KR20140143151A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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KR20140143151A
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film forming
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다카유키 가라카와
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

성막 장치(10)는, 플라즈마 ALD 시퀀스를 실행하여 기판(W)에 DCS의 Si 성분의 질화막을 성막한 후에, 플라즈마 후처리로서, 제1∼제4 가스 공급 프로세스 및 플라즈마 공급 프로세스를 순차로 실행한다. 플라즈마 후처리의 제1∼제4 가스 공급 프로세스에서 공급되는 가스는, N2, NH3, Ar, H2 중 어느 가스, 또는, 이들 가스를 적절히 혼합한 혼합 가스인 개질 가스이다. 플라즈마 ALD 시퀀스를 실행한 후에, 기판(W)의 질화막에 대하여 개질 가스의 플라즈마를 공급함으로써, 기판(W) 상에 성막된 질화막의 막질을 향상시킨다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM FORMING PROCESS AND FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
종래부터, 실리콘 웨이퍼의 기판 상에 성막하는 수법으로서, 라디칼 반응을 이용하는 원자층 퇴적법(ALD(Atomic Layer Deposition) 법)이나 분자층 퇴적법(MLD(Molecular Layer Deposition) 법)이 알려져 있다. ALD 법이나 MLD 법에서는, 기판의 표면에 전구체 가스를 분사함으로써, 전구체 가스의 원자 또는 분자를 기판의 표면에 흡착시킨다. 그리고, 기판의 표면에 퍼지 가스를 분사함으로써, 기판의 표면에 과도하게 화학적으로 흡착한 원자 또는 분자를 제거한다.
그리고, 화학적으로 흡착한 원자 또는 분자가 제거된 기판의 표면에, 반응 가스의 플라즈마를 공급한다. 그렇게 하면, 기판의 표면에 흡착한 전구체 가스의 원자 또는 분자와, 플라즈마에 의해 생성된 반응 가스의 유리기(라디칼)가 반응하여, 실리콘 웨이퍼의 기판 상에 성막된다.
ALD 법이나 MLD 법에서는, 전술한 성막 공정을 반복 실행함으로써, 실리콘 웨이퍼의 기판 상에, 전구체 가스의 원자 또는 분자가 라디칼 반응한 막이 원하는 막두께로 퇴적되도록 성막된다. 예컨대, 전구체 가스가 DCS(Dichlorosilane, 디클로로실란)이고, 반응 가스가 N2(질소)인 경우에는, 실리콘 웨이퍼의 기판 상에 실리콘의 질화막이 성막된다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2011-210872호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2002-368084호 공보
그러나, 전술한 종래 기술에서는, 실리콘 웨이퍼의 기판 상에 성막한 실리콘 질화막의 표면 및 표면 근방의 막질이, 표면 아래의 막 속의 막질과 비교하여 저하된다. 이것은, 실리콘 질화막의 표면이, 성막 후에 대기에 노출됨으로써 산화되기 때문이다.
그래서, 본 발명의 일실시형태는, 전술한 문제를 감안하여 이루어져, 실리콘 질화막의 막질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시형태의 일측면에서는, 기판의 표면에 성막하는 성막 장치가 실행하는 성막 방법으로서, 우선, 기밀성을 갖는 처리 용기의 내부에 설치된 배치부에 배치된 기판의 표면에, 전구체 가스를 화학적으로 흡착시킨다. 그리고, 처리 용기의 내부에 반응 가스를 공급하고, 반응 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판의 표면과, 반응 가스의 플라즈마를 반응시킨다. 그리고, 처리 용기의 내부에, 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 어느 가스 또는 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스를 혼합한 가스인 개질 가스를 공급하고, 개질 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판의 표면과, 개질 가스의 플라즈마를 반응시킨다.
본 발명의 일실시형태의 일측면에 의하면, 기판 상에 성막된 실리콘 질화막의 막질을 향상시킨다.
도 1은, 제1 실시형태에 관련된 성막 장치를 개략적으로 도시한 상면도이다.
도 2는, 도 1에 도시한 성막 장치로부터 처리 용기의 상부를 제거한 상태를 도시한 평면도이다.
도 3은, 도 1 및 도 2의 A-A 선을 따른 성막 장치의 종단면도이다.
도 4는, 도 3을 대향하여 수직축(X)의 좌측 부분을 확대한 성막 장치의 종단면도이다.
도 5는, 도 3을 대향하여 수직축(X)의 우측 부분7을 확대한 성막 장치의 종단면도이다.
도 6은, 제1 실시형태에 관련된 성막 처리의 개요를 도시한 도면이다.
도 7은, 제1 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다.
도 8은, 제2 실시형태에 관련된 성막 처리의 개요를 도시한 도면이다.
도 9는, 제2 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다.
도 10은, 제3 실시형태에 관련된 성막 장치의 종단면도이다.
도 11은, 제3 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다.
도 12는, 제4 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다.
도 13은, DHF 처리 시간과, 막두께의 관계를 도시한 도면이다.
도 14a는, 실시예 1에 관련된 실험 레시피를 도시한 도면이다.
도 14b는, 실시예 1에 관련된 실험 레시피를 도시한 도면이다.
도 14c는, 실시예 1에 관련된 실험 레시피를 도시한 도면이다.
도 15a는, 플라즈마 후처리에서의 압력 및 WERR의 관계를 도시한 도면이다.
도 15b는, 플라즈마 후처리에서의 압력 및 평균 막두께의 관계를 도시한 도면이다.
도 15c는, 플라즈마 후처리에서의 마이크로파 전력 및 WERR의 관계를 도시한 도면이다.
도 15d는, 플라즈마 후처리에서의 마이크로파 전력 및 평균 막두께의 관계를 도시한 도면이다.
도 16a는, 개질 가스가 NH3/N2/Ar인 경우에 있어서, WERR 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 16b는, 개질 가스가 NH3/N2/Ar인 경우에 있어서, 평균 막두께, 막두께 균일성 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 16c는, 개질 가스가 NH3/Ar인 경우에 있어서, WERR 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 16d는, 개질 가스가 NH3/Ar인 경우에 있어서, 평균 막두께, 막두께 균일성 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 16e는, 개질 가스가 N2/Ar인 경우에 있어서, WERR 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 16f는, 개질 가스가 N2/Ar인 경우에 있어서, 평균 막두께, 막두께 균일성 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 16g는, 개질 가스가 Ar인 경우에 있어서, WERR 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 16h는, 개질 가스가 Ar인 경우에 있어서, 평균 막두께, 막두께 균일성 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다.
도 17a는, 플라즈마 후처리에 의한 질화막의 개질의 심도를 도시한 도면이다.
도 17b는, DHF 처리 시간 및 막두께의 관계를 도시한 도면이다.
도 18a는, 실시예 1에 관련된 Si 2p 3/2 스펙트럼의 파형 분리 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 18b는, TOA를 설명하는 도면이다.
도 19a는, 실시예 1에 관련된 Si-NH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 19b는, 실시예 1에 관련된 Si-H의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 19c는, 실시예 1에 관련된 Si-OH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 20은, 플라즈마 후처리에 의한 WERR의 변화를 도시한 도면이다.
도 21a는, 플라즈마 후처리가 없는 경우에서의 질화막의 산화의 개요를 도시한 도면이다.
도 21b는, NH3/Ar 플라즈마 후처리가 있는 경우에서의 질화막의 미결합손의 종단의 개요를 도시한 도면이다.
도 21c는, Ar 플라즈마 후처리가 있는 경우에서의 질화막의 미결합손의 종단의 개요를 도시한 도면이다.
도 22a는, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간을 10 sec로 한 경우의 비교 샘플 및 실험 샘플 각각의 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다.
도 22b는, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간을 30 sec로 한 경우의 비교 샘플 및 실험 샘플 각각의 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다.
도 22c는, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간을 60 sec로 한 경우의 비교 샘플 및 실험 샘플 각각의 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다.
도 23은, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간 및 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다.
