KR20100031460A - Ｔｉ계 막의 성막 방법 및 기억 매체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 성막 중에 프리코트막과 샤워 헤드나 서셉터의 반응 등의 문제를 생기지 않게 하고, 프로세스막 두께의 면 사이 격차를 억제할 수 있는 Ti계 막의 성막 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 그 해결 수단으로서, 서셉터(2)에 웨이퍼 W가 존재하지 않는 상태에서 서셉터(2)를 가열하고, Ti를 포함하는 처리 가스에 의해 적어도 샤워 헤드(10)의 표면에 프리코트막을 형성하는 공정과, 그 후, 소정 온도로 가열한 서셉터(2)상에 웨이퍼 W를 탑재하고, 챔버(1) 내에 처리 가스를 공급하여 웨이퍼 W에 대하여 Ti막을 성막하는 공정과, 서셉터(2)에 웨이퍼 W가 존재하지 않는 상태에서 챔버(1) 내에 클리닝 가스를 도입하여 챔버(1) 내를 클리닝하는 공정을 반복한다. 프리코트막 형성 공정에 있어서는, 서셉터(2)의 온도를 Ti막 성막 공정시의 온도보다 낮은 온도로 저온 프리코트막(71)을 성막한 후, Ti막 성막시의 온도로 고온 프리코트막(72)을 형성한다.
Description
본 발명은, 챔버 내에 있어서 샤워 헤드로부터 Ti를 포함하는 처리 가스를 토출시켜 챔버 내의 탑재대에 배치된 피처리 기판의 표면에 Ti 원소를 포함하는 막(Ti계 막)을 성막하는 Ti계 막의 성막 방법 및 그 방법을 실시하기 위한 프로그램을 기억한 기억 매체에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 최근의 고밀도화 및 고집적화의 요청에 대응하여, 회로 구성을 다층 배선 구조로 하는 경향에 있고, 이 때문에, 하층의 반도체 기판과 상층의 배선층의 접속부인 콘택트 홀이나, 상하의 배선층끼리의 접속부인 비아 홀 등의 층간 전기적 접속을 위한 설치 기술이 중요해지고 있다.
이러한 콘택트 홀이나 비아 홀의 설치에 이용되는 금속이나 합금과 하층의 Si 기판이나 poly-Si층의 콘택트를 형성하기 위해, 이들의 설치에 앞서 콘택트 홀이나 비아 홀의 안쪽에 Ti막을 성막하는 것이 행해지고 있다.
이러한 Ti막은, 종래로부터 물리적 증착(PVD)을 이용하여 성막되고 있었지 만, 디바이스의 미세화 및 고집적화의 요구에 동반하여 스텝 커버리지(단차 피복성)가 보다 양호한 화학적 증착(CVD)이 다용되게 되어 오고 있다.
Ti막의 CVD 성막에 관해서는, 성막 가스로서 TiCl4 가스, H2 가스, Ar 가스를 이용하여, 이들을 샤워 헤드를 통해서 챔버에 도입하고, 피처리체인 반도체 웨이퍼(이하 간단히 웨이퍼라고 적음)를 히터를 내장한 서셉터상에 탑재한 상태에서 소정 온도로 가열하면서, 평행 평판 전극에 고주파 전력을 인가하여, 상기 가스를 플라즈마화하여 TiCl4 가스와 H2 가스를 반응시키는 플라즈마 CVD에 의해 Ti막을 성막하는 기술이 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1).
이와 같이 플라즈마 CVD에 의해 Ti막을 성막할 때에는, 종전의 Ti 성막이 종료된 챔버 내를 ClF3 가스에 의해 클리닝하고, 이어서 성막 처리와 마찬가지로 TiCl4 가스와 H2 가스를 이용하여, 서셉터를 Ti막 성막시와 같은 온도로 하여 챔버 내벽, 서셉터 및 샤워 헤드에 Ti막을 형성하는 프리코트 처리를 행하고, 그 후에 상술한 바와 같이 하여 웨이퍼상에 Ti막을 성막한다.
그러나, 서셉터를 Ti막 성막시와 같은 온도로 하여 프리코트 처리를 행하는 경우에는, 클리닝시에 서셉터를 구성하는 AlN이 클리닝 가스인 ClF3과 반응하여 생성된 AlF계 물질이 프리코트시에 승화하여, 밀착성이 약한 막으로서 샤워 헤드 표면에 부착되어, 성막 프로세스시에 프리코트막의 막 박리가 생겨 파티클의 원인이 될 우려가 있다. 또한, 프리코트 처리시에 성막 가스에 포함되는 Ti가 챔버나 샤 워 헤드에 포함되는 Ni와 반응하여 NiTi를 형성하고, 이것이 프리코트막 중에 유입되고, 그 후, 성막 프로세스 중에 녹아 웨이퍼 표면이 오염되어버릴 가능성이 있다.
그래서, 특허 문헌 2에는, 서셉터 온도를 성막 프로세스시의 온도보다 낮은 온도, 바람직하게는 500℃ 이하, 예컨대, 450℃로 하여 프리코트 처리를 행하는 기술이 제안되어 있다.
그런데, 프리코트 후에 행해지는 성막 프로세스에 있어서는, 피처리 기판인 웨이퍼에 Ti막이 성막되는 것 외에, 반도체 웨이퍼를 반복하여 성막함에 따라, 프리코트막이 형성된 샤워 헤드 및 서셉터에도 Ti막이 성막되어 간다. 그러나 특허 문헌 2의 기술에서는 프리코트막은 성막 프로세스시보다 저온이며, 프리코트막과 성막 프로세스시에 형성되는 Ti막은 막질이 다르므로, 성막 프로세스시에 샤워 헤드나 서셉터의 프리코트막상에 막질이 다른 Ti막이 생성ㆍ부착되게 되고, 부착된 막의 막질이 안정될 때까지 웨이퍼에 성막되는 Ti막의 막 두께가 웨이퍼 면 사이에서 고르지 않다고 하는 현상이 생긴다.
