KR20100126257A - 금속계막의 성막 방법 및 기억 매체 - Google Patents
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Abstract
금속계막을 성막하는 데 있어서, 챔버 내에, 프리코트막을 성막하는 공정과, 프리코트 후의 챔버 내에 피처리 기판을 반입하여 스테이지 상에 배치하고, 피처리 기판을 가열하면서, 처리 가스를 공급하여 처리 가스의 플라즈마를 생성하며, 플라즈마 CVD에 의해 피처리 기판에 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행하는 공정과, 복수 장의 피처리 기판에 대한 성막 처리가 종료된 단계에서, 챔버 내에 클리닝 가스를 도입하여 드라이 클리닝을 행하는 공정을 반복하여 행하고, 피처리 기판에 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행하는 공정은, 그 도중에 1회 또는 2회 이상, 스테이지 상에 도전성막을 형성한다.
Description
본 발명은, 챔버 내에서 CVD에 의해 금속계막을 성막(成膜)하는 금속계막의 성막 방법 및 기억 매체에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 최근의 고밀도화 및 고집적화의 요청에 대응하여 회로 구성이 점점 미세화되고 있고, 배선층, 매립층, 컨택트층 등에 이용되는 금속계막을 양호한 스텝 커버리지로 형성되는 것이 요구되고, 그러한 요구에 대응하는 기술로서 CVD(Chemical Vapor Deposition)가 채용되고 있다.
예컨대, 컨택트층으로서 이용되는 Ti막을 CVD 성막하는 경우에는, 챔버 내에 1장씩 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(이하, 단순히 웨이퍼라고 약기함)를 반입하고, 원료 가스로서, 예컨대 TiCl4 가스를 이용하고, 환원 가스로서, 예컨대 H2 가스를 이용하여 이들의 플라즈마를 생성하면서, 400℃∼700℃ 정도로 가열된 스테이지 상의 웨이퍼에 Ti막을 성막하는 매엽식(枚葉式) 플라즈마 CVD가 채용된다.
이러한 매엽식 플라즈마 CVD에 의한 Ti막의 성막에 있어서는, 챔버 내에 프리코트 처리를 행하고, 계속해서, Ti막의 성막을 수백 장∼수천 장의 웨이퍼에 대하여 연속하여 행하며, 그 후 ClF3 가스 등에 의해 드라이 클리닝을 행한다고 하는 사이클을 반복하여 행하는 방법이 채용되고 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제2007-165479호 공보).
최근, 플라즈마 CVD에 의한 Ti막 성막의 이전 공정으로서 행해지는 에칭 공정에서 미세 가공이 진행되고 있기 때문에, 웨이퍼 이면의 주연(周緣)부(베벨 부근)에 에칭시의 폴리머계(C-F계) 잔류물이 남기 쉽게 되어 있고, 또한, 에칭 후의 애싱 및 웨트 클리닝이 매엽 처리로 이행하고 있는 관계상, 이들 처리가 웨이퍼 이면에 대하여 충분히 행해지지 않기 때문에, Ti 성막 챔버로는, 이면에 폴리머 잔류물이 남은 상태의 웨이퍼가 반입된다. 이러한 웨이퍼 이면의 폴리머 잔류물은, 웨이퍼 스테이지인 고온의 서셉터 상(특히 웨이퍼의 주연부에 대응하는 부분)에 부착되고, Ti 성막을 반복하여 행하는 동안에 서서히 두꺼워져, 웨이퍼와 스테이지 사이에 미소한 간극이 생기는 경우가 있다. 이러한 상태에서, 플라즈마 생성을 위해 고주파 전력을 인가하면, 미소 간극이 생긴 부분에서 이상 방전이 일어나 제품 트러블이나 스테이지 손상의 문제가 발생할 우려가 있다.
본 발명의 목적은, 피처리 기판과 스테이지 사이에서 이상 방전이 일어나기 어려운 금속계막의 성막 방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 그러한 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기억시킨 기억 매체를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 관점에 따르면, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 피처리 기판을 배치하는 스테이지와, 스테이지 상의 피처리 기판을 가열하는 히터와, 챔버 내에 성막용 처리 가스 및 클리닝 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내에 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 기구와, 상기 챔버 내를 배기시키는 배기 수단을 갖는 성막 장치를 이용하여, 플라즈마 CVD에 의해 금속계막을 성막하는 금속계막의 성막 방법으로서, 상기 챔버 내에, 상기 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 도전성의 프리코트막을 성막하는 것과, 상기 프리코트 후의 챔버 내에 피처리 기판을 반입하여 상기 스테이지 상에 배치하고, 상기 히터에 의해 피처리 기판을 가열하면서, 상기 처리 가스를 공급하여 처리 가스의 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 CVD에 의해 피처리 기판에 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행하는 것과, 상기 복수 장의 피처리 기판에 대한 성막 처리가 종료된 단계에서, 상기 챔버 내에 상기 클리닝 가스를 도입하여 드라이 클리닝을 행하는 것을 반복하여 행하고, 상기 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행할 때에, 그 도중에 1회 또는 2회 이상의, 상기 스테이지 상으로의 도전성막의 형성을 포함하는 금속계막의 성막 방법이 제공된다.
