KR20080049853A - 반도체 디바이스의 제조 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

반도체 디바이스의 제조 방법 및 기판 처리 장치 Download PDF

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KR20080049853A
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가즈유키 도요다
노리카즈 미즈노
다케토시 사토
마사노리 사카이
마사유키 아사이
가즈유키 오쿠다
히데키 호리타
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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

처리실 내에 수용된 기판에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 존재하는 반응 사이트로서의 배위자와 상기 제1 반응 물질의 배위자를 배위자 교환 반응시키는 제1 공정과, 상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 제2 공정과, 상기 기판에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 제1 공정에 의해 교환된 후의 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제3 공정과, 상기 처리실로부터 잉여인 상기 제2 반응 물질을 제거하는 제4 공정과, 상기 기판에 플라즈마에 의해 여기된 제3 반응 물질을 공급하고, 상기 제3 공정에서 반응 사이트로 교환 반응이 행해지지 않은 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제5 공정을 포함하고, 상기 기판 표면에 원하는 두께의 막이 형성될 때까지 상기 제1~제5 공정을 소정 회수 반복하는 반도체 디바이스의 제조 방법이 개시되어 있다.

Description

반도체 디바이스의 제조 방법 및 기판 처리 장치 {PRODUCTION METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE AND SUBSTRATE PROCESSING DEVICE}
본 발명은 반도체 디바이스의 제조 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스를 제조하기 위해서 CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의해 유전체막, 금속 산화막 등의 박막을 저온도에서 반도체 기판에 형성하는 것이 행해지고 있다.
그러나, 저온(600℃ 이하) 형성된 박막에 있어서는, 에칭 속도의 증대(막질을 체크할 때, 생성된 막을 에칭하여 평가하지만, 치밀하지 않은 막이라면 에칭 속도가 커짐), 고온 프로세스 실시 시의 막수축 등의 문제가 발생한다. 그 때문에, 고품질인 막을 제조하는 방법 및 장치가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은 저온에서 박막을 형성한 경우라도, 고품질인 박막을 형성할 수 있는 반도체 디바이스의 제조 방법 및 기판 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 양태에 의하면,
처리실 내에 수용된 기판에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 존재하는 반응 사이트로서의 배위자와 상기 제1 반응 물질의 배위자를 배위자 교환 반응시키는 제1 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 제2 공정과,
상기 기판에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 제1 공정에 의해 교환된 후의 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제3 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제2 반응 물질을 제거하는 제4 공정과,
상기 기판에 플라즈마에 의해 여기된 제3 반응 물질을 공급하고, 상기 제3 공정에서 반응 사이트로 교환 반응이 행해지지 않은 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제5 공정을 포함하고,
상기 기판 표면에 원하는 두께의 막이 형성될 때까지 상기 제1~ 제5 공정을 소정 회수 반복하는 반도체 디바이스의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 의하면,
기판이 수용된 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정과,
상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정으로 이루어지는 박막 형성 공정과,
상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위해 상기 처리실 내에 플라즈마 여기된 가스를 공급한 플라즈마 처리 공정을 가지고,
상기 박막 형성 공정과 상기 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하여 이루어지는 반도체 디바이스의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면,
기판이 수용된 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정과,
상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정을 소정 회수 반복여, 상기 기판에 수(數) 원자층의 박막을 형성하는 박막 형성 공정과,
상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위하여 상기 처리실 내에 산소 원자 함유 가스를 공급한 플라즈마 처리 공정을 가지고,
상기 박막 형성 공정과 상기 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하여 이루어지는 반도체 디바이스의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면,
표면에 실리콘막이 노출된 기판을 수용한 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 실리콘막의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정과,
상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 실리콘막 상에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정을 소정 회수 반복하여, 상기 실리콘막 상에 원하는 두께의 산화막을 형성하는 산화막 형성 공정과,
상기 산화막 형성 공정 후에 상기 산화막의 표면을 질화시키기 위해 질소 원자 함유 가스를 이용한 플라즈마 질화 처리 공정을 가지는 반도체 디바이스의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면,
기판을 수용하는 처리실과,
상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제1 공급 수단과,
상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하는 제2 공급 수단과,
상기 처리실 내에 제3 반응 물질을 공급하는 제3 공급 수단과,
상기 처리실 내를 배기하는 배출 수단과,
상기 제3 반응 물질을 플라즈마에 의해 여기하는 여기 수단과,
상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
상기 제어 수단의 상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단의 제어에 의해,
상기 처리실 내에 수용된 상기 기판에 상기 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 존재하는 반응 사이트로서의 배위자와 상기 제1 반응 물질의 배위자를 배위자 교환 반응시키는 제1 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 제2 공정과,
상기 기판에 상기 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 제1 공정에 의해 교환된 후의 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제3 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제2 반응 물질을 제거하는 제4 공정과,
상기 기판에 플라즈마에 의해 여기된 상기 제3 반응 물질을 공급하고, 상기 제3 공정에서 반응 사이트로 교환 반응이 행해지지 않은 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제5 공정을 상기 기판 표면에 원하는 두께의 막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하도록 상기 제어 수단을 구성하여 이루어지는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면,
*기판을 수용하는 처리실과,
상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제1 공급 수단과,
상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하는 제2 공급 수단과,
상기 처리실 내에 제3 반응 물질을 공급하는 제3 공급 수단과,
상기 처리실 내를 배기하는 배출 수단과,
상기 제3 반응 물질을 플라즈마에 의해 여기하는 여기 수단과,
상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
상기 제어 수단의 상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단의 제어에 의해,
기판이 수용된 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정과,
상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정으로 이루어지는 박막 형성 공정과,
상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위해 상기 처리실 내에 플라즈마 여기된 상기 제3 반응 물질을 공급한 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하도록 상기 제어 수단을 구성하여 이루어지는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면,
기판을 수용하는 처리실과,
상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제1 공급 수단과,
상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제2 공급 수단과,
상기 처리실 내의 분위기를 배출하는 배출 수단과,
상기 처리실 내에 산소 원자 함유 가스를 공급하는 제3 공급 수단과,
상기 산소 원자 함유 가스를 플라즈마화하는 플라즈마화 수단과,
상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 플라즈마화 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
상기 제어 수단의 상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 플라즈마화 수단의 제어에 의해,
상기 처리실 내에 상기 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정과,
상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 1원자층의 박막을 형성하는 공정과,
상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정으로 이루어지는 박막 형성 공정과,
상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위한 상기 처리실 내에 산소 원자 함유 가스를 공급한 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하도록 상기 제어 수단을 구성하여 이루어지는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 형태에 의하면 ALD법으로 박막을 형성한 경우에, 고품질인 박막을 형성할 수 있는 반도체 디바이스의 제조 방법 및 기판 처리 장치가 제공된다.
그 결과, 본 발명은 반도체 실리콘 기판을 사용하는 반도체 디바이스의 제조 방법 및 반도체 실리콘 기판 처리 장치에 특히 바람직하게 이용할 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 저온에서 고품질인 막을 형성하기 위해서 동일한 처리실 내에서 성막과 플라즈마 처리를 연속하여 행한다.
이렇게 함으로써 ALD 프로세스에 대해서도 용이하게 대응하는 것이 가능하다. ALD법은 기판이 수용된 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고, 기판의 표면에 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정과, 처리실로부터 잉여인 제1 반응 물질을 제거하는 공정과, 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 기판의 표면에 흡착한 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정과, 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정을 복수회 반복함으로써 기판 상에 박막을 퇴적시키는 방법이지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 피성막 표면에 있어서 제1 반응 물질과 제2 반응 물질 반응하여 1원자층씩 박막 형성이 행해진 후에 플라즈마 처리를 행하여 막질을 개선하거나 혹은 수원자층을 형성한 후에 플라즈마 처리를 행하여 막질을 개선한다. 플라즈마에 의한 막질의 개선은 그 처리를 저온에서 실시할 수 있기 때문에 고온 처리시의 확산층의 확산 등의 문제를 일으키지 않고 가능해진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는, 플라즈마 처리로서는 O2, N2O, NO, NO2, HO2O 등의 산소 혹은 산소의 질소 화합물의 플라즈마를 이용한다. 혹은 N2, NH3 등의 질소 혹은 질소의 수소 화합물의 플라즈마나 Ar이나 H2의 플라즈마를 이용한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에는 ALD법에 의해 1층 혹은 수층의 박막을 형성할 때마다 플라즈마 처리를 행하는 예뿐만 아니라, ALD법에 의해 소정의 두께의 박막을 형성한 후, 혹은 ALD법에 의해 소정의 박막을 형성 전에 플라즈마 처리를 행하는 예도 포함되어 있다.
ALD법에서는 예컨대, TMA(Al(CH3)3, 트리메틸알루미늄)와 O3(오존)를 교대로 공급함으로써, Al2O3(산화 알루미늄)막을 형성하는 경우를 생각하면, TMA가 베이스에 흡착하면 TMA의 Al의 두 개의 결합손에 메틸기(CH3기)가 결합한 상태로, 결합기의 나머지 하나에 결합하고 있는 메틸기가 기판 표면의 반응 사이트로서 작용하는 배위자인 OH기와의 배위자 교환 반응에 의해 이탈하여 베이스와 결합한다. 그리고, 이 상태로 O3가 공급되면, 배위자인 2개의 메틸기가 배위자 제거제로서 작용하는 O3와 배위자 교환 반응(상세하게는, 배위자 제거 반응)에 의해 H2O 및 CO2로서 이탈함과 함께, TMA의 Al의 2개의 결합손에는 반응 사이트로서 작용하는 OH기가 결합한 상태가 된다. 그 후, TMA가 공급되면, 배위자 교환 반응에 의해 2개의 OH기 (반응 사이트로서의 배위자)의 H와 TMA의 메틸기(배위자)가 결합하여 메탄으로서 이탈함과 함께, H가 이탈한 2개의 O기에 메틸기가 이탈한 후의 Al의 결합기가 결합한다. 이렇게 하여 성막이 진행되어 Al2O3가 형성되어 간다. 그러나, 어떠한 이유로 불완전한 산화 반응(배위자 제거 반응)이 생기면, 예를 들어, O3가 공급되어도 2개의 메틸기 중 하나만이 O3와 반응하여 H2O 및 CO2로서 이탈하고, TMA의 Al의 하나의 결합손에는 OH기가 결합하지만(배위자 교환 반응), 나머지 하나의 메틸기가 그대로인 상태가 되는 경우가 있다. 이러한 상태로 TMA를 공급하면, OH기로의 배위자 교환 반응이 이루어지지 않은 메틸기가 분자량이 큰 원료인 TMA에 덮이고, 다음 단계의 O3가 상기 메틸기에 닿지 않게 된다. 이 상태로 ALD 생성을 계속하면 상기 메틸기의 막 중으로의 잔류가 생기고, 경우에 따라서는 그 부분에서 공핍화된다.
