마)를 생성하고, 이를 1 내지 20초, 바람직하게는 4 내지 8초간 유지하는 제 1 단계를 수행한다.
다음으로 Ar가스, H2 가스를 그대로 유지하고, TiCl4 가스를 정지시키는 동시에 고주파 전력을 정지한다. 다음으로 가스 공급원(75)으로부터의 NH3 가스의 공급을 개시하면서, 또한 고주파 전력의 공급을 재개한다. 이에 따라, Ar 가스, H2 가스, NH3 가스의 플라즈마(제 2 플라즈마)에 의한 환원 및 질화 처리인 제 2 단계를 1 내지 20초, 바람직하게는 4 내지 8초간 실시한다. 바람직하게는, 제 2 단계는 제 1 단계보다도 긴 처리 시간에 걸쳐 실시한다.
이들 제 1 및 제 2 단계를 교대로 여러번, 바람직하게는 3회 이상, 예컨대 12 내지 24회 정도 반복한다. 이 때의 가스의 전환은 컨트롤러(98)에 의해 밸브를 전환함으로써 수행한다. 이 때, 컨트롤러(106)로부터의 지령에 따라, 전자 정합식 매칭 네트워크(100)가 자동적으로, 또한 플라즈마의 변화에 따라 플라즈마 임피던스를 전송로 임피던스에 정합시킨다. 이 때문에, 가스의 전환에 의해 플라즈마의 상태가 변화되더라도 양호한 플라즈마 상태가 유지된다.
이렇게 해서 소정 두께의 Ti막이 성막된다. 이 때의 가스 유량은 TiCl4 가스: 0.001 내지 0.03 L/min(1 내지 30 sccm), H2 가스: 0.5 내지 5 L/min(500 내지 5000 sccm), NH3 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm), Ar 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm) 정도이다. 챔버(51) 내의 압력은 66.6 내지 1333 Pa 정도, 바람직하게는 133.3 내지 666.5 Pa 정도이다. 또한, 고주파 전원(84)의 파워는 200 내지 2000W 정도, 바람직하게는 500 내지 1500W 정도이다.
이와 같이, TiCl4 가스＋Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 성막을 하는 제 1 단계, 및, NH3 가스＋Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 환원 및 질화를 하는 제 2 단계를 비교적 단시간에 교대로 여러번 실시한다. 이에 따라, 상술한 반응식에 따라 TiCl4를 환원하는 환원 작용이 높아져, Ti막 중의 잔류 염소 농도를 적게 할 수 있다. 또한, Ti막의 질화를 효과적으로 실시하여 Ti막의 밀착성 및 배리어성을 향상시키는 동시에 염소 등의 잔류물을 저감할 수 있어, 비저항이 낮은 양질의 Ti막을 얻을 수 있다. 특히, 웨이퍼 온도 450℃ 이하의 저온시에 Ti막 내에 염소의 잔류가 많아지는 경향이 있다. 그러나 그와 같은 저온이더라도 제 2 실시형태의 순서를 이용함으로써, 잔류 염소 농도를 낮게 하여, 비저항이 낮은 양호한 막질을 얻을 수 있다.
또한, 제 2 실시형태에서는 제 2 단계에 있어서의 NH3 가스의 양 및 제 2 단 계의 시간을 제어함으로써 Ti/TiN막을 형성할 수도 있다. 즉, NH3 가스의 공급량이 적거나, 또는 제 2 단계 시간이 짧은 경우에는 질화는 보조적이며, 형성된 막은 Ti막으로서 기능한다. 한편, NH3 가스의 공급량이 많거나, 또는 제 2 단계 시간이 긴 경우에는 충분한 양의 TiN막을 형성할 수 있어, Ti막과 TiN막이 교대로 적층된 적층막으로 할 수 있다. 이러한 적층막은 Ti/TiN막으로서 기능시킬 수 있어, 1 종류의 장치로 Ti/TiN막을 형성할 수 있게 된다.
