KR20140141515A - 성막 장치, 성막 방법 및 기억 매체 - Google Patents

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Abstract

반응 가스의 종류에 따라, 반응 용기 내의 압력을 유연하게 변경하는 것이 가능한 성막 장치 등을 제공한다. 성막 장치는, 복수 종류의 반응 가스를 진공 분위기의 반응 용기(1) 내에 순서대로 공급하여 기판 W에 대하여 성막 처리를 행하고, 제1 반응 가스 공급부(511, 51, 54)는, 제1 압력의 분위기 하에서 제1 반응 가스를 반응 용기(1)에 공급하고, 제2 반응 가스 공급부(611, 61, 64)는 이보다도 저압인 제2 압력의 분위기 하에서 제2 반응 가스를 공급한다. 제1 진공 배기 기구(41)는, 제1 배기로(33a, 33b)를 통하여 배기를 행하여 상기 제1 압력의 분위기를 형성하고, 이것보다도 작동 압력 영역이 낮은 제2 진공 배기 기구(42, 41)는 제2 배기로(34a, 34b)를 통하여 배기를 행하여 제2 압력 분위기를 형성한다. 전환부(43, 44)는, 제1 배기로(33a, 33b)와 제2 배기로(34a, 34b) 사이에서, 반응 용기(1)의 배기처를 전환한다.

Description

성막 장치, 성막 방법 및 기억 매체{FILM FORMING APPARATUS, FILM FORMING METHOD AND STORAGE MEDIUM}
본 발명은 성막 처리가 행해지는 반응 용기 내를 배기하는 기술에 관한 것이다.
기판인, 예를 들어 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라 함)에 대하여 성막 처리를 행하는 방법으로서, 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 웨이퍼에 대하여 순서대로 공급하여 반응 생성물을 퇴적시키는 소위 ALD(Atomic Layer Deposition)법이나 MLD(Multi Layer Deposition)법(이하, 이들을 종합하여 ALD법이라고 칭한다) 등으로 불리는 방법이 알려져 있다.
이 ALD법에 있어서는, 웨이퍼에 공급되는 반응 가스의 종류에 따라, 반응 용기 내의 압력을 변화시키는 경우가 있다. 그런데, 반응 용기의 배기관에 설치된 공통된 배기 기구를 사용하여 반응 용기 내의 압력 조정을 행하면, 이 배기 기구의 능력에 의해 압력 변경 가능한 범위가 제약되어 버려, 반응 가스의 종류에 따른 최적의 압력의 분위기를 실현하지 못하는 경우가 있다.
여기서 인용 문헌 1에는, ALD법에 의해 SiN(질화규소)막의 성막을 행하는 반도체 제조 장치에 있어서, 2종류의 가스의 혼합에 수반하는 배기계 내에 대한 부생성물의 퇴적을 방지하기 위하여, 암모니아 가스의 배기 배관과 디클로로실란(DCS: SiH2Cl2)의 배기 배관을 나누어, 각 배관에 진공 펌프를 설치한 구조가 개시되어 있다.
일본 특허 제4242733호 공보: 단락 0003, 0042 내지 0064, 도 3
인용 문헌 1에 기재된 반도체 제조 장치는, 암모니아 가스와 DCS의 전환 시에 불활성 가스의 공급을 행하여, 이 불활성 가스의 공급 중에 배기 배관의 전환을 실행하고 있다. 그리고 배기 배관을 전환하는 타이밍에 있어서는, 양쪽 배기 배관에 병행하여 불활성 가스를 통류시키는 기간을 설정하고 있다(단락 0055의 5 내지 7행째, 0062의 5 내지 7행째).
인용 문헌 1에는, 각 배기 배관에 설치된 진공 펌프의 능력에 관한 구체적인 기술은 없다. 그러나, 이와 같이 2개의 배기 배관에 병행하여 불활성 가스를 통류시킬 수 있는 것은, 이들 배기 배관 사이에 압력차가 거의 없어, 가스의 역류의 문제가 존재하지 않기 때문이다. 이 사실로부터 이들 배기 배관에 설치된 진공 펌프의 능력은 동일함을 읽어낼 수 있다. 따라서, 인용 문헌 1에 기재한 바와 같이, 웨이퍼를 수용한 처리로에 공급되는 반응 가스의 종류에 따라 배기 배관을 전환했다고 해도, 처리로 내의 압력을 변경 가능한 범위는, 1대의 진공 펌프를 사용하는 경우와 변함이 없다.
본 발명은 이러한 사정 하에 이루어진 것이며, 그 목적은, 반응 용기에 공급되는 반응 가스의 종류에 따라, 반응 용기 내의 압력을 유연하게 변경하는 것이 가능한 성막 장치, 성막 방법 및 이 방법을 기억한 기억 매체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 성막 장치는, 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 반응 용기 내에 순서대로 공급하여, 진공 분위기에서 기판에 대하여 성막 처리를 행하는 성막 장치에 있어서, 상기 반응 용기 내에, 제1 압력의 분위기 하에서 제1 반응 가스를 공급하기 위한 제1 반응 가스 공급부와, 상기 반응 용기 내에, 상기 제1 압력보다도 저압인 제2 압력의 분위기 하에서 제2 반응 가스를 공급하기 위한 제2 반응 가스 공급부와, 상기 반응 용기 내에 상기 제1 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 상기 반응 용기에 제1 배기로를 개재하여 접속된 제1 진공 배기 기구와, 상기 반응 용기 내에 상기 제2 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 상기 반응 용기 내에 제2 배기로를 개재하여 접속되고, 상기 제1 진공 배기 기구보다도 작동 압력 영역이 낮은 제2 진공 배기 기구와, 상기 제1 배기로와 제2 배기로 사이에서, 상기 반응 용기의 배기처를 전환하는 전환부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 성막 장치는, 하기의 구성을 구비하고 있어도 된다.
(a) 상기 제1 반응 가스를 기판에 부착시킨 후에 제2 반응 가스를 공급했을 때의 반응 촉진의 정도는, 상기 제1 압력의 분위기보다도 제2 압력의 분위기가 더 큰 것. 또한, 상기 제2 반응 가스를 활성화시키기 위한 가스 활성화부를 구비하고, 상기 활성화에 의해 얻어진 활성종의 수명은, 상기 제1 압력의 분위기보다도 제2 압력의 분위기가 더 긴 것. 이때, 상기 가스 활성화부는, 상기 제2 반응 가스를 플라즈마화함으로써, 상기 활성종을 얻는 것인 것.
(b) 상기 제2 진공 배기 기구는, 터보 분자 펌프와 그 후단의 진공 펌프를 구비하는 것.
(c) 복수의 기판을 선반 형상으로 보유 지지하는 기판 보유 지지부를 구비하고, 상기 성막 처리는, 처리 대상의 복수의 기판을 보유 지지한 기판 보유 지지부를 상기 처리 용기 내에 반입하여 행해지는 것.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 반응 용기 내에 순서대로 공급하여, 진공 분위기에서 기판에 대하여 성막 처리를 행하는 성막 방법에 있어서, 상기 반응 용기 내에, 제1 압력의 분위기 하에서 제1 반응 가스를 공급함과 함께, 상기 반응 용기 내에 상기 제1 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 제1 배기로를 개재하여 접속된 제1 진공 배기 기구에 의해 상기 반응 용기 내를 배기하는 제1 공정과, 상기 반응 용기 내에, 상기 제1 압력보다도 저압인 제2 압력의 분위기 하에서 제2 반응 가스를 공급하기 위한 제2 반응 가스를 공급함과 함께, 상기 반응 용기 내에 상기 제2 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 제2 배기로를 개재하여 접속되고, 상기 제1 진공 배기 기구보다도 작동 압력 영역이 낮은 제2 진공 배기 기구에 의해, 상기 반응 용기 내를 배기하는 제2 공정을 포함하고, 이들 제1 공정과 제2 공정을 반복하여 행한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 반응 용기 내에 순서대로 공급하여, 진공 분위기에서 기판에 대하여 성막 처리를 행하는 성막 장치에 사용하는 컴퓨터 프로그램을 기억한 기억 매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 상기 다른 실시예에 따른 성막 방법을 실행하기 위한 스텝군이 짜여져 있다.