상기 제1 관점에 있어서, 상기 프리코트막의 성막은, 상기 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 막의 형성과, 그 막의 질화 처리를 복수 회 반복함으로써 행할 수 있다. 또한, 상기 도전성막의 형성은, 상기 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 막을 형성하는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 관점에 있어서, 상기 도전성막의 형성은, 미리 정해진 장수의 기판의 성막 처리마다 행할 수 있다. 이 경우에, 상기 도전성막의 형성은, 1장∼250장의 기판의 성막 처리마다 행하는 것이 바람직하고, 상기 도전성막의 형성은, 1로트, 예컨대 25장의 기판의 성막 처리마다 행하는 것이 보다 바람직하다.
게다가, 상기 금속계막은 Ti, TiN, W, WN, Ta, TaN 중 어느 하나로 구성할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에서는, 컴퓨터 상에서 동작하며, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 피처리 기판을 배치하는 스테이지와, 스테이지 상의 피처리 기판을 가열하는 히터와, 챔버 내에 성막용 처리 가스 및 클리닝 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내에 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 기구와, 상기 챔버 내를 배기시키는 배기 수단을 갖는 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 프로그램은, 실행시에, 상기 챔버 내에, 상기 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 도전성 프리코트막을 성막하는 것과, 상기 프리코트 후의 챔버 내에 피처리 기판을 반입하여 상기 스테이지 상에 배치하고, 상기 히터에 의해 피처리 기판을 가열하면서, 상기 처리 가스를 공급하여 처리 가스의 플라즈마를 생성하여, 플라즈마 CVD에 의해 피처리 기판에 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행하는 것과, 상기 복수 장의 피처리 기판에 대한 성막 처리가 종료된 단계에서, 상기 챔버 내에 상기 클리닝 가스를 도입하여 드라이 클리닝을 행하는 것을 반복하여 행하고, 상기 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행할 때에, 그 도중에 1회 또는 2회 이상의, 상기 스테이지 상으로의 도전성막의 형성을 포함하는 금속계막의 성막 방법이 행해지도록, 컴퓨터가 상기 성막 장치를 제어하게 하는 기억 매체가 제공된다.
본 발명에 따르면, 피처리 기판에 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행하는 공정은, 그 도중에 1회 또는 2회 이상의, 상기 챔버 내로의 도전성막의 형성을 포함하기 때문에, 스테이지의 기판 주연부에 대응하는 부분에 폴리머가 퇴적되어도, 도전성막에 의해, 기판에 차지(charge)된 전하를 스테이지에 흐르게 할 수 있어, 기판과 스테이지 사이의 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 성막 방법의 실시에 이용하는 성막 장치의 일례를 나타낸 개략 단면도.
도 2는 Ti막 성막시의 공정을 나타낸 흐름도.
도 3은 종래의 성막 방법을 나타낸 도면.
도 4는 웨이퍼와 서셉터 사이에 이상 방전이 일어나는 메커니즘을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 성막 방법을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 성막 방법에 이용되는 도전성막의 작용을 설명하기 위한 도면.
도 7은 통상의 경우의 플라즈마의 Vdc, Vpp를 나타낸 도면.
도 8은 이상 방전이 일어나고 있는 경우의 플라즈마의 Vdc, Vpp를 나타낸 도면.
도 9는 종래의 방법을 이용한 케이스 1의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 나타낸 도면.
도 10은 Vdc의 변동이 발생한 후(254장 성막 후)에, 프리코트 처리를 넣은 케이스 2의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 나타낸 도면.
도 11은 1로트 25장의 웨이퍼의 성막 공정마다 쇼트 프리코트를 행하는 케이스 3의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 도시한 도면.
도 12는 최초의 200장의 웨이퍼까지 연속하여 성막 공정을 행한 후, 쇼트 프리코트를 행하고, 그 후 1로트 25장의 웨이퍼의 Ti 성막 공정마다 쇼트 프리코트를 행한 케이스 4의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 도시한 도면.
도 2는 Ti막 성막시의 공정을 나타낸 흐름도.
도 3은 종래의 성막 방법을 나타낸 도면.
도 4는 웨이퍼와 서셉터 사이에 이상 방전이 일어나는 메커니즘을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 성막 방법을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 성막 방법에 이용되는 도전성막의 작용을 설명하기 위한 도면.
도 7은 통상의 경우의 플라즈마의 Vdc, Vpp를 나타낸 도면.
도 8은 이상 방전이 일어나고 있는 경우의 플라즈마의 Vdc, Vpp를 나타낸 도면.
도 9는 종래의 방법을 이용한 케이스 1의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 나타낸 도면.
도 10은 Vdc의 변동이 발생한 후(254장 성막 후)에, 프리코트 처리를 넣은 케이스 2의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 나타낸 도면.
도 11은 1로트 25장의 웨이퍼의 성막 공정마다 쇼트 프리코트를 행하는 케이스 3의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 도시한 도면.
