KR20080110903A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내에 피처리체를 탑재하는 공정, 및 상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 환원 가스를 공급함과 아울러, 상기 환원 가스를 가열된 촉매체에 의해서 활성화시켜, 상기 피처리체의 표면에 텅스텐막을 형성하는 성막 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 방법이다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은, 텅스텐막이나 텅스텐질화막의 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 집적 회로의 제조 공정에 있어서는, 피처리체인 반도체 웨이퍼 표면에 배선 패턴을 형성하기 위해, 또는 배선 사이 등의 오목부를 매립하기 위해, W(텅스텐), WN(텅스텐나이트라이드), WSi(텅스텐실리사이드), Ti(티타늄), TiN(티탄나이트라이드), TiSi(티탄실리사이드) 등의 금속 또는 금속 화합물을 퇴적시켜 박막을 형성하는 것이 행해지고 있다.
상기 금속 박막의 베이스로서, 하층과의 밀착성 등을 향상시킬 목적으로, 배리어막을 형성하는 경우가 있다. 이 배리어막으로서는, 텅스텐질화막이나 티탄질화막 등이 이용된다. 여기서, 금속 박막으로서 텅스텐막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다. 텅스텐막을 형성하는 경우에는, 일반적으로는 주로 WF6(6불화텅스텐) 가스가 사용된다(일본 특허 공개 평6-89873호 공보 및 일본 특허 공개 제2003- 96567호 공보).
상기와 같은 금속 박막을 형성하기 위한 일반적인 성막 장치가, 도 6에 도시된다. 예컨대 알루미늄 등에 의해 통 형상으로 성형된 처리 용기(2) 내에, 예컨대 얇은 카본 소재 또는 알루미늄 화합물에 의해 성형된 탑재대(4)가 마련되어 있다. 탑재대(4)의 아래쪽에, 석영제의 투과창(6)을 개재하여, 할로겐 램프 등의 가열 수단(8)이 배치되어 있다.
가열 수단(8)으로부터의 열선은, 투과창(6)을 투과해서, 탑재대(4)에 도달하여, 탑재대(4)를 가열한다. 그리고, 탑재대(4) 위에 탑재되는 반도체 웨이퍼(S)를 소정의 온도로 간접적으로 가열 유지한다. 이와 동시에, 탑재대(4)의 위쪽에 마련된 샤워 헤드부(10)로부터, 프로세스 가스로서의 WF6와 환원 가스인 SiH4가 웨이퍼 표면 상에 균등하게 공급된다. 이것에 의해, 웨이퍼 표면 상에 W(텅스텐)의 금속막이 형성된다.
상기 두 가스를 공급하는 형태로서는, 두 가스를 동시에 공급하여, CVD법에 의해 W막을 형성하는 방법이나, WF6 가스와 SiH4 가스를 교대로 간헐적으로 반복해서 공급하여, 막 두께 수 Å의 W막의 박막을 다층으로 형성하는 ALD(Atomic Layer Deposition)법 등이 알려져 있다. 또한, 상기 SiH4 가스 대신에, 환원 가스인 B2H6 가스를, 상술한 바와 같이 이용하는 경우도 있다. 또한, 텅스텐질화막은, WF6 가스와 일반적으로는 NH3 가스를 이용하여, CVD법에 의해서 형성된다.
그런데, 상술한 종래의 텅스텐막의 성막 방법에서는, 환원 가스로서 SiH4 가스나 B2H6 가스가 사용되기 때문에, 퇴적한 텅스텐막 내에 Si(실리콘) 원자나 B(보론) 원자가 혼입되는 것을 피할 수 없다. 이 Si 원자나 B 원자의 혼입량은 기껏 수% 정도이기는 하지만, 이 Si 원소나 B 원소라는 불순물 원소의 혼입은, 텅스텐막의 저항치를 상승시켜 버린다고 하는 문제가 있었다.
이 경우, 환원 가스로서, 불순물 원소의 혼입 우려가 없는 H2 가스를 이용하는 것도 생각된다. 그러나, H2 가스의 환원성은, SiH4 가스나 B2H6 가스와 비교하여 상당히 약하기 때문에, 충분한 성막 레이트를 낼 수 없다. 즉, 환원 가스로서 H2 가스를 이용하는 것은 실용적이지 않다.
또한, H2 가스의 환원성을 보충할 목적으로, 플라즈마에 의해 활성화된 H2 가스를 처리 용기 내로 도입하는, 소위 리모트 플라즈마 방식이나, 처리 용기 내에서 플라즈마를 일으켜 가스를 활성화하는 플라즈마 활성화 방식을 채용하는 것도 생각된다. 그러나 리모트 플라즈마 방식의 경우에는, 활성화된 가스가 처리 용기까지의 수송 경로를 구성하는 재료와 충돌함으로써 활성을 잃어버리기 때문에, 효율이 매우 저하되어 버린다. 또한, 플라즈마 활성화 방식에서는, 처리 용기 내의 웨이퍼의 위쪽으로 플라즈마를 형성하기 때문에, 웨이퍼 자체가 플라즈마 손상을 받기 쉬워져 바람직하지 못하다.