그러나, 03보다 산화 성능이 높은 O2 플라즈마를 조사해주면, 상기 메틸기까지 O2 플라즈마가 들어갈 수 있고, 그 결과, 상기 메틸기가 막 중에서 이탈하여 OH기로 치환되고, 주변의 정상적으로 반응하고 있던 곳으로부터 비교하면 다소(1층 정도)의 퇴적 지연(표면 조밀)이 생기지만, 다음으로부터의 처리 단계에서 상기 OH기로부터 반응이 진행되어 막질적으로는 양호한 것이 된다. 전술한 현상은, TMA와 O3의 교대 공급이 적어도 2회(2사이클) 이상 반복되고, 적어도 2층째가 성막된 이후에 대한 현상이다. 또한, 1층마다(가스 공급의 1사이클마다)에 플라즈마 처리를 행하면, 남겨진 메틸기도 O2 플라즈마에 의해 그 대부분이 OH기로 치환되고, 1층마 다 수시 불완전한 산화 반응을 수복하면서 퇴적이 진행되므로 C성분은 거의 막 중에는 남지 않는다고 생각된다.
한편, CVD법에 따른 성막의 경우에는 기상 중에서 TMA와 O3가 반응하여 생성된 AlxOy가 기판 상에 내려와 퇴적하는 현상이므로 , Al2O3의 외에 C를 포함한 중간 생성체(ex. CO, CO2, CH3나 분자량이 큰 생성체)의 불순물이 막 중에 삽입되어도, 기판 상으로의 막의 퇴적은 진행해간다. 그 결과, ALD보다도 10배의 오더로 불순물이 혼입되게 된다. 따라서, 아무리 1~10㎛ 정도의 얇은 막을 생성한 후에 플라즈마 처리를 행해도, 상기 불순물을 막으로부터 뽑아내는 형태가 되고, 또한 그 양이 많기 때문에 막에 많은 공핍부가 존재한다. 또한, 이 불순물은 막으로부터 모두 제거되지 않는 것도 있고, C성분이 막 중에 삽입된다. 그 결과, CVD법으로 1~10㎛정도의 얇은 막을 생성한 후에 플라즈마 처리를 행해도 여전히 막질이 나쁘고 막질 향상에는 한계가 있다.
상기의 이유에 의해, CVD법으로 1~10㎛ 정도의 얇은 막을 생성한 후에 플라즈마 처리를 행하는 경우에 비해, ALD법에 의한 박막 형성과 플라즈마 처리를 조합하는 쪽이 훨씬 고품질의 막을 형성할 수 있다고 생각된다.
다음에 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
실시예 1
도 1은 본 실시예의 기판 처리 장치에서의 종형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이고, 도 2는 본 실시예의 기판 처리 장치에서의 종형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략 횡단면도이다.
가열 수단인 히터(207)의 내측에 기판인 웨이퍼(200)를 처리하는 반응 용기로서 반응관(203)이 설치되고, 이 반응관(203)의 하단에는 예를 들어 스테인레스 등으로 이루어지는 매니폴드(209)가 걸어 맞추고, 또한 그 하단 개구는 덮개체인 시일 캡(219)에 의해 기밀 부재인 O링(220)을 통하여 기밀하게 폐색되며, 적어도 이 히터(207), 반응관(203), 매니폴드(209) 및 시일 캡(219)에 의해 처리로(202)를 형성하고 있다. 또한, 반응관(203), 매니폴드(209), 시일 캡(219) 및 후술하는 반응관(203) 내에 형성된 버퍼실(237)에 의해 처리실(201)을 형성하고 있다. 이 매니폴드(209)는 유지 수단(이하 히터 베이스(251))에 고정된다.
반응관(203)의 하단부 및 매니폴드(209)의 상부 개구 단부에는 각각 환형상의 플랜지가 설치되고, 이들 플랜지 사이에는 기밀 부재(이하 O링(220))가 배치되어 양자 사이는 기밀하게 시일되고 있다.
시일 캡(219)에는 석영 캡(218)을 통하여 기판 유지 수단인 보트(217)가 설치되고, 석영 캡(218)은 보트(217)를 유지하는 유지체가 되고 있다. 그리고, 보트(217)는 처리로(202)에 삽입된다. 보트(217)에는 배치 처리되는 복수의 웨이퍼(200)가 수평 자세로 관축 방향에 다단으로 적재된다. 히터(207)는 처리로(202)에 삽입된 웨이퍼(200)를 소정의 온도로 가열한다.
처리실(201)에 가스를 공급하는 공급관으로서의 3개의 가스 공급관(232a, 232b, 232e)이 설치되어 있다. 가스 공급관(232b 및 232e)은 처리실(201) 외에서 합류하여 가스 공급관(232g)이 되고 있다. 가스 공급관(232a 및 232g)은 매니폴 드(209)의 하부를 관통하여 설치되어 있다. 가스 공급관(232g)은 처리실(201) 내에서 한 개의 다공 노즐(233)에 연통하고 있다.
가스 공급관(232b)으로부터는 유량 제어 수단인 매스 플로우 콘트롤러(241b), 개폐 밸브인 밸브(252), TMA 용기(260) 및 개폐 밸브인 밸브(250)를 통하여, 또한 후술하는 가스 공급부(249)를 통하여 처리실(201)에 반응 가스(TMA)가 공급된다. TMA 용기(260)로부터 매니폴드(209)까지의 가스 공급관(232b)에는 히터(300)가 설치되고, 가스 공급관(232b)을 50~60℃로 유지하고 있다.
가스 공급관(232a)으로부터는 유량 제어 수단인 매스 플로우 콘트롤러(241a) 및 개폐 밸브인 밸브(243a)를 통하여, 또한 가스 공급관(232g), 다공 노즐(233) 및 후술하는 반응관(203) 내에 형성된 버퍼실(237)을 통하여 처리실(201)에 반응 가스(O3)가 공급된다.
가스 공급관(232e)으로부터는, 유량 제어 수단인 매스 플로우 콘트롤러(241e) 및 개폐 밸브인 밸브(255)를 통하여, 또한 가스 공급관(232g), 다공 노즐(233) 및 후술하는 반응관(203) 내에 형성된 버퍼실(237)을 통하여 처리실(201)에 산소 플라즈마가 공급된다.
가스 공급관(232b)에는 불활성 가스의 라인(232c)이 개폐 밸브(253)를 통하여 밸브(250)의 하류측에 접속되고 있다. 가스 공급관(232a)에는 불활성 가스의 라인(232d)이 개폐 밸브(254)를 통하여 밸브(243a)의 하류측에 접속되어 있다.
노즐(233)이 반응관(203)의 하부에서 상부에 걸쳐 웨이퍼(200)의 적재 방향 을 따라서 배치되어 있다. 그리고 노즐(233)에는 복수의 가스를 공급하는 공급 구멍인 가스 공급 구멍(248b)이 설치되어 있다.
반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200) 사이에서의 원호형상의 공간에는 반응관(203)의 하부에서 상부의 내벽에 웨이퍼(200)의 적재 방향을 따라서, 가스 분산 공간인 버퍼실(237)이 설치되어 있고, 그 버퍼실(237)의 웨이퍼(200)와 인접하는 내측의 벽의 단부 근방에는 가스를 공급하는 공급 구멍인 가스 공급 구멍(248a)이 설치되어 있다. 이 가스 공급 구멍(248a)은 반응관(203)의 중심을 향하여 개구되어 있다. 이 가스 공급 구멍(248a)은 웨이퍼(200)의 적재 방향을 따라서 하부로부터 상부로 소정의 길이에 걸쳐서 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 동일한 개구 피치로 설치되어 있다.
그리고 버퍼실(237)의 가스 공급 구멍(248a)이 설치된 단부와 반대측의 단부 근방에는 노즐(233)이 역시 반응관(203)의 하부에서 상부에 걸쳐 웨이퍼(200)의 적재 방향을 따라서 배치되어 있다. 그리고 노즐(233)에는 가스를 공급하는 공급 구멍인 가스 공급 구멍(248b)이 복수 설치되어 있다.
가스 공급 구멍(248b)으로부터 분출하는 가스를 버퍼실(237)에 분출시켜 일단 도입하고, 가스의 유속차의 균일화를 행할 수 있다.
즉, 버퍼실(237)에 있어서 각 가스 공급 구멍(248b)에서 분출한 가스는 버퍼실(237)에서 각 가스의 입자 속도가 완화된 후, 가스 공급 구멍(248a)에서 처리실(201)로 분출한다. 이 사이에, 각 가스 공급 구멍(248b)에서 분출한 가스는 각 가스 공급 구멍(248a)에서 분출할 때에는 균일한 유량과 유속을 가지는 가스로 할 수 있다.
또한, 버퍼실(237)에 가늘고 긴 구조를 가지는 막대형상 전극(269) 및 막대형상 전극(270)이 상부에서 하부에 걸쳐서 전극을 보호하는 보호관인 전극 보호관(275)에 보호되어 배치되고, 이 막대형상 전극(269) 또는 막대형상 전극(270)의 어느 한 쪽은 정합기(272)를 통하여 고주파 전원(273)에 접속되고, 다른 쪽은 기준 전위인 어스에 접속되어 있다. 이 결과, 막대형상 전극(269) 및 막대형상 전극(270) 사이의 플라즈마 생성 영역(224)에 플라즈마가 생성된다.
이 전극 보호관(275)은 막대형상 전극(269) 및 막대형상 전극(270)의 각각을 버퍼실(237)의 분위기와 격리된 상태로 버퍼실(237)에 삽입할 수 있는 구조로 되어 있다. 여기서, 전극 보호관(275)의 내부는 외기(대기)와 동일 분위기라면, 전극 보호관(275)에 각각 삽입된 막대형상 전극(269) 및 막대형상 전극(270)은 히터(207)의 가열로 산화된다. 따라서, 전극 보호관(275)의 내부는 질소 등의 불활성 가스를 충전 혹은 퍼지하고, 산소 농도를 충분히 낮게 억제하여 막대형상 전극(269) 또는 막대형상 전극(270)의 산화를 방지하기 위한 불활성 가스 퍼지 기구가 설치된다.
또한, 가스 공급 구멍(248a)의 위치에서 반응관(203)의 내주를 120˚정도 회전한 내벽에 가스 공급부(249)가 설치되어 있다. 이 가스 공급부(240)는 ALD법에 의한 성막에 있어서 웨이퍼(200)로, 복수 종류의 가스를 1종류씩 교대로 공급할 때에 버퍼실(237)과 가스 공급종을 분담하는 공급부이다.
이 가스 공급부(249)도 버퍼실(237)과 동일하게 웨이퍼와 인접하는 위치에 동일 피치로 가스를 공급하는 공급 구멍인 가스 공급 구멍(248c)을 갖고, 하부에서는 가스 공급관(232b)이 접속되어 있다.
