KR20080029846A - 실리콘 산화막을 형성하기 위한 성막 방법 및 장치 - Google Patents

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가즈히데 하세베
요시히로 이시다
다께히꼬 후지따
쥰 오가와
시게루 나까지마
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도쿄 엘렉트론 가부시키가이샤
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Abstract

실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스와 산화 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역 내에서 피처리 기판 상에, CVD에 의해 산화막을 형성한다. 이로 인해, 제1 및 제2 공정을 교대로 구비하는 사이클을 복수회 반복한다. 제1 공정은 제1 처리 가스의 공급을 행하고, 피처리 기판의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성한다. 제2 공정은 제2 처리 가스의 공급을 행하여 피처리 기판의 표면 상의 흡착층을 산화한다. 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용하여 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 사이클에 있어서의 처리 온도를 낮게 설정한다.
실리콘 소스 가스, 처리 가스, 산화 가스, 피처리 기판, 아미노실란 가스

Description

실리콘 산화막을 형성하기 위한 성막 방법 및 장치 {FILM FORMATION METHOD AND APPARATUS FOR FORMING SILICON OXIDE FILM}
본 발명은 반도체 처리에 있어서 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 성막 방법 및 장치에 관한 것이다. 여기서, 반도체 처리라 함은, 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용 글래스 기판 등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 상기 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.
반도체 집적 회로를 구성하는 반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 피처리 기판, 예를 들어 반도체 웨이퍼에, 성막, 에칭, 산화, 확산, 개질, 어닐, 자연 산화막의 제거 등의 각종 처리가 실시된다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼에 실리콘 산화막을 형성하는 경우, 종형의(소위, 일괄식) 열처리 장치에 있어서, 테트라에톡시실란[TEOS : Si(OC2H5)4]을 이용하여 성막 처리의 일종인 CVD(Chemical Vapor Deposition) 처리를 행할 수 있다.
최근, 반도체 집적 회로의 한층 고집적화 및 고미세화의 요구에 수반하여 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 열이력을 경감시켜 디바이스의 특성을 향상시키는 것이 요구되고 있다. 종형의 처리 장치에 있어서도, 이러한 요구를 따른 반도체 처리 방법의 개량이 이루어지는 것이 기대되고 있다. 예를 들어, CVD 처리에 있어서도, 원료 가스 등을 간헐적으로 공급하면서 원자 혹은 분자 레벨의 두께의 층을 1층 혹은 복수층씩 반복해서 성막하는 방법이 채용된다. 이와 같은 성막 방법은, 일반적으로는 ALD(Atomic Layer Deposition) 혹은 MLD(Molecular Layer Deposition)이라 칭해지고, 이에 의해 웨이퍼를 그 정도의 고온으로 노출되지 않아도 목적으로 하는 처리를 행하는 것이 가능해진다. 또한, ALD 혹은 MLD에 의한 성막은 스텝 커버리지가 양호하기 때문에, 디바이스의 미세화에 수반하여, 좁게 되어 있는 반도체 디바이스 내의 오목부, 예를 들어 게이트 간 갭을 매립하는 것에 적합하다. 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2004-281853호 공보(특허문헌 1)는 ALD법을 이용하여 300 ℃ 내지 600 ℃의 저온에서 실리콘 질화막을 성막하는 방법을 개시한다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제2003-7700호 공보(특허문헌 2)도 이러한 종류의 ALD법을 개시한다.
본 발명은 소정의 성막률을 유지하는 한편, 저온 하에서 양질인 실리콘 산화막을 형성할 수 있는 반도체 처리용 성막 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 시점은, 실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스와 산화 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역 내에서 피처리 기판 상에, CVD에 의해 산화막을 형성하는 반도체 처리용 성막 방법이며, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제1 공정과, 이에 의해 상기 피처리 기판의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성하는 것과, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판의 표면 상의 상기 흡착층을 산화하는 제2 공정을 교대로 구비하는 사이클을 복수회 반복하고, 상기 사이클마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 상기 산화막을 형성하고, 여기서 상기 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용하여 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 상기 사이클에 있어서의 처리 온도를 낮게 설정한다.
본 발명의 제2 시점은, 반도체 처리용 성막 장치이며, 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와, 상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와, 상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와, 상기 처리 영역에 실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스를 공급하는 제1 처리 가스 공급계와, 상기 처리 영역에 산화 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 공급하는 제2 처리 가스 공급계와, 상기 처리 영 역에 공급되는 상기 제2 처리 가스를 선택적으로 여기하는 여기 기구와, 상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는 상기 피처리 기판 상에, CVD에 의해 산화막을 형성하기 위해, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제1 공정과, 이에 의해 상기 피처리 기판의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성하는 것과, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판의 표면 상의 상기 흡착층을 산화하는 제2 공정을 교대로 구비하는 사이클을 복수회 반복하고, 상기 사이클마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 상기 산화막을 형성하고, 여기서 상기 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용하여 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 상기 사이클에 있어서의 처리 온도를 낮게 설정한다.
본 발명의 제3 시점은, 프로세서 상에서 실행하기 위한 프로그램 지령을 포함하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이며, 상기 프로그램 지령은 프로세서에 의해 실행될 때, 실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스와 산화 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역 내에서 피처리 기판 상에, CVD에 의해 산화막을 형성하는 반도체 처리용 성막 장치를 제어하고, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제1 공정과, 이에 의해 상기 피처리 기판의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성하는 것과, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판의 표면 상의 상기 흡착층을 산화하는 제2 공정을 교대로 구비하는 사이클을 복수회 반복하고, 상기 사이클마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 상기 산화막을 형성하고, 여기서 상기 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용하여 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 상기 사이클에 있어서의 처리 온도를 낮게 설정한다.
본 발명에 따르면, 소정의 성막률을 유지하는 한편, 저온 하에서 양질인 실리콘 산화막을 형성할 수 있는 반도체 처리용 성막 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
본 발명자들은 본 발명의 개발 과정에서, 반도체 처리에 있어서 CVD에 의해 실리콘 산화막을 형성하는 방법에 관한 종래 기술의 문제점에 대해 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 이하에 서술하는 바와 같은 지견을 얻었다.
종래, CVD에 의해 실리콘 산화막을 형성하기 위한 실리콘 소스 가스로서는, 디클로로실란(DCS : SiH2Cl2), 모노실란(SiH4), 테트라클로로실란(TCS : SiCl4), 디실란(Si2H6), 헥사클로로디실란(Si2Cl6), TEOS[Si(OC2H5)4] 등이 일반적으로 사용된다.
이와 같은 실리콘 소스 가스를 사용한 경우, 일반적으로 처리 온도를 저하시 키면 성막률이 저하되거나 혹은 실리콘 산화막의 막질이 저하된다는 문제가 발생한다. 성막률은 처리의 처리량을 결정하는 중요한 요소이고, 또한 실리콘 산화막의 막질은 디바이스의 미세화에 수반하여 박막화함으로써, 점점 신중을 기하는 요소로 되어 있다. 예를 들어, 게이트 산화막이 얇은 실리콘 산화막으로 형성된 경우, 막질이 양호하지 않으면 리크 전류가 증대될 우려가 있다. 이와 같은 이유로부터, 상술한 바와 같은 실리콘 소스 가스를 사용한 경우, 예를 들어 ALD 혹은 MLD법을 이용해도, 전술한 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 처리 온도는 300 ℃ 이상으로 설정하는 것이 필요해진다.