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 제 2003-313666 호 공보
(특허 문헌 2) 국제 공개 제 2008/047838 호 팜플렛
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 성막 중에 프리코트막과 샤워 헤드나 서셉터의 반응 등의 문제를 생기게 하지 않고, 프로세스막 두께의 면 사이 격차를 억제할 수 있는 Ti계 막의 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 그와 같은 방법을 실행하기 위한 제어 프로그램이 기억된 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제 1 관점에서는, 피처리체를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 Ti 함유 가스를 포함하는 처리 가스 및 클리닝 가스를 토출시키는 가스 토출 부재와, 상기 챔버 내에서 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대를 가열하는 가열 수단을 갖는 장치를 이용하여 피처리체의 표면에 Ti계 막을 성막하는 Ti계 막의 성막 방법으로서, 상기 탑재대의 위에 피처리체가 존재하지 않는 상태에서 상기 탑재대를 상기 가열 수단에 의해 가열함과 아울러 상기 가스 토출 부재로부터 상기 처리 가스를 상기 챔버 내에 토출시켜, 적어도 상기 가스 토출 부재의 표면에 프리코트막을 형성하는 공정과, 그 후, 상기 가열 수단에 의해 가열한 상태의 상기 탑재대에 피처리체를 탑재하고, 상기 챔버 내에 상기 처리 가스를 공급하여 피처리체에 대하여 Ti계 막을 성막하는 처리를 복수의 피처리체에 대하여 행하는 공정과, 상기 탑재대에 피처리체가 존재하지 않는 상태에서 상 기 챔버 내에 클리닝 가스를 도입하여 상기 챔버 내를 클리닝하는 공정을 포함하고, 이들을 순차적으로 반복하여 행하고, 상기 프리코트막을 형성하는 공정에 있어서는, 상기 탑재대의 온도를 상기 성막 공정시의 온도보다 낮은 온도로 저온 프리코트막을 형성한 후, 상기 성막 공정시의 온도로 고온 프리코트막을 형성하는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법을 제공한다.
상기 제 1 관점에서는, 상기 탑재대는 AlN으로 구성되는 것을 이용할 수 있고, 또한, 상기 가스 토출 부재는 적어도 표면이 Ni 함유 재료로 구성되는 것을 이용할 수 있다.
또한, 상기 저온 프리코트막을 형성할 때의 상기 탑재대의 온도는 350℃ 이상 550℃ 미만이며, 상기 고온 프리코트막을 형성할 때 및 상기 Ti계 막을 성막할 때의 상기 탑재대의 온도는 550℃ 이상 680℃ 이하인 것이 바람직하다. 상기 프리코트막을 형성할 때 및 상기 Ti계 막을 성막할 때의 상기 가스 토출 부재의 온도는 350℃ 이상 500℃ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 프리코트막 및 상기 Ti계 막은, Ti 함유 가스와 환원 가스에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상기 프리코트막의 성막은, Ti 함유 가스와 환원 가스를 교대적으로 공급하여 행해지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 프리코트막의 성막은, 프리코트막의 질화 처리를 포함시켜도 좋다. 상기 Ti계 막으로서는 Ti막을 이용할 수 있고, 이 경우에는, 상기 처리 가스로서, TiCl4 가스와 H2 가스를 이용할 수 있다. 또한, 상기 Ti계 막을 성막하는 공정이 종료된 후에, Ti막에 질화 처리를 실시하도록 하더라도 좋다.
또한, 상기 가스 토출 부재로서는, 전형적으로, 상기 탑재대와 대향하여 마련되고, 다수의 가스 토출 구멍이 형성된 샤워 헤드를 이용할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에서는, 컴퓨터상에서 동작하고, 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 제어 프로그램은, 실행시에, 상기 성막 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 성막 장치를 제어시키는 것을 특징으로 하는 기억 매체를 제공한다.
또, 본 발명에 있어서, 가스의 유량의 단위는 ㎖/min을 이용하고 있지만, 가스는 온도 및 기압에 따라 부피가 크게 변화하므로, 본 발명에서는 표준 상태로 환산한 값을 이용하고 있다. 또, 표준 상태로 환산한 유량은 통상 sccm(Standard Cubic Centimeter per Minutes)으로 표기되므로 sccm을 병기하고 있다. 여기에 있어서의 표준 상태는, 온도 0℃(273.15K), 기압 1atm(101325㎩)의 상태(STP)이다.
본 발명에 의하면, 프리코트막을 형성하는 공정에 있어서, 탑재대의 온도를 성막 공정시의 온도보다 낮은 온도로 저온 프리코트막을 형성한 후, 성막 공정시의 온도로 고온 프리코트막을 형성하므로, 저온 프리코트막에 의해, 프리코트막과 샤워 헤드나 서셉터의 반응 등의 문제를 억제하면서, 고온 프리코트막에 의해 Ti막 성막 중의 샤워 헤드 등으로 코팅되는 막의 막질이 안정하여, 프로세스막 두께의 면 사이 격차를 억제할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 Ti막의 성막 방법의 실시에 이용하는 Ti막 성막 장치의 일례를 나타내는 개략 단면도이다. 이 Ti막 성막 장치(100)는 평행 평판 전극에 고주파 전계를 형성함으로써 플라즈마를 형성하면서 CVD 성막을 행하는 플라즈마 CVD 성막 장치로서 구성된다.