처리실(201)은 가스를 배기하는 배기관인 가스 배기관(231)에 의해 밸브(243d)를 통하여 배기 수단인 진공 펌프(246)에 접속되어 진공 배기되도록 되어 있다. 또한, 이 밸브(243d)는 밸브를 개폐하여 처리로(202)의 진공 배기·진공 배기 정지를 할 수 있고, 또한 밸브 개도를 조절하여 압력 조정 가능하게 되어 있는 개폐 밸브이다.
반응관(203)내의 중앙부에는 복수매의 웨이퍼(200)를 다단에 동일 간격으로 연직 방향으로 적재하는 보트(217)가 설치되어 있고, 이 보트(217)는 도면 중 생략된 보트 엘리베이터 기구에 의해 반응관(203)에 출입할 수 있도록 되어 있다. 또 처리의 균일성을 향상시키 위해서 보트(217)를 회전하기 위한 회전 수단인 보트 회전 기구(267)가 설치되어 있고, 보트 회전 기구(267)를 회전함으로써 석영 캡(218)에 유지된 보트(217)를 회전하도록 되어 있다.
제어 수단인 콘트롤러(321)는 매스 플로우 콘트롤러(241a, 241b, 241e), 밸브(243a, 243d, 250, 252, 253, 254, 255), 히터(207), 진공 펌프(246), 보트 회전 기구(267), 도면 중 생략된 보트 승강 기구에 접속되어 있고, 매스 플로우 콘트롤러(241a, 241b, 241e)의 유량 조정, 밸브(243a, 250, 252, 253, 254, 255)의 개폐 동작, 밸브(243d)의 개폐 및 압력 조정 동작, 히터(207)의 온도 조절, 진공 펌프(246)의 기동·정지, 보트 회전 기구(267)의 회전 속도 조절, 보트 승강 기구의 승강 동작 등의 제어가 행해진다.
다음에 ALD법에 의한 성막예로서 TMA, O3 가스 및 O2 플라즈마를 이용하여 Al2O3막을 성막하는 경우를 설명한다. 도 3은 본 실시예의 ALD 시퀀스를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 비교를 위한 ALD 시퀀스를 설명하기 위한 도면이다.
우선 성막하고자 하는 반도체 실리콘 웨이퍼(200)를 보트(217)에 장전하고 처리로(202)에 반입한다. 반입 후, 다음의 5개의 단계를 차례로 실행한다.
[단계 1]
단계 1에서는 TMA 가스를 흘린다. TMA는 상온에서 액체이고, 처리로(202)에 공급하기 위해서는 가열하여 기화시키고 나서 공급하는 방법, 캐리어 가스라 불리는 질소나 희가스 등의 불활성 가스를 TMA 용기(260) 안에 통과시키고, 기화하고 있는 만큼을 그 캐리어 가스와 함께 처리로로 공급하는 방법 등이 있지만, 예로서 후자의 케이스에서 설명한다. 우선 캐리어 가스 공급관(232b)에 설치한 밸브(252), TMA 용기(260)와 처리로(202) 사이에 설치된 밸브(250) 및 가스 배기관(231)에 설치한 밸브(243d)를 모두 열고, 캐리어 가스 공급관(232b)으로부터 매스 플로우 콘트롤러(241b)에 의해 유량 조절된 캐리어 가스가 TMA 용기(260) 안을 통과하고, TMA와 캐리어 가스의 혼합 가스로서 가스 공급부(249)의 가스 공급 구멍(248c)으로부터 처리실(201)에 공급하면서 가스 배기관(231)으로부터 배기한다. TMA 가스를 흘릴 때에는 밸브(243d)를 적정하게 조정하여 처리실(201) 내 압력을 10~900Pa의 범위의 소정 압력으로 유지한다. 매스 플로우 콘트롤러(241b)로 제어하는 캐리어 가스의 공급 유량은 10000sccm 이하이다. TMA를 공급하기 위한 시간 은 1~4초 설정한다. 그 후 더욱 흡착시키기 위해 상승한 압력 분위기 중에 노출하는 시간을 0~4초로 설정해도 좋다. 이 때의 히터(207)의 온도는 웨이퍼의 온도가 250~450℃가 되도록 설정해 둔다.
또한, 동시에 가스 공급관(232a)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232d)으로부터 개폐 밸브(254)를 열어 불활성 가스를 흘리면 O3측에 TMA가 들어가는 것을 막을 수 있다.
이 때, 처리실(201)내에 흘리고 있는 가스는 TMA와 N2, Ar 등의 불활성 가스뿐이고 O3은 존재하지 않는다. 따라서, TMA는 기상 반응을 일으키지 않고 웨이퍼(200) 상의 베이스막과 표면 반응한다.
[단계 2]
단계 2에서는 가스 공급관(232b)의 밸브(250)를 닫고 TMA의 공급을 멈춘다. 또한, 가스 배기관(231)의 밸브(243d)는 연 채로 하여 진공 펌프(246)에 의해, 처리실(201)을 20Pa 이하로 배기하고, 잔류 TMA를 처리실(201)로부터 배제한다. 또한, 이 때에는 동시에 가스 공급관(232b)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232c)으로부터 개폐 밸브(253)를 열어 불활성 가스로서의 N2 가스를 흘리고, 가스 공급관(232a)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232d)으로부터 개폐 밸브(254)를 열어 불활성 가스로서의 N2 가스를 흘려 처리실(201) 내에 N2 가스를 흘린다.
[단계 3]
단계 3에서는 O3 가스를 흘린다. 우선 가스 공급관(232a)에 설치한 밸브(243a) 및 가스 배기관(231)에 설치한 밸브(243d)를 모두 열고, 가스 공급관(232a)으로부터 매스 플로우 콘트롤러(241a)에 의해 유량 조정된 O3 가스를 노즐(233)을 통하여 버퍼실(237)의 가스 공급 구멍(248a)으로부터 처리실(201)에 공급하면서 가스 배기관(231)으로부터 배기한다. 03 가스를 흘릴 때에는 밸브(243d)를 적정하게 조절하여 처리로(202) 내 압력을 10~100Pa의 범위의 소정 압력으로 유지한다. 매스 플로우 콘트롤러(241a)로 제어하는 O3의 공급 유량은 1000~10000sccm의 범위의 소정 유량이다. O3에 웨이퍼(200)를 노출시키는 시간은 2~120초간이다. 이 때의 웨이퍼 온도는 TMA의 공급 시와 동일하게 250~450℃이다.
또한, 동시에 가스 공급관(232b)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232c)으로부터 개폐 밸브(253)를 열어 불활성 가스를 흘리면 TMA측에 O3 가스가 들어가는 것을 막을 수 있다.
이 때, 처리로(202)에 안에 흘리고 있는 가스는 O3와 N2, Ar 등의 불활성 가스뿐이고 TMA는 존재하지 않는다. 따라서, O3은 기상 반응을 일으키지 않고 웨이퍼(200) 상에 TMA가 흡착하여 형성된 베이스막과 O3가 표면 반응하여 웨이퍼(200) 상에 Al203막이 성막된다.
[단계 4]
단계 4에서는, 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)를 닫고 O3 가스의 공급을 멈춘다. 또한, 가스 배기관(231)의 밸브(243d)는 연 채로 하여 진공 펌프(246)에 의해, 처리실(201)을 20Pa 이하로 진공 배기하고, 잔류 O3를 처리실(201)로부터 배제한다. 또한, 이 때에는 동시에, 가스 공급관(232a)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232d)으로부터 개폐 밸브(254)를 열어 불활성 가스로서의 N2 가스를 흘히고, 가스 공급관(232b)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232c)으로부터 개폐 밸브(253)를 열어 불활성 가스로서의 N2 가스를 흘려 처리실(201) 내에 N2 가스를 흘린다.
[단계 5]
단계 5에서는, 불활성 가스의 라인(232d)의 개폐 밸브(254) 및 불활성 가스의 라인(232c)의 개폐 밸브(253)를 닫아 N2 가스의 공급을 멈춘다. 그리고, 가스 공급관(232e)에 설치한 밸브(255)를 열고, 가스 공급관(232e)으로부터 매스 플로우 콘트롤러(241e)에 의해 유량 조정된 O2 가스를 노즐(233)의 가스 공급 구멍(248b)으로부터 버퍼실(237)로 분출하고, 막대형상 전극(269) 및 막대형상 전극(270) 사이에 고주파 전원(273)으로부터 정합기(272)를 통하여 고주파 전력을 인가하여 O2를 플라즈마 여기하고, 활성종으로서 처리실(201)에 공급하면서 가스 배기관(231)으로 부터 배기한다. O2 가스를 플라즈마 여기함으로써 활성종으로서 흘릴 때에는, 밸브(243d)를 적정하게 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 10~900Pa의 범위의 소정 압력으로 유지한다. 매스 플로우 콘트롤러(241e)로 제어하는 O2의 공급 유량은 1~10,000sccm의 범위의 소정 유량이다. O2를 플라즈마 여기함으로써 얻어진 활성종에 웨이퍼(200)를 노출하는 시간은 0.1~600sec이다. 이 때의 히터(207)의 온도는 웨이퍼가 AlO 성막 온도와 동등하게 되도록 설정하고 있다.
그 후, 가스 공급관(232e)의 밸브(255)를 닫아 O2가스의 공급을 멈추고, 고주파 전원(273)으로부터의 고주파 전력의 인가도 멈춘다. 또한, 가스 배기관(231)의 밸브(243d)는 연 채로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201)을 20Pa 이하로 배기하고 잔류 O2가스를 처리실(201)로부터 배제한다. 또한, 이 때에는 동시에, 가스 공급관(232a)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232d)으로부터 개폐 밸브(254)를 열어 불활성 가스로서의 N2 가스를 흘리고, 가스 공급관(232b)의 도중에 연결되어 있는 불활성 가스의 라인(232c)으로부터 개폐 밸브(253)를 열어 불활성 가스로서의 N2 가스를 흘려 처리실(201) 내에 N2 가스를 흘린다.
상기 단계 1~5를 1사이클로 하고, 이 사이클을 복수회 반복함으로써 웨이퍼(200) 상에 소정 막두께의 Al2O3막을 성막한다(도 3 참조).
본 실시예에 의해 제조한 Al2O3막을 이용한 커패시터막과, 도 4에 나타내는 바와 같이 상기 단계 1~4를 1사이클로 하고, 이 사이클을 복수회 반복하는 것 만으로 O2플라즈마에 의한 처리를 행하지 않고 웨이퍼(200) 상에 성막한 Al2O3막을 이용한 커패시터막과의 리크 전류 측정 결과를 도 5에 나타낸다. O2플라즈마 처리를 행함으로써, 리크 전류가 현저하게 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, O2플라즈마 처리를 행함으로써, EOT(Equivalent Oxide Thickness:산화막 환산 막두께:유전율을 기본으로 산화막으로 환산했을 때의 막두께)의 저감과 리크 전류의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시예와 같이 상기 단계 1~5를 1사이클로 하고, 이 사이클을 복수회 반복함으로써 ALD법에 의해 1원자층 형성할 때마다 O2 플라즈마 처리를 행하는 것이 요구되지만, ALD법에 의해 2~5원자층 형성할 때마다 O2 플라즈마 처리를 행할 수도 있다. 이 이상 많은 원자층 형성할 때마다 O2 플라즈마 처리를 행하면, O2 플라즈마 처리에 의해서도 탄소 화합물 등의 불순물이 제거되기 어려워져 바람직하지 않다.