이에 대해, 본 발명자들의 연구에 의해 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용한 경우, ALD 혹은 MLD법을 이용하면, 처리 온도를 300 ℃ 미만으로 설정해도 소정의 성막률을 유지하는 한편, 양질인 실리콘 산화막을 형성할 수 있는 것이 발견되었다. 특히, 실리콘 소스 가스로서 1가의 아미노실란 가스를 사용한 경우, 200 ℃ 이하, 또한 100 ℃ 이하의 처리 온도에서 양호한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 열이력을 더 경감시켜 디바이스의 특성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 실리콘 산화막을 형성하기 위해 사용 가능한 1가의 아미노실란 가스(1분자 내에 1개의 아미노기를 갖는 아미노실란 가스)로서는, SiH3NC2(CH3)4, SiH3[NHC(CH3)3], SiH3[N(CH3)2]를 예로 들 수 있다. 또한, 2가의 아미노실란 가스(1분자 내에 2개의 아미노기를 갖는 아미노실란 가스)로서는, BTBAS(비스터셜부틸아 미노실란), BDEAS(비스디에틸아미노실란), BDMAS(비스디메틸아미노실란)를 예로 들 수 있다.
이하에, 이와 같은 지견을 기초로 하여 구성된 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 붙여 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
[제1 실시 형태]
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치(종형 플라즈마 CVD 장치)를 도시하는 단면도이다. 도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도이다. 이 성막 장치(2)는 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 구비하는 제1 처리 가스와, 산화 가스인 산소(O2) 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역을 구비한다. 성막 장치(2)는 이와 같은 처리 영역 내에서 피처리 기판 상에, CVD에 의해 실리콘 산화막을 형성하도록 구성된다.
성막 장치(2)는 간격을 두고 적층된 복수의 반도체 웨이퍼(피처리 기판)를 수납하여 처리하는 처리 영역(5)을 내부에 규정하고, 하단부가 개방된 천장이 있는 원통체 형상의 처리 용기(4)를 갖는다. 처리 용기(4)의 전체는, 예를 들어 석영에 의해 형성된다. 처리 용기(4) 내의 천장에는 석영제의 천장판(6)이 배치되어 시일된다. 처리 용기(4)의 하단부 개구에는 원통체 형상으로 성형된 매니폴드(8)가 O 링 등의 시일 부재(10)를 통해 연결된다. 또한, 매니폴드(8)를 별도로 설치하지 않고, 전체를 원통체 형상의 석영제의 처리 용기로 구성할 수도 있다.
매니폴드(8)는, 예를 들어 스테인리스 스틸로 이루어지고, 처리 용기(4)의 하단부를 지지한다. 매니폴드(8)의 하단부 개구를 통해 석영제의 웨이퍼 보트(12)가 승강되고, 이에 의해 처리 용기(4)에 대해 웨이퍼 보트(12)가 로드/언로드된다. 웨이퍼 보트(12)에는 피처리 기판으로서, 복수매의 반도체 웨이퍼(W)가 다단으로 적재된다. 예를 들어, 본 제1 실시 형태의 경우에 있어서, 웨이퍼 보트(12)의 지주(12A)에는, 예를 들어 50 내지 100매 정도의 직경이 300 ㎜의 웨이퍼(W)가 대략 등간격으로 다단으로 지지 가능해진다.
웨이퍼 보트(12)는 석영제의 보온통(14)을 통해 테이블(16) 상에 적재된다. 테이블(16)은 매니폴드(8)의 하단부 개구를 개폐하는, 예를 들어 스테인리스 스틸제의 덮개(18)를 관통하는 회전축(20) 상에 지지된다.
회전축(20)의 관통부에는, 예를 들어 자성 유체 시일(22)이 개재 설치되어 회전축(20)을 기밀하게 시일하면서 회전 가능하게 지지한다. 덮개(18)의 주변부와 매니폴드(8)의 하단부에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 시일 부재(24)가 개재 설치되어 용기 내의 시일성을 유지한다.
회전축(20)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(25)에 지지된 아암(26)의 선단부에 설치된다. 승강 기구(25)에 의해, 웨이퍼 보트(12) 및 덮개(18) 등이 일체적으로 승강된다. 또한, 테이블(16)을 덮개(18)측으로 고정하여 설치하고, 웨이퍼 보트(12)를 회전시키지 않고 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 좋다.
매니폴드(8)의 측부에는 처리 용기(4) 내의 처리 영역(5)에 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 가스 공급부가 접속된다. 가스 공급부는 제1 처리 가스 공급계(3O), 제2 처리 가스 공급계(32) 및 불활성 가스 공급계(36)를 포함한다. 제1 처리 가스 공급계(30)는 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 구비하는 제1 처리 가스를 공급한다. 제2 처리 가스 공급계(32)는 산화 가스로서 산소(O2) 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 공급한다. 불활성 가스 공급계(36)는 희석용, 퍼지용, 혹은 압력 제어용 불활성 가스로서, 예를 들어 N2 가스를 공급한다. 제1 및 제2 처리 가스에는, 필요에 따라서 적당한 양의 캐리어 가스(희석 가스)가 혼합되는 경우가 있지만, 이하에서는 설명을 용이하게 하기 위해, 캐리어 가스에 대해서는 언급하지 않는다.
구체적으로는, 제1 처리 가스 공급계(30) 및 불활성 가스 공급계(36)는 공통의 가스 분산 노즐(40)을 갖고, 제2 처리 가스 공급계(32)는 가스 분산 노즐(42)을 갖는다. 각 가스 분산 노즐(40, 42)은 매니폴드(8)의 측벽을 내측으로 관통하고 상방향으로 굴곡되어 연장되는 석영관으로 이루어진다(도1 참조). 각 가스 분산 노즐(40, 42)에는 그 길이 방향(상하 방향)을 따라서, 또한 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 복수의 가스 분사 구멍(40A, 42A)이 소정의 간격을 두고 형성된다. 가스 분사 구멍(40A, 42A)은 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스 흐름을 형성하도록 수평 방향으로 대략 균일하게 대응의 처리 가스를 각각 공급한다. 또한, 제1 처리 가스 공급계(30) 및 불활성 가스 공급계(36)는 각각 개별로 가스 분산 노즐을 갖도록 구성할 수 있다.
노즐(40)은 가스 공급 라인(가스 통로)(50, 56)을 통해 실리콘 소스 가스 및 수소 N2 가스의 가스원(30S, 36S)에 각각 접속된다. 노즐(42)은 가스 공급 라인(가스 통로)(52)을 통해 O2 가스의 가스원(32S)에 접속된다. 가스 공급 라인(50, 52, 56) 상에는 개폐 밸브(50A, 52A, 56A)와 매스플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(50B, 52B, 56B)가 배치된다. 이에 의해, 실리콘 소스 가스, O2 가스 및 N2 가스가 각각 유량 제어되면서 공급 가능해진다.
처리 용기(4)의 측벽의 일부에는, 그 높이 방향을 따라서 가스 여기부(66)가 배치된다. 가스 여기부(66)에 대향하는 처리 용기(4)의 반대측에는 이 내부 분위기를 진공 배기하기 위해, 처리 용기(4)의 측벽을, 예를 들어 상하 방향으로 깎음으로써 형성한 가늘고 긴 배기구(68)가 배치된다.
구체적으로는, 가스 여기부(66)는 처리 용기(4)의 측벽을, 상하 방향을 따라서 소정의 폭으로 깎음으로써 형성된 상하로 가늘고 긴 개구(70)를 갖는다. 개구(70)는 처리 용기(4)의 외벽에 기밀하게 용접 접합된 석영제의 커버(72)에 의해 덮인다. 커버(72)는 처리 용기(4)의 외측으로 돌출되도록 단면 오목부 형상을 없애고, 또한 상하로 가늘고 긴 형상을 갖는다.