도 24a는, 실시예 2에 관련된 실험 레시피를 도시한 도면이다.
도 24b는, 실시예 2에 관련된 실험 레시피를 도시한 도면이다.
도 25a는, DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마의 WERR의 비교를 도시한 도면이다.
도 25b는, DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마의 막두께 평균의 비교를 도시한 도면이다.
도 25c는, DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마의 막두께 균일성의 비교를 도시한 도면이다.
도 25d는, DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마의 막두께 분포의 비교를 도시한 도면이다.
도 26은, 실시예 2에 관련된 Si 2p 3/2 스펙트럼의 파형 분리 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 27a는, 실시예 2에 관련된 Si-NH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 27b는, 실시예 2에 관련된 Si-H의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 27c는, 실시예 2에 관련된 Si-OH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 28은, DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마를 실행한 질화막의 조성 성분마다의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적의 비율의 비교를 도시한 도면이다.
도 29a는, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 15 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리를 5 sec만큼 실행한 후, 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플에 관해, WERR을 비교하는 도면이다.
도 29b는, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 15 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리를 5 sec만큼 실행한 후, 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플에 관해, 막두께 평균을 비교하는 도면이다.
도 29c는, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 15 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리를 5 sec만큼 실행한 후, 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플에 관해, 막두께 균일성을 비교하는 도면이다.
도 29d는, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 15 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리를 5 sec만큼 실행한 후, 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플에 관해, 막두께 분포를 비교하는 도면이다.
도 30은, 실시예 2에 관련된 실험 결과의 비교를 도시한 도면이다.
도 31은, 실시예 3에 관련된 실험 레시피를 도시한 도면이다.
도 32는, 실험 3∼실험 5에서의 막의 균일성과 막두께의 관계를 도시한 도면이다.
도 33은, 실험 3에서의 막두께 분포를 등고선에 있어서 도시한 도면이다.
도 34는, 실험 4에서의 막두께 분포를 등고선에 있어서 도시한 도면이다.
도 35는, 실험 5에서의 막두께 분포를 등고선에 있어서 도시한 도면이다.
이하에, 본 발명의 일실시형태에 관련된 성막 방법 및 성막 장치를 도면에 기초하여 설명한다. 또, 이하의 일실시형태에서는, 각 도면에 있어서, 동일 또는 대응하는 구성 요소에 대하여 동일한 부호를 부여하여 설명한다. 또한, 이하의 실시형태 및 실시형태에서 참조하는 도면은, 어디까지나 일례를 나타내는 것에 불과하고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이하의 실시형태는, 모순되지 않는 범위 내에서 적절히 조합해도 좋다.
[제1 실시형태]
(제1 실시형태에 관련된 성막 장치의 구성)
도 1∼도 5를 참조하여, 제1 실시형태에 관련된 성막 장치의 구성을 설명한다. 도 1은, 제1 실시형태에 관련된 성막 장치를 개략적으로 도시한 상면도이다. 도 2는, 도 1에 도시한 성막 장치로부터 처리 용기의 상부를 제거한 상태를 도시한 평면도이다. 도 3은, 도 1 및 도 2의 A-A 선을 따른 성막 장치의 종단면도이다. 도 4는, 도 3을 대향하여 수직축(X)의 좌측 부분을 확대한 성막 장치의 종단면도이다. 도 5는, 도 3을 대향하여 수직축(X)의 우측 부분을 확대한 성막 장치의 종단면도이다. 도 1∼도 5에 도시한 성막 장치(10)는, 주된 구성 요소로서, 처리 용기(12), 배치대(14), 제1 가스 공급부(16), 배기부(18), 제2 가스 공급부(20), 플라즈마 생성부(22)를 구비한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10)는, 처리 용기(12)를 구비한다. 처리 용기(12)는, 수직축(X)을 중심축으로 하는 대략 원통형의 용기이다. 처리 용기(12)는, 처리실(C)을 내부에 구비한다. 처리실(C)은, 분사부(16a)를 구비한 유닛(U)을 포함한다. 처리 용기(12)는, 예컨대, 알루마이트 처리 또는 Y2O3(산화이트륨)의 용사 처리 등의 내(耐)플라즈마 처리가 내면에 실시된 Al(알루미늄) 등의 금속으로 형성된다.
또한, 성막 장치(10)는, 처리 용기(12)의 상측에, 플라즈마 생성부(22)를 구비한다. 플라즈마 생성부(22)는, 수직축(X)을 중심으로, 처리 용기(12)의 상측의 대략 원의 면을 5개의 거의 동일한 부채형으로 분할한 영역 중, 연속하는 4개의 영역에 각각 구비된다. 플라즈마 생성부(22)는, 마이크로파를 출력하는 안테나(22a)를 각각 구비한다. 안테나(22a)는, 유전체판(40)을 내부에 구비한다. 또한, 안테나(22a)는, 유전체판(40) 상에 설치된 도파관(42)을 구비한다.
또, 설명의 편의상, 도 1에 있어서, 유닛(U)에 대하여 시계 방향으로 인접하여 위치하는 플라즈마 생성부(22)를 제1 플라즈마 생성부로 한다. 또한, 제1 플라즈마 생성부에 대하여 시계 방향으로 인접하여 위치하는 플라즈마 생성부(22)를 제2 플라즈마 생성부로 한다. 마찬가지로, 제2 플라즈마 생성부에 대하여 시계 방향으로 인접하여 위치하는 플라즈마 생성부(22)를 제3 플라즈마 생성부로 한다. 마찬가지로, 제3 플라즈마 생성부에 대하여 시계 방향으로 인접하여 위치하는 플라즈마 생성부(22)를 제4 플라즈마 생성부로 한다.
또, 처리 용기(12)의 상측의 대략 원의 면을 분할하는 수, 플라즈마 생성부(22)가 구비되는 수, 및 유닛(U), 제1∼제4 플라즈마 생성부의 위치는, 도 1 및 도 2에 도시한 것에 한정되지 않고, 적절히 변경해도 좋다.
도 2에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10)는, 상면에 복수의 기판 배치 영역(14a)을 갖는 배치대(14)를 구비한다. 배치대(14)는, 수직축(X)을 중심축으로 하는 대략 원판형의 판재이다. 배치대(14)의 상면에는, 기판(W)을 배치하는 오목부가 형성된다. 오목부는 평면이며 동심원형으로 복수 형성되고, 여기서는 5개이다. 기판(W)은 오목부 내에 배치되고, 회전했을 때, 어긋나지 않도록 지지된다. 기판 배치 영역(14a)은, 수직축(X)을 중심으로 하는 원주 상에 배열된다. 기판 배치 영역(14a)은, 대략 원형의 기판(W)과 거의 동일한 형상의 대략 원형의 오목부이다. 기판 배치 영역(14a)의 오목부의 직경(W1)은, 기판 배치 영역(14a)에 배치되는 기판(W)의 직경과 비교하여, 거의 동일하다. 즉, 기판 배치 영역(14a)의 오목부의 직경(W1)은, 배치되는 기판(W)이 오목부에 끼워맞춰져, 배치대(14)가 회전하더라도, 원심력에 의해 기판(W)이 끼워맞춤 위치로부터 이동하지 않도록 기판(W)을 고정하는 정도이면 된다.
또한, 성막 장치(10)는, 처리 용기(12)의 외연에, 로봇 아암 등의 반송 장치를 통해, 기판(W)을 처리실(C)에 반입하고, 기판(W)을 처리실(C)로부터 반출하는 게이트 밸브(G)를 구비한다. 또한, 성막 장치(10)는, 배치대(14)의 외연 하측에, 배기구(22h)를 구비한다. 성막 장치(10)는, 배기구(22h)로부터의 배기에 의해, 처리실(C) 내의 압력을, 목적으로 하는 압력으로 유지한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 처리 용기(12)는, 하부 부재(12a) 및 상부 부재(12b)를 갖는다. 하부 부재(12a)는, 상측으로 개구된 대략 통형상을 갖고, 처리실(C)을 형성하는 측벽 및 바닥벽을 포함하는 오목부를 형성한다. 상부 부재(12b)는, 대략 통형상을 갖고, 하부 부재(12a)의 오목부의 상부 개구를 덮개로 닫음으로써 처리실(C)을 형성하는 덮개체이다. 하부 부재(12a)와 상부 부재(12b) 사이의 외주부에는, 처리실(C)을 밀폐하기 위한 탄성 밀봉 부재, 예컨대, O 링이 설치되어도 좋다.