또한, 본 실시예에서는 가스 공급관(232e)으로부터 O2 가스를 공급하여 O2 플라즈마 처리를 행하였지만, 가스 공급관(232e)으로부터 O2 가스 대신에 N2O, NO, NO2 또는 H2O를 공급하여 플라즈마 처리를 행해도 좋다. 또한, Ar이나 N2의 플라즈마 처리를 행해도 좋다.
실시예 2
커패시터막의 형성 시에 있어서 Si 표면을 질화하고 그 후 알루미나막(Al2O3막)의 형성이 행해지지만, 본 실시예에서는 이 알루미나막의 베이스 형성의 방법으로서 플라즈마 질화를 행한다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는 실시예 1과 동일한 장치를 사용하여, 우선, 가스 공급관(232e)에 설치한 밸브(255)를 열어 가스 공급관(232e)으로부터 매스 플로우 콘트롤러(241e)에 의해 유량 조정된 NH3 가스를 노즐(233)의 가스 공급 구멍(248b)을 통하여 버퍼실(237)에 분출하고, 막대형상 전극(269) 및 막대형상 전극(270) 사이에 고주파 전원(273)으로부터 정합기(272)를 통하여 고주파 전력을 인가하여 NH3를 플라즈마 여기하고, 활성종으로서 처리실(201)에 공급하면서 가스 배기관(231)으로부터 배기한다. 이렇게 하여 도프트 폴리실리콘(401) 상에 배리어 SiN막(402)을 형성한다.
그 후, 실시예 1의 단계 1~4를 1사이클로 하고, 이 사이클을 복수회 반복함으로써 ALD법에 의해서 배리어 SiN막(402) 상에 Al2O3막(403)을 형성한다.
그 후, TiN(404)을 형성하여 커패시터를 작성한다.
도 7은 이렇게 하여 형성한 커패시터와 배리어 SiN막(402)을 형성하지 않고, 도프트 폴리실리콘(401) 상에 직접 Al2O3막(403)을 형성하여 작성한 커패시터의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)을 나타낸 것이다. 본 실시예와 같이 하여 형성 한 배리어 SiN막(402)을 사용한 커패시터는 매우 높은 절연 파괴 전압을 가지고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 가스 공급관(232e)으로부터 NH3 가스를 공급하고, NH3를 플라즈마 여기하여 배리어 SiN막(402)을 형성했지만, 가스 공급관(232e)으로부터 N2 가스를 공급하고, N2를 플라즈마 여기하여 배리어 SiN막(402)을 형성해도 좋다.
실시예 3
본 실시예에서는 ALD법에 의해 형성한 산화막 표면을 플라즈마 질화 처리하고 있다. 게이트 스페이서나 STI(Shallow Trench Isolation)의 라이너부의 산화막의 질화 처리로서는, 종래는 NO, N2O 등의 산화제를 이용하여 800~900℃ 정도에서의 열처리가 행해지고 있었지만, 질소의 분포가 SiO2/Si의 계면에 집중하여 이동도의 저하에 연결되기 때문에, SiO2 표면을 플라즈마 질화하는 기술이 요구되고 있었다.
본 실시예를 적용하여 바람직하게 작성되는 반도체 디바이스의 일종인 M0S 트랜지스터에 대해서, 도 8을 참조하여 설명한다. 이 MOS 트랜지스터는 실리콘층(411)에 형성된 소자 분리(412)에 둘러싸인 영역에 작성되어 있다. 실리콘층(411) 상에 형성된 게이트 산화막(417) 및 플라즈마 질화막(418) 상에 도프트 폴리실리콘(419) 및 메탈 실리사이드(420)로 이루어지는 게이트 전극(430)이 형성되어 있다. 게이트 전극(430)의 측면에는 SiO2로 이루어지는 게이트 스페이서(421)가 형성되고, 그 위에는 플라즈마 질화막(423)이 형성되어 있다. 또한, 실리콘층(411)에는 게이트 전극(430)을 사이에 두고 소스(413, 414), 드레인(415, 416)이 형성되어 있다. 이렇게 하여 형성된 MOS 트랜지스터를 덮어 절연막(422)이 형성되어 있다.
다음에, 본 실시예를 적용하여 바람직하게 작성되는 STI(Shallow Trench Isolation)의 라이너부에 대해서 도 9를 참조하여 설명한다. 홈(443)이 생긴 실리콘층(440)에 SiO2로 이루어지는 산화막(441)이 형성되고 그 위에는 플라즈마 질화막(442)이 형성되어 있다. 홈(443) 내에는 소자 분리 영역을 형성하기 위해서 산화막(도시하지 않음)으로 묻히지만, 산화가 확장되지 않도록 산화막 형성 전에 플라즈마 질화막(442)이 형성되어 있다.
본 실시예에서는, 실시예 1과 동일한 장치를 대용하여 실시예 1의 TMA를 DCS(디클로로실란 : SiH2Cl2)에 실시예 1의 O2를 NH3으로 각각 변경하고, MOS 트랜지스터의 경우에는 DCS와 O3를 교대로 공급하여 ALD법에 의해 원하는 두께의 게이트 스페이서(421)를 형성하고, 그 후, NH3의 플라즈마에서 게이트 스페이서(421)의 표면을 플라즈마 질화하여 플라즈마 질화막(423)을 형성하고, STI의 경우에는 DCS와 O3를 교대로 공급하여 ALD법에 의해 산화막(441)을 형성하며, 그리고, 산화막(441)의 표면을 플라즈마 질화하여 플라즈마 질화막(442)을 형성하였다.
본 실시예에서는 이렇게 하여 SiO2의 표면을 플라즈마 질화한다. 도 10에 열질화 처리와 본 실시예에서 처리한 경우의 질소 프로파일을 나타낸다. 본 실시예에서는 Si와 SiO2 계면에는 600℃ 이하의 저온 처리 시에는 질소는 거의 존재하지 않고, SiO2의 표면 근방에 질화 농도의 피크가 있어 Si02의 표면의 질화가 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한 실시예에서는, NH3 가스를 공급하고, NH3를 플라즈마 여기하여 플라즈마 질화막을 형성하였지만, N2 가스를 공급하고 N2를 플라즈마 여기하여 플라즈마 질화막을 형성해도 좋다.
실시예 4
Si 웨이퍼 상에 ALD법에 의해 질화 실리콘막을 성막하기 위해서는 그 원료에 NH3와 DCS(SiH2Cl2)를 이용한다.
성막 순서를 이하에 나타낸다.
(1) 석영 보트에 Si 웨이퍼를 이재(移載)한다.
(2) 석영 보트를 300℃의 처리실 내에 삽입한다.
(3) 석영 보트의 삽입이 끝나면 처리실 내를 진공 처리하고 처리실 내를 450℃ 정도까지 승온한다.
(4) DCS를 조사(3초)→N2 퍼지(5초)→플라즈마 여기된 NH3를 조사(6초)→N2 퍼지(3초)를 1사이클로 하여 소정의 막 두께를 얻을 때까지 사이클을 반복한다. 이 때, 1 사이클마다 생성되는 막 두께는 약 1Å(=0.1㎚)이다.
(5) 처리실 내의 반응 가스의 가스 제거를 행하는 동시에 처리실 온도를 300℃ 정도까지 강온한다.
(6) 처리실 내를 대기압에 복귀하고 석영 보트를 처리실에서 인출한다.
최근의 반도체 디바이스 구조는 변형 완화의 목적으로 1.8Gpa 정도의 막 스트레스가 요구되고 있지만, 상기 공정을 거쳐 성막된 막 스트레스는 1.2Gpa 정도로 목표치보다 낮다.
이 때문에, 스트레스를 증가시키기 위해서 NH3 조사 시간을 길게 하는 수법을 취하고 있었다. NH3 조사 시간을 길게 함으로써 막 스트레스는 1.5Gpa까지 증가시키는 것이 가능하다. NH3 조사 시간을 길게 했을 때의 막 스트레스의 결과를 도 11에 나타내지만, 여기한 NH3 조사 시간을 늘림으로써 막 스트레스가 증가해가지만, 1.5Gpa 이상의 스트레스를 얻을 수 없다.
이와 같이, 종래의 NH3 조사 시간 연장의 수법에서는 얻어지는 막 스트레스는 1.5Gpa가 최대치이며, 목표의 1.8Gpa를 달성할 수 없다. 트랜지스터부의 질화막의 막 스트레스가 낮으면 ON 전류가 낮아지는 등의 문제가 생긴다.
본 실시예에서는 실시예 1과 동일한 장치를 대용하여 실시예 1의 TMA를 DCS(디클로로실란:SiH2Cl2)로, O3을 NH3 라디칼로, O2를 H2로 각각 변경하고, DCS와 NH3 라디칼을 교대로 공급하여 ALD법에 의해 원하는 두께의 Si3N4막을 형성하며, 그 후, H2의 플라즈마에서 Si3N4막의 막 스트레스를 더욱 개선하였다.
ALD법의 반응 메카니즘은 다음과 같다.
(1) DCS 조사에 의해서 표면에 Si와 Cl가 흡착한다.
(2) 다음에 가스를 치환하기 위해(DCS와 NH3의 혼합을 막기 위해) N2 퍼지를 행한다.
(3) 또한 여기한 NH3를 조사함으로써 (1)에서 흡착한 Cl를 HCl로서 이탈하고 N과 H가 흡착한다.
소정의 막두께에 이를 때까지 상기 사이클 (1) 내지 (3)을 반복한다.
따라서 막 중에는 ALD 질화막의 주성분인 Si, N의 외에 H, Cl의 불순물이 삽입되어 간다.
막 중의 H(수소), Cl(염소) 농도를 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 측정한 결과를 도 12에 나타내지만, NH3 조사 시간을 늘리면 H 농도는 일정한 것에 비하여 Cl 농도는 저감해 가는 것을 알 수 있다.
Cl은 그 원료인 DCS로부터 표면에 삽입되지만, NH3를 조사하는 과정에서 표면으로부터 이탈해 간다. 따라서 NH3 조사 시간이 길수록 Cl의 이탈 효과는 높고, 막 중의 Cl 농도는 저감해간다. 그러나, 1E20(1×1020)atoms/㎤ 이하로는 저감시킬 수 없다.