이 구성에 의해, 처리 용기(4)의 측벽으로부터 돌출되고 또한 일측이 처리 용기(4) 내로 개방되는 가스 여기부(66)가 형성된다. 즉, 가스 여기부(66)의 내부 공간은 처리 용기(4) 내의 처리 영역(5)에 연통한다. 개구(70)는 웨이퍼 보트(12)에 유지되는 모든 웨이퍼(W)를 높이 방향에 있어서 커버할 수 있도록 상하 방향으로 충분히 길게 형성된다.
커버(72)의 양 측벽의 외측면에는 그 길이 방향(상하 방향)을 따라서 서로 대향하도록 하여 가늘고 긴 한 쌍의 전극(74)이 배치된다. 전극(74)에는 플라즈마 발생용 고주파 전원(76)이 급전 라인(78)을 통해 접속된다. 전극(74)에, 예를 들어 13.56 ㎒의 고주파 전압을 인가함으로써, 한 쌍의 전극(74) 사이에 플라즈마를 여기하기 위한 고주파 전계가 형성된다. 또한, 고주파 전압의 주파수는 13.56 ㎒로 한정되지 않고, 다른 주파수, 예를 들어 400 ㎑ 등을 이용해도 좋다.
제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(42)은 웨이퍼 보트(12) 상의 최하 레벨의 웨이퍼(W)보다도 아래의 위치에서 처리 용기(4)의 반경 방향 외측으로 굴곡된다. 그 후, 가스 분산 노즐(42)은 가스 여기부(66) 내의 가장 안측[처리 용기(4)의 중심으로부터 가장 떨어진 부분]의 위치에서 수직으로 기립한다. 가스 분산 노즐(42)은, 도2에도 도시한 바와 같이 한 쌍의 대향하는 전극(74)에 끼워져 있던 영역(고주파 전계가 가장 강한 위치), 즉 주된 플라즈마가 실제로 발생하는 플라즈마 발생 영역(PS)보다도 외측으로 이격된 위치에 설치된다. 가스 분산 노즐(42)의 가스 분사 구멍(42A)으로부터 분사된 O2 가스를 구비하는 제2 처리 가스는 플라즈마 발생 영역(PS)을 향해 분사되고, 여기서 여기(분해 혹은 활성화)되어, 산소 라디칼(O*, O2 *)을 포함하는 상태에서 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)에 공급된다(기호 「*」는 라디칼인 것을 나타냄).
커버(72)의 외측에는 이를 덮도록 하여, 예를 들어 석영으로 이루어지는 절연 보호 커버(80)가 설치된다. 절연 보호 커버(80)의 내측이며 전극(74)과 대향하는 부분에는 냉매 통로로 이루어지는 냉각 기관(도시하지 않음)이 배치된다. 냉매 통로에, 냉매로서, 예를 들어 냉각된 질소 가스를 흐르게 함으로써 전극(74)이 냉각된다. 또한, 절연 보호 커버(80)의 외측에는 이것을 덮어 고주파의 누설을 방지하기 위해 실드(도시하지 않음)가 배치된다.
가스 여기부(66)의 개구(70)의 외측 근방, 즉 개구(70)의 외측[처리 용기(4) 내]의 한쪽에 제1 처리 가스 및 불활성 가스의 가스 분산 노즐(40)이 수직으로 기립되어 배치된다. 가스 분산 노즐(40)에 형성된 가스 분사 구멍(40A)으로부터 처리 용기(4)의 중심 방향을 향해 실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스, 혹은 N2를 구비하는 불활성 가스가 분사된다.
한편, 가스 여기부(66)에 대향시켜 형성한 배기구(68)에는 이것을 덮도록 하여 석영으로 이루어지는 단면 역ㄷ자형으로 성형된 배기구 커버 부재(82)가 용접에 의해 설치된다. 배기 커버 부재(82)는 처리 용기(4)의 측벽을 따라서 상방으로 연장되고, 처리 용기(4)의 상방에 가스 출구(B4)가 형성된다. 가스 출구(84)에는 진공 펌프 등을 배치한 진공 배기계(GE)가 접속된다.
처리 용기(4)를 포위하도록 처리 용기(4) 내의 분위기 및 웨이퍼(W)를 가열하는 히터(86)가 배치된다. 처리 용기(4) 내의 배기구(68)의 근방에는 히터(86)를 제어하기 위한 열전대(도시하지 않음)가 배치된다.
또한, 성막 장치(2)는 장치 전체의 동작을 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 주제어부(100)를 구비한다. 도3은 주제어부(100)의 구성을 도시하는 도면이다. 도3에 도시한 바와 같이, 주제어부(100)에는 조작 패널(121), 온도 센서(군)(122), 압력계(군)(123), 히터 제어기(124), MFC(125)[도1의 유량 제어기(50B, 52B, 56B)에 대응], 밸브 제어부(126), 진공 펌프(127)[도1의 진공 배기계(GE)에 대응], 보트 엘리베이터(128)[도1의 승강 기구(25)에 대응], 플라즈마 제어부(129) 등이 접속된다.
조작 패널(121)은 표시 화면과 조작 버튼을 구비하여 조작자의 조작 지시를 주제어부(100)로 전하고, 또한 주제어부(100)로부터의 다양한 정보를 표시 화면에 표시한다. 온도 센서(군)(122)는 처리 용기(4) 내 및 배기관 내의 각 부의 온도를 측정하여 그 측정치를 주제어부(100)에 통지한다. 압력계(군)(123)는 처리 용기(4) 내 및 배기관 내의 각 부의 압력을 측정하여 측정치를 주제어부(100)에 통지한다.
히터 제어기(124)는 히터(86)의 각 섹션을 개별로 제어하기 위한 것이다. 히터 제어기(124)는 주제어부(100)로부터의 지시에 응답하여 히터(86)의 각 섹션에 통전하여 이들을 가열한다. 히터 제어기(124)는, 또한 히터(86)의 각 섹션의 소비 전력을 개별로 측정하여 주제어부(100)에 통지한다.
MFC(125)는 가스 공급 라인의 배관에 배치된다. MFC(125)는 각 배관을 흐르는 가스의 유량을 주제어부(100)로부터 지시된 양으로 제어한다. MFC(125)는, 또 한 실제로 흐른 가스의 유량을 측정하여 주제어부(100)에 통지한다.
밸브 제어부(126)는 각 배관에 배치되고, 각 배관에 배치된 밸브의 개방도를 주제어부(100)로부터 지시된 값으로 제어한다. 진공 펌프(127)는 배기관에 접속되어 처리 용기(4) 내의 가스를 배기한다.
보트 엘리베이터(128)는 덮개(18)를 상승시킴으로써, 회전 테이블(16) 상에 적재된 웨이퍼 보트(11)[반도체 웨이퍼(W)]를 처리 용기(4) 내에 로드한다. 보트 엘리베이터(128)는, 또한 덮개(18)를 하강시킴으로써, 회전 테이블(16) 상에 적재된 웨이퍼 보트(11)[반도체 웨이퍼(W)]를 처리 용기(4) 내로부터 언로드한다.
플라즈마 제어부(129)는 주제어부(100)로부터의 지시에 응답하여 가스 여기부(66)를 제어한다. 이에 의해, 가스 여기부(66) 내에 공급된, 산소 가스를 활성화하여 라디칼을 생성시킨다.
주제어부(100)는, 레시피 기억부(111)와, ROM(112)과, RAM(113)과, I/O 포트(14)와, CPU(115)를 포함한다. 이들은 버스(116)에 의해 상호 접속되고, 버스(116)를 통해 각 부의 사이에서 정보가 전달된다.