또한, 성막 장치(10)는, 처리 용기(12)에 의해 형성되는 처리실(C)의 내부에, 배치대(14)를 구비한다. 배치대(14)는, 구동 기구(24)에 의해 수직축(X)을 중심으로 회전 구동된다. 구동 기구(24)는, 모터 등의 구동 장치(24a) 및 회전축(24b)을 갖고, 처리 용기(12)의 하부 부재(12a)에 부착된다.
회전축(24b)은, 수직축(X)을 중심 축선으로 하여, 처리실(C)의 내부까지 연장된다. 회전축(24b)은, 구동 장치(24a)로부터 전달되는 구동력에 의해 수직축(X)을 중심으로, 예컨대 시계 방향으로 회전한다. 배치대(14)는, 중앙 부분이 회전축(24b)에 의해 지지된다. 따라서, 배치대(14)는, 수직축(X)을 중심으로, 회전축(24b)의 회전에 따라 회전한다. 또, 처리 용기(12)의 하부 부재(12a)와 구동 기구(24) 사이에는, 처리실(C)을 밀폐하는 O 링 등의 탄성 밀봉 부재가 설치되어 있어도 좋다.
성막 장치(10)는, 처리실(C) 내부의 배치대(14)의 하측에, 기판 배치 영역(14a)에 배치된 기판(W)을 가열하기 위한 히터(26)를 구비한다. 구체적으로는, 배치대(14)를 가열함으로써 기판(W)을 가열한다. 기판(W)은, 처리 용기(12)에 설치된 게이트 밸브(G)를 통해, 도시하지 않은 로봇 아암 등의 반송 장치에 의해 처리실(C)에 반송되고, 기판 배치 영역(14a)에 배치된다. 또한, 기판(W)은, 반송 장치에 의해 게이트 밸브(G)를 통해 처리실(C)로부터 꺼내어진다.
처리실(C)은, 수직축(X)을 중심으로 하는 원주 상에 평면형으로 배열된 제1 영역(R1)(도 3에 번호 부여 없음) 및 제2 영역(R2)을 형성한다. 기판 배치 영역(14a)에 배치된 기판(W)은, 배치대(14)의 회전과 함께, 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 통과한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10)는, 제1 영역(R1)의 상측에, 배치대(14)의 상면에 대면하도록, 제1 가스 공급부(16)가 배치된다. 제1 가스 공급부(16)는, 분사부(16a)를 구비한다. 즉, 처리실(C)에 포함되는 영역 중 분사부(16a)에 대면하는 영역이 제1 영역(R1)이다.
또한, 분사부(16a)는, 복수의 분사구(16h)를 구비한다. 제1 가스 공급부(16)는, 복수의 분사구(16h)를 통해 제1 영역(R1)에 전구체 가스를 공급한다. 전구체 가스가 제1 영역(R1)에 공급됨으로써, 제1 영역(R1)을 통과하는 기판(W)의 표면에, 전구체 가스의 원자 또는 분자가 화학적으로 흡착한다. 전구체 가스는, 예컨대 DCS(Dichlorosilane, 디클로로실란)나 모노클로로실란, 트리클로로실란이다. 전구체 가스가 DCS인 경우에는, Si(규소)가 기판(W)의 표면에 화학적으로 흡착한다.
또한, 제1 영역(R1)의 상측에는, 배치대(14)의 상면에 대면하도록, 배기부(18)의 배기구(18a)가 설치된다. 배기구(18a)는, 분사부(16a)의 주위에 설치된다. 배기부(18)는, 진공 펌프 등의 배기 장치(34)의 동작에 의해, 배기구(18a)를 통해 처리실(C) 내의 가스를 배기한다.
또한, 제1 영역(R1)의 상측에는, 배치대(14)의 상면에 대면하도록, 제2 가스 공급부(20)의 분사구(20a)가 설치된다. 분사구(20a)는, 배기구(18a)의 주위에 설치된다. 제2 가스 공급부(20)는, 분사구(20a)를 통해 제1 영역(R1)에 퍼지 가스를 공급한다. 제2 가스 공급부(20)에 의해 공급되는 퍼지 가스는, 예컨대 Ar(아르곤) 등의 불활성 가스이다. 퍼지 가스가 기판(W)의 표면에 분사됨으로써, 기판(W)에 과도하게 화학적으로 흡착하는 전구체 가스의 원자 또는 분자(잔류 가스 성분)가 기판(W)으로부터 제거된다. 이에 따라, 기판(W)의 표면에, 전구체 가스의 원자 또는 분자가 화학적으로 흡착한 원자층 또는 분자층이 형성되게 된다.
성막 장치(10)는, 분사구(20a)로부터 퍼지 가스를 분사하고, 배기구(18a)로부터 배치대(14)의 표면을 따라 퍼지 가스를 배기한다. 이에 따라, 제1 영역(R1)에 공급하는 전구체 가스가 제1 영역(R1) 밖으로 누출되는 것을 억제한다. 또한, 성막 장치(10)는, 분사구(20a)로부터 퍼지 가스를 분사하고 배기구(18a)로부터 배치대(14)의 면을 따라 퍼지 가스를 배기하기 때문에, 제2 영역(R2)에 공급하는 반응 가스 또는 반응 가스의 라디칼 등이 제1 영역(R1) 내에 침입하는 것을 억제한다. 즉, 성막 장치(10)는, 제2 가스 공급부(20)로부터의 퍼지 가스의 분사 및 그 배기부(18)의 작용에 의해, 제1 영역(R1)과, 제2 영역(R2)을 분리하는 구성을 형성하고 있다.
또, 성막 장치(10)는, 분사부(16a), 배기구(18a), 분사구(20a)를 포함하는 유닛(U)을 구비한다. 즉, 분사부(16a), 배기구(18a), 분사구(20a)는, 유닛(U)을 구성하는 부위로서 형성된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 유닛(U)은, 제1 부재(M1), 제2 부재(M2), 제3 부재(M3) 및 제4 부재(M4)가 순차로 중첩되어 구성된다. 유닛(U)은, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b)의 하면에 접촉하도록 처리 용기(12)에 부착된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 유닛(U)에는, 제2 부재(M2)∼제4 부재(M4)를 관통하는 가스 공급로(16p)가 형성된다. 가스 공급로(16p)는, 상단이, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b)에 형성된 가스 공급로(12p)와 접속된다. 가스 공급로(12p)에는, 밸브(16v) 및 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어기(16c)를 통해, 전구체 가스의 가스 공급원(16g)이 접속된다. 또한, 가스 공급로(16p)의 하단은, 제1 부재(M1)와 제2 부재(M2) 사이에 형성된 공간(16d)에 접속된다. 공간(16d)에는, 제1 부재(M1)에 설치된 분사부(16a)의 분사구(16h)가 접속된다.
또한, 유닛(U)에는, 제2 부재(M2)∼제4 부재(M4)를 관통하는 가스 공급로(20r)가 형성된다. 가스 공급로(20r)는, 상단이, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b)에 형성된 가스 공급로(12r)와 접속된다. 가스 공급로(12r)에는, 밸브(20v) 및 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어기(20c)를 통해, 반응 가스의 가스 공급원(20g)이 접속된다.