도 12는 최초의 200장의 웨이퍼까지 연속하여 성막 공정을 행한 후, 쇼트 프리코트를 행하고, 그 후 1로트 25장의 웨이퍼의 Ti 성막 공정마다 쇼트 프리코트를 행한 케이스 4의 Ti막의 성막 방법 및 Vdc의 상태를 도시한 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 금속계막의 성막 방법의 실시에 이용하는 성막 장치의 일례를 나타낸 개략 단면도이다. 여기서는, 플라즈마 CVD에 의해 Ti막을 성막하는 경우를 예를 들어 설명한다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 가스 유량의 단위는 ㎖/min를 이용하고 있지만, 가스는 온도 및 기압에 따라 체적이 크게 변화되기 때문에, 본 발명에서는 표준 상태로 환산한 값을 이용하고 있다. 또한, 표준 상태로 환산한 유량은 통상 sccm(Standard Cubic Centimeter per Minutes)으로 표기되기 때문에 sccm을 병기하고 있다. 여기에 있어서의 표준 상태는, 온도 0℃(273.15 K), 기압 1 atm(101325 Pa)의 상태이다.
성막 장치(100)는 평행 평판 전극에 고주파 전계를 형성함으로써 플라즈마를 형성하면서 CVD에 의해 Ti막을 성막하는 플라즈마 CVD-Ti 성막 장치로서 구성된다.
이 성막 장치(100)는, 대략 원통형의 챔버(1)를 갖고 있다. 챔버(1)의 내부에는, 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 스테이지인 AlN으로 구성된 서셉터(2)가 그 중앙 하부에 설치된 원통형의 지지 부재(3)에 의해 지지된 상태로 배치되어 있다. 서셉터(2)의 외연부에는 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 가이드링(4)이 설치되어 있다. 또한, 서셉터(2)에는 몰리브덴 등의 고융점 금속으로 구성된 히터(5)가 매립되어 있고, 이 히터(5)는 히터 전원(6)으로부터 급전됨으로써 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 미리 정해진 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 상부벽(1a)에는, 절연 부재(9)를 통해 평행 평판 전극의 상부 전극으로서도 기능하는 샤워 헤드(10)가 설치되어 있다. 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 블록체(10c)와 함께 샤워 헤드 본체부를 구성하는 수평부(10d)와 이 수평부(10d)의 외주 상측으로 연속되는 환상(環狀) 지지부(10e)를 가지며, 오목형으로 형성되어 있다. 그리고, 이 환상 지지부(10e)에 의해 샤워 헤드(10) 전체가 지지되어 있다. 그리고, 하단 블록체(10c)에는 가스를 토출하는 토출 구멍(17, 18)이 교대로 형성되어 있다. 상단 블록체(10a)의 상면에는, 제1 가스 도입구(11)와 제2 가스 도입구(12)가 형성되어 있다. 상단 블록체(10a) 내에서는, 제1 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 통해 이들 가스 통로(15)로 연통되어 있다. 또한, 이 가스 통로(15)가 하단 블록체(10c)의 토출 구멍(17)으로 연통되어 있다. 또한, 상단 블록체(10a) 내에서는, 제2 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)로 연통되어 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)으로 연통되어 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 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 공급원(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, 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)이, N2 가스 공급원(26)에는 N2 가스 공급 라인(30c)이, 각각 접속되어 있다. 그리고, 각 가스 라인에는 매스 플로우 컨트롤러(32) 및 매스 플로우 컨트롤러(32)를 사이에 두고 2개의 밸브(31)가 설치되어 있다.
상기 제1 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 제2 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 통해 샤워 헤드(10)의 제1 가스 도입구(11)로부터 샤워 헤드(10) 내에 도달하여 가스 통로(13, 15)를 거쳐 토출 구멍(17)으로부터 챔버(1) 내로 토출되는 한편, H2 가스 공급원(24)으로부터의 H2 가스가 H2 가스 공급 라인(30)을 통해 샤워 헤드(10)의 제2 가스 도입구(12)로부터 샤워 헤드(10) 내에 도달하여 가스 통로(14, 16)를 거쳐 토출 구멍(18)으로부터 챔버(1) 내로 토출된다. 즉, 샤워 헤드(10)는, TiCl4 가스와 H2 가스가 완전히 독립적으로 챔버(1) 내에 공급되는 포스트 믹스 타입으로 되어 있어, 이들은 토출 후에 혼합되어 반응이 일어난다. 또한, 이것에 한정되지 않고 TiCl4와 H2가 샤워 헤드(10) 내에서 혼합된 상태로 이들을 챔버(1) 내로 공급하는 프리믹스 타입이어도 좋다.
샤워 헤드(10)에는, 정합기(33)를 통해 고주파 전원(34)이 접속되어 있고, 이 고주파 전원(34)으로부터 샤워 헤드(10)에 고주파 전력이 공급되도록 되어 있다. 고주파 전원(34)으로부터 고주파 전력을 공급함으로써, 샤워 헤드(10)를 통해 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 설치되어 있다. 이 히터(45)에는 히터 전원(46)이 접속되어 있고, 히터 전원(46)으로부터 히터(45)에 급전함으로써 샤워 헤드(10)가 원하는 온도로 가열된다. 상단 블록체(10a)의 오목부에는 히터(45)에 의한 가열 효율을 높이기 위해서 단열 부재(47)가 설치되어 있다.