이 Ti막 성막 장치(100)는, 대략 원통 형상의 챔버(1)를 갖고 있다. 챔버(1)의 내부에는, 피처리 기판인 웨이퍼 W를 수평으로 지지하기 위한 AlN으로 구성된 서셉터(2)가 그 중앙 하부에 마련된 원통 형상의 지지 부재(3)에 의해 지지된 상태로 배치되어 있다. 서셉터(2)의 외연부(外緣部)에는 웨이퍼 W를 가이드하기 위한 가이드 링(4)이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(2)에는 몰리브덴 등의 고융점 금속으로 구성된 히터(5)가 설치되어 있고, 이 히터(5)는 히터 전원(6)으로부터 급전됨으로써 피처리 기판인 웨이퍼 W를 소정의 온도로 가열한다. 서셉터(2)의 표면 근방에는 평행 평판 전극의 하부 전극으로서 기능하는 전극(8)이 매설되어 있고, 이 전극(8)은 접지되어 있다.
챔버(1)의 천정벽(1a)에는, 절연 부재(9)를 사이에 두고 평행 평판 전극의 상부 전극으로서도 기능하는 샤워 헤드(10)가 마련되어있다. 이 샤워 헤드(10)는, 상단 블록체(10a), 중단 블록체(10b), 하단 블록체(10c)로 구성되어 있고, 대략 원반 형상을 이루고 있다. 상단 블록체(10a)는, 중단 블록체(10b) 및 하단 블록 체(10c)와 함께 샤워 헤드 본체부를 구성하는 수평부(10d)와 이 수평부(10d)의 외주 위쪽으로 연속하는 고리 형상 지지부(10e)를 갖고, 오목한 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 이 고리 형상 지지부(10e)에 의해 샤워 헤드(10) 전체가 지지되고 있다. 그리고, 하단 블록체(10c)에는 가스를 토출하는 토출 구멍(17과 18)이 교대로 형성되어 있다. 상단 블록체(10a)의 상면에는, 제 1 가스 도입구(11)와, 제 2 가스 도입구(12)가 형성되어 있다. 상단 블록체(10a)의 안에서는, 제 1 가스 도입구(11)로부터 다수의 가스 통로(13)가 분기되어 있다. 중단 블록체(10b)에는 가스 통로(15)가 형성되어 있고, 상기 가스 통로(13)가 수평으로 연장되는 연통로(13a)를 통해서 이들 가스 통로(15)에 연통하고 있다. 또한 이 가스 통로(15)가 하단 블록체(10c)의 토출 구멍(17)에 연통하고 있다. 또한, 상단 블록체(10a)의 안에서는, 제 2 가스 도입구(12)로부터 다수의 가스 통로(14)가 분기되어 있다. 중단 블록체(10b)에는 가스 통로(16)가 형성되어 있고, 상기 가스 통로(14)가 이들 가스 통로(16)에 연통하고 있다. 또한 이 가스 통로(16)가 중단 블록체(10b) 내에 수평으로 연장되는 연통로(16a)에 접속되어 있고, 이 연통로(16a)가 하단 블록체(10c)의 다수의 토출 구멍(18)에 연통하고 있다. 그리고, 상기 제 1 및 제 2 가스 도입구(11, 12)는, 가스 공급 기구(20)의 가스 라인에 접속되어 있다.
가스 공급 기구(20)는, 클리닝 가스인 ClF3 가스를 공급하는 ClF3 가스 공급원(21), Ti 화합물 가스인 TiCl4 가스를 공급하는 TiCl4 가스 공급원(22), Ar 가스를 공급하는 Ar 가스 공급원(23), 환원 가스인 H2 가스를 공급하는 H2 가스 공급 원(24), 질화 가스인 NH3 가스를 공급하는 NH3 가스 공급원(25), N2 가스를 공급하는 N2 가스 공급원(26)을 갖고 있다. 그리고, ClF3 가스 공급원(21)에는 ClF3 가스 공급 라인(27 및 30b)이, TiCl4 가스 공급원(22)에는 TiCl4 가스 공급 라인(28)이, Ar 가스 공급원(23)에는 Ar 가스 공급 라인(29)이, H2 가스 공급원(24)에는 H2 가스 공급 라인(30)이, NH3 가스 공급원(25)에는 NH3 가스 공급 라인(30a), N2 가스 공급원(26)에는 N2 가스 공급 라인(30c)이, 각각 접속되어 있다. 그리고, 각 가스 라인에는 매스플로우 컨트롤러(32) 및 매스플로우 컨트롤러(32)를 사이에 두고 2개의 밸브(31)가 마련되어 있다.
상기 제 1 가스 도입구(11)에는 TiCl4 가스 공급원(22)으로부터 연장되는 TiCl4 가스 공급 라인(28)이 접속되어 있고, 이 TiCl4 가스 공급 라인(28)에는 ClF3 가스 공급원(21)으로부터 연장되는 ClF3 가스 공급 라인(27) 및 Ar 가스 공급원(23)으로부터 연장되는 Ar 가스 공급 라인(29)이 접속되어 있다. 또한, 상기 제 2 가스 도입구(12)에는 H2 가스 공급원(24)으로부터 연장되는 H2 가스 공급 라인(30)이 접속되어 있고, 이 H2 가스 공급 라인(30)에는, NH3 가스 공급원(25)으로부터 연장되는 NH3 가스 공급 라인(30a), N2 가스 공급원(26)으로부터 연장되는 N2 가스 공급 라인(30c) 및 ClF3 가스 공급원(21)으로부터 연장되는 ClF3 가스 공급 라인(30b)이 접속되어 있다. 따라서, 프로세스시에는, TiCl4 가스 공급원(22)으로부터의 TiCl4 가스가 Ar 가스 공급원(23)으로부터의 Ar 가스와 함께 TiCl4 가스 공급 라인(28)을 통해서 샤워 헤드(10)의 제 1 가스 도입구(11)로부터 샤워 헤드(10) 내에 이르러, 가스 통로(13, 15)를 지나서 토출 구멍(17)으로부터 챔버(1) 내로 토출되는 한편, H2 가스 공급원(24)으로부터의 H2 가스가 H2 가스 공급 라인(30)을 통해서 샤워 헤드(10)의 제 2 가스 도입구(12)로부터 샤워 헤드(10) 내에 이르러, 가스 통로(14, 16)를 지나서 토출 구멍(18)으로부터 챔버(1) 내로 토출된다. 즉, 샤워 헤드(10)는, TiCl4 가스와 H2 가스가 완전히 독립적으로 챔버(1) 내에 공급되는 포스트믹스 타입이 되어 있고, 이들은 토출 후에 혼합되어 반응이 생긴다. 또, 이것에 한하지 않고 TiCl4와 H2가 혼합된 상태에서 이들을 챔버(1) 내에 공급하는 프리믹스 타입이더라도 좋다.