도 9는 제 2 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 의한 효과를 나타내는 그래프이다. 이 실험에 있어서, 제 2 실시형태에 따라 Ti막을 형성한 경우와, 종래 방법으로 Ti막을 형성한 경우를 비교하였다. 여기에서는, 양쪽 모두 서셉터 온도를 500℃로 하고, Si 위에 두께 10nm의 Ti막을 형성하여 비저항을 측정하였다. 제 2 실시형태의 샘플에서는 제 1 단계를 4초, 제 2 단계를 4초 실시하는 사이클을 16회 반복하여 Ti막으로 하였다. 그 결과, 도 9에 도시한 바와 같이, 종래 방법으로 형성한 Ti막의 경우에는 잔류 염소의 영향으로 비저항이 280μΩ·cm로 높았지만, 제 2 실시형태에서 형성한 Ti막은 130μΩ·cm로 비저항이 현저히 저하되었다. 이 경우에는, 제 2 단계에 의해 Ti막이 질화되어 TiN막이 약간 형성되는 것으로 생각된다. 따라서, 제 2 실시형태에 기초한 샘플의 비저항은 TiN막이 형성됨에 따른 저하분도 다소 포함하는 것으로 생각된다.
도 10은 도 1에 도시한 성막 시스템(100)에 배치된 TiN막의 성막 장치(4)를 나타내는 단면도이다. TiN막의 성막 장치(4)는 플라즈마 생성 수단 및 샤워 헤드 를 가열하는 수단을 구비하지 않고 또한 가스 공급 기구의 가스계가 다소 다른 것 이외에는 거의 Ti막의 성막 장치(3)와 동일한 구성을 갖는다. 이 때문에, 가스 공급 기구 이외에는 도 4와 동일 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
가스 공급 기구(110)는 ClF3 가스 공급원(111), TiCl4 가스 공급원(112), 제 1 N2 가스 공급원(113), NH3 가스 공급원(114), 및 제 2 N2 가스 공급원(115)을 갖는다. 가스 공급원(111)은 가스 공급 라인(116)을 통해 클리닝 가스인 ClF3 가스를 공급한다. 가스 공급원(112)은 가스 공급 라인(117)을 통해 Ti 함유 가스인 TiCl4 가스를 공급한다. 가스 공급원(113)은 가스 공급 라인(118)을 통해 N2 가스를 공급한다. 가스 공급원(114)은 가스 공급 라인(119)을 통해 질화 가스인 NH3 가스를 공급한다. 가스 공급원(115)은 가스 공급 라인(120)을 통해 N2 가스를 공급한다. 가스 공급 기구(110)는 Ar 가스 공급원(도시하지 않음)도 갖는다. 각 가스 공급 라인에는 매스 플로우 컨트롤러(122) 및 이를 협지하여 2개의 밸브(121)가 설치된다.
샤워 헤드(60)의 제 1 가스 도입구(61)에는 가스 공급원(112)으로부터 연장되는 TiCl4 가스 공급 라인(117)이 접속된다. TiCl4 가스 공급 라인(117)에는 가스 공급원(111)으로부터 연장되는 ClF3 가스 공급 라인(116) 및 가스 공급원(113)으로부터 연장되는 제 1 N2 가스 공급 라인(118)이 접속된다. 제 2 가스 도입구(62)에는 가스 공급원(114)으로부터 연장되는 NH3 가스 공급 라인(119)이 접속된다. NH3 가스 공급 라인(119)에는 가스 공급원(115)으로부터 연장되는 제 2 N2 가스 공급 라인(120)이 접속된다.
따라서, 프로세스시에는 가스 공급원(112)으로부터의 TiCl4 가스가, 가스 공급원(113)으로부터의 N2 가스와 함께 TiCl4 가스 공급 라인(117)에 도입된다. 이 혼합 가스는 샤워 헤드(60)의 제 1 가스 도입구(61)로부터 샤워 헤드(60)내에 이르고, 가스 통로(63, 65)를 지나서 토출 구멍(67)으로부터 챔버(51) 내로 토출된다. 한편, 가스 공급원(114)으로부터의 질화 가스인 NH3 가스가, 가스 공급원(115)으로부터의 N2 가스와 함께 NH3 가스 공급 라인(119)에 도입된다. 이 혼합 가스는 샤워 헤드(60)의 제 2 가스 도입구(62)로부터 샤워 헤드(60) 내에 이르고, 가스 통로(64, 66)를 지나 토출 구멍(68)으로부터 챔버(51) 내에 토출된다.