또한, 상기 가스를 활성화시키는 다른 수법으로서, 예컨대 일본 특허 공개 소63-40314호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 가열 촉매체를 이용하는 방법이 존재한다. 그러나 이 방법에서는, 원료 가스 자체가 이 가열 촉매체에 의해 분해되어 버려, 가열 촉매체에 파티클의 원인이 되는 막이 부착되어 버린다.
또한, 텅스텐질화막을 형성하는 경우에는, 예컨대 NH4F 등의 반응 부생성물이 다량으로 발생하여, 유지 보수 빈도가 현저히 상승하여 버린다.
(발명의 요지)
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 착안하여, 이것을 유효하게 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 환원 가스를 선택적으로 활성화하는 것에 의해 불순물 원소의 혼입이 억제된 저저항의 텅스텐막을 효율적으로 형성하는 것이 가능한 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 질화 가스를 선택적으로 활성화하는 것에 의해 반응 부생성물의 발생을 억제하면서 텅스텐질화막을 효율적으로 형성할 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내에 피처리체를 탑재하는 공정, 및 상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 환원 가스를 공급함과 아울러, 상기 환원 가스를 가열된 촉매체에 의해 활성화시켜, 상기 피처리체의 표면에 텅스텐막을 형성하는 성막 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 방법이다.
본 발명에 의하면, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 환원 가스를 공급하는 동시에, 상기 환원 가스를 가열된 촉매체에 의해 활성화시키도록 했기 때문에, 불순물 원소의 혼입이 억제된 저저항의 텅스텐막을 효율적으로 형성할 수 있다.
예컨대, 상기 촉매체는, 상기 환원 가스를 선택적으로 활성화시키도록 되어 있다. 또한, 상기 환원 가스는 예컨대, H2 가스이다.
또는, 본 발명은, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내에 피처리체를 탑재하는 공정, 및 상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 질화 가스를 공급함과 아울러, 상기 질화 가스를 가열된 촉매체에 의해 활성화시켜, 상기 피처리체의 표면에 텅스텐질화막을 형성하는 성막 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 방법이다.
본 발명에 의하면, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 질화 가스를 공급함과 아울러, 상기 질화 가스를 가열된 촉매체에 의해 활성화시키도록 했기 때문에, 반응 부생성물의 발생을 억제하면서 텅스텐질화막을 효율적으로 형성할 수 있다.
예컨대, 상기 촉매체는 상기 질화 가스를 선택적으로 활성화시키도록 되어 있다. 또한, 상기 질화 가스는 예컨대, N2 가스이다.
바람직하게는, 상기 촉매체는 통전(通電)에 의해서 가열되도록 되어 있고, 상기 선택적인 활성화는 온도 제어에 의해 행해지도록 되어 있다.
또는, 바람직하게는, 상기 선택적인 활성화는 상기 촉매체의 재료의 선택에 의해 행해지도록 되어 있다.
또한, 예컨대, 상기 텅스텐 함유 가스는 WF6 또는 W(CO)6이다.
또한, 예컨대, 상기 촉매체는 W, Ir, Ru, Re, Pt 및 카본으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어진다.
또한, 예컨대, 상기 성막 공정은 상기 2종류의 가스를 동시에 공급하여 CVD법에 의해서 행해진다.
또는, 예컨대, 상기 성막 공정은 상기 2종류의 가스를 교대로 반복 공급하여 ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의해서 행해진다.
또한, 예컨대, 상기 성막 공정 후에, 클리닝 가스를 공급하면서 상기 클리닝 가스를 상기 촉매체에 의해서 활성화하는 것에 의해 클리닝 처리가 행해진다.
또한, 본 발명은, 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기, 상기 처리 용기 내에 마련되고 피처리체를 탑재하는 탑재대, 상기 피처리체를 가열하는 가열 수단, 상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 환원 가스를 공급하는 가스 공급 수단, 상기 환원 가스를 활성화하기 위해 통전에 의해 발열하는 촉매체, 및 상기 촉매체에 통전을 행하기 위해 접속된 전원을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.
이 경우, 상기 환원 가스는, 예컨대, H2 가스이다.
또한, 본 발명은, 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기, 상기 처리 용기 내에 마련되고, 피처리체를 탑재하는 탑재대, 상기 피처리체를 가열하는 가열 수단, 상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 질화 가스를 공급하는 가스 공급 수 단, 상기 질화 가스를 활성화하기 위해 통전에 의해 발열하는 촉매체, 및 상기 촉매체에 통전을 행하기 위해 접속된 전원을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.
이 경우, 상기 질화 가스는, 예컨대, N2 가스이다.
예컨대, 상기 촉매체는 선 형상 또는 봉(棒) 형상으로 형성된 라인재로 이루어진다.
이 경우, 예컨대, 상기 라인재는 상기 탑재대의 위쪽에서 복수개 배열되어 있다. 또는, 예컨대, 상기 라인재는 상기 탑재대의 외주측의 위쪽에서 상기 탑재대를 둘러싸도록 마련되어 있다.
또한, 예컨대, 상기 텅스텐 함유 가스는 WF6 또는 W(CO)6이다.