샤워 헤드(10)에는, 정합기(33)를 통해서 고주파 전원(34)이 접속되어 있고, 이 고주파 전원(34)으로부터 샤워 헤드(10)에 고주파 전력이 공급되게 되어 있다. 고주파 전원(34)으로부터 고주파 전력을 공급함으로써, 샤워 헤드(10)를 통해서 챔버(1) 내에 공급된 가스를 플라즈마화하여 성막 처리를 행한다.
또한, 샤워 헤드(10)의 상단 블록체(10a)의 수평부(10d)에는, 샤워 헤드(10)를 가열하기 위한 히터(45)가 마련되어 있다. 이 히터(45)에는 히터 전원(46)이 접속되어 있고, 히터 전원(46)으로부터 히터(45)에 급전함으로써 샤워 헤드(10)가 소망하는 온도로 가열된다. 상단 블록체(10a)의 오목부에는 히터(45)에 의한 가열 효율을 높이기 위해 단열 부재(47)가 마련되어 있다.
챔버(1)의 바닥벽(1b)의 중앙부에는 원형의 구멍(35)이 형성되어 있고, 바닥벽(1b)에는 이 구멍(35)을 덮도록 아래쪽을 향해서 돌출하는 배기실(36)이 마련되어 있다. 배기실(36)의 측면에는 배기관(37)이 접속되어 있고, 이 배기관(37)에는 배기 장치(38)가 접속되어 있다. 그리고 이 배기 장치(38)를 작동시킴으로써 챔버(1) 내를 소정의 진공도까지 감압하는 것이 가능해지고 있다.
서셉터(2)에는, 웨이퍼 W를 지지하여 승강시키기 위한 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(39)이 서셉터(2)의 표면에 대하여 돌몰(突沒) 가능하게 마련되고, 이들 웨이퍼 지지 핀(39)은 지지판(40)에 고정되어 있다. 그리고, 웨이퍼 지지 핀(39)은, 에어 실린더 등의 구동 기구(41)에 의해 지지판(40)을 통해서 승강된다.
챔버(1)의 측벽에는, 챔버(1)와 인접하여 마련된 도시하지 않는 웨이퍼 반송실과의 사이에서 웨이퍼 W의 반입출을 행하기 위한 반입출구(42)와, 이 반입출구(42)를 개폐하는 게이트 밸브(43)가 마련되어 있다.
Ti막 성막 장치(100)의 구성부인 히터 전원(6 및 46), 밸브(31), 매스플로우 컨트롤러(32), 정합기(33), 고주파 전원(34), 구동 기구(41) 등은, 마이크로 프로세서(컴퓨터)를 구비한 제어부(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 또한, 제어부(50)에는, 오퍼레이터가 Ti막 성막 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나 터치 패널, Ti막 성막 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 사용자 인터페이스(51)가 접속 되어 있다.
또한, 제어부(50)에는, Ti막 성막 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 제어부(50)의 제어로써 실현하기 위한 프로그램이나, 처리 조건에 따라 Ti막 성막 장치(100)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램, 즉, 레시피가 저장된 기억부(52)가 접속되어 있다. 레시피는 기억부(52) 중의 기억 매체(52a)에 기억되어 있다. 기억 매체는 하드디스크 등의 고정적인 것이더라도 좋고, CDROM, DVD 등의 가반성(transferability)인 것이더라도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예컨대, 전용 회선을 통해서 레시피를 적절히 전송시키도록 하여도 좋다. 그리고, 필요에 따라, 사용자 인터페이스(51)로부터의 지시 등으로써 임의의 레시피를 기억부(52)로부터 불러내어 제어부(50)에 실행시킴으로써, 제어부(50)의 제어 하에, Ti막 성막 장치(100)에서의 소망하는 처리가 행해진다.
다음으로, 이상과 같은 Ti막 성막 장치(100)에 있어서의 본 실시 형태에 따른 Ti막 성막 방법에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 있어서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 프리코트 공정(공정 1), Ti막 성막 공정(공정 2), 드라이클리닝 공정(공정 3)을 반복하여 행한다. 그리고, 이들을 소정 횟수 반복한 후, 정기적으로 챔버(1) 내의 웨트클리닝을 행한다.
공정 1의 프리코트 공정은, 챔버(1) 내의 컨디셔닝을 목적으로 행해지는 것이며, 챔버(1) 내에 웨이퍼가 반입되어 있지 않은 상태에서, Ti막 퇴적과 질화 처리를 복수 회 반복하여 샤워 헤드(10) 및 서셉터(2)의 표면에 프리코트막을 형성한 다.