또한, 유닛(U)은, 가스 공급로(20r)의 하단이, 제4 부재(M4)의 하면과 제3 부재(M3)의 상면 사이에 형성된 공간(20d)에 접속된다. 또한, 제4 부재(M4)는, 제1∼제3 부재(M1∼M3)를 수용하는 오목부를 형성한다. 오목부를 형성하는 제4 부재(M4)의 측면과, 제3 부재(M3)의 측면 사이에는 갭(20p)이 형성되어 있다. 갭(20p)은, 공간(20d)에 접속된다.
또한, 유닛(U)에는, 제3 부재(M3)∼제4 부재(M4)를 관통하는 배기로(18q)가 형성된다. 배기로(18q)는, 상단이, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b)에 형성된 배기로(12q)와 접속된다. 배기로(12q)는, 진공 펌프 등의 배기 장치(34)에 접속된다. 또한, 배기로(18q)는, 하단이, 제3 부재(M3)의 하면과, 제2 부재(M2)의 상면 사이에 형성된 공간(18d)에 접속된다.
또한, 제3 부재(M3)는, 제1 부재(M1) 및 제2 부재(M2)를 수용하는 오목부를 구비한다. 제3 부재(M3)가 구비하는 오목부를 구성하는 제3 부재(M3)의 내측면과, 제1 부재(M1) 및 제2 부재(M2)의 측단면 사이에는, 갭(18g)이 형성된다. 공간(18d)은, 갭(18g)에 접속된다. 갭(18g)의 하단은, 배기구(18a)로서 기능한다. 성막 장치(10)는, 분사구(20a)로부터 퍼지 가스를 분사하고 배기구(18a)로부터 배치대(14)의 면을 따라 퍼지 가스를 배기함으로써, 제1 영역(R1)에 공급하는 전구체 가스가 제1 영역(R1) 밖으로 누출되는 것을 억제한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10)는, 상부 부재(12b)의 개구부인 제2 영역(R2)의 상측에, 배치대(14)의 상면에 대면하도록, 플라즈마 생성부(22)를 구비한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 플라즈마 생성부(22)는, 개구부가 대략 부채형의 형상을 갖는다. 상부 부재(12b)에는 4개의 개구부가 형성되고, 성막 장치(10)는, 예컨대 4개의 플라즈마 생성부(22)를 구비한다.
플라즈마 생성부(22)는, 제2 영역(R2)에, 반응 가스 및 마이크로파를 공급하여, 제2 영역(R2)에 있어서 반응 가스의 플라즈마를 생성한다. 반응 가스에 질소 함유 가스를 이용한 경우, 기판(W)에 화학적으로 흡착한 원자층 또는 분자층을 질화시킨다. 반응 가스로는, 예컨대 N2(질소) 또는 NH3(암모니아) 등 질소 함유 가스를 이용할 수 있다.
또한, 플라즈마 생성부(22)는, 제2 영역(R2)에, 개질 가스 및 마이크로파를 공급함으로써, 제2 영역(R2)에 있어서 개질 가스의 플라즈마를 생성한다. 개질 가스의 플라즈마에 의해, 제2 영역(R2)에 있어서, 기판(W)의 질화막을 개질시킬 수 있다. 개질 가스로는, 예컨대 N2, NH3, Ar(아르곤), H2(수소) 중 어느 가스, 또는, 이들 가스를 적절히 혼합한 혼합 가스를 이용할 수 있다. 또, 제2 영역(R2)에 있어서, 플라즈마 생성부(22)에 의해 기판(W)의 질화막을 개질시키는 프로세스를 실행중일 때는, 제1 영역(R1)에 전구체 가스의 공급을 정지한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 플라즈마 생성부(22)는, 개구(AP)를 폐색하도록 유전체판(40)을 기밀로 배치한다. 유전체판(40) 상에 도파관(42)이 배치되고, 도파관(42)의 내부에 마이크로파가 전파하는 도파로의 내부 공간(42i)을 형성한다. 도파관(42)과 유전체판(40) 사이의 상면에 제2 영역(R2)에 마이크로파를 공급하기 위한 안테나판(22a)을 구비한다. 유전체판(40)은, SiO2(석영) 등의 유전체 재료에 의해 형성된 대략 판형의 부재이다. 유전체판(40)은, 제2 영역(R2)에 대면하도록 설치된다. 유전체판(40)은, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b)에 의해 지지된다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b)에, 유전체판(40)이 제2 영역(R2)에 대하여 노출되도록 개구(AP)가 형성된다. 개구(AP)의 상측 부분의 평면 사이즈는, 개구(AP)의 하측 부분의 평면 사이즈보다 크다. 또, 평면 사이즈란, 수직축(X)과 직교하는 평면에서의 단면적을 말한다. 개구(AP)를 형성하는 상부 부재(12b)의 부분에는, L자형의 단차면(12s)이 형성된다. 유전체판(40)의 가장자리는, 피지지부(40s)로서 기능하고, 단차면(12s)에 O 링 등에 의해 기밀로 접촉한다. 피지지부(40s)가 단차면(12s)에 접촉함으로써, 유전체판(40)이 상부 부재(12b)에 지지된다.
상부 부재(12b)에 의해 지지되는 유전체판(40)은, 제2 영역(R2)을 통해 배치대(14)와 대면, 즉 제2 영역(R2)과 대면하는 부분이, 유전체창(40w)으로서 기능한다. 도파관(42)은, 내부 공간(42i)이 수직축(X)에 대하여 대략 방사 방향으로 연장되도록, 유전체판(40) 상에 설치된다.
슬롯판(42a)은, 금속제의 판형 부재이다. 슬롯판(42a)은, 내부 공간(42i)의 하면을 형성한다. 슬롯판(42a)은, 유전체판(40)의 상면에 접하고, 유전체판(40)의 상면을 피복한다. 슬롯판(42a)은, 내부 공간(42i)을 형성하는 부분에, 복수의 슬롯 구멍(42s)을 구비한다.
슬롯판(42a) 상에는, 슬롯판(42a)을 피복하도록, 금속제의 상부 부재(42b)가 설치된다. 상부 부재(42b)는, 도파관(42)의 내부 공간(42i)의 상면을 형성한다. 상부 부재(42b)는, 상부 부재(42b)와, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b) 사이에 슬롯판(42a) 및 유전체판(40)을 협지하도록, 상부 부재(12b)에 나사 고정된다.
단부재(42c)는, 금속제의 부재이다. 단부재(42c)는, 도파관(42)의 길이 방향의 일단에 설치된다. 즉, 단부재(42c)는, 내부 공간(42i)의 일단을 폐쇄하도록, 슬롯판(42a)과, 상부 부재(42b)의 일단부에 부착된다. 도파관(42)의 타단에는, 마이크로파 발생기(48)가 접속된다.
마이크로파 발생기(48)는, 예컨대 약 2.45 GHz의 마이크로파를 발생시켜, 도파관(42)에 공급한다. 마이크로파 발생기(48)에 의해 발생되고, 마이크로파는, 도파관(42)의 내부 공간(42) 내를 전파하여, 슬롯판(42a)의 슬롯 구멍(42s)을 통과하고 유전체판(40)을 투과하여 유전체창(40)을 통해 제2 영역(R2)에 공급된다.
개질 가스는, N2, NH3, Ar, H2 중 어느 가스, 또는, 이들 가스를 적절히 혼합한 혼합 가스이다. 제3 가스 공급부(22b)는, 상부 부재(12b)의 개구부의 내주측에 형성한다. 제3 가스 공급부(22b)는, 가스 공급로(50a) 및 분사구(50b)를 구비한다.
가스 공급로(50a)는, 예컨대 개구(AP)의 주위에 연장되도록, 처리 용기(12)의 상부 부재(12b) 내부에 형성된다. 반응 가스 또는 개질 가스를 유전체창(40w)의 하측을 향하여 분사하기 위한 분사구(50b)가 가스 공급로(50a)에 연통하여 형성된다. 가스 공급로(50a)에는, 밸브(50v) 및 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어기(50c)를 통해, 반응 가스 또는 개질 가스의 가스 공급원(50g)이 접속된다.