레시피 기억부(111)에는 셋업용 레시피와 복수의 프로세스용 레시피가 기억된다. 성막 장치(2)의 제조 당초에는 셋업용 레시피만이 저장된다. 셋업용 레시피는 각 성막 장치에 따른 열 모델 등을 생성할 때에 실행되는 것이다. 프로세스용 레시피는 사용자가 실제로 행하는 열처리(프로세스)마다 준비되는 레시피이다. 프로세스용 레시피는 처리 용기(4)로의 반도체 웨이퍼(W)의 로드로부터 처리 완료의 웨이퍼(W)를 언로드할 때까지의, 각 부의 온도의 변화, 처리 용기(4) 내의 압력 변화, 처리 가스의 공급의 개시 및 정지의 타이밍과 공급량 등을 규정한다.
ROM(112)은 EEPROM, 플래시 메모리, 하드디스크 등으로 구성되고, CPU(115)의 동작 프로그램 등을 기억하는 기록 매체이다. RAM(113)은 CPU(115)의 작업 영역 등으로서 기능한다.
I/O 포트(114)는 조작 패널(121), 온도 센서(122), 압력계(123), 히터 제어기(124), MFC(125), 밸브 제어부(126), 진공 펌프(127), 보트 엘리베이터(128), 플라즈마 제어부(129) 등에 접속되어 데이터나 신호의 입출력을 제어한다.
CPU(Central Processing Unit)(115)는 주제어부(100)의 중추를 구성한다. CPU(115)는 ROM(112)에 기억된 제어 프로그램을 실행하여 조작 패널(121)로부터의 지시에 따라서, 레시피 기억부(111)에 기억되는 레시피(프로세스용 레시피)에 따라서 성막 장치(2)의 동작을 제어한다. 즉, CPU(115)는 온도 센서(군)(122), 압력계(군)(123), MFC(125) 등에 처리 용기(4) 내 및 배기관 내의 각 부의 온도, 압력, 유량 등을 측정시킨다. 또한, CPU(115)는 이 측정 데이터를 기초로 하여, 히터 제어기(124), MFC(125), 밸브 제어부(126), 진공 펌프(127) 등에 제어 신호 등을 출력하여 상기 각 부가 프로세스용 레시피를 따르도록 제어한다.
다음에, 도1에 도시하는 장치를 이용하여 주제어부(100)의 제어 하에서 행해지는 성막 방법(소위, ALD 혹은 MLD 성막)에 대해 설명한다. 본 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 플라즈마 CVD에 의해 반도체 웨이퍼(W) 상에 실리콘 산화막을 형성한다. 이로 인해, 웨이퍼(W)를 수납한 처리 영역(5) 내에 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 구비하는 제1 처리 가스와, 산화 가스인 산소(O2) 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급한다.
우선, 복수매, 예를 들어 50 내지 100매의 300 ㎜ 사이즈의 웨이퍼(W)를 유지한 상온의 웨이퍼 보트(12)를, 소정의 온도로 설정된 처리 용기(4) 내에 로드하여 처리 용기(4)를 밀폐한다. 다음에, 처리 용기(4) 내를 진공화하여 소정의 처리 압력으로 유지하는 동시에, 웨이퍼 온도를 상승시켜 성막용 처리 온도로 안정될 때까지 대기한다. 다음에, 웨이퍼 보트(12)를 회전시키면서 제1 및 제2 처리 가스를 각각 유량 제어하면서 가스 분산 노즐(40, 42)로부터 간헐적으로 공급한다.
개략적으로는, 우선 실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스가 가스 분산 노즐(40)의 가스 분사 구멍(40A)으로부터 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스 흐름을 형성하도록 공급된다. 그동안에, 실리콘 소스 가스의 분자, 혹은 이들의 분해에 의해 발생한 분해 생성물의 분자 혹은 원자가 웨이퍼의 예비 처리된 표면 상에 흡착되어 흡착층을 형성한다(흡착).
다음에, O2 가스를 구비하는 제2 처리 가스가 가스 분산 노즐(42)의 가스 분사 구멍(42A)으로부터 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스 흐름을 형성하도록 공급된다. 제2 처리 가스는 한 쌍의 전극(74) 사이의 플라즈마 발생 영역(PS)을 통과할 때에 선택적으로 여기되어 일부가 플라즈마화된다. 이때, O*, O2 * 등의 산소 라디칼(활성종)이 생성된다. 이들 라디칼은 가스 여기부(66)의 개구(70)로부터 처리 용기(4)의 중심을 향해 유출되고, 웨이퍼(W) 상호 간에 층류 상태에서 공급된다. 웨이퍼(W) 상에 산소 라디칼이 공급되면, 웨이퍼(W) 상의 흡 착층의 Si와 반응하고, 이에 의해 웨이퍼(W) 상에 실리콘 산화물의 박막이 형성된다(산화).
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서의 가스 공급 및RF(고주파) 인가의 형태를 나타내는 타이밍 차트이다. 도4에 도시한 바와 같이, 본 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서는, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)을 교대로 반복한다. 즉, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)으로 이루어지는 사이클을 복수회 반복하고, 사이클마다 형성되는 실리콘 산화물의 박막을 적층함으로써, 최종적인 두께의 실리콘 산화막을 얻을 수 있다.
구체적으로는, 제1 공정(T1)에서는 처리 영역(5)에 대한 제1 처리 가스(도4에서는 Si 소스로 표시)의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(S)에 대한 제2 처리 가스(도4에서는 O2로 표시)의 공급을 정지한다. 제2 공정(T2)에서는 처리 영역(5)에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지한다. 제3 공정(T3)에서는 처리 영역(5)에 대한 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(S)에 대한 제1 처리 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제3 공정(T3)에서는 RF 전원(76)을 온으로 하여 가스 여기부(66)에서 제2 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 제2 처리 가스를 여기한 상태에서 처리 영역(5)에 공급한다. 제4 공정(T4)에서는 처리 영역(5)에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지한다.
제2 및 제4 공정(T2, T4)은 처리 용기(4) 내에 잔류하는 가스를 배제하는 퍼지 공정으로서 사용된다. 여기서, 퍼지라 함은, N2 가스 등의 불활성을 흘리면서 처리 용기(4) 내를 진공 배기하는 것, 혹은 모든 가스의 공급을 정지하여 처리 용기(4) 내를 진공 배기함으로써, 처리 용기(4) 내의 잔류 가스를 제거하는 것을 의미한다. 또한, 제2 및 제4 공정(T2, T4)의 전반은 진공 배기만을 행하고, 후반은 진공 배기와 불활성 공급을 더불어 행하도록 해도 좋다. 또한, 제1 및 제3 공정(T1, T3)에 있어서, 제1 및 제2 처리 가스를 공급할 때에는 처리 용기(4) 내의 진공 배기를 정지할 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 처리 가스의 공급을, 처리 용기(4) 내를 진공 배기하면서 행하는 경우에는 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)의 전체에 걸쳐서 처리 용기(4) 내의 진공 배기를 계속시킬 수 있다.
도4에 있어서, 제1 공정(T1)은 약 1 내지 180초, 제2 공정(T2)은 약 1 내지 60초, 재3 공정(T3)은 약 1 내지 300초, 제4 공정(T4)은 약 1 내지 60초로 설정된다. 또한, 통상, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)의 1 사이클에 의해 형성되는 막 두께는 0.2 ㎚ 정도이다. 따라서, 목표 막 두께가, 예를 들어 10 ㎚이면, 이 사이클을 50회 정도 반복하게 된다. 단, 이들 시간이나 두께는 단순히 일 예를 나타낸 것에 지나지 않고, 이 수치로 한정되지 않는다.
