KR20100029041A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents
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Abstract
성막 처리의 때에 파티클(particle)의 발생을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 클리닝 처리시보다도 높은 온도에서의 클리닝 처리가 가능해져, 그만큼 처리량(throughput)을 향상시킬 수 있는 성막 장치를 제공한다. 피처리체(W)의 표면에 박막을 형성하기 위한 성막 장치(12)에 있어서, 처리 용기(14)와, 그 위에 피처리체를 탑재하는 질화알루미늄제의 탑재대(62)와, 피처리체를 가열하기 위한 가열 수단(66)과, 탑재대에 대향시켜 탑재되고, 처리 용기 내로 필요한 가스를 도입하는 샤워 헤드부(18)와, 샤워 헤드부의 주변부에, 처리 용기 내의 클리닝 처리 후의 승온시에 불활성 가스를 공급하기 위한 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)을 구비한다. 이것에 의해, 클리닝 처리시에 생성되어버린 AlF계 물질이 탑재대의 승온시에 파티클이 되어 비산하여도 이것이 대향하는 샤워 헤드부에 부착하지 않도록 한다.
Description
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 티탄막이나 티탄 질화막 등을 형성하는 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것으로서, 특히 파티클(particle)의 발생을 억제하도록 한 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 집적회로를 제조하기 위해서는, 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대하여 성막과 패턴 에칭 등을 반복해서 실행하여, 다수의 원하는 소자를 형성하도록 되어 있다. 그리고, 반도체 집적회로에 있어서는, 이 중의 각 소자간을 접속하는 배선, 각 소자에 대한 전기적 접촉을 도모하는 콘택트 메탈, 또는 기판의 Si의 흡입을 억제하는 대책으로서 이용되는 배리어 메탈로서는, 전기 저항이 낮은 것은 물론 내부식성이 뛰어난 재료를 이용하지 않으면 안된다.
이러한 요청에 대응할 수 있는 재료로서, Ti(티탄), W(텅스텐), Mo(몰리브덴) 등의 고융점 금속 재료가 사용되는 경향이 있고, 그 중에서도 전기적 및 내부식성 등의 특성 등이 양호한 것으로부터, 특히 Ti 및 이 질화막인 TiN(질화티탄)이 많이 사용되는 경향이 있다. 그리고, 이들 Ti막이나 TiN막은 진공흡인 가능하게 되어진 처리 용기 내에 반도체 웨이퍼를 탑재하는 탑재대를 마련한 낱장식의 성막 장치에서 형성된다(특허문헌 1 내지 4).
상기 Ti막은 일반적으로는 원료 가스로서 TiCl4(사염화 티탄) 가스와 수소 가스를 이용하여 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 성막되고, TiN 막은 원료 가스로서 마찬가지로 TiCl4와 N2 가스를 이용하여 플라즈마 CVD에 의해, 또는 원료 가스에 TiCl4와 NH3 가스를 이용하여 열CVD에 의해 성막된다.
여기에서, 도 10을 참조하여 일반적인 성막 장치의 일례의 개략 구성에 관해서 설명한다. 이 성막 장치는 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기(2)를 갖고 있고, 이 처리 용기(2) 내에 예를 들어 질화알루미늄(AlN)으로 이루어지는 탑재대(4)가 마련되며, 이 위에 반도체 웨이퍼(W)가 탑재되어 있다. 그리고, 이 탑재대(4)에 대향시켜 처리 용기(2)의 천장측에는 샤워 헤드부(6)가 마련되어 있고, 처리 용기(2) 내에 필요한 가스를 공급하도록 되어 있다. 또한, 필요한 경우에는, 샤워 헤드부(6)에는 플라즈마 발생용의 고주파 전원(8)이 접속되어 있어, 이 처리 용기(2) 내에 플라즈마를 형성할 수 있도록 되어 있다. 여기에서, 예를 들어 Ti막 또는 TiN막을 형성하는 데에는 TiCl4, H2, N2, Ar 등의 가스가 이용된다.
그리고, 상술한 바와 같은 성막 처리는 프로세스 온도가 예를 들어 650℃ 정도의 프로세스 조건하에서 반도체 웨이퍼에 대하여 연속적으로 실행되지만, 상술한 바와 같은 Ti막이나 TiN막은 반도체 웨이퍼 표면뿐만 아니라, 처리 용기의 내벽면이나 용기내 구조물, 특히 샤워 헤드부(6)의 표면에도 불필요한 막으로서 부착되는 것은 피할 수 없다. 그리고, 이 불필요한 막은 이것이 벗겨져 떨어지면 반도체 제 품의 수율 저하의 원인이 되는 파티클이 발생하기 때문에, 정기적으로 또는 필요에 따라 상기 처리 용기 내로 ClF3이나 NF3 등의 클리닝 가스를 흘려서 상기 불필요한 막을 제거하는 클리닝 처리를 실행하고 있다.
이 클리닝 처리는, 온도가 높으면 클리닝 가스의 부식성이 너무 커지기 때문에, 탑재대의 온도를 비교적 높은 프로세스 온도로부터 낮은 온도로 일단 저하시켜서 실행된다. 그리고, 이 클리닝 처리후는, 처리 용기 내의 열적 조건을 조절하기 위해 내부에 반도체 웨이퍼를 수용하지 않는 상태에서 성막시와 동일한 프로세스 조건에서 성막시와 동일한 가스를 흘려서 처리 용기의 내벽면이나 용기내 구조물의 표면에 프리코트막을 실시하는 프리코트 처리를 실행하고, 그 후에 제품 반도체 웨이퍼에 대하여 성막 처리를 실행하도록 되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 공보 제 2002-167673 호
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 공보 제 2004-307939 호
특허문헌 3 : 일본 특허 공개 공보 제 2004-273648 호
특허문헌 4 : 일본 특허 공개 공보 제 2005-68559 호
그런데, 상기 탑재대의 구성 재료는 일반적으로는 세라믹재, 예를 들어 질화알루미늄(AlN)에 의해 형성되어 있고, 이 질화알루미늄이 상기한 ClF3이나 NF3 등 클리닝 가스에 노출되면 양자가 반응하여, 불화알루미늄(AlF)계 물질이 생성되고 있었다. 그리고, 성막 처리를 위해 탑재대(4)의 온도를 높여 가면, 이 AlF계 물질은 비산하여 탑재대(4)에 대향하는 샤워 헤드부(6)의 표면이나 처리 용기(4)의 내벽면에 부착되는 경향이 있다. 그 후, 성막 처리의 때에는 샤워 헤드부(6)의 표면에 부착된 AlF계 물질 위에 추가로 상기의 불필요한 막이 부착되게 된다. 이 AlF계 물질과 금속의 밀착성은 약하고, 이 때문에 성막시에 부착된 상기의 불필요한 막은 매우 벗겨지기 쉽게 되고, 반도체 웨이퍼로의 성막 처리시에 벗겨져 떨어져서 파티클을 발생시켜버린다는 문제가 있었다.
그래서, 종래의 클리닝 처리에서는, 탑재대의 구성 재료인 질화알루미늄이 ClF3이나 NF3 등의 클리닝 가스에 노출되어도 AlF계 물질이 생기기 어려운 것과 같은 온도, 예를 들어 200℃ 정도까지 탑재대의 온도를 저하시키고, 이 온도를 유지한 상태에서 클리닝 처리를 실행하도록 하고 있었다.
그러나, 이 경우에는 열용량이 꽤 큰 탑재대의 온도를 성막 온도인 예를 들어 650℃로부터 클리닝 온도인 200℃까지 강온시키고, 클리닝 처리후에 재차 650℃까지 승온하지 않으면 안되고, 상술한 강온 및 재승온에 요하는 시간이 매우 길어 져서 예를 들어 3시간 전후나 요하기 때문에, 처리량을 대폭 저하시켜버린다는 문제가 있었다.