챔버(1)의 바닥벽(1b)의 중앙부에는 원형의 구멍(35)이 형성되어 있고, 바닥벽(1b)에는 이 구멍(35)을 덮도록 아래쪽을 향해 돌출되는 배기실(36)이 설치되어 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 미리 정해진 진공도까지 감압하는 것이 가능해지고 있다.
서셉터(2)에는, 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지핀(39)이 서셉터(2)의 표면에 대하여 돌출 함몰(突沒) 가능하게 설치되고, 이들 웨이퍼 지지핀(39)은 지지판(40)에 지지되어 있다. 그리고, 웨이퍼 지지핀(39)은, 에어 실린더 등의 구동 기구(41)에 의해 지지판(40)을 통해 승강된다.
챔버(1)의 측벽에는, 챔버(1)와 인접하여 설치된 도시하지 않은 웨이퍼 반송실과의 사이에서 웨이퍼(W)의 반입/반출을 행하기 위한 반입/반출구(42)와, 이 반입/반출구(42)를 개폐하는 게이트 밸브(43)가 설치되어 있다.
성막 장치(100)의 구성부인 히터 전원(6, 46), 밸브(31), 매스 플로우 컨트롤러(32), 정합기(33), 고주파 전원(34), 구동 기구(41) 등은 마이크로프로세서(컴퓨터)를 구비한 제어부(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 또한, 제어부(50)에는, 오퍼레이터가 성막 장치(100)를 관리하기 위해서 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 성막 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어진 사용자 인터페이스(51)가 접속되어 있다. 또한, 제어부(50)에는, 성막 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 제어부(50)의 제어로써 실현하기 위한 프로그램이나, 처리 조건에 따라 성막 장치(100)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램, 즉 레시피가 저장된 기억부(52)가 접속되어 있다. 레시피는 기억부(52) 내의 기억 매체(52a)에 기억되어 있다. 기억 매체는 하드디스크 등의 고정적인 것이어도 좋고, CDROM, DVD 등의 휴대성(可搬性)인 것이어도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예컨대 전용회선을 통해 레시피를 적절하게 전송시키도록 하여도 좋다. 그리고, 필요에 따라, 사용자 인터페이스(51)로부터의 지시 등으로써 임의의 레시피를 기억부(52)로부터 호출하여 제어부(50)에 실행시킴으로써 제어부(50)의 제어 하에서, 성막 장치(100)에 의한 원하는 처리가 행해진다.
다음에, 이상과 같은 성막 장치(100)에 있어서의 본 실시형태에 따른 Ti막의 성막 방법에 대해서 설명한다.
본 실시형태에 있어서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 프리코트 공정(공정 1), 성막 공정(공정 2), 드라이 클리닝 공정(공정 3)을 미리 정해진 횟수 반복하고, 그 후 웨트 클리닝 공정(공정 4)을 행한다.
공정 1의 프리코트 공정은, 챔버(1) 내로 웨이퍼가 반입되어 있지 않은 상태에서, Ti막 퇴적과 질화 처리를 복수 회 반복하여 챔버(1) 내에 프리코트막을 형성한다.
공정 2의 성막 공정은, 이와 같이 프리코트가 종료된 후의 챔버(1) 내에서 웨이퍼(W)에 대한 Ti막의 퇴적 및 질화 처리를 복수 장, 바람직하게는 3000장 이하, 예컨대 500장의 웨이퍼(W)에 대해서 행한다.
공정 3의 드라이 클리닝 공정에서는, 챔버(1) 내에 웨이퍼가 존재하지 않는 상태에서, 챔버(1) 내에 ClF3 가스를 도입하여 챔버(1) 내의 드라이 클리닝을 행한다. 드라이 클리닝은 히터(5)에 의해 서셉터(2)를 가열하면서 행하지만, 그 때의 온도는 170℃∼250℃로 하는 것이 바람직하다. 또한, 드라이 클리닝 공정에서는, ClF3 이외에 NF3, F2 등의 다른 불소계 가스를 이용할 수 있다.
공정 4의 웨트 클리닝 공정은, 상기 공정 1∼3을 미리 정해진 횟수 반복하여 누적 처리 장수가 미리 정해진 장수, 예컨대 5000장∼30000장이 된 시점에서, 암모니아 등의 약제에 의해 챔버(1) 내를 웨트 클리닝한다.
다음에, 상기 공정 1 및 공정 2에 대해서 구체적으로 설명한다.