즉, 샤워 헤드(60)는 TiCl4 가스와 NH3 가스가 완전히 독립적으로 챔버(51) 내에 공급되는 포스트 믹스 타입을 이룬다. TiCl4 가스와 NH3 가스는 토출 후에 혼합되어 반응이 생긴다. 각 가스의 밸브(121) 및 매스 플로우 컨트롤러(122)는 컨트롤러(123)에 의해 제어된다.
다음으로 이러한 장치를 이용한 TiN막의 성막 방법에 대하여 설명한다.
우선, 챔버(51) 내를 배기 장치(88)에 의해 완전 흡인 상태로 한다. 이 상태에서, 가스 공급원(113) 및 (115)으로부터 N2 가스를, 샤워 헤드(60)를 통해 챔버(51)내에 도입하면서, 히터(55)에 의해 서셉터(52) 및 챔버(51) 내를 승온 가열 한다. 온도가 안정한 시점에서, 가스 공급원(113, 114, 112)으로부터 각각 N2 가스, NH3 가스 및 TiCl4 가스를, 샤워 헤드(60)를 통해 소정 유량으로 도입하여, 챔버내 압력을 소정치로 유지하면서 TiCl4 가스를 배기하여 유량을 안정시키는 프리플로우를 수행한다. 그리고, 가스 유량 및 압력을 동일하게 유지한 채로, 히터(55)에 의한 가열에 의해, 서셉터(52) 표면, 챔버(51) 내벽, 및 샤워 헤드(60) 등의 챔버내 부재 표면에 TiN막을 프리코팅한다.
다음으로 NH3 가스 및 TiCl4 가스를 정지하여 프리코팅 처리를 종료한다. 계속해서, 가스 공급원(113) 및 (115)으로부터 N2 가스를 퍼지 가스로서 챔버(51) 내에 공급하여 챔버(51) 내의 퍼지를 실시한다. 그 후, 필요에 따라 N2 가스 및 NH3 가스를 흘리고, 형성된 TiN 박막의 표면의 나이트라이드 처리를 실시하여 막 내의 염소를 제거하여 안정한 TiN막으로 한다.
다음으로 배기 장치(88)에 의해 챔버(51) 내를 급격히 진공 배기하여 완전 흡인한 상태에서, 게이트 벨브(G)를 개방으로 한다. 그리고, 진공 상태의 반송실(1)로부터 반송 장치(12)에 의해 반입출구(92)를 통해 웨이퍼(W)를 챔버(51) 내로 반입한다. 그리고, 챔버(51) 내에 N2 가스를 공급하여 웨이퍼(W)를 가열한다. 웨이퍼의 온도가 거의 안정된 시점에서 TiN막의 성막을 개시한다.
TiN막의 성막은 이하에 설명하는 제 3 및 제 4 실시형태에 의해 실시한다.
제 3 실시형태에 있어서는, 우선, N2 가스, NH3 가스를, 샤워 헤드(60)를 통 해 소정 유량으로 도입하여, 챔버내 압력을 소정치로 유지하면서 TiCl4 가스의 프리플로우를 실시한다. 다음으로 가스 유량 및 챔버(51) 내의 압력을 동일하게 유지한 채로 TiCl4 가스를 챔버에 도입한다. 이 때, 웨이퍼(W)는 히터(55)에 의해 가열되므로, 열 CVD에 의해 웨이퍼(W)의 Ti막 상에 TiN막이 성막된다.
이와 같이 하여, 소정 시간, N2 가스, NH3 가스, TiCl4 가스를 흘림으로써 소정 두께의 Ti막이 성막된다. 이 때의 가스 유량은 TiCl4 가스: 0.01 내지 0.10 L/min(10 내지 100 sccm), N2 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm), NH3 가스: 0.03 내지 2 L/min(30 내지 2000 sccm) 정도이다. 챔버(51) 내의 압력은 40 내지 1333 Pa 정도, 바람직하게는 200 내지 1333 Pa 정도이다. 웨이퍼(W)의 가열 온도는 400 내지 700℃ 정도, 바람직하게는 500℃ 정도이다.