본 발명은 이상과 같은 문제점에 착안하여, 이것을 유효하게 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은 클리닝 처리시에 생성되어버린 AlF계 물질이 탑재대의 승온시에 파티클이 되어 비산하여도 이것이 대향하는 샤워 헤드부에 부착하지 않도록 하고, 그 때문에 성막 처리의 때에 파티클의 발생을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 클리닝 처리시보다도 높은 온도에서의 클리닝 처리가 가능하게 되어, 그만큼 처리량을 향상시킬 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명자 등은 AlF계 물질에 관한 파티클의 삭감에 대해서 예의 연구한 결과, 탑재대의 승온시에 탑재대로부터 비산하는 AlF 입자는 주로 샤워 헤드부의 주연부로부터 그 외주측에 걸쳐서 부착된다라는 사실을 발견함으로써, 본 발명에 도달한 것이다.
제 1 항에 따른 발명은 피처리체의 표면에 박막을 형성하기 위한 성막 장치에 있어서, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 마련되고 그 위에 상기 피처리체를 탑재하는 질화알루미늄제의 탑재대와, 상기 피처리체를 가열하기 위한 가열 수단과, 상기 탑재대에 대향시켜 배치되고 상기 처리 용기 내로 필요한 가스를 도입하는 샤워 헤드부와, 상기 샤워 헤드부의 주변부에 상기 처리 용기 내의 클리닝 처리 후의 승온시에 불활성 가스를 공급하기 위한 헤 드 주변부 가스 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.
이와 같이, 피처리체의 표면에 박막을 형성하기 위한 성막 장치에 있어서, 처리 용기 내의 클리닝 처리 후에 탑재대의 온도를 성막 처리를 실행하는 프로세스 온도까지 재승온하는 때에, 샤워 헤드부로부터 불활성 가스를 공급하는 동시에 헤드 주변부 가스 공급 수단으로부터 파티클이 부착되는 경향이 가장 큰 샤워 헤드부의 주변부에 불활성 가스를 공급하여 이 부분을 퍼지(purge)하도록 했기 때문에, 탑재대측으로부터 비산해 오는 파티클을 상기 공급된 불활성 가스로 흘러가게 하여, 이 파티클이 샤워 헤드부의 주변부에 부착하는 것을 방지할 수 있다.
이 결과, 후속 공정 등에서 형성되는 프리코트막의 밀착성이 향상되고, 성막 처리의 때에 파티클이 발생하는 것을 억제할 수 있는 뿐만 아니라, 종래의 클리닝 처리시보다도 높은 온도에서의 클리닝 처리가 가능해지고, 그만큼 처리량을 향상시킬 수 있다.
제 2 항의 발명은 제 1 항의 발명에 있어서, 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단의 가스 출구는 상기 샤워 헤드부의 외주측에 마련되어 있다.
제 3 항의 발명은 제 1 항 또는 제 2 항의 발명에 있어서, 상기 샤워 헤드부의 외주측에는, 약간의 간극을 두고 그 하면이 상기 샤워 헤드부의 가스 분사면과 동일 수평 레벨로 된 충전 부재가 마련되어 있다.
제 4 항의 발명은 제 3 항의 발명에 있어서, 상기 충전 부재는 상기 승온시에는 250℃ 이상으로 유지되고 있다.
제 5 항의 발명은 제 3 항 또는 제 4 항의 발명에 있어서, 상기 약간의 간극 의 하단의 개구부는 상기 가스 출구로서 형성되는 것과 동시에, 상기 약간의 간극은 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단의 가스 유로로서 형성되어 있다.
제 6 항의 발명은 제 5 항의 발명에 있어서, 상기 가스 유로의 도중에는 복수의 통기 구멍을 갖는 확산판이 마련되어 있다.
제 7 항의 발명은 제 5 항 또는 제 6 항의 발명에 있어서, 상기 가스 출구에는 복수의 가스 구멍을 갖는 분산판이 마련되어 있다.
제 8 항의 발명은 제 1 항의 발명에 있어서, 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단은 상기 샤워 헤드부에 일체적으로 짜 넣어져 있고, 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단의 가스 출구는 상기 샤워 헤드부의 가스 분사면의 주변부를 따라 형성되어 있다.
제 9 항의 발명은 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 발명에 있어서, 상기 샤워 헤드부에는 플라즈마 발생용의 플라즈마 형성 수단이 접속되어 상부 전극으로서 구성되고, 상기 탑재대는 하부 전극으로서 구성되어 있다.
제 10 항의 발명은 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 발명에 있어서, 상기 박막은 티탄막 또는 티탄 질화막이다.
제 11 항의 발명은 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 발명에 있어서, 상기 박막을 형성하기 위해 원료 가스가 이용되고, 원료 가스는 TiCl4, TDMAT(테트라키스디메틸아미노티타늄), TDEAT(테트라키스디에틸아미노티탄)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 가스이다.
제 12 항의 발명은 제 11 항의 발명에 있어서, 상기 클리닝 처리에서 이용되는 클리닝 가스는 불소계 가스이다.
제 13 항의 발명은 제 12 항의 발명에 있어서, 상기 불소계 가스는 ClF3, NF3, C2F6, F2, HF로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 가스이다.
제 14 항의 발명은 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 성막 장치를 이용하여 피처리체의 표면에 제 1 온도에서 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 제 1 온도보다도 낮은 제 2 온도에서 불소계 가스로 이루어지는 클리닝 가스를 이용하여 상기 처리 용기 내를 클리닝하는 클리닝 공정과, 상기 탑재대를 상기 제 2 온도로부터 상기 제 1 온도를 향해 승온시키면서 샤워 헤드부로부터 불활성 가스를 공급하는 것과 동시에, 헤드 주변부 가스 공급 수단으로부터 불활성 가스를 공급하도록 한 승온 공정과, 상기 처리 용기 내로 성막용의 가스를 흘리고 프리코트막을 형성하는 프리코트 공정과, 상기 탑재대를 상기 제 1 온도로 유지하고 상기 피처리체에 대해 박막을 형성하는 성막 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법이다.
제 15 항의 발명은 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 성막 장치를 이용하여 피처리체의 표면에 제 1 온도에서 박막을 형성하는 때에, 제 14 항에 기재된 성막 방법을 실행하도록 상기 성막 장치를 제어하는 컴퓨터로 판독가능한 프로그램을 기억하는 것을 특징으로 하는 기억 매체이다.
본 발명에 따른 성막 방법 및 성막 장치에 의하면, 다음과 같은 뛰어난 작용 효과를 발휘할 수 있다.
피처리체의 표면에 박막을 형성하기 위한 성막 장치에 있어서, 처리 용기 내의 클리닝 처리 후에 탑재대의 온도를 성막 처리를 실행하는 프로세스 온도까지 다시 승온하는 때에, 샤워 헤드부로부터 불활성 가스를 공급하는 것과 동시에, 헤드 주변부 가스 공급 수단으로부터 파티클이 부착되는 경향이 가장 큰 샤워 헤드부의 주변부에 불활성 가스를 공급하여 이 부분을 퍼지(purge)하도록 했기 때문에, 탑재대측으로부터 비산해 오는 파티클을 상기 공급된 불활성 가스로 흘러가게 하여, 이 파티클이 샤워 헤드부의 주변부에 부착하는 것을 방지할 수 있다.
이 결과, 후속 공정 등에서 형성되는 프리코트막의 밀착성이 향상되고, 성막 처리시에 파티클이 발생하는 것을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 클리닝 처리시보다도 높은 온도에서의 클리닝 처리가 가능해져, 그만큼 처리량을 향상시킬 수 있다.
이하에, 본 발명에 따른 성막 방법 및 성막 장치의 바람직한 일 실시형태를 첨부 도면에 기초하여 상술한다.