공정 1의 프리코트 공정에 있어서는, 챔버(1) 내에 웨이퍼가 반입되어 있지 않은 상태에서, 배기 장치(38)에 의해 챔버(1) 내를 탈기 상태로 하여 챔버(1) 내에 Ar 가스와 N2 가스를 도입하면서, 히터(5)에 의해 서셉터(2)의 온도를 상승시킨다. 서셉터(2)의 온도가 미리 정해진 온도로 안정된 시점에서, TiCl4 가스를 미리 정해진 유량으로 도입하면서, 고주파 전원(34)으로부터 고주파 전력을 인가하여 챔버(1) 내에 도입된 Ar 가스, H2 가스, TiCl4 가스를 플라즈마화한다. 이에 따라, 챔버(1) 내벽, 배기실(36) 내벽, 샤워 헤드(10) 및 서셉터(2)에 Ti막을 형성한다. 계속해서 TiCl4 가스만을 정지하고, 질화 가스로서의 NH3 가스를 흐르게 하며, 샤워 헤드(10)에 고주파 전력을 인가하여 이들 가스를 플라즈마화하여 Ti막을 질화한다. 이들 Ti막 형성과 질화 처리를 복수 회, 예컨대 33회 반복하여 프리코트막을 성막한다. 또한, 질화 처리를 행하지 않고 미리 정해진 두께의 Ti막을 형성하도록 하여도 좋다.
프리코트 공정의 바람직한 조건은, 이하와 같다.
(1) Ti막 형성
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300 kHz∼27 MHz
파워: 100 W∼1500 W
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) 챔버내 압력: 440∼1333 Pa(3∼10 Torr)
(2) 질화 처리
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300 kHz∼27 MHz
파워: 400 W∼1500 W
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) 챔버내 압력: 440∼1333 Pa(3∼10 Torr)
공정 2의 성막 공정에 있어서는, 전술한 바와 같이 프리코트가 종료된 후의 챔버(1) 내에서 웨이퍼(W)에 대한 Ti막의 퇴적 및 질화 처리를 이하와 같이 하여 행한다.
Ti막의 퇴적은, 히터(5)에 의해 서셉터(2)를 미리 정해진 온도까지 상승시킨 후에, 챔버(1) 내를 게이트 밸브(43)를 통해 접속되어 있는 외부 분위기와 마찬가지로 조정하고, 그 후에, 게이트 밸브(43)를 개방으로 하여 진공 상태의 도시하지 않은 웨이퍼 반송실로부터 반입/반출구(42)를 통해 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내로 반입한다. 계속해서, 프리코트 공정에 있어서 샤워 헤드(10) 등에 Ti막을 형성한 절차와 마찬가지로, 챔버(1) 내에 도입된 Ar가스, H2 가스, TiCl4 가스를 플라즈마화하여 이들을 반응시켜 웨이퍼(W) 상에 미리 정해진 두께의 Ti막을 퇴적시킨다.
Ti막의 퇴적 후의 질화 처리에서는, 상기 Ti막의 퇴적이 종료된 후, TiCl4 가스를 정지하고, H2 가스 및 Ar 가스를 흐르게 한 채의 상태로 하여, 챔버(1) 내(챔버벽이나 샤워 헤드 표면 등)를 적절한 온도로 가열하면서, 질화 가스로서 NH3 가스를 흐르게 하며, 고주파 전원(34)으로부터 샤워 헤드(10)에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스를 플라즈마화하여, 플라즈마화된 처리 가스에 의해 웨이퍼(W)에 성막한 Ti 박막의 표면을 질화한다. 또한, 질화 처리는 필수적이지 않다.
성막 공정의 바람직한 조건은, 이하와 같다.
(1) Ti막의 퇴적
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300 kHz∼27 MHz
파워: 100 W∼1500 W
ii) 히터(5)에 의한 서셉터(2)의 온도: 500℃∼700℃
iii) 히터(45)에 의한 샤워 헤드(10)의 온도: 300℃∼500℃
iv) TiCl4 가스 유량: 1∼20 ㎖/min(sccm)
v) Ar 가스 유량: 100∼2000 ㎖/min(sccm)
vi) H2 가스 유량: 250∼5000 ㎖/min(sccm)
vii) 챔버내 압력: 440∼1333 Pa(3∼10 Torr)
(2) 질화 처리
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300 kHz∼27 MHz
파워: 100 W∼1500 W
ii) 히터(5)에 의한 서셉터(2)의 온도: 500℃∼700℃
iii) 히터(45)에 의한 샤워 헤드(10)의 온도: 300℃∼500℃
iv) NH3 가스 유량: 100∼2000 ㎖/min(sccm)
v) Ar 가스 유량: 100∼2000 ㎖/min(sccm)
vi) H2 가스 유량: 250∼5000 ㎖/min(sccm)
vii) 챔버내 압력: 440∼1333 Pa(3∼10 Torr)
종래에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 Ti막 성막 공정을, 예컨대 500장∼3000장의 웨이퍼(W)에 대해서 연속하여 행한 후, 드라이 클리닝 공정을 행하고 있었지만, 장수를 거듭할 때마다 이상 방전이 발생하는 경우가 있고, 이 이상 방전은 드라이 클리닝을 사이에 두고 반복하는 동안에 그 빈도가 증가한다. 특히 웨트 클리닝에서부터의 누적 처리 장수가 3000∼5000장이 되면 이상 방전의 발생이 현저해진다.