또한, 예컨대, 상기 촉매체는 W, Ir, Ru, Re, Pt 및 카본으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어진다.
도 1은 본 발명에 따른 성막 장치의 제1 실시형태를 나타내는 구성 개략도이다.
도 2(A) 내지 도 2(C)는 각각 촉매체의 설치예를 나타내는 평면도이다.
도 3(A) 내지 도 3(C)는 각 가스의 공급과 촉매체로의 전력 공급의 타이밍 차트의 일례이다.
도 4는 각 가스 종류의 분해 반응(활성화)에너지의 계산치와 실험치를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명 방법의 평가 결과를 나타내는 표이다.
도 6은 금속 박막을 형성하기 위한 일반적인 성막 장치를 나타내는 구성 개략도이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
이하에, 본 발명에 따른 성막 방법 및 성막 장치의 실시형태를 첨부 도면에 기초하여 상술한다.
<제1 실시형태>
도 1은 본 발명에 따른 성막 장치의 제1 실시형태를 나타내는 구성 개략도이다. 도 2(A) 내지 도 2(C)는 각각 촉매체의 설치예를 나타내는 평면도이다. 본 실시형태의 성막 장치(12)는 텅스텐(W)막을 형성하는 장치이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 성막 장치(12)는, 예컨대 알루미늄 합금 등에 의해 원통 형상 또는 상자 형상으로 성형된 처리 용기(14)를 갖고 있다. 이 처리 용기(14) 내에는, 용기 바닥부로부터 기립시킨 지주(16)와, 상기 지주(16) 상에 예컨대 단면 L자 형상의 유지 부재(18)를 개재하여 마련된 탑재대(20)가 마련되어 있다. 탑재대(20)에는 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(S)가 탑재되게 되어 있다. 지주(16) 및 유지 부재(18)는, 열선 투과성의 재료, 예컨대 석영에 의해 구성되어 있다. 또한, 탑재대(20)는 두께 1㎜ 정도의 예컨대 카본 소재, 알루미늄 화합물 등에 의해 구성되어 있다.
탑재대(20)의 아래쪽에는 복수개, 예컨대 3개의 리프터 핀(22)이 마련되어 있다. 각 리프터 핀(22)의 기단부는, 원호 형상의 지지 부재(24)에 의해 지지되어 있다. 이 지지 부재(24)는, 용기 바닥부를 관통하여 마련된 리프트 봉(26)에 의해 상하 이동된다. 이 상하 이동에 의해, 리프터 핀(22)은, 탑재대(20)에 마련된 핀홀(28)을 관통하여, 웨이퍼(S)를 들어 올릴 수 있도록 되어 있다(도 1에서는 리프터 핀(22)이 2개만 도시되어 있다).
리프트 봉(26)의 용기 바닥부에 대한 관통부에는, 처리 용기(14) 내의 기밀 상태를 유지하기 위해, 신축 가능한 벨로우즈(30)가 마련되어 있다. 또한, 리프트 봉(26)은 액츄에이터(32)에 의해서 승강되게 되어 있다.
탑재대(20)의 주연(周緣)부에는, 웨이퍼(S)의 주연부를 탑재대(20)쪽에 고정하기 위한 링 형상의 세라믹제 클램프 링(34)이 마련되어 있다. 이 클램프 링(34)은 지지봉(36)을 개재하여 리프터 핀(22)에 연결되어 있다. 즉, 클램프 링(34), 리프터 핀(22)과 일체적으로 승강한다. 또한, 이들 리프터 핀(22), 지지봉(36) 및 유지 부재(18)도, 석영 등의 열선 투과 부재에 의해 구성되어 있다.
또한, 탑재대(20) 바로 아래의 용기 바닥부에는, 석영 등의 열선 투과 재료로 이루어지는 투과창(38)이, O링 등의 밀봉 부재(40)를 개재하여 기밀하게 마련되어 있다. 투과창(38)의 아래쪽에는, 상기 투과창(30)을 둘러싸도록, 상자 형상의 가열실(42)이 마련되어 있다. 가열실(42) 내에서는, 가열 수단으로서의 복수의 가열 램프(44)가, 반사경도 겸하는 회전대(46)에 부착되어 있다. 이 회전대(46)는, 회전 모터(48)에 의해서 회전되게 되어 있다. 가열 램프(44)로부터 방출되는 열선은, 투과창(38)을 투과해서, 탑재대(20)의 하면을 조사하여 이것을 가열할 수 있게 되어 있다. 한편, 가열 수단으로서는, 가열 램프(44) 대신에, 탑재대(20)에 마련되는 저항 가열 히터를 이용하도록 하여도 좋다.