도 1은 본 발명에 따른 성막 방법을 실시하는 성막 장치의 일례를 도시하는 단면 구성도이고, 도 2는 샤워 헤드부의 가스 분사면측을 도시하는 평면도이다. 또한, 여기에서는 박막으로서 티탄막(Ti막)을 플라즈마 CVD에 의해 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도시하는 바와 같이, 이 성막 장치(12)는 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 의해 원통체 형상으로 성형된 처리 용기(14)를 갖고 있고, 이 처리 용기(14)는 접지되어 있다. 이 처리 용기(14)의 천장부에는 가스 도입 수단으로서 하면에 다수의 가스 분출구(16)를 갖는 샤워 헤드부(18)가 마련되어 있고(도 2 참조), 이것에 의해 각종 필요한 가스를 처리 용기(14) 내의 처리 공간(S)으로 도입할 수 있도록 되어 있다. 또한, 이 샤워 헤드부(18) 내는 이 안에서 원료 가스인 TiCl4와 환원 가스인 H2가 섞이지 않도록 구획되어 있고, 양쪽 가스가 처리 공간(S)으로 분출된 때에 처음으로 섞이도록, 이른바 포스트 믹스 구조로 되어 있다. 또한, 이것에 한정되지 않고, 양쪽 가스를 샤워 헤드부(18) 내에서 혼합시키는, 이른바 프리믹스 구조의 샤워 헤드부를 이용해도 좋다.
이 샤워 헤드부(18)의 전체는 예를 들어 니켈이나 하스테로이(상품명), 알루미늄 또는 이들 재료의 조합으로 구성되고, 전체로서 도전체에 의해 구성되어 있으며, 평행 평판 전극의 상부 전극을 겸하고 있다. 이 상부 전극인 샤워 헤드부(18)의 외주측이나 상방측은, 예를 들어 석영이나 알루미나(Al2O3) 등의 절연물로 이루어지는 충전 부재(20)에 의해 전체가 덮여 있고, 상기 샤워 헤드부(18)는 이 충전 부재(20)를 거쳐 처리 용기(14)측에 절연 상태로 설치 고정되어 있다.
상기 충전 부재(20)의 하면(20A)은 상기 샤워 헤드부(18)의 하면의 가스 분사면(18A)과 동일 수평 레벨로 되어 있고, 이 처리 용기(14) 내로 도입된 각종 가스가 처리 공간(S) 내에서 난류를 발생시키거나, 플라즈마가 처리 공간(S) 내에서 뷸균일하게 분포되거나 하는 것을 방지하도록 되어 있다.
그리고, 이 샤워 헤드부(18)의 주변부에, 클리닝 처리후의 승온시에 불활성 가스를 공급하기 위한 본 발명이 특징으로 하는 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)이 마련되어 있다. 구체적으로는, 상기 샤워 헤드부(18)의 외주면과 상기 충전 부재(20)의 내주면은 밀착되어 있지 않고, 이 외주면과 내주면 사이에는 약간의 간극(24)이 형성되어 있다. 즉, 상기 충전 부재(20)는 상기 샤워 헤드부(18)의 외주측에 약간의 간극(24)을 두고 마련되어 있다. 이 간극(24)은 상기 샤워 헤드부(18)의 둘레방향을 따라 환형상으로 되어 있고, 이 간극(24)의 폭(L1)은 예를 들어 2mm 정도이다.
그리고, 이 간극(24)이 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 가스 유로(26)로서 구성되고, 이 간극(24)의 하단의 개구부(24A)가 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 가스 출구(28)로서 구성되어 있다. 따라서, 도 2에도 도시하는 바와 같이, 상기 가스 출구(28)는 상기 샤워 헤드부(18)의 가스 분사면의 주위를 둘러싸도록 하여 링 형상으로 형성되어 있다.
상기 샤워 헤드부(18)의 상단에는 가스 도입구(30)를 형성하는 가스 도입관(32)이 마련되고, 이 가스 도입관(32)의 주위에는 상기 간극(24)으로 이루어지는 가스 유로(26)에 연통되는 링 형상의 퍼지 가스 도입관(34)이 상기 가스 도입관(32)에 대해 동축 구조로 마련된다. 그리고, 이 가스 도입관(32)과 이 외주의 퍼지 가스 도입관(34) 사이의 일부가 퍼지 가스 입구(36)로서 구성되어 있다.
그리고, 이 퍼지 가스 도입관(34)과 상기 충전 부재(20)와 처리 용기(14)의 벽부의 각 접합부에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 시일 부재(38)가 각각 개재되어 있어, 처리 용기(14) 내의 기밀성을 유지하도록 되어 있다.
그리고, 이 샤워 헤드부(18)에는 플라즈마 형성 수단(40)이 접속되어 있다. 구체적으로는, 이 플라즈마 형성 수단(40)은 예를 들어 450kHz의 고주파 전압을 발생시키는 고주파 전원(42)을 갖고 있고, 이 고주파 전원(42)이 정합 회로(44)를 거쳐 상기 샤워 헤드부(18)에 접속되며, 상기 상부 전극인 샤워 헤드부(18)에 필요에 따라 고주파 전압을 인가하도록 되어 있다. 또한, 이 고주파 전압의 주파수는 450kHz에 한정되지 않고, 다른 주파수 예를 들어 13.56MHz 등을 이용해도 좋고, 구체적으로는 300kHz 내지 27MHz 범위 내의 주파수를 이용하는 것이 가능하다.
그리고, 이 처리 용기(14)의 측벽에는 반도체 웨이퍼를 반출반입하기 위한 반출반입구(46)가 형성되어 있고, 이것에는 게이트 밸브(48)가 마련되어 개폐 가능하게 되어 있다. 이 게이트 밸브(48)에는, 반도체 웨이퍼를 대기에 노출하는 일 없이 반송하기 위해 도시하지 않는 로드록실이나 트랜스퍼 챔버 등이 접속된다.
또한, 이 처리 용기(14)의 바닥부의 중앙은 하방으로 오목부 형상으로 형성되어 있고, 이 측면에는 배기구(50)가 형성되어 있다. 이 배기구(50)에는 진공 배기계(52)가 마련되어, 처리 용기(14) 내를 진공 배기 가능하도록 되어 있다. 구체적으로는, 이 진공 배기계(52)는 상기 배기구(50)에 접속되는 배기 통로(54)를 갖고 있고, 이 배기 통로(54)에는 처리 용기(14) 내의 압력을 조정하는 압력 조정 밸브(56) 및 진공 펌프(58)가 순차 마련되어 있다. 그리고, 이 처리 용기(14) 내에는 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(W)를 탑재하기 위해 그 바닥부로부터 지주(60)를 거쳐 지지된 탑재대(62)가 마련되어 있다.
여기에서는, 예를 들어 직경이 300mm의 반도체 웨이퍼(W)가 이용된다. 이 탑재대(62)는 하부 전극을 겸하고 있고, 이 탑재대(62)의 상부 주연부에는 반도체 웨이퍼(W)의 주위를 둘러싸도록 하여 링 형상의 포커스 링(64)이 마련되어 있다. 그리고, 이 하부 전극인 탑재대(62)와 상기 상부 전극인 샤워 헤드부(18) 사이의 처리 공간(S)에 상부 전극으로 고주파 전압을 인가함으로써 플라즈마를 일으켜 얻도록 되어 있다.