본 발명은, 진공 분위기의 처리 용기 내에서 기판에 대한 성막 처리를 행하는 데 있어서, 처리 용기에 공급되는 반응 가스의 종류에 따라 상이한 배기로(제1 배기로, 제2 배기로)에 보내어 반응 용기 내의 진공 배기를 행한다. 각 배기로에는, 작동 압력 영역이 상이한 진공 배기 기구(제1 진공 배기 기구, 제2 진공 배기 기구)가 접속되어 있으므로, 반응 가스의 종류에 따라 반응 용기 내의 압력을 적절하게 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치의 구성도.
도 2는 상기 성막 장치에 설치되어 있는 반응 용기의 횡단 평면도.
도 3은 상기 성막 장치의 제1 작용도.
도 4는 상기 성막 장치의 제2 작용도.
도 5는 상기 성막 장치의 제3 작용도.
도 6은 상기 성막 장치의 제4 작용도.
도 7은 상기 성막 장치의 제5 작용도.
도 8은 상기 성막 장치의 제6 작용도.
도 9는 실험에 사용한 웨이퍼의 구성을 도시하는 설명도.
도 10은 반응 용기 내의 압력과 막 두께 분포의 관계를 도시하는 설명도.
도 11은 반응 용기 내의 압력과 막 두께 감소율의 관계를 도시하는 설명도.
도 12는 암모니아 가스의 분압과 막 두께 분포의 관계를 도시하는 설명도.
도 13은 암모니아 가스의 분압과 막 두께 감소율의 관계를 도시하는 설명도.
본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치의 일례로서, 웨이퍼(W)에 대하여 반응 가스인 암모니아 가스와 DCS(디클로로실란) 가스를 순서대로 공급하여, 반응 생성물인 SiN(질화규소)막을 성막하는 ALD법의 성막 처리에 대한 적용예에 대하여 설명한다.
본 성막 처리에 있어서는, 암모니아 가스를 플라즈마화하고, NH2 라디칼 등의 활성종의 상태에서 웨이퍼(W)의 표면에 공급함으로써 DCS와의 반응성을 높이고 있다. 그런데, 라디칼 등의 활성종은 수명이 짧기 때문에, 웨이퍼의 대형화나, 패턴의 미세화에 의한 표면적의 증대에 수반하여, 웨이퍼(W)의 중앙부에까지 충분한 양의 활성종을 공급하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 웨이퍼(W)에 공급되는 활성종의 양이 중앙부와 주연부 사이에서 상이하면, 성막된 막 두께의 면내 균일성이 저하되어 버린다.
이 점, 발명자들은, 암모니아 가스의 공급 시에 반응 용기(1) 내의 압력을 낮추면, 활성종끼리의 충돌 확률이 저하되어, 활성종의 수명을 연장시키는 것이 가능해지는 것을 발견했다(후술하는 실험예 참조).
한편, 플라즈마화 등의 활성화의 프로세스를 거치지 않고 반응 용기(1) 내에 공급되는 DCS 가스는, 비교적 단시간에 웨이퍼(W)의 전체면에 DCS 분자를 흡착시키거나, 퇴적시키거나 한다(이하에서, 흡착이나 퇴적을 통합하여 「부착」이라고 한다). 이 때문에 DCS 가스는, 암모니아 가스의 공급 시에 비하여 반응 용기(1) 내의 압력이 높아진다.
본 예의 성막 장치는, 공급되는 반응 가스의 종류에 따라, 반응 용기(1) 내에 최적의 압력의 분위기를 형성할 수 있도록, 각각 다른 진공 배기로를 이용하여 반응 용기(1) 내의 진공 배기를 행한다. 이하에서, 도 1, 도 2를 참조하면서 당해 성막 장치의 구성에 대하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 예의 성막 장치는, 천장을 갖고, 하단이 개구된 원통체 형상의 반응 용기(1)를 구비하고 있다. 이 반응 용기(1)는, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있고, 이 반응 용기(1) 내의 천장측은, 석영제의 천장판(11)에 의해 밀봉되어 있다. 한편, 반응 용기(1)의 하단의 개구부에는, 플랜지부(1a)가 설치되어 있다. 또한, 상기 반응 용기(1)의 하단에 스테인리스스틸제의 매니폴드를 설치하도록 구성해도 된다.
반응 용기(1)의 하단의 개구부에서는, 복수매의 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 보유 지지한 기판 보유 지지부인 웨이퍼 보트(25)의 반입, 반출이 행해진다.
도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 보트(25)는, 예를 들어 3개의 지주(251)를 구비하고 있고, 웨이퍼(W)의 외연부를 지지하여, 복수매 예를 들어 125매의 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 보유 지지할 수 있다.
또한 웨이퍼 보트(25)는, 석영제의 보온통(252)을 개재하여 테이블(253) 위에 적재되어 있고, 이 테이블(253)은, 스테인리스스틸제의 덮개(23)를 관통하는 회전축(24)에 지지되어 있다. 상기 개구부를 통하여 웨이퍼 보트(25)를 반응 용기(1) 내에 반입하여, 소정의 높이 위치까지 상승시키면, 당해 개구부가 덮개(23)에 의해 기밀하게 폐쇄된다.
상기 회전축(24)이 덮개(23)를 관통하는 위치에는, 반응 용기(1) 내의 기밀성을 유지하면서, 회전축(24)을 회전 가능하게 보유 지지하기 위한, 예를 들어 자성 유체 시일을 구비한 베어링부(22)가 설치되어 있다. 또한, 덮개(23)의 주변부와 반응 용기(1)의 플랜지부(1a) 사이에는, 예를 들어 O링이 개재 설치되어 있어, 반응 용기(1) 내의 기밀성을 유지하고 있다.
상기 회전축(24)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(도시하지 않음)에 지지된 아암(26)의 선단에 설치되어 있고, 웨이퍼 보트(25) 및 덮개(23) 등을 일체적으로 승강시켜 반응 용기(1) 내에 대한 반입, 반출을 행할 수 있다.
반응 용기(1)의 측벽의 일부에는 플라즈마 발생부(12)가 설치되어 있다. 이 플라즈마 발생부(12)는, 반응 용기(1)의 측벽에 형성된 상하로 가늘고 긴 개구부(13)를 덮도록 하고, 단면이 오목부 형상인 예를 들어 석영제의 구획벽(14)을 반응 용기(1)의 외벽에 기밀하도록 접합함으로써 구성된다. 상기 개구부(13)는, 웨이퍼 보트(25)에 지지되어 있는 모든 웨이퍼(W)를 커버할 수 있도록 상하 방향으로 길게 형성되어 있다.
또한 구획벽(14)의 양 측벽의 외측면에는, 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 서로 대향하는 한 쌍의 플라즈마 전극(15)이 설치되어 있다. 이 플라즈마 전극(15)에는, 급전 라인(161)을 개재하여 플라즈마 발생용 고주파 전원(16)이 접속되어 있고, 플라즈마 전극(15)에 예를 들어 13.56MHz의 고주파 전압을 인가함으로써 플라즈마를 발생할 수 있게 되어 있다. 또한 구획벽(14)의 외측에는, 이것을 덮도록 예를 들어 석영으로 이루어지는 절연 보호 커버(17)가 설치되어 있다. 플라즈마 발생부(12)는 본 실시 형태의 가스 활성화부에 상당한다.