이 이상 방전은, 웨이퍼(W)의 이면 주연부로부터 베벨부에 걸쳐 부착된 폴리머 잔류물이 고온의 서셉터(2)의 웨이퍼(W) 주연부에 대응하는 부분에 부착되고, 처리 장수의 증가에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 폴리머 잔류물이 퇴적되어 웨이퍼(W)와 서셉터(2) 사이에 간극이 생김으로써 발생한다.
즉, 폴리머 잔류물은 절연성이기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이 서셉터(2)에 폴리머 잔류물이 퇴적되어 웨이퍼(W)와 서셉터(2) 사이에 간극이 생기면, 플라즈마로부터 웨이퍼(W)에 공급된 전하가 서셉터(2)를 통해 흐르지 않는다. 이 때문에, 웨이퍼(W)가 대전되고, 어떤 일정량 대전한 단계에서 서셉터(2)로 방전한다는 현상이 발생한다. 폴리머 잔류물은 서셉터(2)의 웨이퍼(W)의 주연부에 대응하는 부분에 퇴적되고, 웨이퍼(W)는 이 주연부에 퇴적된 폴리머 잔류물로 지지되어 하향으로 휜다. 파센의 법칙에 의해, 방전은 거리가 가장 가까운 곳에서 발생하기 때문에, 특히 웨이퍼(W)의 중심 부근에서 이상 방전이 발생하기 쉽다.
폴리머 잔류물은 ClF3 가스에 의한 드라이 클리닝으로는 거의 제거되지 않기 때문에, 드라이 클리닝 후에도 폴리머 잔류물의 퇴적이 진행된다. 그리고, 웨이퍼(W)의 누적 처리 장수가, 웨트 클리닝을 행하는 5000장에 근접함에 따라, 이상 방전의 발생이 현저해진다.
그래서, 본 실시형태에서는, 예컨대 500장∼3000장의 Ti막 성막 사이에 미리 정해진 장수의 웨이퍼마다 도전성막의 형성을 넣는다. 바람직하게는 1장∼250장의 웨이퍼마다이다. 구체적으로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 장수의 웨이퍼마다, 예컨대 1로트(25장)마다 챔버(1) 내에 Ti막을 형성하고, 계속해서 질화 처리를 행하는 쇼트 프리코트를 실시한다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 절연성인 퇴적된 폴리머 잔류물의 표면 및 서셉터(2)의 표면에 도전성의 Ti막이 형성되어, 서셉터(2) 상에 웨이퍼(W)를 배치했을 때에, 웨이퍼(W)에 축적된 전하를 Ti막을 통해 서셉터(2)로 방출(어스)할 수 있어 웨이퍼(W)와 서셉터(2) 사이의 방전을 억제할 수 있다.
즉, 예컨대 500장∼3000장의 웨이퍼(W)에 대하여 연속해서 Ti막의 성막을 행하는 경우에는, 서셉터(2) 상에 절연성 폴리머 잔류물이 계속해서 퇴적되기 때문에, 이것이 두꺼워지면, 웨이퍼(W)가 도전성막과 접촉할 가능성이 저하되어 웨이퍼(W)에 저장된 전하는 방출되기 어려워져서 이상 방전이 발생하기 쉽게 된다. 그러나, 이와 같이 예컨대 500장∼3000장의 웨이퍼(W)에 대한 Ti막 성막의 도중에, 도전성의 Ti막을 성막함으로써, 웨이퍼(W)가 서셉터(2)에 적재되었을 때에 웨이퍼(W)의 전하가 도전성막을 통해 서셉터(2)로 방출되는 비율이 높아져서, 이상 방전이 발생할 가능성을 각별히 낮출 수 있다. 또한, 쇼트 프리코트는, 질화 처리를 행하지 않고 미리 정해진 두께의 Ti막을 형성하도록 하여도 좋다.
쇼트 프리코트의 바람직한 조건은, 이하와 같다.
(1) Ti막 형성
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300 kHz∼27 MHz
파워: 100 W∼1500 W
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) 챔버내 압력: 440∼1333 Pa(3∼10 Torr)
(2) 질화 처리
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 300 kHz∼27 MHz
파워: 400 W∼1500 W
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) 챔버내 압력: 440∼1333 Pa(3∼10 Torr)
이 때의 도전막의 형성 빈도는, 이상 방전을 방지한다는 관점에서는 많은 쪽이 좋지만, 지나치게 많아지면 웨이퍼(W)에 대한 성막 처리의 스루풋이 저하되어 버리기 때문에, 이상 방전 방지 효과와 스루풋과의 균형에 의해 적절하게 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 성막 초기의 단계에서는 서셉터(2)로의 폴리머 잔류물의 퇴적도 적어 이상 방전이 쉽게 발생하지 않기 때문에, 처음에, 예컨대 100∼200장 정도의 웨이퍼(W)에 대해서 연속하여 Ti막의 성막 처리를 행하고 나서, 도전성막의 형성(쇼트 프리코트)을 행하고, 그 후, 예컨대 1로트 25장마다 도전성막의 형성(쇼트 프리코트)을 행하도록 하여도 좋다.
