KR20060129356A - 성막 장치와 성막 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 호리바 세이사꾸쇼
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Abstract

성막 공정에 있어서의 스루풋을 개선하는 동시에 양질의 박막을 저비용으로 생성한다. 그 때문에, 성막실(8)과, 상기 성막실(8)로 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 배관(2)과, 상기 성막실(8)로 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급 배관(1)과, 상기 원료 가스 및 상기 반응성 가스를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 배관(3)을 구비하고, 상기 원료 가스의 공급 또는 반응성 가스의 공급과 퍼지를 교대로 행함으로써, 상기 성막실(8) 내에서 기판(82) 상에 박막을 성막하는 성막 장치로서, 상기 원료 가스 공급 배관(2)의 일부 또는 전부로 설정되고, 상기 원료 가스의 비공급시에 상기 원료 가스를 봉입할 수 있는, 일정 용적을 가진 중간 배관(22), 및/또는 상기 반응성 가스 공급 배관(1)의 일부 또는 전부로 설정되고, 상기 반응성 가스의 비공급시에 상기 반응성 가스를 봉입할 수 있는, 일정 용적을 가진 중간 배관(12)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치로 하였다.

Description

성막 장치와 성막 방법{FILM FORMING DEVICE AND FILM FORMING METHOD}
본 발명은, 반도체 장치 등을 구성하는, 금속 산화막, 금속 질화막, 및 금속 산질화막을 성막(成膜)하기 위해서 사용하는 원자층 제어 성막 장치에 관한 것이다.
ALD(Atomic Layer Deposition)는, 끊임없이 물질을 흘려 넣음으로써 연속적으로 막을 퇴적시키는 CVD에 대해서, 단층을 이루는 물질로 이루어지는 막을 차례 차례 개별로 퇴적시키는 방법으로, 엄밀하게 관리된 층을 퇴적시키는 것에 우수하다. 기판의 퇴적을 행하는 표면을, 원료 가스와, 원료 가스와 반응하는 반응성 가스에 교대로 노출시킴으로써 성막하지만, 이 단계 사이의, 다른 가스를 도입하기 전에는 일단 불활성 가스 등의 퍼지 가스에 의해 성막실 내부를 가스 치환하는 순서 등을 요한다.
특허문헌 1 : 일본국 특개 2001-152339
특허문헌 2 : 일본국 특개 2003-226970
이러한 가스 치환 조작에 의해, 성막에 요하는 시간이 길어져 스루풋이 악화하는 문제가 있다. 또, 퍼지 가스에 의한 성막실 내부의 가스 치환이 불충분한 경우, 원료 가스의 잔류 가스와 반응성 가스의 잔류 가스가 성막실 내부에서 반응하여, 파티클(기상(氣相) 내에서의 핵 생성)이 발생한다. 이에 따라 막질이 악화하는 문제가 있다.
그래서 본 발명은, 성막 공정에서의 스루풋을 개선하는 동시에 파티클의 발생에 의한 막질의 악화를 방지하여, 더욱 가스량을 엄밀하게 관리함으로써 막질을 향상시키고, 양질의 박막을 저비용으로 생산하는 것을 그 주된 소기(所期)의 과제로 하는 것이다.
성막실과, 상기 성막실로 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 배관과, 상기 성막실로 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급 배관과, 상기 원료 가스 및/또는 상기 반응성 가스를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 배관을 구비하고, 상기 원료 가스의 공급 또는 반응성 가스의 공급과 퍼지를 교대로 행함으로써, 상기 성막실 내에서 기판 상에 박막을 성막하는 성막 장치로서, 상기 원료 가스 공급 배관의 일부 또는 전부로 설정되고, 상기 원료 가스의 비공급시에 상기 원료 가스를 봉입할 수 있는, 일정 용적을 가진 중간 배관, 및/또는 상기 반응성 가스 공급 배관의 일부 또는 전부로 설정되고, 상기 반응성 가스의 비공급시에 상기 반응성 가스를 봉입할 수 있는, 일정 용적을 가진 중간 배관을 구비함으로써, 원료 가스 또는 반응성 가스의 비공급시에 상기 가스의 봉입을 미리 행하여, 성막에 필요한 가스의 공급에 요하는 시간을 짧게 하는 것이 가능해져, 성막의 스루풋을 대폭으로 개선시킬 수 있다.
구체적으로는, 중간 배관은, 그 입구 및 출구에 개폐 밸브를 설치함으로써 원료 가스 또는 반응성 가스를 봉입 가능하게 설정하는 것이 바람직하고, 또, 이미 알려져 있는 일정 용적의 중간 배관에 의해, 배관 내의 가스량을 관리함으로써 막질의 향상이 가능해진다.