막 스트레스는 Cl 농도에 의존한다고 가정하여 Cl 농도의 새로운 저감 수법에 대해 검토하였다. DCS의 공급시, 막 표면에는 Si-Cl 결합과 Si-H 결합이 존재 하고 있다. 각각의 결합 에너지는 Si-Cl 결합의 경우 397KJ/mol, Si-H 결합이 318KJ/mol과 Si-Cl 결합 에너지쪽이 크다. NH3 라디칼을 조사한 경우에 Si-H 결합은 N-H로 바뀌지만, Si-Cl은 결합 에너지가 강하기 때문에 Cl를 포함한 상태로 성막이 진행된다.
이 Cl를 제거하기 위해서 H2 플라즈마를 이용하여 HCl의 형태로 이탈시키는 실험을 시도하였다.
종래의 ALD 성막 방법의 시퀀스와 본 실시예의 H2 플라즈마를 이용한 ALD 성막 방법의 시퀀스를 도 13에 각각 나타낸다. 모든 경우에 여기한 NH3의 조사 시간을 20sec까지 늘리고 있다. 또한, H2 플라즈마를 이용한 ALD 성막의 경우는, H2 플라즈마의 조사 시간은 10sec이다.
도 14에, 종래의 ALD 성막 방법에 의해 성막을 행한 경우와 본 실시예의 H2 플라즈마를 이용한 ALD 성막 방법에 의해 성막을 행한 경우에서의 막 중 Cl 농도의 SIMS의 분석 결과와 종래의 ALD 성막 방법의 시퀀스를 기준으로 한 막 스트레스를 나타낸다.
SIMS의 분석 결과로부터, H2 플라즈마를 이용함으로써 막 중 Cl 농도를 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
막 스트레스 측정 결과로부터, H2 플라즈마를 이용함으로써 막 스트레스를 1.3배로 할 수 있는 것이 판명되었다.
여기에서는, 도 13에 나타내는 바와 같이, H2 플라즈마를 매 사이클 실시하고 있지만, 도 15에 나타내는 바와 같이, 복수 사이클마다 행해도 동일한 효과가 얻어진다. 5사이클마다와 10사이클마다 H2 플라즈마 처리를 실시한 결과도 도 14에 함께 나타낸다. 이들 경우도 막 중 Cl 농도가 저감되고 막 스트레스도 개선되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, H2 플라즈마 처리를 실시하는 간격을 1-10사이클의 사이에서 조정함으로써 막 스트레스를 가변으로 할 수 있는 것도 알 수 있다.
한편, 도 13에 있어서는 NH3 라디칼을 조사하기 전후에 N2 퍼지 공정을 설치하고 있지만, 이들 N2 퍼지 공정은 생략해도 좋다. H2 플라즈마 조사 공정과 NH3 라디칼 조사 공정에 있어서는, 모두 H2 플라즈마가 생기기 때문에 굳이 N2 퍼지로 제거시키지 않아도 좋기 때문이다. 또한, 방전을 미세하게 ON, OFF 시키지 않아도 계속 세울 수도 있기 때문이다.
또한, 도 13에서는 DCS 및 NH3의 조사마다 H2 플라즈마를 조사시키고 있지만, 이것을 NH3 조사 후의 1도만의 H2 플라즈마 조사(즉, 1사이클마다 H2 플라즈마 조사)라도 좋다.
이상의 결과를 감안하여, 본 실시예에서는 실시예 1과 동일한 장치를 대용하여 실시예 1의 TMA를 DCS(디클로로실란:SiH2Cl2)로, O3를 NH3 라디칼로, O2를 H2로 각각 변경하고, DCS와 NH3 라디칼을 교대로 공급하여 ALD법에 의해 원하는 두께의 Si3N4막을 형성하고, H2의 플라즈마에서 Si3N4막의 개질을 행하였다.
실시예 5
본 실시예에서는 실시예 1과 동일한 장치를 대용하여 실시예 1의 TMA를 DCS(디클로로실란 : SiH2Cl2)로, O3를 NH3 라디칼로, O2를 N2로 각각 변경하고, DCS와 NH3 라디칼을 교대로 공급하여 ALD법에 의해 원하는 두께의 Si3N4막을 형성하고, N2의 플라즈마에서 Si3N4막의 개질을 행하였다.
Si 웨이퍼 상에 ALD법에 의해 질화 실리콘막을 성막하기 위해서는, 그 원료에 NH3와 DCS(SiH2Cl2)를 이용한다.
성막 순서를 이하에 나타낸다.
(1) 석영 보트에 Si 웨이퍼를 이재한다.
(2) 석영 보트를 300℃의 처리실 내에 삽입한다.
(3) 석영 보트의 삽입이 끝나면 처리실 내를 진공 처리하고, 처리실 내를 450℃ 정도까지 승온한다.
(4) DCS를 조사(3초)→N2 퍼지(5초)→플라즈마 여기된 NH3를 조사(6초)→N2 퍼지(3초)를 1사이클로 하여 소정의 막 두께를 얻을 때까지 사이클을 반복한다. 이 때, 1사이클마다 생성되는 막 두께는 약 1Å(=0.1㎚)이다.
(5) 처리실 내의 반응 가스의 가스 제거를 행하는 동시에, 처리실 온도를 300℃ 정도까지 강온한다.
(6) 처리실 내를 대기압에 복귀하고 석영 보트를 처리실에서 인출한다.
상기 공정을 거쳐 성막된 막 중에는 100Å당 Na가 3E10(3×1010)(atoms/㎤) 정도 포함된다. Na의 농도는 ICPMS(유도 결합 플라즈마 질량 분석법)를 이용하여 측정하였다. 3E10(atoms/㎤)은 최근의 반도체 업계에 있어서 허용되는 값이 아니고 저감이 필요하다.
MOS 트랜지스터의 산화막 중 등에 Na가 들어가면, 트랜지스터 출력 전류의 게이트에 의한 제어를 불가능한 것으로 하기 때문에 Na 농도를 저감시킬 필요가 있다. 일반적으로는 1E1O(atoms/㎤) 정도의 값이 요구되고 있다.
동일한 처리실을 이용하여 ALD법에 의한 성막과 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법에 의한 성막을 각각 행한 경우에 있어서, 성막된 막 중의 Na 농도를 비교하면 LPCVD에서는 Na의 검출이 현격히 적다. 도 16은 성막된 막 중의 Na농도를 나타내는 도면으로, 좌측은 고주파 전력 300W, NH3 조사 시간 30초의 조건으로 ALD법에 의해 성막을 행한 경우의 Na 농도를 나타내고 있고, 우측은 760℃에서 LPCVD법에 의해 성막을 행한 경우의 Na 농도를 나타내고 있다. 한편, 도면 중에서, 「TOP」이란 석영 보트의 상부에 탑재된 Si 웨이퍼를 말하고, 「Center」란 석영 보트의 중앙부에 탑재된 Si 웨이퍼를 말하며, 「Bottom」이란 석영 보트의 하부에 탑재된 Si 웨이퍼를 말한다. 도 16을 참조하면, LPCVD에서는 Na의 검출이 현격히 적은 것을 알 수 있다.
ALD법과 CVD법의 차이는, ALD법은 DCS와 플라즈마를 이용하여 전리한 NH3를 교대로 흘리는데 대하여, CVD법에서는 DCS와 전리하지 않은 NH3를 동시에 흘리는 것이 큰 차이이다.
이 전리 가스에 착안하여 Na는 반응 형태에 있어서 Na+의 이온화한 상태로 존재한다고 가정하였다.
또한, 상기 ALD법과 CVD법의 비교로부터 Na는 가스 공급계, 더미 웨이퍼 등으로부터 발생하고 있는 것은 아닌 것을 판단할 수 있다.
반응 형태에서 Na+ 상태로 존재하는 Na의 막 중으로의 삽입되는 모델을 도 17과 같이 생각하였다.
*우선 플라즈마에서 전리한 NH3를 조사하고 있는 동안에, Si 웨이퍼 표면에는 NH4 -(마이너스에 대전)과 NH2 +(플러스에 대전)의 2종류의 전리 가스가 존재한다고 추측된다. Na+는 NH4 -에 끌어당겨지기 때문에 NH4 -의 존재에 의해서 Na+는 용이하게 흡착이 가능하다. 즉 플라즈마가 발생하고 있는 동안, Na가 흡착하기 쉬운 상태로 되어 있다.
이것을 뒷받침하는 데이터를 다음에 나타낸다.
(1) 플라즈마 조사 시간 의존에 의한 막 중의 Na 농도를 비교한 결과를 도 19에 나타낸다. 플라즈마 시간이 길수록 Na 농도가 높아지고 있는 것을 알 수 있 다. 즉 NH4 -의 존재 시간이 길기 때문에 Na의 흡착량이 많아지고 있다.
(2) 플라즈마 여기하는 고주파(RF) 파워 의존에 의한 막 중의 Na 농도 비교를 비교한 결과를 도 20에 나타낸다. 고주파(RF) 파워가 강할수록 Na 농도가 높아지고 있는 것을 알 수 있다. 즉 NH4 -의 존재량이 많음에 따라 Na의 흡착량이 많아진다.
(3) SIMS에 의한 Na의 막 중의 농도 분포의 결과를 도 21에 나타낸다. Na는 막 중에 균등하게 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 22에는 LPCVD법에 의해 성막한 막의 SIMS에 의한 Na의 막 중의 농도 분포의 결과를 나타내고 있다. LPCVD에서는 Na가 현격히 적은 것을 알 수 있다.
이들로부터 Na 발생 개소의 특정에는 이르지 않지만(플라즈마 방전을 행하게 하는 전극으로부터 발생하고 있다고도 생각됨), Na의 막 중으로의 삽입되는 도 17에 나타내는 모델에는 타당성이 있는 것을 알 수 있다.
이상을 감안하여 Na의 막 중으로의 삽입을 줄이기 위한 대책으로서 흡착한 Na를 제거하는 수법을 생각하였다. Na를 제거하기 위해서는, Na 흡착 후에 플러스에 대전하고 있는 전리 가스를 조사하는 것이 효과적이라고 생각된다. 플러스에 대전하고 있는 전리 가스로서 N2를 선택하였다. N2는 전리하는 것에 의해서 N+의 전리 가스를 발생하고 있다고 추측하였다. Na+는 N+에 의해서 반발되어 이탈한다고 생각된다. 도 18 참조.
실험 결과를 도 25에 나타낸다. 도 25에서는 의도적으로 Na 오염시킨 웨이퍼(도면 중의 "Ref"에 상당)에 대해서, NH3 플라즈마를 조사시킨 경우와, N2 플라즈마를 조사시킨 경우에 대해서 비교하였다. 그 결과, N2 플라즈마의 조사에 의해 Na 농도의 저감이 도모되고, N2 플라즈마 조사가 유효하다고 생각하였다.