이 반응 용기(1)의 하부에는, 실란계의 가스 예를 들어 DCS 가스를 공급하기 위한 DCS 공급로(51)가 삽입되고, 이 DCS 공급로(51)의 선단부에는, 반응 용기(1) 내를 상측 방향으로 연장되도록, 예를 들어 2개의 제1 가스 노즐(54)이 설치되어 있다. 제1 가스 노즐(54)은 석영관으로 이루어지고, 도 2에 도시한 바와 같이 플라즈마 발생부(12)의 개구부(13)를 사이에 두고 양측에 배치되어 있다. 이들 제1 가스 노즐(54)에는, 그 길이 방향을 따라 복수의 가스 토출 구멍(541)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있다. DCS 가스는 본 예의 제1 반응 가스에 상당한다.
또한 반응 용기(1)의 하부에는, 암모니아 가스를 공급하기 위한 암모니아 공급로(61)가 삽입되어 있고, 이 암모니아 공급로(61)의 선단부에는, 석영관으로 이루어지는 제2 가스 노즐(63)이 설치되어 있다. 도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 가스 노즐(63)은, 반응 용기(1) 내를 상측 방향으로 연장되고, 도중에 굴곡되어 플라즈마 발생부(12) 내에 배치됨과 함께, 그 길이 방향을 따라 복수의 가스 토출 구멍(631)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있다. 암모니아 가스는, 본 예의 제2 반응 가스에 상당한다.
또한, 도 1에 있어서는, 도시한 편의상 각 가스 노즐(54, 63)은, 반응 용기(1)의 하부측의 측벽을 관통하여 반응 용기(1) 내에 삽입되어 있도록 기재되어 있지만, 실제로는 플랜지부(1a)를 개재하여 삽입되어 있다.
제1 가스 노즐(54)에 접속된 DCS 공급로(51)의 기단측은, DCS 공급부(511)에 접속됨과 함께, 이 DCS 공급로(51)에는, 반응 용기(1)측으로부터 순서대로 밸브(V1)와, 저류 탱크(71)와, 압력 검출부(72)와, 유량 조정부(MF1)와, 밸브(V11)가 설치되어 있다.
또한 DCS 공급로(51)는, 유량 조정부(MF1)와 밸브(V11) 사이에서 분기되어, 밸브(V12) 및 유량 조정부(MF2)를 구비한 퍼지 가스 공급로(52)를 개재하여 퍼지 가스인 질소 가스의 공급원(521)에 접속되어 있다.
또한 DCS 공급로(51)는, 밸브(V1)의 하류측에서 분기되어, 치환 가스 공급로(53)를 개재하여, 치환 가스인 질소 가스의 공급원(531)에 접속되어 있다. 이 치환 가스 공급로(53)에는, 반응 용기(1)측으로부터 순서대로 밸브(V13), 유량 조정부(MF3), 밸브(V14)가 설치되어 있다. 또한, 이 치환 가스 공급로(53)로부터 공급되는 질소 가스는, DCS 공급로(51)로부터 제1 가스 노즐(54)에 공급되는 DCS 가스의 캐리어 가스로서도 사용된다. 이상으로 설명한 각 밸브는 가스의 급단, 유량 조정부는 가스 공급량의 조정을 각각 행하는 것이며, 이후의 밸브 및 유량 조정부에 대해서도 마찬가지이다.
저류 탱크(71)는, 그 하류측의 밸브(V1)를 폐쇄하고, 저류 탱크(71)에 DCS 가스를 공급했을 때에, 당해 저류 탱크(71) 내에 DCS 가스가 저류되고, 이 DCS 가스의 공급을 계속함으로써 저류 탱크(71) 내가 승압되도록 구성되어 있다. 이 저류 탱크(71)는 예를 들어 스테인리스제이며, 예를 들어 그 내압 성능이 예를 들어 93.3kPa, 내용적이 1리터 정도인 것이 사용된다.
또한, 제2 가스 노즐(63)과 접속된 암모니아 공급로(61)의 기단측은 암모니아 가스 공급부(611)에 접속되어 있고, 이 암모니아 공급로(61)에는, 반응 용기(1)측부터 순서대로 밸브(V2)와, 유량 조정부(MF4)가 설치되어 있다. 또한 암모니아 공급로(61)는, 밸브(V2)의 하류측에서 분기되어, 밸브(V21) 및 유량 조정부(MF5)를 구비한 치환 가스 공급로(62)를 개재하여, 치환 가스인 질소 가스의 공급원(621)에 접속되어 있다. 이 치환 가스 공급로(62)로부터 공급되는 질소 가스는, 암모니아 가스 공급로(61)로부터 제2 가스 노즐(63)에 공급되는 암모니아 가스의 캐리어 가스로서도 사용된다.
이상으로 설명한 제1 가스 노즐(54), DCS 공급로(51), DCS 공급부(511) 등은 본 예의 제1 반응 가스 공급부에 상당하고, 제2 가스 노즐(63), 암모니아 공급로(61), 암모니아 가스 공급부(611) 등은 제2 반응 가스 공급부에 상당한다.
또한 도 1에 도시한 바와 같이 반응 용기(1) 주위에는, 반응 용기(1)의 측 둘레면을 외측으로부터 둘러싸도록 하고, 통 형상의 히터(100)가 설치되어 있다. 히터(100)는, 반응 용기(1) 내의 웨이퍼(W)를 예를 들어 300 내지 800℃ 범위의 500℃로 가열한다.
상술한 구성을 구비한 본 예의 성막 장치에 있어서는, 암모니아 가스의 공급시와, DCS 가스의 공급 시에 반응 용기(1) 내에 소정의 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 다른 배기로를 통하여 반응 용기(1) 내의 가스를 배기한다. 이하에서, 이들 배기로의 구성에 대하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 반응 용기(1)의 하부측의 측벽면에는, 반응 용기(1)에 의해 웨이퍼(W)를 보유 지지하는 웨이퍼 보트(25)의 하방측의 위치에 배기구(18)가 형성되어 있다. 이 배기구(18)로부터는, 반응 용기(1) 내의 가스를 배기하기 위한 예를 들어 석영제의 배기 포트(19)가 가로 방향으로 신장되어 있다.
배기 포트(19)의 선단부에는, 플랜지부가 형성되어 있고, 이 플랜지부는, 도시하지 않은 시일 부재를 개재하여 공통 배기관(31)측의 플랜지부에 맞대어져 있다. 그리고, 서로 맞대어진 배기 포트(19) 및 공통 배기관(31)의 플랜지부는, 링 형상의 커버 부재(19a)에 의해 체결되고, 이에 의해 배기 포트(19)와 공통 배기관(31)이 접속된다. 공통 배기관(31)은 예를 들어 신축 및 굴곡 가능한 벨로즈 형상의 부위를 구비하여, 석영제의 배기 포트(19)에 가해지는 응력을 억제하고 있다.
공통 배기관(31)은, 분기관(32)을 개재하여 제1 배기관(33a, 33b)에 접속되고, 그 하류측에서 제1 진공 배기 기구이며, 진공 펌프인 드라이 펌프(41)에 접속되어 있다. 드라이 펌프(41)는, 반응 용기(1) 내에 불활성 가스(예를 들어 질소 가스)를 1slm(0℃, 1 기압의 표준 상태 기준)으로 공급한 상태에서, 반응 용기(1) 내의 압력을 13.3Pa(0.1Torr) 이하까지 감압하는 능력을 구비하고 있다. 또한, 드라이 펌프(41)의 후단에는 도시하지 않은 제해 설비가 배치되어 있고, 배출된 가스는 이 제해 설비에 의해 처리된다.