또한 중간 배관의 입구 및 출구에 설치한 개폐 밸브가 3개의 포트를 갖고, 전자력으로 고속으로 구동하는 전자 밸브인 3방 전자 밸브 등의 3방 밸브이면, 성막에 요하는 시간을 단축하여, 성막의 스루풋을 개선시킬 수 있고, 또 배관 내의 가스의 정체를 없애, 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
퍼지 가스 공급 배관을, 상기 중간 배관을 설정한 상기 원료 가스 공급 배관 및/또는 반응성 가스 공급 배관에 접속하여, 상기 중간 배관에 봉입된 원료 가스 및/또는 반응성 가스를 퍼지 가스에 의해 압출함으로써 상기 성막실로 공급하도록 구성함으로써, 원료 가스 또는 반응성 가스의 퍼지시에 중간 배관 내의 원료 가스를 성막실로 남김없이 유도하는 것이 가능하므로, 성막실로 공급되는 원료 가스 또는 반응성 가스의 양을 엄밀하게 관리할 수 있고, 중간 배관의 출구로부터 보다 성막실측에 위치하는 원료 가스 또는 반응성 가스 공급 배관을 퍼지함으로써 공급 배관 내에서의 파티클의 발생을 방지할 수 있다. 또, 퍼지 가스의 공급 개시까지 요하는 시간과, 상기 중간 배관으로 봉입된 가스의 공급에 요하는 시간을 겹치게 함으로써 외관상의 원료 가스 또는 반응성 가스 공급에 요하는 시간을 없애, 성막의 스루풋을 대폭으로 개선시킬 수 있다. 또, 상기 원료 가스 및/또는 반응성 가스의 상기 성막실로의 공급을 0.1∼2초로 행하도록 하고 있다. 즉, 원료 가스 또는 반응성 가스를 중간 배관으로부터, 성막실에 퍼지 가스로 송출하는 경우, 중간 배관 입구와 성막실까지의 연결 부분의 배관 직경 및 길이 등에서 요구되는 용적을, 퍼지 가스 유량에 의해, 0.1초∼2초로 치환할 수 있도록 조정한다. 이에 따라, 원료 가스 및/또는 반응성 가스를 중간 배관으로부터 단시간에 퍼지하는 것이 가능해져, 파티클의 발생을 억제하면서, 성막의 스루풋을 대폭으로 개선시킬 수 있다.
중간 배관을 설정한 상기 원료 가스 공급 배관 및/또는 상기 반응성 가스 공급 배관에 가스의 농도를 조정하기 위한 농도 조정 수단을 접속하여, 그 각 농도 조정 수단이 각각의 가스의 농도를 성막하는 기판 면적에 대해서 0.15×10-6mol/㎠ 이상으로 공급하도록 조정함으로써, 고품위인 박막을 단시간에 퇴적할 수 있다.
원료 가스 공급 배관 및 반응성 가스 공급 배관을 성막실에 대해서 독립으로 접속함으로써, 배관 내부에 부착된 가스 분자의 반응을 방지하여, 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
성막실 내부를 퍼지 가스에 의해 치환하는 경우, 2초 이하에서 원료 가스 및/또는 반응성 가스의 농도가 1/1000 이하가 되도록 성막실 내부의 체적 또는 퍼지 가스의 유량 등을 조정함으로써 성막실 내를 퍼지 가스로 짧은 시간에 완전히 치환시킬 수 있다. 이에 따라, 파티클을 발생시키지 않고, 성막의 스루풋을 개선할 수 있게 된다.
본 발명에 의해, 파티클이 발생하지 않는 양질의 박막을, 단시간에 성막하는 것이 가능해진다. 이에 따라 성막의 스루풋을 개선할 수 있고, 성막에 의한 제품군의 비용을 낮추는 것이 가능해진다. 특히 반도체 장치에서, 본 발명의 성막 장치 및 방법을 사용함으로써 양질의 게이트 절연막, 게이트 전극막 및 캐패시터 절연막을, 스루풋도 대단히 좋게 성막하는 것이 가능해져, 제품 비용을 낮추는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에서의 성막 장치의 개략을 도시하는 구성도,
도 2는 상기 실시 형태에서의 성막 장치의 동작 상태의 일례를 나타내는 도면,
도 3은 상기 실시 형태에서의 성막 장치의 동작 상태의 일례를 나타내는 도면,
도 4는 상기 실시 형태에서의 성막 장치의 동작 상태의 일례를 나타내는 도면,
도 5는 상기 실시 형태에서의 성막 장치의 동작 상태의 일례를 나타내는 도면,
도 6은 상기 실시 형태에서의 성막 장치의 동작 상태의 일례를 나타내는 도면,
도 7은 성막실에 공급되는 가스의 시간경과 변화의 이미지도,
도 8은 2포트 밸브를 사용해 구성한 본 발명의 다른 실시 형태의 개략을 나타내는 구성도,
도 9는 원료 가스 중간 배관 내 및 반응성 가스 중간 배관 내의 가스 농도를 제어 가능하게 한 본 발명의 다른 실시 형태의 개략을 나타내는 구성도,
도 10은 성막실 내 압력이 0.1∼20Torr일 때의 퍼지 시간과 잔존하는 원료 가스의 농도의 감쇠의 관계를 나타내는 그래프,
도 11은 원료 가스 및 반응성 가스의 각 중간 배관 출력부의 일부를 공통으로 한 본 발명의 다른 실시 형태의 개략을 도시하는 구성도,
도 12는 복수의 원료 가스를 사용해 성막을 행하는 경우에서의, 본 발명의 다른 실시 형태의 개략을 도시하는 구성도,
도 13은 복수의 원료 가스를 사용해 성막을 행하는 경우에 공급 배관의 일부를 공유하는, 본 발명의 다른 실시 형태의 개략을 도시하는 구성도,
도 14는 반응성 가스(H2O) 공급량과 성막 속도의 관계를 나타내는 그래프,
도 15는 TDMAH 가스 공급량과 성막 속도의 관계를 나타내는 그래프,
도 16은 배관 길이를 100㎜로 한 경우에 공급 가스 배관의 내경과 파티클의 양의 관계를 나타내는 표,
도 17은 공급 배관을 독립으로 한 경우와 공통으로 한 경우의, 파티클의 양 및 막 압력의 균일성에 관한 비교 결과를 나타내는 표,
도 18은 본 발명을 사용한 성막 장치의 스루풋과 종래 기술을 사용한 성막 장치의 스루풋의 비교 결과를 나타내는 표이다.
