KR20090067201A - 장벽막 형성 방법 - Google Patents

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미치오 이시카와
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Abstract

반응 가스를 도입하기 위한 비금속 파이프의 주위에 떨어뜨려 설치된 도체를 구비한 동축형 공진 캐비티와, 상기 동축형 공진 캐비티를 여진하는 마이크로파 공급 회로로 구성된 플라즈마 생성 수단이며, 상기 동축형 공진 캐비티 내부의 높이가 여진 파장의 1/2의 정수배이고, 비금속 파이프의 한쪽 끝으로부터 주입된 가스가 비금속 파이프의 상기 도체로 덮이지 않은 위치에서 마이크로파에 의해 여기되어 다른 쪽 끝으로부터 플라즈마화하여 방출되도록 구성한 플라즈마 생성 수단을 구비한 성막 장치를 이용하여 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성한다.

Description

장벽막 형성 방법{BARRIER FILM FORMING METHOD}
본 발명은 장벽막 형성 방법에 관한 것이다.
근년, 반도체 집적회로 패턴 미세화에 수반하여, 종횡비(어스펙트 비)가 높은 미세한 콘택트 홀이나 트렌치 등을 Cu나 Al 등의 배선 재료로 매립하는 이른바 매립 배선 구조가 제안되고 있다.
상기와 같은 매립 배선 구조의 경우, 예를 들면 주 배선 재료로서 Cu를 이용하면, Cu가 절연막 중에 확산하기 쉬워 불편이 생긴다. 그 때문에, 절연막과 배선 재료 사이에 도전성의 장벽막을 마련하여 Cu의 확산을 억제 또는 방지하고 있다. 이 장벽막의 형성에는, 여러 가지 방법이 제안되고 있지만, 예를 들면 PVD법이나 MOCVD법이나 ALD법을 이용하여, Ta, TiN, TaN 등의 재료층을 퇴적시켜 장벽막을 형성하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
상기한 ALD법은, 한 종류의 전구체를 기판 표면에 흡착시키고(흡착 공정), 이 전구체가 흡착하고 있는 상태에서 다른 전구체를 공급함으로써 2개의 전구체를 기판 표면에서 서로 접촉시켜 반응하게 하고(개질 공정), 이 공정을 반복하여 소망하는 금속막을 형성하는 것이다. 이 ALD법은, 일반적으로 CVD법보다 저온에서, 또한 층덮힘이 양호하게 성막할 수 있는 이점이 있다.
그런데 Ta, TiN 이외의 장벽성이 높은 막으로서, ZrB2막이 알려져 있다. 이 ZrB2막은 원료로서 Zr(BH4)4를 이용하면 다음의 반응식(1)에 따라 성막할 수 있는 것이 알려져 있다.
Zr(BH4)4 → ZrB2 + B2H6 + 5H2 … (1)
상기 식(1)의 경우는, 원료를 Si 기판으로부터의 열에 의해 직접 열분해 하여 기판 상에 ZrB2막을 형성하는 방법이지만, 양호한 ZrB2막을 얻으려면, 기판을 550℃ 이상의 고온으로 가열하는 것이 필요해서 바람직하지 않다.
이것에 대해, 원료에 수소 라디칼을 첨가하고, 이 수소 라디칼 및 Si 기판으로부터의 열에 의해 원료를 저온(300~350℃)에서 반응시켜 기판 상에 ZrB2막을 형성하는 CVD법이 알려져 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조).
이러한 수소 라디칼을 첨가하기 위해서는, 수소 가스를 여기하는 것이 필요하다. 이러한 가스를 여기하기 위한 장치로서는, 도파관을 이용하여 마이크로파를 도입하는 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).
특허 문헌 1 : 일본특허공개 2004-6856호 공보(청구항 3, 도 4 등)
특허 문헌 2 : 일본특허공개 평성10-255998호 공보(청구항 1, 도 1 등)
비특허 문헌 1 : J.Appl.Phys., Vol.91, No.6, 2002. 3. 15, pp.3904-3907(p.3904)
그렇지만, ZrB2막을 장벽막으로 형성하기 위해서 상기 식(1)의 반응을 이용하여 원료를 직접 열분해 하면, 성막 온도가 너무 높기 때문에, 반도체 장치의 배선 재료로서 Cu나 Al을 이용할 수 없는 문제가 있다.
또, 상기와 같은 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치에서는, 도파관에 의해 마이크로파를 전파(傳播)하므로, 마이크로파 발생으로부터 플라즈마 생성까지 시간이 걸리기 때문에, 흡착 공정과 개질 공정을 여러 번 반복하는 ALD법에는 적합하지 않은 문제가 있다.
거기서, 본 발명의 과제는, 상기 종래 기술의 문제점을 해결하는 것으로, 플라즈마 생성에 시간이 걸리지 않는 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치를 이용한 ALD법을 이용하여, 저온 공정으로 미세한 홀, 트렌치 등의 상부에서 장벽막이 오버행 없이, 이들 홀이나 트렌치 내면에 층덮힘 좋게, 그리고 효율적으로 ZrB2막의 장벽막을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 장벽막 형성 방법은, 반응 가스를 도입하기 위한 비금속 파이프의 외주 상부 및 하부에 떨어뜨려 설치된 도체를 구비하는 동축형 공진 캐비티와 마이크로파 공급 회로로 되는 플라즈마 생성 수단이며, 상기 동축형 공진 캐비티 내부의 높이가 여진 파장의 1/2의 정수배이고, 비금속 파이프의 한쪽 끝으로부터 주입된 가스가, 비금속 파이프의 상기 도체를 마련하지 않은 영역에서, 마이크로파에 의해 여기되어 다른 쪽 끝으로부터 플라즈마화하여 방출되도록 구성된 플라즈마 생성 수단을 구비한 성막 장치를 이용하여, 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 갖는 성막 대상물을 이 성막 장치의 진공 챔버 내에 배치하고, 이 성막 대상물의 표면 상에서, ALD 법에 의해, Zr(BH4)4 가스로 된 원료 가스와 H2 가스로 된 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화하여 얻어진 가스를 반응시켜, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이러한 장치를 이용하여 성막하는 것에 의해, 저온 공정으로 미세한 홀, 트렌치의 내면에 층덮힘 좋게 또한 효율적으로 ZrB2막의 장벽막을 형성할 수 있다.
본 발명의 장벽막 형성 방법에 있어서는, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 공급하여 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스의 공급을 멈추고 반응 가스만 연속하여 공급하여 이 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화하여 플라즈마화 된 반응 가스를 성막 대상물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 장벽막 형성 방법에 있어서는, 상기 원료 가스와 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 상기 반응 가스를 공급하여, 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스만 공급을 멈추고 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 반응 가스를 연속하여 공급하면서, 성막 대상물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막상에 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 장벽막 형성 방법은, 반응 가스를 도입하기 위한 비금속 파이프의 외주 상부 및 하부에 떨어뜨려 설치된 도체를 구비하는 동축형 공진 캐비티와 마이크로파 공급 회로로 된 플라즈마 생성 수단이며, 상기 동축형 공진 캐비티 내부의 높이가 여진 파장의 1/2의 정수배이고, 비금속 파이프의 한쪽 끝으로부터 주입된 가스가 비금속 파이프의 상기 도체를 마련하지 않은 영역에서 마이크로파에 의해 여기되어 다른 쪽 끝으로부터 플라즈마화하여 방출되도록 구성된 플라즈마 생성 수단을 구비한 성막 장치를 이용하여, 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물을 이 성막 장치의 진공 챔버 내에 배치하고, 이 성막 대상물의 표면 상에서 ALD법에 의해, Zr(BH4)4 가스로 되는 원료 가스와, H2 가스에, N2 및 NH3로부터 선택된 적어도 하나를 혼합한 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화하여 얻어진 가스를 반응시켜, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrBN막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 한다. H2 가스에 N2 및 NH3로부터 선택된 적어도 하나를 혼합하여 이용하는 것에 의해, 플라즈마화 된 반응 가스 상태를 보다 길게 유지할 수 있게 된다. 그리고 이 반응 가스를 이용하여, 이러한 장치에 의해 성막 하는 것에 의해, 저온 공정으로 미세한 홀, 트렌치의 내면에 층덮힘 좋게 또한 효율적으로 ZrBN막의 장벽막을 형성할 수 있다.