또한, 직교하도록 배치된 제1 배기관(33a, 33b) 사이에는, 제1 전환 밸브(43)가 설치되어 있고, 구동부(431)에서 내부의 밸브체를 구동함으로써, 상류측의 배기관(33a)과 하류측의 배기관(33b)의 접속, 분리를 실행한다. 또한, 제1 전환 밸브(43)는, 밸브체의 각도를 변경함으로써, 개방도를 바꾸는 것이 가능하고, 이에 의해 배기량의 조정을 행할 수도 있다. 분기관(32)의 하류측의 제1 배기관(33a, 33b)은, 본 예의 제1 배기로를 구성하고 있다.
한편, 상기 분기관(32)으로부터는, 제2 배기관(34a)이 분기되어 있다. 이 제2 배기관(34a)의 하류측은, 제2 전환 밸브(44), 터보 분자 펌프(turbomolecular pump: TMP)(42) 및 밸브(V34)를 개재하여 제2 배기관(34b)에 접속되어 있고, 또한 제2 배기관(34b)은 그 하류측에서 이미 설명한 제1 배기관(33b)에 합류되어 있다.
제2 전환 밸브(44)는, 구동부(441)에서 내부의 밸브체를 구동하고, 제2 배기관(34a)과 TMP(42)의 흡입부의 접속, 분리를 행하는 나비 밸브에 의해 구성되어 있다. TMP(42)는, 이미 설명한 드라이 펌프(41)에 의해 진공 배기되어 있는 반응 용기(1) 내의 압력 분위기를 더욱 저압으로 하기 위하여 설치되어 있고, 예를 들어 불활성 가스를 1slm 공급한 조건 하에서, 반응 용기(1) 내의 압력을 6.7Pa(0.05Torr) 이하까지 감압하는 능력을 구비하고 있다.
통상, TMP(42)는 양력에 한계가 있기 때문에, 다른 진공 펌프와 조합하여 사용되고, 본 예에 있어서는 이미 설명한 드라이 펌프(41)와 조합하여 사용된다. 이 관점에 있어서, TMP(42) 및 당해 TMP(42)와 함께 사용되는 드라이 펌프(41)는, 제2 진공 배기 기구에 상당한다.
또한, 분기관(32)으로부터 분기된 제2 배기관(34a), TMP(42), 제2 배기관(34b) 및 제2 배기관(34b)의 합류 위치보다도 하류측의 제1 배기관(33b)은, 본 예의 제2 배기로를 구성하고 있다. 그리고, 제1 전환 밸브(43), 제2 전환 밸브(44)는, 제1 배기로(제1 배기관(33a, 33b))와 제2 배기로(제2 배기관(34a), TMP(42), 제2 배기관(34b)) 사이에서 반응 용기(1) 내의 가스의 배기처를 전환하는 전환부에 상당한다.
이상으로 설명한 구성을 구비한 성막 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이 제어부(8)와 접속되어 있다. 제어부(8)는 도시하지 않은 CPU와 기억부를 구비한 컴퓨터로 이루어지고, 기억부에는 본 예의 성막 장치의 작용, 즉 웨이퍼 보트(25)에 보유 지지된 웨이퍼(W)를 반응 용기(1)에 반입한 후, 반응 용기(1) 내의 가스의 배기처를 전환하면서 DCS 가스와 암모니아 가스를 순서대로 공급하여, SiN막의 성막을 행하는 동작에 관한 스텝(명령)군이 짜여진 프로그램이 기록되어 있다. 이 프로그램은, 예를 들어 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 마그네트 옵티컬 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되고, 그곳으로부터 컴퓨터에 인스톨된다.
계속하여 도 3 내지 도 8을 참조하면서, 본 예의 성막 장치의 작용에 대하여 설명한다. 또한, 이들 도면에 있어서는, 히터(100)나 웨이퍼 보트(25), 사용하지 않는 가스 노즐(54, 63) 등의 기재는 적절히 생략하고 있다.
또한, 각 전환 밸브(43, 44)나 밸브가 「개방」인 상태를 「○」, 「폐쇄」인 상태를 「C」의 부호로 나타내고 있다.
처음에, 처리 대상의 웨이퍼(W)를 웨이퍼 보트(25)에 반입한 후, 아암(26)을 상승시켜, 반응 용기(1) 내에 웨이퍼 보트(25)를 반입함과 함께 덮개(23)에 의해 반응 용기(1)를 기밀하게 폐쇄한다. 이때, 반응 용기(1)의 배기측에서는 제1 전환 밸브(43)를 「개방」으로 하는 한편, 제2 전환 밸브(44)를 「폐쇄」로 하여, 반응 용기(1) 내의 가스가 제1 배기로(제1 배기관(33a, 33b))를 통하여 드라이 펌프(41)를 향하여 배출되는 상태로 되어 있다.
반응 용기(1)에는, 예를 들어 질소 가스의 공급원(531) 등으로부터 제1 가스 노즐(54)을 통하여 압력 조정용 질소 가스가 공급되고 있어, 반응 용기(1) 내의 압력은 13.3 내지 133Pa(0.1 내지 1.0Torr)의 범위인 예를 들어 53.3Pa(0.4Torr)로 조정되고 있다. 여기에서 실제로는, 질소 가스의 공급원(621)으로부터도 제2 가스 노즐(63)을 통하여 질소 가스의 공급이 행해지고 있지만, 편의상, 도시를 생략하고 있다(도 4 내지 도 8에 있어서도, 도시하지 않은 노즐(54, 63)로부터 반응 용기(1) 내에 질소 가스를 공급하고 있는 점은 마찬가지이다).
또한 이때, DCS 공급로(51)의 밸브(V1)를 폐쇄하여, 제1 가스 노즐(54)로부터 DCS 공급로(51)를 분리함과 함께, 밸브(V11)를 개방하여 DCS 공급부(511)로부터 저류 탱크(71)에 DCS 가스를 공급하여 DCS 가스의 저류를 행한다. 그리고, 소정량의 DCS 가스가 저류되어, 저류 탱크(71) 내가 33.3 내지 53.3kPa(250 내지 400Torr)의 범위로 승압되면 저류 탱크(71)에 대한 DCS 가스의 공급을 정지한다.
그 후, 밸브(V1)를 개방하여 저류 탱크(71)로부터 제1 가스 노즐(54)을 향하여 DCS 가스를 토출한다(도 4). 이미 설명한 바와 같이 반응 용기(1) 내는 53.3Pa(0.4Torr)의 압력으로 조정되어 있으므로, 밸브(V1)를 개방하면, 저류 탱크(71)로부터 DCS 가스가 급격하게 방출되어, 제1 가스 노즐(54)의 토출 구멍(541)을 통하여 반응 용기(1) 내로 토출된다. 이때, 치환 가스 공급로(53)로부터는 캐리어 가스로서 질소 가스가 공급되고 있다. 또한, 웨이퍼(W)에 대한 DCS의 부착 확률을 올리기 위하여, 제1 전환 밸브(43)의 밸브 각도를 조정하여, 제1 전환 밸브(43)를 완전히 「폐쇄」로 하거나 또는 「미개방」 정도의 상태로 해도 된다.
