KR20070086426A - 성막 방법 및 기억 매체 - Google Patents
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Abstract
피처리 기판을 유지하는 유지대를 내부에 구비한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 성막을 위한 처리 가스를 공급하고, 이 처리 용기 내에 플라즈마를 여기하기 위한 고주파 전력이 인가되는 샤워 헤드부를 갖는 성막 장치에 의한 성막 방법으로서, 상기 피처리 기판상에 금속을 포함하는 박막을 형성하는 성막 공정과, 상기 성막 공정 전에 상기 샤워 헤드부에 별도의 금속을 포함하는 보호막을 형성하는 보호막 형성 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
Description
본 발명은, 피처리 기판에 박막을 형성하는 성막 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 고성능화에 따라, 반도체 디바이스의 고집적화가 진행되어 미세화에 대한 요구가 현저해지고 있으며, 배선 룰은 0.10㎛ 이하의 영역으로 개발이 진행되고 있다. 이러한 고성능 반도체 장치의 디바이스를 형성하기 위해 이용되는 박막에 대해서는, 예컨대, 막 중 불순물이 적고, 배향성이 좋은 고품질의 막이 요구되고, 또한 미세 패턴으로 형성할 때의 커버리지가 양호한 것이 바람직하다.
이들 요망을 만족하는 성막 방법으로서, 성막시에 복수 종류의 처리 가스를 1종류씩 교대로 공급함으로써, 처리 가스의 반응 표면에의 흡착을 경유하여 원자층ㆍ분자층에 가까운 레벨에서 성막을 행하고, 이들 공정을 반복하여 소정 두께의 박막을 얻는 방법이 제안되어 있다. 이러한 성막 방법을 ALD(Atomic Layer Deposition)법이라고 부르는 경우가 있다.
이러한 ALD법에 의한 성막을 실시하는 경우의 개략은, 예컨대, 이하와 같이 하면 좋다. 우선, 제 1 가스를 공급하는 제 1 가스 공급로와, 제 2 가스를 공급하는 제 2 가스 공급로를 갖는, 내부에 피처리 기판을 유지하는 처리 용기를 준비한다. 그래서, 제 1 가스와 제 2 가스를 교대로 상기 처리 용기에 공급하면 좋다. 구체적으로는, 우선, 제 1 가스를 처리 용기 내의 기판상에 공급하여, 그 흡착층을 기판상에 형성한다. 그 후에, 제 2 가스를 처리 용기 내의 기판상에 공급하여 반응시키고, 필요에 따라 이 처리를 소정 회수 반복하면 좋다. 이 방법에 의하면, 제 1 가스가 기판에 흡착한 후, 제 2 가스와 반응하므로, 성막 온도의 저온화를 도모할 수 있다. 또한, 불순물이 적고 고품질인 막을 얻을 수 있는 동시에, 미세 패턴으로 성막할 때에는, 종래의 CVD법에서 문제가 되고 있었던 것처럼, 처리 가스가 홀 상부에서 반응 소비되어 보이드가 형성되지 않고, 양호한 커버리지 특성을 얻을 수 있다.
이러한 성막 방법으로 형성하는 것이 가능한 막으로서, 제 1 가스에 금속을 포함하는 막, 제 2 가스에 그 제 1 가스의 환원 가스를 이용하여, 그 금속을 포함하는 막을 형성하는 것이 가능하며, 예컨대, Ta, TaN, Ta(C)N, Ti, TiN, Ti(C)N, W, WN 및 W(C)N 등으로 이루어지는 막을 형성하는 것이 가능하다.
예컨대, Ta막을 형성하는 경우를 예로 들어 보면, 상기 제 1 처리 가스에는 Ta를 포함하는 화합물, 예컨대, TaCl5, 상기 제 2 처리 가스에는 H2를 이용하여, 이 H2를 플라즈마 여기(勵起)하여 TaCl5를 환원함으로써, Ta막을 형성하는 것이 가능하다.
이러한 성막 방법으로 형성되는 막은, 막질이 양호하고 커버리지의 특성에 우수하므로, 예컨대, 반도체 디바이스에서 Cu 배선을 형성하는 경우의 절연막과 Cu의 사이에 형성되는, Cu 확산 방지막에 이용되는 경우가 있다.
(특허문헌 1) 미국 특허 공보 제 5916365호
(특허문헌 2) 미국 특허 공보 제 5306666호
(특허문헌 3) 미국 특허 공보 제 6416822호
(특허문헌 4) 국제 공개 공보 제 WO00／79756호
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그러나, 예컨대, 처리 가스를 플라즈마 여기하여 이용하는 경우에는, 이 플라즈마에 의해 생성된 이온이나 래디컬 등이, 처리 용기 내부, 예컨대, 고주파 전력이 인가되는 전극이 스퍼터링되어 처리 용기 내에 비산하여, 이물질이나, 형성되는 박막의 오염원이 되는 경우가 있었다. 그 구체적인 예를 이하에 나타낸다.
예컨대, 도 1(a)∼(d)는 피처리 기판상에 Ta막을 형성하는 성막 방법을, 순서에 따라 나타낸 일례이다.
우선, 도 1(a)에 나타내는 공정에서는, 기판 유지대 E1에 유지된 피처리 기판 Su상에, 이 피처리 기판상에 설치된 샤워헤드부 E2에서, 예컨대, TaCl5로 이루어지는 제 1 처리 가스 G1을 공급하여, 이 피처리 기판 Su상에 흡착시킨다. 이 경우, 상기 샤워헤드부 E2는, 처리 가스를 피처리 기판상에 공급하는 것이 가능하며, 또한 고주파 전원 R에서 고주파 전력이 인가되는 구조를 갖고 있다.
다음으로, 도 1(b)에 나타내는 공정에서, 상기 샤워헤드부 E2에서, 예컨대, H2로 이루어지는 제 2 처리 가스 G2를 공급하고, 또한 이 샤워헤드부 E2에 고주파 전력을 인가함으로써, 상기 기판 유지대 E1과 상기 샤워헤드부 E2 사이의 갭 Ga에, 플라즈마를 여기한다. 이 때문에, 이 갭 Ga에 공급된 H2가 해리되어, 예컨대, H＋／H*(수소 이온과 수소 래디컬)가 형성된다.
다음으로, 도 1(c)에 나타내는 공정에서는,
로 나타낼 수 있는 반응이 발생하여, 피처리 기판상에는 Ta막이 형성된다.
그러나, 한편으로, 도 1(d)에 나타내는 바와 같이,
로 나타내는 반응이 발생하여, 즉, 형성된 HCl이 플라즈마에 의해 여기되어, 할로겐 원소가 활성화됨으로써, 예컨대, Cl＋／Cl*(Cl 이온과 Cl 래디컬)이 생성되고, 이에 의해 상기 샤워헤드부 E2가 에칭되어 버리는 문제가 있었다. 또한, 생성되는 Cl 이온과 Cl 래디컬 중, 특히 Cl 이온에 의한 스퍼터링의 영향이 크다. 이는, 상기 샤워헤드부 E2에는 고주파 전력이 인가되어 있어, 이른바, 셀프 바이어스 전위(Vdc)가 발생함으로써, 이온 충격이 커져 스퍼터링 속도가 빨라져 버리기 때문이다. 이 때문에, 상기 피처리 기판 Su에, 스퍼터링에 의해 비산하는 상기 샤워헤드를 구성하는 재료가 혼입하여, 형성되는 Ta막의 오염원이 되어 버리는 경우가 있었다.
그래서, 본 발명에서는 상기 문제를 해결한 성막 방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명의 구체적인 과제는, 처리 가스를 플라즈마 여기하여 이용하여, 피처리 기판에 성막을 행하는 경우에, 성막의 오염원의 비산을 억제하여, 청정하고 안정한 성막을 가능하게 하는 것이다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 제 1 관점에서는, 상기 과제를, 피처리 기판을 유지하는 유지대를 내부에 구비한 처리 용기와, 고주파 전력이 인가 가능하게 구성된, 상기 처리 용기 내에 성막 가스 또는 이 성막 가스를 환원하는 환원 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비한 성막 장치에 의한 성막 방법으로서, 상기 처리 용기 내에 금속 원소와 할로겐 원소를 포함하는 상기 성막 가스를 공급하는 제 1 공정과, 상기 처리 용기 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제 2 공정과, 상기 가스 공급부에 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기하고, 상기 피처리 기판상에 성막을 행하는 제 3 공정을 갖고, 상기 제 3 공정에서 활성화되는 상기 할로겐 원소의 에칭으로부터, 상기 가스 공급부를 보호하는 보호막을 형성하는 보호막 형성 공정을 더 마련한 것을 특징으로 하는 성막 방법에 의해, 해결한다.