또한, 탑재대(20)의 외주측에는, 다수의 정류 구멍(50)을 갖는 링 형상의 정류판(52)이, 상하 방향으로 고리 형상으로 성형된 지지 칼럼(54)에 의해서 지지되어 마련되어 있다. 정류판(52)의 내주측에는, 클램프 링(34)의 외주부와 접촉하여 이 아래쪽으로 가스가 흐르지 않도록 하는 링 형상의 석영제 플레이트(56)가 마련되어 있다. 정류판(52)의 아래 쪽의 바닥부에는 배기구(58)가 마련되어 있다. 이 배기구(58)에는, 도중에 압력 조정 밸브(60)나 진공 펌프(62)가 사이에 마련된 배기로(64)가 접속되어 있다. 이것에 의해, 처리 용기(14) 내는, 진공 흡인되면서 소정의 압력으로 유지될 수 있게 되어 있다. 또한, 처리 용기(14)의 측벽에, 처리 용기(14) 내에 대하여 웨이퍼(S)를 반출입하기 위한 개구(66)가 마련되고, 상기 개구(66)에 게이트 밸브(68)가 마련되어 있다.
한편, 처리 용기(14)에는, 상기 처리 용기(14) 안으로 소정의 가스를 공급하는 가스 공급 수단(70)이 마련되어 있다. 상기 가스 공급 수단(70)은, 용기 천정부에 마련된 샤워 헤드부(72)를 갖고 있다. 구체적으로는, 샤워 헤드부(72)는, 예컨대 알루미늄 합금 등에 의해 원형 상자 형상으로 성형되고, 그 천정부에 가스 도입구(74)가 마련되어 있다.
가스 도입구(74)에는 가스 통로(76)가 접속되어 있다. 이 가스 통로(76)는, 복수, 이 예에서는 3개의 분기로로 분기되어 있다. 그리고, 각 분기로에, 각각, 텅스텐 함유 가스원(78), 환원 가스원(80) 및 클리닝 가스원(82)이 접속되어 있다. 여기서는, 텅스텐 함유 가스로서 WF6가 이용되고, 환원 가스로서 H2 가스가 이용되며, 클리닝 가스로서 NF3 가스가 사용된다. 한편, 도시되어 있지 않지만, 그 외에 퍼지 가스로서, 불활성 가스, 예컨대 N2 가스도 공급될 수 있게 되어 있다. 또한, 상기 각 분기로에, 각각, 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(84A, 84B, 84C) 및 개폐 밸브(86A, 86B, 86C)가 사이에 마련되어 있다.
샤워 헤드부(72)의 하면인 가스 분사면(72A)에, 샤워 헤드부(72) 내로 공급된 상기 각 가스를 방출하기 위한 다수의 가스 구멍(88)이, 면 내에 균등하게 형성되어 있다. 이것에 의해, 웨이퍼 표면의 위쪽의 처리 공간(92)에 대하여, 균등하게 가스가 방출될 수 있게 되어 있다.
또한, 샤워 헤드부(72) 내에 다수의 가스 분산 구멍(90A)을 갖는 확산판(90)이 배치되어 마련되어 있다. 이것에 의해, 샤워 헤드부(72) 내로 도입되는 가스가 확산되어, 웨이퍼면에 의해 균등하게 가스가 공급될 수 있게 되어 있다.
그리고, 처리 용기(14) 내의 처리 공간(92)에, 환원 가스인 H2 가스를 활성화하기 위해, 본 발명의 특징인 촉매체(94)가 마련되어 있다. 구체적으로는, 촉매체(94)는, 통전에 의해 발열하는 재료로 이루어지고, 도 2(A)에 나타낸 바와 같이, 선 형상 또는 봉 형상으로 형성된 라인재(96)로 이루어진다. 이 라인재(96)는, 예컨대 카본 와이어에 의해서 형성되어 있다.
처리 용기(14)의 천정부에는, 탑재대(20)의 외주측의 처리 공간(92)을 향해서, 처리 용기(14)의 천정부를 관통하는 복수의 도전성의 지지 로드(98)가 마련되어 있다. 구체적으로는, 도 2(A)에 나타낸 바와 같이, 지지 로드(98)는, 탑재대(20)를 협지하도록 하여, 그 양단측에 각각 복수개, 예컨대 7개씩, 대향하도록 배치되어 있다.
각 지지 로드(98)의 천정 관통부에는 각각 절연재(100)를 개재시키고 있다. 이것에 의해 각 지지 로드(98)는 처리 용기(14)에 대하여 절연되어 있다. 또한, 대향하는 각 쌍의 지지 로드(98) 사이에 걸쳐 상기 라인재(96)가 각각 접속되어 있다. 따라서, 이들의 복수개, 도시예에서는 7개의 라인재(96)는, 탑재대(20)의 위쪽에서, 소정의 간격으로 수평 방향으로 평행하게 배열된 상태로 되어 있다. 이것에 의해, 샤워 헤드부(72)로부터 공급되는 가스가, 각 라인재(96)와 효율적으로 접촉할 수 있게 되어 있다.
각 라인재(96)의 양단은 각각 급전선(102, 104)에 병렬로 접속되어 있다. 한편, 이 급전선(102, 104)에 전원(106)이 접속되어 있다. 이것에 의해, 각 라인재(96)에 가열용의 전압이 인가되어, 주울열로 각 라인재(96)를 소정의 온도로 가열할 수 있게 되어 있다. 여기서, 전원(106)의 출력은 가변으로 되어 있고, 따라서, 원하는 전력으로 각 라인재(96)를 가열할 수 있게 되어 있다. 이 때의 각 라인재(96)의 가열 온도는, 후술하는 바와 같이, 환원 가스인 H2 가스는 활성화되지만 다른쪽의 텅스텐 함유 가스인 WF6 가스는 활성화(분해)되지 않는 온도 영역으로 설정된다.