N2 전리 가스의 공급 방법으로서 도 23과 같은 방법을 검토하였다.
TEST0은 N2 플라즈마 처리 없는 종래 조건이다.
TEST1은 ALD 성막 전후(소정 회수의 사이클을 실시하기 전후)에 N2 플라즈마를 실시하고, 성막 전후의 Na 흡착을 제거하는 것을 목적으로 하고 있다.
TEST2는 ALD 성막에 필요한 NH3 플라즈마 조사 중에 N2 플라즈마도 동시 조사하여 성막 중의 흡착 Na를 제거하는 수법이다.
TEST3은 ALD 성막의 사이클마다 N2 플라즈마 처리를 실시하여 성막 중인 흡착 Na를 제거하는 수법이다.
결과를 도 24에 나타낸다.
TEST1과 TEST3을 보면, N2 플라즈마를 실시함으로써 Na의 저감 효과를 볼 수 있다.
TEST3에 있어서는 N2 플라즈마 시간은 10초×100사이클=1000초(17분)로 TEST1보다 길지만 그 때문에 Na 농도 저감 효과가 크다고 생각된다. TEST1에서는 주로 막 표면만의 Na가 제거되고 막 중의 Na 제거는 적다고 생각된다. 한편, TEST3은 1사이클마다 N2 플라즈마를 조사하고 있기 때문에 TEST1보다도 Na 제거 효율이 좋은 것이라 생각된다.
TEST2에 있어서는, NH3 플라즈마와 N2 플라즈마 동시 조사에서는 Na 저감 효과가 없다고 판단할 수 있다. 이것은 역시 NH4 -의 마이너스의 전하가 존재하는 이상은 Na의 흡착이 진행하고, 흡착 Na를 제거하기 위해서는 일단 NH3 플라즈마의 조사를 정지할 필요가 있기 때문이라고 생각된다.
실시예 6
본 실시예에서는 실시예 1과 동일한 장치를 대용하여 실시예 1의 TMA를 DCS(디클로로실란:SiH2Cl2)로, O3를 NH3 라디칼로, O2를 N2와 NH3의 혼합 가스로 각각 변경하고, DCS와 NH3 라디칼을 교대로 공급하여 ALD법에 의해 원하는 두께의 Si3N4막을 형성하고, N2와 NH3의 혼합 가스의 플라즈마에서 Si3N4막의 개질을 행하였다.
보다 구체적으로는 DCS 가스 조사 공정과 NH3 플라즈마 조사 공정을 반복함으로써 퇴적 속도 3㎚/min 이상의 속도로 Si 기판 상에 수㎚의 SiN 박막을 퇴적하는 성막 공정과, 제1 공정에서 발생한 이물을 제거하기 위해서 N2와 NH3의 혼합 가스를 이용하여 플라즈마성 가스를 발생시키고 Si 기판 상에 조사하는 이물 제거 공 정을 반복하여 실시함으로써 이물에 의한 오염을 저감시켰다.
N2와 NH3의 혼합 가스의 혼합 비율은 1:1~6:1로 하고 0.5Torr 이하의 압력으로 플라즈마 발생시키며, 그 플라즈마성 가스에 Si 기판을 노출함으로써 Si 기판 상에 부착하고 있는 이물을 제거하였다.
반도체 제조 공정의 하나로서 예를 들어, 기판 온도 550℃ 이하의 저온에서 DCS(디클로로실란)와 NH3(암모니아) 플라즈마를 이용하여 ALD법에 의한 비정질 실리콘 질화막(이하, SiN라고 약기함)의 형성이 행해지고 있다. 기판 상으로의 SiN 형성은 DCS 조사 처리, NH3 플라즈마 조사 처리로 구성된다. 이 2개의 처리를 반복(이하, 사이클 처리라고 함)함으로써, 기판 상에 소정의 막 두께의 SiN의 퇴적을 행할 수 있다. 그러나, 이러한 ALD법에 있어서도, 기판 이외의 접가스부에 박막이 누적적으로 퇴적된다는 결점을 가지고 있다. 이 때문에, 이하에 나타내는 문제가 발생하기 쉽다.
그 문제는 누적막의 마이크로 크랙 발생에 의한 박리 이물 오염이다. 이 이물 오염은 SiN 퇴적시의 기판 온도가 낮아질수록, 혹은, 퇴적 속도가 빨라질수록 혹은, 누적 막 두께가 두꺼워질수록 발생하기 쉽다. 이것은 기판 온도가 낮아지거나, 혹은 퇴적 속도가 빨라질수록 누적막 중에 혼입하는 불순물량이 많아지고, 연속적인 성막 처리에 의한 열에너지에 의해 어닐되어 불순물이 이탈하며, 수축과 팽창을 반복함으로써 마이크로 크랙이 발생하여 박리 이물 오염을 초래하고 있다고 생각된다. 또한, 퇴적 속도를 빠르게 하면 불순물의 이탈의 영향을 받기 쉽다. 상기 사이클 처리 중에 불순물이 이탈함으로써 기상 반응을 일으키고, 기상 이물이 증가하기 쉬워진다. 따라서, 이 문제는 장치 스루풋이나 막 품질을 향상시키기 위한 큰 장벽이 되고 있다.
본 실시예는 이 문제를 해결하기 위해서 고안된 것이다.
*본 실시예는 이하의 2개의 공정으로 구성되고, 피처리 기판은 2개의 공정을 반복하여 처리된다(또한, 종래는 제1 공정의 반복에 의해 SiN를 퇴적하고 있었음).
제1 공정 : 성막 원료 조사 처리 + 개질 플라즈마 조사 처리(종래의 1사이클 처리분에 상당)
제2 공정 : 플라즈마에 의한 이물 제거 공정
상기 2개의 공정에 의해, 종래 기술에 대해서 이물 오염의 저감된 SiN 박막을 고속으로 형성하는 것이 가능하다. 이하에, 각 공정에 있어서 어떻게 하여 SiN 박막이 형성되고 어떻게 이물이 제거되는지를 설명한다.
제1 공정(성막 원료 조사 처리 + 개질 플라즈마 조사 처리)
본 공정에서의 기판 처리 플로우의 일례를 도 26에 나타낸다.
제1 공정의 1사이클분은, 종래의 사이클 처리 공정의 1사이클분에 상당한다. 도 1, 도 2에 나타내는 장치에 있어서, Si 웨이퍼(200)를 보트(217)에 적재한 후, 보트(217)를 반응관(203) 안에 삽입하고, 단계 A1의 기판의 가열 처리를 개시한다. 이 단계 A1의 처리는 예를 들어 이하와 같은 처리로 구성된다. Si 웨이퍼(200)판의 표면 상태에 따라 실시하면 좋다.
(1) 감압 처리
진공 펌프(246)에 의해 반응관(203) 내의 압력을 낮춤으로써 웨이퍼(200) 표면 상에 부착한 불순물을 이탈시킨다.
(2) 불활성 가스 사이클 퍼지 처리
가스 공급관(232g)을 경유하여 감압 처리되고 있는 반응관(203) 내에 불활성 가스를 정기적으로 도입하고, 기판 표면에 부착하는 불순물을 불활성 가스 중에 용해시켜 제거하는 처리이다. 이 처리는 웨이퍼(200) 기판을 가열하면서 실시하면 좋다.
(3) 플라즈마 표면 처리(플라즈마 표면 산화 처리, 플라즈마 표면 환원 처리)
이 처리는 감압된 반응관(203)에 대해서 가스 공급관(232g)에서 표면 처리 가스를 도입하면서, 고주파 전원(273)에 의해 막대형상 전극(269)과 막대형상 전극(270)의 사이에 방전을 발생시켜 플라즈마를 버퍼실(237) 내에 발생시키는 처리이다. 이 처리에 의해, 플라즈마 처리된 표면 처리 가스가 버퍼실(237)에 설치된 가스 공급 구멍(248a)을 경유하여 웨이퍼(200) 상에 조사된다. 본 처리는 상기 처리(1) (2)를 실시 후, 다시 웨이퍼(200)의 표면에 부착하는 불순물을 제거하기 위한 처리로서, 보트 회전 기구(267)에 의해 웨이퍼(200)를 회전시키면서 실시하면 좋다. 또한, 플라즈마 표면 산화 처리시의 표면 처리 가스는 주로 02이며, 산화제로서의 작용을 가지는 개질 가스이다. 이것에 대해서, 플라즈마 표면 환원 처리시 의 표면 처리 가스는 주로 H2이며, 환원제로서의 작용을 가지는 개질 가스이다. 또한, H2나 O2의 공급계는 도시하고 있지 않다.
가열 처리는 보트(217)를 반응관(203)에 삽입함으로써 개시된다. 히터(207)에 의해 반응관(203)의 온도가 일정하게 제어되어 있고, 웨이퍼(200)를 가열 처리하여 소정 온도로 유지할 수 있다. 그 유지 온도는 후술과 같이 성막 원료에 맞춘 성막 온도가 요구된다.
후술의 단계 B3의 플라즈마 처리는 상기의 플라즈마 표면 처리와 동일하고, 버퍼실(237)에 공급되는 가스종만 상이하다.
다음에, 단계 B1~B4의 처리를 실시하여 웨이퍼 상에 박막을 형성한다. ALD법에 의한 SiN 퇴적에서는 예를 들어, 성막 원료가 DCS이며, 성막 온도(웨이퍼 온도)는 450℃ 이하가 바람직하다. 이것은 웨이퍼 상에 미리 형성되어 있는 회로 패턴 상에 열적인 손상를 주지 않고 스텝 커버리지 좋게 SiN 박막을 형성할 수 있기 때문이다.
단계 B1의 성막 원료 조사 처리는 웨이퍼 표면에 성막 원료를 부착시키는 처리, 혹은 성막 원료의 열분해 과정에 의해 발생한 반응 중간체를 웨이퍼 표면에 부착시키는 처리이다. 단계 B2의 불활성 가스 퍼지 처리는, 부착한 성막 원료의 균일화를 도모하는 처리, 혹은 부착하고 있지 않은 성막 원료의 성분(중간체를 포함하기 때문에 성분이라고 함)을 배기하기 위한 처리이다. 단계 B3의 개질 플라즈마 조사 처리는 부착한 성막 원료와 플라즈마 여기된 개질 가스를 반응시키고, 원자층 레벨의 박막을 퇴적하는 처리이다. 단계 B4의 불활성 가스 퍼지 처리는, 단계 B3에 있어서 발생한 반응 부생성물을 처리실로부터 배기하기 위한 처리이다.