(부호의 설명)
1…반응성 가스 공급 배관
12…중간 배관(반응성 가스 중간 배관)
1b1…반응성 가스 중간 배관 입구 밸브
1b2…반응성 가스 중간 배관 출구 밸브
2…원료 가스 공급 배관
22…중간 배관(원료 가스 중간 배관)
2b1…원료 가스 중간 배관 입구 밸브
2b2…원료 가스 중간 배관 출구 밸브
3…퍼지 가스 공급 배관
9…성막실
82…기판
본 실시 형태에 따른 성막 장치는, 성막실과, 상기 성막실로 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 배관과, 상기 성막실로 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급 배관과, 상기 원료 가스 또는 상기 반응성 가스를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 배관을 구비하고, 상기 원료 가스의 공급 또는 반응성 가스의 공급과 퍼지를 교대로 행함으로써, 상기 성막실 내에서 반도체 기판 상에 박막을 성막하는 것이다.
상기 원료 가스 공급 배관의 일부에, 일정 용적을 가진 중간 배관으로서 원료 가스 중간 배관(22)을, 상기 반응성 가스 공급 배관의 일부에, 일정 용적을 가진 중간 배관으로서 반응성 가스 중간 배관(12)을 설치하고 있다.
여기에서는, 원료 가스에 TMA(트리메틸 알루미늄) : Al(CH3)3을 사용하고, 반응성 가스 원료에는 H2O를 사용하고, Si기판(82) 상에 박막으로서 Al2O3막을 퇴적하여 성막을 행하는 예를 나타낸다. 또 퍼지 가스 및 캐리어 가스로서 Ar가스를 사용하고 있다.
도 1에 장치의 개략을 도시한다.
본 성막 장치는 캐리어 가스 및 퍼지 가스로서 Ar 가스를 송출하는 3개의 매스플로우 컨트롤러(MFC라고 약칭한다)(m1, m2, m3)와, 반응성 가스 원료(62)인 H2O를 저장한 반응성 가스 탱크(6)와, 원료 가스 원료(72)인 TMA를 저장한 원료 가스 탱크(7)와, 박막을 성막하는 성막실(8)과, 각 가스를 흡인하기 위한, 및 성막실 내를 감압으로 유지하기 위한 펌프(9)를 구비하고 있다.
이하에 각 부를 상세하게 나타낸다.
MFC(m1, m2, m3)은 캐리어 가스 또는 퍼지 가스의 유량을 제어하고 있고, MFC(m1)은 약 180㎖/min, MFC(m2)는 약 60㎖/min, MFC(m3)은 약 200㎖/min으로 송출하도록 설정하고 있다.
반응성 가스 탱크(6)는, 반응성 가스용 항온 수조(61)를 사용함으로써 H2O를 약 25℃로 보온하고 있고, 캐리어 가스를 접수하여, 반응성 가스(H2O)를 출력하도록 구성되어 있다.
원료 가스 탱크(7)는, 원료 가스용 항온 수조(71)를 사용함으로써 TMA를 약 20℃로 보온하고 있고, 캐리어 가스를 접수하여, 원료 가스(TMA)를 출력하도록 구성되어 있다.
성막실(8)은 약 10∼0.1Torr의 감압 상태로 유지되어 있고, 저항 가열을 행하는 히터(81)를 구비하고 있다. 히터(81)는, 히터(81) 상에 설치된 Si기판(82)의 표면 온도가 250∼300℃가 되도록 설정되어 있다.
펌프(9)는 각 가스의 흡인을 행하는 것이고, 또한, 성막실 내를 감압으로 유지하기 위한 것이다.
각 부 사이의 배관에 대해서 이하에 설명한다.
MFC(m1)은 반응성 가스용 캐리어 가스 공급 배관(a)을 통해 반응성 가스 탱크(6)에 접속되어 있고, 반응성 가스 탱크(6)는 또한 반응성 가스 공급 배관(1)을 통해 성막실(8)에 접속되어 있다.
MFC(m2)는 원료 가스용 캐리어 가스 공급 배관(b)을 통해 원료 가스 탱크(7)에 접속되어 있고, 원료 가스 탱크(7)는 또한 원료 가스 공급 배관(2)을 통해 성막실(8)에 접속되어 있다.
반응성 가스 공급 배관(1)과 원료 가스 공급 배관(2)은 서로 독립으로 설치한 배관으로, 각 가스의 유로는 독립되어 있고, 이들의 배관 내에서, 각 배관(1, 2) 내를 유통하는 가스가 서로 섞이는 경우는 없다.
그리고 성막실(8)은 배기 배관(5)에 의해 펌프(9)와 접속되어 있다.
MFC(m3)에는 퍼지 가스 공급 배관(3)의 입구가 부착되어 있고, 펌프(9)에는 바이패스 배관(4)(바이패스 라인)의 출구가 부착되어 있으며, 퍼지 가스 공급 배관 (3)의 출구와 바이패스 라인(4)의 입구는 개폐 동작이 가능한 개폐 밸브(3b)를 통해 접속되어 있다.
다음에, 각 배관 사이의 접속에 대해서 설명하면서, 각 배관을 상세하게 설명한다.
반응성 가스 공급 배관(1)의 유로 상에는 2개의, 3방으로 분기한 분기 밸브인 3방 밸브(1b1, 1b2)가 설치되어 있고, 반응성 가스 공급 배관(1)에는 한 쪽이 개폐 가능한 상기 3방 밸브(1b1, 1b2)로 분할함으로써 그 상기 3방 밸브(1b1, 1b2) 사이에 반응성 가스 중간 배관(12)을 형성하고 있다. 반응성 가스 중간 배관(12)의 용적은 약 15㎖이다.
반응성 가스 공급 배관(1)은, 반응성 가스 중간 배관(12)으로 반응성 가스를 입력하는 반응성 가스 중간 배관 입력부(11)와, 반응성 가스를 봉입 가능한 반응성 가스 중간 배관(12)과, 반응성 가스를 성막실(8)로 출력하는 반응성 가스 중간 배관 출력부(13)로 이루어진다.