도5a 내지 도5f는 실리콘 소스 가스로서 1가의 아미노실란 가스인 SiH3NC2(CH3)4를 사용한 경우의 Si 웨이퍼(W) 표면에 있어서의 반응을 개략적으로 도시하는 도면이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 1가의 아미노실란 가스는 2가의 아미노실란 가스에 비해 높은 성막률을 얻을 수 있다는(따라서, 처리 온도를 내릴 수 있음) 이점이 있다.
처리 영역(5)에 공급된 실리콘 소스 가스, 즉 SiH3NC2(CH3)4 가스는 처리 영역(5)에서 가열되어 활성화되고, 도5a 및 도5b에 도시한 바와 같이 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성한다. 여기서, Si 웨이퍼(W) 표면에 존재하는 OH기는, 예를 들어 이미 퇴적된 SiO2막의 표면에 유래된다. 흡착층의 형성 시, NC2(CH3)4가 실리콘으로부터 분리되므로, 흡착층 중에 질소(N)가 포함되지 않는다. 또한, NC2(CH3)4는 퍼지 공정에 의해 제거된다. 이로 인해, 형성되는 실리콘 산화막 중에 질소가 포함되기 어려워져, 양질의 실리콘 산화막을 형성할 수 있다. 또한, 실리콘 소스 가스가 1가의 아미노 실란이므로, 흡착층 형성 시에 구조 장해가 발생하기 어려워 분자의 흡착을 방해하기 어렵다. 이로 인해, 흡착 속도가 저하되지 않아, 높은 성막률을 얻을 수 있다.
다음에, 퍼지 공정을 경유하여 처리 영역(5)에 산소 라디칼이 공급된다. 이에 의해, 도5c로부터 도5d에 도시한 바와 같이 반도체 웨이퍼(W) 상의 흡착층이 산화되어(흡착층의 H가 O로 치환됨), 반도체 웨이퍼(W) 상에 실리콘 산화막이 형성된다. 이와 같은 흡착 공정과 산화 공정을 포함하는 1 사이클을 반복함으로써, 도5e 및 도5f에 도시한 바와 같이 실리콘 산화막이 적층된다.
상기한 MLD법에 있어서, 실리콘 소스 가스로서 1가의 아미노실란 가스인 SiH3NC2(CH3)4를 사용하는 경우의 성막 처리의 처리 조건은 다음과 같다.
실리콘 소스 가스의 공급량은 1 내지 500 sccm으로 하는 것이 바람직하다. 1 sccm보다 적으면 웨이퍼(W)에 충분한 실리콘 소스가 공급되지 않을 우려가 생긴다. 500 sccm보다 많으면 웨이퍼(W)로의 흡착에 기여하는 실리콘 소스의 비율이 지나치게 낮아질 우려가 생긴다. 실리콘 소스 가스의 공급량은 50 내지 500 sccm으로 하는 것이 더 바람직하다. 이러한 범위로 함으로써, 웨이퍼(W)에 대한 실리콘 소스의 흡착이 촉진된다.
처리 영역(5) 내의 압력(처리 압력)은 0.1 내지 50 Torr(133 ㎩ ＝ 1 Torr)로 하는 것이 바람직하다. 이러한 범위의 압력으로 함으로써, 웨이퍼(W)에 대한 실리콘 소스의 흡착을 촉진시킬 수 있다. 처리 영역(S) 내의 압력은 1 내지 30 Torr로 하는 것이 더 바람직하다. 이러한 범위의 압력으로 함으로써, 처리 영역(5) 내의 압력 제어가 용이해진다.
처리 영역(5) 내의 온도(처리 온도)는 25 ℃ 내지 300 ℃, 바람직하게는 25 ℃ 내지 200 ℃, 보다 바람직하게는 25 ℃ 내지 100 ℃로 설정한다. 처리 온도 300 ℃를 초과하면 막 두께의 편차를 무시할 수 없게 될 우려가 있다. 실리콘 소스 가스로서 1가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우, 후술하는 바와 같이 웨이퍼(W)의 표면에 있어서의 반응성이 촉진되는 만큼, 2가 또는 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 높은 성막률을 얻을 수 있다. 그러나, 여기서는, 웨이퍼(W)의 표면에 있어서의 반응성이 촉진되는 만큼, 처리 온도를 낮은 값으로 설정함으로써, 기준 범위 내의 성막률로 유지한다. 이에 의해, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 열이력을 경감시켜, 디바이스의 특성을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 처리 온도는 상기 사이클의 개시 전에 실험에 의해 기준 범위 내의 성막률을 얻을 수 있도록 결정할 수 있다.
도6의 (a) 내지 (c)는 실리콘 소스 가스로서 2가의 아미노실란 가스인 비스터셜부틸아미노실란{BTBAS : SiH2[NH(C4H9)]2}을 사용한 경우의 반도체 웨이퍼(W) 표면에 있어서의 반응을 개략적으로 도시하는 도면이다. 또한, 2가의 아미노실란 가스, 예를 들어 BTBAS는 1가의 아미노실란 가스에 비해 안정성이 높다는 이점이 있다.
처리 영역(5)에 공급된 실리콘 소스 가스, 즉 BTBAS 가스는 처리 영역(5)에서 가열되어 활성화되고, 도6의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성한다. 이때, BTBAS의 Si가 표면의 OH기의 O와 반응하여 트리메틸아미노기를 이탈시킨다. BTBAS는 OH와의 반응성이 높고, 흡착층 형성 시에 구조 장해가 발생하기 어려워, 분자의 흡착을 방해하기 어렵다. 이로 인해, 흡착 연도가 저하되지 않아 높은 성막률을 얻을 수 있다.
다음에, 퍼지 공정을 경유하여 처리 영역(5)에 산소 라디칼이 공급된다. 이에 의해, 도6의 (c)에 도시한 바와 같이 반도체 웨이퍼(W) 상의 흡착층이 산화되어(흡착층의 H가 0로 치환됨), 반도체 웨이퍼(W) 상에 실리콘 산화막이 형성된다(단, 도6의 (c)는 실리콘 산화막의 표면에 H가 흡착되어 OH기가 형성되어 있는 상태를 나타냄). 이와 같은 흡착 공정과 산화 공정을 포함하는 1 사이클을 반복함으로써, 실리콘 산화막이 적층된다.
상기한 MLD법에 있어서, 실리콘 소스 가스로서 2가의 아미노실란 가스인 BTBAS를 사용하는 경우의 성막 처리의 처리 조건은 다음과 같다.
실리콘 소스 가스의 공급량은 1 내지 500 sccm으로 하는 것이 바람직하다. 1 sccm보다 적으면 웨이퍼(W)에 충분한 실리콘 소스가 공급되지 않을 우려가 생긴다. 500 sccm보다 많으면 웨이퍼(W)로의 흡착에 기여하는 실리콘 소스의 비율이 지나치게 낮아질 우려가 생긴다. 실리콘 소스 가스의 공급량은 50 내지 500 sccm으로 하는 것이 더 바람직하다. 이러한 범위로 함으로써, 웨이퍼(W)에 대한 실리콘 소스의 흡착이 촉진된다.