공정 2의 Ti막 성막 공정은, 이와 같이 프리코트가 종료된 후의 챔버(1) 내에서, 웨이퍼 W에 대하여 Ti막의 퇴적 및 질화 처리를 행하여 Ti막을 성막하는 처리를 복수 매, 바람직하게는 3000매 이하, 예컨대, 500매의 웨이퍼 W에 대하여 연속적으로 행한다.
공정 3의 드라이클리닝 공정에서는, 복수 매의 Ti막 성막에 의해 오염된 챔버(1) 내를 클리닝가스인 ClF3 가스에 의해 클리닝한다.
다음으로, 상기 공정 1의 프리코트 공정에 대하여 상세히 설명한다.
공정 1의 프리코트 공정은, 신품 상태(또는 웨트클리닝 후) 또는 종전의 드라이클리닝 후에 행해지고, 웨이퍼 W가 챔버(1) 내에 반입되어 있지 않은 상태에서, 최초로 성막 온도보다 낮은 온도로 저온 프리코트를 행하여 저온 프리코트막을 형성하고(공정 1-1), 그 후, 성막 온도까지 온도를 상승시켜 고온 프리코트를 행하여 고온 프리코트막을 형성한다(공정 1-2).
최초로 성막 온도보다 낮은 온도로 저온 프리코트막을 형성하는 것은, 최초로 Ti막 성막시와 같은 온도로 프리코트 처리를 행하는 경우에는, 서셉터(2)를 구성하는 AlN이 클리닝 가스인 CIF3과 반응하여 생성된 AlF계 물질이 프리코트시에 승화하여, 밀착성이 약한 막으로서 샤워 헤드 표면에 부착되어, 성막 프로세스시에 프리코트막의 막 박리가 생겨 파티클의 원인이 될 우려가 있고, 또한, 프리코트시에 성막 가스에 포함되는 Ti가 챔버나 샤워 헤드에 포함되는 Ni와 반응하여 NiTi를 형성하여, 이것이 프리코트막 중에 유입되고, 그 후, 성막 프로세스 중에 녹아 웨이퍼 표면이 오염되어버릴 가능성이 있기 때문이다.
그러나, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이 , 프리코트를 성막 온도보다 낮은 온도로 행하여 서셉터(2) 및 샤워 헤드(10)의 표면에 저온 프리코트막(71)만을 형성한 경우, 그 후의 Ti막 성막 공정시에, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 W에 Ti막(81)이 성막되는 동시에, 서셉터(2) 및 샤워 헤드(10) 표면의 저온 프리코트막(71)의 위에도 Ti막(81)이 성막된다. 이때 저온 프리코트막(71)과 Ti막(81)은, 성막 온도가 다르므로 막질(결정상이나 잔류 염소량 등)이 다르다. 이 때문에, Ti막 성막 공정의 초기 단계에서는 서셉터(2) 및 샤워 헤드(10)에 코팅되는 막의 막질이 안정되지 않고, 이것이 웨이퍼 W에 성막되는 Ti막의 막 두께의 면 사이 격차(막 두께 드리프트)로 이어진다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 도 4(a)와 같이, 프리코트 공정에 있어서, 서셉터(2) 및 샤워 헤드(10)의 위에 최초로 성막 온도보다 낮은 온도로 저온 프리코트막(71)을 형성하고, 이어서 그 위에 성막 온도와 같은 온도로 고온 프리코트막(72)을 형성한다. 이와 같이 Ti막 성막시와 같은 온도로 고온 프리코트막(72)을 형성함으로써, 그 후의 Ti막 성막 공정에서는, 고온 프리코트와 같은 온도로 Ti막이 성막되게 되므로, 성막 단계에서 서셉터(2) 및 샤워 헤드(10)에 코팅되는 막의 막질은 안정하여, 웨이퍼 W에 성막되는 Ti막의 막 두께의 면 사이 격차(막 두께 드리프트)는 현저히 억제된다.
또한, 저온 프리코트막(71)은 막 중의 Cl이 충분히 빠지지 않으므로, 고온 프리코트막(72)보다 Cl 농도가 높다. 이 때문에, 저온 프리코트막(71)만이 형성되어 있는 경우에는, Cl이 프리코트막의 표면으로 이동함에 기인하는 미소한 막 박리에 의해 파티클이 발생할 우려가 있다. 이에 대하여, 저온 프리코트막(71)의 위에 고온 프리코트막(72)을 형성함으로써, 프리코트막 표면으로 이동하는 Cl량이 감소하여, 파티클의 발생을 저감할 수 있다.
여기서, 저온 프리코트(공정 1-1)시의 서셉터(2)의 온도는 350℃ 이상 550℃ 미만인 것이 바람직하다. 350℃ 미만에서는 Ti막 형성은 곤란하며, 550℃ 이상에서는 성막 가스에 포함되는 Ti가 챔버나 샤워 헤드에 포함되는 Ni와 반응하여 NiTi를 형성할 우려가 있기 때문이다. 보다 바람직한 온도는, 400℃ 이상 500℃ 이하이다.
또한, 고온 프리코트(공정 1-2)시의 서셉터(2)의 온도는, Ti막 성막 공정과 같다. 이에 따라, 프리코트 종료 후, 바로 Ti막의 성막을 개시할 수 있다. 이때, 후술하는 바와 같이, Ti막 성막시의 서셉터(2)의 온도는 550℃ 이상 680℃ 이하가 바람직한 범위이므로, 고온 프리코트시의 서셉터(2)의 온도도 550℃ 이상 680℃ 이하의 범위가 바람직하고, 이 범위 내에서 Ti막 성막이 행해지는 온도로 행해진다. 보다 바람직하게는 600℃ 이상 680℃ 이하이다.