본 예에서는, 약 3초간 반응 용기(1) 내의 압력이 13.3 내지 665Pa(0.1 내지 5.0Torr)의 범위인 440Pa(3.3Torr)까지 상승하도록 저류 탱크(71) 내의 DCS 가스의 저류량이나 압력이 설정되어 있다. 반응 용기(1) 내에 공급된 DCS 가스는, 회전하는 웨이퍼 보트(25)에 보유 지지되고, 히터(100)에 의해 가열된 웨이퍼(W) 위를 통과하면서 그 표면에 부착되고, 부착되지 않은 DCS 가스는 배기구(18)를 통하여 배기되어, 반응 용기(1) 내는 1초 정도에서 원래의 압력(53.3Pa(0.4Torr))으로 되돌아간다.
이와 같이, 단시간에 비교적 다량의 DCS 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 표면에 DCS 분자를 균일하게 부착시킬 수 있다.
제1 배기로측에 배기를 행하면서, DCS 가스(제1 반응 가스)를 공급하는 도 4에 기재된 공정은, 특허 청구 범위에 기재된 성막 방법의 제1 공정에 상당한다.
DCS 가스의 공급을 종료하면, 저류 탱크(71)나 DCS 공급로(51), 제1 가스 노즐(54) 내의 DCS 가스를 퍼지한다(도 5). 또한, 이때 질소 가스의 공급량을 DCS 가스 공급 전의 도 3의 상태보다도 적게 하여, 반응 용기(1) 내의 압력을 13.3Pa(0.1Torr), 즉 반응 용기(1)가 드라이 펌프(41)에 의해 최대한의 능력으로 진공화하여 얻어질 수 있는 최소 압력으로 한다. 또한, 도 5, 도 8에 있어서의 파선으로 나타낸 가스의 흐름은, 그 전의 공정보다도 가스의 공급량을 적게 한 것을 나타내고 있다.
이렇게 하여 반응 용기(1) 내의 압력이 안정되면, 「개방」 상태로 되어 있는 제1 전환 밸브(43)를 폐쇄한다(완전 폐쇄). 이때 TMP(42)측의 제2 전환 밸브(44)는 이미 「폐쇄」 상태로 되어 있으므로, 2개의 배기로의 전환 밸브(43, 44)가 동시에 「폐쇄」로 된다. 그리고, 양쪽 전환 밸브(43, 44)가 동시에 「폐쇄」로 되어 있는 상태를 1 내지 3초 정도 유지하면, TMP(42)측의 제2 전환 밸브(44)를 「개방」으로 함과 함께, 반응 용기(1) 내의 가스를 제2 배기로(제2 배기관(34a), TMP(42), 제2 배기관(34b) 등)측을 향하여 배기한다. 여기서 TMP(42)는 미리 가동한 상태로 되어 있다.
TMP(42)의 토출측에는 도시하지 않은 압력계가 설치되어 있고, 제2 전환 밸브(44)를 개방하는 동작은, 제1 배기관(33b)에 합류하고 있는 제2 배기관(34b) 내의 압력이 드라이 펌프(41)에 의해 중단 상태로 되어 있는 것을 확인하고 나서 실행한다. 또한, 제2 전환 밸브(44)를 개방한 후, 당해 압력계의 지시가 상승하여, 제2 배기로측에 가스의 흐름이 형성되어 있는 것을 확인한다.
이와 같이, 작동 압력 영역이 상이한 드라이 펌프(41), TMP(42)가 설치된 배기로의 전환을 행하는 데 있어서, 일단, 양쪽 배기로에 대한 배기를 정지함으로써, 비교적 높은 압력의 제1 배기로로부터, 저압의 제2 배기로에 대한 가스의 역류를 방지하여, TMP(42)를 보호할 수 있다.
배기로가 전환되면, TMP(42)의 작용에 의해 반응 용기(1) 내는 더 낮은 압력으로 조정되어, 후단의 공정에서 암모니아 가스를 공급했을 때에, 반응 용기(1) 내의 압력이 목표값으로 되도록 조정된다.
압력 조정을 종료하면, 암모니아 가스 공급부(611)로부터, 암모니아 공급로(61)를 통하여 제2 가스 노즐(63)에 예를 들어 0.5 내지 10.0slm의 범위인 예를 들어 5slm의 유량의 암모니아 가스를 공급한다(도 6). 이때, 치환 가스 공급로(62)로부터는 캐리어 가스로서 질소 가스가 공급된다. 암모니아 가스의 공급 시, 반응 용기(1) 내의 압력은, 예를 들어 1.33 내지 66.7Pa(0.01 내지 0.5Torr)의 범위인 6.7Pa(0.05Torr)로 된다.
또한, 암모니아 가스의 공급의 개시와 함께 고주파 전원(16)을 온의 상태로 하면, 도 2 중에, PS의 부호를 부여한 바와 같이 암모니아 가스가 플라즈마화되어, N 라디칼, NH 라디칼, NH2 라디칼, NH3 라디칼 등의 활성종이 발생한다. 이들 활성종이 플라즈마 발생부(12)로부터 반응 용기(1) 내에 유입되어, 회전하는 웨이퍼 보트(25)에 보유 지지되고, 히터(100)에 의해 가열된 웨이퍼(W) 위를 통과하면서 그 표면에 부착되어 있는 DCS와 반응하여 반응 생성물인 SiN의 층이 형성된다.
이때, 반응 용기(1) 내의 가스의 배기로가, 작동 압력 영역이 낮은 제2 진공 배기 기구(TMP(42), 드라이 펌프(41))를 구비한 제2 배기로로 전환되어 있음으로써, 제1 배기로를 통하여 제1 진공 배기 기구(드라이 펌프(41) 단독)에 의해 배기를 행하는 경우에 비하여 반응 용기(1) 내의 압력을 낮출 수 있다.
이 결과, 활성종끼리의 충돌 확률이 저하되고, 이들 충돌에 수반하는 실활을 억제하여, 웨이퍼(W)의 중앙에까지 도달하는 활성종을 증가시킬 수 있다. 웨이퍼(W)의 중앙에 충분한 활성종이 공급되면, 활성종의 부족에 의해 SiN의 생성량이 적어지는 영역의 발생이 억제되어, 웨이퍼(W)의 면 내에서 보다 균일하게 SiN을 생성할 수 있다.
제2 배기로측에 배기를 행하면서, 암모니아 가스(제1 반응 가스)를 공급하는 도 6에 기재된 공정은, 특허 청구 범위에 기재된 성막 방법의 제2 공정에 상당한다.
이렇게 하여 미리 설정한 시간만큼 암모니아 가스의 공급을 행하면, 암모니아 가스의 공급을 정지함과 함께 고주파 전원(16)을 오프의 상태로 하고, 질소 가스의 공급원(621)으로부터 제2 가스 노즐(63)로 치환용 질소 가스를 공급한다(도 7).
계속해서, 반응 용기(1) 내의 암모니아 가스가 충분히 배기된 타이밍에, 질소 가스의 공급원(621)으로부터의 질소 가스의 공급량을 조여, 반응 용기(1) 내의 압력을 TMP(42) 및 드라이 펌프(41)에 의해 거의 중단의 상태로 한다. 그 후, 「개방」 상태로 되어 있는 제2 전환 밸브(44)를 폐쇄한다(TMP(42)는 가동을 계속하고 있다). 이때 제1 배기관(33a, 33b)측의 제1 전환 밸브(43)는 이미 「폐쇄」 상태로 되어 있으므로, 2개의 배기로의 전환 밸브(43, 44)가 동시에 「폐쇄」로 된다. 그리고, 양쪽 전환 밸브(43, 44)가 동시에 「폐쇄」로 되어 있는 상태를 1 내지 3초 정도 유지하면, 제1 배기관(33a, 33b)측의 제1 전환 밸브(43)를 「개방」으로 하고, 반응 용기(1) 내의 가스를 제1 배기로(제1 배기관(33a, 33b))측을 향하여 배기한다(도 8).