처리 영역(5) 내의 압력(처리 압력)은 0.1 내지 50 Torr(133 ㎩ ＝ 1 Torr)로 하는 것이 바람직하다. 이러한 범위의 압력으로 함으로써, 웨이퍼(W)에 대한 실리콘 소스의 흡착을 촉진시킬 수 있다. 처리 영역(5) 내의 압력은 1 내지 30 Torr로 하는 것이 더 바람직하다. 이러한 범위의 압력으로 함으로써, 처리 영역(5) 내의 압력 제어가 용이해진다.
처리 영역(5) 내의 온도(처리 온도)는 25 ℃ 내지 300 ℃, 바람직하게는 25 ℃ 내지 200 ℃, 보다 바람직하게는 25 ℃ 내지 100 ℃로 설정한다. 처리 온도 300 ℃를 초과하면 막 두께의 편차를 무시할 수 없게 될 우려가 있다. 이 경우에도 웨이퍼(W)의 표면에 있어서의 반응성이 촉진되는 만큼, 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 처리 온도를 낮은 값으로 설정함으로써, 기준 범위 내의 성막률로 유지한다. 이에 의해, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 열이력을 경감시켜 디바이스의 특성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기한 MLD법에 있어서, 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노 실란 가스를 사용하는 경우의 성막 처리의 공통의 처리 조건은 다음과 같다.
RF 파워는 10 W 내지 1500 W로 하는 것이 바람직하다. 10 W보다 적으면, 산소 라디칼이 생성되기 어려워진다. 150O W를 초과하면, 가스 여기부(66)를 구성하는 석영벽이 손상을 받을 우려가 생긴다. RF 파워는 50 W 내지 500 W로 하는 것이 더 바람직하다. 이러한 범위로 함으로써, 산소 라디칼을 효율적으로 생성할 수 있다.
가스 여기부(66) 내의 압력(가스 분사 구멍의 압력)은 0.133 ㎩ 내지 13.3 ㎪로 하는 것이 바람직하고, 70 ㎩ 내지 400 ㎩로 하는 것이 더 바람직하다. 이러한 범위의 압력으로 함으로써, 플라즈마를 문제없이 발생할 수 있는 동시에 웨이퍼(W) 상의 흡착층의 Si를 산화하는 데에도 충분한 산소 라디칼을 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본질적으로 저온 성막이 가능해 양호한 막질을 얻을 수 있는 MLD법을 전제로 하고, 또한 흡착층 형성 시에 구조 장해가 발생하기 어려운 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용한다. 또한, 흡착층을 산화하기 위해, 온도를 상승시키지 않고 반응을 진행시키는 O2 가스 플라즈마와 같은 산소 라디칼을 이용한다. 이에 의해, 양호한 막질의 SiO2막을 100 ℃ 이하, 또한 실온(25 ℃) 등의 종래에는 생각할 수 없었던 저온이고 또한 높은 성막률로 성막할 수 있다.
[실험 1 : 성막률 및 조성]
도1에 도시하는 장치를 사용하여 상기 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 의 해 실리콘 산화막을 형성하고, 그 성막률 및 조성의 평가를 행하였다. 이 실험에 있어서, 1가의 아미노실란 가스인 SiH3NC2(CH3)4와, 2가의 아미노실란 가스인 BTBAS를 별개로 실리콘 소스 가스로서 사용하였다. 또한, 비교예로서, 3가의 아미노실란 가스인 Tri-DMAS{SiH[N(CH3)2]3}를 실리콘 소스 가스로서 사용했다.
이때의 성막 처리의 처리 조건의 기준은 상기 제1 실시 형태에 있어서 서술한 바와 같고, 상술한 사이클을 42회 반복하여 소정의 두께의 실리콘 산화막을 형성하였다. 구체적으로는, 피처리 기판은 300 ㎜ 실리콘 웨이퍼를 100매, 성막 온도는 100 ℃, 처리 압력은 제1 공정(T1)이 533 ㎩(4 Torr), 제3 공정(T3)이 66.5 ㎩(0.5 Torr)로 하였다. 실리콘 소스 가스의 유량은 SiH3NC2(CH3)4가 300 mL/min(sccm), BTBAS가 2000 mL/min(sccm), Tri-DMAS가 300 mL/min(sccm)으로 하였다. O2 가스의 공급량은 2000 mL/min(sccm), 이들을 여기하는 고주파 전원의 주파수는 13.56 ㎒, 파워는 50 W로 하였다. 또한, 처리 용기 내의 퍼지로 인해, 제1 공정(T1) 전에는 처리 용기 내의 탈기를 계속하면서 3500 mL/min(sccm)의 유량으로 퍼지 가스로서 N2 가스를 7 sec 동안 공급하였다. 또한, 제3 공정(T3) 전에는 처리 용기 내의 진공화를 계속하면서 3500 mL/min(Sccm)의 유량으로 퍼지 가스로서 N2 가스를 6 sec 동안 공급하였다.
이와 같이 하여 형성한 실리콘 산화막[반도체 웨이퍼(W)]의 중심부(CT)와 단부(ED)에 대해 막 내에 포함되는 성분(Si, O, N)의 농도를 측정하였다. 이 측정에 는 X선 광전자 분광 장치(XPS : X-ray Photoelectron Spectrometer)를 이용하였다. 그 결과, 상기 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 의해 형성된 박막은 질소를 거의 포함하고 있지 않고, 실리콘 산화막(SiO2)인 것이 확인되었다.
도7은 이 실험에 의해 얻게 된, 다른 실리콘 소스 가스와 실리콘 산화막의 성막률과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도7의 종축은 3가의 아미노실란 가스인 Tri-DMAS{SiH[N(CH3)2]3}를 실리콘 소스 가스로서 사용한 경우의 성막률을 1로서 규격화한 각 실리콘 소스 가스에 의해 얻게 된 성막률을 나타낸다.
도7에 도시한 바와 같이, 성막률은 3가의 아미노실란 가스보다도 2가의 아미노실란 가스가 높고, 2가의 아미노실란 가스보다도 1가의 아미노실란 가스가 높아졌다. 이는, 저가의 아미노실란 가스일수록 Si 흡착 시에 구조 장해가 발생하기 어려워, 다른 분자의 흡착을 방해하기 어려워지기 때문이라고 판단된다.
[실험 2 : 산화 가스]
BTBAS를 실리콘 소스 가스로서 사용하고, 산화 가스로서 O2 가스를 플라즈마화하여 사용한 경우와, 오존(O3) 가스를 플라즈마화하지 않고 사용한 경우에 대해 비교하였다. O2 가스를 플라즈마화하여 사용한 경우의 조건은 상기 실험 1과 동일한 것으로 하였다. O3 가스를 플라즈마화하지 않고 사용한 경우의 조건은 250 g/N㎥의 유량이고 O3 가스를 공급한 것 이외는 상기 실험 1과 동일하게 하였다. 이와 같이 하여 형성한 실리콘 산화막에 대해, 성막률과 막 두께의 면내 균일성을 측정 하였다. 샘플링 웨이퍼(W)로서, 웨이퍼 보트(12)의 상부(TOP), 중앙부(CTR) 및 하부(BTM)를 각각 1매씩 선택하였다.
도8은 본 실험에 의해 얻게 된, 다른 처리 가스와 실리콘 산화막의 성막률 및 막 두께의 면내 균일성과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도8의 좌측 종축은 산화 가스로서 O2 가스를 이용한 경우의 중앙부(CTR) 웨이퍼의 성막률을 1로서 규격화한 각 부 웨이퍼의 성막률을 나타낸다. 우측 종축은 산화 가스로서 O3 가스를 이용한 경우의 중앙부(CTR) 웨이퍼의 면내 균일성을 1로서 규격화한 각 부 웨이퍼의 면내 균일성을 나타낸다.