3방 밸브는 그 3개의 포트 중 임의의 1개의 포트를 폐지함으로써 가스의 송출 방향을 결정하는 것이 가능한 것으로, 여기에서는 전자력으로 구동하는 3방 전자 밸브를 사용하고 있지만, 에어 구동 타입의 것이어도 된다.
반응성 가스 중간 배관(12)의 입구에 있는 반응성 가스 중간 배관 입구 밸브(1b1)는 반응성 가스 중간 배관 입력부(11)와, 반응성 가스 중간 배관(12)과, 배관간 접속을 행하는 반응성 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(3p1)에 접속되어 있고, 반응성 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(3p1)은 퍼지 가스 공급 배관(3)에 접속되 어 있다.
또, 반응성 가스 중간 배관(12)의 출구에 있는 반응성 가스 중간 배관 출구 밸브(1b2)는 반응성 가스 중간 배관(12)과, 반응성 가스 중간 배관 출력부(13)와, 배관간 접속을 행하는 반응성 가스용 바이패스 가지배관(4p1)에 접속되어 있고, 반응성 가스용 바이패스 가지배관(4p1)은 바이패스 배관(4)에 접속되어 있다.
원료 가스 공급 배관(2)의 유로 상에는 2개의, 3방으로 분기한 분기 밸브인 3방 밸브(2b1, 2b2)가 설치되어 있고, 원료 가스 공급 배관(2)에는 한 쌍의 개폐 가능한 상기 3방 밸브(2b1, 2b2)로 분할함으로써 그 상기 3방 밸브(2b1, 2b2) 사이에 원료 가스 중간 배관(22)을 형성하고 있다. 원료 가스 중간 배관(22)의 용적은 약 5㎖이다.
원료 가스 공급 배관(2)은, 원료 가스 중간 배관(22)으로 원료 가스를 입력하는 반응성 가스 중간 배관 입력부(21)와, 원료 가스를 봉입 가능한 원료 가스 중간 배관(22)과, 원료 가스를 성막실로 출력하는 원료 가스 중간 배관 출력부(23)로 이루어진다.
원료 가스 중간 배관(22)의 입구에 있는 원료 가스 중간 배관 입구 밸브(2b1)는 원료 가스 중간 배관 입력부(21)와, 원료 가스 중간 배관(22)과, 배관간 접속을 행하는 원료 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(3p2)에 접속되어 있고, 원료 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(3p2)은 퍼지 가스 공급 배관(3)에 접속되어 있다.
또, 원료 가스 중간 배관(22)의 출구에 있는 원료 가스 중간 배관 출구 밸브(2b2)는 원료 가스 중간 배관(22)과, 원료 가스 중간 배관 출력부(23)와, 배관간 접속을 행하는 원료 가스용 바이패스 가지배관(4p2)에 접속되어 있고, 원료 가스용 바이패스 가지배관(4p2)은 바이패스 배관(4)에 접속되어 있다.
이하에 본 성막 장치의 성막 동작의 개략을 도시한다.
원료 가스(TMA) 및 반응성 가스(H2O)는 버블링법 등의 방법에 의해 기화되어 캐리어 가스에 의해서 각각 원료 가스 공급 배관(2) 및 반응성 가스 공급 배관(1)을 경유하여 성막실(8)에 공급된다.
가스의 공급 수단에 관해, 밸브의 동작 방법을 포함하여 설명한다.
도 2에 밸브의 확대도를 도시한다. 성막전 준비 단계에서는, 밸브(1b1, 1b2, 2b1, 2b2, 3b)의 각각은 이하에 나타내는 방향으로 각 가스를 송출하고 있다.
개폐 밸브(3b)는 열려 있고, 퍼지 가스를 바이패스 배관(4)으로 송출하고 있다. 반응성 가스 중간 배관 입구 밸브(1b1)는 반응성 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(3p1)측 포트를 닫고, 반응성 가스를 반응성 가스 중간 배관(12)으로 송출하고 있다. 반응성 가스 중간 배관 출구 밸브(1b2)는 반응성 가스 중간 배관 출력부(13)측 포트를 닫고, 반응성 가스를 반응성 가스 바이패스 가지배관(4p1)을 지나 바이패스 배관(4)으로 송출하고 있다. 원료 가스 중간 배관 입구 밸브(2b1)는 원료 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(3p2)측 포트를 닫고, 원료 가스를 원료 가스 중간 배관(22)으로 송출하고 있다. 원료 가스 중간 배관 출구 밸브(2b2)는 원료 가스 중간 배관 출력부(23)측 포트를 닫고, 원료 가스를 원료 가스용 바이패스 가지배관(4p2)을 지나 바이패스 배관(4)으로 송출하고 있다. 도 2에 밸브(1b1, 1b2, 2b1, 2b2, 3b)의 가스 송출의 방향을 화살표의 방향으로 나타낸다.
우선, 성막 개시에서, 원료 가스(TMA)의 공급을 행한다.
원료 가스 중간 배관 출구 밸브(2b2)의 원료 가스용 바이패스 가지배관(4p2)측 포트를 닫고, 원료 가스를 원료 가스 중간 배관 출력부(23)로 송출시켜, 도 3의 상태로 하여, 성막실(8)로 원료 가스(TMA)를 공급한다. 도 3의 상태는, 약 0.5초 정도이고, 이 시간은 밸브의 동작 시간에 지배되며, 보다 짧아도 된다.
그리고, 원료 가스의 기판 상으로의 퇴적과, 원료 가스의 퍼지를 행한다.