도 1, 도 2를 참조하여, 예를 들어 성막 원료가 DCS, 개질 플라즈마가 NH3 플라즈마인 경우의 예를 설명한다. 단계 B1의 성막 원료 조사 처리에 있어서는 DCS를 가스 공급관(232b)에서 반응관(203) 내로 공급한다. 그 후, 단계 B2의 불활성 가스 퍼지 처리에서는 DCS를 정지한 후, N2 가스를 가스 공급관(232b)에서 반응관(203) 내로 공급한다. 단계 B3의 개질 플라즈마 조사 처리에서는, NH2 가스를 가스 공급관(232a)에서 반응관(203) 내로 공급한다. 이 단계 B3 처리 중에는 고주파 전원(273)에 전력을 공급하여 막대형상 전극(269)과 막대형상 전극(270) 사이에 플라즈마를 발생시킨다. 단계 B4의 불활성 가스 퍼지 처리에서는, NH3 공급과 플라즈마를 정지한 후, N2 가스를 가스 공급관(232a)에서 반응관(203) 내로 공급한다. 이상의 단계 B1~B4까지의 처리의 반복에 의해 종래부터 SiN 박막을 형성하고 있다. 형성된 SiN 박막은 Si, N, Cl, H를 포함한 원소로 구성되는 비정질 박막이 되어 있다.
여기서, 제1 공정(종래 처리 상당)에 있어서 ALD법에 의한 박막의 퇴적 속도를 향상시키기 위해서는 1사이클을 짧게 할 필요가 있다. 단계 B1의 성막 원료 조사 처리에 있어서, 성막 원료는 기판 표면을 포함한 접가스부와 상호 작용을 일으켜 흡착 상태가 된다. 여기서 말하는 흡착 상태란 접가스부의 표면으로 할 수 있 는 얇은 상호 작용층에 원료가 갇혀 있는 상태이며, 그 상호 작용층의 내부에서 성막 원료는 흡착과 이탈을 반복하여 이동하고 있다고 추측된다. 이 때, 기판 온도에 의존하여 성막 원료의 일부는 열분해에 의해 중간체(예를 들어 라디칼로 불림)가 되는 경우가 있다. 중간체가 된 경우에는, 그 분자 구조는 일반적으로 전기적 대상성을 잃어 극성이 강해지기 때문에, 상기 상호 작용(전기적으로 맞당기는 작용)이 강해지기 때문에 이동하기 어려운 상태가 된다. 예를 들어, 성막 원료가 DCS인 경우에는, 기판 온도가 450℃ 이상이 되면, 이 중간체의 생성량이 많아지고 1사이클에서의 흡착량이 증가하여 퇴적 속도가 상승한다. 그러나, 이동이 적어지고, 결과적으로 단차 피복성이 없어지기 쉽다. 한편, 400℃ 이하의 저온에 있어서는, DCS의 경우에는 중간체를 생성하기 어려워지고 흡착량(잔류량)은 일정해지는 경향이 강하고 퇴적 속도는 일정해진다.
그러나, 흡착 상태에서는 상호 작용층에 있어서 상기와 같이 흡착과 이탈을 반복하고 있기 때문에, 그에 계속되는 단계 B2의 불활성 가스 퍼지에 의해 이탈이 촉진된다. 따라서, 단계 B2의 시간을 연장하면, 흡착량은 감소하고 퇴적 속도를 저하시킨다. 이 때문에, 퇴적 속도를 향상시키기 위해서는 단계 B2 시간을 짧게 할 필요가 있다. 그러나, 이 단계 B2 시간을 짧게 해 가면 성막 원료의 흡착량, 즉 챔버 내에서의 원료의 잔류량이 많아지고, 다음에 계속되는 단계 B3의 개질 플라즈마 조사 처리에 있어서 기상 반응에 의한 이물 발생량이 증가한다. 이 때문에, 단계 B2에서의 불활성 가스의 공급 속도를 크게 하여 성막 원료와 개질 플라즈마가 기상 반응을 일으키지 않도록 하게 된다. 그러나, 상기의 상호 작용층에 있 어서는 성막 원료의 흡착 분자는 정지하고 있는 것이 아니고, 일부는 이탈 상태에 있기 때문에, 단계 B2 시간을 단축시킴으로써 기상 반응에 의한 이물은 증가하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 1사이클 시간을 단축하고자 하면 이물이 증가하는 원인이 되기 때문에, 종래 방법에서는 3㎚/분 이상의 퇴적 속도를 얻는 것은 어렵다.
본 실시예에 있어서는, 상기의 제1 공정에 계속하여 종래 방법에 의한 문제점을 해결하기 위해서, 기상 반응 이물을 제거하기 위한 제2 공정을 실시한다. 또한, 제1 공정은 고속화되어 기상 이물이 발생하고 있는 것이라 가정한다. 그 일례를 도 27에 나타낸다.
성막 원료가 DCS이고 개질 플라즈마가 NH3인 경우에는, 상기의 기상 이물은 가루형상의 SiN이지만, 그 대부분은 제1 공정의 단계 B3의 개질 플라즈마 조사 처리에 의해 마이너스 혹은 플러스에 대전하고 있다. 웨이퍼는 마이너스에 대전하고 있기 때문에, 기상 이물 중 플러스에 대전한 것과 전기적으로 중성인 것만을 부착할 수 있고, 그 외의 마이너스 대전한 것은 웨이퍼에 부착할 수 없다. 도 27의 단계 Cl의 N2+NH3 플라즈마 처리(N2 가스와 NH3 가스의 혼합 가스를 플라즈마 여기시킨 것에 의한 처리)는, 플러스 대전한, 혹은 중성의 이물을 마이너스에 대전시키기 위한 처리이다.
따라서, 단계 C1의 처리 후에는 웨이퍼 상의 이물은 전기적인 부착 상태를 유지할 수 없기 때문에, 그 후의 단계 C2의 불활성 가스 퍼지 처리에 의해 배기하는 것이 가능해진다.
도 1, 도 2와 같은 장치를 사용하여 0.1㎛ 이물이 500~900개 정도, 부착한 기판에 대해서 제2 공정의 조건을 가하여 이물의 감소폭을 계측한 결과를 도 28에 나타낸다.
이 결과에서, N2와 NH3의 혼합 가스에 의한 플라즈마 조사가 이물 제거에 유효한 것을 알 수 있다. 또한, 혼합비가 6:1에서도 효과가 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 플라즈마 조사 시의 압력이 0.5Torr 이상인 경우의 0.1~0.13㎛의 이물수를 도 29에 나타낸다.
이 결과에서, N2와 NH3의 혼합 가스 플라즈마 조사에서도 압력이 높으면 이물 제거 효과가 없어지는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 종래 기술에 대해서 이물이 발생하기 쉬운 프로세스, 즉 고속화한 ALD법에 의한 박막 퇴적에 있어서 이물을 효율적으로 제거할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예 1~6에서는, 다수매의 웨이퍼를 일괄 플라즈마 처리 가능해지고, 또한 성막 처리 및 플라즈마 처리가 일체화한 장치 구성으로 실시하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 생산성의 향상에 연결할 수 있다.
다음에, 도 30, 도 31을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치의 개략을 설명한다.
케이스체(101) 내부의 전면측에는 도시하지 않은 외부 반송 장치와의 사이에서 기판 수납 용기로서의 카세트(100)의 수수를 행하는 유지구 수수 부재로서의 카세트 스테이지(105)가 설치되고, 카세트 스테이지(105)의 후측에는 승강 수단으로서의 카세트 엘리베이터(115)가 설치되며, 카세트 엘리베이터(115)에는 반송 수단으로서의 카세트 이재기(114)가 부착되어 있다. 또한, 카세트 엘리베이터(115)의 후측에는 카세트(100)의 적재 수단으로서의 카세트 선반(109)이 설치됨과 함께 카세트 스테이지(105)의 위쪽에도 예비 카세트 선반(110)이 설치되어 있다. 예비 카세트 선반(110)의 위쪽에는 크린 유닛(118)이 설치되고 크린 에어를 케이스체(101)의 내부를 유통시키도록 구성되어 있다.
케이스체(101)의 후부 위쪽에는 처리로(202)가 설치되고, 처리로(202)의 아래쪽에는 기판으로서의 웨이퍼(200)를 수평 자세로 다단으로 유지하는 기판 유지 수단으로서의 보트(217)를 처리로(202)에 승강시키는 승강 수단으로서의 보트 엘리베이터(121)가 설치되며, 보트 엘리베이터(121)에 부착된 승강 부재(122)의 선단부에는 덮개체로서의 시일 캡(219)이 부착되어 보트(217)를 수직으로 지지하고 있다. 보트 엘리베이터(121)와 카세트 선반(109) 사이에는 승강 수단으로서의 이재 엘리베이터(113)가 설치되고 이재 엘리베이터(113)에는 반송 수단으로서의 웨이퍼 이재기(112)가 설치되어 있다. 또한, 보트 엘리베이터(121)의 옆에는 개폐 기구를 가지고 처리로(202)의 하측을 기밀하게 폐색하는 폐색 수단으로서의 노구 셔터(116)가 설치되어 있다.
웨이퍼(200)가 장전된 카세트(100)는 도시하지 않는 외부 반송 장치로부터 카세트 스테이지(105)에 웨이퍼(200)가 상향 자세로 반입되고, 웨이퍼(200)가 수평 자세가 되도록 카세트 스테이지(105)에서 90˚회전된다. 또한, 카세트(100)는 카세트 엘리베이터(115)의 승강 동작, 횡행 동작 및 카세트 이재기(114)의 진퇴 동작, 회전 동작의 협동에 의해 카세트 스테이지(105)로부터 카세트 선반(109) 또는 예비 카세트 선반(110)에 반송된다.
카세트 선반(109)에는 웨이퍼 이재기(112)의 반송 대상이 되는 카세트(100)가 수납되는 이재 선반(123)이 있고, 웨이퍼(200)가 적재에 제공되는 카세트(100)는 카세트 엘리베이터(115), 카세트 이재기(114)에 의해 이재 선반(123)에 이재된다.
카세트(100)가 이재 선반(123)에 이재되면, 웨이퍼 이재기(112)의 진퇴 동작, 회전 동작 및 이재 엘리베이터(113)의 승강 동작의 협동에 의해 이재 선반(123)으로부터 강하 상태의 보트(217)에 웨이퍼(200)를 이재한다.
보트(217)에 소정 매수의 웨이퍼(200)가 이재되면 보트 엘리베이터(121)에 의해 보트(217)가 처리로(202)에 삽입되고 시일 캡(219)에 의해 처리로(202)가 기밀하게 폐색된다. 기밀하게 폐색된 처리로(202) 내에서는 웨이퍼(200)가 가열됨과 함께 처리 가스가 처리로(202) 내에 공급되어 웨이퍼(200)에 처리가 이루어진다.
웨이퍼(200)로의 처리가 완료되면, 웨이퍼(200)는 상기한 작동의 반대의 순서에 의해, 보트(217)로부터 이재 선반(123)의 카세트(100)에 적재되고, 카세트(100)는 카세트 이재기(114)에 의해 이재 선반(123)으로부터 카세트 스테이 지(105)에 이재되어 도시하지 않은 외부 반송 장치에 의해 케이스체(101)의 외부에 반출된다. 노구 셔터(116)는 보트(217)가 강하 상태 시에 처리로(202)의 하면을 기밀하게 폐색하고, 외기가 처리로(202) 내에 말려 들어가는 것을 방지하고 있다.