즉, 플라즈마 생성부(22)는, 제3 가스 공급부(22b)에 의해 제2 영역(R2)에 반응 가스 또는 개질 가스를 공급하고, 안테나(22a)에 의해 제2 영역(R2)에 마이크로파를 공급한다. 이에 따라, 제2 영역(R2)에 있어서 반응 가스 또는 개질 가스의 플라즈마가 생성된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제2 영역(R2)이 수직축(X)의 원주 방향으로 연장되는 각도 범위는, 제1 영역(R1)이 원주 방향으로 연장되는 각도 범위보다 크게 형성한다. 이에 따라, 제2 영역(R2)에 있어서 생성된 반응 가스 또는 개질 가스의 플라즈마에 의해, 기판(W) 상에 흡착한 원자층 또는 분자층이 그 플라즈마에 길게 노출되어 효율적으로 처리된다. 예컨대 기판(W) 상에 흡착한 Si 층이, N2의 유리기(라디칼)에 의해 질화된다.
또, 처리 용기(12)의 하부 부재(12a)에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 배치대(14)의 외연 하측에 있어서 배기구(22h)가 형성된다. 배기구(22h)에는, 배기 장치(52)가 접속된다. 성막 장치(10)는, 배기 장치(52)의 동작에 의한 배기구(22h)로부터의 배기에 의해, 제2 영역(R2) 내의 압력을, 목적으로 하는 압력으로 유지한다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10)는, 성막 장치(10)의 각 구성 요소를 제어하기 위한 제어부(60)를 구비한다. 제어부(60)는, CPU(Central Processing Unit) 등의 제어 장치, 메모리 등의 기억 장치, 입출력 장치 등을 구비하는 컴퓨터여도 좋다. 제어부(60)는, 메모리에 기억된 제어 프로그램에 따라 CPU가 동작함으로써, 성막 장치(10)의 각 구성 요소를 제어한다.
제어부(60)는, 배치대(14)의 회전 속도를 제어하는 제어 신호를 구동 장치(24a)에 송신한다. 또한, 제어부(60)는, 기판(W)의 온도를 제어하는 제어 신호를 히터(26)에 접속된 전원에 송출한다. 또한, 제어부(60)는, 전구체 가스의 유량을 제어하는 제어 신호를 밸브(16v) 및 유량 제어기(16c)에 송출한다. 또한, 제어부(60)는, 배기구(18a)에 접속되는 배기 장치(34)의 배기량을 제어하는 제어 신호를 배기 장치(34)에 송신한다.
또한, 제어부(60)는, 퍼지 가스의 유량을 제어하는 제어 신호를 밸브(20v) 및 유량 제어기(20c)에 송신한다. 또한, 제어부(60)는, 마이크로파의 파워를 제어하는 제어 신호를 마이크로파 발생기(48)에 송신한다. 또한, 제어부(60)는, 반응 가스의 유량을 제어하는 제어 신호를 밸브(50v) 및 유량 제어기(50c)에 송신한다. 또한, 제어부(60)는, 배기 장치(34 및 52)에 의한 배기량을 제어하는 제어 신호를 배기 장치에 송신한다.
(제1 실시형태에 관련된 성막 처리의 개요)
도 6은, 제1 실시형태에 관련된 성막 처리의 개요를 도시한 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 플라즈마 ALD(Atomic Layer Deposition) 시퀀스에서는, 우선, 성막 장치(10)는, 기판(W)인 Si-sub(기판)의 표면에, 구체 가스인 DCS를 분사한다. 이에 따라, 성막 장치(10)는, DCS에 포함되는 Si를 Si-Sub 상에 Adsorption(흡착)시킨다. 다음으로, 성막 장치(10)는, Si-sub의 표면에 퍼지 가스인 N2 등의 불활성 가스를 분사한다. 이에 따라, 성막 장치(10)는, Si-sub의 표면에 과도하게 화학적으로 흡착한 Si(잔류 가스)를 Purge(제거)한다. Si-sub의 표면에 과도하게 화학적으로 흡착한 Si가 제거되면, Si-sub의 표면에는, 화학적으로 흡착한 Si 층이 남는다. 처리 용기 내의 압력은, 5 Torr 이상이 바람직하다. 그것은, 기판에 대한 흡착 효율이 높다.
다음으로, 성막 장치(10)는, 표면에 과도하게 화학적으로 흡착한 Si가 제거된 Si-sub의 표면에 NH3 등의 반응 가스와 함께 플라즈마를 공급하여, Si-sub의 표면(흡착한 Si 층)을 Nitridation(질화)시킨다. 그렇게 하면, Si-sub의 표면(흡착한 Si 층)에는, SiN(질화실리콘)이 성막된다. 다음으로, 성막 장치(10)는, 표면에 SiN이 성막된 Si-sub의 표면에 N2 등의 불활성 가스를 분사하여 퍼지함으로써, Si-sub의 표면으로부터 불순물을 Purge한다.
그리고, 성막 장치(10)는, 전술한 일련의 프로세스를 포함하는 플라즈마 ALD 시퀀스를 (m1) cycle 반복한다. 여기서, m1은 자연수이고, Si-sub의 표면에 성막된 SiN의 막두께가 목적으로 하는 막두께로 될 때까지 플라즈마 ALD 시퀀스를 반복하는 횟수이다. 그리고, 성막 장치(10)는, 표면에 SiN이 성막된 Si-sub의 표면에 N2, NH3, Ar, H2 중 어느 가스, 또는, 이들 가스를 적절히 혼합한 혼합 가스인 개질 가스와 함께 플라즈마를 공급한다.
즉, 성막 장치(10)는, 도 6에 도시한 플라즈마 ALD 시퀀스를 1 cycle 실행함으로써, 예컨대 1원자 또는 1분자의 막두께의 질화막을 성막한다. 그리고, 성막 장치(10)는, 질화막이 예컨대 5 nm(나노미터)에 도달할 때까지, 플라즈마 ALD 시퀀스를 반복 실행한다. 그 후, 성막 장치(10)는, 도 6에 도시한 플라즈마 후처리를 실행한다. 이 플라즈마 후처리에 의해, 성막 장치(10)는, 플라즈마 ALD 시퀀스로 성막한 질화막의 막질을 향상시킨다.
(제1 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세)
도 7은, 제1 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다. 또, 성막 처리의 전단계 처리로서, 성막 장치(10)는, 로봇 아암 등의 반송 장치에 의해, 게이트 밸브(G)를 통해, 배치대(14)의 기판 배치 영역(14a) 상에 Si 기판(W)을 반송한다. 그리고, 성막 장치(10)는, 구동 기구(24)에 의해 배치대(14)를 회전시켜, 기판(W)이 배치되어 있는 기판 배치 영역(14a)을, 제2 영역(R2)을 기점으로 하여 회전 이동시킨다.
그리고, 성막 장치(10)는, 제3 가스 공급부(22b)에 의해, N2를 포함하는 반응 가스를 제2 영역(R2)에 공급한다. 그리고, 성막 장치(10)는, 안테나(22a)를 통해, 마이크로파 발생기(48)로부터 출력된 마이크로파를 제2 영역(R2)에 공급한다. 이에 따라, 제2 영역(R2)에서는, 반응 가스의 플라즈마가 생성된다. 그리고, 반응 가스의 플라즈마에 의해, 기판(W)의 표면이 질화된다. 이상이, 성막 처리의 전단계 처리이다. 전단계 처리를, 초기 질화라고 부른다.
다음으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10)는, 1∼m1회째의 성막-개질 공정을 실행한다. 여기서, m1은, 자연수이고, 성막 장치(10)에 의한 성막 처리에 의해 목적으로 하는 막두께가 성막될 때까지 공정을 반복하는 횟수이다. 각 공정은, DCS 가스 공급, 제1 퍼지 가스 공급, 제1∼제4 개질 가스 공급 및 플라즈마 공급, 제2 퍼지 가스 공급의 순서로 실행되는 각 프로세스를 포함한다. 도 7은, 1회째의 공정의 각 프로세스가 순차로 실행된 후, m1회째까지 동일한 공정이 반복되는 것을 나타낸다. 또, 성막 장치(10)에서의 배치대(14)의 1회전이, 1회의 공정에 상당한다.