또, 샤워 헤드(10)의 온도는, 저온 프리코트막의 형성 및 고온 프리코트막의 형성 모두 350℃ 이상 500℃ 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 이 온도 범위에 있어서, Ti와 샤워 헤드(10)의 Ni와의 반응을 막음으로써 파티클의 발생을 억제할 수 있고, 또한 안정한 막을 형성할 수 있기 때문이다.
다음으로, 구체적인 프리코트의 순서에 대하여 설명한다. 저온 프리코트막의 형성 및 고온 프리코트막의 형성 모두, 우선, 챔버(1) 내에 웨이퍼가 반입되어 있지 않은 상태에서, 배기 장치(38)에 의해 챔버(1) 내를 배기 상태로 하고, 챔버(1) 내에 Ar 가스와 N2 가스를 도입하면서, 히터(5)에 의해 서셉터(2)를 승온시켜, 서셉터(2)의 온도가 소정 온도로 안정된 시점에, TiCl4 가스를 소정 유량으로 도입하면서, 고주파 전원(34)으로부터 고주파 전력을 인가하여, 챔버(1) 내에 도입된 Ar 가스, H2 가스, TiCl4 가스를 플라즈마화함으로써, 챔버(1) 내벽, 배기실(36) 내벽, 샤워 헤드(10), 및 서셉터(2)에 Ti막을 형성하고, 계속해서 TiCl4 가스만을 정지하고, 질화 가스로서의 NH3 가스를 흐르게 함과 아울러 샤워 헤드(10)에 고주파 전력을 인가하여 이들 가스를 플라즈마화하여 Ti막을 질화한다. 이들 Ti막 형성과 질화 처리를 복수 회, 예컨대, 33회 반복하여 저온 프리코트막 또는 고온 프리코트막을 성막한다. 또, 질화 처리를 행하지 않고 소정 두께의 Ti막을 형성하도록 하여도 좋다.
프리코트 공정의 바람직한 조건은, 이하와 같다.
(1) Ti막 형성
ⅰ) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수 : 300㎑~27㎒
파워 : 100~1500W
ⅱ) TiCl4 가스 유량 : 1~20㎖/min(sccm)
ⅲ) Ar 가스 유량 : 100~2000㎖/min(sccm)
ⅳ) H2 가스 유량 : 250~5000㎖/min(sccm)
ⅴ) 챔버 내 압력 : 400~1333㎩(3~10Torr)
(2) 질화 처리
ⅰ) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수 : 300㎑~27㎒
파워 : 400~1500W
ⅱ) NH3 가스 유량 : 100~2000㎖/min(sccm)
ⅲ) Ar 가스 유량 : 100~2000㎖/min(sccm)
ⅳ) H2 가스 유량 : 250~5000㎖/min(sccm)
ⅴ) 챔버 내 압력 : 400~1333㎩(3~10Torr)
다음으로, 공정 2의 Ti막 성막 공정에 대하여 상세히 설명한다.
공정 2의 Ti막 성막 공정에 있어서는, 상술한 바와 같이 공정 1의 프리코트에 의해 저온 프리코트막(71) 및 고온 프리코트막(72)의 2층 구조의 프리코트막의 형성이 종료된 후, 챔버(1) 내에서, 웨이퍼 W에 대한 Ti막의 퇴적(공정 2-1) 및 질화 처리(공정 2-2)를, 복수 매, 바람직하게는 3000매 이하, 예컨대, 500매의 웨이퍼 W에 대하여 연속적으로 행한다.
Ti막의 퇴적은, 히터(5)에 의해 서셉터(2)를 소정 온도까지 상승시킨 후에, 챔버(1) 내를 게이트 밸브(43)를 통해서 접속되어 있는 외부 분위기와 같게 조정하고, 그 후에, 게이트 밸브(43)를 열어, 진공 상태의 도시하지 않는 웨이퍼 반송실로부터 반입출구(42)를 통해서 웨이퍼 W를 챔버(1) 내로 반입한다. 이어서, 프리코트 공정에 있어서 샤워 헤드(10) 등에 Ti막을 형성한 순서와 마찬가지로, 챔버(1) 내에 도입된 Ar 가스, H2 가스, TiCl4 가스를 플라즈마화하여 이들을 반응시켜, 웨이퍼 W상에 소정의 두께의 Ti막을 퇴적한다.
Ti막의 퇴적 후의 질화 처리에서는, 상기 Ti막의 퇴적 종료 후, TiCl4 가스를 정지하고, H2 가스 및 Ar 가스를 흐르게 한 상태로 하여, 챔버(1) 내(챔버벽이나 샤워 헤드 표면 등)를 적절한 온도로 가열하면서, 질화 가스로서 NH3 가스를 흐르게 함과 아울러, 고주파 전원(34)으로부터 샤워 헤드(10)에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스를 플라즈마화하고, 플라즈마화한 처리 가스에 의해 웨이퍼 W에 성막한 Ti 박막의 표면을 질화한다. 또, 질화 처리는 필수적이지 않다.
공정 2의 Ti막 성막 공정에 있어서는, 서셉터(2)의 온도 범위로서 550℃ 이상 680℃ 이하가 바람직하다. 또한, 샤워 헤드(10)의 온도 범위로서 350℃ 이상 500℃ 이하가 바람직하다. 이 Ti막 성막 공정에서는, 고온 프리코트막을 형성할 때의 서셉터(2) 및 샤워 헤드(10)의 온도를 유지한 채로, 웨이퍼 W를 챔버(1)에 도입하여 처리를 시작한다.