또한, 본 발명의 제 2 관점에서는, 상기 과제를, 피처리 기판을 유지하는 유지대를 내부에 구비한 처리 용기와, 고주파 전력이 인가 가능하게 구성된, 상기 처리 용기 내에 성막 가스 또는 이 성막 가스를 환원하는 환원 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비한 성막 장치에 의한 성막 방법을 컴퓨터에 동작시키는 프로그램을 기억한 기록 매체로서, 상기 프로그램은, 상기 처리 용기 내에 금속 원소와 할로겐 원소를 포함하는 상기 성막 가스를 공급하는 제 1 공정과, 상기 처리 용기 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제 2 공정과, 상기 가스 공급부에 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기하고, 상기 피처리 기판상에 성막을 행하는 제 3 공정을 갖고, 상기 제 3 공정에서 활성화되는 상기 할로겐 원소의 에칭으로부터, 상기 가스 공급부를 보호하는 보호막을 형성하는 보호막 형성 공정을 더 마련한 것을 특징으로 하는 기록 매체에 의해, 해결한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 처리 가스를 플라즈마 여기하여 이용하여, 피처리 기판에 성막을 행하는 경우에, 성막의 오염원의 비산이 억제되어, 청정하고 안정한 성막이 가능해진다.
도 1(a)∼(d)는 종래의 성막 방법을 모식적으로 나타낸 도면,
도 2는 실시예 1에 의한 성막 방법을 실시하는 성막 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 성막 장치에 이용하는 샤워헤드부의 단면을 모식적으로 나타낸 도면,
도 4는 실시예 1에 의한 성막 방법을 나타내는 흐름도(그 첫 번째),
도 5는 실시예 1에 의한 성막 방법을 나타내는 흐름도(그 두 번째),
도 6은 실시예 1에 의한 성막 방법을 나타내는 흐름도(그 세 번째),
도 7은 성막 온도와 형성되는 박막의 성막 속도의 관계를 나타내는 도면,
도 8은 실시예 3에 의한 성막 방법을 실시하는 성막 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 도면,
도 9는 성막 온도와 형성되는 보호막의 성막 속도의 관계를 나타내는 도면,
도 10은 성막 온도와 형성되는 보호막의 광학 굴절률의 관계를 나타내는 도면,
도 11은 피처리 기판상에 Ti를 형성한 경우의, 성막 속도와 비저항치(比抵抗値)이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 처리 용기 12 : 기판 유지대
12a : 기판 유지대 지지부 13 : 샤워헤드부
13A : 샤워헤드 본체 13B : 샤워 플레이트
13c, 13d, 13E : 가스 구멍 14, 16, 100a, 100b : 인슐레이터
15 : 배기구 17 : 고주파 전력
17a : 전원 라인
100, 101, 102, 200, 201, 202, 203, 205, 206, 207, 209 : 가스 라인
101A, 102A, 201A, 205A, 209A : 질량 유량 컨트롤러
101a, 101b, 102a, 102b, 201a, 201b, 203a, 203b, 202a, 203c, 205a, 205b, 206a, 207a, 207b, 207c, 209a, 209b : 밸브
다음으로, 본 발명의 실시예에 관하여 도면에 근거하여, 이하에 보고한다.
(실시예 1)
도 2는 실시예 1에 의한 성막 방법을 실시하는 성막 장치를, 모식적으로 나타낸 도면이다.
본 도면에 나타내는 성막 장치의 개략은, 내부에 피처리 기판 W를 수납하는 처리 용기(11)를 갖고, 이 처리 용기(11) 내에 형성되는 처리 공간(11A)에, 가스 라인(200) 및 가스 라인(100)을 거쳐, 각각 제 1 처리 가스 및 제 2 처리 가스가 공급되는 구조로 되어 있다.
그래서, 상기 처리 공간(11A)에는, 가스 라인(200)과 가스 라인(100)에서, 처리 가스를 1종류씩 교대로 공급함으로써, 처리 가스의 반응 표면에의 흡착을 경 유하여 원자층ㆍ분자층에 가까운 레벨에서 성막을 행하고, 이들 공정을 반복하여, 이른바, ALD법에 의해, 피처리 기판 W상에 소정 두께의 박막을 형성하는 것이 가능해지고 있다. 이러한 ALD법으로 형성된 막은, 성막 온도가 저온이면서, 불순물이 적고 고품질인 막을 얻을 수 있는 동시에, 미세 패턴으로 성막할 때에는, 양호한 커버리지 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에 의한 성막 방법에서는, 금속을 포함하는 제 1 처리 가스를 환원하는 제 2 처리 가스를 플라즈마 여기하여 이용하고 있으며, 이 때문에, 제 1 처리 가스를 환원하는 반응이 촉진되어, 형성되는 막질이 양호하게 되는 효과를 나타낸다.
그러나, 종래에는, 플라즈마 여기를 행하는 경우에, 처리 용기 내에서 형성되는 이온이나 래디컬 등에 의해 처리 용기 내부, 예컨대, 플라즈마 여기를 위한 고주파가 인가되는 전극 등이 에칭되어 버리는 문제가 발생하고 있었다. 특히, 형성되는 막질이 양호하며, 불순물이 지극히 적은 것이 특징인 ALD법에 의한 성막 방법의 경우, 이들 오염이 특히 문제가 되는 경우가 있었다.
그래서, 본 실시예에서는, 처리 용기 내부나 전극에 에칭에 대한 보호막을 형성함으로써, 청정하고 안정한 성막을 실현하고 있다. 이 구체적인 방법이나 그 상세에 대해서는 후술한다.
다음으로, 이 성막 장치의 상세에 대하여 보면, 본 도면에 나타내는 성막 장치는, 예컨대, 알루미늄, 표면을 알루마이트 처리한 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등으로 이루어지는 처리 용기(11)를 갖고, 상기 처리 용기(11)의 내부에는 기판 유지대 지지부(12a)에 지지된, 대략 원판 형상의, 예컨대, 하스텔로이(Hastelloy)로 이루어지는 기판 유지대(12)가 설치되며, 상기 기판 유지대(12)의 중심에는 피처리 기판인 반도체 피처리 기판 W가 탑재된다. 상기 기판 유지대(12)에는 도시하지 않는 히터가 내장되어 상기 피처리 기판을 소망하는 온도로 가열하는 것이 가능한 구조로 되어 있다.
상기 기판 처리 용기(11) 내의 처리 공간(11A)은, 배기구(15)에 접속되는, 도시하지 않는 배기 수단에 의해 진공 배기되어, 상기 처리 공간(11A)을 감압 상태로 하는 것이 가능하다. 또한, 상기 피처리 기판 W는, 상기 처리 용기(11)에 설치된 도시하지 않는 게이트 밸브에서 상기 처리 용기(11) 내에 반입 또는 반출된다.
또한, 상기 처리 용기(11) 내에는, 상기 기판 유지대(12)에 대향하도록, 예컨대, 니켈이나 알루미늄 등으로 이루어지는 대략 원통 형상의, 가스 공급부인, 예컨대, 샤워헤드 구조를 갖는 샤워헤드부(13)가 설치되어 있으며, 상기 샤워헤드부(13)의 측벽면 및 이 샤워헤드부(13)와 상기 처리 용기(11)의 사이에는, 예컨대, 석영이나 SiN, AlN 등의 세라믹 등으로 이루어지는 인슐레이터(16)가 마련되어 있다.
또한, 상기 샤워헤드부(13)상의, 상기 처리 용기(11)의 위의 벽면에는 개구부가 마련되고, 절연체로 이루어지는 인슐레이터(14)가 삽통(揷通)되어 있다. 상기 인슐레이터(14)에는, 고주파 전원(17)에 접속된 도입선(17a)이 삽통되고, 상기 도입선(17a)은 상기 샤워헤드부(13)에 접속되며, 상기 도입선(17a)에 의해 상기 샤워헤드부(13)에는 고주파 전원이 인가되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 처리 공간(11A)에, 제 1 처리 가스를 공급하는 상기 가스 라인(200)과, 상기 처리 공간(11A)에, 제 2 처리 가스를 공급하는 가스 라인(100)은, 상기 샤워헤드부(13)에 접속되고, 상기 제 1 처리 가스와 제 2 처리 가스는, 이 샤워헤드부(13)를 거쳐 상기 처리 공간(11A)에 공급되는 구조로 되어 있다. 또한, 상기 가스 라인(200) 및 가스 라인(100)에는 각각, 인슐레이터(200a, 100a)가 삽입되어 있으며, 가스 라인이 고주파 전력으로부터 격절되는 구조로 되어 있다.