즉, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 회전시켜, 기판(W)을 제1 영역(R1) 내에 이동시킨다. 우선, 성막 장치(10)는, 1회째의 공정의 DCS 가스 공급 프로세스로서, 제1 영역(R1)에, 제1 가스 공급부(16)에 의해, 전구체 가스로서 DCS 가스를 공급한다. 이에 따라, DCS에 포함되는 Si가 기판(W) 상에 화학적으로 흡착한다.
다음으로, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 회전시켜, 기판(W)을 제1 영역(R1)과, 제2 영역(R2) 사이를 통과시킨다. 이 때, 성막 장치(10)는, 1회째의 공정의 제1 퍼지 가스 공급 프로세스로서, 제2 가스 공급부(20)에 의해 공급되는 퍼지 가스를 기판(W)의 표면에 분사한다. 이에 따라, 기판(W)에 과도하게 화학적으로 흡착하는 Si가 제거된다.
다음으로, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 회전시켜, 기판(W)을 제2 영역(R2) 내에 이동시킨다. 성막 장치(10)는, 제1 플라즈마 생성부의 제3 가스 공급부(22b)에 의해, 제2 영역(R2)에, N2를 포함하는 반응 가스를 공급한다. 또한, 성막 장치(10)는, 제1 플라즈마 생성부의 마이크로파 발생기(48)로부터의 마이크로파를, 안테나(22a)를 통해 제2 영역(R2)에 공급한다. 따라서, 제2 영역(R2)에서는, 반응 가스의 플라즈마가 생성된다.
즉, 1회째의 공정의 제1 가스 공급 프로세스 및 플라즈마 공급 프로세스로서, 제1 플라즈마 생성부에 의한 반응 가스의 플라즈마에 의해, 기판(W)의 표면에 흡착한 원자층 또는 분자층이 질화된다. 마찬가지로, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 더욱 회전시켜, 1회째의 공정의 제1 가스 공급 프로세스 및 플라즈마 공급 프로세스와 동일한 공정을, 제2∼제4 플라즈마 생성부에 의해 실행한다.
다음으로, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 회전시켜, 기판(W)을 제2 영역(R2)과, 제1 영역(R1) 사이를 통과시킨다. 이 때, 성막 장치(10)는, 1회째의 공정의 제2 퍼지 가스 공급 프로세스로서, 제2 가스 공급부(20)에 의해 공급되는 퍼지 가스를 기판(W)에 분사한다. 이상으로, 1회째의 공정의 전체 프로세스가 종료된다. 그리고, 성막 장치(10)는, 1회째의 공정과 동일한 2∼m회째의 공정을 실행한다. 1∼m1회째의 공정의 처리가, 플라즈마 ALD 시퀀스이다.
이와 같이, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 회전시켜, 기판(W)에 대하여, 플라즈마 ALD 시퀀스를 m1회만큼 반복 실행한다. 이에 따라, 기판(W) 상에 목적으로 하는 막두께의 실리콘 질화막이 성막된다.
다음으로, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 회전시켜, (m1+1)회째의 공정으로서, 제1∼제4 가스 공급 프로세스 및 플라즈마 공급 프로세스를 순차로 실행한다. (m1+1)회째의 공정의 제1∼제4 가스 공급 프로세스에서 공급되는 가스는, N2, NH3, Ar, H2 중 어느 가스, 또는, 이들 가스를 적절히 혼합한 혼합 가스인 개질 가스이다.
다음으로, 성막 장치(10)는, 배치대(14)를 회전시켜, 기판(W)을 제2 영역(R2)과, 제1 영역(R1) 사이를 통과시킨다. 이 때, 성막 장치(10)는, (m1+1)회째의 공정의 제2 퍼지 가스 공급 프로세스로서, 제2 가스 공급부(20)에 의해 공급되는 퍼지 가스를 기판(W)에 분사한다. 이에 따라, 기판(W) 상의 잔류 가스가 제거된다. 이상으로, (m1+1)회째의 공정이 종료된다.
성막 장치(10)는, (m1+1)회째의 공정과 동일한 공정을 (m1+m2)회째의 공정까지 반복한다. 여기서, m2는, 자연수이고, 기판(W)의 표면의 질화막의 막질이 목표로 하는 막질에 도달할 때까지 (m1+1)회째의 공정과 동일한 공정을 반복 실행하는 횟수를 나타낸다. 또, (m1+1)∼(m1+m2)회째의 공정을, 플라즈마 후처리라고 부른다.
또, 도 7에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10)가 플라즈마 ALD 시퀀스를 실행하는 처리 시간 T11, 플라즈마 후처리를 실행하는 처리 시간 T12는, 제어부(60)에 의한 배치대(14)의 회전 속도의 제어에 의해, 적절히 변경 가능하다.
(제1 실시형태에 의한 효과)
이상의 제1 실시형태에 의하면, 성막 장치(10)는, 기밀성을 갖는 처리 용기의 내부에 설치된 배치부에 배치된 기판의 표면에, 전구체 가스를 화학적으로 흡착시키는 흡착 공정을 실행한다. 그리고, 성막 장치(10)는, 처리 용기의 내부에 반응 가스를 공급하고, 반응 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판의 표면과, 상기 반응 가스의 플라즈마를 반응시키는 제1 반응 공정을 실행한다. 그리고, 성막 장치(10)는, 처리 용기의 내부에, 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 어느 가스 또는 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스를 혼합한 가스인 개질 가스를 공급하고, 개질 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판의 표면과, 개질 가스의 플라즈마를 반응시키는 제2 반응 공정을 실행한다. 따라서, 기판 상에 질화막을 생성하는 스루풋을 높이면서, 질화막의 막질을 향상시킨다. 또한, 높은 커버리지로 판 상에 질화막의 성막이 가능해진다.
또한, 성막 장치(10)는, 흡착 공정 및 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 실행한 후에 제2 반응 공정을 실행하기 때문에, 효율적으로 질화막의 막질을 향상시킨다.
또한, 성막 장치(10)는, 흡착 공정 및 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 실행한 후에 제2 반응 공정을 실행하는 일련의 처리를 반복하여 실행하기 때문에, 질화막의 막두께를 확보함과 동시에, 효율적으로 질화막의 막질을 향상시킨다.
또한, 성막 장치(10)는, 배치대(14)에 배치된 기판(W)에 대하여, 플라즈마 ALD 시퀀스 및 플라즈마 후처리를, 배치대(14)의 회전에 의해 연속적으로 실행한다. 또한, 성막 장치(10)는, 처리 시간 T11 및 T12가 제어 가능하다. 따라서, 성막 장치(10)에 의해, 성막 처리의 스루풋이 보다 향상된다.
또, 성막 장치(10)는, 일련의 플라즈마 ALD 시퀀스 및 플라즈마 ALD 시퀀스에 계속되는 플라즈마 후처리를 복수회 실행해도 좋다. 즉, 성막 장치(10)는, 일련의 플라즈마 ALD 시퀀스 및 플라즈마 후처리를 1회의 처리로 하여, 복수회 실행해도 좋다. 성막 장치(10)는, 1회째의 일련의 플라즈마 ALD 시퀀스로 기판(W) 상에 성막된 예컨대 5 nm의 질화막에 대하여 1회째의 플라즈마 후처리를 한다. 그리고, 성막 장치(10)는, 1회째의 플라즈마 후처리가 된 기판(W)에 대하여, 또한 2회째의 일련의 플라즈마 ALD 시퀀스를 실행한다. 그렇게 하면, 기판(W) 상에 예컨대 더욱 5 nm의 질화막이 성막된다. 그리고, 성막 장치(10)는, 1회째의 일련의 플라즈마 ALD 시퀀스로 기판(W) 상에 더욱 성막된 5 nm의 질화막에 대하여 2회째의 플라즈마 후처리(플라즈마 개질 처리)를 한다. 이와 같이 하면, 예컨대 5 nm마다 개질된 질화막을 기판(W) 상에 적층할 수 있고, 효율적으로 양질의 질화막을 성막할 수 있다. 또, 1회에서 기판(W) 상에 예컨대 10 nm의 질화막을 성막하고, 플라즈마 ALD 시퀀스로 기판(W) 상에 성막된 10 nm의 질화막에 대하여 플라즈마 후처리를 해도 좋다.