이렇게 하여 Ti막 성막 처리를, 복수의 웨이퍼 W에 대하여 연속적으로 행할 때에는, 상술한 바와 같이, 프리코트 공정시에 상층으로서 Ti막 성막 공정시와 같 은 온도로 형성한 고온 프리코트막을 형성하고 있으므로, Ti막 성막 공정시에 서셉터(2) 및 샤워 헤드(10)에 코팅되는 막은, 고온 프리코트막과 동등한 막질을 갖고 있고, 막질이 다른 막이 코팅됨으로써 Ti막의 막 두께가 드리프트하는 현상이 생기지 않아, 막 두께의 면 사이 격차가 억제된다.
Ti막 성막 공정의 바람직한 조건은, 이하와 같다.
(1) Ti막의 퇴적
ⅰ) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수 : 300㎑~27㎒
파워 : 100~1500W
ⅱ) TiCl4 가스 유량 : 1~20㎖/min(sccm)
ⅲ) Ar 가스 유량 : 100~2000㎖/min(sccm)
ⅳ) H2 가스 유량 : 250~5000㎖/min(sccm)
ⅴ) 챔버 내 압력 : 400~1333㎩(3~10Torr)
(2) 질화 처리
ⅰ) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수 : 300㎑~27㎒
파워 : 100~1500W
ⅱ) NH3 가스 유량 : 100~2000㎖/min(sccm)
ⅲ) Ar 가스 유량 : 100~2000㎖/min(sccm)
ⅳ) H2 가스 유량 : 250~5000㎖/min(sccm)
ⅴ) 챔버 내 압력 : 400~1333㎩(3~10Torr)
다음으로, 공정 3의 드라이클리닝 공정에 대하여 설명한다.
이 공정에 있어서는, 종전의 Ti막 성막 후, 챔버(1) 내에 웨이퍼가 존재하지 않는 상태에서, 챔버(1) 내에 ClF3 가스를 도입하여, 드라이클리닝을 행한다. 드라이클리닝은 히터(5)에 의해 서셉터(2)를 가열하면서 행하지만, 그 때의 서셉터(2)의 온도는 170~250℃로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 비교적 낮은 온도로 클리닝을 행함으로써, ClF3 가스와 서셉터(2)를 구성하는 AlN의 반응이 억제되어, 서셉터(2)에 형성되는 AlF계 물질 AlFx의 양을 적게 할 수 있다. 샤워 헤드(10)의 온도는, 150~250℃가 바람직하다. 또, 클리닝 공정에 있어서는, ClF3 외에, NF3, F2 등의 다른 불소계 가스를 이용할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 있어서의 Ti 성막 방법에 있어서의 서셉터 및 샤워 헤드의 전형적인 온도 프로파일 예를 종래의 온도 프로파일 예와 비교하여 설명한다. 도 5는 서셉터의 온도 프로파일을 나타내는 도면이며, 도 6은 샤워 헤드의 온도 프로파일을 나타내는 도면이다. 또, 이들 도면에서는, 편의적으로 드라이클리닝 공정으로부터 나타내고 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 종래의 서셉터(2)의 온도 프로파일 예는, 200℃에서 드라이클리닝 공정을 행한 후, 450℃까지 승온시켜, 그 온도에서 프리코트 공 정을 행하여 프리코트막을 형성하고, 그 후에, 서셉터(2)의 온도를 640℃까지 승온시키고, 챔버(1) 내에 웨이퍼 W를 반입하여 소정 매수에 대한 Ti막 성막 공정을 행하고, 그 후 서셉터(2)를 강온시킨다.
이에 대하여, 본 실시 형태에 있어서의 서셉터(2)의 온도 프로파일 예는, 200℃에서 드라이클리닝 공정을 행한 후, 450℃까지 승온시켜, 그 온도에서 저온 프리코트막을 형성하고, 또한 서셉터(2)의 온도를 640℃까지 승온시켜, 고온 프리코트막을 형성한다고 하는 2층의 프리코트막을 형성하는 프리코트 공정을 행하고, 그 후, 서셉터(2)의 온도를 640℃로 유지한 채로, 챔버(1) 내에 웨이퍼 W를 반입하여 소정 매수의 웨이퍼 W에 대한 Ti막 성막 공정을 행하고, 그 후 서셉터(2)를 강온시킨다.
또한, 샤워 헤드(10)의 온도는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 종래에도 본 실시 형태도 드라이클리닝 공정에서는 250℃로 하고, 그 후 400~500℃의 임의의 온도(도 6에서는 400℃)까지 승온시켜, 프리코트 공정 및 Ti막 성막 공정 모두 동일 온도에서 실시한다.
다음으로, 본 발명의 효과를 확인한 실험에 대하여 설명한다.
여기서는, 도 5, 6에 예시하는 바와 같은 종래 및 본 발명의 온도 프로파일을 이용하여 드라이클리닝, 프리코트를 행하고, Ti막 성막을 500매의 웨이퍼에 대하여 반복하여 행했다. 이러한 처리를, 표면에 산화막을 형성한 실리콘 웨이퍼 및 베어(bare) 상태의 실리콘 웨이퍼에 대하여 행했다. 산화막 웨이퍼에 대해서는, 1매째, 8매째, 16매째의 Ti막의 저항치 및 막 두께를 측정하고, 베어 웨이퍼에 대해 서는, 2매째, 9매째, 17매째의 Ti막의 저항치 및 막 두께를 측정했다. 산화막 웨이퍼의 결과를 표 1에, 베어 웨이퍼의 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 450℃에서의 저온 프리코트막 및 640℃에서의 고온 프리코트막의 막질의 차이를 파악했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 따라 저온 프리코트 및 고온 프리코트를 행한 본 발명예에서는, 베이스막에 관계없이, 저항치 및 막 두께의 면 사이 격차가 종래의 저온 프리코트만인 것보다 대폭으로 개선되는 것이 확인되었다.