이 경우에, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 공급하여 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스의 공급을 멈추고 반응 가스만 연속하여 공급하여 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화시키고 이 플라즈마화한 반응 가스를 성막 대상물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrBN막으로 되는 장벽막을 형성하는 것이 바람직하다. 또, 상기 원료 가스와 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 상기 반응 가스를 공급하여, 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스만 공급을 멈추고 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 반응 가스를 연속하여 공급하면서, 성막 대상물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrBN막으로 되는 장벽막을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 반응 가스의 유량을, 흡착 공정과 개질 공정에서, 다른 유량으로 하는 것이 바람직하다. 장벽막을 형성하는 경우에는, 상기 성막 대상물을 50~300℃로 가열하면서 장벽막을 형성하는 것이 바람직하다.
또, 상기 동축형 공진 캐비티 내에 냉각 가스를 도입하여, 비금속 파이프의 도체를 마련하지 않은 영역을 냉각하면서 장벽막을 형성하는 것이 바람직하고, 게다가 상기 비금속 파이프의 측벽을 2중으로 하여, 이 측벽 사이에 냉각용 유체를 순환시켜 비금속 파이프를 냉각하면서 장벽막을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 냉각하는 것에 의해, 비금속 파이프 내벽의 식각을 억제하여 라디칼의 생성 효율을 올릴 수 있다.
본 발명에 의하면, 마이크로파 여기의 플라즈마 생성 수단을 구비한 성막 장치를 이용하여 ALD법에 따라 저온에서 흡착 공정 및 개질 공정을 실시함으로써, 종횡비가 높은 미세한 홀, 트렌치 등의 상부에서의 장벽막의 오버행도 없고, 이들 홀, 트렌치 등에 층덮힘 좋게 장벽막을 형성할 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시에 이용되는 성막 장치의 샤워 헤드 구조(1)를 설명하기 위한 단면 모식도이다.
도 2 (a)는 링상 부재(13b), (b)는 제1의 샤워판(13c), 및 (c)는 제2의 샤워판(13d)의 횡단면도이다.
도 3은 원료 가스 도입관(133), 가스 통로(134) 및 원료 가스 확산실(135)의 배치 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 본 발명에 있어서의 원료 가스의 생성 방법에 관한 것으로, (a)는 그 일례를 설명하기 위한 모식적 구성도이며, (b)는 다른 예를 설명하기 위한 모식적 구성도이다.
도 5는 본 발명에 있어서의 원료 가스의 생성 방법을 설명하기 위한 또 다른 예를 나타내는 모식적 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 공정 순서를 나타내는 그래프이다.
도 7은 흡착 공정에 있어서의 샤워 헤드 구조(1)의 작동을 나타내는 모식적 구성도이다.
도 8은 개질 공정에 있어서의 샤워 헤드 구조(1)의 작동을 나타내는 모식적 구성도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 공정 순서를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 흡착 공정에 있어서의 샤워 헤드 구조(1)의 작동을 나타내는 모식적 구성도이다.
도 11은 제2의 성막 장치의 샤워 헤드 구조(2)를 설명하기 위한 단면 모식도이다.
도 12는 비금속 파이프 내면이 식각된 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
도 13은 2중 파이프(22)에 대해 설명하는 단면 모식도로, (a)는 2중 파이프(22)의 종단면도이고, (b)는 도 13(a) 중의 선 A-A'로부터 본 단면도이며, (c)는 도 13(b) 중의 선 B-B'로부터 본 단면도이다.
(부호의 설명)
1 샤워 헤드 구조
2 샤워 헤드 구조
11 동축형 공진 캐비티
12 가스 도입실
13 샤워 헤드부
13a 원반상 부재
13b 링상 부재
13c 제1의 샤워판
13d 제2의 샤워판
14 마이크로파 공급 수단
15 원료 가스 도입 장치
111 비금속 파이프
111a 노출부
112 상부 도체
113 하부 도체
122 세라믹 플랜지
123, 124 고정구
131 반응 가스 확산실
132 반응 가스 분출 구멍
133 원료 가스 도입관
134 가스 통로
134a 가스 통로
134b 가스 통로
134c 접속 구멍
134d 접속 구멍
135 원료 가스 확산실
136 원료 가스 분출 구멍
137 가스 도입구
141 마그네트론
142 마이크로파 전원
143 안테나
144 동축 케이블
151 탱크
152 망
152a, 152b 망
153 원료
154 매스 플로우 컨트롤러
211 가스원
212 가스관
213 밸브
221 측벽
222 냉각용 유체 통로
222a 상류부
222b 하류부
223 유입구
224 유출구
225 판
226 개구부
227 가스 통로
G1 반응 가스
G2 원료 가스
G3 반응 가스
처음에, 본 발명의 성막 방법에 이용되는 제1의 성막 장치에 대해 설명한다. 제1의 성막 장치는, 성막 대상물을 배치하는 받침대를 그 저부에 구비한 진공 챔버와, 이 진공 챔버의 천정에 성막 대상물에 대향하도록 설치된 샤워 헤드 구조로 된다. 이 샤워 헤드 구조에 대해 도 1을 참조하여 이하 상세하게 기술한다.
샤워 헤드 구조(1)는, 상부의 동축형 공진 캐비티(11)와, 동축형 공진 캐비티(11)의 저부에 접속하여 설치된 반응 가스 도입실(12)과, 반응 가스 도입실(12)에 접속하여 설치된 샤워 헤드부(13)로 된다.
동축형 공진 캐비티(11)는, 예를 들면 구리제나 알루미늄제로, 이 동축형 공진 캐비티(11)에는 비금속 파이프(111)가 캐비티의 천정벽과 저벽을 관통하여 설치되어 있다. 이 비금속 파이프(111)의 상부에는, 도시하지 않은 반응 가스의 가스원이 유량 제어 수단을 개입시켜 접속된다. 이 비금속 파이프(111)로는, 석영관, 사파이어관 또는 알루미나관을 이용할 수 있지만, 파티클을 보다 저감하기 위해 사파이어관이나 알루미나관을 이용하는 것이 바람직하다.
이 비금속 파이프(111)의 상부에는, 그 주위를 덮도록 동심원상의 가동이 자유로운 상부 도체(112)가 설치되고, 또, 이 상부 도체(112)의 아래쪽에서는, 동축 형 공진 캐비티(11)의 저벽이 하부 도체(113)로서 기능하고 있다. 2개의 도체 사이에서는 비금속 파이프(111)는 노출하고 있고, 이 노출부(111a)에 마이크로파가 조사된다. 덧붙여 도 1 중에서는, 동축형 공진 캐비티(11)의 저벽이 하부 도체(113)로서 기능하고 있지만, 하부 도체(113)를 다른 부재로 동축형 공진 캐비티(11)의 저부에 설치해도 좋다.
비금속 파이프(111)의 노출부(111a) 영역에서 플라즈마를 생성하기 위해, 마이크로파 공급 수단(14)이 동축형 공진 캐비티(11)의 측벽면의 노출부(111a)에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 이 마이크로파 공급 수단(14)은 마이크로파를 발진하는 마그네트론(141)과, 이 마그네트론(141)을 작동시키기 위한 마이크로파 전원(142)과, 마그네트론(141)에 접속되고 마그네트론(141)으로부터 발진된 공진 주파수(예를 들면, 2.45GHz)의 마이크로파를 동축형 공진 캐비티(11)에 공급하는 안테나(143)와, 안테나(143)와 마그네트론(141)을 연결하는 동축 케이블(144)로 된다. 마이크로파 전원(142)을 작동시키면, 마그네트론(141)으로부터 마이크로파가 발진되고, 이 마이크로파가 동축 케이블(144)을 통해 측벽에 설치된 안테나(143)에 도달한다. 그리고 안테나(143)로부터 마이크로파가 동축형 공진 캐비티(11) 내에 공급되면, 비금속 파이프(111) 상부로부터 도입되고 있는 반응 가스가 노출부(111a) 영역에서 플라즈마 상태로 변화하여, 가스의 유로인 비금속 파이프(111)의 하부로부터 플라즈마화한 가스로서 반응가스 도입실(12)로 공급된다. 이와 같이, 본 장치에서는 마이크로파를 전파하기 위한 도파관을 설치하지 않으므로, 마이크로파를 발진하면, 즉시 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에, ALD법의 실시에 적합 하다. 덧붙여, 도 1 중, 안테나(143)를 하나만 설치한 예를 설명하지만, 2 이상 설치해도 좋다. 또한, 상기한 바와 같이 상부 도체(112)는 가동이므로, 그 위치를 바꾸어 상부 도체(112)와 하부 도체(113) 사이의 전계 발생 상태를 변경함으로써, 플라즈마의 생성 상태를 바꿀 수 있다.