이상과 같은 장치 전체의 동작, 즉, 각 가스의 유량 제어, 촉매체(94)의 온도 제어, 처리 용기(14) 내의 압력 제어, 웨이퍼(S)의 온도 제어 등은, 예컨대 마이크로컴퓨터 등으로 이루어지는 제어부(108)에 의해서 제어된다. 또한, 이 제어부(108)는, 장치 전체의 동작을 제어하기 위한 프로그램을 기억하기 위한 예컨대 플렉서블 디스크, CDROM, DVD, 하드 디스크 등으로 이루어지는 기억 매체(110)를 갖고 있다.
다음으로 이상과 같이 구성된 성막 장치(12)를 이용하여 실시되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 성막 방법에 대하여, 도 3 및 도 4도 참조하여 설명한다.
도 3(A) 내지 도 3(C)는 본 실시형태에서의 각 가스의 공급과 촉매체로의 전력 공급의 타이밍 차트를 나타내고 있다. 도 4는 각 가스 종류의 분해 반응(활성화) 에너지의 계산치와 실험치를 나타내는 그래프이다.
우선, 웨이퍼(S)의 표면에 텅스텐막의 성막 처리를 실시하는 경우, 처리 용기(14)의 측벽에 마련된 게이트 벨브(68)가 열리고, 반송 아암(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(14) 내에 웨이퍼(S)가 반입된다. 다음으로 리프터 핀(22)이 밀어 올려져, 웨이퍼(S)가 리프터 핀(22)쪽으로 수도(受渡)된다. 그리고, 리프트 봉(26)을 내림으로써 리프터 핀(22)이 하강하면, 웨이퍼(S)는 탑재대(20) 상에 탑재되고, 또한 리프트 봉(26)을 내리는 것에 의해서 웨이퍼(S)의 주연부가 클램프 링(34)으로 눌러져 고정된다. 그 후, 상기 게이트 벨브(68)가 닫혀지고, 처리 용기(14) 안이 밀폐된다.
다음으로 가열실(42) 내의 가열 램프(44)가 회전되면서 점등 구동되어, 열 에너지가 방사된다. 이 방사된 열선은, 투과창(38)을 투과한 후, 탑재대(20)의 후면을 조사하여 이것을 가열한다. 이 탑재대(20)는, 전술한 바와 같이 1㎜ 정도로 매우 얇은 것이기 때문에 신속하게 가열된다. 따라서, 탑재대(20) 위에 탑재되어 있는 웨이퍼(S)를, 신속하게 소정의 온도까지 가열할 수 있다.
또한, 이 가열과 동시에, 처리 용기(14) 안이 진공 흡인되어, 성막용의 각 가스원(78, 80)으로부터 소정의 타이밍으로 각 가스가 공급된다. 또한, 전원(106)이 온으로 되어, 촉매체(94)의 각 라인재(96)에 전압이 적용되고, 주울열에 의해서 각 라인재(96)는 소정의 온도로 가열된다.
이때, 텅스텐 함유 가스인 WF6 가스와 환원 가스인 H2 가스의 공급은, 도 3(A) 및 도 3(B)에 나타낸 바와 같이, 서로 교대로 간헐적으로 펄스 형상으로 반복된다. 한편, 도 3(C)에 나타낸 바와 같이, 전원(106)은, 연속적으로 온 상태로 되어, 상술한 바와 같이 각 라인재(96)가 소정의 온도로 유지되고, H2 가스만이 활성화된다. 1회의 WF6 가스의 펄스 형상의 공급으로부터 다음 펄스 형상의 공급까지가 1사이클을 구성한다. 1사이클마다 1 내지 2Å 정도의 두께로 텅스텐막이 퇴적된다. 필요한 사이클수를 반복하는 것에 의해 원하는 막 두께의 텅스텐막을 얻을 수 있다. 이러한 성막 방법이 ALD법이라 칭해지고 있다.
여기서, 각 라인재(96)의 온도는, 상술한 바와 같이, H2 가스는 활성화(분해)되지만 WF6 가스는 활성화되지 않는 온도로 유지된다. 즉, 가스의 선택적 활성화가 라인재(96)의 온도 제어에 의해서 행해진다. 이 점에 대하여, 도 4에 근거하여 자세히 설명한다.
도 4에는, 각 가스의 분해에 필요한 에너지(활성화 에너지)에 대하여, 계산치와 실험치의 양쪽이 도시되어 있다. 여기서, WF6 가스의 활성화 에너지는, 계산치로 17eV 정도, 실험치로 26eV 정도이다. 또한, H2 가스의 활성화 에너지는, 계산치로 4eV 정도, 실험치로 5eV 정도이다. 따라서, WF6 가스를 활성화하지 않고, 또한, H2 가스를 확실히 활성화하기 위한 에너지 범위는, 5 내지 17eV의 범위이다.