개폐 밸브(3b)를 닫고, 원료 가스 중간 배관 입구 밸브(2b1)의 원료 가스 중간 배관 입력부(21)측 포트를 닫고, 퍼지 가스를 원료 가스 중간 배관(22)으로 송출시켜, 도 4의 상태로 하여, 원료 가스 중간 배관(22) 내의 용적(5㎖)에 있는, 원료 가스(TMA)를 성막실(8)로 밀어내어, 원료 가스를 기판 상에 퇴적시키고, 원료 가스 중간 배관(22) 내, 원료 가스 중간 배관 출력부(23) 내 및 성막실(8) 내의 퍼지를 행한다. 도 4의 상태는 약 5초 정도이다.
이 원료 가스(TMA) 공급 개시로부터 성막실(8) 내의 퍼지 완료까지의 기간에 반응성 가스 중간 배관(12)으로 반응성 가스가 봉입되고 있다.
다음에, 반응성 가스(H2O)의 공급을 행한다.
개폐 밸브(3b)를 열어, 퍼지 가스를 바이패스 배관(4)으로 송출하고, 원료 가스 중간 배관 입구 밸브(2b1)의 원료 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(3p2)측 포트를 닫고, 원료 가스를 원료 가스 중간 배관(22)으로 송출하고, 원료 가스 중간 배관 출구 밸브(2b2)의 원료 가스 중간 배관 출력부(23)측 포트를 닫고, 원료 가스를 원료 가스용 바이패스 가지배관(4p2)으로 송출하며, 반응성 가스 중간 배관 출구 밸브(1b2)의 반응성 가스용 바이패스 가지배관(4p1)측 포트를 닫고, 반응성 가스 중간 배관 출력부(13)로 반응성 가스를 송출함으로써 도 5의 상태로 하여, 성막전 준비 단계시와 동일하게 원료 가스를 바이패스 배관(4)으로 송출하여, 성막실(8)로 반응성 가스(H2O)를 공급한다. 도 5의 상태는, 약 0.5초 정도이고, 이 시간은 밸브의 동작 시간에 지배되며, 보다 짧아도 된다.
그리고, 반응성 가스에 의한 박막의 성막과, 반응성 가스의 퍼지를 행한다.
개폐 밸브(3b)를 닫고, 반응성 가스 중간 배관 입구 밸브(1b1)의 반응성 가스 중간 배관 입력부(11)측 포트를 닫고, 퍼지 가스를 반응성 가스 중간 배관(12)으로 송출함으로써 도 6의 상태로 하여, 반응성 가스 중간 배관(12) 내의 용적(15㎖)에 있는, 반응성 가스(H2O)를 성막실(8)로 밀어내어, 기판 상에 박막을 성막하고, 또한 반응성 가스 중간 배관(12) 내, 반응성 가스 중간 배관 출력부(13) 내 및 성막실(8) 내의 퍼지를 행한다. 도 6의 상태는 약 5초 정도이다.
이 반응성 가스(H2O) 공급 개시로부터 성막실(8) 내의 퍼지 완료까지의 기간에 원료 가스 중간 배관(22)으로의 원료 가스의 봉입을 행한다.
이것으로 원료 가스(TMA)와 반응성 가스(H2O)의 공급이 1cycle 행해진 것이지만, 계속해서, 도 3의 상태로 되돌아가 반복하여, 원료 가스와 반응성 가스를 교대로 공급하여, 원하는 막 두께까지 성막을 행한다.
성막실(8)에 공급되는 가스의 시간경과 변화의 이미지를 도 7에 도시한다. 원료 가스 및 반응성 가스의 공급 시간을 매우 짧은 시간(밸브의 개폐 속도에 율속(律速))으로 하는 것이 가능해져, 이에 따라 성막 속도를 매우 빠르게 할 수 있게 된다.
또한, 본 실시 형태를 도시하는 도 1에서는, 각 중간 배관 입구 밸브(1b1, 2b1) 및 각 중간 배관 출구 밸브(1b2, 2b2)의 밸브의 타입이 3방 밸브인 경우를 나타내었지만, 도 8에 도시하는 2포트를 가진 타입의 밸브를 사용해도 된다. 단, 분기 밸브인 3방 밸브를 사용한 쪽이, 밸브의 접속 부분에 데드 스페이스가 없어, 가스의 치환이 매끄럽게 행해진다. 가스의 치환이 확실하고 또한 매끄럽게 행해짐으로써, 파티클의 발생 원인이 되기 어렵다. 또 전자 밸브인 3방 전자 밸브이면 고속 구동이 가능하기 때문에, 보다 바람직하다.
또, 원료 가스 중간 배관 출구 밸브(2b2)로부터 성막실(8)까지의 사이의 원료 가스 중간 배관 출력부(23)의 길이를 100㎜로 하고, 내경이 3.1㎜, 6.3㎜, 9.4㎜인 3개의 경우에 대해서 본 실시 형태의 동작의 비교를 행하였다.
이때, 원료 가스 중간 배관 출력부(23)의 내부 용적은 각각 754㎣, 3116㎣, 6936㎣이다. 퍼지 가스 유량은 200㎖/min이므로 원료 가스 중간 배관 출력부(23) 내부를 치환하기 위해서는, 각각 0.2초, 0.93초, 2.1초간 필요하다고 산출할 수 있다. 이 시간은 본 실시 형태에서 결정한 5초간의 퍼지 시간에 대해서 짧은 것이다. 만일 반응성 가스가 성막실(8)에 공급되었을 때 원료 가스 중간 배관 출력부 (23)의 내부는 가스 치환이 불충분하면, 반응성 가스(H2O)에 노출되기 때문에, 원료 가스 중간 배관 출력부(23) 내부에서 파티클(산화알루미늄의 분체)이 발생하여, 기판 표면이 오염되어 버린다.