다음으로 NH3 가스 및 TiCl4 가스를 정지하여 성막 공정을 종료한다. 계속해서, 퍼지 가스 라인(도시하지 않음)으로부터 N2 가스를 퍼지 가스로서 바람직하게는 각각 0.5 내지 10 L/min의 유량으로 흘려서 챔버(51) 내의 퍼지를 실시한다. 그 후, N2 가스 및 NH3 가스를 흘리고, 웨이퍼(W)에 형성한 TiN 박막의 표면의 나이트라이드 처리를 실시한다. 이 때의 N2 가스의 공급은 제 1 및 제 2 N2 가스 공급원(113) 및 (115) 중 어느 하나, 또는 양쪽으로부터 이루어진다. 또한, 이 나이트라이드 처리는 필수적인 것은 아니다. 소정 시간 경과한 후, N2 가스 및 NH3 가스 를 서서히 정지한다. 이들 가스의 공급이 완전히 정지된 시점에서 성막 공정을 종료한다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 TiN막의 성막 방법에 있어서의 가스 공급의 타이밍을 나타내는 타이밍 챠트이다.
여기에서는, 웨이퍼(W)의 온도를, 히터(55)에 의해 상기와 마찬가지로 400 내지 700℃ 정도로 유지한다. 이 상태에서, 도 11의 타이밍 챠트에 도시한 바와 같이, 처음에 가스 공급원(112, 114)으로부터의 TiCl4 가스, NH3 가스를, 가스 공급원(113, 115)으로부터의 N2 가스에 캐리어시켜 챔버(51) 내에 공급한다. 이에 따라, 열 CVD에 의해 TiN막을 형성하는 제 1 단계를 2 내지 8초간 실시한다.
다음으로 TiCl4 가스, NH3 가스를 정지시키고, 퍼지 가스 라인(도시하지 않음)으로부터 퍼지 가스로서 N2 가스를 챔버(51) 내에 도입하고, 챔버(51) 내의 퍼지를 0.5 내지 20초간 실시한다. 그 후, 가스 공급원(114)으로부터의 NH3 가스를, 가스 공급원(115)으로부터의 N2 가스에 캐리어시켜 챔버(51) 내에 공급하여 어닐링을 실시하는 제 2 단계를 0.5 내지 8초간 실시한다. 다음으로 NH3 가스를 정지시키고, 퍼지 가스 라인(도시하지 않음)으로부터 퍼지 가스로서 N2 가스를 챔버(51) 내에 도입하고, 챔버(51) 내의 퍼지를 0.5 내지 20초간 수행한다.
이상의 공정을 1 사이클로 하여 복수 사이클, 바람직하게는 3 사이클 이상, 예컨대 12 내지 24회 정도 반복한다. 이 때의 가스의 전환은 컨트롤러(123)에 의 해 밸브를 전환함으로써 실시한다.
이와 같이 교대적인 가스 플로우를 실시함으로써 제 1 단계에서 성막된 TiN막이 제 2 단계의 어닐링에 의해 효율적으로 탈염소화된다(TiCl4가 환원 질화됨으로써). 이 때문에, 막 내의 잔류 염소를 현저히 낮출 수 있고, 저온 성막이더라도 잔류 염소가 적은 양질의 TiN막을 형성할 수 있다.
상기 두 TiN막의 성막 방법 모두 상술한 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태에 나타낸 교대적인 가스 플로우를 이용한 공정으로 성막되는 베이스의 Ti막에 대하여 적용할 수 있다. 이 때문에, Ti막과 TiN막 사이의 막 박리가 거의 발생하지 않는 상태로 할 수 있고, Ti/TiN막 전체의 막질도 종래보다 양호한 것이 된다. 또한, Ti막을 종래의 가스 플로우이면서 또한 저온으로 형성한 경우에는 TiN막을 어느 방법으로 형성하더라도 Ti막과 TiN막 사이의 막 박리가 빈발한다.
실험에 의해, 도 1에 도시한 성막 시스템을 이용하여, 프리클리닝, Ti막의 형성, 및 TiN막의 형성을, 동일반응계에서 실시하여 제조한 샘플에 대하여 막 박리의 유무를 조사하였다. 이 때의 샘플로서, Ti막을 상기 제 1 및 제 2 실시형태의 방법으로 형성하고, 그 위에 TiN막을 각각 상기 제 3 및 제 4 실시형태의 방법으로 형성한 것을 사용하였다. 도 13은 본 실험에 있어서의 Ti막의 성막 조건을 나타내는 도면이다. 도 14는 이 실험에 있어서의 TiN막의 성막 조건을 나타내는 도면이다. 또한, 비교를 위해, 종래의 성막 조건(도 13에 병기)으로 형성한 Ti막 상에 TiN막을 형성한 샘플에 대해서도 막 박리의 유무를 조사하였다. 막 박리는 육안 관찰 및 변색(막 박리가 발생한 부분은 백탁 등으로 변색되었음)에 의해 파악하였다.