구체적으로는, 이 탑재대(62)는 예를 들어 전체가 세라믹스재인 질화알루미늄(AlN)으로 구성되고, 이 질화알루미늄제의 탑재대(62)의 내부에 가열 수단으로서 예를 들어 몰리브덴이나 텅스텐 선 등의 저항체로 이루어지는 가열 히터(66)가 소정의 패턴 형상으로 배열되어 매설되어 있다. 이 가열 히터(66)에는 히터 전원(68)이 배선(70)을 거쳐 접속되어 있고, 필요에 따라 상기 가열 히터(66)에 전력을 공급하여 반도체 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 온도 제어할 수 있도록 되어 있다. 또한, 이 탑재대(62)의 내부에는 하부 전극의 기능을 발휘시키기 위해 예를 들어 몰리브덴 선 등을 메쉬 형상[망(網) 형상]으로 짜 넣어 이루어지는 전극 본체(72)가 면내 방향으로 대략 전역에 걸쳐 매설되어 있다. 그리고, 이 전극 본체(72)는 배선(74)을 거쳐 접지되어 있다. 또한, 이 전극 본체(72)에 바이어스 전압으로서 고주파 전압을 인가하도록 해도 좋다.
그리고, 상기 탑재대(62)에는 이것을 상하 방향으로 관통하여 3개의 핀 구멍(76)이 형성되어 있고(도 1에서는 2개만 도시됨), 각 핀 구멍(76)에는 그 하단이 원호형상의 연결 링(78)에 공통으로 지지된 예를 들어 석영제의 밀어올림 핀(80)이 유격끼움 상태로 삽입통과할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 상기 연결 링(78)은 용기 바닥부를 관통하여 상하이동 가능하게 마련된 출몰 로드(82)의 상단에 지지되어 있고, 이 출몰 로드(82)의 하단은 액츄에이터(84)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 상기 각 밀어올림 핀(80)을 반도체 웨이퍼(W)의 주고받음시에 각 핀 구멍(76)의 상단으로부터 상방으로 출몰시키도록 되어 있다. 또한, 상기 출몰 로드(82)의 용기 바닥부와 마주보는 관통부에는, 신축가능하게 이루어진 벨로즈(86)가 마련되어 있어, 상기 출몰 로드(82)가 처리 용기(14) 내의 기밀성을 유지하면서 승강할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 상기 샤워 헤드부(18)의 가스 도입구(30)에는, 처리에 필요한 각종 가스를 공급하는 가스 공급계(90)가 접속되어 있다. 구체적으로는, 여기에서는 가스 공급계(90)로서, 원료 가스로서 예를 들어 TiCl4 가스를 흘리는 원료 가스관(92), 환원 가스로서 예를 들어 H2 가스를 흘리는 환원 가스관(94), 클리닝 가스로서 예를 들어 불소계 가스를 흘리는 클리닝 가스관(96), 플라즈마용 가스나 퍼지 가스에 이용하는 불활성 가스로서의 희가스 예를 들어 Ar 가스를 흘리는 희가스관(98), 퍼지 가스 등에 이용하는 불활성 가스 예를 들어 N2 가스를 흘리는 N2 가스관(100)이 각각 접속되어 있다.
그리고, 각 가스관(92, 94, 96, 98, 100)에는 각 가스의 공급량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(92A, 94A, 96A, 98A, 100A)와, 개폐 밸 브(92B, 94B, 96B, 98B, 100B)가 각각 마련되어 있다. 여기서 상기 불소계 가스로서는 ClF3 가스가 이용된다. 또한, 상기 희가스관(98) 및 N2 가스관(100)의 상류측으로부터는 각각 분기관(102, 104)이 분기되고 있고, 이들의 분기관(102, 104)은 함께 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 퍼지 가스 입구(36)에 접속되어 있다.
그리고, 상기 각 분기관(102, 104)의 도중에는 각 가스의 공급량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(102A, 104A)와 개폐 밸브(102B, 104B)가 각각 마련되어 있다. 이것에 의해, 필요시에, 즉 클리닝 처리후의 승온시에 Ar 가스와 N2 가스를 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)측으로 흘리는 것이 가능하도록 되어 있다. 또한, 이 처리 용기(14)의 측벽이나 천장벽에는, 이 온도를 냉각하기 위한 냉매를 흘리는 냉각 재킷(110)이 마련되어 있다.
그리고, 이 장치 전체는 예를 들어 컴퓨터로 이루어지는 제어부(106)에 의해 제어되고, 예를 들어 각 가스의 공급의 개시, 정지, 각 가스의 유량 제어, 반도체 웨이퍼(W)를 탑재하는 탑재대(62)의 승온강온 등의 온도 제어, 처리 용기(14) 내의 압력 제어, 플라즈마 발생용의 고주파 전력의 공급 및 공급의 정지 등을 제어하도록 되어 있다. 또한, 이 제어에 필요한 컴퓨터로 판독가능한 프로그램은 기억 매체(108)에 기억되어 있다. 이 기억 매체(108)는 예를 들어 플렉시블 디스크, CD(Compact Disc), CD-ROM, 하드 디스크, 플래쉬 메모리 또는 DVD 등으로 이루어진다.
다음에, 이상과 같이 구성된 성막 장치를 이용하여 실행되는 본 발명의 성막 방법에 대해서 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 성막 방법의 실시형태의 각 공정과 탑재대 온도(반도체 웨이퍼 온도)의 관계를 도시하는 공정도이고, 도 4는 본 실시형태에 있어서 클리닝 처리로 생성된 AlF계 물질의 동향을 설명하기 위한 개략 설명도이다. 여기에서는 전술한 바와 같이 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 Ti막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다.
전술한 바와 같이, 반도체 웨이퍼에 대하여 Ti막으로 이루어지는 박막의 성막 처리를 실행하는 경우는, 어느 정도의 매수의 반도체 웨이퍼에 대해 연속적으로 성막 처리를 실행한 후는, 처리 용기 내에 부착된 불필요한 막을 제거하는 클리닝 처리나 클리닝 처리후에 처리 용기 내의 열적 조건을 안정화시키기 위한 프리코트 처리나 후술하는 본 발명이 특징으로 하는 승온 공정 등이 실행되지만, 우선 성막 공정에서의 성막 처리에 관하여 설명한다.
이 성막 공정에 있어서는, 우선 처리 용기(14)의 측벽에 마련한 게이트 밸브(48)를 개방 상태로 하고, 도시하지 않는 로드록실 등으로부터 반출반입구(46)를 거쳐 미처리의 예를 들어 실리콘 기판으로 이루어지는 반도체 웨이퍼(W)를 이 처리 용기(14) 내로 반입하고, 이것을 밀어올림 핀(80)에 주고받아 이것을 강하시킴으로써, 반도체 웨이퍼(W)를 하부 전극인 탑재대(62) 상에 탑재시킨다.
다음에, 처리 용기(14) 내를 밀폐 상태로 하고, 가열 히터(66)로의 투입 전력을 늘려 예열 상태로 되어 있는 탑재대(62)의 온도를 프로세스 온도인 제 1 온도까지 승온하여 유지한다. 여기서 제 1 온도는 예를 들어 650℃이다. 그리고, 이것과 함께 각 개폐 밸브(92B, 94B, 98B)를 개방 상태로 하고 상부 전극인 샤워 헤 드부(18)로부터 원료 가스인 TiCl4 가스나 환원 가스인 H2 가스나 플라즈마 가스인 Ar 가스를 각각 유량 제어하면서 처리 용기(14) 내로 공급하는 것과 동시에, 진공 배기계(52)에 의해 배기구(50)로부터 처리 용기(14) 내를 진공 흡인하여 처리 용기(14) 내를 소정의 프로세스 압력으로 유지한다.
그리고 또한, 상기 플라즈마 형성 수단(40)의 상기 고주파 전원(42)을 구동함으로써, 상부 전극인 샤워 헤드부(18)와 하부 전극인 탑재대(62) 사이에 예를 들어 450kHz의 고주파 전압을 인가하고, 이것에 의해 처리 공간(S)에 플라즈마를 일으켜 플라즈마에 의해 TiCl4 가스를 분해하여, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 Ti막을 퇴적시키는 것이 된다.