도8에 도시한 바와 같이, O2 가스 플라즈마를 이용한 경우에는 산소를 라디칼화하지 않는 O3 가스를 이용한 경우보다도 5배 정도의 성막률(속도)을 얻을 수 있었다. 또한, O2 가스 플라즈마를 이용한 경우에는 산소를 라디칼화하지 않는 O3 가스를 이용한 경우보다도 막 두께의 막 두께의 면내 균일성이 매우 양호했다.
[실험 3 : 처리 온도]
BTBAS를 실리콘 소스 가스로서 사용하고, 산화 가스로서 O2 가스를 플라즈마화하여 사용한 경우에 대해, 처리 온도를 파라미터로 하는 실험을 행하였다. 처리 온도 이외의 조건은 상기 실험 1과 동일하게 하였다. 처리 온도로서, 실온(25 ℃), 75 ℃, 100 ℃, 200 ℃, 300 ℃와 다른 값을 사용하였다. 이와 같이 하여 형성한 실리콘 산화막에 대해, 성막률과 막 두께의 면내 균일성을 측정하였다.
도9는 본 실험에 의해 얻게 된, 다른 처리 온도와 실리콘 산화막의 성막률과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도9의 좌측 종축은 처리 온도를 300 ℃로 한 경우의 성막률을 1로서 규격화한 다른 온도 조건에 의해 얻게 된 성막률을 나타낸다. 우측 종축은 처리 온도를 300 ℃로 한 경우의 면내 균일성을 1로서 규격화한 다른 온도 조건에 의해 얻게 된 면내 균일성을 나타낸다.
도9에 도시한 바와 같이, 100 ℃ 이하로 하는 저온에 있어서도 높은 성막률을 얻을 수 있고, 실온에서도 충분히 실용적인 성막이 가능한 것이 확인되었다. 또한, 100 ℃ 이하로 하는 저온에서도 막 두께의 균일성은 양호한 것이었다. 한편, 성막 온도가 300 ℃를 초과하면 막 두께의 편차가 커졌다.
[제2 실시 형태]
도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(종형 열CVD 장치)를 도시하는 단면도이다. 산화 가스를 활성화시키기 위해, 제1 실시 형태에서 서술한 플라즈마 대신에, 촉매, UV, 열, 자력 등의 다른 매체를 이용할 수 있다. 예를 들어, 열에 의해 산화 가스를 활성화시키는 경우에는, 도10에 도시한 바와 같은 열처리 장치를 이용할 수 있다.
도10에 도시하는 성막 장치(2X)에 있어서, 처리 용기의 정부에, 진공 배기계에 접속된 가스 출구(84)가 형성되고, 처리 용기(4)의 바닥부에 짧은 L자형의 노즐(40, 42)이 접속된다. 따라서, 처리 가스는 웨이퍼(W)를 지지하는 웨이퍼 보트(12)가 놓인 처리 영역(5)의 하방의 노즐(40, 42)의 공급구로부터 공급되어, 처리 영역(5)을 통과한 후, 상방의 가스 출구(84)로부터 배출된다. 노즐(40)은 실리 콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 구비하는 제1 처리 가스를 공급한다. 노즐(42)은 산화 가스로서 산소(O2) 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 공급한다. 처리 영역(5)은 처리 용기(4)의 주위에 배치되는 히터(86)에 의해 가열된다.
이와 같은 열처리 장치를 이용하는 경우에는 소정의 온도로 가열된 처리 영역(5)으로 산소를 도입함으로써 산소를 활성화시킬 수 있다. 처리 영역(5)의 온도는 공급된 산소를 활성화할 수 있는 온도이면 좋고, 예를 들어 550 ℃ 정도로 하는 것이 바람직하다. 처리 영역(5)의 압력은 133 ㎩(1 Torr) 정도로 하는 것이 바람직하고, 산소 공급량은 100 sccm 내지 1 slm으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 산소 대신에, 오존(O3), 수증기(H2O) 등의 다른 산화 가스를 이용할 수 있다. 예를 들어, 산화 가스로서 오존을 이용하는 경우에는 처리 영역(5)의 온도를 200 ℃ 내지 600 ℃, 압력을 133 ㎩(1 Torr), 오존의 유량을 250 g/N㎥ 정도로 하는 것이 바람직하다.
[변경예]
실리콘 산화막을 형성하기 위한 1가의 아미노실란 가스(1분자 내에 2개의 아미노기를 갖는 아미노실란 가스)로서는, SiH3NC2(CH3)4 대신에, SiH3[NHC(CH3)3], SiH3[N(CH3)2]를 사용할 수 있다. 또한, 2가의 아미노실란 가스(1분자 내에 2개의 아미노기를 갖는 아미노실란 가스)로서는, BTBAS 대신에, BDEAS(비스디에틸아미노실란), BDMAS(비스디메틸아미노실란)를 사용하는 예를 들 수 있다.
제2 처리 가스 중의 산화 가스로서는, 산소, 오존(O3), 산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 아산화질소(N2O), 수증기(H20)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 가스를 이용할 수 있다.
상기 제1 실시 형태에서는 처리 가스 공급 시에 희석 가스로서 질소 가스를 공급하는 경우가 예시된다. 이 점에 관하여, 처리 가스 공급 시에 질소 가스를 공급하지 않아도 좋다. 단, 질소 가스를 희석 가스로서 포함시킴으로써 처리 시간의 설정 등이 용이해지므로, 희석 가스를 포함시키는 것이 바람직하다. 희석 가스로서는, 불활성 가스인 것이 바람직하고, 질소 가스 외에, 예를 들어 헬륨 가스(He), 네온 가스(Ne), 아르곤 가스(Ar), 크세논 가스(Xe)를 적용할 수 있다.
상기 제1 실시 형태에서는 실리콘 소스 가스와 질소 가스가 공통의 가스 분산 노즐로부터 공급된다. 대신에, 가스의 종류마다 가스 공급 노즐이 배치되어도 좋다. 또한, 복수개로부터 동일한 가스가 도입되도록 처리 용기(4)의 하단부 근방의 측면에 복수개의 가스 공급 노즐이 삽입 관통되어 있어도 좋다. 이 경우, 복수개의 가스 공급 노즐로부터 처리 용기(4) 내로 처리 가스가 공급되므로, 처리 용기(4) 내에 처리 가스를 보다 균일하게 도입할 수 있다.
상기 제1 실시 형태에서는 성막 장치로서, 단관 구조의 일괄식 열처리 장치가 사용된다. 대신에, 본 발명은, 예를 들어 처리 용기가 내관과 외관으로 구성된 이중관 구조의 일괄식 종형 열처리 장치에 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 매엽식 열처리 장치에 적용할 수도 있다. 피처리 기판은 반도체 웨이퍼(W)로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 LCD용 글래스 기판이라도 좋다.
성막 장치의 제어부(100)는 전용의 시스템에 의하지 않고, 통상의 컴퓨터 시스템을 이용하여 실현 가능하다. 예를 들어, 범용 컴퓨터에 상술한 처리를 실행하기 위한 프로그램을 저장한 기록 매체(가요성 디스크, CD-ROM 등)로부터 상기 프로그램을 인스톨함으로써, 상술한 처리를 실행하는 제어부(100)를 구성할 수 있다.