여기서, 가스에 부여되는 에너지는 가열 온도에 의존한다. 따라서, 결과적으로 상기 5 내지 17eV의 범위 내의 에너지가 공급되도록, 각 라인재(96)의 온도가 설정되어야 한다. 이러한 온도 범위는, 촉매체의 재료나 처리 용기(14) 내의 프로세스 압력, 프로세스 온도 등에도 의존하지만, 예컨대 촉매체가 W 재료인 경우에는 1000 내지 1600℃ 정도, Pt 재료인 경우에는 300 내지 700℃ 정도의 범위 내이다. 각 라인재(96)의 온도가 WF6 가스를 분해하는 온도 이상의 온도까지 승온시키면, WF6 가스의 기상(氣相) 중에서 분해된 텅스텐이 각 라인재(96)에 부착 퇴적되어 파티클 등의 원인이 되고, 또한, 성막 속도도 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 각 라인재(96)의 온도가 너무 낮으면, H2 가스가 활성화되지 않기 때문에, 텅스텐막의 성막이 거의 보이지 않게 되어버려 바람직하지 못하다.
여기서, 프로세스 조건에 대하여 설명한다. 프로세스 압력은 50 내지 1000㎩ 정도, WF6 가스의 공급 기간 T1은 1.5sec 정도, H2 가스의 공급 기간 T2는 1.5sec 정도, 두 가스의 공급 정지 기간 T3, T4는 모두 각각 1.5sec 정도이다. 이 정지 기간 T3, T4 중에는, 조금도 가스를 공급하지 않고 진공 흡인만을 계속적으로 행하더라도 좋고, 또는, 불활성 가스, 예컨대 N2 가스나 Ar 가스 등을 공급하여 잔류 가스의 배출(퍼지)을 촉진시키도록 하여도 좋다. 또한, 이 때의 WF6 가스의 공급량은, 예컨대 200sccm 정도, H2 가스의 공급량은, 예컨대 1000sccm 정도이다.
이상과 같은 ALD법을 이용하는 것에 의해, 예컨대 웨이퍼(S)의 표면에 형성되어 있는 오목부의 스텝 커버리지가 현저히 높아져, 상기 오목부를 텅스텐막으로 마련할 수 있다.
이상과 같이, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스인 WF6 가스와 환원 가스인 H2 가스를 공급함과 아울러, 가열된 촉매체(94)에 의해서 상기 환원 가스를 선택적으로 활성화시키도록 했기 때문에, 불순물 원소의 혼입이 억제된 저저항의 텅스텐막을 효율적으로 형성할 수 있다.
한편, 이상의 실시형태에서는, 도 3(C)에 나타낸 바와 같이, 전원(106)을 연속적으로 온 상태로 설정했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, H2 가스의 공급 타이밍으로 동기(同期)시켜, 전원(106)을 온·오프시키도록 하여도 좋다. 이 경우, 활성화 에 이용하는 전력을 절약할 수 있다.
또한, 이상의 실시형태에서는, 도 3(A) 및 도 3(B)에 나타낸 바와 같이, WF6 가스와 H2 가스를 서로 타이밍을 어긋나게 하여 교대로 공급하도록 했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예컨대, WF6 가스와 H2 가스의 양 가스를 동시에 연속적으로 공급하여, CVD법에 의해서 텅스텐막을 형성하도록 할 수도 있다.
한편, 일반적으로는, 임의 매수의 웨이퍼(S)에 대한 성막 처리가 완료되면, 처리 용기(14) 내의 내면이나 각 부재의 표면에 파티클의 원인이 되는 불필요한 부착막이 퇴적되기 때문에, 이 불필요한 부착막을 제거하기 위해 클리닝 가스를 흘려 클리닝 처리를 행한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 성막 장치(12)에서는, 클리닝 가스원(82)으로부터 클리닝 가스로서 NF3 가스가 처리 용기(14) 내로 공급되어, 상기한 클리닝 처리가 행해진다. 이 때, 이 NF3 가스가 충분히 분해되어 활성화되도록, 상기 촉매체(94)의 각 라인재(96)를 소정의 온도 이상으로 가열해 두는 것이 바람직하다. NF3 가스의 활성화 에너지에 대하여, 도 4를 참조하면, NF3 가스는 3 내지 4eV의 비교적 낮은 활성화 에너지에 의해 분해된다. 즉, NF3 가스는 상기 텅스텐막의 성막시보다 낮은 온도에서 활성화시킬 수 있다. 클리닝 가스로서는, NF3 가스보다 더욱 낮은 활성화 에너지로 분해되는 다른 가스, 예컨대 ClF3 등이 이용되더라도 좋다. 촉매체(94)를 이용하여 클리닝 처리를 하는 것에 의해, 플라즈마를 이용하지 않고, 각종 클리닝 가스를 이용하여, 불필요한 부착막을 제거할 수 있다. 결과로서, 클리닝 가스의 선택의 범위를 넓힐 수 있다.