여기서 본 발명 방법의 실시형태에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다. 이 실시형태에서는 도 3에 도시하는 바와 같이 상기 제 1 온도 예를 들어 650℃보다도 낮은 제 2 온도 예를 들어 300℃에서, 불소계 가스 예를 들어 ClF3로 이루어지는 클리닝 가스를 이용하여 상기 처리 용기(14) 내를 클리닝하는 클리닝 공정과, 상기 탑재대(62)를 상기 제 2 온도로부터 상기 제 1 온도를 향해서 승온시키면서 샤워 헤드부(18)로부터 불활성 가스 예를 들어 N2 가스와 Ar 가스를 공급하는 동시에, 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)으로부터 불활성 가스 예를 들어 N2 가스와 Ar 가스를 공급하도록 한 승온 공정과, 상기 처리 용기(14) 내로 성막용의 가스 예를 들어 TiCl4 가스와 H2 가스 등을 흘려서 프리코트막을 형성하는 프리코트 공정과, 상기 탑 재대(62)를 상기 제 1 온도로 유지하고 상기 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 박막을 형성하는 성막 공정을 갖고 있고, 이들의 각 공정을 반복해서 실행하게 된다.
구체적으로는, 우선 상술한 바와 같이 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 제 1 온도, 예를 들어 650℃에서 성막 처리가 반복 실행되면, 파티클의 원인이 되는 불필요한 막이 처리 용기(14) 내에 부착되기 때문에, 어느 정도의 매수의 반도체 웨이퍼에 대한 성막 처리를 실행하여 성막 공정이 종료하면, 탑재대(62)의 온도를 제 2 온도, 예를 들어 300℃까지 강하(강온)시켜 클리닝 처리를 실행한다. 이 클리닝 처리에서는 샤워 헤드부(18)로부터 불소계 가스인 ClF3 가스를 소정의 유량만 흘려 처리 용기(14)의 내벽면이나 용기내 구조물의 표면에 부착되어 있는 불필요한 막을 제거한다. 이 경우, 상기 ClF3은 매우 반응성(부식성)이 풍부하기 때문에, 플라즈마를 일으키지 않아도 상기 불필요한 막과 반응하여 이것을 제거할 수 있다.
또한, 이것과 동시에 상기 ClF3 가스는 용기내 구조물 중 하나인 상기 탑재대(62)의 구성 재료인 질화알루미늄(AlN)과 반응하여, AlF계 물질(112)이 탑재대(62)의 표면에 생성된다. 이 때의 상태는 도 4의 (A)에 도시되어 있다. 이 AlF계 물질(112)은 비산하기 쉽고 또한 클리닝 온도가 높을수록 많이 생성되기 때문에, 종래의 클리닝 처리에서는 클리닝 온도를 200℃ 정도의 낮은 온도로 설정하여 AlF계 물질의 생성을 억제하도록 하고 있었지만, 탑재대(62)의 온도를 200℃까지 강온시키기 위해서는 많은 시간을 요하고, 처리량을 대폭적으로 저하시킬 수 밖에 없었다. 또한, 클리닝후에 성막 처리를 실행하기 위해서, 이 200℃까지 저하시킨 탑재대(62)의 온도를 650℃까지 재차 승온하기 위해서도 많은 시간을 요하고, 이 것으로부터도 처리량을 대폭적으로 저하시킬 수 밖에 없었다.
이것에 대하여, 본 발명 방법의 경우에는 클리닝 온도를 상기 200℃보다도 높은 예를 들어 300℃로 설정하고 있는 것으로부터, 탑재대(62)의 승온강온에 요하는 시간은 적어지기 때문에, 그만큼 처리량의 향상을 도모할 수 있지만, 클리닝 온도가 높은 만큼 많은 AlF계 물질(112)이 생성되게 된다. 그러나, 여기에서 설명하는 본 발명이 특징으로 하는 승온 공정을 실행하는 것에 의해, 상기 AlF계 물질(112)이 비산하여도 이것을 샤워 헤드부(18)의 표면에 부착시키지 않고, 퍼지 가스와 함께 처리 용기(14)의 밖으로 배제할 수 있다. 또한, 상기 클리닝 처리의 시간은 성막 처리한 반도체 웨이퍼의 매수에 의존하지만, 두께가 10㎚ 정도의 Ti막의 성막 처리를 500매 반복한 후에는 약 50분이 된다.
상술한 바와 같이 하여, 클리닝 공정이 종료하면, 다음에 이 실시형태가 특징으로 하는 승온 공정을 실행한다. 이 승온 공정에서는 상술한 바와 같이 탑재대(62)의 온도를 상기 제 2 온도인 300℃로부터 성막 처리를 실행하는 제 1 온도인 650℃까지 승온시키면서, 샤워 헤드부(18) 뿐만 아니라 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)으로부터 퍼지 가스로서 불활성 가스를 각각 처리 용기(14) 내로 공급한다. 구체적으로는, 가스 공급계(90)의 희가스관(98) 및 N2 가스관(100)을 거쳐 각각 유량 제어된 Ar 가스 및 N2 가스가 샤워 헤드부(18) 내로 도입되고, 이들의 가스가 복 수의 가스 분출구(16)로부터 처리 공간(S)에 방출되어 공급된다.
이것과 동시에, 상기 Ar 가스 및 N2 가스는 각각 분기관(102, 104)으로도 흘러 들어 오고, 이들의 Ar 가스 및 N2 가스는 유량 제어기(102A, 104A)에서 각각 유량 제어된다. 이 유량 제어된 Ar 가스 및 N2 가스는 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 퍼지 가스 입구(36)보다 샤워 헤드부(18)의 외주측에 형성되어 있는 간극(24)인 가스 유로(26)를 흘러내리고, 최종적으로 링 형상으로 형성되어 있는 가스 출구(28)로부터 처리 공간(S) 내의 샤워 헤드부(18)의 주변부를 향해 방출된다. 이 때, 탑재대(62)의 승온에 수반하여 이 표면에 형성되어 있었던 AlF계 물질(112)은 비산하여 탑재대(62)에 대향하는 샤워 헤드부(18)의 가스 분사면(18A) 및 충전 부재(20)의 하면(20A)측, 특히 가스 분사면의 주연부 및 충전 부재(20)의 하면(20A)의 내주측에 많이 부착하려고 한다.
그러나, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 이 부분에서는 가스 출구(28)로부터 Ar이나 N2의 퍼지 가스가 분출하여 공급되고 있기 때문에, 도 4의 (B)에 도시하는 바와 같이 비산한 AlF 입자(112A)는 상기 Ar이나 N2의 퍼지 가스에 수반되어 처리 용기(14)의 밖으로 배출되게 된다. 또한, 샤워 헤드부(18)의 가스 분사면의 중앙부 쪽으로 비산한 AlF 입자(112A)도 가스 분출구(16)로부터 분출되는 Ar이나 N2의 퍼지 가스에 의해 처리 용기(14)의 밖으로 배출된다.
여기서 도 5를 참조하여, AlF계 물질의 부착 상황을 종래예와 비교하여 설명 한다. 도 5는 본 발명 방법의 승온 공정과 종래 방법의 승온 공정에 있어서의 AlF 입자의 부착 상황의 차이를 설명하기 위한 모식도이다. 도 5의 (A)는 종래 장치의 경우를 도시하고, 도 5의 (B)는 본 발명 장치의 경우를 도시한다.
도 5의 (A)에 도시하는 종래 장치의 경우에는, 클리닝 처리후의 탑재대의 승온시에는, 샤워 헤드부(18)의 각 가스 분출구(16)로부터 Ar과 N2의 혼합 가스를 퍼지 가스로서 분사하고 있다. 이 경우에는, 샤워 헤드부(18)의 가스 분사면의 주연부와 충전 부재(20)의 하면의 내주측의 부분, 즉 도 5의 (A) 중의 사선으로 도시하는 영역(114)에 많은 AlF 입자가 부착되고 있었다. 그 이유는 샤워 헤드부(18)의 중심부와 비교하여 그 주연부나 충전 부재(20)의 하면의 온도가 낮은 것, 그리고 Ar 가스와 N2 가스로 이루어지는 퍼지 가스의 유속은 처리 공간(S)의 중앙부는 빠르지만 주변부에서는 비교적 늦어지는 것으로부터, 상술한 바와 같이 사선으로 도시하는 영역(114)에 AlF 입자가 부착되기 쉬워진다고 생각된다.