그 결과, Ti막의 형성을 상기 제 1 및 제 2 실시형태에 따른 조건으로 실시한 것은 어떠한 방법으로 TiN막을 형성하더라도 육안에 의한 막 박리 및 변색이 전혀 보이지 않아, 막 박리가 전혀 발생하지 않은 것이 확인되었다. 이에 반해, Ti막을 종래의 방법으로 형성한 경우에는, 어떤 방법으로 TiN막을 형성하더라도 막 박리 및 변색이 확인되었다. 또한, Ti막의 형성을 상기 제 1 및 제 2 실시형태에 따른 조건에서 실시한 Ti/TiN막 샘플은 종래의 것보다 전기 저항이 낮고, 막질이 양호한 것이 확인되었다.
다음으로 TiN막의 성막 장치(4)를 이용하지 않고, Ti막의 성막 장치(3)만으로 Ti/TiN막을 형성하는 방법에 대하여 도 4를 참조하면서 설명한다.
여기에서는, 히터(55) 및 히터(96)를 프리코팅시와 동일한 조건으로 유지한다. 이 상태에서, 도 12의 타이밍 챠트에 도시한 바와 같이, 처음에 고주파 전원(84)으로부터 샤워 헤드(60)에 고주파 전력을 인가한다. 이와 동시에, 가스 공급원(72, 73, 74, 76)으로부터 TiCl4 가스, Ar 가스, H2 가스, Ar 가스를 각각 공급한다. 이에 따라, 이들 가스의 플라즈마(제 1 플라즈마)를 생성하고, 이를 1 내지 20초, 바람직하게는 2 내지 10초간 유지하는 제 1 단계를 수행한다.
다음으로 TiCl4 가스만을 정지하고, 고주파 전력 및 Ar 가스, H2 가스를 그대로 한다. 이에 따라, Ar 가스, H2 가스의 플라즈마(제 2 플라즈마)에 의한 환원 처리인 제 2 단계를 2 내지 60초, 바람직하게는 5 내지 40초간 실시한다. 바람직하게는, 제 2 플라즈마 처리는 제 1 플라즈마 처리보다 긴 처리 시간에 걸쳐 실시한다.
이들 제 1 및 제 2 단계를 교대로 여러번, 바람직하게는 3회 이상, 예컨대 12 내지 24회 정도 반복하여 우선 Ti막을 형성한다. 이 때의 가스 유량은 TiCl4 가스: 0.001 내지 0.03 L/min(1 내지 30 sccm), H2 가스: 0.5 내지 5 L/min(500 내지 5000 sccm), Ar 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm) 정도이다. 챔버(51) 내의 압력은 66.6 내지 1333 Pa 정도, 바람직하게는 133.3 내지 666.5 Pa 정도이다. 또한, 고주파 전원(84)의 파워는 200 내지 2000W 정도, 바람직하게는 500 내지 1500W 정도이다.
고주파 전력 및 가스의 공급을 정지하여 Ti막의 성막이 종료된 후, 계속해서 TiN막의 성막을 수행한다. 이 TiN막의 성막에서는 히터(55)에 의해 서셉터(52)를 450 내지 550℃로 가열한다. 또한, 히터(96)에 의해 샤워 헤드(60)를 440℃ 이상의 온도, 예컨대 460℃ 정도로 가열한다.
다음으로 도 12에 도시한 바와 같이, 처음에 고주파 전원(84)으로부터 샤워 헤드(60)에 고주파 전력을 인가한다. 이와 동시에, 가스 공급원(72, 73, 74, 76)으로부터 TiCl4 가스, Ar 가스, H2 가스, Ar 가스를 각각 공급한다. 이에 따라, 이들 가스의 플라즈마(제 3 플라즈마)를 생성하고, 이를 2 내지 20초, 바람직하게는 4 내지 12초간 유지하는 제 3 단계를 수행한다.