이 전환 시에도, 일단 양쪽 배기로에 대한 배기를 정지함으로써, 비교적 높은 압력의 제1 배기로로부터, 저압의 제2 배기로에 대한 가스의 역류를 방지하여, TMP(42)를 보호할 수 있다.
또한, 이들 동작과 병행하여, 제1 가스 노즐(54)로부터 DCS 공급로(51)를 분리함과 함께 DCS 공급부(511)로부터 저류 탱크(71)에 DCS 가스를 공급하고 DCS 가스의 저류를 개시하여, 다음 DCS 가스 공급의 준비를 한다.
이렇게 해서, 도 3 내지 도 8을 사용하여 설명한 동작을 예를 들어 수십회 내지 수백회 반복하여, SiN의 층을 퇴적시킴으로써, 원하는 막 두께의 SiN막을 성막한다.
웨이퍼(W)에 대한 성막 처리를 행한 후, 반응 용기(1) 내의 온도를 웨이퍼(W)의 반출 시의 온도로 조절하고, 계속하여 질소 가스의 공급원(531, 621)으로부터 질소 가스를 공급한 후, 제1, 제2 전환 밸브(43, 44)를 완전 폐쇄로 하여 반응 용기(1) 내의 압력을 대기압까지 상승시킨다. 계속하여 웨이퍼 보트(25)를 강하시켜 반응 용기(1)로부터 반출하고, 성막 처리가 행해진 웨이퍼(W)를 취출하는 한편, 새로운 웨이퍼(W)를 웨이퍼 보트(25)에 보유 지지시켜 다음의 성막 처리를 개시한다.
본 실시 형태에 따른 성막 장치에 의하면 이하의 효과가 있다. 진공 분위기의 반응 용기(1) 내에서 웨이퍼(W)에 대한 성막 처리를 행하는 데 있어서, 반응 용기(1)에 공급되는 반응 가스의 종류(DCS 가스, 암모니아 가스)에 따라 상이한 다른 배기로(제1 배기로인 제1 배기관(33a, 33b), 제2 배기로인 제2 배기관(34a), TMP(42), 제2 배기관(34b) 등)를 향하여 반응 용기(1) 내 가스의 진공 배기를 행한다. 각 배기로에는, 작동 압력 영역이 상이한 진공 배기 기구(제1 진공 배기 기구인 드라이 펌프(41), 제2 진공 배기 기구인 TMP(42) 및 드라이 펌프(41))가 접속되어 있으므로, 반응 가스의 종류에 따라 반응 용기(1) 내의 압력을 적절하게 변경할 수 있다.
이 결과, 본 예의 성막 처리에 있어서는, 비교적 높은 압력으로 공급되는 DCS 가스의 공급 시에는, 작동 압력 영역이 비교적 높은 드라이 펌프(41)가 설치된 제1 배기로를 통하여 배기를 행함으로써, 단시간에 효율적으로 웨이퍼(W)의 표면에 DCS를 부착시킬 수 있다. 한편, 암모니아 가스의 공급 시에는, 작동 압력 영역이 비교적 낮은 TMP(42) 및 드라이 펌프(41)가 설치된 제2 배기로를 통하여 배기를 행함으로써, 활성종의 수명을 연장시켜 웨이퍼(W) 면 내에서 균일한 성막 처리를 실현하고 있다.
단, 원료 가스의 종류에 따라 반응 용기(1) 내의 압력을 변화시키는 목적은, 웨이퍼(W)에 대한 원료를 부착시키는 시간의 단축이나 활성종의 수명을 연장시키는 것에 한정되는 것은 아니며 다른 목적이어도 된다. 예를 들어, 반응 가스의 반응 속도의 조정이나 원료 가스의 대유량 공급, 대유량 배기, 막 성상의 조정 등을 예시할 수 있다.
또한, 드라이 펌프(41)보다도 작동 압력 영역이 낮은 진공 배기 기구의 예는, TMP(42)와 드라이 펌프(41)를 조합하여 사용하는 경우에 한정되지 않고, 예를 들어 크라이오 펌프 등을 사용해도 된다. 또한, 반응 용기(1) 내의 압력을 변화시키는 방법은, 드라이 펌프(41)와 TMP(42)와 같이, 종류가 상이한 배기 기구를 사용하는 경우에 한정되지 않고, 예를 들어 설계 사양상의 도달 압력이 상이한 드라이 펌프를 각각 제1, 제2 진공 배기 기구로서, 상이한 작동 압력 영역에서 사용해도 된다.
여기서, 도 1 등에 도시된 예에서는, 제1 진공 배기 기구인 드라이 펌프(41)를 이용하여, 당해 드라이 펌프(41)와 TMP(42)를 조합하여 제2 진공 배기 기구를 구성했다. 그러나, TMP(42)의 후단에 설치하는 진공 펌프는, 제1 진공 배기 기구와 공유하는 경우 외에, 별도로 전용 진공 펌프를 설치해도 된다.
또한, 제1 배기로, 제2 배기로는, 공통된 배기 포트(19)를 개재하여 반응 용기(1)에 접속하는 경우에 한정되지 않고, 반응 용기(1)에 대하여 각각 독립적으로 이들 배기로를 접속해도 되는 것은 물론이다.
또한 본 발명의 성막 장치에서는, 이미 설명한 SiN막의 성막 이외에, 금속 원소나 반금속 원소(이하에서, 기재의 편의상, 금속 및 반금속을 통합하여 「금속」이라고 칭한다), 예를 들어 주기율표의 제3 주기의 원소인 Al 등, 주기율표의 제4 주기의 원소인 Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge 등, 주기율표의 제5 주기의 원소인 Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag 등, 주기율표의 제6 주기의 원소인 Ba, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt 등의 원소를 포함하는 막을 성막해도 된다. 웨이퍼(W) 표면에 부착시키는 금속 원료로서는, 이들 금속 원소의 유기 금속 화합물이나 무기 금속 화합물 등을 반응 가스(원료 가스)로서 사용하는 경우를 들 수 있다. 금속 원료의 구체예로서는, 상술한 DCS 이외에, BTBAS((비스터셜부틸아미노)실란), TiCl4(사염화티타늄), HCD(헥사디클로로실란), TMA(트리메틸알루미늄), 3DMAS(트리스디메틸아미노실란), DIPAS(디이소프로필아미노실란) 등을 들 수 있다.
또한, 웨이퍼(W)의 표면에 부착된 원료 가스를 반응시켜, 원하는 막을 얻는 반응에는, 예를 들어 O2, O3, H2O, H2와 O2의 반응으로 생성하는 O 라디칼 등을 이용한 산화 반응, HCOOH, CH3COOH 등의 유기산, CH3OH, C2H5OH 등의 알코올류, H2 등을 이용한 환원 반응, CH4, C2H6, C2H4, C2H2 등을 이용한 탄화 반응, NH3, NH2NH2, N2 등을 이용한 질화 반응 등의 각종 반응을 이용해도 된다.
그리고, 이들 반응 가스를 활성종의 상태에서 웨이퍼(W)에 공급하는 경우에는, 가스 활성화부는, 반응 가스를 플라즈마화하여 활성종을 얻는 경우에 한정되지 않고, 예를 들어 반응 가스를 가열하여 활성종을 발생시키거나, 반응 가스에 자외선이나 X선 등의 에너지선을 조사하여 활성종을 발생시키거나 해도 된다.