이것에 대하여, 도 5의 (B)에 도시하는 바와 같이, 본 발명 장치의 경우에는 샤워 헤드부(18)의 각 가스 분출구(16)로부터 Ar과 N2의 혼합 가스를 퍼지 가스로서 분사할 뿐만 아니라, 샤워 헤드부(18)의 외주측에 마련된 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 가스 출구(28)로부터도 Ar과 N2의 혼합 가스를 퍼지 가스로서 분사하고 있기 때문에, 하방으로부터 비산해 온 AlF 입자가 특히 가스 출구(28)로부터 분사된 퍼지 가스에 의해 효율적으로 배제되어 버린다. 이 결과, 도 5의 (B)에 도시하는 바와 같이, 도 5의 (A)에서의 사선으로 도시하는 영역(114)에도 AlF 입자가 부 착되는 것을 방지할 수 있다.
이렇게 하여, 상기 탑재대(62)의 상면에 형성되어 있었던 AlF계 물질(112)은 거의 모두가 비산하여 제거되고, 또한 비산한 AlF 입자(112A)는 샤워 헤드부(18)의 가스 분사면이나 충전 부재(20)의 하면측으로 부착되는 일 없이 거의 모두가 처리 용기(14)의 밖으로 배출되게 된다. 이 경우, 실험에 의하면, 예를 들어 AlF계 물질(112)은 탑재대(62)의 온도가 400℃ 정도가 되면 비산이 개시된다.
또한, 이 승온 공정에 있어서의 가스 유량에 관해서는, 샤워 헤드부(18)의 각 가스 분출구(16)로부터 공급하는 Ar 가스와 N2 가스의 합계 유량은 예를 들어 3600sccm 정도, 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 가스 출구(28)로부터 공급하는 Ar 가스와 N2 가스의 합계 유량은 예를 들어 350sccm 정도이다. 또한, 300℃로부터 650℃까지의 탑재대(62)의 승온 속도는 예를 들어 10℃/min 정도이다.
또한, 처리 용기(14)의 측벽이나 천장부는 이 부분에 마련한 냉각 재킷(110)에 냉매를 흘리는 것에 의해 안전 온도, 예를 들어 170℃ 정도까지 냉각되지만, 이 냉각 재킷(110)에 의한 냉각을 억제하여 충전 부재(20)의 온도를 높게, 예를 들어 250℃ 이상으로 설정함으로써, 이 충전 부재(20)의 하면으로의 AlF 입자의 부착을 더욱 억제할 수 있다.
이렇게 해서 승온 공정이 종료하면, 다음에 프리코트 처리를 실행한다. 이 프리코트 처리에서는, 처리 용기(14) 내로 반도체 웨이퍼(W)를 반입하지 않고 빈 상태인 채로, 성막시와 동일하게 TiCl4, H2, Ar을 흘려서 플라즈마를 일으키고, 처 리 용기(14) 내를 성막시와 동일한 압력, 예를 들어 666Pa 정도로 유지한다. 이것에 의해, 처리 용기(14)의 내벽면은 탑재대(62) 등의 용기내 구조물의 표면에 Ti막으로 이루어지는 프리코트막이 형성되고, 이것에 의해 처리 용기(14) 내의 열적 상태가 안정화된다. 이 경우, 샤워 헤드부(18)의 가스 분사면이나 충전 부재(20)의 하면에 부착되는 프리코트막은, 이 부착면과 프리코트막 사이에 AlF 입자가 개재하지 않기 때문에 밀착성이 높은 상태로 부착되는 것이 되고, 이 결과 막 벗겨짐 등이 생기기 어려워져 파티클의 발생을 더욱 억제할 수 있다.
이 프리코트 공정의 시간은 예를 들어 60분 정도이다. 이 경우, 300℃로부터 650℃까지 탑재대(62)의 온도를 승온하는데 요하는 시간은, 종래의 성막 방법에 있어서 200℃로부터 650℃까지 승온하는데 요한 시간과 비교하여 짧게 할 수 있다.
이렇게 하여, 프리코트 공정이 종료하면, 다음에 상기 빈 처리 용기(14) 내로 미처리의 반도체 웨이퍼(W)를 반입하고, 상술한 바와 같은 성막 처리를 실행한다. 이 성막 처리에서는 상술한 바와 같이, TiCl4, H2, Ar 가스를 처리 용기(14) 내로 도입하여 플라즈마를 일으키고, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 Ti막을 형성한다. 그리고, 이 반도체 웨이퍼(W)에 대한 성막 처리는, 다음의 클리닝 처리의 시기가 될 때까지 반복하여 실행하게 된다. 이 때의 프로세스 조건은 제 1 온도인 성막 온도가 650℃, 처리 용기(14) 내의 압력이 666Pa 정도이다. 또한, 이 프로세스 조건은 단지 일례를 도시한 것에 지나지 않고, 이것에 한정되지 않는 것은 물론이다.
그리고, 이렇게 하여 성막 공정이 종료하면, 탑재대(62)의 온도를 제 2 온 도, 예를 들어 300℃까지 강온시키고, 클리닝 처리를 재차 실행하는 것이 된다. 이 때의 강온 속도는 예를 들어 4℃/min 정도이다. 이후, 전술한 바와 같은 순서로 각 공정이 반복 실행된다.
여기서 성막 공정으로부터 클리닝 공정으로 이행하는 때에, 650℃로부터 300℃까지 탑재대(62)의 온도를 강온하는데 요하는 시간은, 종래의 성막 방법에 있어서 650℃로부터 200℃까지 강온하는데 요한 시간과 비교하여 대폭 짧게 할 수 있고, 그만큼 반도체 웨이퍼 처리의 처리량을 향상시킬 수 있다. 구체적으로는, 종래의 성막 방법에서는 1회의 승온강온 조작에 대해 2시간 40분 정도나 요하고 있었지만, 본 발명 방법의 경우에는 1시간 30분 정도까지 짧게 할 수 있었다.
이와 같이, 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 박막을 형성하기 위한 성막 장치에 있어서, 처리 용기(14) 내의 클리닝 처리후에 탑재대(62)의 온도를 성막 처리를 실행하는 프로세스 온도까지 다시 승온하는 때에, 샤워 헤드부(18)로부터 불활성 가스를 공급함과 동시에 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)으로부터 파티클이 부착되는 경향이 가장 큰 샤워 헤드부(18)의 주변부에 불활성 가스를 공급하여 이 부분을 퍼지하도록 했기 때문에, 탑재대(62)측으로부터 비산해 오는 파티클을 상기 공급된 불활성 가스로 흘러가게 하여, 이 파티클이 샤워 헤드부(18)의 주변부에 부착하는 것을 방지할 수 있다.
이 결과, 후공정 등에서 형성되는 프리코트막의 밀착성이 향상되고, 성막 처리시에 파티클이 발생하는 것을 억제하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 종래의 클리닝 처리시보다도 높은 온도에서의 클리닝 처리가 가능해지고, 그만큼 처리량을 향상시 킬 수 있다. 또한, 여기에서는 클리닝 공정을 실행하는 제 2 온도를 300℃로 설정했지만, 이 제 2 온도는 300℃에 한정되지 않고, 400℃ 이하의 어느 온도로 설정해도 좋다. 이 클리닝 온도를 예를 들어 400℃로 설정하면 탑재대(62)의 승온강온에 요하는 시간을 보다 짧게 할 수 있기 때문에, 더욱 반도체 웨이퍼 처리의 처리량을 향상시킬 수 있다.