그런데 일반적으로, 플라즈마 생성 공간에서 플라즈마가 생성되면, 플라즈마 생성 공간의 전계 분포가 변화하여 공진 주파수가 변화하고, 플라즈마의 생성 효율이 나빠진다. 이 경우에, 마이크로파 공급 수단을 조정하면, 마이크로파 발진과 플라즈마 생성 사이에 시간 지연이 생기게 되어 ALD법으로는 적합하지 않다.
거기서, 제1의 성막 장치에서는, 플라즈마 생성 전후에 공진 주파수가 변화하지 않도록 동축형 공진 캐비티(11) 내의 높이(L)가 여진 파장의 1/2의 정수배로 되도록 구성하고 있다. 이것은 동축형 공진 캐비티(11)의 전계 분포가 플라즈마 생성 전에는 TM 모드로 되지만, 플라즈마 생성 후에는 TEM 모드로 되는 것에 비추어 생각한 것으로, 각 각 모드에 있어서의 전기적 등가 회로로부터 플라즈마 생성 전후의 각 공진 주파수를 구하고, 이들의 공진 주파수가 같아지도록 계산하는 것에 의해 얻어진 것이다. 상기 구성에 의해, 플라즈마 생성 전후에서 공진 주파수의 변화를 억제하는 것이 가능하다.
이와 같이 동축형 공진 캐비티(11) 내의 높이(L)를 설정해도 여전히 플라즈마 생성 후에 캐비티 내의 주파수가 적지만 변동하는 경우도 있으므로, 제1의 성막 장치의 마이크로파 공급 수단(14)에 여자 전류 제어 회로를 마련하는 것이 바람직하다. 이 제어 회로는, 동축형 공진 캐피티(11) 내에서의 플라즈마 발생 전후의 주 파수를 모니터링하여, 이 주파수가 변화했을 경우에 변화분에 대응하는 신호를 받아 이 신호에 상당하는 전류를 여자 전류로서 마그네트론(141) 내의 도시하지 않은 여자 코일에 보내는 것에 의해, 공급하는 마이크로파의 파장이 일정하게 되도록 구성된다.
또, 동축형 공진 캐비티(11) 내의 주파수가 변화한 상태에서 마이크로파를 발진하면 플라즈마 생성실 내부에서 반사파가 생기는 경우에는, 이 반사파를 검출하여 이 검출한 반사파와 발진한 마이크로파 진행파의 위상차이에 상당하는 전압을 마그네트론 내의 양극 전극에 중첩하여 인가하여 공진 주파수에 가까워지도록 동작하는 양극 전압 제어 회로를 설치해도 좋다. 이 경우, 반사파는 마이크로파 공급 수단에서 열로 변환되므로, 양극 전압 제어 회로를 마련했을 경우에 반사파에 기인하는 열에 의해 회로가 손상을 받지 않게 주의할 필요가 있다. 게다가 하부 도체(113) 중에, 발진 파장의 4분의 1의 길이에 상당하는 초크 구조를 마련하여 노출부(111a)로부터 누설되는 마이크로파를 억제하도록 구성해도 좋다.
이와 같이 제1의 성막 장치는, 동축형 공진 캐비티(11) 내의 높이(L)를 여진 파장의 1/2의 정수배가 되도록 구성하여, 일정한 공진 주파수를 발진할 수 있음과 아울러, 여자 전류 제어 회로 및 양극 전압 제어 회로를 마련하는 것에 의해, 플라즈마 생성 전후로 만일 공진 주파수가 어긋났다고 해도 주파수를 자동적으로 매칭 하도록 구성되어 있다. 게다가 제1의 성막 장치는, 마이크로파 발진과 플라즈마 생성에 시간 지연이 발생하지 않기 때문에, 플라즈마의 생성을 지극히 짧은 간격, 예를 들면 0.5초 정도로 제어할 수 있어, 흡착 공정 및 개질 공정을 여러 번 반복하 여 성막하는 ALD법에 매우 적합하다.
이 동축형 공진 캐비티(11)의 비금속 파이프(111) 내에서 플라즈마에 의해 여기된 반응 가스는, 반응 가스 도입실(12)을 거쳐, 샤워 헤드부(13)로 도입된다. 반응 가스 도입실(12)은, 예를 들면 알루미늄제이며, 그 내벽에는 파티클 발생 방지를 위해서 석영제 내면을 마련하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도 1 중에 나타낸 것처럼, 가스 도입실(12) 내벽의 하부 영역(샤워 헤드부(13) 측)에 석영제 내면을 설치해도 좋지만, 바람직하게는, 내벽 전면에 석영제 내면을 마련한다. 또, 라디칼 상태 가스의 에너지를 잃기 어렵게 하기 위해서, 반응 가스 도입실(12)의 내벽 표면을 알루마이트 가공하여도 좋다.
또, 반응 가스 도입실(12)은, 도시하지 않은 냉각 수단에 의해 냉각해도 좋다. 반응 가스 도입실(12)과 샤워 헤드부(13) 사이에는 세라믹 플랜지(122, 예를 들면, 두께 10mm)를 마련하고, 고정구(123 및 124)로 고정되어 있다. 이 세라믹 플랜지(122)는, 샤워 헤드부(13)의 열에 의해 반응 가스 도입실(12)이 가열되지 않게 열을 차단하기 위해 설치되며, 진공 밀봉성, 내열성, 열차단성으로부터 알루미나 세라믹이 바람직하다.
샤워 헤드부(13)는, 원반상 부재(13a)와, 링상 부재(13b)와, 제1의 샤워판(13c)과, 제2의 샤워판(13d)으로 되며, 적당히 고정구(123)로 고정되어 있다. 원반상 부재(13a)에는, 바람직하게는, 도시하지 않은 히터 및 열전대가 설치되고, 히터에 의해, 샤워 헤드부(13)를 소정의 온도(예를 들면 150℃ 정도)가 되도록 가열하여, 이 가열된 온도를 열전대로 측정하여 모니터링할 수 있도록 구성된다. 또, 원반상 부재(13a)에는 반응 가스 도입실(12)과 연통하는 개구부가 형성되어 있고, 이 개구부와 링상 부재(13b)의 개구부로부터 반응 가스가 도입되어 확산되는 반응 가스 확산실(131)이 구성되어 있다. 반응 가스 확산실(131)은 석영제의 내면이 내벽 전체에 마련되고, 그 저면에는 복수의 반응 가스 분출 구멍(132)이 형성되어 있다. 이 반응 가스 분출 구멍(132)은, 제1의 샤워판(13c) 및 제2의 샤워판(13d)을 관통하여 샤워 헤드부(13)의 저면까지 도달하고 있다.
게다가 원반상 부재(13a)에는, 원료 가스 도입 장치에 접속하는 원료 가스 도입관(133)이 설치되고, 이 원료 가스 도입관(133)은 가스 통로(134), 즉 링상 부재(13b)의 외주부에 마련된 가스 통로(134a) 및 제1의 샤워판(13c)의 외주부에 마련된 가스 통로(134b)를 개입시켜 제2의 샤워판(13d)에 형성된 원료 가스 확산실(135)에 접속되어 있다. 이 가스 통로(134)는 1 이상의 다단으로 구성되고, 각 단은 2n-1(n은 단수)로 표현되는 수의 가스 통로(134a 및 134b)를 가지고 있다. 그리고 가스 통로(134)는, 상기 원료 가스 도입관(133)과 1단째의 가스 통로(134a)의 접속 위치로부터 최종단의 가스 통로(134b)와 원료 가스 확산실(135)의 각 접속 위치까지의 거리가 모두 동일하게 구성되어 있다. 이 가스 통로(134)에 대해 도 2 및 도 3을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 2는 (a) 링상 부재(13b), (b) 제1의 샤워판(13c), 및 (c) 제2의 샤워판(13d)의 횡단면도이고, 도 3은 원료 가스 도입관(133), 가스 통로(134) 및 원료 가스 확산실(135)의 배치 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
가스 통로(134)는, 링상 부재(13b)에 설치된 원호상의 하나의 가스 통로(134a)와, 제1의 샤워판(13c)의 반응 가스 분출 구멍(132)이 형성되어 있는 영역의 주변부에 설치된 원호상의 2개의 가스 통로(134b)로 된다. 가스 통로(134a)의 중앙 상부에는 원료 가스 도입관 (133)이 접속되어 있다. 그리고 가스 통로(134a)의 양단의 저부에는 각각 접속 구멍(134c)이 형성되고, 이 각 접속 구멍(134c)은 제1의 샤워판 (13c)에 설치된 가스 통로(134b)의 각각의 중앙 상부에 접속되어 가스 통로(134a)와 가스 통로(134b)는 연통하고 있다.