또한, 반응 가스로서, 3종류의 반응 가스나 4종류의 반응 가스를 사용해도 된다. 예를 들어 3종류의 반응 가스를 사용하는 경우의 예로서는, 티타늄산스트론튬(SrTiO3)을 성막하는 경우가 있고, 예를 들어 Sr 원료인 Sr(THD)2(스트론튬비스테트라메틸헵탄디오네이트)와, Ti 원료인 Ti(OiPr)2(THD)2(티타늄비스이소프로폭시드 비스테트라메틸헵탄디오네이트)와, 이들 산화 가스인 오존 가스가 사용된다. 이 경우에는, Sr 원료 가스→치환용 가스→산화 가스→치환용 가스→Ti 원료 가스→ 치환용 가스→산화 가스→치환용 가스의 순으로 가스가 전환된다.
그리고, 3종류 이상의 반응 가스에 포함되는 적어도 2종의 반응 가스에 착안하여, 한쪽 반응 가스의 배기가, 제1 진공 배기 기구를 구비하는 제1 배기로를 이용하여 행해지고, 다른 쪽 반응 가스의 배기가, 제1 진공 배기 기구보다도 작동 압력 영역이 낮은 제2 진공 배기 기구를 구비하는 제2 배기로를 이용하여 행하는 경우에는, 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
이들 외에, 본 발명이 적용되는 성막 장치는, 웨이퍼 보트(25)에 복수매의 웨이퍼(W)를 보유 지지하여 성막 처리를 행하는 뱃치식의 것에 한정되지 않고, 예를 들어 처리 용기 내에 배치된 적재대 위에 웨이퍼(W)를 1매씩 적재하고, 순차, 반응 가스를 공급하여 성막 처리를 행하는 매엽식의 성막 장치이어도 된다.
또한 본 발명은 ALD 성막에 한정되지 않고, 교대로 다른 반응 가스를 웨이퍼(W) 위에 공급하여 성막을 행하는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에도 적용 가능하다.
실시예
반응 가스로서 DCS 가스와 암모니아 가스를 사용한 SiN막의 성막에 있어서, 암모니아 가스 공급 시의 반응 용기(1) 내의 압력의 영향을 검토했다.
(실험 1)
A. 실험 조건
암모니아 가스 공급 시의 반응 용기(1) 내의 압력을 변화시켜, SiN막의 막 두께의 면내 균일성에 대한 영향을 검토했다. 각 실험에 있어서, 도 9의 (a)에 도시된 트렌치 패턴이 형성된 것(트렌치 패턴이 없는 것과 비교하여, 표면적이 3배인 것, 5배인 것)과, 도 9의 (b)에 도시된 트렌치 패턴이 없는 것의 합계 3종류의 웨이퍼(W)(직경 300㎜)에 대하여 성막 처리를 행했다. 100매의 웨이퍼(W)를 반응 용기(1) 내에 반입하여, 도 4를 사용하여 설명한 조건과 마찬가지의 조건 하에서 저류 탱크(71)로부터 DCS 가스를 공급하는 한편, 5slm로 20초간 암모니아 가스를 공급하여, 반응 온도 500℃, 고주파 전원(16)으로부터의 인가 전력은 13.56MHz, 100W로 했다. DCS 가스 및 암모니아 가스의 공급 사이클은 300회 실행했다. 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, 성막 처리 후, 웨이퍼(W) 표면에 성막된 SiN막의 직경 방향의 막 두께 분포를 막 두께 측정기에 의해 계측했다.
(실험 조건 1-1) 처리 용기 내의 압력(전압) P=12.0[Pa](0.09[Torr])
(실험 조건 1-2) 처리 용기 내의 압력 P=16.0[Pa](0.12[Torr])
(실험 조건 1-3) 처리 용기 내의 압력 P=25.7[Pa](0.19[Torr])
(실험 조건 1-4) 처리 용기 내의 압력 P=38.3[Pa](0.29[Torr])
(실험 조건 1-5) 처리 용기 내의 압력 P=62.3[Pa](0.47[Torr])
B. 실험 결과
각 실험 조건에 있어서의 3종류의 웨이퍼(W)의 막 두께 분포의 변위를 도 10에 도시한다. 각 그래프의 횡축은 웨이퍼(W)의 직경 방향의 위치, 종축은 SiN막의 막 두께를 나타내고 있다. 또한, 실선은 트렌치가 없는, 일점쇄선은 트렌치가 있는(면적비 3배), 파선은 트렌치가 있는(면적비 5배) 웨이퍼(W)에 있어서의 SiN막의 막 두께 분포를 나타내고 있다.
또한, 도 11에는 웨이퍼(W)의 중앙 위치에 있어서의, 트렌치가 없는 웨이퍼(W)에 대한, 트렌치가 있는 웨이퍼(W)의 막 두께의 감소율을, 암모니아 가스 공급 시의 반응 용기(1) 내의 압력에 대하여 플롯한 결과를 나타내고 있다.
도 9의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 트렌치가 있는 웨이퍼(W)의 상면에 성막된 SiN막의 막 두께를 t1, 트렌치가 없는 웨이퍼(W)의 상면에 성막된 SiN막의 막 두께를 t2로 했을 때, 막 두께의 감소율은 {(t1-t2)/t1}×100[％]에 의해 계산했다. 도 11에 있어서, 면적비 3배의 웨이퍼(W)에 있어서의 감소율은 외곽선 사각으로 플롯하고, 면적비 5배의 웨이퍼(W)에 있어서의 감소율은 흑색으로 도포한 동그라미로 나타내고 있다.
도 10, 도 11에 도시한 결과에 의하면, (1-1 내지 1-5)의 어느 실험 조건에 있어서든, 트렌치가 없는 웨이퍼(W)에 비하여, 트렌치가 있는 웨이퍼(W)는, 중앙부에 있어서의 SiN막의 막 두께가 얇게 되어 있다. 또한, 트렌치가 있는 웨이퍼(W)끼리를 비교하면, 면적비가 큰(트렌치가 많은) 웨이퍼(W)가 중앙부에 있어서의 막 두께의 저조량(막 두께 감소율)이 더 크게 되어 있다.
한편, 트렌치가 없는 웨이퍼(W)에서는, 비교적 균일한 막 두께 분포가 얻어지고 있는 점에서, 상술한 막 두께 분포가 발생하는 원인은, DCS의 부착량의 부족에 의한 것이 아님을 알 수 있다. 따라서, 트렌치가 있는 웨이퍼(W)에 있어서는, 웨이퍼(W)의 주연부에서 활성종이 먼저 소비된 결과, 중앙부에 공급되는 암모니아 가스의 활성종의 양이 부족한 것에 의해, 당해 중앙부의 SiN막의 막 두께가 얇아졌다고 생각되어진다.
한편, 도 11에 의하면, 암모니아 공급 시의 반응 용기(1) 내의 압력을 낮출수록, 웨이퍼(W)의 중앙부의 막 두께의 감소율을 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 10의 각 실험 결과에 있어서도, 반응 용기(1) 내의 압력이 낮아짐에 따라, 트렌치가 있는 웨이퍼(W)의 막 두께 분포가, 트렌치가 없는 웨이퍼(W)의 막 두께 분포에 근접하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 점에서, 암모니아 가스의 공급 시의 반응 용기(1) 내의 압력을 낮추면, 암모니아의 활성종의 수명이 길어지고, 웨이퍼(W)의 중앙부에도 활성종이 도달하여, 당해 중앙부에 있어서의 SiN의 생성량을 증가시켜, 막 두께 분포의 면내 균일성을 개선할 수 있는 것을 알 수 있다.