또한, 표 3에 나타내는 바와 같이, 저온 프리코트막과 고온 프리코트막은 Cl 농도가 달라, 막질의 차이가 확인되었다. 표 1에 나타내는 바와 같이 저온 프리코트만의 종래의 방법에서는, Ti막 성막의 초기에 있어서 파티클의 발생이 보였지만, 이것은, 표 3에 나타내는 바와 같이 Cl 농도가 높은 저온 프리코트막에 있어서 막 중의 Cl이 표면으로 이동함으로써 미소한 막 박리가 생김에 의한 것으로 생각된다. 이에 대하여, 저온 프리코트막의 위에 Cl 농도가 낮은 고온 프리코트막이 형성된 본 발명예에서는, 표면으로 이동하는 Cl량이 적어 파티클의 발생도 적은 것이 확인되었다.
또, 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되는 일 없이 여러 가지 변형 가능하다. 예컨대, 상기 실시 형태에서는 본 발명을 Ti막을 성막하는 경우에 적용한 경우에 대해서 나타냈지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, TiN막 등의 다른 Ti계 막의 성막에도 적용 가능하다. 또한, 피처리 기판으로서는, 반도체 웨이퍼에 한하지 않고, 예컨대, 액정 표시 장치(LCD)용 기판, 유리 기판, 세라믹 기판 등의 다른 것이더라도 좋다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 Ti막의 성막 방법의 실시에 이용하는 Ti막 성막 장치의 일례를 나타내는 개략 단면도,
도 2는 본 발명의 한 실시 형태에 따른 Ti막의 성막 방법을 나타내는 흐름도,
도 3은 서셉터 및 샤워 헤드에 저온 프리코트막만을 형성한 상태와, 그 후 Ti막을 성막한 상태를 나타내는 도면,
도 4는 서셉터 및 샤워 헤드에 저온 프리코트막과 고온 프리코트막을 형성한 상태와, 그 후 Ti막을 성막한 상태를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 있어서의 Ti 성막 방법에 있어서의 서셉터의 전형적인 온도 프로파일 예를 종래의 온도 프로파일 예와 비교하여 나타내는 도면,
도 6은 본 발명 및 종래의 샤워 헤드의 전형적인 온도 프로파일을 나타내는 도면이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 챔버 2 : 서셉터
5 : 히터 10 : 샤워 헤드
20 : 가스 공급 기구 21 : ClF3 가스 공급원
22 : TiCl4 가스 공급원 23 : Ar 가스 공급원
24 : H2 가스 공급원 25 : NH3 가스 공급원
26 : N2 가스 공급원 34 : 고주파 전원
50 : 제어부 71 : 저온 프리코트막
72 : 고온 프리코트막 81 : Ti막
W : 반도체 웨이퍼
Claims (13)
- 피처리체를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 Ti 함유 가스를 포함하는 처리 가스 및 클리닝 가스를 토출시키는 가스 토출 부재와, 상기 챔버 내에서 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대를 가열하는 가열 수단을 갖는 장치를 이용하여 피처리체의 표면에 Ti계 막을 성막하는 Ti계 막의 성막 방법으로서,상기 탑재대의 위에 피처리체가 존재하지 않는 상태에서 상기 탑재대를 상기 가열 수단에 의해 가열함과 아울러 상기 가스 토출 부재로부터 상기 처리 가스를 상기 챔버 내에 토출시켜, 적어도 상기 가스 토출 부재의 표면에 프리코트막을 형성하는 공정과,그 후, 상기 가열 수단에 의해 가열된 상태의 상기 탑재대에 피처리체를 탑재하고, 상기 챔버 내에 상기 처리 가스를 공급하여 피처리체 대하여 Ti계 막을 성막하는 처리를 복수의 피처리체에 대하여 행하는 공정과,상기 탑재대에 피처리체가 존재하지 않는 상태에서 상기 챔버 내에 클리닝 가스를 도입하여 상기 챔버 내를 클리닝하는 공정을 포함하며, 이들을 순차적으로 반복하여 행하고,상기 프리코트막을 형성하는 공정에 있어서는, 상기 탑재대의 온도를 상기 성막 공정시의 온도보다 낮은 온도로 저온 프리코트막을 형성한 후, 상기 성막 공정시의 온도로 고온 프리코트막을 형성하는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 탑재대는 AlN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 가스 토출 부재는 적어도 표면이 Ni 함유 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 저온 프리코트막을 형성할 때의 상기 탑재대의 온도는 350℃ 이상 550℃ 미만이며, 상기 고온 프리코트막을 형성할 때 및 상기 Ti계 막을 성막할 때의 상기 탑재대의 온도는 550℃ 이상 680℃ 이하인 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 프리코트막을 형성할 때 및 상기 Ti계 막을 성막할 때의 상기 가스 토 출 부재의 온도는 350℃ 이상 500℃ 이하인 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 프리코트막 및 상기 Ti계 막은, Ti 함유 가스와 환원 가스에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 프리코트막의 성막은, Ti 함유 가스와 환원 가스를 교대적으로 공급하여 행해지는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 프리코트막의 성막은, 프리코트막의 질화 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 Ti계 막은 Ti막인 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 처리 가스는, TiCl4 가스와 H2 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 Ti계 막을 성막하는 공정이 종료된 후에, Ti막에 질화 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 가스 토출 부재는, 상기 탑재대와 대향하여 마련되고, 다수의 가스 토출 구멍이 형성된 샤워 헤드인 것을 특징으로 하는 Ti계 막의 성막 방법.
- 컴퓨터상에서 동작하고, 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서,상기 제어 프로그램은, 실행시에, 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 성막 장치를 제어시키는 것을 특징으로 하는기억 매체.
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