<본 발명 방법의 평가>
다음에, 본 발명 방법과 종래 방법을 실시한 때의 샤워 헤드부의 가스 분사면의 외주 근방의 AlF3 양을 시뮬레이션에 의해 비교했으므로, 그 평가 결과에 관하여 설명한다. 도 6은 본 발명 방법과 종래 방법을 실시한 때의 샤워 헤드부의 가스 분사면의 외주 근방의 AlF3 양을 도시하는 그래프로서, 도 6의 (A)는 종래 방법을 실시한 때의 총 가스 유량과 AlF3 양의 관계를 도시하는 그래프이다. 여기에서는, 퍼지 가스로서는 Ar 가스와 N2 가스의 혼합 가스를 이용하고 있고, 양 가스의 유량은 서로 동일한 값으로 설정하고 있다. 이 종래 방법에서는 전술한 바와 같이 샤워 헤드부(18)의 가스 분출구(16)로부터 상기 혼합 가스를 흘리고 있다.
이 그래프로부터 명확한 바와 같이, 샤워 헤드부(18)로부터 분출하는 가스 유량을 증가시킬수록, 샤워 헤드부의 외주 근방의 AlF3 양은 직선적으로 저하하고 있다. 이것은, 분사하는 퍼지 가스의 총 가스 유량을 증가시킬수록, 승온에 의해 탑재대측으로부터 비산해 오는 AlF 입자가 샤워 헤드부의 가스 분사면이나 충전 부 재의 하면에 도달하기 전에, 이 퍼지 가스에 의해 흘러가게 되는 확률이 높아지기 때문이다.
이것에 대하여, 도 6의 (B)는 본 발명 방법을 실시한 때의 가스 출구(28)로부터 가스 유량(Ar+N2)과 AlF3 양의 관계를 도시하는 그래프이다. 여기에서는 샤워 헤드부(18)의 가스 분출구(16)로부터 분출하는 혼합 가스(Ar+N2)의 유량은 3600sccm( = Ar:1800sccm, N2:1800sccm)이 되도록 일정하게 유지하고 있다.
이 그래프로부터 명확한 바와 같이, 본 발명에서 이용하는 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 가스 출구(28)로부터의 가스 유량(Ar+N2)이 “제로”인 경우에는[샤워 헤드부(18)로부터는 3600sccm], AlF3 양은 대략 2.0(cc)이다[도 6의 (A) 중의 총 가스 유량=3600sccm에 대응].
그리고, 상기 가스 출구(28)로부터의 가스 유량을 점차 증가시키면, 샤워 헤드부의 외주 근방의 AlF3 양은 급격하게 감소하고 있고, 가스 유량이 350sccm 이상이 되면 AlF3 양의 감소율은 조금 저하하게 된다. 따라서, 가스 출구(28)로부터 퍼지 가스를 분출시킴으로써, 샤워 헤드부(18)의 가스 분사면의 주연부나 충전 부재(20)의 하면의 내주측의 부분에 AlF 입자가 부착되는 것을 억제할 수 있는 것을 이해할 수 있다. 이 경우, 가스 출구(28)로부터의 가스 유량을 특히 350sccm 이상으로 설정함으로써, AlF 입자의 부착량을 대폭 저감시킬 수 있다.
도 6의 (A) 중의 일점 쇄선(116)은 도 6의 (B) 중의 그래프를 옮겨 적은 것 이며, 이것에 의하면, 종래 방법의 경우와 동일한 총 가스 유량을 이용한 경우, 본 발명 방법의 경우에는 AlF 입자의 부착 효율을 훨씬 저감할 수 있고, 양호한 결과를 보이는 것이 판명된다. 따라서, 본 발명 방법의 경우에는 종래 방법과 동일한 AlF 입자의 부착 효율의 저감을 도모하기 위해서는, 사용하는 퍼지 가스(Ar+N2)의 유량을 대폭 삭감할 수 있고, 그만큼 유지비를 삭감할 수 있다.
<충전 부재의 온도 평가>
다음에, 샤워 헤드부(18)의 외주측에 마련한 충전 부재(20)의 온도가 샤워 헤드부의 가스 분사면의 외주 근방의 AlF3 양에 주는 영향을 조사했으므로, 그 평가 결과에 대해서 설명한다. 도 7은 충전 부재의 온도와 AlF3 양의 관계를 도시하는 그래프이다.
이 그래프로부터 명확한 바와 같이, 충전 부재(20)의 온도를 170℃로부터 430℃까지 순차적으로 상승시킨 경우, 대략 직선적으로 AlF3 양이 조금씩 감소하고 있다. 따라서, 전술한 가스 출구(28)로부터의 퍼지 가스의 분출 조작만큼은 현저한 작용 효과는 나타내지 않지만, 이 충전 부재(20)의 온도를 조금 올려서 유지한 경우에도 AlF 입자의 부착을 억제할 수 있는 것을 이해할 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 충전 부재(20)의 온도를 300℃ 이상으로 설정하면, AlF 입자의 부착율을 대략 5% 이상 저감시킬 수 있다. 그리고, 이 충전 부재(20)의 온도의 상한은 예를 들어 550℃ 정도이다.
또한, 상기 실시형태에서는 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 가스 유 로(26)에는 아무것도 마련하지 않았지만, 다음에 도시하는 것을 마련하도록 해도 좋다. 도 8은 분산판과 확산판을 도시하는 평면도이다. 예를 들어, 상기 가스 유로(26)의 가스 출구(28)에는 아무것도 장착하지 않았지만, 이것에 한정되지 않고, 도 8의 (A)에 도시하는 바와 같이, 복수의 가스 구멍(120)을 그 둘레방향을 따라 형성한 링 형상의 분산판(122)을 상기 가스 출구(28)에 장착하고, 이 가스 구멍(120)으로부터 분출되는 퍼지 가스를 확산시키도록 해도 좋다. 이 경우, 상기 분산판(122)의 재료로서는, 석영이나 AlN, Al2O3 등의 세라믹재를 이용할 수 있다.
또한, 상기 퍼지 가스 입구(36)의 근방의 가스 유로(26)의 도중에 도 8의 (B)에 도시하는 바와 같이, 복수의 통기 구멍(124)을 그 둘레방향을 따라 형성한 링 형상의 확산판(126)을 마련하고, 퍼지 가스를 확산시키도록 해도 좋다. 이 경우, 상기 확산판(126)의 재료로서는, 석영이나 AlN, Al2O3 등의 세라믹재를 사용할 수 있다.
또한, 상기 도 1 및 도 2에 도시하는 실시형태에서는 상기 샤워 헤드부(18)와 이 외주측에 마련하는 충전 부재(20) 사이에 약간의 간극(24)을 마련하여 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)의 가스 유로(26)를 형성했지만, 이것에 한정되지 않고, 이 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)을 샤워 헤드부(18) 내로 일체적으로 짜 넣도록 하여도 좋다. 도 9는 이러한 성막 장치의 변형 실시형태의 일부를 도시하는 단면 구성도이다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시하는 구성 부분과 동일 구성 부분에 대해서는 동일 참조 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 여기에서는 샤워 헤드부(18)의 외각(外殼)의 외측에, 이 외각을 덮도록 하여 이것으로부터 약간의 간극(130)을 두고 도전성 재료로 이루어지는 케이싱(132)을 마련하고, 이 상단부와 상기 샤워 헤드부(18)의 외주를 접합하여 양자를 일체적으로 성형하고 있다. 그리고, 상기 케이싱(132)의 접합 부분에 퍼지 가스 입구(36)를 형성하고 있다. 이것에 의해, 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단(22)이 샤워 헤드부(18)와 일체적으로 성형되는 것이 된다. 이 경우, 상기 간극(130)이 퍼지 가스의 가스 유로(26)가 되고, 이 간극(130)의 하단부가 가스 출구(28)가 된다. 따라서, 상기 가스 출구(28)는 가스 분사면(18A)의 주변부를 따라 링 형상으로 형성되는 것이 된다. 그리고, 상기 케이싱(132)의 외주에 밀착시켜 상기 충전 부재(20)가 마련되는 것이 된다.