다음으로 Ar 가스, H2 가스를 그대로 유지하고, TiCl4 가스를 정지하는 동시에 고주파 전력을 정지한다. 다음으로 NH3 가스 공급원(75)으로부터의 NH3 가스의 공급을 개시하면서, 또한 고주파 전력의 공급을 재개한다. 이에 따라, Ar 가스, H2 가스, NH3 가스의 플라즈마(제 4 플라즈마)에 의한 환원 및 질화 처리인 제 4 단계를 2 내지 30초, 바람직하게는 4 내지 20초간 실시한다.
이들 제 3 단계 및 제 4 단계를 교대로 여러번, 바람직하게는 3회 이상, 예컨대 12 내지 24회 정도 반복하여 Ti막 위에 TiN막을 형성한다. 이 때의 가스 유량은 TiCl4 가스: 0.005 내지 0.05 L/min(5 내지 50 sccm), H2 가스: 0.5 내지 5 L/min(500 내지 5000 sccm), NH3 가스: 0.3 내지 2.0 L/min(300 내지 2000 sccm), Ar 가스: 0.3 내지 3.0 L/min(300 내지 3000 sccm) 정도이다. 챔버(51) 내의 압력은 40 내지 1333 Pa 정도, 바람직하게는 66.6 내지 666.5 Pa 정도이다. 또한, 고주파 전원(84)의 파워는 200 내지 2000W 정도, 바람직하게는 500 내지 1500W 정도이다.
이 때의 가스의 전환은 컨트롤러(98)에 의해 밸브를 전환함으로써 실시한다. 이 때, 컨트롤러(106)로부터의 지령에 따라, 전자 정합식 매칭 네트워크(100)가 자동적으로 또한 플라즈마의 변화에 따라 플라즈마 임피던스를 전송로 임피던스에 정합시킨다. 이 때문에, 가스의 전환에 의해 플라즈마의 상태가 변화되더라도 양호한 플라즈마 상태가 유지된다.
이와 같이, TiCl4 가스＋Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 성막하는 제 1 단계, 및 Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 환원을 수행하는 제 2 단계를 비교적 단시간에 교대로 여러번 실시하여 Ti막을 형성한다. 계속해서, TiCl4 가스＋Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 성막을 수행하는 제 3 단계, 및 NH3 가스＋Ar 가스＋H2 가스＋플라즈마에 의해 환원 및 질화를 수행하는 제 4 단계를 비교적 단시간에 교대로 여러번 실시하여 TiN막을 형성한다. 이에 따라, Ti 화합물을 환원하는 환원 작용이 높아지면서 효과적으로 질화할 수 있다. 이 때문에, Ti막 중의 잔류 염소 농도를 적게 할 수 있다. 특히, 웨이퍼 온도 450℃ 이하의 저온시에 Ti막이나 TiN막 내에 염소의 잔류가 많아지는 경향이 있다. 그러나 이와 같은 저온이더라도 이 실시형태의 시퀀스를 이용함으로써, 잔류 염소 농도를 낮게 하여, 비저항이 낮은 양호한 막질의 Ti/TiN 적층 구조를 얻을 수 있다.
또한, 종래에는 2 종류의 성막 장치가 필요했던 Ti/TiN 적층 구조를 하나의 성막 장치로 연속적으로 형성할 수 있기 때문에 매우 효율적이다.