도 16에 상기한 원료 가스 공급 배관(2) 내경으로 하였을 때의 웨이퍼에 부착된 파티클 수를 나타내었다. 내경이 9.4㎜인 경우에는, 내경이 보다 작은 3.1㎜ 또는 6.3㎜인 경우와 비교하여 각 직경의 파티클이 매우 많이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 본 실시 형태에서 결정한 약 5초간의 퍼지 시간에 대해서 2.1초로 치환할 수 있는 원료 가스 중간 배관 출력부(23)를 사용한 경우에도, 가스의 온도, 점성 등에 의해, 치환이 불충분한 경우가 발생하는 것을 알 수 있다.
이 문제를 피하기 위해서, 일반적으로는 퍼지 가스를 흐르게 하는 시간을 길게 하여 대응하지만, 그러면 성막 시간이 길어져 스루풋의 향상을 기대할 수 없다.
그래서, 원료 가스 중간 배관 출력부(23) 내부를 퍼지 가스로 민첩하고 확실하게 퍼지할 수 있도록 하기 위해서 원료 가스 중간 배관 출력부(23)의 내부 용적의 조정을 행하여, 퍼지 가스를 흐르게 하는 시간을 약 5초로 한 채로, 2초 이하의 시간으로 퍼지 가스에 의해 원료 가스 중간 배관(22) 및 원료 가스 중간 배관 출력부(23)를 치환 가능하게 함으로써 해결하였다.
또, 성막실(8)의 기압이 0.1Torr, 1Torr, 10Torr, 20Torr인 4개의 경우에 대해서 본 실시 형태의 동작의 비교를 행하였다.
성막실(8)의 압력은 앞서 나타낸 바와 같이, 통상 0.1∼10Torr로 제어된다. 이 압력일 때, 성막실(8) 내는 퍼지 가스에 의해 치환된다. 원료 가스(TMA)의 농도의 감쇠에 관해서 조사한 결과를 도 10에 도시한다. 이 결과로부터 성막실(8) 내의 가스 퍼지 시간은 2초 이하이고 원료 가스 농도는 1/1000 이하가 되었다.
가스 농도가 1/1000이 되지 않는 조건, 요컨대 성막실(8) 내의 압력이 20Torr인 경우, 2초 사이에서 가스의 전환을 행하면, 파티클이 발생하고, 그 양은 약 800개 이상이 되었다. 이 원인은 가스의 치환이 불충분한 상태로 반응성 가스(H2O)가 성막실(8) 내에 공급되기 때문에, 성막실(8)의 기상 내에서 반응하여 파티클(산화알루미늄의 분말)이 발생하는 것이다.
이 경우, 일반적으로는 퍼지 가스를 흐르게 하는 시간을 길게 하여 대응하지만, 그러면 성막 시간이 길어져 스루풋의 향상을 기대할 수 없다.
그래서, 성막실(8) 내를 퍼지 가스로 민첩하고, 확실하게 퍼지할 수 있도록 하는 것 때문에, 퍼지 가스를 흐르게 하는 시간을 약 5초로 한 채로, 성막실(8) 내를 2초 이하에서 퍼지 가스에 의해 치환할 수 있고, 또한 원료 가스의 가스 농도가 1/1000 이하가 되도록 함으로써 해결할 수 있는 것을 알 수 있다.
성막실(8)의 퍼지에 관한 구체적인 문제의 해결에는, 퍼지 가스의 공급을 행할 필요가 있는 성막실(8) 내의 체적이나, 성막실(8)로부터의 배기를 급속하게 행하기 위해서 성막실(8)을 감압하는 펌프(9)의 능력 등이 영향을 미치기 때문에, 하드를 적절하게 선택하는 것이 필요해지지만, 이러한 하드를 적절히 선택하고, 퍼지 가스에 의해 성막실(8)의 치환에 요하는 시간을 2초 이하로 하고, 원료 가스의 가 스 농도를 1/1000 이하로 하는 동시에, 원료 가스 중간 배관 출력부(23)의 퍼지 시간을 2초 이하로 함으로써, 종래에 비해, 성막 공정에서의 스루풋을 대폭으로 개선하는 동시에 양질의 박막을 저비용으로 생산할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 성막실(8)의 체적을 약 2L(2.2L), 펌프(9)의 흡기 능력을 약 280㎥/hr로 설정하고 있다.
이상의 것은 원료 가스 공급 배관(2)에 관해서 기술을 하였지만, 반응성 가스 공급 배관(1)에서도 같다고 말할 수 있다.
또, 도 1과 같이, 반응성 가스(H2O) 및 원료 가스(TMA)의 각 공급 배관(1, 2)은 성막실(8)에 독립으로 연결되어 있다. 도 11과 같이, 예를 들면 원료 가스 중간 배관 출력부(23)와 반응성 가스 중간 배관 출력부(13)가 접속부를 포함하는 성막실(8)측의 일부분을 공유하고, 각 공급 배관(1, 2)을 도중에 공통으로 한 경우에는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 각 공급 배관(1, 2)을 독립으로 하는 경우에 비해, 많은 파티클이 발생해 버리는 것을 알 수 있었다. 그 원인은 공통으로 되어 있는 배관 내부에 원료 가스 분자가 흡착된 후, 다음에 반응성 가스가 배관 내를 흐름으로써, 원료 가스 분자와 반응성 가스가 반응하여, 금속 산화물 등(이 경우는 산화알루미늄 분말, 혹은 그 중간 생성물)이 발생하여, 파티클이 되었기 때문이다. 또, 도 17에 도시하는 바와 같이, 각 공급 배관(1, 2)을 독립으로 하는 경우에 비해, 막 두께의 균일성도 나빠지는 것을 알 수 있었다. 그 원인은 금속 산화물 등의 중간 생성물이 막 중에 흡착, 퇴적하여 산화막 등이 되기 때문이다.