여기서, 본 발명 방법을 이용하는 성막 처리를 실제로 행하여, 그 평가가 행해졌다. 그 평가 결과에 대하여 설명한다. 여기서는, 비교예로서, 종래 방법에 대해서도 함께 실시되었다. 도 5는, 본 발명 방법의 평가 결과를 나타내는 도면이다. 여기서는, 비교예로서 종래 방법 1 내지 3이 실시되었다. 종래 방법 1은 제법으로서 CVD법이 이용되고, 종래 방법 2 및 3에서는, 가스를 교대로 공급하는 ALD법이 각각 이용되었다. 또한, 환원 가스로서, 종래 방법 2에서는 SiH4 가스가 이용되고, 종래 방법 3에서는 B2H6 가스가 이용되었다. 한편, 종래 방법 1 내지 3에서 사용된 H2 가스는, 여기서는, 환원 가스의 환원력을 억제하는 희석 가스로서 사용되었다.
본 발명 방법에서는, 도 3을 이용하여 설명한 바와 같은 ALD법이 이용되고, WF6 가스와 H2가스가 교대로 공급되어, H2 가스만이 활성화되었다. 한편, 도 5 중, "N.D."는 "검출되지 않음"을 나타내고 있다. 또한, 스텝 커버리지에 대해서는 직경 O.1㎛, 어스펙트비(A/R)=10의 구멍을 마련하여 평가했다.
이 결과, CVD법을 이용한 종래 방법 1에서는, 비저항은 50Ω·cm로서 작고, F, S, B의 각 원소의 농도도 적고, 또는 "N.D."로서, 양호했다. 그러나 스텝 커버리지가 30 이상으로서 매우 나빠, 즉, 미세한 오목부를 충분히 매립할 수 없어, 바람직하지 못했다.
또한, ALD법이 이용된 종래 방법 2 및 3의 경우에는, 스텝 커버리지는 모두 90% 이상으로 양호하지만, 비저항이 각각 150 내지 200Ω·cm 및 120 내지 160Ω·cm로서 상당히 높았다. 더구나 종래 방법 2의 경우에는, Si 농도가 4%에까지 이르고 있어, 이 점에서도 바람직하지 못했다.
이상의 비교예에 대하여, ALD법을 이용한 본 발명 방법의 경우에는, 비저항은 50Ω·cm 이하로서 매우 낮고, F 농도는 0.1% 이하임과 아울러 Si 농도와 B 농도는 모두 "N.D."로서 거의 포함되지 않고, 더구나, 스텝 커버리지도 90% 이상으로서 매우 높아, 전체적으로 양호한 결과가 얻어졌다.
<촉매체(94)의 변형예>
상기 실시형태에서는, 도 2(A)에 나타낸 바와 같이, 촉매체(94)로서, 복수의 선 형상 또는 로드 형상의 라인재(96)가, 탑재대(20) 위쪽에 복수개 평행하게 배열되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 어떻게 배열되더라도 좋다. 예컨대, 도 2(B)에 나타낸 바와 같이, 탑재대(20)의 위쪽에서 복수의 라인재(96)를 단락(도통)되지 않도록 서로 직교시켜 격자 형상으로 배열하여, 각 라인재(96)의 양단으로부터 전원(106)에 의해서 전기를 공급하도록 배열해도 좋다. 또는, 도 2(C)에 나타낸 바와 같이, 탑재대(20)의 외주측의 위쪽에서, 상기 탑재대(20)의 주위를 둘러싸도록, 라인재(96)를 예컨대 다각 모양(도시예에서는 육각 모양)으로 배치하여, 그 양단으로부터 전원(106)에 의해서 전기를 공급하도록 할 수도 있다.
도 2(B)에 나타내는 촉매체(94)의 경우에는, 라인재(96)가 격자 형상으로 배열되어 있기 때문에, 도입되는 가스와 라인재(96)의 접촉 면적이 증가하여, 그 만큼 활성화 효율을 높일 수 있다.
또한, 도 2(C)에 나타내는 촉매체(94)의 경우에는, 라인재(96)가 탑재대(20)의 위쪽에 위치되지 않고 그 외주측에 배치되기 때문에, 예컨대 라인재(96)로부터 파티클 등이 만일 발생하여 낙하하여 오더라도, 상기 파티클이 웨이퍼 상에 낙하하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 파티클 대책 상 현저한 효과를 얻을 수 있다.
<제2 실시형태>
이상에서 설명한 제1 실시형태에서는, 텅스텐막을 형성하는 경우가 예로서 설명되었지만, 텅스텐막 대신에, 텅스텐질화막(WN)을 형성하는 경우에도, 본 발명을 적용할 수 있다.
이 경우에는, 도 1에 나타내는 성막 장치에 있어서, 환원 가스 대신에 질화 가스를 이용하면 좋다. 구체적으로는, H2를 저류하는 환원 가스원(80) 대신에, 질화 가스를 저류하는 질화 가스원(도시하지 않음)이 마련된다. 이 경우, 질화 가스로서 N2 가스를 이용할 수 있다. 여기서, 퍼지용의 N2 가스를 유용하면, 별도로 질화 가스원을 마련할 필요는 없다.