제 3 단계 및 제 4 단계에서, 양호한 TiN막을 얻기 위해서는, 제 3 단계에서 형성한 Ti막을 제 4 단계에서 확실히 질화할 필요가 있다. 그 때문에 NH3 가스 유량 및 제 4 단계의 시간을 조정하는 것이 바람직하다. 특히, 제 4 단계 시간을 제 3 단계 시간 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 14를 참조하여 설명한 상기 각 실시형태에 있어서, 제 1 및 제 2 단계의 반복, 또는 제 3 및 제 4 단계의 반복에 의해, Ti막, Ti/TiN막의 형성은 피처리 기판의 온도를 300 내지 700℃, 특히 450℃ 이하로 설정하여 실시할 수 있다. 탑재대 및 가스 토출 부재를 서로 독립적으로 가열 가능하게 하고, 가스 토출 부재를 가열하여 그 온도를 항상 450℃ 이상으로 제어함으로써 피처리 기판의 온도에 상관없이 가스 토출 부재의 막 박리를 방지할 수 있다. 이는 탑재대를 가열하여 피처리 기판의 온도를 300 내지 550℃로 저온으로 제어하는 경우에 효과가 크다. 또한, 제 1 내지 제 4 단계 모두에 있어서, 처리 챔버내에 Ar, He, Xe 등의 비활성 기체를 도입할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않고 다양하게 변형가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는 Ti막을 형성하는 경우에 대하여 나타내었지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고, 플라즈마 CVD로 성막되는 다른 막에 대해서도 유효하다. 또한, 성막 가스는 TiCl4에 한정되지 않고, TiF4, TiI4, TaCl4 등의 다른 금속 할로겐 화합물이나, Ti, Ta의 금속 유기 화합물 등, 기타 화합물을 이용할 수 있다. 환원 가스도 H2에 한정되는 것은 아니다. N과 H를 포함하는 가스도 NH3 가스에 한정되지 않고, N2와 H2와의 혼합 가스, MMH 같은 하이드라진계 가스 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에서는 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예시하고 있다. 그러나, 피처리 기판으로서는, LCD나 FPD용의 유리 기판도 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저온 성막이 가능하고, 또한 저온 성막이더라도 막 내의 잔류물을 저감시킬 수 있는, 플라즈마 CVD를 이용한 성막 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

Claims (27)

  1. 플라즈마 CVD에 의해 피처리 기판상에 Ti 박막을 형성하는 성막 방법에 있어서,
    TiCl4 가스 및 H2 가스인 처리 가스를 도입하면서 제 1 플라즈마를 생성시켜, 기판상에 Ti 박막을 형성하는 제 1 단계, 및
    상기 Ti 박막상에 H2 가스인 처리 가스를 도입하면서 제 2 플라즈마를 생성시키고, 이 제 2 플라즈마에 의해 상기 Ti 박막을 처리하는 제 2 단계
    를 교대로 복수회 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 적어도 1회 이상 반복한 후, 상기 H2 가스 및 NH3 가스를 도입하면서 제 3 플라즈마를 생성시키고, 질화 처리를 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계 후, 퍼지 가스를 도입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 적어도 1회 이상 반복한 후, NH3 가스와 N2 가스 및 H2 가스 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 도입하면서 제 3 플라즈마를 생성시키고, 질화 처리를 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 시간을 상기 제 1 단계의 시간보다 길게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서, 상기 처리 가스로 Ar 가스를 포함하고, 상기 TiCl4 가스의 유량을 1~30sccm, H2 가스의 유량을 500~5000sccm, 상기 Ar 가스의 유량을 300~3000sccm으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서, 상기 처리 가스로 Ar 가스를 포함하고, 상기 H2 가스의 유량을 500~5000sccm, 상기 Ar 가스의 유량을 300~3000sccm으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 플라즈마가 Ar 가스를 포함하고, 상기 NH3 가스의 유량을 500~2000sccm, 상기 H2 가스의 유량을 500~5000sccm, 상기 Ar 가스의 유량을 300~3000sccm으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Ti 박막의 형성 압력을 66.6~1333Pa로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마가 고주파 전력에 의해 생성되고, 이 고주파 전력이 200~2000W인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계의 시간이 1~20초인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 처리 챔버내에서 피처리 기판에 CVD에 의해 Ti 또는 Ti/TiN막을 형성하는 성막 방법에 있어서,
    TiCl4 가스 및 H2 가스를 도입하면서 제 1 플라즈마를 생성하여, 상기 기판상에 Ti 막을 형성하는 제 1 단계, 및