또, 가스 통로(134b)의 각각의 양단의 저부에는 접속 구멍(134d)이 형성되고, 이 접속 구멍(134d)은 제2의 샤워판(13d)에 설치된 원료 가스 확산실(135)의 네 귀퉁이의 상부에 접속되어 원료 가스 확산실(135)에 원료 가스가 접속 구멍(134d)을 개입시켜 균일하게 토출되도록 구성되어 있다.
이와 같이, 상기 원료 가스 확산실(135)과 원료 가스 도입관(133)을 접속하는 가스 통로(134)는 2단 구성이며, 1단째의 가스 통로(134a)는 그 중앙에 상기 원료 가스 도입관(133)이 접속되고 2단째의 가스 통로(134b)는 그 중앙에 전단의 가스 통로(134a)의 양단 저부에 설치된 접속 구멍(134c)이 접속되어 전단의 가스 통로(134a)와 연통하고, 또한, 그 각 가스 통로(134b)의 양단 저부에 형성된 접속 구멍(134d)에 의해 원료 가스 확산실 (135)에 접속되어 1개의 가스 유로로서 구성되어 있다. 그리고 이 가스 통로(134)에서는, 원료 가스 도입관 (133)으로부터 각 접속 구멍(134d)까지의 거리는 모두 동일해지도록 구성되어 있으므로, 원료 가스가 동시에 원료 가스 확산실에 같은 양 도달하여 균일하게 원료 가스 확산실(135)에 확산될 수 있다. 덧붙여 도면 중에서는, 가스 통로를 2단 구성으로서 접속 구멍(134d)을 4개 마련하고 있지만, 가스 통로를 3단 이상으로 구성하여 접속 구멍(134d)의 수를 늘려도 좋다. 예를 들면, 제1의 샤워판의 저부에, 제1의 샤워판과 같은 반응 가스 분출 구멍을 형성하고, 또한, 가스 통로를 4개 형성한 제3의 샤워판을 마련하고, 이 제3의 샤워판의 4개의 가스 통로의 각 중앙 상부에 제1의 샤워판의 접속 구멍이 접속하도록 하고, 이 제3의 샤워판의 각 가스 통로의 양단부에 제2의 샤워판의 원료 가스 확산실로의 접속 구멍을 각각 형성하여, 즉, 접속 구멍을 8개 마련하고, 그것에 아울러 원료 가스 확산실의 형상을 설계하여, 더욱 균등하게 가스가 원료 가스 확산실 내에 확산되도록 구성해도 좋다. 또한, 도 중에서는 원료 가스 확산실은 사각형으로 했지만, 원형이나 다른 각형이어도 좋다.
이 원료 가스 확산실(135)에는, 원료 가스 분출 구멍(136)이 마련되어 있고, 이 원료 가스 분출 구멍(136)도 샤워 헤드부(13)의 저면까지 관통하여 있다. 이 경우, 균일하게 원료 가스가 진공 챔버 내에 분출하도록, 분출 구멍의 컨덕턴스를 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 1 및 2에 나타낸 장치에서는, 원료 가스 분출 구멍(136)을 구멍 지름 φ0.7~1mm 정도, 구멍 깊이 10mm 정도로서 원료 가스를 균일하게 진공 챔버 내에 공급할 수 있도록 구성하고 있다.
반응 가스 분출 구멍(132)은 샤워 헤드부(13)의 저면까지 관통하고 있으므로, 이 샤워 헤드부(13)의 저면에는, 반응 가스 분출 구멍(132)과 원료 가스 분출구멍(136)이 각각 일정한 거리를 두고 매트릭스상으로 늘어서 있고, 이것에 의해 기판 상에 치우침 없이 원료 가스 및 반응 가스가 조사되도록 구성되어 있다. 각 원료 가스 분출 구멍(136)의 중심간 거리와 각 반응 가스 분출 구멍(132)의 중심간 거리는, 같은 거리(예를 들면, 14mm)로 설정되어 있다. 이 경우, 원료 가스 분출 구멍(136)의 직경보다 반응 가스 분출 구멍(132)의 직경이 크고, 예를 들면, 원료 가스 분출 구멍(136)의 직경을 1mm로 하면, 반응 가스 분출 구멍(132) 직경은 5mm 이다. 이것은 개질 공정에 있어서 반응 가스의 유량 쪽이 원료 가스의 유량에 비해 많기 때문이다.
이와 같이 구성된 샤워 헤드부(13)에서는, 비금속 파이프(111)로부터 반응 가스 도입실(12)을 거쳐 샤워 헤드부(13)로 도입된 반응 가스는, 반응 가스 확산실(131) 전체에 퍼지고, 각 반응 가스 분출 구멍(132)을 거쳐 진공 챔버 내에 공급된다. 또, 원료 가스 도입관(133)으로부터 도입된 원료 가스는, 가스 통로(134)에 가스 통로(134a)의 중앙부로부터 도입되고, 가스 통로(134a)의 좌우로 균등하게 나뉘어 접속 구멍(134c)을 개입시켜 하단에 형성된 각 가스 통로(134b)로 확산한다. 그리고 가스 통로(134b)를 좌우로 균등하게 나뉘어 진행되어, 접속 구멍(134d)으로부터 원료 가스 확산실(135)로 균일하게 확산하고, 그 후, 원료 가스 확산실(135) 저면의 각 원료 가스 분출 구멍(136)으로부터 진공 챔버 내에 균일하게 공급된다.
그런데 원료 가스는, 원료가 60℃를 넘으면 열분해를 일으키므로, 60℃ 이하의 온도로 가스화하여 반송하는 것이 필요하다. 그 때문에, 원료 가스 도입 장치는, 도 4 및 도 5에 나타내듯이 구성되는 것이 바람직하다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4 (a) 및 (b)는, 원료 가스 도입 장치(15)의 구성을 나타내는 모식도이 다. 원료 Zr(BH4)4는, 융점(28.7℃)보다 낮은 온도인 -10℃~25℃로 유지, 특히-5℃~5℃로 유지하는 것이 바람직하다. Zr(BH4)4는 열 안정성이 매우 나쁘기 때문에, 25℃보다 높으면 자기 분해에 의해 원료 탱크 중에서, ZrB2나 B2H6 등으로 분해해 버리기 때문이며, 한편, -10℃ 미만에서는 ALD의 원료로서 이용하려면 증기압이 2 mmHg 미만이 되어 너무 낮기 때문이다. 예를 들면, 0℃(증기압 3.7mmHg)로 유지된 탱크(151) 내에 메쉬의 미세한 망(152)을 마련하고 그 망 위에 과립상의 원료(153)를 올리고, 버블링 가스로서의 Ar, He 등의 불활성 가스를 매스 플로우 컨트롤러(154)를 개입시켜 탱크(151) 내의 하부에 공급하여, 망(152)의 하부에서 위쪽으로 불활성 가스를 원료(153) 내를 흘리고, 이 버블링에 의해 원료(153)를 승화시켜, 버블링 가스와 함께 원료 가스를 원료 가스 도입관(133)을 개입시켜 원료 가스 확산실(135) 내로 도입하거나(도 4a), 또는 예를 들면 0℃ 정도로 유지된 탱크(151) 내에 설치된 2매의 망(152a 및 152b)의 사이에 과립상의 원료(153)를 협지시키고, 버블링 가스로서의 Ar, He 등의 불활성 가스를 매스 플로우 컨트롤러(154)를 개입시켜 탱크(151) 내의 망(152a)으로부터 망(152b)으로 원료 내를 흘려, 이 버블링에 의해 원료(153)를 승화시키고, 버블링 가스와 함께 원료 가스를 원료 가스 도입관(133) 및 가스 통로(134)를 개입시켜 원료 가스 확산실 (135) 내로 도입한다(도 4(b)).
원료 가스의 도입은 또한, 저차압 매스 플로우를 이용한 도 5에 나타낸 원료 가스 도입 장치(15)에 의해 다음과 같이 해도 좋다. 즉, 예를 들면 0℃(증기압 3.7mmHg) 정도로 유지된 탱크(151) 내에 원료를 넣고, 이것을 저차압 매스 플로우 컨트롤러와 같은 매스 플로우 컨트롤러(154)를 이용하여, 원료(153)의 기화 가스의 유량을 직접 제어하면서 원료 가스 도입관(133) 및 가스 통로(134)를 개입시켜 원료 가스 확산실(135) 내로 도입한다. 이 경우, 원료 가스를 챔버에 도입하려면, 반드시 챔버 내의 압력을 원료 가스의 증기압보다 낮게 할 필요가 있다. 예를 들면, 원료 탱크를 0℃로 냉각 보온하고 있는 경우, 원료 가스의 증기압은 3.7mmHg로이므로, 챔버 압력을 3.7mmHg보다 낮게 한다.