다음에, 여러 가지 조건으로 복수의 웨이퍼로의 Ti막의 성막을 행하여 이상 방전의 발생 용이성을 실험한 결과에 대해서 설명한다.
여기서는, 이상 방전의 지표로서, 플라즈마를 생성하기 위한 평행 평판 전극의 하부 전극으로서 기능하는 전극(8)의 직류 바이어스 전압(Vdc)을 이용하였다. 즉, 통상의 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이 Ti 성막시의 Vdc는 안정적인 데 반하여, 웨이퍼와 서셉터 사이에 아킹(이상 방전)이 발생한 경우에는, 도 8에 도시된 바와 같이, Vdc가 변동하여 불안정한 상태가 된다. 따라서, Vdc의 거동을 관찰함으로써 이상 방전이 발생하고 있는 것, 또는 이상 방전이 발생할 우려가 있는 것을 파악할 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 아킹이 발생한 경우에는, 고주파 전력의 피크간 전압(Vpp)도 변동하기 때문에, Vpp도 이상 방전의 지표로서 사용할 수 있다.
도 9에 도시된 케이스 1은, 프리코트한 후, 500장의 웨이퍼(W)에 대하여 연속하여 성막 공정(Ti 퇴적+질화 처리)을 행한 후, 드라이 클리닝을 행하는 종래의 방법이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 250장 이후에서 Vdc의 변동이 심해져서 이상 방전이 일어나기 쉽게 되는 것이 확인되었다.
그래서, 도 10에 도시된 케이스 2에서는, Vdc의 변동이 발생한 후(254장 성막 후)에, 프리코트 처리를 넣은 결과, Vdc가 일시적으로 개선되었다. 즉, 복수의 웨이퍼(W)에 대한 성막 공정을 반복하는 도중에 프리코트 처리를 행하여 서셉터(2) 상에 도전성막을 형성하는 것이, 이상 방전 방지에 유효하다는 것이 확인되었다. 단, 그 후, 웨이퍼(W)의 처리 장수가 420장 정도 이후에서 Vdc가 불안정해지고, 250장 정도 성막 후에 프리코트 처리를 넣어도, 충분히 이상 방전을 방지할 수 없는 것이 판명되었다.
다음에, 도 11에 도시된 케이스 3에서는, 1로트 25장의 웨이퍼(W)의 성막 공정(Ti 퇴적+질화 처리)마다 쇼트 프리코트(1층의 Ti막 성막+질화 처리)를 행하였다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 누적 처리 장수가 500장으로 되어도 Vdc는 안정되고 있어, 이상 방전이 발생하지 않는 것이 확인되었다.
다음에, 도 12에 도시된 케이스 4에서는, 처음의 200장의 웨이퍼(W)까지 연속하여 성막 공정을 행한 후, 쇼트 프리코트를 행하고, 그 후 1로트 25장의 웨이퍼(W)의 성막 공정마다 쇼트 프리코트를 행하였다. 그 결과, 처음의 200장의 웨이퍼(W)에 대한 성막 공정의 최종부의 웨이퍼(W)에 있어서 Vdc가 약간 불안정해져서 이상 방전의 발생을 완전히 방지할 수 없지만, 그 이후는 Vdc가 안정되고 있어, 이상 방전이 발생하지 않는 것이 확인되었다.
이상의 결과로부터, 바람직하게는 250장 이하의 웨이퍼(W)의 성막 공정마다, 보다 바람직하게는 1로트 25장의 웨이퍼(W)의 성막 공정마다 쇼트 프리코트를 행함으로써, 확실하게 이상 방전의 발생을 방지할 수 있는 것이 확인되었다. 즉, 도전성막의 형성은, 1장∼250장의 웨이퍼마다 행하는 것이 바람직하고, 25장마다 행하는 것이 바람직한 것이 확인되었다.
또한, 이 때의 웨이퍼(W)에 대한 성막 조건(Ti막의 퇴적+질화 처리) 및 쇼트 프리코트의 조건은, 이하와 같은 것으로 하였다.