이 경우, 퇴적하는 막 종류는 텅스텐막으로부터 텅스텐질화막으로 변한다. 그 외는 제1 실시형태에서 설명한 바와 마찬가지의 작용 효과를 나타낸다. 즉, 제2 실시형태에서는, 환원 가스 대신에 질화 가스인 N2 가스만이 선택적으로 활성화되어, N2 가스가 분해되고, 이것이 WF6 가스와 반응하여 텅스텐질화막이 퇴적된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, N2 가스의 분해 반응(활성화) 에너지는, 앞의 제1 실시형태에서 사용된 H2 가스보다도 조금 높게, 10eV 정도로 되어 있다. 따라서, 촉매체(94)를 형성하는 라인재(96)의 온도에 대해서는, N2 가스는 활성화하지만 WF6 가스는 활성화되지 않는 에너지, 예컨대 10 내지 17eV의 범위 내의 에너지를 공급할 수 있는 온도로 설정하는 것이 필요하다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 질화 가스를 공급함과 아울러, 가열된 촉매체에 의해 상기 질화 가스를 선택적으로 활성화시키도록 했기 때문에, 반응 부생성물의 발생을 억제하면서 텅스텐질화막을 효율적으로 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2 실시형태에 있어서의 각 가스의 공급 형태는, H2 가스를 N2 가스로 변경한 점을 제외하고, 제1 실시형태와 모두 같다. 또한, 텅스텐질화막의 종래의 제조방법에서는, 질화 가스로서 암모니아(NH3) 가스를 이용하고 있어, 많은 반응 부생성물이 생겨 유지 보수 빈도가 증가했지만, N2 가스를 이용한 본 발명 방법에 의하면, 반응 부생성물의 발생량을 대폭 억제할 수 있어, 유지 보수 빈도를 적게 할 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 실시형태에서는, 텅스텐 함유 가스로서 WF6 가스를 이용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 예컨대 W(CO)6 가스도 이용할 수 있다.
또한, 촉매체(94)의 라인재(96)를 구성하는 재료로서는, 카본 와이어를 이용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되지 않고, 다른 재료, 예컨대 W(텅스텐), Ir(이리듐), Ru(루테늄), Re(레늄), Pt(플라티늄) 등도 이용할 수 있다.
또한, 여기서는, 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 유리 기판, LCD 기판, 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.

Claims (21)

  1. 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내에 피처리체를 탑재하는 공정, 및
    상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 환원 가스를 공급함과 아울러, 상기 환원 가스를 가열된 촉매체에 의해 활성화시켜, 상기 피처리체의 표면에 텅스텐막을 형성하는 성막 공정
    을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매체는 상기 환원 가스를 선택적으로 활성화시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 환원 가스는 H2 가스인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  4. 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기 내에 피처리체를 탑재하는 공정,
    상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 질화 가스를 공급함과 아울러, 상기 질화 가스를 가열된 촉매체에 의해 활성화시켜, 상기 피처리체의 표면에 텅스텐 질화막을 형성하는 성막 공정
    을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 촉매체는 상기 질화 가스를 선택적으로 활성화시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 질화 가스는 N2 가스인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  7. 제 2 항, 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매체는 통전에 의해 가열되도록 되어 있고,
    상기 선택적인 활성화는 온도 제어에 의해 행해지도록 되어 있는 것
    을 특징으로 하는 성막 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 텅스텐 함유 가스는 WF6 또는 W(C0)6인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매체는 W, Ir, Ru, Re, Pt 및 카본으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성막 공정은 상기 2종류의 가스를 동시에 공급하여 CVD법에 의해서 행해지는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성막 공정은 상기 2종류의 가스를 교대로 반복 공급하여 ALD(Atomic Layered Deposition)법에 의해서 행해지는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성막 공정 후에, 클리닝 가스를 공급하면서 상기 클리닝 가스를 상기 촉매체에 의해서 활성화하는 것에 의해 클리닝 처리가 행해지는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  13. 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기,
    상기 처리 용기 내에 마련되고, 피처리체를 탑재하는 탑재대,
    상기 피처리체를 가열하는 가열 수단,
    상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 환원 가스를 공급하는 가스 공급 수단,
    상기 환원 가스를 활성화하기 위해 통전에 의해 발열하는 촉매체, 및
    상기 촉매체에 통전을 행하기 위해 접속된 전원
    을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 환원 가스는 H2 가스인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  15. 진공 흡인 가능하게 이루어진 처리 용기,
    상기 처리 용기 내에 마련되고, 피처리체를 탑재하는 탑재대,
    상기 피처리체를 가열하는 가열 수단,
    상기 처리 용기 내로 텅스텐 함유 가스와 질화 가스를 공급하는 가스 공급 수단,
    상기 질화 가스를 활성화하기 위해 통전에 의해 발열하는 촉매체, 및
    상기 촉매체에 통전을 행하기 위해 접속된 전원
    을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 질화 가스는 N2 가스인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매체는 선 형상 또는 봉 형상으로 형성된 라인재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 라인재는 상기 탑재대의 위쪽에서 복수개 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 라인재는 상기 탑재대의 외주측의 위쪽에서 상기 탑재대를 둘러싸도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  20. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 텅스텐 함유 가스는 WF6 또는 W(CO)6인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매체는 W, Ir, Ru, Re, Pt 및 카본으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
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