    TiCl4 가스를 정지시키고, 상기 H2 가스, N2 가스 및 NH3 가스 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 도입시키면서 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 교대로 복수회 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계 후에, 퍼지 가스를 도입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 시간을 상기 제 1 단계의 시간 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 처리 챔버내에서 피처리 기판에 CVD에 의해 Ti/TiN막을 성막하는 성막 방법에 있어서,
    TiCl4 가스 및 H2 가스를 도입하면서 제 1 플라즈마를 생성하는 제 1 단계, 및
    상기 H2 가스를 도입하면서 제 2 플라즈마를 생성하는 제 2 단계를 교대로 적어도 1회 이상 반복하는 것에 의해 Ti막을 형성하고,
    상기 제 2 단계 후에, NH3 가스와 N2 가스 및 H2 가스 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 도입하면서 제 3 플라즈마를 생성시키고, 질화 처리하는 제 3 단계, 및
    상기 제 3 단계 후에 CVD에 의해 TiN막을 형성하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 단계는 동일 챔버에서, 상기 제 4 단계는 별도의 챔버에서 진공으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 시간을 상기 제 1 단계의 시간보다 길게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계의 사이에 퍼지 가스를 도입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 4 단계 후에, N2 가스 및 NH3 가스에 의해 상기 TiN막을 질화 처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항, 제 12 항 또는 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피처리 기판 상에 NiSi 또는 CoSi막을 형성하고, 상기 Ti막이 상기 NiSi막 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1 항, 제 12 항, 제 15 항 또는 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Ti막의 성막에 앞서, 베이스 표면의 자연 산화막을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 자연 산화막 제거 공정이 Ar, Ne, He 가스 중 어느 하나와 N2 가스, NF3 가스 중 어느 하나의 조합 또는 Ar 가스 단독의 플라즈마를 고주파 전력에 의해 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 성막 시스템에 있어서,
    기판을 수납하는 후프,
    적어도 하나의 Ti막을 형성하는 Ti막 성막 장치,
    적어도 하나의 TiN막을 형성하는 TiN막 성막 장치,
    상기 Ti막 성막 장치, 상기 TiN막 성막 장치를 게이트 밸브를 통해 접속시켜, 상기 성막 장치 내로 기판을 반송하는 진공 반송실, 및
    상기 진공 반송실에 게이트 밸브를 통해 접속시켜, 상기 후프로부터 상기 기판을 상기 성막 장치에 I/O(인/아웃)하기 위한 로드락실을 구비하고,
    상기 Ti막 성막 장치가 상기 Ti막 형성에 있어, TiCl4 가스 및 H2 가스인 처리 가스를 도입하면서 제 1 플라즈마를 생성하고, 상기 기판상에 상기 Ti 박막을 형성하는 제 1 단계, 및
    상기 Ti 박막상에 H2 가스인 처리 가스를 도입하면서 제 2 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마에 의해, 상기 Ti 박막을 처리하는 제 2 단계를 적어도 1회 이상 교대로 반복하고,
    상기 플라즈마가 고주파 전력에 의해 생성되고, 플라즈마 임피던스와 전송로 임피던스의 정합을 전자 정합식 매칭 네트워크에 의해 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 성막 시스템이 상기 기판상에 상기 Ti막을 성막하기에 앞서, 베이스 표면의 자연 산화막을 제거하기 위한 프리클리닝 장치를 적어도 하나 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 성막 시스템에 있어서,
    기판을 수납하는 후프,
    적어도 하나의 Ti막을 형성하는 Ti막 성막 장치,
    적어도 하나의 TiN막을 형성하는 TiN막 성막 장치,
    상기 Ti막 성막 장치, 상기 TiN막 성막 장치를 게이트 밸브를 통해 접속시켜, 상기 성막 장치내로 기판을 반송하는 진공 반송실, 및
    상기 진공 반송실에 게이트 밸브를 통해 접속되고, 상기 후프로부터 상기 기판을 상기 성막 장치에 I/O(인/아웃)하기 위한 로드락실을 구비하고,
    상기 Ti막 성막 장치가 챔버, 이 챔버내에 배치되고 상기 기판을 탑재하는 탑재대 및 상기 탑재대에 대향하여 설치된 가스 토출부를 포함하고,
    상기 탑재대 및 상기 가스 토출 부재를 서로 독립적으로 가열 가능하게 하고, 상기 탑재대를 가열하여 피처리 기판의 온도를 300~700℃로 제어하고, 상기 가스 토출 부재를 가열하여 그 온도를 450℃ 이상으로 제어하고,
    상기 가스 토출부로부터 TiCl4 가스 및 H2 가스를 토출시킴과 동시에, 챔버내에 플라즈마를 생성시켜, 피처리 기판상에 플라즈마 CVD에 의해 Ti막을 형성하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 탑재대를 가열하여 피처리 기판의 온도를 300℃ 이상, 550℃ 미만으로 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 성막 시스템이 상기 기판상에 상기 Ti막을 성막하기에 앞서, 베이스 표면의 자연 산화막을 제거하기 위한 프리클리닝 장치를 적어도 하나 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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