상기, 샤워 헤드 구조(1)에 대향하여 진공 챔버 내에 설치된 기판 받침대에 배치되고, ZrB2막으로 되는 장벽막이 성막되는 성막 대상 기판으로서는, 이하와 같은 것이 있다. 예를 들면, Si 기판 등의 반도체 장치에 대해 통상 이용되는 기판 상에 스퍼터법이나 CVD법 혹은 도포법 등에 의해, 예를 들면 P-SiO막, BPSG막, HDP-PSG막 등의 절연막이나, P-SiOC막이나, 다공성 Low-k막 등의 저유전율막을 형성하고, 이 절연막이나 저유전율막을 통상의 식각 조건으로 식각 하여 종횡비가 높은 미세한 홀, 트렌치 등을 형성한 기판을 들 수 있다. 본 발명에 의하면, ALD법에 의해, 이 홀 등의 상부에서 장벽막이 오버행 없이, 홀 등의 내면에 층덮힘 좋게 양질의 장벽막을 형성할 수 있다.
상기 샤워 헤드 구조(1)를 구비한 제1의 성막 장치를 이용하는 본 발명의 장벽막 형성 방법은, 기판 상에 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물을 진공 챔버 내에 배치하고, 이 성막 대상물의 표면 상에서, ALD법을 이용 하여 Zr(BH4)4 가스로 되는 원료 가스와, H2 가스로 되는 반응 가스를 플라즈마에 의해 여기하여 얻어진 가스를 반응시켜, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성하는 방법이다. 이 경우, 성막 대상물의 기판 온도를 50℃ 이상 300℃ 이하, 바람직하게는 150℃ 이상 200℃ 이하로 설정하여 장벽막을 형성한다. 50℃보다 저온이면, 온도가 너무 낮아 막을 얻을 수 없고, 또, 300℃보다 고온이면, 층덮힘이 좋은 막을 얻을 수 없기 때문이다.
본 발명의 성막 방법인 ALD법의 공정 순서로서는, 도 6의 타이밍 차트로 나타낸 것이 적합하다.
본 발명의 실시에 이용하는 성막 장치의 배기계로서는, 예를 들면, 알박제 드라이 펌프 PDR-90-CH(배기 능력: 1500L/min)(도시하지 않음)와 에바라 제작소제 터보 분자 펌프 TMP-1003LM(배기 능력: 1080L/sec)의 2단의 진공 펌프(도시하지 않음)를 이용할 수 있다. 이 경우, 반응실과 터보 분자 펌프의 사이에, MKS사제의 버터플라이 타입의 압력 컨트롤 밸브를 설치하여, 반응실 내의 압력을 버터 플라이 밸브의 개방도를 바꾸는 것에 의해 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
처음에, 진공 챔버 내에 성막 대상물을 배치한 후, 진공 챔버 내를 일정 압력(예를 들면, 1Torr 이상, 바람직하게는 3Torr 이상)으로 유지하고, 성막 대상물을 소정 온도(50~300℃)로 가열한다. 그 후, ALD 성막 공정을 개시한다. 먼저, 배기 능력을 올린 상태(버터플라이 개방도 100%)로, 반응 가스인 H2 가스만을 비금속 파이프(111)에 1~100sccm 정도 흘린다. 반응 가스인 H2를 1~100sccm 정도 흘리는 것 에 의해, 반응 가스의 배관 라인에 원료 가스가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
이어서 흡착 공정에 들어간다. 샤워 헤드부(13)는, 도 7에 나타낸 것처럼 작동하고 있다. 즉, 반응 가스(G1)를, 비금속 파이프(111) 및 반응 가스 도입실(12)을 통과시켜, 샤워 헤드부(13)의 반응 가스 확산실(131)에 반송하고, 반응 가스 분출 구멍(132)을 거쳐 반응 가스(G1)를 진공 챔버 내에 도입한다. 덧붙여, 흡착 공정에서는 마이크로파는 발진하고 있지 않기 때문에, 반응 가스(G1)는 플라즈마 상태는 아니다. 이 반응 가스(G1)인 H2 가스를 1~100sccm 흘리면서, 원료 가스(G2)인 Zr(BH4)4 가스를 원료 가스 도입관(133)으로부터 도입하여, 원료 가스 확산실(135)을 거쳐 원료 가스 분출 구멍(136)으로부터 진공 챔버 내에 도입하여, 성막 대상물 상에 흡착시킨다.
흡착 공정에서, 원료 가스를 도입하는 것에, 도 4 (a) 및 (b)에 나타낸 버블링 가스인 불활성 가스(Ar, He 등)로 Zr(BH4)4 가스의 유량을 간접적으로 제어하는 원료 가스 도입 장치(15)를 이용하는 경우에는, 버블링 가스의 유량을 10~500sccm의 범위 내에서 도입하여 Zr(BH4)4 가스의 유량을 간접적으로 제어한다. 10sccm보다 적으면 함유되는 원료의 양이 너무 적어 성막하지 못하고, 또, 500sccm보다 많으면, 함유되는 원료가 너무 많아서 효과적으로 성막할 수 없기 때문이다. 이 경우, 챔버 압력은, 10Torr 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 10Torr보다 높으면 진공 챔버 내부의 압력을 제어하는 시간이 많이 걸려, ALD법에는 적합하지 않기 때문이다.
한편, 원료 가스를 도입하는 것에, 도 5에 나타낸 저차압 매스 플로우를 이용하는 장치로 직접 원료 가스의 유량을 제어하는 경우에는, 원료 가스의 유량은 1~100sccm 이다. 원료 가스가 1sccm보다 적으면 원료 가스가 너무 적어 실효적인 성막률을 얻을 수 없고, 100sccm보다 많으면, 원료의 소비량이 너무 많아서 실용적인 공정으로서 채산이 맞지 않기 때문이다. 이 경우, Zr(BH4)4 가스의 열적 안정성의 문제로부터 원료:Zr(BH4)4의 온도를 -10℃~25℃, 바람직하게는 -5℃~5℃의 범위로 제어하고 있으므로, 챔버 압력은 제어 온도에서의 Zr(BH4)4 가스의 증기압의 값으로부터 10Torr 이하로 한다. 챔버 내 압력은, 바람직하게는 2Torr 이하, 더욱 바람직하게는 0.1Torr 이하가 되도록 유지해도 좋다.
덧붙여 흡착 공정에서의 압력 제어는, 역류 방지용의 반응 가스 H2를 흘린 상태로, Zr(BH4)4 가스(버블링 가스를 도입하고 있는 경우에는, 원료 가스와 버블링 가스)를 진공 챔버에 도입하면서, 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 조정하여 제어한다.
소정 시간, 원료 가스인 Zr(BH4)4 가스(버블링 가스를 도입하고 있는 경우는, 원료 가스 및 버블링 가스)를 진공 챔버에 공급한 후, 원료 가스의 공급을 정지하여 흡착 공정을 종료한다. 역류 방지용의 H2 가스(반응 가스)는 정지하지 않고 도입을 계속한다. 원료 가스의 정지와 동시에 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 100%로 하여 단절 상태로 한다. 진공 챔버 내의 압력이 원료 가스의 도입시(흡착 공정)의 압력에 비해 소정의 값 이하가 된 시점에서 개질 공정에 들어간다.
개질 공정에 들어가는 것과 동시에, 흡착 공정으로부터 연속하여 도입 계속 되고 있는 반응 가스로서의 H2 가스 유량을 변화시켜 10~500sccm으로 하고, 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 조정하여 챔버 압력을 소정의 압력으로 제어함과 동시에, 마이크로파를 발진한다. 이 경우에, 마이크로파의 발진 주파수(공진 주파수)가 예를 들어 2.45GHz이면, 투입 파워는, 0.1~5kW이다. 투입 파워가 0.1kW보다 작으면, 플라즈마 파워가 작아 효과가 적고, 5kW보다 크면, 방전관에의 손상이 커지는 경우가 있기 때문이다.