또, 플라즈마 ALD 시퀀스 및 플라즈마 후처리에서, 동일한 가스를 이용해도 좋다. 이와 같이 하면, 플라즈마 ALD 시퀀스 및 플라즈마 후처리에서 공급하는 가스를 전환하는 처리를 생략할 수 있기 때문에, 처리 효율이 향상된다. 또한, 제1∼4 플라즈마 생성기(플라즈마 생성부(22))의 각각으로부터 상이한 가스를 공급하는 것으로 해도 좋다. 이와 같이 하면, 플라즈마 ALD 시퀀스 및 플라즈마 후처리에서 공급하는 가스를 전환하는 처리를 생략하면서, 적절한 혼합 가스의 플라즈마를 생성할 수 있다. 또, 제1∼4 플라즈마 생성기(플라즈마 생성부(22))의 각각으로부터 상이한 가스가 공급되는 경우에는, 성막 장치(10)는, 반응 가스나 개질 가스로서 가스를 혼합할 때에, 혼합 가스에 포함시키지 않는 가스를 공급하는 플라즈마 생성부(22)로부터의 가스의 공급을 정지한다.
[제2 실시형태]
제2 실시형태는, 제1 실시형태와 비교하여, 성막 장치의 구성은 동일하다. 제2 실시형태가 제1 실시형태와 상이한 점은, 플라즈마 ALD 시퀀스에 있어서, 후술하는 DCS 흡착 처리 전에, 후술하는 DCS 흡착 전처리가 실행되는 점이다. 이하, 제2 실시형태에 관련된 성막 장치에 의한 성막 처리를 설명한다.
(제2 실시형태에 관련된 성막 처리의 개요)
도 8은, 제2 실시형태에 관련된 성막 처리의 개요를 도시한 도면이다. 또, 성막 처리의 전단계 처리는, 제1 실시형태와 동일하다. 제2 실시형태에 관련된 성막 처리에서는, 도 8에 도시한 플라즈마 ALD 시퀀스에 앞서, 기판(W)인 Si-sub의 표면에 Ar 또는 N2의 플라즈마에 의한 질화막을 생성하는 초기 질화가 실행된다.
다음으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10a)는, 표면에 SiN이 성막된 Si-sub의 표면에, Ar, N2 중 어느 가스, 또는, 이들 가스를 적절히 혼합한 혼합 가스인 개질 가스의 반응 가스와 함께 플라즈마를 공급한다. 이 처리를, DCS 흡착 전처리라고 부른다. 다음으로, 성막 장치(10a)는, Si-sub의 표면(SiN 막)에, DCS를 분사함으로써, DCS에 포함되는 Si를 Adsorption시킨다. 다음으로, 성막 장치(10a)는, Si-sub의 표면(Si 층)에 N2 등의 불활성 가스를 분사함으로써, Si-sub(Si 층)의 표면 상에 과도하게 화학적으로 흡착한 Si(잔류 가스)를 Purge한다. Si-sub의 표면에 과도하게 화학적으로 흡착한 Si가 제거되면, Si-sub의 표면에는, 화학적으로 흡착한 Si 층이 남는다.
다음으로, 성막 장치(10a)는, 표면에 과도하게 화학적으로 흡착한 Si가 제거된 Si-sub(Si 층)의 표면에 NH3 등의 반응 가스와 함께 플라즈마를 공급하여, Si-sub의 표면에 흡착된 Si 층을 Nitridation(질화)시킨다. 그렇게 하면, Si-sub의 표면에는, SiN이 성막된다. 다음으로, 성막 장치(10a)는, 표면에 SiN이 성막된 Si-sub의 표면에 N2 등의 불활성 가스를 분사함으로써, Si-sub의 표면으로부터 불순물(잔류물 등)을 Purge한다. 한편, Adsorption∼Purge의 처리를, DCS 흡착 처리라고 부른다.
그리고, 전술한 공정을 (n+1)/2 사이클 반복한다. 여기서, n은 자연수이고, Si-sub의 표면에 성막된 SiN의 막두께가 목적으로 하는 막두께로 될 때까지, (n+1)/2 사이클만큼 공정을 반복하는 횟수이다. 그리고, 공정을 (n+1)/2 사이클 반복하고, Si-sub의 성막 처리를 종료한다. 또, 제2 실시형태에서는, 도 8에 도시한 1회의 플라즈마 ALD 시퀀스가, DCS 흡착 전처리 및 DCS 흡착 처리의 2가지 처리를 포함한다. 즉, 성막 장치(10a)는, 배치대(14)의 1회전으로 DCS 흡착 전처리를 실행하고, 또한 1회전으로 DCS 흡착 처리를 실행한다. 따라서, 배치대(14)의 2회전이, 제2 실시형태의 플라즈마 ALD 시퀀스의 1 cycle에 상당한다.
즉, 제1 실시형태에서는, 플라즈마 ALD 시퀀스 후에 개질 가스에 의한 플라즈마 처리가 실행된다. 한편, 제2 실시형태에 관련된 성막 처리에서는, 플라즈마 ALD 시퀀스의 1 사이클 중에, 개질 가스에 의한 플라즈마 처리가 포함된다. 즉, 플라즈마 ALD 시퀀스의 1 사이클을 실행하여 Si-sub의 표면에 1원자 또는 1분자만큼의 질화막층이 성막될 때마다, 개질 가스에 의한 플라즈마 처리가 실행된다.
즉, 성막 장치(10a)는, DCS 흡착 전처리를 포함하는 플라즈마 ALD 시퀀스를 복수회 실행한다. 성막 장치(10a)는, 1회의 플라즈마 ALD 시퀀스에 있어서, 기판(W) 상에 성막된 예컨대 1원자 또는 1분자의 질화막에 대하여 DCS 흡착 전처리를 한다. 그리고, 성막 장치(10a)는, 1회째의 플라즈마 후처리가 된 기판(W)에 대하여, 또한 2회째의 플라즈마 ALD 시퀀스를 실행한다. 그렇게 하면, 기판(W) 상에 예컨대 더욱 1원자 또는 1분자의 질화막이 성막된다. 성막 장치(10a)는, DCS 흡착 전처리를 포함하는 플라즈마 ALD 시퀀스를 반복함으로써, 예컨대 1원자 또는 1분자마다 개질된 질화막을 기판(W) 상에 적층할 수 있다.
(제2 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세)
도 9는, 제2 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다. 또, 제2 실시형태에 관련된 성막 처리(10a)의 전단계 처리는, 제1 실시형태와 동일하다. 도 9에 도시한 바와 같이, 성막 장치(10a)는, 1회째의 공정으로서, 제1 실시형태의 (m1+1)회째의 공정과 동일하게, 제1∼제4 가스 공급 프로세스 및 플라즈마 공급 프로세스를 순차로 실행한다. 그리고, 성막 장치(10a)는, 1회째의 공정으로서, 제2 퍼지 가스 공급 프로세스를 순차로 실행한다. 1회째의 공정의 제1∼제4 가스 공급 프로세스에서 공급되는 가스는, 제1 실시형태와 동일한 개질 가스이다. 1일째의 공정을, DCS 흡착 전공정이라고 부른다.