이 점에 있어서, DCS 가스(제1 반응 가스)와 암모니아 가스(제2 반응 가스)에 의해 SiN막을 성막하는 프로세스에서는, DCS 가스를 웨이퍼(W)에 부착시킨 후에 암모니아 가스를 공급했을 때의 반응 촉진의 정도는, DCS 가스 공급 시의 제1 압력의 분위기에서 행하는 경우보다도, 상기 압력이 비교적 낮은, 암모니아 가스 공급 시의 제2 압력의 분위기에 있어서의 경우가 더 커지는 것을 확인할 수 있었다. 암모니아 가스의 활성종의 수명에 대해서도, 제1 압력의 분위기보다도 제2 압력의 분위기가 더 길어지는 것을 알 수 있다.
(실험 2)
암모니아 가스 공급 시의 반응 용기(1) 내의 압력(제2 압력)을 40Pa(0.3Torr)로 일정하게 하는 한편, 암모니아 가스의 공급 시에 반응 용기(1) 내에 공급되는 암모니아 가스와 질소 가스의 공급량을 조절하여, 암모니아 가스의 분압(PNH3)을 변화시키고, 다른 조건은 (실험 1)과 마찬가지로 하여 SiN막의 막 두께 분포에 대한 영향을 검토했다.
A. 실험 조건
(실험 조건 2-1) 암모니아 가스 분압 PNH3=6.4[Pa](0.048[Torr])
(실험 조건 2-2) 암모니아 가스 분압 PNH3=18.3[Pa](0.13[Torr])
(실험 조건 2-3) 암모니아 가스 분압 PNH3=28.5[Pa](0.21[Torr])
(실험 조건 2-4) 암모니아 가스 분압 PNH3=32.0[Pa](0.24[Torr])
B. 실험 결과
각 실험 조건에 있어서의 3종류의 웨이퍼(W)의 막 두께 분포의 변위를 도 12에 나타내고, 웨이퍼(W)의 중앙 위치에 있어서의, 트렌치가 없는 웨이퍼(W)에 대한, 트렌치가 있는 웨이퍼(W)의 막 두께의 감소율을, 암모니아 가스의 분압에 대하여 플롯한 결과를 도 13에 나타낸다. 도 12, 도 13의 종축 및 횡축이나 선종, 플롯은, 각각 도 10, 도 11의 경우와 마찬가지이다.
도 10에 도시한 (실험 1)의 결과에 있어서, 웨이퍼(W)에 성막되는 SiN막은, 반응 용기(1) 내의 압력(제2 압력)을 낮춤에 따라 면 내에서 평균적으로 막 두께가 얇아지는 경향이 확인된다. 이 점, 반응 용기(1)에 공급되는 암모니아 가스의 분압을 올려 가면, 막 두께를 두껍게 하는 것이 가능하여, 막 두께 분포의 개선도 보인다. 이들 결과로부터, 막 두께 분포의 개선을 목적으로 하여 반응 용기(1) 내의 압력(제2 압력)을 내린 경우에는, DCS 가스용 제1 가스 노즐(54)이나 도시하지 않은 클리닝 가스 노즐에 대한 암모니아 가스의 역류 방지의 목적으로 반응 용기(1) 내에 공급되는 질소 가스나, 암모니아 가스의 캐리어 가스로서 치환 가스 공급로(62)로부터 공급되는 질소 가스의 공급량을 필요 최소한으로 억제하여, 암모니아 가스의 분압을 올림으로써, 성막 속도의 저하를 보충하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
W 웨이퍼
1 반응 용기
12 플라즈마 발생부
18 배기구
19 배기 포트
33a, 33b 제1 배기관
34a, 34b 제2 배기관
41 드라이 펌프
42 TMP
43 제1 전환 밸브
44 제2 전환 밸브
54 제1 가스 노즐
63 제2 가스 노즐
8 제어부

Claims (11)

  1. 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 반응 용기 내에 순서대로 공급하여, 진공 분위기에서 기판에 대하여 성막 처리를 행하는 성막 장치에 있어서,
    상기 반응 용기 내에, 제1 압력의 분위기 하에서 제1 반응 가스를 공급하기 위한 제1 반응 가스 공급부와,
    상기 반응 용기 내에, 상기 제1 압력보다도 저압인 제2 압력의 분위기 하에서 제2 반응 가스를 공급하기 위한 제2 반응 가스 공급부와,
    상기 반응 용기 내에 상기 제1 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 상기 반응 용기에 제1 배기로를 개재하여 접속된 제1 진공 배기 기구와,
    상기 반응 용기 내에 상기 제2 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 상기 반응 용기 내에 제2 배기로를 개재하여 접속되고, 상기 제1 진공 배기 기구보다도 작동 압력 영역이 낮은 제2 진공 배기 기구와,
    상기 제1 배기로와 제2 배기로 사이에서, 상기 반응 용기의 배기처를 전환하는 전환부
    를 구비하는 성막 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응 가스를 기판에 부착시킨 후에 제2 반응 가스를 공급했을 때의 반응 촉진의 정도는, 상기 제1 압력의 분위기보다도 제2 압력의 분위기가 더 큰, 성막 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 반응 가스를 활성화시키기 위한 가스 활성화부를 구비하고,
    상기 활성화에 의해 얻어진 활성종의 수명은, 상기 제1 압력의 분위기보다도 제2 압력의 분위기가 더 긴, 성막 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가스 활성화부는, 상기 제2 반응 가스를 플라즈마화함으로써 상기 활성종을 얻는 것인, 성막 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 진공 배기 기구는, 터보 분자 펌프와 그 후단의 진공 펌프를 구비하는 성막 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 기판을 선반 형상으로 보유 지지하는 기판 보유 지지부를 구비하고, 상기 성막 처리는, 처리 대상의 복수의 기판을 보유 지지한 기판 보유 지지부를 상기 처리 용기 내에 반입하여 행해지는, 성막 장치.
  7. 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 반응 용기 내에 순서대로 공급하여, 진공 분위기에서 기판에 대하여 성막 처리를 행하는 성막 방법에 있어서,
    상기 반응 용기 내에, 제1 압력의 분위기 하에서 제1 반응 가스를 공급함과 함께, 상기 반응 용기 내에 상기 제1 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 제1 배기로를 개재하여 접속된 제1 진공 배기 기구에 의해 상기 반응 용기 내를 배기하는 제1 공정과,
    상기 반응 용기 내에, 상기 제1 압력보다도 저압인 제2 압력의 분위기 하에서 제2 반응 가스를 공급하기 위한 제2 반응 가스를 공급함과 함께, 상기 반응 용기 내에 상기 제2 압력의 분위기를 형성하기 위하여, 제2 배기로를 개재하여 접속되고, 상기 제1 진공 배기 기구보다도 작동 압력 영역이 낮은 제2 진공 배기 기구에 의해, 상기 반응 용기 내를 배기하는 제2 공정
    을 포함하고,
    이들 제1 공정과 제2 공정을 반복하여 행하는, 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 반응 가스를 기판에 부착시킨 후에 제2 반응 가스를 공급했을 때의 반응 촉진의 정도는, 상기 제1 압력의 분위기보다도 제2 압력의 분위기가 더 큰, 성막 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제2 반응 가스를 활성화시키는 공정을 포함하고,
    상기 활성화에 의해 얻어진 활성종의 수명은, 상기 제1 압력의 분위기보다도 제2 압력의 분위기가 더 긴, 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 반응 가스를 활성화시키는 공정은, 상기 제2 반응 가스를 플라즈마화함으로써 상기 활성종을 얻는 것인, 성막 방법.
  11. 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 반응 용기 내에 순서대로 공급하여, 진공 분위기에서 기판에 대하여 성막 처리를 행하는 성막 장치에 사용하는 컴퓨터 프로그램을 기억한 기억 매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 제7항 또는 제8항에 기재된 성막 방법을 실행하기 위한 스텝군이 짜여져 있는, 기억 매체.
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