이 경우에도, 도 1 및 도 2에서 설명한 실시형태와 동일한 작용 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 여기에서도 도 8에서 설명한 분산판(122)이나 확산판(126)을 적용할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에서는 클리닝 처리에서 이용하는 클리닝 가스의 불소계 가스로서 ClF3 가스를 이용했지만, 이것에 한정되지 않고, 이 불소계 가스로서는 ClF3, NF3, C2F6, F2, HF로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 가스를 이용할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 박막을 형성하기 위한 원료 가스로서 TiCl4 가스를 이용했지만, 이것에 한정되지 않고, 상기 원료 가스는 TiCl4, TDMAT(테트라키스디에틸아미노티타늄), TDEAT(테트라키스디에틸아미노티탄)으로 이루어지는 군으 로부터 선택되는 하나 이상의 가스를 이용할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에서는 박막으로서 Ti막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, TiN막(티탄 질화막)을 성막하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 플라즈마 형성 수단을 이용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 플라즈마를 이용하지 않는 열에 의한 성막 처리, 예를 들어 열CVD(Chemical Vapor Deposition)나 원료 가스와 반응 가스(산화 가스나 환원 가스)를 교대로 흘려서 성막하는 열ALD(Atomic Layer Deposition) 등을 실행하는 성막 장치에도, 본 발명을 적용할 수 있는 것은 물론이다.
또한, 본 실시형태에서 이용한 Ar 가스는, 이것에 대체하여 다른 희가스, 예를 들어 He 등을 이용해도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는 퍼지 가스로서 Ar과 N2의 혼합 가스를 이용했지만, 이것에 한정되지 않고, N2 가스 및 희가스를 포함시킨 가스 군으로부터 선택한 하나 이상의 가스를 이용할 수 있다.
또한, 여기에서는 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 이 반도체 웨이퍼에는 실리콘 기판이나 GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체 기판도 포함되고, 또한 이들의 기판에 한정되지 않고, 액정 표시 장치에 이용하는 유리 기판이나 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 성막 방법을 실시하는 성막 장치의 일례를 도시하는 단면 구성도,
도 2는 샤워 헤드부의 가스 분사면측을 도시하는 평면도,
도 3은 본 발명의 성막 방법의 실시형태의 각 공정과 탑재대 온도(반도체 웨이퍼 온도)의 관계를 도시하는 공정도,
도 4는 본 실시형태에 있어서 클리닝 처리로 생성된 AlF계 물질의 동향을 설명하기 위한 개략 설명도,
도 5는 본 발명 방법의 승온 공정과 종래 방법의 승온 공정에서의 AlF 입자의 부착 상황의 차이를 설명하기 위한 모식도,
도 6은 본 발명 방법과 종래 방법을 실시한 때의 샤워 헤드부의 가스 분사면의 외주 근방의 AlF3 양을 도시하는 그래프,
도 7은 충전 부재의 온도와 AlF3 양의 관계를 도시하는 그래프,
도 8은 분산판과 확산판을 도시하는 평면도,
도 9는 성막 장치의 변형 실시형태의 일부를 도시하는 단면 구성도,
도 10은 일반적인 성막 장치의 일례를 도시하는 개략 구성도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12 : 성막 장치 14 : 처리 용기
18 : 샤워 헤드부 18A : 가스 분사면
20 : 충전 부재 20A : 충전 부재의 하면
22 : 헤드 주변부 가스 공급 수단 24 : 간극
26 : 가스 유로 28 : 가스 출구
40 : 플라즈마 형성 수단 42 : 고주파 전원
52 : 진공 배기계 62 : 탑재대
66 : 가열 히터(가열 수단) 90 : 가스 공급계
92 : 원료 가스관 94 : 환원 가스관
96 : 클리닝 가스관 98 : 희가스관
100 : N2 가스관 102, 104 : 분기관
106 : 제어부 108 : 기억 매채
122 : 분산판 126 : 확산판
W : 반도체 웨이퍼(피처리체)
Claims (15)
- 피처리체의 표면에 박막을 형성하기 위한 성막 장치에 있어서,진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기와,상기 처리 용기 내에 마련되고, 그 위에 상기 피처리체를 탑재하는 질화알루미늄제의 탑재대와,상기 피처리체를 가열하기 위한 가열 수단과,상기 탑재대에 대향시켜 배치되고, 상기 처리 용기 내로 필요한 가스를 도입하는 샤워 헤드부와,상기 샤워 헤드부의 주변부에, 상기 처리 용기 내의 클리닝 처리 후의 승온시에 불활성 가스를 공급하기 위한 헤드 주변부 가스 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 헤드 주변부 가스 공급 수단의 가스 출구는 상기 샤워 헤드부의 외주측에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 샤워 헤드부의 외주측에는, 약간의 간극을 두고 그 하면이 상기 샤워 헤드부의 가스 분사면과 동일 수평 레벨로 된 충전 부재가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 충전 부재는 상기 승온시에는 250℃ 이상으로 유지되고 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 약간의 간극의 하단의 개구부는 상기 가스 출구로서 형성되는 것과 동시에, 상기 약간의 간극은 상기 헤드 주변부 가스 공급 수단의 가스 유로로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 가스 유로의 도중에는, 복수의 통기 구멍을 갖는 확산판이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 가스 출구에는, 복수의 가스 구멍을 갖는 분산판이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 헤드 주변부 가스 공급 수단은 상기 샤워 헤드부에 일체적으로 짜 넣어져 있고,상기 헤드 주변부 가스 공급 수단의 가스 출구는 상기 샤워 헤드부의 가스 분사면의 주변부를 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 샤워 헤드부에는 플라즈마 발생용의 플라즈마 형성 수단이 접속되어 상부 전극으로서 구성되고, 상기 탑재대는 하부 전극으로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 박막은 티탄막 또는 티탄 질화막인 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 박막을 형성하기 위해 원료 가스가 이용되고, 원료 가스는 TiCl4, TDMAT(테트라키스디메틸아미노티타늄), TDEAT(테트라키스디에틸아미노티탄)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 가스인 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 클리닝 처리에서 이용되는 클리닝 가스는 불소계 가스인 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 불소계 가스는 ClF3, NF3, C2F6, F2, HF로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 가스인 것을 특징으로 하는성막 장치.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 성막 장치를 이용하여 피처리체의 표면에 제 1 온도에서 박막을 형성하는 방법에 있어서,상기 제 1 온도보다도 낮은 제 2 온도에서 불소계 가스로 이루어지는 클리닝 가스를 이용하여 상기 처리 용기 내를 클리닝하는 클리닝 공정과,상기 탑재대를 상기 제 2 온도로부터 상기 제 1 온도를 향해 승온시키면서 샤워 헤드부로부터 불활성 가스를 공급하는 것과 동시에, 헤드 주변부 가스 공급 수단으로부터 불활성 가스를 공급하도록 한 승온 공정과,상기 처리 용기 내로 성막용의 가스를 흘리고 프리코트막을 형성하는 프리코트 공정과,상기 탑재대를 상기 제 1 온도로 유지하고 상기 피처리체에 대해 박막을 형성하는 성막 공정을 갖는 것을 특징으로 하는성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 성막 장치를 이용하여 피처리체의 표면에 제 1 온도에서 박막을 형성하는 때에,제 14 항에 기재된 성막 방법을 실행하도록 상기 성막 장치를 제어하는 컴퓨터로 판독가능한 프로그램을 기억하는 것을 특징으로 하는기억 매체.
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