도 3은 상기 샤워헤드부(13)의 상세를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 단, 도면 중, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 설명을 생략한다. 상기 샤워헤드부(13)는, 내부에 제 1 처리 가스의 가스 유로(200G)와, 제 2 처리 가스의 가스 유로(100G)가 형성된 샤워헤드 본체(13A)와, 이 샤워헤드 본체(13A)에 계합(係合)하는, 복수의 가스 구멍(13c, 13d)으로 이루어지는 가스 구멍(13E)이 형성된 샤워 플레이트(13B)를 갖고 있다.
상기 가스 라인(200)에 접속된 상기 가스 유로(200G)는, 또한 상기 샤워 플레이트(13B)의 가스 구멍(13c)에 접속되어 있다. 즉, 상기 제 1 처리 가스는, 상기 가스 라인(200)으로부터 상기 가스 유로(200G), 또한 상기 가스 구멍(13c)에 걸려 구성되어 있는 제 1 가스 공급 경로를 거쳐 상기 처리 공간(11A)에 공급된다. 한편, 상기 가스 라인(100)에 접속된 상기 가스 유로(100G)는, 또한 상기 샤워 플레이트(13B)의 가스 구멍(13d)에 접속되어 있다. 즉, 상기 제 2 처리 가스는, 상기 가스 라인(100)으로부터 상기 가스 유로(100G), 또한 상기 가스 구멍(13d)에 걸려 구성되어 있는 제 2 가스 공급 경로를 거쳐 상기 처리 공간(11A)에 공급된다.
이와 같이, 상기 샤워헤드부(13)는, 제 1 처리 가스와 제 2 처리 가스의 유로가 독립적으로 형성되어 있으며, 이 제 1 처리 가스와 제 2 처리 가스는 주로 상기 처리 공간(11A)에서 혼합되는, 이른바, 포스트믹스형 샤워헤드 구조로 되어 있다.
또한, 이 샤워헤드부(13)에는, 예컨대, 가열 히터로 이루어지는 가열 수단(13a)이 설치되어 있으며, 이 샤워헤드부(13)를 가열하는 것이 가능해지고 있다. 예컨대, Ta막 등의 금속막 또는 금속을 포함하는 막 등이 성막되는 경우에는, 성막 속도는 성막되는 대상물의 온도에 의존하고, 이 온도가 높을수록 그 성막 속도가 낮아지는 경향이 있다. 그 때문에, 이 가열 수단(13a)에 의해 샤워헤드부를 가열함으로써, 샤워헤드부(13)에 형성되는 막의 막 두께를 얇게 하여, 막의 박리나 이물질의 발생을 방지하고, 또한 클리닝 등의 유지 보수의 주기를 길게 하는 효과를 나타낸다.
또한, 상기 가스 라인(200)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 이 가스 라인(200)에 제 1 처리 가스를 공급하는, 밸브(202a)를 부착한 가스 라인(202)과, 이 가스 라인(200)에 별도의 제 1 처리 가스를 공급하는, 밸브(206a)를 부착한 가스 라인(206)이 접속되어 있다. 즉, 상기 가스 라인(200)에는, 상기 가스 라인(202)과 상기 가스 라인(206)으로부터 각각 공급되는, 2종류의 제 1 처리 가스를, 밸브의 개폐에 의해 전환하여 사용할 수 있는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 가스 라인(200)에는, 이 가스 라인(200)에 퍼지 가스를 공급하는 가스 라인(201)이 접속되어 있다.
한편, 상기 가스 라인(100)에는, 이 가스 라인(100)에 제 2 처리 가스를 공급하는 가스 라인(101)과, 이 가스 라인(100)에 퍼지 가스를 공급하는 가스 라인(102)이 접속되어 있다.
우선, 상기 가스 라인(202)에 대하여 보면, 상기 가스 라인(202)에는, 질량 유량 컨트롤러(203A)와, 밸브(203a), 밸브(203b), 밸브(203c)가 부착된 라인(203)이 접속되고, 이 라인(203)은, 예컨대, TaCl5 등의, 원료(204A)가 유지된 원료 용기(204)에 접속되어 있다. 이 원료(204A)는, 피처리 기판상에 형성되는 금속을 포함하는 박막의 원료가 된다. 또한, 상기 가스 라인(202)에는, 질량 유량 컨트롤러(205A)와, 밸브(205a, 205b)가 부착된, 예컨대, Ar 등의 캐리어 가스를 도입하는 가스 라인(205)이 접속되어 있다. 상기 가스 라인(200)으로부터는, 상기 가스 라인(205)으로부터 공급되는 Ar 등의 캐리어 가스와 함께 상기 제 1 처리 가스가 상기 샤워헤드부(13)를 거쳐 상기 처리 공간(11A)에 공급되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 가스 라인(206)에는, 질량 유량 컨트롤러(207A)와, 밸브(207a), 밸브(207b), 밸브(207c)가 부착된 라인(207)이 접속되고, 이 라인(207)은, 예컨대, TiCl4 등의, 원료(208A)가 유지된 원료 용기(208)에 접속되어 있다. 이 원료(208A)는, 상기 샤워헤드부(13)를 보호하는 보호막을 형성하는 원료가 된다. 또한, 상기 가스 라인(206)에는, 질량 유량 컨트롤러(209A)와, 밸브(209a, 209b)가 부착된, 예컨대, Ar 등의 캐리어 가스를 도입하는 가스 라인(209)이 접속되어 있다. 상기 가스 라인(200)으로부터는, 상기 가스 라인(209)으로부터 공급되는 Ar 등의 캐리어 가스와 함께 상기 제 1 처리 가스와는 다른 별도의 제 1 처리 가스가 상기 샤워헤드부(13)를 거쳐 상기 처리 공간(11A)에 공급되는 구조로 되어 있다.
이와 같이, 상기 가스 라인(200)으로부터는, 피처리 기판상에 박막을 형성하기 위한 원료가 되는 제 1 처리 가스와, 상기 샤워헤드부(13)를 보호하는 보호막을 형성하기 위한 원료가 되는, 이 제 1 처리 가스와 다른 별도의 제 1 처리 가스를 처리 용기 내에 공급하는 것이 가능해지고 있다.
또한, 상기 가스 라인(200)에 퍼지 가스를 공급하기 위한 상기 가스 라인(201)에는, 퍼지 가스인, 예컨대, Ar 가스의 공급원이 접속되고, 질량 유량 컨트롤러(201A)와, 밸브(201a, 201b)가 부착되어, 공급되는 퍼지 가스의 유량이 제어되는 구조로 되어 있다.
한편, 상기 가스 라인(100)에 접속된, 상기 가스 라인(101)에는, 제 2 처리 가스인, 예컨대, H2 가스의 공급원이 접속되고, 질량 유량 컨트롤러(101A)와, 밸브(101a, 101b)가 부착되어, 상기 가스 라인(100)에 공급되는 제 2 처리 가스의 유량이 제어되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 가스 라인(100)에 퍼지 가스를 공급하기 위한 상기 가스 라인(102)에는, 퍼지 가스인, 예컨대, Ar 가스의 공급원이 접속되고, 질량 유량 컨트롤러(102A)와, 밸브(102a, 102b)가 부착되어, 공급되는 퍼지 가스의 유량이 제어되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 밸브나 질량 유량 컨트롤러, 고주파 전원 등, 성막 장치의 성막 방법에 관한 동작은, 컴퓨터(CPU)(10A)를 내장한, 제어 장치(10)에 의해, 제어되는 구조로 되어 있다. 또한, 이 제어 장치(10)에는, 예컨대, 하드디스크 등으로 이루어지는 기억 매체(10B)가 내장되어 있으며, 예컨대, 이하에 나타낸 바와 같은 본 실시예에 의한 성막 방법의 동작은, 이 기억 매체(10B)에 기록된 프로그램에 의해, 상기 컴퓨터(10A)에 의해, 실행되는 구조로 되어 있다. 또한, 이러한 프로그램을, 장치 레시피라고 부르는 경우가 있다.
상기 성막 장치를 이용하여, 예컨대, 상기 유지대(12)상에 탑재된, 상기 피처리 기판 W상에, 금속막이나 금속을 포함하는 막을 형성하는 경우, 이 성막 장치는, 대강 이하와 같이 제어된다.
우선, 상기 가스 라인(200) 및 샤워헤드부(13)를 거쳐 상기 처리 공간(11A)에 금속을 포함하는 제 1 처리 가스를 공급한다. 이 제 1 처리 가스가, 상기 피처리 기판상에 흡착한 후, 이 처리 공간(11A)에 잔류하는 이 제 1 처리 가스를, 상기 배기구(15)에서 배기한다. 이 경우, 퍼지 가스를 이용하여 처리 공간(11A)을 퍼지하더라도 좋다.