이들 프로그램을 공급하기 위한 수단은 임의이다. 프로그램은, 상술한 바와 같이 소정의 기록 매체를 통해 공급할 수 있는 것 외에, 예를 들어 통신 회선, 통신 네트워크, 통신 시스템 등을 통해 공급해도 좋다. 이 경우, 예를 들어 통신 네트워크의 게시판(BBS)에 상기 프로그램을 게시하고, 이를 네트워크를 통해 반송파에 중첩하여 제공해도 좋다. 그리고, 이와 같이 제공된 프로그램을 기동하여, 0S의 제어 하에서 다른 애플리케이션 프로그램과 마찬가지로 실행함으로써, 상술한 처리를 실행할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치(종형 플라즈마 CVD 장치)를 도시하는 단면도.
도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도.
도3은 도1에 도시하는 장치의 제어부의 구성을 도시하는 도면.
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서의, 가스 공급 및 RF(고주파) 인가의 형태를 나타내는 타이밍 차트.
도5a 내지 도5f는 실리콘 소스 가스로서 1가의 아미노실란 가스인 SiH3NC2(CH3)4를 사용한 경우의 Si 웨이퍼(W) 표면에 있어서의 반응을 개략적으로 도시하는 도면.
도6은 실리콘 소스 가스로서 2가의 아미노실란 가스인 비스터셜부틸아미노실란{BTBAS : SiH2[NH(C4H9)]2}을 사용한 경우의 반도체 웨이퍼(W) 표면에 있어서의 반응을 개략적으로 도시하는 도면.
도7은 실험에 의해 얻게 된, 다른 실리콘 소스 가스와 실리콘 산화막의 성막률과의 관계를 나타내는 그래프.
도8은 실험에 의해 얻게 된, 다른 처리 가스와 실리콘 산화막의 성막률 및 막 두께의 면내 균일성과의 관계를 나타내는 그래프.
도9는 실험에 의해 얻게 된, 다른 처리 온도와 실리콘 산화막의 성막률과의 관계를 나타내는 그래프.
도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(종형 열CVD 장치)를 도시하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 성막 장치
4 : 처리 용기
6 : 천장판
8 : 매니폴드
10 : 시일 부재
12 : 웨이퍼 보트
14 : 보온통
16 : 테이블
18 : 덮개
20 : 회전축
25 : 승강 기구

Claims (20)

  1. 실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스와 산화 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역 내에서 피처리 기판 상에, CVD에 의해 산화막을 형성하는 반도체 처리용 성막 방법이며,
    상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제1 공정과, 제1 공정에 의해, 상기 피처리 기판의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성하는 단계와,
    상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판의 표면 상의 상기 흡착층을 산화하는 제2 공정을 교대로 구비하는 사이클을 복수회 반복하고, 상기 사이클마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 상기 산화막을 형성하고, 여기서 상기 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용하여 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 상기 사이클에 있어서의 처리 온도를 낮게 설정하는 반도체 처리용 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사이클의 개시 전에 기준 범위 내의 성막률을 얻을 수 있도록 상기 처리 온도를 결정하는 공정을 더 구비하는 반도체 처리용 성막 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가 스를 사용함으로써 상기 피처리 기판의 표면에 있어서의 반응성이 촉진되는 만큼 상기 처리 온도를 낮은 값으로 설정함으로써, 상기 기준 범위 내의 성막률로 유지하는 반도체 처리용 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 소스 가스는 1가의 아미노실란 가스인 반도체 처리용 성막 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 아미노실란 가스는 SiH3NC2(CH3)4, SiH3[NHC(CH3)3], SiH3[N(CH3)2]로 이루어지는 군으로부터 선택되는 반도체 처리용 성막 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 소스 가스는 2가의 아미노실란 가스인 반도체 처리용 성막 방법.
  7. 제6항에 있어서, 아미노실란 가스는 비스터셜부틸아미노실란, 비스디에틸아미노실란, 비스디메틸아미노실란으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 반도체 처리용 성막 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 산화 가스는 산소, 오존, 산화질소, 이산화질소, 아산화질소, 수증기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 반도체 처리용 성막 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 사이클은 상기 처리 영역의 온도를 25 ℃ 내지 200 ℃로 설정하고, 상기 제2 공정은 상기 제2 처리 가스를 여기 기구에 의해 여기한 상태에서 상기 처리 영역에 공급하는 여기 기간을 구비하고, 이에 의해 생성된 상기 산화 가스의 라디칼에 의해 상기 피처리 기판의 표면 상의 상기 흡착층을 산화하는 반도체 처리용 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산화 가스는 산소로 이루어지는 반도체 처리용 성막 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 사이클은 상기 처리 영역의 온도를 100 ℃ 이하로 설정하는 반도체 처리용 성막 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 사이클은 상기 처리 영역의 온도를 200 ℃ 내지 600 ℃로 설정하는 반도체 처리용 성막 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 산화 가스는 산소, 오존, 수증기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 반도체 처리용 성막 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 각 사이클은 상기 제2 공정과 그 직후의 사이클의 상 기 제1 공정과의 사이에, 상기 처리 영역에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 동시에, 상기 처리 영역을 배기하는 개재 공정을 더 구비하는 반도체 처리용 성막 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 각 사이클은 상기 제1 및 제2 공정 사이에, 상기 처리 영역에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 동시에, 상기 처리 영역을 배기하는 개재 공정을 더 구비하는 반도체 처리용 성막 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 각 사이클은 그 전체 기간에 걸쳐서 상기 처리 영역을 계속적으로 배기하도록 구성되는 반도체 처리용 성막 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 개재 공정은 상기 처리 영역에 대한 불활성 가스의 공급을 행하는 기간을 구비하는 반도체 처리용 성막 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 처리 영역 내에 복수의 피처리 기판이 상하에 간격을 두고 적층된 상태에서 수납되고, 상기 복수의 피처리 기판은 상기 처리 영역의 주위에 배치된 히터에 의해 가열되는 반도체 처리용 성막 방법.
  19. 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와,
    상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
    상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
    상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,
    상기 처리 영역에 실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스를 공급하는 제1 처리 가스 공급계와,
    상기 처리 영역에 산화 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 공급하는 제2 처리 가스 공급계와,
    상기 처리 영역에 공급되는 상기 제2 처리 가스를 선택적으로 여기하는 여기 기구와,
    상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 피처리 기판 상에, CVD에 의해 산화막을 형성하기 위해,
    상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제1 공정에 의해 상기 피처리 기판의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성하는 제1 공정과,
    상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판의 표면 상의 상기 흡착층을 산화하는 제2 공정을 교대로 구비하는 사이클을 복수회 반복하고, 상기 사이클마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 상기 산화막을 형성하고, 여기서 상기 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용하여 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 상기 사이클에 있어서의 처리 온도를 낮게 설정하는 반도체 처리용 성막 장치.
  20. 프로세서상에서 실행하기 위한 프로그램 지령을 포함하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이며,
    상기 프로그램 지령은 프로세서에 의해 실행될 때,
    실리콘 소스 가스를 구비하는 제1 처리 가스와 산화 가스를 구비하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역 내에서 피처리 기판 상에, CVD에 의해 산화막을 형성하는 반도체 처리용 성막 장치를 제어하고,
    상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제1 공정에 의해 상기 피처리 기판의 표면에 실리콘을 포함하는 흡착층을 형성하는 제1 공정과,
    상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 정지하고, 상기 피처리 기판의 표면 상의 상기 흡착층을 산화하는 제2 공정을 교대로 구비하는 사이클을 복수회 반복하고, 상기 사이클마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 상기 산화막을 형성하고, 여기서 상기 실리콘 소스 가스로서 1가 또는 2가의 아미노실란 가스를 사용하여 3가의 아미노실란 가스를 사용하는 경우보다도 상기 사이클에 있어서의 처리 온도를 낮게 설정하는 프로세서상에서 실행하기 위한 프로그램 지령을 포함하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
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