(1) 성막 조건
<Ti막의 퇴적>
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 450 kHz
파워: 800 W
ii) TiCl4 가스 유량: 12 ㎖/min(sccm)
iii) Ar 가스 유량: 1600 ㎖/min(sccm)
iv) H2 가스 유량: 4000 ㎖/min(sccm)
v) 챔버내 압력: 666.7 Pa(5 Torr)
<질화 처리>
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 450 kHz
파워: 800 W
iv) NH3 가스 유량: 1500 ㎖/min(sccm)
v) Ar 가스 유량: 1600 ㎖/min(sccm)
vi) H2 가스 유량: 2000 ㎖/min(sccm)
vii) 챔버내 압력: 666.7 Pa(5 Torr)
(2) 쇼트 프리코트 조건
<Ti막의 퇴적>
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 450 kHz
파워: 800 W
ii) TiCl4 가스 유량: 18 ㎖/min(sccm)
iii) Ar 가스 유량: 1600 ㎖/min(sccm)
iv) H2 가스 유량: 3000 ㎖/min(sccm)
v) 챔버내 압력: 666.7 Pa(5 Torr)
<질화 처리>
i) 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전력
주파수: 450 kHz
파워: 800 W
iv) NH3 가스 유량: 1500 ㎖/min(sccm)
v) Ar 가스 유량: 1600 ㎖/min(sccm)
vi) H2 가스 유량: 2000 ㎖/min(sccm)
vii) 챔버내 압력: 666.7 Pa(5 Torr)
또한, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되지 않고 여러 가지 변형할 수 있다. 예컨대, 상기 실시형태에서는, 금속계막으로서 Ti막을 성막하는 경우를 예를 들어 설명하였지만, TiN, W, WN, Ta, TaN 등의 다른 금속계막의 성막에도 적용할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에서는, 성막 공정의 도중에 쇼트 프리코트를 행하여 도전성막을 형성하는 경우에 대해서 나타내었지만, 이것에 한정되지 않고, 도전성막을 서셉터(2)(스테이지) 상에 프리코트할 수 있으면 방법은 상관없다. 또한, 상기 실시형태에서는, 샤워 헤드에 고주파 전력을 인가함으로써 플라즈마를 형성하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 또한, 피처리 기판으로서는, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 예컨대 액정 표시 장치(LCD)용 기판, 유리 기판, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.
Claims (8)
- 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 피처리 기판을 배치하는 스테이지와, 스테이지 상의 피처리 기판을 가열하는 히터와, 챔버 내에 성막(成膜)용 처리 가스 및 클리닝 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내에 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 기구와, 상기 챔버 내를 배기시키는 배기 수단을 갖는 성막 장치를 이용하여, 플라즈마 CVD에 의해 금속계막을 성막하는 금속계막의 성막 방법으로서,
상기 챔버 내에, 상기 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 도전성의 프리코트막을 성막하는 것과,
프리코트 후의 챔버 내에 피처리 기판을 반입하여 상기 스테이지 상에 배치하고, 상기 히터에 의해 피처리 기판을 가열하면서, 상기 처리 가스를 공급하여 처리 가스의 플라즈마를 생성하며, 플라즈마 CVD에 의해 피처리 기판에 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행하는 것과,
상기 복수 장의 피처리 기판에 대한 성막 처리가 종료된 단계에서, 상기 챔버 내에 상기 클리닝 가스를 도입하여 드라이 클리닝을 행하는 것
을 반복하여 행하고,
상기 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행할 때에, 그 도중에 1회 또는 2회 이상의, 상기 스테이지 상으로의 도전성막의 형성을 포함하는 금속계막의 성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 프리코트막의 성막은, 상기 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 막의 형성과, 그 막의 질화 처리를 복수 회 반복함으로써 행하는 것인 금속계막의 성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 도전성막의 형성은, 상기 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 막을 형성하는 것인 금속계막의 성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 도전성막의 형성은, 미리 정해진 장수의 기판의 성막 처리마다 행하는 것인 금속계막의 성막 방법. - 제4항에 있어서,
상기 도전성막의 형성은, 1장∼250장의 기판의 성막 처리마다 행하는 것인 금속계막의 성막 방법. - 제5항에 있어서,
상기 도전성막의 형성은, 1로트의 기판의 성막 처리마다 행하는 것인 금속계막의 성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속계막은 Ti, TiN, W, WN, Ta, TaN 중 어느 하나로 구성되어 있는 것인 금속계막의 성막 방법. - 컴퓨터 상에서 동작하며, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 피처리 기판을 배치하는 스테이지와, 스테이지 상의 피처리 기판을 가열하는 히터와, 챔버 내에 성막용 처리 가스 및 클리닝 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내에 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 기구와, 상기 챔버 내를 배기하는 배기 수단을 갖는 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서,
상기 프로그램은, 실행시에, 상기 챔버 내에, 금속계막을 구성하는 금속을 포함하는 도전성 프리코트막을 성막하는 것과,
프리코트 후의 챔버 내에 피처리 기판을 반입하여 상기 스테이지 상에 배치하고, 상기 히터에 의해 피처리 기판을 가열하면서, 상기 처리 가스를 공급하여 처리 가스의 플라즈마를 생성하며, 플라즈마 CVD에 의해 피처리 기판에 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행하는 것과,
상기 복수 장의 피처리 기판에 대한 성막 처리가 종료된 단계에서, 상기 챔버 내에 상기 클리닝 가스를 도입하여 드라이 클리닝을 행하는 것
을 반복하여 행하고,
상기 금속계막을 성막하는 처리를 복수 장의 피처리 기판에 대해서 행할 때에, 그 도중에 1회 또는 2회 이상의, 상기 스테이지 상으로의 도전성막의 형성을 포함하는 금속계막의 성막 방법이 행해지도록, 컴퓨터가 상기 성막 장치를 제어하게 하는 프로그램이 기억된 기억 매체.
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