다음으로, 상기 가스 라인(100) 및 샤워헤드부(13)를 거쳐 상기 처리 공간(11A)에, 상기 제 1 처리 가스를 환원하는 제 2 처리 가스를 공급하고, 또한 상기 샤워헤드부(13)에, 상기 고주파 전원(17)으로부터 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 공간(11A)에, 상기 제 2 처리 가스의 플라즈마를 여기한다. 이 때문에, 이 제 2 처리 가스의 해리가 진행하여, 해리함으로써 생성되는 래디컬이나 이온에 의해, 상기 제 1 처리 가스의 환원이 촉진된다.
다음으로, 이 처리 공간(11A)에 잔류하는 이 제 2 처리 가스를, 상기 배기구(15)에서 배기한다. 이 경우, 퍼지 가스를 이용하여 처리 공간(11A)을 퍼지하더라도 좋다.
이러한 처리를 반복함으로써, 즉, 처리 공간에 제 1 처리 가스를 공급하여 배출하고, 또한 제 2 처리 가스를 공급하여 배출하는 것을, 소정 회수 반복함으로써 상기 피처리 기판 W상에, 소망하는 두께의 박막이 형성된다.
이렇게 하여, 이른바, ALD법에 의해 형성된 막은, 막 중의 불순물이 적고, 막질이 양호한 특징을 갖고 있다.
그러나, 종래에는, 상기 처리 공간(11A)에 플라즈마 여기를 행한 경우에 형성되는 이온이나 래디컬에 의해, 상기 처리 공간(11A)에 면하는 대상물이, 예컨대, 에칭되는 등의 데미지를 받아, 이물질이나 박막의 오염원이 되는 물질이 비산해 버리는 경우가 있었다.
이 경우, 상기 처리 공간(11A)에 면하는 에칭의 대상이 될 수 있는 부분 중, 특히 상기 샤워헤드부(13)는 고주파 전압이 인가되어 부(負)로 대전하고 있으므로, 이온 충격이 크고, 스퍼터 에칭되는 비율이 커져 버리는 문제가 있었다. 그래서, 본 실시예에서는, 상기 샤워헤드부(13)를 포함하는, 상기 처리 공간(11A)에 면하는 에칭의 대상이 될 수 있는 부분에, 보호막을 형성하는 공정을 마련하여, 이 보호막을 형성함으로써, 상기 샤워헤드부(13) 등의 처리 공간(11A)에 면하는 대상물이 에칭되는 것을 방지하여, 이물질이나 오염 물질의 비산을 방지하는 것을 가능하게 하고 있다.
상기 샤워헤드부(13)는, 예컨대, Al이나 Ni 등의 금속 재료로 구성되므로, 스퍼터 에칭에 의해 Al이나 Ni가 비산한 경우, 피처리 기판상에 형성되는 박막의 오염 물질이 되어 버리는 문제가 있었다. 그래서, 본 실시예에서는, 상기 샤워헤드부(13)를 덮도록, 예컨대, 특히 스퍼터 에칭되는 상기 샤워 플레이트(13B)의, 상기 처리 공간(11A)에 노출한 표면을 덮도록, 보호막을 형성하고 있다.
예컨대, 상기 샤워헤드부(13) 등을 에칭 또는 스퍼터 에칭하는 활성종으로서는, 예컨대, 제 1 처리 가스에 이용하는, 금속의 할로겐 화합물에 포함되는 할로겐의 래디컬이나 이온이 있다. 예컨대, 피처리 기판상에 Ta막을 성막하는 경우에는, 제 1 처리 가스에 TaCl5 등의 할로겐 화합물을 이용하지만, TaCl5를 이용한 경우, 도 1(a)∼(d)에 나타낸 바와 같이, 할로겐 원소가 활성화되어 생성되는 할로겐 래디컬이나 할로겐 이온, 예컨대, Cl 래디컬이나 Cl 이온이 생성되어 샤워헤드부(13)가 에칭되어 버리고, 특히 Cl 이온의 어택에 의해 샤워헤드부(13)가 스퍼터 에칭되어 버리는 문제가 현저했다.
그래서, 본 실시예에서는, 상기 샤워헤드부(13)를 보호막으로 덮어 보호막을 형성하지만, 이 보호막이, 상기 샤워헤드를 구성하는 재료보다, 상기 처리 용기 내에 생성되는 이온에 의한 스퍼터링 내성이 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 효율적으로 상기 샤워헤드부(13)의 스퍼터 에칭을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 이 보호막은, 피처리 기판상에 형성되는 박막보다, 상기 처리 용기 내에 생성되는 이온에 의한 스퍼터링 내성이 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 피 처리 기판상에 박막을 형성하는 경우에, 상기 샤워헤드부(13)에 퇴적하는 박막보다, 상기 보호막의 스퍼터링 내성이 크므로, 효율적으로 상기 샤워헤드부(13)의 스퍼터 에칭을 억제하는 것이 가능해진다.
예컨대, 피처리 기판상에 Ta막을 형성하는 경우에는, 제 1 처리 가스에 TaCl5, 제 2 처리 가스에는 H2를 이용하고, 또한 제 2 처리 가스는 플라즈마 여기하여 이용한다. 이 경우, 예컨대, 스퍼터링 내성에 우수한, 상기 샤워헤드부(13)를 보호하는 보호막으로서는, Ti를 포함하는 막, 또는 Ti막을 이용하면, 예컨대, 샤워헤드부(13)를 구성하는 Al 또는 Ni보다 스퍼터링 내성이 높고, 또한, 성막 처리시에 샤워헤드부에 형성되는 Ta보다 스퍼터링 내성이 높아, 바람직하다.
또한, 상기 샤워헤드부(13)에 어택하는 이온은, Cl 이온 등의 할로겐 이온에 한정되지 않고, 예컨대, 캐리어 가스로서 제 2 처리 가스와 함께 처리 용기 내에 공급되는 가스, 예컨대, Ar 가스에서 생성되는 Ar 이온 등도 포함되는 경우가 있으며, 이들 이온 등에 대해서도, 보호막의 스퍼터링 내성이 높은 것이 바람직하다.
예컨대, Ar에 의한 스퍼터링에 대하여, 스퍼터링 현상이 일어나는 셀프 바이어스 전위(Vdc)의 임계값은, Ni가 7V, Al이 13V, Ta가 13V인 데 대하여, Ti의 경우는 20V로 높은 값을 나타내고 있다. (「스퍼터링 현상」, 긴바라 아키라(金原粲) 저, 1984, 참조).
이와 같이, Ti는, Ar의 스퍼터링에 대하여, Al이나 Ni, Ta에 비해서 높은 내성을 나타내고 있다. 또한, Cl의 스퍼터에 대해서도 Ti의 내성은 마찬가지로 높다 고 생각되어, 스퍼터링의 보호막으로서는 Ti막 또는 Ti를 포함하는 막이 바람직한 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 2에 나타낸 성막 장치를 이용하여, 본 실시예의 성막 방법을 실시하는 경우의 구체적인 일례를, 도 4에 나타내는 흐름도에 근거하여, 설명한다.
도 4는 본 실시예에 의한 성막 방법을 나타내는 흐름도이다. 단, 도면 중, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 설명을 생략한다.
우선, 단계 10(도면 중 S10이라 표기하는, 이하 마찬가지)에서, 피처리 기판이 처리 용기에 반입되기 전에, 처리 용기(11) 내의 처리 공간(11A)에 면하는 부분, 예컨대, 샤워헤드부(13)에, 이 샤워헤드부(13)를 스퍼터 에칭으로부터 보호하기 위한, 예컨대, Ti막으로 이루어지는 보호막을 형성한다. 이 경우, 단계 10으로 표시되는 보호막 형성 공정의 상세의 일례에 관해서는, 도 6에서 후술한다.
다음으로, 단계 20에서, 피처리 기판 W가 상기 성막 장치에 반입되고, 상기 기판 유지대(12)에 탑재된다.
다음으로, 단계 30에서는, 상기 유지대(12)에 내장한 히터에 의해 상기 피처리 기판이 승온된다.
다음으로 단계 40에서, 상기 밸브(203a, 203b, 203c)가 개방되어, 상기 원료 용기(204)로부터, 기화한 TaCl5가, 상기 가스 라인(205)으로부터 공급되는 Ar과 함께, 상기 가스 라인(200)을 거쳐, 상기 처리 공간(11A)에 공급된다.
본 단계에서, 상기 제 1 처리 가스인 TaCl5가 피처리 기판상에 공급됨으로 써, 피처리 기판상에 상기 제 1 처리 가스가 흡착된다.