이 개질 공정에 있어서의 장치의 작동 상태를 도 8에 나타낸다. 이 경우에는, 원료 가스(G2)의 공급은 정지하고 있지만, 반응 가스(G1)는 공급된 채로 있다. 마이크로파 전원(142)에 의해 마그네트론(141)으로부터 발진된 마이크로파를 안테나(143)로부터 동축형 공진 캐비티(11) 내에 공급하여, 비금속 파이프(111) 중의 반응 가스(G1)를 노출부(111a)의 영역에서 플라즈마화 시킨다. 플라즈마 상태가 되는 것에 의해, 여기된 반응 가스(G3)는, 반응 가스 도입실(12) 및 샤워 헤드부(13)의 반응 가스 확산실(131)에 도입된다. 그리고 반응 가스 확산실(131)을 개입시켜 반응 가스 분출 구멍(132)으로부터 진공 챔버 내로 도입되어, 성막 대상물 상에 흡착된 원료 가스와 반응하여 막을 개질한다.
개질 공정에서의 진공 챔버 압력은 10Torr 이하가 바람직하다. 10Torr를 넘으면 챔버 내부의 압력을 제어하는 시간이 많이 걸려 ALD법에는 적합하지 않기 때 문이다.
소정 시간 후, 마이크로파의 발진을 정지하고 개질 공정을 종료한다. 개질 공정의 종료와 동시에 반응 가스인 H2 가스 유량을 역류 방지용으로서 1~100sccm으로 변경하고, 또한, 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 100%로 하여 단절 상태로 한다. 진공 챔버 내의 압력이, 개질 공정의 압력에 비해 소정의 값 이하가 된 시점에서, 다시 흡착 공정에 들어간다.
이 흡착 공정 및 개질 공정을 수회~수백회 반복하는 것에 의해 소망하는 막 두께를 가지는 장벽막을 형성할 수 있다.
본 발명의 성막 방법인 ALD법의 공정 순서로서는, 그 밖에 도 9의 타이밍 차트에 나타낸 것이 적합하다. 이하, 도 9에 나타낸 타이밍 차트를 설명한다.
처음에, 진공 챔버 내에 성막 대상물을 배치한 후, 진공 챔버 내를 일정 압력(예를 들면, 1Torr 이상, 바람직하게는 3Torr 이상)으로 유지하고, 성막 대상물을 소정 온도(50~300℃)로 가열한다. 그 후, ALD 성막 공정을 개시한다.
우선, 반응 가스로서의 H2 가스를 비금속 파이프(111)에 1~100sccm 정도 도입하고, 소정의 압력이 되도록 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 조정함과 동시에, 마이크로파 공급 수단(14)에 의해 마이크로파를 발진하여 플라즈마를 형성한다. 그리고 이 플라즈마가 형성되어 반응 가스가 수소 라디칼로 되는 상태에서, 흡착 공정을 개시한다. 흡착 공정에 있어서도, 반응 가스로서의 H2 가스를 1~100sccm 도입하고, 또한, 마이크로파를 발진하여 수소 라디칼을 발생시키고 있는 것은, 반응 가스 를 도입하는 것에 의해 반응 가스의 배관 라인에 원료 가스가 역류하는 것을 막고, 또한, 흡착 공정에서도 수소 라디칼과 Zr(BH4)4 가스를 기판 상에서 반응시켜, 보다 막질을 향상시키고, 게다가 흡착 공정 및 개질 공정 사이의 진공 단절 시간을 가능한 한 짧게 하여 생산성 향상을 실현하기 위함이다. 이 경우, 수소 라디칼과 원료 가스:Zr(BH4)4 가스가 기상 중에서 섞여 CVD 현상이 발생하여, 미세 홀에서의 층덮힘이 저하할 가능성이 있다.
거기서, 성막 대상물의 온도를 보다 저온으로 유지(50~300℃)하는 것에 의해, 기상 중에서의 CVD 형상이 현저해지지 않도록 제어하고 있다.
마이크로파 발진을 위한 투입 파워는 마이크로파의 발진 주파수(공진주파수)가 예를 들면 2.45GHz인 경우, 0.1~5kW이다. 이 경우에, 0.1kV보다 작으면, 플라즈마 파워가 작아 효과가 적고, 5kW보다 크면, 방전관에의 손상이 커지는 문제가 있다.
원료 가스로서의 Zr(BH4)4 가스를 원료 가스 도입관(133)으로부터 도입하고, 흡착 공정을 개시하여 원료 가스를 원료 가스 확산실(135)을 거쳐 원료 가스 분출 구멍(136)으로부터 진공 챔버 내에 도입하여 성막 대상물 상에 흡착시킨다. 즉, 흡착 과정에서, 도 10에 나타내듯이 샤워 헤드 구조(1)를 작동시켜, 반응 가스(G1)를 비금속 파이프(111)를 통과시키면서 마이크로파 발진에 의해 플라즈마 상태로 하고, 플라즈마화시킨 반응 가스(G3)를 반응 가스 도입실(12) 및 반응 가스 분출 구멍(132)을 통과시켜 진공 챔버에 도입한다.
흡착 공정에서, 원료 가스를 도입하는 것에, 도 4 (a) 및 (b)에 나타낸 버블링 가스인 불활성 가스(Ar, He 등)로 Zr(BH4)4 가스의 유량을 간접적으로 제어하는 원료 가스 도입 장치(15)를 이용하는 경우에는, 버블링 가스의 유량을 10~500sccm에서 변화시켜 Zr(BH4)4 가스의 유량을 간접적으로 제어한다. 이 경우, 챔버 압력은, 10Torr 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 10Torr보다 높으면 챔버 내부의 압력을 제어하는 시간이 많이 걸려, ALD법에는 적합하지 않기 때문이다.
한편, 원료 가스를 도입하는 것에, 도 5에 나타낸 저차압 매스 플로우를 이용한 원료 가스 도입 장치(15)로 직접 원료 가스의 유량을 제어하여 도입하는 경우에는, 원료 가스의 유량은 1~100sccm 이다. 원료 가스가 1sccm보다 적으면 실효적인 성막률을 얻을 수 없고, 100sccm보다 많으면, 원료의 소비량이 너무 많아서 실용적인 공정으로서 채산이 맞지 않다. 이 경우, Zr(BH4)4 가스의 열적 안정성의 문제로부터 원료:Zr(BH4)4의 온도를 -10℃~25℃, 바람직하게는 -5℃~5℃의 범위로 제어하고 있으므로, 챔버 압력은 제어 온도에서의 Zr(BH4)4 가스의 증기압의 값으로부터 10Torr 이하, 바람직하게는 2Torr 이하, 더욱 바람직하게는 0.1Torr 이하가 되도록 유지한다.
덧붙여 흡착 공정에서의 압력 제어는, 역류 방지용의 반응 가스 H2를 흘린 상태로, Zr(BH4)4 가스(버블링 가스를 도입하고 있는 경우에는, 원료 가스와 버블링 가스)를 챔버에 도입하면서, 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 조정하여 제어한다.
소정 시간, 원료 가스인 Zr(BH4)4 가스(버블링 가스를 도입하고 있는 경우는, 원료 가스 및 버블링 가스)를 진공 챔버에 공급한 후, 원료 가스의 공급을 정지하여 흡착 공정을 종료한다. 이때, 반응 가스인 H2 가스 및 마이크로파의 발진은 정지하지 않는다.
원료 가스의 정지와 동시에 개질 공정에 들어간다. 덧붙여, 도 6의 경우와 같이, 원료 가스의 정지와 동시에 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 100%로 하여 단절 상태로 하고, 진공 챔버 내의 압력이 원료 가스의 도입시(흡착 공정)의 압력에 비해 소정의 값 이하가 된 시점에서 개질 공정에 들어가도 좋다.
개질 공정에서는, 우선, 흡착 공정으로부터 연속하여 도입 계속되고 있는 반응 가스인 H2 가스의 유량을 변화시켜 10~500sccm으로 하고, 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 조정하여 챔버 압력을 소정의 압력으로 제어한다. 이 개질 공정에 있어서의 장치의 작동 상태를 도 8에 나타낸다. 이 경우에는, 원료 가스(G2)의 공급은 정지하지만, 반응 가스(G1)는 공급된 채로 있다. 마이크로파는 발진 계속되고 있어, 마이크로파 전원(142)에 의해 마그네트론(141)으로부터 발진된 마이크로파를 안테나(143)로부터 동축형 공진 캐비티(11) 내에 공급하여, 비금속 파이프(111) 중의 반응 가스(G1)를 노출부(111a)의 영역에서 플라즈마화 하게 한다. 이 플라즈마 상태가 되는 것에 의해 여기된 반응 가스(G3)는 반응 가스 도입실(12) 및 샤워 헤드부(13)의 반응 가스 확산실(131)에 도입된다. 그리고 반응 가스 확산실(131)을 개입시켜 반응 가스 분출 구멍(132)으로부터 진공 챔버 내로 도입되고, 성막 대상물 상에 흡착된 원료 가스와 반응하여 보다 막을 개질한다. 개질 공정에서의 진공 챔버 압력은, 도 6의 경우와 같다.