이와 같이, 파티클이 포함되거나 막 두께의 균일성이 나쁜 금속 산화막 등은 막 밀도가 불충분하고 결함도 많아, 막질이 악화하여 버린다.
따라서, 반응성 가스 및 원료 가스의 공급 배관(1, 2)은 독립으로 성막실(8)에 연결되어 있는 구조가 보다 우수한 것을 알 수 있었다.
원료 가스와 반응성 가스는 도중에 공통된 배관을 사용하는 것이 좋지 않은 것은 알 수 있었지만, 다른 종류의 원료 가스 배관끼리도 공통 배관을 사용하지 않는 쪽이 좋은 것을 알 수 있다.
복합 산화막으로서 HfAlOx막을 성막할 때의 예로서, 원료 가스로서 TMA와 TDMAH(테트라키스 디메틸 아미노 하프늄 : Hf[N(CH3)2]4)를 사용하고, 반응성 가스로서 H2O를 사용한 경우의 장치의 개략도를 도 12(각 원료 가스 공급 배관을 독립으로 한 경우)와 도 13(각 원료 가스 공급 배관을 공통으로 한 경우)에 도시한다.
TMA와 TDMAH의 원료는 서로 반응하기 때문에, 원료 가스 배관을 공통으로 한 경우는, 파티클의 발생 등이 우려된다. 원료 가스의 화합물의 조합을 고려하지 않고도 자유롭게 선택할 수 있는, 각 공급 배관이 독립하여, 성막실에 연결되어 있는 구조의 성막 장치 쪽이 좋은 것을 알 수 있었다.
앞서 나타낸 실시 형태의 하에서, 한 번에 공급되는 반응성 가스(H2O)의 공급량을 변화시켜 Al2O3(산화알루미늄) 박막의 성막을 행하였다. 이때의 결과를 나타낸다. 도 14에 반응성 가스(H2O)의 공급량과 Al2O3막의 석출 속도의 관계를 나타 낸다. 반응성 가스(H2O)의 공급량의 상승에 따라, 석출 속도는 증가한다. 약 0.15μ㏖/㎠ 이상의 공급량에서는 성막 속도는 일정해지고, 포화되었다. 이것으로부터 H2O의 공급량은 0.15μ㏖/㎠ 이상 공급하는 것이 필요한 것을 알 수 있다. 이 반응성 가스의 공급량이 부족한 경우, 반응이 완전히 종료되지 않은 것을 추측할 수 있고, 막 중에 원료 기인(起因)의 불순물, 이 경우는 TMA의 가수분해 반응이 불충분하고 막 중에 CH3기(메틸기)의 주로 카본이 잔류하여, 막질을 열화시켜 버릴 우려가 있다.
반응성 가스의 공급량을 변화시킨 경우를 나타내었지만, 원료 가스의 경우도 나타낸다. 원료 가스에 TDMAH를 사용하고, 반응성 가스에 H2O를 사용해 HfO2막(산화하프늄)을 성막하는 경우에, 한 번에 공급하는 TDMAH의 가스의 공급량을 변화시켜 HfO2 박막의 성막을 행하였다. 도 15에 그 결과를 나타낸다. TDMAH의 가스의 공급량의 상승에 따라, 석출 속도는 증가한다. 약 0.2μ㏖/㎠ 이상의 공급량에서는 성막 속도는 일정해지고, 포화되었다. 이것으로부터 TDMAH 공급량은 0.2μ㏖/㎠ 이상 공급하는 것이 필요한 것을 알 수 있었다. 원료 가스의 공급량이 부족한 경우, 원료 가스의 공급 편차에 의해 막 두께 분포가 나빠질 우려가 있다.
이상과 같이 원료 가스 및 반응성 가스의 공급량을 제어할 필요가 있다. 공급량을 제어하는 수단으로서 예를 들면, 각 중간 배관(12, 22)에 가스를 충전할 때에 개별의 펌프(91, 92)를 사용해 중간 배관(12, 22) 내부의 압력을 조정하여 공급 을 행하는 가스의 농도를 제어하는 방법이 있다.
그 농도 조정 수단을 구비한 성막 장치의 구체적인 구성을 이하에 나타낸다.
농도 조정 수단으로서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 새롭게 원료 가스용 압력 조절 펌프(92)과 반응성 가스용 압력 조절 펌프(91)를 설치한 것이고, 그 각부에 접속하는 배관으로서, 반응성 가스용 압력 조절 펌프(91)에 접속하는 반응성 가스용 바이패스 배관(41)과, 원료 가스용 압력 조절 펌프(92)에 접속하는 원료 가스용 바이패스 배관(42)을 설치하고, 그 각 배관에 접속하는 배관으로서, 반응성 가스용 바이패스 배관(41)에 접속하는 반응성 가스용 압력 조절 배관(41c)과, 원료 가스용 바이패스 배관(42)에 접속하는 원료 가스용 압력 조절 배관(42c)을 설치하고 있다. 그리고, 성막 장치로 상기 농도 조정 수단의 접속을 행하기 위해서, 앞의 실시 형태로부터는 바이패스 배관(4)을 제거하고, 퍼지 가스 공급 배관(3)을, 반응성 가스용 퍼지 가스 공급 배관(31) 및 원료 가스용 퍼지 가스 공급 배관(32)으로 나누고 있다.