또한, 본 단계에서는, 밸브(102a) 및 밸브(102b)를 개방하여 상기 질량 유량 컨트롤러(102A)에서 유량을 제어하여, 역류방지 가스로서 Ar을, 상기 가스 라인(100)에서 상기 처리 공간(11A)에 공급하고, 제 1 처리 가스가 상기 샤워헤드부(13)로부터, 상기 가스 라인(100) 쪽으로 역류하는 것을 방지하더라도 좋다.
다음으로, 단계 50에서, 상기 밸브(203a, 203b, 203c)를 닫아 상기 처리 공간(11A)으로의 상기 제 1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판상에 흡착하지 않는, 미흡착되어 상기 처리 공간(11A)에 잔류하고 있었던 제 1 처리 가스를, 상기 배기구(15)에서 상기 처리 용기(11)의 밖으로 배출한다. 이 경우, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 개방하고, 각각 상기 가스 라인(200) 및 가스 라인(100)으로부터 퍼지 가스로서 Ar을 도입하여, 상기 처리 공간(11A)을 퍼지하더라도 좋다. 이 경우, 신속하게 잔류한 제 1 처리 가스가 처리 공간에서 배출된다. 소정 시간의 퍼지가 종료 후, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 닫는다.
다음으로, 단계 60에서, 상기 밸브(101a, 101b)를 개방하고, 상기 질량 유량 컨트롤러(101A)에서 유량을 제어함으로써, 제 2 처리 가스인 H2 가스를 상기 가스 라인(100)에서 상기 처리 공간(11A)에 도입하고, 또한, 상기 고주파 전원(17)에서 상기 샤워헤드부(13)에 고주파 전력(RF)을 인가하여, 이 처리 공간(11A)에서 플라즈마 여기를 행한다. 이 경우, 상기 처리 공간의 H2가 해리되어, H＋／H*(수소 이온 과 수소 래디컬)가 되며, 상기 피처리 기판 W상에 흡착하고 있는 상기 제 1 처리 가스(TaCl3)와 반응한다. 이 경우, 플라즈마를 여기하기 전에, 제 2 처리 가스의 유량 안정을 위해, 또한 처리 공간의 압력 상승을 위해, 제 2 처리 가스를 소정 시간 공급하도록 하더라도 좋다.
본 단계에서는,
로 표시되는 반응이 발생하여, 피처리 기판상에는 Ta막이 형성된다.
그러나, 한편으로,
로 나타내는 반응이 발생하여, 즉, 형성된 HCl이 플라즈마에 의해 여기되어, 예컨대, Cl＋／Cl*(염소 이온과 염소 래디컬)이 생성된다. 종래에는, 이들 래디컬이나 이온에 의해 상기 샤워헤드부(13)가 에칭되어 버리는 문제가 있었지만, 본 실시예에서는 샤워헤드부가 Ti막으로 이루어지는 보호막으로 덮여있으므로, 에칭을 억제하는 것이 가능해지고 있다. 또한, 이 경우, 억제되는 에칭은 화학적인 에칭과 물리적인 에칭(스퍼터 에칭)의 쌍방을 포함한다.
또한, 본 단계에서는, 밸브(201a) 및 밸브(201b)를 개방하여 상기 질량 유량 컨트롤러(201A)에서 유량을 제어하고, 역류방지 가스로서 Ar을, 상기 가스 라인(200)에서 상기 처리 공간(11A)에 공급하여, 제 2 처리 가스가 상기 샤워헤드부(13)로부터, 상기 가스 라인(200) 쪽으로 역류하는 것을 방지하더라도 좋다. 또 한, 제 2 처리 가스를 공급하는 경우에, 상기 가스 라인(102)으로부터, 캐리어 가스로서 Ar을 공급하더라도 좋다. 이러한, 역류 방지 가스나 캐리어 가스로서 처리 용기 내에 공급되는 가스, 예컨대, Ar 등이 플라즈마 여기됨으로써 생성되는 활성종(Ar 이온 등)에 의해서도 샤워헤드부(13)는 에칭되는 경우가 있으며, 보호막은 이러한 에칭으로부터도 샤워헤드를 보호하는 것이 가능하다.
다음으로, 단계 70에서, 상기 밸브(101a, 101b)를 닫아 상기 처리 공간(11A)으로의 상기 제 2 처리 가스의 공급을 정지하여, 상기 피처리 기판상의 상기 제 1 처리 가스와 반응하지 않는 상기 처리 공간(11A)에 잔류하고 있었던 제 2 처리 가스를, 상기 배기구(15)에서 상기 처리 용기(11)의 밖으로 배출한다. 이 경우, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 개방하고, 각각 상기 가스 라인(200) 및 가스 라인(100)으로부터 퍼지 가스로서 Ar을 도입하여, 상기 처리 공간(11A)을 퍼지하더라도 좋다. 이 경우, 신속하게 잔류한 제 2 처리 가스가 처리 공간에서 배출된다. 소정 시간의 퍼지가 종료 후, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 닫는다.
다음으로, 단계 80에서는, 피처리 기판상에 필요한 막 두께의 박막을 형성하기 위해, 필요에 따라 성막 공정을 다시 단계 40으로 되돌려, 소망하는 막 두께가 될 때까지 단계 40∼70으로 이루어지는, 이른바, ALD법에 의한 성막 공정인 공정 AL1을 반복한 후에, 다음 단계 90으로 이행한다.
다음으로, 단계 90에서는 상기 피처리 기판 W를 상기 기판 유지대(12)에서 이간하여, 상기 처리 용기(11)로부터 반출한다.
이렇게 하여, 본 실시예에 의한 성막 처리에 의해, 피처리 기판상에 금속막이나 금속을 포함하는 막, 예컨대, Ta막이 형성된다. 이 경우, 제 1 처리 가스로서는, TaCl5에 한정되는 것이 아니고, 다른 할로겐 화합물 가스, 예컨대, TaF5, TaBr5, TaI5, 등을 이용하는 것이 가능하며, TaCl5를 이용한 경우와 동일한 효과를 나타낸다.
또, 본 실시예에서 형성되는 Ta막은, 막 중의 성분에, Ta를 적어도 포함하는 막을 나타내고 있으며, 그 결합 상태가 한정되는 것이 아니고, 또한, 첨가물을 포함하도록 하더라도 좋다. 또한, TaN막, Ta(C)N막 등도 형성할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의해 형성되는 금속막이나 금속을 포함하는 막은, 불순물이 적고 고품질인 막이며, 미세 패턴으로 성막할 때에는, 양호한 커버리지 특성을 얻을 수 있으므로, 미세화된 배선 패턴을 갖는 고성능 반도체 장치의, Cu 배선의 확산 방지막(배리어막 또는 밀착막)으로 이용하면 바람직하다.
또한, 본 실시예에 의한 성막 방법에 의해 성막이 가능한 막은, Ta를 함유하는 막에 한정되지 않고, 예컨대, Ti, W 등의 금속을 포함하는 막을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 도 4에는, 예컨대, 피처리 기판을 1장 처리하는 경우의 성막 방법의 일례를 나타냈지만, 복수의 피처리 기판에, 연속적으로 성막을 행하는 경우에는, 소정 매수의 성막 후에 처리 용기를 정기적으로 클리닝하여, 처리 용기 내부에 퇴적한 박막을 제거하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 클리닝 공정을 포함하는 성막 방법의 일례를, 다음으로, 도 5에 나타낸다.
도 5는 복수의 피처리 기판상에 연속적으로 성막을 행하는 경우의, 클리닝 공정을 포함하는 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다. 단, 도면 중, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 설명을 생략한다.
본 도면에 나타내는 성막 방법의 경우, 단계 90 후에, 단계 100으로 진행하고, 단계 100에서는, 처리 매수가 소정 매수에 달했는지 여부를 판단하여, 소정 매수에 달하지 않은 경우에는 처리를 단계 20으로 되돌려, 단계 20으로부터 단계 90까지의 주기 S를 반복한다. 여기서, 소정 매수의 처리가 종료하여, 처리 용기 내의 클리닝이 필요하게 되면, 단계 100으로부터 처리가 단계 110으로 진행하여, 처리 용기 내의 클리닝을 행한다. 처리 용기 내의 클리닝은, 예컨대, 불소계의 가스를 도입하여 플라즈마 여기를 하는, 또는 활성 가스를 공급하여 가스 클리닝을 행하는, 또는 처리 용기를 개방하여 클리닝을 행하는 등, 여러 가지 방법으로, 처리 용기 내에 퇴적한 금속을 포함하는 막, 예컨대, Ta막 등을 제거하는 것이 가능하다. 본 단계에서 처리 용기 내의 클리닝이 종료하면, 처리를 단계 10으로 되돌려, 다시 샤워헤드부(13)를 포함하는 처리 용기 내에 보호막을 형성한다. 이는, 단계 110의 클리닝 공정에서, 보호막도 제거되기 때문이다.