소정 시간 후, 마이크로파의 발진을 계속한 채로, 반응 가스인 H2 가스의 유량을 1~100sccm으로 변경함과 동시에 원료 가스인 Zr(BH4)4 가스를 도입하고, 압력 컨트롤 밸브의 개방도를 조정하여 챔버의 압력을 흡착 공정의 소정의 압력으로 조정하는 것에 의해 개질 공정을 종료함과 동시에 다음의 흡착 공정을 개시한다.
이러한 흡착 공정 및 개질 공정을 수회~수백회 반복하는 것에 의해 소망하는 막 두께를 가지는 장벽막을 형성할 수 있다.
상기의 어느 공정의 개질 공정에 있어서도, 반응 가스의 라디칼 상태를 보다 길게 유지하기 위해서, H2 가스에 N2 및 NH3로부터 선택된 적어도 하나를 혼합시킨 것, 또는, H2 가스에 N2 및/또는 NH3를 혼합시킨 것에 더하여 불활성 가스(Ar, He 등)를 혼합시킨 것을 이용해도 좋다. N2 및/또는 NH3를 혼합했을 경우, 최종 생성물인 장벽막은 ZrBN막이다. H2 가스에 혼합한 가스의 개질 공정에서의 유량은 H2 가스와 같이 각 가스 모두 10~500sccm에서 변화시킬 수 있지만, 장치의 배기 능력이나 진공 펌프 부담의 문제도 있기 때문에, 개질 공정 시에 도입하는 가스의 총 유량은 장치에 따라 적당히 제어한다. 반응 가스의 총 유량은 10~1000sccm 정도의 범위가 바람직하다.
상기한 바와 같이, ZrBN막이 형성되는 것은, Zr-B 결합에 비해 Zr-N 결합 쪽 이 안정하기 때문에, 반응 가스 중에 플라즈마 여기된 수소 라디칼 이외에 질소 라디칼이나 암모니아 라디칼이 존재하면, Zr-N 결합이 형성되기 때문이다. 따라서, H2 가스에 대해서 NH3 가스나 N2 가스의 비율을 늘리는 것에 의해 ZrBN막 중의 Zr-N 결합의 비율이 증가하게 되어, H2 가스에 대한 NH3나 N2 가스의 유량비에 따라 ZrBN의 막질이 변화하게 된다.
게다가, B2H6를, 반응 가스 확산실(131)에 설치된 가스 도입구(137)로부터 10~1000sccm 혼합해도 좋다. Zr(BH4)4가 열분해 하여 가능한 생성물인 B2H6를 다량으로 챔버에 넣는 것에 의해 Zr(BH4)4의 분해를 억제하여, Zr(BH4)4를 안정시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 성막 방법의 실시에 이용되는 제2의 성막 장치에 대하여 설명한다.
도 11은, 제2의 성막 장치에 이용되는 제2의 샤워 헤드 구조(2)의 모식도이며, 도 1과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙인다. 도 1에 나타낸 제1의 성막 장치로 극히 다량으로 기판을 처리하여 성막을 실시하면, 비금속 파이프(111)의 내측이 도 12의 SEM 사진에 나타내듯이 식각되는 경우가 있다. 따라서, 비금속 파이프 내의 식각을 억제하기 위해서, 이 제2의 성막 장치의 샤워 헤드 구조(2)는, 제 1의 성막 장치에 이용되는 샤워 헤드 구조(1)가 갖고 있지 않은 냉각 수단을 적어도 하나 갖는다. 즉, 제2의 샤워 헤드 구조(2)는, 제1의 샤워 헤드 구조(1)와는 동축형 공진 캐비티 내를 냉각하는 냉각 가스 도입 수단(21)을 가지고 있는 점, 및 비금속 파이프(111)를 냉각용 유체를 흘릴 수 있는 유로를 형성한 비금속(예를 들면, 알루미나나 석영)제의 2중 파이프(22)로 변경하고 있는 점이 다르며, 이러한 냉각 수단의 적어도 하나를 가지는 것이다. 이하, 변경점에 대해 설명한다.
냉각 가스 도입 수단(21)은, 가스원(211)과 가스원(211)에 접속된 가스관(212)과 가스관(212)에 개입 설치된 밸브(213)를 갖고, 동축형 공진 캐비티(11)에 부설되어 있다. 이 냉각 가스 도입 수단(21)에 의해, 동축형 공진 캐비티(11) 내부에 냉각 가스를 도입하여 내부를 냉각 가스로 채울 수 있고, 도시하지 않은 배기 수단으로 냉각 가스를 배기하면서 순환시킨다. 이와 같이 하여, 동축형 공진 캐비티(11) 내부의 온도를 일정하게 유지하여, 2중 파이프(22)의 노출부(111a) 부근을 냉각하는 것이 가능하다.
가스원(211)으로부터 동축형 공진 캐비티(11) 내에 도입되는 냉각 가스로서는, 인체에 영향이 없고 청정실 내에 방출될 수 있는 냉각 가스, 예를 들면, 드라이 N2 가스, 드라이 Ar가스, 드라이 He 가스, 드라이 02 가스 등을 이용할 수 있다.
다음에, 2중 파이프(22)에 대해 도 13을 이용하여 설명한다. 도 13 (a)는 2중 파이프(22)의 종단면도이며, 도 13(b)는 도 13(a) 중의 선 A-A'로부터 본 단면도이고, 도 13(c)는 도 13(b) 중의 선 B-B' 사이로부터 본 단면도이다. 도 13(a)에 나타낸 것처럼, 2중 파이프(22)는 그 측벽이 2중으로 되어 있고, 측벽(221)의 내측 에는 냉각용 유체 통로(222)가 형성되어 있다. 이 냉각용 유체 통로(222)의 상벽에는 유입구(223) 및 유출구(224)가 설치되어 있다. 그리고 도 13(b)에 나타낸 것처럼, 냉각용 유체 통로(222)에는, 2개의 칸막이(225)가 삽입되어 있고, 도 13(c)에 나타낸 것처럼, 이 칸막이(225)의 하부에는 개구부(226)가 설치되어 있다. 이것에 의해, 냉각용 유체 통로(222)의 유입구(223) 측의 상류부(222a)와 유출구(224) 측의 하류부(222b)는 연통하여, 유입구(223)로부터 유입한 액체는 냉각용 유체 통로(222)의 상류부(222a)를 위에서 밑으로 흘러 개구부(226)를 통과하고, 하류부(222b)에 진입하여, 이것을 아래에서 위로 채워, 유출구(224)로부터 측벽(221) 외부로 유출한다. 이와 같이, 냉각용 유체 통로(222)는 2중 파이프 내부의 가스 통로(227)의 외주를 거의 모두 덮고 있으므로, 가스 통로를 위에서 아래까지 냉각할 수 있다. 덧붙여, 도 중에서는, 유입구 (223) 및 유출구(224)는 2중 파이프(22)의 표면에 마련하고 있지만, 각각 측면에 설치해도 좋다.
이 경우, 냉각용 유체는, 마이크로파의 발진 주파수에 공진하지 않는 유체 매체일 것이 필요하고, 예를 들면, 발진 주파수가 2.45GHz의 경우, 3M사제·상품명 플로리너트(Fluorinert)의, FC-87, FC-72, FC-84, FC-77, FC-75, FC-3283, FC-40, FC-43, FC-70, FC-5312나, 아우지몬트 소시에타 페르 아치오니제·상품명 가텐(Garten, 등록상표)을 이용할 수 있다. 또, 에틸렌글리콜 혹은 에틸렌글리콜 주체로 한 액체 매체를 이용할 수도 있다. 게다가 드라이 N2 가스, 드라이 Ar 가스, 드라이 He 가스, 드라이 02 가스 등의 기체를 이용할 수도 있다.
이와 같이, 냉각 가스 도입 수단(21) 및/또는 2중 파이프(22)를 마련한 것에 의해, 2중 파이프(22) 내부의 가스 통로(227)의 내면의 식각을 억제할 수 있음과 아울러, 노출부(111a)의 영역에서 형성된 플라즈마 중의 수소 라디칼 등의 라디칼이 열에 의해 에너지를 잃는 것을 방지하여, 라디칼의 생성 효율을 올릴 수 있어, ALD법을 효율적으로 실시할 수 있다.