또한, 카세트 이재기(114) 등의 반송 동작은 반송 제어 수단(124)에 의해 제어된다.
명세서, 특허 청구의 범위, 도면 및 요약서를 포함한 2005년 2월 17일 제출한 일본 특허출원2005-40501호의 개시 내용 전체는, 그대로 인용하여 여기에 삽입된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1의 기판 처리 장치에서의 종형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 기판 처리 장치에서의 종형의 기판 처리로를 설명하기 위한 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 ALD 시퀀스를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 비교를 위한 ALD 시퀀스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서의 AlO막으로의 O2 플라즈마 처리 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 있어서, 플라즈마 질화 처리를 적용하는 커패시터 구조를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에서의 플라즈마 질화 처리 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3이 적용되는 게이트 스페이서를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3이 적용되는 STI(Shallow Trench Isolation) 라이너를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에서의 플라즈마 질화 처리와 열질화의 질소 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 NH3 조사 시간과 막스트레스의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 NH3 조사 시간과 막 중 Cl 농도, H 농도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 종래의 ALD 성막 방법의 시퀀스와 실시예 4의 H2 플라즈마를 이용한 ALD 성막 방법의 시퀀스를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 실시예 4의 H2 플라즈마를 이용한 ALD 성막에서의 막 중 Cl 농도와 막스트레스를 나타내는 도면이다.
도 15는 실시예 4의 H2 플라즈마를 이용한 ALD 성막 방법의 시퀀스를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 ALD법 및 LPCVD법에 따라 성막된 막 중의 Na 농도를 나타내는 도면이다.
도 17은 NH3 플라즈마 조사의 경우에 Na+ 상태로 존재하는 Na가 막 중에 삽입되는 모델을 나타내는 도면이다.
도 18은 N2 플라즈마 조사의 경우에 Na+ 상태로 존재하는 Na가 막으로부터 제거되는 모델을 나타내는 도면이다.
도 19는 플라즈마 조사 시간과 막 중의 Na 농도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 20은 플라즈마 여기하는 고주파(RF) 파워와 Na 농도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 21은 ALD법에 의해 성막한 막 중의 SIMS에 의한 Na 농도 분포의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 LPCVD법에 의해 성막한 막 중의 SIMS에 의한 Na 농도 분포의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 23은 N2 전리 가스의 공급 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 N2 전리 가스의 공급 방법과 막 중의 Na 농도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 25는 의도적으로 Na 오염시킨 웨이퍼에 대해서 NH3 플라즈마를 조사시킨 경우와, N2 플라즈마를 조사시킨 경우의 막 중의 Na 농도를 나타내는 도면이다.
도 26은 실시예 6의 제1 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 27은 실시예 6의 제2 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 28은 실시예 6의 제2 공정에서의 플라즈마 조사시의 압력이 약 0.3~0.4Torr인 경우의 이물수를 나타내는 도면이다.
도 29는 실시예 6의 제2 공정에서의 플라즈마 조사시의 압력이 약 0.5Torr 이상인 경우의 이물수를 나타내는 도면이다.
도 30은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략 사시도이다.
도 31은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.

Claims (22)

  1. 처리실 내에 수용된 기판에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 존재하는 반응 사이트로서의 배위자와 상기 제1 반응 물질의 배위자를 배위자 교환 반응시키는 제1 공정과,
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 제2 공정과,
    상기 기판에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 제1 공정에 의해 교환된 후의 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제3 공정과,
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제2 반응 물질을 제거하는 제4 공정과,
    상기 기판에 플라즈마에 의해 여기된 제3 반응 물질을 공급하고, 상기 제3 공정에서 반응 사이트로 교환 반응이 행해지지 않았던 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제5 공정을 포함하고,
    상기 기판 표면에 원하는 두께의 막이 형성될 때까지 상기 제1~제5 공정을 소정 회수 반복하는, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제3 공정과 제5 공정의 각각의 배위자 교환 반응은, 상기 기판 표면에 존재하는 배위자를 제거하여 반응 사이트를 형성하는 배위자 제거 반응을 행하는 공정인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제5 공정에서 교환 반응된 결과 생긴 상기 반응 사 이트와, 그 후의 제1 공정에서 공급되는 제1 반응 물질의 배위자의 사이에 배위자 교환 반응이 행해지는, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 제3 반응 물질은 플라즈마 여기된 산소 원자 함유 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 반응 물질은 알루미늄을 포함한 가스이고, 상기 제2 반응 물질은 오존 가스이며, 상기 플라즈마 여기된 산소 원자 함유 가스는 산소 플라즈마 가스이고, 형성되는 상기 박막은 산화 알루미늄의 박막인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 제3 반응 물질은 플라즈마 여기된 수소 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 반응 물질은 실리콘을 포함한 가스이고, 상기 제2 반응 물질은 질소를 포함한 가스이며, 형성되는 상기 박막은 질화 실리콘의 박막인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  8. 청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 제 3 반응 물질은 플라즈마 여기된 질소 원자 함유 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제1 반응 물질은 실리콘을 포함한 가스이고, 상기 제2 반응 물질은 질소를 포함한 가스이며, 형성되는 상기 박막은 질화 실리콘의 박막인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 질소 원자 함유 가스는, 플라즈마 여기된 질소 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 질소 원자 함유 가스는, 플라즈마 여기된 질소 가스와 플라즈마 여기된 암모니아 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  12. 기판이 수용된 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정;
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정;
    상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정; 및
    상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정으로 이루어지는 박막 형성 공정과,
    상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위해 상기 처리실 내에 플라즈마 여기된 가스를 공급한 플라즈마 처리 공정을 가지고,
    상기 박막 형성 공정과 상기 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하여 이루어지는, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 가스는 플라즈마 여기된 산소 원자 함유 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 반응 물질은 알루미늄을 포함한 가스이며, 상기 제2 반응 물질은 오존 가스이며, 상기 플라즈마 여기된 가스는 산소 플라즈마 가스이며, 형성되는 상기 박막은 산화 알루미늄의 박막인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 가스는 플라즈마 여기된 질소 원자 함유 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 반응 물질은 실리콘을 포함한 가스이고, 상기 제2 반응 물질은 질소를 포함한 가스이며, 상기 플라즈마 여기된 가스는 플라즈마 여기된 질소 가스이고, 형성되는 상기 박막은 질화 실리콘의 박막인, 반도체 디바 이스의 제조 방법.
  17. 청구항 12에 있어서, 상기 플라즈마 여기된 가스는 플라즈마 여기된 수소 가스인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 제1 반응 물질은 실리콘을 포함한 가스이고, 상기 제2 반응 물질은 질소를 포함한 가스이며, 형성되는 상기 박막은 질화 실리콘의 박막인, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  19. 기판이 수용된 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정;
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정;
    상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정; 및
    상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정을 소정 회수 반복하여, 상기 기판에 수(數) 원자층의 박막을 형성하는 박막 형성 공정과,
    상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위해 상기 처리실 내에 산소 원자 함유 가스를 공급한 플라즈마 처리 공정을 가지고,
    상기 박막 형성 공정과 상기 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하여 이루어지는, 반도체 디바이스의 제조 방법.
  20. 기판을 수용하는 처리실과,
    상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제1 공급 수단과,
    상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하는 제2 공급 수단과,
    상기 처리실 내에 제3 반응 물질을 공급하는 제3 공급 수단과,
    상기 처리실 내를 배기하는 배출 수단과,
    상기 제3 반응 물질을 플라즈마에 의해 여기하는 여기 수단과,
    상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단의 상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단의 제어에 의해,
    상기 처리실 내에 수용된 상기 기판에 상기 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 존재하는 반응 사이트로서의 배위자와 상기 제1 반응 물질의 배위자를 배위자 교환 반응시키는 제1 공정과,
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 제2 공정과,
    상기 기판에 상기 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 제1 공정에 의해 교환된 후의 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제3 공정과,
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제2 반응 물질을 제거하는 제4 공정과,
    상기 기판에 플라즈마에 의해 여기된 상기 제3 반응 물질을 공급하고, 상기 제3 공정에서 반응 사이트로 교환 반응이 행해지지 않았던 배위자를 반응 사이트로 배위자 교환 반응시키는 제5 공정을 상기 기판 표면에 원하는 두께의 막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하도록 상기 제어 수단을 구성하여 이루어지는, 기판 처리 장치.
  21. 기판을 수용하는 처리실과,
    상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제1 공급 수단과,
    상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하는 제2 공급 수단과,
    상기 처리실 내에 제3 반응 물질을 공급하는 제3 공급 수단과,
    상기 처리실 내를 배기하는 배출 수단과,
    상기 제3 반응 물질을 플라즈마에 의해 여기하는 여기 수단과,
    상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단의 상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 여기 수단의 제어에 의해,
    기판이 수용된 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정;
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정;
    상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 흡착한 상기 제1 반응 물질과 반응시켜 적어도 1원자층의 박막을 형성하는 공정; 및,
    상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정으로 이루어지는 박막 형성 공정과,
    상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위해 상기 처리실 내에 플라즈마 여기된 상기 제3 반응 물질을 공급한 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하도록 상기 제어 수단을 구성하여 이루어지는, 기판 처리 장치.
  22. 기판을 수용하는 처리실과,
    상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제1 공급 수단과,
    상기 처리실 내에 제1 반응 물질을 공급하는 제2 공급 수단과,
    상기 처리실 내의 분위기를 배출하는 배출 수단과,
    상기 처리실 내에 산소 원자 함유 가스를 공급하는 제3 공급 수단과,
    상기 산소 원자 함유 가스를 플라즈마화하는 플라즈마화 수단과,
    상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 플라즈마화 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단의 상기 제1~제3 공급 수단, 상기 배출 수단 및 상기 플라즈마화 수단의 제어에 의해,
    상기 처리실 내에 상기 제1 반응 물질을 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 반응 물질을 흡착시키는 공정;
    상기 처리실로부터 잉여인 상기 제1 반응 물질을 제거하는 공정;
    상기 처리실 내에 제2 반응 물질을 공급하고 상기 기판의 표면에 흡착한 상 기 제1 반응 물질과 반응시켜 1원자층의 박막을 형성하는 공정; 및,
    상기 처리실로부터 잉여인 제2 반응 물질을 제거하는 공정으로 이루어지는 박막 형성 공정과,
    상기 박막 형성 공정 후에 상기 박막의 막질 개선을 행하기 위해 상기 처리실 내에 산소 원자 함유 가스를 공급한 플라즈마 처리 공정을 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 소정 회수 반복하도록 상기 제어 수단을 구성하여 이루어지는, 기판 처리 장치.
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