이렇게 하여, 도 5에 나타낸 흐름도에 근거하여, 복수의 피처리 기판에 연속적으로 성막을 행하는 처리가 실시된다. 본 실시예에 의한 성막 방법에 의하면, 예컨대, 샤워헤드부 등의 처리 용기 내에 면하는 부재의 에칭량이 억제되므로, 이물질이나 오염 물질의 비산이 억제되어, 안정하고 청정한 성막이 가능해지고, 또한 샤워헤드부 등의 부재가 에칭되는 양이 억제되므로, 샤워헤드부 등의 부재의 유지 보수 주기를 길게 하는 것이 가능해지며, 성막 장치의 가동률이 향상하는 효과를 나타낸다.
다음으로, 도 4, 도 5에서, 단계 10으로 나타낸, 보호막 형성 공정에 대하여, 그 성막 방법의 상세의 일례를 도 6에 나타낸다.
도 6은 본 실시예에 의한 보호막 형성 공정의 일례의 상세를 나타낸 흐름도이다. 단, 도면 중, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 설명을 생략한다.
우선, 단계 11에서 보호막의 성막이 개시되면, 단계 12로부터 단계 15에서는, 도 4, 5에 나타낸 공정 AL1, 즉, 상기 단계 40으로부터 단계 70과 마찬가지로 하여, 상기 샤워 플레이트(13B)의 상기 처리 공간(11A)에 면한 쪽 등, 상기 샤워헤드부(13)의 표면을 포함하는 처리 용기(11) 내에 보호막을 형성한다.
구체적으로는, 우선, 단계 12에서, 상기 밸브(207a, 207b, 207c)가 개방되어, 상기 원료 용기(208)로부터, 기화한 TiCl4가, 상기 가스 라인(209)으로부터 공급되는 Ar과 함께, 상기 가스 라인(200)을 거쳐, 상기 처리 공간(11A)에 공급된다.
본 단계에서, 상기 제 1 처리 가스인 TaCl5와는 다른, 별도의 제 1 처리 가스인 TiCl4가 피처리 기판상에 공급됨으로써, 예컨대, 상기 샤워헤드부(13)에, 이 별도의 제 1 처리 가스가 흡착된다.
또한, 본 단계에서는, 밸브(102a) 및 밸브(102b)를 개방하여 상기 질량 유량 컨트롤러(102A)에서 유량을 제어하고, 역류 방지 가스로서 Ar을, 상기 가스 라인(100)에서 상기 처리 공간(11A)에 공급하여, 이 별도의 제 1 처리 가스가 상기 샤워헤드부(13)로부터, 상기 가스 라인(100) 쪽으로 역류하는 것을 방지하더라도 좋다.
다음으로, 단계 13에서, 상기 밸브(207a, 207b, 207c)를 닫아 상기 처리 공간(11A)으로의 상기 별도의 제 1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판상에 흡착하지 않는, 미흡착으로 상기 처리 공간(11A)에 잔류하고 있었던 처리 가스를, 상기 배기구(15)에서 상기 처리 용기(11)의 밖으로 배출한다. 이 경우, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 개방하고, 각각 상기 가스 라인(200) 및 가스 라인(100)으로부터 퍼지 가스로서 Ar을 도입하여, 상기 처리 공간(11A)을 퍼지하더라도 좋다. 이 경우, 신속하게 잔류한 제 1 처리 가스가 처리 공간에서 배출된다. 소정 시간의 퍼지가 종료 후, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 닫는다.
다음으로, 단계 14에서, 상기 밸브(101a, 101b)를 개방하고, 상기 질량 유량 컨트롤러(101A)에서 유량을 제어함으로써, 제 2 처리 가스인 H2 가스를 상기 가스 라인(100)에서 상기 처리 공간(11A)에 도입하고, 또한, 상기 고주파 전원(17)에서 상기 샤워헤드부(13)에 고주파 전력(RF)을 인가하여, 상기 처리 공간(11A)에서 플라즈마 여기를 행한다. 이 경우, 상기 처리 공간의 H2가 해리되어, H＋／H*(수소 이온과 수소 래디컬)가 되며, 상기 샤워헤드부(13) 등에 흡착하고 있는 상기 제 1 처 리 가스(TaCl3)와 반응하여, 예컨대, 상기 샤워 플레이트(13B)의 표면 등, 상기 샤워헤드부(13)를 포함하는 처리 용기 내에, Ti막으로 이루어지는 보호막이 형성된다.
또한, 본 단계에서는, 밸브(201a) 및 밸브(201b)를 개방하여 상기 질량 유량 컨트롤러(201A)에서 유량을 제어하고, 역류 방지 가스로서 Ar을, 상기 가스 라인(200)에서 상기 처리 공간(11A)에 공급하여, 제 2 처리 가스가 상기 샤워헤드부(13)로부터, 상기 가스 라인(200) 쪽으로 역류하는 것을 방지하더라도 좋다. 또한, 제 2 처리 가스를 공급하는 경우에, 상기 가스 라인(102)으로부터, 캐리어 가스로서 Ar을 공급하더라도 좋다.
다음으로, 단계 15에서, 상기 밸브(101a, 101b)를 닫아 상기 처리 공간(11A)으로의 상기 제 2 처리 가스의 공급을 정지하고, 미반응의 상기 처리 공간(11A)에 잔류하고 있었던 제 2 처리 가스를, 상기 배기구(15)에서 상기 처리 용기(11)의 밖으로 배출한다. 이 경우, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 개방하고, 각각 상기 가스 라인(200) 및 가스 라인(100)으로부터 퍼지 가스로서 Ar을 도입하여, 상기 처리 공간(11A)을 퍼지하더라도 좋다. 이 경우, 신속하게 잔류한 제 2 처리 가스가 처리 공간에서 배출된다. 소정 시간의 퍼지가 종료 후, 상기 밸브(201a, 201b) 및 상기 밸브(102a, 102b)를 닫는다.
다음으로, 단계 16에서는, 필요에 따라 성막 공정을 다시 단계 12로 되돌려, 보호막이 소망하는 막 두께가 될 때까지 단계 12∼15로 이루어지는, 이른바, ALD법 에 의한 성막 공정인 공정 AL2를 반복한 후에, 다음 단계 17로 이행하여, 보호막 형성 공정을 종료한다. 단계 17 후는, 예컨대, 도 4, 도 5에 나타낸 상기 단계 20으로 이행한다.
이렇게 하여, 도 6에 나타낸 처리에 의해, 샤워헤드부 등에 금속막이나 금속을 포함하는 막으로 이루어지는 보호막, 예컨대, Ti막이 형성된다. 이 경우, 제 1 처리 가스로는, TiCl5에 한정되는 것이 아니고, 다른 처리 가스를 이용하는 것도 가능하며, TiCl4를 이용한 경우와 동일한 효과를 나타낸다.
또, 본 실시예에서 형성되는 Ti막은, 막 중의 성분에, Ti를 적어도 포함하는 막을 나타내고 있으며, 그 결합 상태가 한정되는 것이 아니고, 또한, 첨가물을 포함하도록 하더라도 좋다.
또한, 도 6에 나타내는, 이른바, ALD법에 의해 형성되는 보호막은, 불순물이 적고 고품질인 막이며, 또한, 화학적 에칭이나 물리적 에칭(스퍼터 에칭)에 대한 내성이 높은 특징을 갖고 있다.
또한, 본 실시예에 나타낸 보호막의 성막 방법에 의하면, 피처리 기판상에 형성하는 박막과 성막 방법이 동일하며, 가스 공급 설비나, 제어계나 제어에 관한 소프트웨어 등의 설비를 오늘날 공유하는 것이 가능하며, 성막에 관한 비용을 억제하는 것이 가능하다.
또한, 필요에 따라, 보호막의 특성이나 조성, 또한 함유하는 금속 등은, 임의로 변경하여 이용하는 것이 가능하다. 예컨대, 플라즈마 여기의 경우의 고주파 전력이 큰 경우, 즉, 셀프 바이어스 전위가 큰 경우에는, 필요에 따라 스퍼터링 내성이 높은 막 등을 더 형성하는 것이 가능하며, 이와 같이, 피처리 기판에 성막되는 성막 처리에 대응한 보호막을 형성하여 이용하는 것이 가능한 것은 분명하다.
(실시예 2)
또한, 도 2에 나타낸 성막 장치의 처리 효율을 향상시키기 위해, 상기 샤워헤드부(13)를 가열하는 방법이 있으며, 이 샤워헤드부(13)에 퇴적하는 박막의 두께, 예컨대, Ta막의 두께를 억제하는 방법이 있다.