상기 제2의 성막 장치를 이용하여, 제1의 성막 장치와 동일한 순서로 본 발명의 ALD법을 실시할 수 있다. 이 경우, ALD법을 실시하고 있는 도중, 냉각 가스 도입 수단(21)에 의해 냉각 가스를 계속 도입하고, 및/또는 2중 파이프(22)에 의해 가스 통로(227)를 계속 냉각한다. 이와 같이 냉각하면서 ALD법을 실시하면, 도 12에 나타낸 바와 같은 가스 통로(227) 내면의 식각이 억제됨과 아울러 수소 라디칼의 생성 효율이 향상된다. 수소 라디칼 등의 라디칼의 생성 효율이 올라도 가스 통로(227) 내면이 식각되지 않는 것은 내벽이 충분히 냉각되고 있기 때문이다.
이하, 실시예에 의해 본 발명의 성막 방법에 대해 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 도 6에 나타낸 공정 순서로 제1의 성막 장치를 이용하여 성막을 실시했다. 흡착 공정에 대해서는, 시간:5초, 반응 가스(H2 가스):100sccm, 원료 가스(Zr(BH4)4 가스)용의 버블링 가스(Ar):100sccm, 배기:1000L/sec의 조건으로, 개질 공정에 대해서는, 시간:25초, 반응 가스:100sccm, 마이크로파 투입 파워:0.5kW, 배기:1000L/sec의 조건으로 성막을 실시하고, 각각 24회 반복하여 기판(S) 상에 성막했다. 얻어진 막은 두께 10㎛의 ZrB2막이었다.
(실시예 2)
도 9에 나타낸 공정 순서로, 제1의 성막 장치를 이용하여 성막을 실시했다. 흡착 공정에 대해서는, 시간:5초, 반응 가스(H2 가스):100sccm, 원료 가스(Zr(BH4)4 가스)용의 버블링 가스(Ar):100sccm, 마이크로파 투입 파워:0.5kW, 배기:1000L/sec의 조건으로, 개질 공정에 대해서는, 시간:25초, 반응 가스:100sccm, 마이크로파 투입 파워:0.5kW, 배기:1000L/sec의 조건으로 성막을 실시하고, 각각 24회 반복하여 기판(S) 상에 성막했다. 얻어진 막은 두께 10㎛의 ZrB2막이었다.
(실시예 3)
도 6에 나타낸 공정 순서로 제2의 성막 장치를 이용하여 성막을 실시했다. 시간:5초, 반응 가스(H2 가스):100sccm, 원료 가스(Zr(BH4)4 가스)용의 버블링 가스(Ar):100sccm, 배기:1000L/sec의 조건으로, 개질 공정에 대해서는, 시간:25초, 반응 가스:100sccm, 마이크로파 투입 파워:0.5kW, 배기:1000L/sec의 조건으로 성막을 실시하고, 각각 24회 반복하여 기판(S) 상에 성막했다. 또한, 이 성막 도중, 동축형 공진 캐비티(11)의 내부 및 2중 파이프(22)를 냉각했다. 얻어진 막은 두께 10㎛의 ZrB2막이며, 도 12에 나타낸 바와 같은 가스 통로(227) 내면의 식각이 억제되었다.
(실시예 4)
본 실시예에서는, 도 6에 나타낸 공정 순서로 제1의 성막 장치를 이용하여 성막을 실시했다. 흡착 공정에 대해서는, 시간:5초, 반응 가스(H2 가스에 N2를 혼합시킨 것):100sccm, 원료 가스(Zr(BH4)4 가스)용의 버블링 가스(Ar):100sccm, 배기:1000L/sec의 조건으로, 개질 공정에 대해서는, 시간:25초, 반응 가스:100sccm, 마이크로파 투입 파워:0.5kW, 배기:1000L/sec의 조건으로 성막을 실시하고, 각각 24회 반복하여 기판(S) 상에 성막했다. 얻어진 막은 두께 10㎛의 ZrBN막이었다.
본 발명에 의하면, ALD법에 적합한 장치를 이용하여 저온에서 흡착 공정 및 반응 공정을 실시하는 것에 의해, 종횡비가 높은 미세한 홀, 트렌치; 등의 상부에서의 ZrB2막 또는 ZrBN막의 오버행도 없고, 이들의 홀, 트렌치 등에 층덮힘이 양호하게 ZrB2막 또는 ZrBN막으로 된 장벽막을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 반도체 장치에 대해서 이용가능하다.

Claims (10)

  1. 반응 가스를 도입하기 위한 비금속 파이프 외주의 상부 및 하부에 떨어뜨려 설치된 도체를 구비하는 동축형 공진 캐비티와, 마이크로파 공급 회로로 되는 플라즈마 생성 수단이며, 상기 동축형 공진 캐비티 내부의 높이가 여진 파장의 1/2의 정수배이고, 비금속 파이프의 한쪽 끝으로부터 주입된 가스가, 비금속 파이프의 상기 도체를 마련하지 않은 영역에서 마이크로파에 의해 여기되어 다른 쪽 끝으로부터 플라즈마화하여 방출되도록 구성된 플라즈마 생성 수단을 구비한 성막 장치를 이용하여, 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 갖는 성막 대상물을 이 성막 장치의 진공 챔버 내에 배치하고, 이 성막 대상물의 표면 상에서, ALD 법에 의해, Zr(BH4)4 가스로 된 원료 가스와, H2 가스로 된 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화하여 얻어진 가스를 반응시켜, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 공급하여 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스의 공급을 멈추고 반응 가스만 연속하여 공급하여 이 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화하여 플라즈마화 된 반응 가스를 성막 대상 물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 원료 가스와 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 상기 반응 가스를 공급하여 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스만 공급을 멈추고 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 반응 가스를 연속하여 공급하면서, 성막 대상물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막상에 ZrB2막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  4. 반응 가스를 도입하기 위한 비금속 파이프의 외주 상부 및 하부에 떨어뜨려 설치된 도체를 구비하는 동축형 공진 캐비티와, 마이크로파 공급 회로로 된 플라즈마 생성 수단이며, 상기 동축형 공진 캐비티 내부의 높이가 여진 파장의 1/2의 정수배이고, 비금속 파이프의 한쪽 끝으로부터 주입된 가스가 비금속 파이프의 상기 도체를 마련하지 않은 영역에서 마이크로파에 의해 여기되어 다른 쪽 끝으로부터 플라즈마화하여 방출되도록 구성된 플라즈마 생성 수단을 구비한 성막 장치를 이용하여, 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물을 이 성막 장치의 진공 챔버 내에 배치하고, 이 성막 대상물의 표면 상에서 ALD법에 의해, Zr(BH4)4 가스로 되는 원료 가스와, H2 가스에, N2 및 NH3로부터 선택된 적어도 하나를 혼합한 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화하여 얻어진 가스를 반응시켜, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrBN막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 공급하여 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스의 공급을 멈추고 반응 가스만 연속하여 공급하여 이 반응 가스를 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화시키고, 플라즈마화 된 반응 가스를 성막 대상물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrBN막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 원료 가스와 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 상기 반응 가스를 공급하여, 홀, 트렌치가 형성되어 있는 절연막을 가지는 성막 대상물 상에 흡착시키는 흡착 공정과, 원료 가스만 공급을 멈추고 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 플라즈마화 된 반응 가스를 연속하여 공급하면서, 성막 대상물 상에 흡착한 원료 가스와 반응시켜 개질을 실시하는 개질 공정을 반복하여, 홀, 트렌치의 내면을 포함하여 절연막 상에 ZrBN막으로 되는 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  7. 청구항 2, 3, 5 및 6의 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 가스의 유량을, 흡착 공정과 개질 공정에서, 다른 유량으로 하여 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  8. 청구항 1 내지 7의 어느 한 항에 있어서, 상기 성막 대상물인 기판을 50~300℃로 가열하면서 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  9. 청구항 1 내지 8의 어느 한 항에 있어서, 상기 동축형 공진 캐비티 내에 냉각 가스를 도입하여, 비금속 파이프의 도체를 마련하지 않은 영역을 냉각하면서 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
  10. 청구항 1 내지 9의 어느 한 항에 있어서, 상기 비금속 파이프의 측벽을 2중으로 하여, 이 측벽 사이에 냉각용 유체를 순환시켜 비금속 파이프를 냉각하면서 장벽막을 형성하는 것을 특징으로 하는 장벽막 형성 방법.
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