또, 그 배관간 접속의 변경으로서, 우선, 반응성 가스용 퍼지 가스 공급 배관(31)과, 반응성 가스용 바이패스 배관(41)을 개폐 밸브(31b)를 통해 접속하고 있고, 원료 가스용 퍼지 가스 공급 배관(32)과 원료 가스용 바이패스 배관(42)을 개폐 밸브(32b)를 통해 접속하고 있으며, 다음에, 각 가지배관(31p1, 41p1, 32p2, 42p2)의 접속의 변경으로서, 반응성 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(31p1)은, 반응성 가스용 퍼지 가스 공급 배관(31)과 반응성 가스 중간 배관 입구 밸브(1b1)에 접속하고, 반응성 가스용 바이패스 가지배관(41p1)은, 반응성 가스용 바이패스 배 관(41)과 반응성 가스 중간 배관 출구 밸브(1b2)에 접속되어 있으며, 원료 가스용 퍼지 가스 공급 가지배관(32p2)은, 원료 가스용 퍼지 가스 공급 배관(32)과 원료 가스 중간 배관 입구 밸브(2b1)에 접속하고, 원료 가스용 바이패스 가지배관(42p2)은, 원료 가스용 바이패스 배관(42)과 원료 가스 중간 배관 출구 밸브(2b2)에 접속되어 있다.
본 농도 조정 수단을 구비한 성막 장치를 사용해 농도 조정을 행하는 데에는, 반응성 가스용 압력 조절 배관(41c)으로 반응성 가스를, 원료 가스용 압력 조절 배관(42c)으로 원료 가스를 계속 송출함으로써, 반응성 가스 중간 배관(12) 및 원료 가스 중간 배관(22) 내의 반응성 가스 및 원료 가스의 봉입시에 원하는 일정한 농도로 하는 것이 가능해져, 그 공급시에는 성막실로 도달하는 반응성 가스 및 원료 가스의 농도를 0.15μ㏖/㎠이상으로 하는 것이 가능해진다.
도 18은 본 발명의 스루풋과, 종래예의 스루풋의 비교 결과를 나타내는 표이다. 표는 3종류의 박막에 대해서 성막에 요하는 시간을 나타내고 있고, Al2O3을 40cycle, HfO2을 40cycle, HfAlOx을 40cycle 행하는 데에 요하는 시간을 나타내고 있다(cycle에 대해서는 도 7 참조).
표로부터, 종래의 기술을 사용한 성막 장치에 비해, 본 발명을 사용한 성막 장치의 스루풋은 대폭으로 개선되어 있는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의해, 파티클이 발생하지 않는 양질의 박막을, 단시간에 성막하는 것이 가능해지고, 특히 반도체 장치에 적용하여 양질의 게이트 절연막, 게이트 전극막 및 캐패시터 절연막을 단시간, 저비용으로 생성할 수 있다는 큰 효과를 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 성막실과, 상기 성막실로 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 배관과, 상기 성막실로 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급 배관과, 상기 원료 가스 및 상기 반응성 가스를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 배관을 구비하고, 상기 원료 가스의 공급 또는 반응성 가스의 공급과 퍼지를 교대로 행함으로써, 상기 성막실 내에서 기판 상에 박막을 성막하는 성막 장치로서,
    상기 원료 가스 공급 배관의 일부 또는 전부로 설정되고, 상기 원료 가스의 비공급시에 상기 원료 가스를 봉입할 수 있는, 일정 용적을 가진 중간 배관, 및/또는, 상기 반응성 가스 공급 배관의 일부 또는 전부로 설정되고, 상기 반응성 가스의 비공급시에 상기 반응성 가스를 봉입할 수 있는, 일정 용적을 가진 중간 배관을 구비하고 있는 성막 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 중간 배관의 입구 및 출구에 개폐 밸브를 설치하고, 상기 중간 배관을 구성하는 관체의 단면적 및 상기 각 밸브간의 거리에 의해 상기 중간 배관의 용적을 규정하는 성막 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 개폐 밸브가 3방 밸브인 성막 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 퍼지 가스 공급 배관을, 상기 중간 배관이 설정되 어 있는 상기 원료 가스 공급 배관 및/또는 반응성 가스 공급 배관에 접속하고, 상기 중간 배관에 봉입된 원료 가스 및/또는 반응성 가스를 퍼지 가스에 의해 압출함으로써 상기 성막실로 공급하도록 구성한 성막 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 원료 가스 및/또는 반응성 가스의 상기 성막실로의 공급을 0.1∼2초로 행하는 성막 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 원료 가스 공급 배관 및 상기 반응성 가스 공급 배관에 가스의 농도를 조정하기 위한 농도 조정 수단을 접속하고, 그 각 농도 조정 수단이 각각의 가스의 농도를 성막하는 기판 면적에 대해서 0.15×10-6㏖/㎠ 이상으로 공급하도록 조정한 성막 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 원료 가스 공급 배관 및 반응성 가스 공급 배관을 상기 성막실에 대해서 각각 독립으로 접속한 성막 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 성막실 내를 2초 이하에서, 원료 가스 및/또는 반응성 가스의 농도가 1/1000 이하가 되도록 퍼지하도록 한 성막 장치.
  9. 성막실과, 상기 성막실로 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 배관과, 상 기 성막실로 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급 배관과, 상기 원료 가스 및 상기 반응성 가스를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 배관을 이용해, 상기 원료 가스의 공급 또는 반응성 가스의 공급과 퍼지를 교대로 행함으로써, 상기 성막실 내에서 기판 상에 박막을 성막하는 성막 방법으로서,
    상기 원료 가스 공급 배관의 일부 또는 전부로, 일정 용적을 가진 중간 배관을 설정하여, 상기 원료 가스의 비공급시에 상기 중간 배관으로 상기 원료 가스를 봉입하고, 및/또는, 상기 반응성 가스 공급 배관의 일부 또는 전부로, 일정 용적을 가진 중간 배관을 설정하여, 상기 반응성 가스의 비공급시에 상기 중간 배관으로 상기 반응성 가스를 봉입하는 성막 방법.
KR1020067015465A 2004-01-05 2004-12-22 성막 장치와 성막 방법 KR100758081B1 (ko)

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