도 7은 성막 온도와 퇴적되는 Ta막의 성막 속도의 관계를 나타낸 도면이지만, 성막 온도를 증대시키는 것에 따라, 성막 속도가 낮게 되고 있다. 이 때문에, 성막 온도가 높은 경우는 퇴적되는 Ta막의 막 두께가 얇아지는 것을 알 수 있다.
이러한, 온도와 성막 속도의 관계를 이용하여, 예컨대, 도 3에 나타낸 가열 수단(13a)에 의해 샤워헤드부를 가열함으로써, 샤워헤드부에 퇴적하는 Ta막 등의 막 두께를 얇게 하는 것이 가능해진다.
예컨대, 도 5에 나타낸 상기 공정 AL1에서, 상기 샤워헤드부(13)를 가열함으로써, 샤워헤드부에 퇴적하는 Ta막의 두께를 억제할 수 있다. 이 때문에, 예컨대, 도 5의 단계 100에 나타낸 소정 매수, 즉, 클리닝이 필요하게 될 때까지 가능한 처리 매수를 증대시키는 것이 가능해지며, 성막 장치의 처리 효율을 양호하게 하는 것이 가능해진다.
또한 이 경우, 보호막을 형성하는 회수도 마찬가지로 억제되므로, 보호막을 형성하는 성막 방법과 조합하여 이용하는 경우에는, 특히 성막 처리의 효율이 양호하게 되는 효과를 나타낸다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 특정한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 특허청구의 범위에 기재한 요지 내에서 여러 가지 변형ㆍ변경이 가능하다.
(실시예 3)
또한, 본 발명에서, 예컨대, 할로겐 등의 에칭을 방지하는, 예컨대, 샤워헤드부에 형성되는 보호막은, 상기한 바와 같이 Ti를 포함하는 막에 한정되는 것이 아니고, 다른 막을 이용하는 것도 가능하다.
이 경우, 예컨대, Si와 C를 포함하는 막을 상기 보호막으로서 이용하면 적합하다. 이 경우, Si와 C를 포함하는 막이란, 예컨대, Si와 C를 주성분으로 하는 막을 의미하고, 예컨대, H2 등의, 다른 원소를 함유하고 있더라도 좋다. 또한, 산소를 포함하도록 형성하는 것도 가능하지만, 산소를 포함하는 막은, 에칭 내성이 작아지므로, 될 수 있는 한 산소의 함유율은 작아지도록 하는 것이 바람직하다. 이하 내용 중에서는, Si와 C를 포함하는 막을, SiC막으로 표기한다.
이 SiC막은, 스퍼터링 내성이 우수하며, 상기 보호막으로서 이용한 경우에는, Ar 이온이나 Cl 이온 등의 스퍼터링 내성에 우수한 효과를 나타낸다. 또한, SiC막은, 성막 중에 형성되는 Cl 래디컬에 의한 화학적인 에칭에 의한 내성에 우수 하다고 하는 특징을 더 갖고 있으며, Cl 래디컬에 의한 에칭 내성에 관해서는, 상기 Ti를 포함하는 막보다 내성이 더 우수하다. 이 때문에, 성막 공정에서, 이온이 형성되는 경우의 이온에 의한 스퍼터링과, 성막 공정에서 형성되는, 할로겐 래디컬의 화학적인 에칭의 쌍방에 우수한 특징을 갖고 있다. 이 때문에, 샤워헤드부를, 성막 공정에서의 에칭에서 보호하는 효과가 우수하며, 오염 물질이 비산하는 것을 방지하는 효과가 크다.
예컨대, 특히 이온에 의해 스퍼터링에 의해 샤워헤드부가 에칭되는 것이 우려되는 경우에는, 보호막으로서 Ti를 포함하는 막을 이용하는 것이 가능하며, 또한 할로겐 래디컬 등의 화학적인 에칭의 영향이 큰 경우에는, Si와 C를 포함하는 막을 이용하는 것이 적합하다.
예컨대, SiC막은, 이하에 나타내는 장치에 의해 형성할 수 있다.
도 9는 본 실시예에 의한 성막 장치를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 단, 도면 중, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 설명을 생략한다. 이 경우, 장치의 개요는 도 2에 나타낸 성막 장치와 마찬가지이지만, 본 실시예에 의한 성막 장치의 경우, 이하의 점에서 다르다. 본 실시예에 의한 성막 장치의 경우, 상기 가스 라인(202)은, 상기 밸브(202a)를 거쳐, 가스 라인(220)과 접속되어 있다. 이 가스 라인(220)에는, 밸브(220a, 220b)와, 질량 유량 컨트롤러(220A)를 거쳐, 압력 제어 밸브(221a)를 갖는, 원료 가스 유지부(221)가 접속되어 있다. 이 원료 가스 유지부(221) 내에는, 보호막을 성막하기 위한, 보호막 성막 가스(221A)가 유지되어 있다. 또한, SiC막을 형성하기 위한 원료는, 상온에서 기체인 경우에 한정되지 않고, 상온에서 액체인 원료나 고체인 원료를 필요에 따라 이용할 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 보호막 성막 가스(221A)로서, 유기실란 가스, 예컨대, 트리메틸실란 가스를 이용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
본 실시예에 의한 성막 방법의 경우, 도 4∼도 5에 나타낸, 단계 10의 보호막 형성 공정에서, 상기 가스 라인(220)으로부터 상기 가스 라인(202), 또한 상기 샤워헤드부(13)를 거쳐 상기 처리 용기(11) 내에, 상기 보호막 성막 가스(221A)를 공급하고, 플라즈마를 여기하여, 보호막의 성막을 행한다.
구체적으로는, 예컨대, 보호막 형성 공정이 개시되면, 우선, 상기 밸브(202a, 220a, 220b)를 개방하고, 상기 질량 유량 컨트롤러(220A)에서, 상기 보호막 성막 가스(221A)의 유량을 제어하면서, 상기 처리 용기(11) 내에 보호막 성막 가스를 공급한다. 그래서, 상기 고주파 전원(17)에서, 상기 샤워헤드부(13)에 고주파 전력을 인가함으로써, 플라즈마를 여기하여 이 샤워헤드부(13)에, SiC막으로 이루어지는 보호막을 형성할 수 있다. 또한, 이 경우, 상기 가스 라인(102)에서 Ar 대신에 He 등의 가스를 공급하도록 하더라도 좋다.
또한, 상기 보호막을, 상기 샤워헤드부(13)를 덮도록 형성하는 경우, 상기 샤워헤드부(13)의 온도를 제어함으로써, 형성되는 보호막(SiC막)의 막질을 적절히 제어하는 것이 가능하다.
도 9는 성막 온도를 변경한 경우에, SiC막이 형성되는 성막 속도의 변화를 나타낸 것이다. 이 경우, 보호막(SiC막)은, 샤워헤드부(13)상에 형성된 것을 직접 측정하는 것은 곤란하므로, 피처리 기판상에 형성된 것을 측정하고 있다. 그러나, 이러한 온도에 대한 성막 특성의 변화는, 상기 샤워헤드부(13)상에 형성된 보호막의 경우도 마찬가지라고 생각된다. 이 경우, 트리메틸실란의 유량은, 150sccm, He의 유량이 800sccm, 고주파 전력은, 800W, 처리 용기 내의 압력이 7.8Torr이다.
도 9를 참조하여, 성막 온도(이 경우 피처리 기판의 온도)가 상승하면, 성막 속도가 감소하는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 이 경우, 성막 속도를 높게 함으로써, 형성되는 보호막(SiC막)의 밀도가 높아져, 이른바, 치밀한 막으로 되고 있는 것이 생각된다.
또한, 도 10에는, 성막 온도를 변경한 경우의, SiC막의 광학 굴절률의 변화를 나타낸다. 이 경우, 도 9에 나타낸 경우와 마찬가지로, 보호막은, 피처리 기판상에 형성된 것을 측정하고 있다.
도 10을 참조하여, 성막 온도가 상승하면, 광학 굴절률이 커지고 있으며, 성막 온도가 상승하는 것에 따라서, 보호막의 밀도가 증대하고 있다고 생각되는 결과를 나타내고 있다.
또한, 이와 같이 성막 온도를 상승시킴으로써 보호막의 밀도를 증대시키면, 이 보호막이 치밀하게 되어, 예컨대, 할로겐 이온이나 할로겐 래디컬 등에 대한 에칭 내성이 양호하게 된다고 생각된다. 이 때문에, 예컨대, 도 3에 나타낸 바와 같이, 샤워헤드부(13)에는, 이 샤워헤드부(13)를 가열하는 가열 수단(13a)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 가열 수단(13a)에 의해 이 샤워헤드부(13)를 가열함으로써, 이 샤워헤드부(13)에 형성되는 보호막을 치밀하고 에칭 내성이 우수한 것으로 할 수 있다.
또한, 한편으로 상기 샤워헤드부(13)의 온도는, 피처리 기판상에 성막을 행하는 성막 공정에서, 성막에 관한 조건에서 바람직한 온도 범위가 결정되므로, 이들 조건을 고려하여 적절한 온도가 되도록 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에 의한 성막 방법은, 상기 공정, 즉, 보호막 형성 공정 이외에는, 실시예 1∼실시예 2에 나타낸 경우와 마찬가지로 하여 행하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예에 의한 성막 방법에서는, 피처리 기판상에, 예컨대, Ta를 포함하는 막이나, Ti를 포함하는 막을 형성하는 것이 가능하다.
예컨대, 피처리 기판상에 Ti를 형성하는 경우에는, 도 4에 나타낸 상기 성막 공정 AL1에서, TaCl5 대신에, TiC4를 이용하면 좋다.
또한, 피처리 기판상에 Ti막 또는 Ta막을 형성하는 방법에 대해서는, 이른바, ALD법에 한정되지 않고, 다른 여러 가지 방법, 예컨대, PE－CVD법 등을 이용하여 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, Ti막이나 Ta막을 성막하기 위한, 예컨대, TaCl5나 TiC4 등의 성막 가스와, H2나 NH3 등의 환원 가스를, 예컨대, 동시에 처리 용기 내에 공급하여, 또는 공급 타이밍을 변경하여 처리 용기 내에 공급하여, 플라즈마를 여기함으로써, Ta나 Ti를 포함하는 막을 성막할 수 있다. 또한, 이들 가스 이외의 가스를 더 이용하여, 또는 이들 가스에 부가하여 여러 가지 가스를 이용하여, Ta나 Ti를 포함하는 막을 성막할 수 있다.
예컨대, 피처리 기판상에 Ti를 포함하는 막을 형성하는 경우에는, 성막하기 위한 가스로, TiCl4, Ar, H2, NH3 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이 경우, 필요에 따라 성막 공정을 복수의 단계로 이루어지도록 구성하고, 복수의 단계에서, 각각의 가스가 공급되는 기간이나 유량, 또한 인가되는 고주파 전력을 변경하여, 이 복수의 단계를 반복함으로써, 피처리 기판상에 Ti를 포함하는 막을 형성하는 것도 가능하다.
예컨대, 도 11에는, 성막하기 위한 가스로, TiCl4, Ar, H2, NH3을 이용하여 피처리 기판상에 Ti를 형성한 경우에, 피처리 기판 온도를 변경한 경우의, 성막 속도와 비저항치를 나타낸 것이다.
이 경우, 성막 단계는 제 1 단계와 제 2 단계로 이루어지며, 제 1 단계에서는, 처리 용기 내에, TiCl4, Ar, H2를, 각각, 2.5sccm, 750sccm, 1500sccm 공급하고, 고주파 전력을, 350W 인가하고 있다. 제 2 단계에서는, 처리 용기 내에, NH3, Ar, H2를, 각각, 200sccm, 750sccm, 1500sccm 공급하고, 고주파 전력을 500W 인가하고 있다. 또한 이 경우, 필요한 막 두께에 따라 단계 1과 단계 2를 반복하여 성막을 행한다.
이와 같이, 본 실시예에 의한 성막 방법에서는, 피처리 기판상에 Ta를 포함하는 막이나 Ti를 포함하는 막 등을 성막하는 것이 가능하다. 또한, 이 경우에, 샤워헤드부에 Si와 C를 포함하는 보호막이 형성되어 있음으로써, 샤워헤드부로부터의 오염 물질의 비산이 억제되어, 불순물이 억제된 순도가 높은 막을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 예컨대, 상기 보호막으로서, Ti를 포함하는 막과 SiC막을 적층한 구조 로 하는 것도 가능하다. 예컨대, 보호막으로서, Ti／SiC, SiC／Ta 등의 적층 구조, 또는, Ti／SiC／Ti, SiC／Ti／SiC 등의 적층 구조를 이용하는 것이 가능하며, 또한 이들 구조를 조합시켜 이용하는 것도 가능하다. 이 경우, 샤워헤드부 등의 에칭 방지 효과가 커져, 불순물의 비산 방지 효과가 양호하게 된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 특정한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 특허청구의 범위에 기재한 요지 내에서 여러 가지 변형ㆍ변경이 가능하다.
본 발명에 의하면, 처리 가스를 플라즈마 여기하여 이용하여, 피처리 기판에 성막을 행하는 경우에, 성막의 오염원의 비산이 억제되어, 청정하고 안정한 성막이 가능해진다.
본 국제 출원은, 2004년 12월 20일에 출원한 일본 특허 출원 제 2004－367789호에 근거하는 우선권을 주장하는 것이며, 제 2004－367789호의 전 내용을 본 국제 출원에 원용한다.
Claims (16)
- 피처리 기판을 유지하는 유지대를 내부에 구비한 처리 용기와,고주파 전력이 인가 가능하게 구성된, 상기 처리 용기 내에 성막 가스 또는 이 성막 가스를 환원하는 환원 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비한 성막 장치에 의한 성막 방법으로서,상기 처리 용기 내에 금속 원소와 할로겐 원소를 포함하는 상기 성막 가스를 공급하는 제 1 공정과,상기 처리 용기 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제 2 공정과,상기 가스 공급부에 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기하여, 상기 피처리 기판상에 성막을 행하는 제 3 공정을 갖고,상기 제 3 공정에서 활성화되는 상기 할로겐 원소의 에칭으로부터, 상기 가스 공급부를 보호하는 보호막을 형성하는 보호막 형성 공정을 더 마련한 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 공정은 상기 성막 가스를 상기 처리 용기 내에서 배출하는 공정을 포함하고,상기 제 2 공정은 상기 환원 가스를 상기 처리 용기 내에서 배출하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 3 공정은, 상기 환원 가스를 플라즈마 여기하는 공정인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 공정 내지 제 3 공정을 반복하여 실시함으로써 상기 성막을 행하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막은 Ti를 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 금속 원소는 Ta인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막 형성 공정은,상기 가스 공급부에서 상기 처리 용기 내에, 보호막 성막 가스를 공급하여 배출하는 제 4 공정과,상기 가스 공급부에서 상기 처리 용기 내에, 이 보호막 성막 가스를 환원하는 환원 가스를 공급하고, 상기 환원 가스를 상기 가스 공급부에 인가되는 고주파 전력에 의해 플라즈마 여기하여, 이 환원 가스를 배출하는 제 5 공정을 갖고,이 제 4 공정과 제 5 공정을 교대로 반복하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막은, Si와 C를 포함하는 막인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 보호막을 형성하는 공정은,상기 가스 공급부에서 상기 처리 용기 내에, Si 원소와 C 원소를 포함하는 보호막 성막 가스를 공급하는 제 6 공정과,상기 보호막 성막 가스를, 상기 가스 공급부에 인가되는 고주파 전력에 의해 플라즈마 여기하는 제 7 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 금속 원소는, Ti 또는 Ta인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 성막 가스는, TaCl5, TaF5, TaBr5 및 TaI5 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 보호막 성막 가스는, 유기실란 가스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 공급부는, 가열 수단에 의해, 가열되는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막 형성 공정 전에, 상기 처리 용기 내의 퇴적물을 제거하는 클리닝 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막 형성 공정에서는, 상기 유지대에 상기 피처리 기판이 탑재되지 않은 것을 특징으로 하는 성막 방법.
- 피처리 기판을 유지하는 유지대를 내부에 구비한 처리 용기와,고주파 전력이 인가 가능하게 구성된, 상기 처리 용기 내에 성막 가스 또는 이 성막 가스를 환원하는 환원 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비한 성막 장치에 의한 성막 방법을 컴퓨터에 동작시키는 프로그램을 기억한 기록 매체로서,상기 프로그램은,상기 처리 용기 내에 금속 원소와 할로겐 원소를 포함하는 상기 성막 가스를 공급하는 제 1 공정과,상기 처리 용기 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제 2 공정과,상기 가스 공급부에 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기하여, 상기 피처리 기판상에 성막을 행하는 제 3 공정을 갖고,상기 제 3 공정에서 활성화되는 상기 할로겐 원소의 에칭으로부터, 상기 가스 공급부를 보호하는 보호막을 형성하는 보호막 형성 공정을 더 마련한 것을 특징으로 하는 기록 매체.
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