다음으로, 성막 장치(10a)는, 2회째의 공정으로서, 제1 실시형태의 1회째의 공정과 동일한 공정을 실행한다. 2회째의 공정을, DCS 흡착 공정이라고 부른다. 그리고, 성막 장치(10a)는, 1∼2회째의 공정과 동일한 DCS 흡착 전공정 및 DCS 흡착 공정을, n∼(n+1)회째의 공정까지 순차로 실행한다. 여기서, n은, 자연수이고, 성막 장치(10a)에 의한 성막 처리에 의해 목적으로 하는 막질의 질화막이 성막될 때까지 DCS 흡착 전공정 및 DCS 흡착 공정을 반복하는 횟수이다.
또, 성막 장치(10a)가, 1∼(n+1)회째의 공정을 실행하는 시간 T21은, 제어부(60)에 의한 배치대(14)의 회전 속도의 제어에 의해, 적절히 변경 가능하다. 제2 실시형태에 관련된 성막 장치(10a)는, 배치대(14)에 배치된 기판(W)에 대하여, DCS 흡착 전처리가 있는 플라즈마 ALD 시퀀스를, 배치대(14)의 회전에 의해 연속적으로 실행한다. 또한, 성막 장치(10a)는, 처리 시간 T21이 제어 가능하다. 따라서, 성막 장치(10a)에 의해, 성막 처리의 스루풋이 보다 향상된다.
즉, 성막 장치(10a)는, 도 8에 도시한, DCS 흡착 전처리를 포함하는 플라즈마 ALD 시퀀스를 1 cycle 실행함으로써, 예컨대 1원자 또는 1분자의 막두께의 질화막을 성막한다. 그리고, 성막 장치(10a)는, 질화막이 예컨대 5 nm(나노미터)에 도달할 때까지, 플라즈마 ALD 시퀀스를 반복 실행한다. 이 플라즈마 후처리에 의해, 성막 장치(10a)는, 효율적으로 양질의 질화막을 성막할 수 있다.
(제2 실시형태에 의한 효과)
이상의 제2 실시형태에 의하면, 성막 장치(10a)는, 기밀성을 갖는 처리 용기의 내부에 설치된 배치부에 배치된 기판의 표면에, 전구체 가스를 흡착시키는 흡착 공정을 실행한다. 그리고, 성막 장치(10a)는, 처리 용기의 내부에 반응 가스를 공급하고, 반응 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판의 표면과, 반응 가스의 플라즈마를 반응시키는 제1 반응 공정을 실행한다. 그리고, 성막 장치(10a)는, 처리 용기의 내부에, 아르곤 가스와 질소 가스를 공급하고, 개질 가스의 플라즈마로 생성한 이온이나 라디칼을 생성하고, 기판의 표면과, 개질 가스의 플라즈마를 반응시키는 제2 반응 공정을 실행한다. 성막 장치(10a)는, 흡착 공정, 제1 반응 공정 및 제2 반응 공정의 일련의 처리를 배치대(14)의 회전에 의해 순차로 반복하여 실행함으로써, 예컨대 1원자 또는 1분자의 막두께마다 질화막의 막질을 개질하고, 보다 양질의 질화막을 효율적으로 성막할 수 있다.
[제3 실시형태]
(제3 실시형태에 관련된 성막 장치의 구성)
도 10은, 제3 실시형태에 관련된 성막 장치의 종단면도이다. 제3 실시형태에 관련된 성막 장치(100)는, 제1 및 제2 실시형태에 관련된 성막 장치(10)와, 기능은 동일하다. 제1 및 제2 실시형태에 관련된 성막 장치(10)는, 프로세스마다 처리실을 방사형으로 구획한 각각의 처리 에어리어를, 배치대(14)의 회전에 의해 기판을 통과시킨다. 이에 따라, 기판에 대하여 일련의 프로세스 및 공정을 연속적으로 실행한다. 이에 반하여, 제3 실시형태에 관련된 성막 장치(100)는, 구획되어 있지 않은 처리실의 배치대 상의 기판에 대하여, 프로세스 및 공정마다, 처리에 이용하는 가스를 공급하고, 처리 후에 가스를 배기한다.
성막 장치(100)는, 예컨대, 상면이 개구된 바닥이 있는 원통형의 처리 용기(112)를 구비한다. 처리 용기(112)는, 예컨대 알루미늄 합금에 의해 형성된다. 또한, 처리 용기(112)는, 접지된다. 처리 용기(112)의 바닥부의 거의 중앙부에는, 예컨대 기판(W)을 배치하기 위한 배치대(114)가 설치된다.
배치대(114)는, 히터(126)를 내포한다. 히터(126)는, 처리 용기(112)의 외부에 설치된, 도시하지 않은 직류 전원에 접속되어 있다. 직류 전원에 의해 히터(126)가 발열되어, 배치대(114)에 배치된 기판(W)을 가열한다.
처리 용기(112)의 상부 개구에는, 처리 용기(112) 내의 영역(R)을 밀폐하는 O 링 등의 탄성 밀봉 부재를 통해, 유전체창(140w)이 설치된다. 유전체창(140w)에 의해, 처리 용기(112)가 폐쇄된다. 유전체창(140w)의 상부에는, 플라즈마 생성용의 마이크로파를 공급하는 플라즈마 생성부(122)가 설치된다.
플라즈마 생성부(122)는, 유전체창 상에 다수의 슬롯이 형성된 원반형의 슬롯판(141)이 설치되어 있다. 안테나(122a) 내의 슬롯판(141)의 상부에는, 저손실 유전체 재료에 의해 형성된 마이크로파를 지연시키는 유전체판(지파판(遲波板))(140)이 구비된다. 안테나(122a), 지파판을 덮도록 배치하는 커버 부재를 배치한다.
플라즈마 생성부(122)의 상면에는, 커버 부재에 마이크로파 발생기(148)에 통하는 도파관(142)이 접속된다. 마이크로파 발생기(148)는, 마이크로파를 발생한다.
마이크로파 발생기(148)는, 예컨대 약 2.45 GHz의 마이크로파를 발생시켜, 도파관(142)에 공급한다. 마이크로파 발생기(148)에 의해 발생되어, 도파관(142)을 전파하는 마이크로파는, 안테나(122a)에 전파하면, 유전체판(140)을 전파하여 슬롯판(141)의 슬롯 구멍, 유전체창(140w)을 통해, 처리 용기(112) 내의 영역(R)에 공급된다.
영역(R)의 외주면을 덮는 처리 용기(112)의 내주면의 상위부에는, 가스를 공급하는 가스 공급구(116a)가 형성된다. 가스 공급구(116a)는, 예컨대 처리 용기(112)의 내주면을 따라 복수 개소에 균등하게 형성된다. 가스 공급구(116a)에는, 예컨대 처리 용기(112)의 측벽부를 관통하여, 처리 용기(112)의 외부에 설치된 가스 공급원(116g)에 도통하는 가스 공급로(116p)가 접속된다.
가스 공급로(116p)에는, 밸브(116v) 및 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어기(116c)를 통해, 가스 공급원(116g)이 접속된다. 가스 공급부(116)가, 가스 공급구(116a), 유량 제어기(116c), 가스 공급로(116p), 밸브(116v)를 포함하는 구성에 의해, 처리 용기(112) 내의 영역(R)에, 상측으로부터 가스를 공급할 수 있다.
또한, 영역(R)의 외주면을 덮는 처리 용기(112)의 내주면의 중위부에는, 가스를 공급하는 가스 공급구(120a)가 형성된다. 가스 공급구(120a)는, 예컨대 처리 용기(112)의 내주면을 따라 복수 개소에 형성된다. 가스 공급구(120a)에는, 예컨대 처리 용기(112)의 측벽부를 관통하여, 처리 용기(112)의 외부에 설치된 가스 공급원(120g)에 도통하는 가스 공급로(120p)가 접속된다.
가스 공급로(120p)에는, 밸브(120v) 및 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어기(120c)를 통해, 가스 공급원(120g)이 접속된다. 가스 공급부(120)가, 가스 공급구(120a), 유량 제어기(120c), 가스 공급로(120p), 밸브(120v)를 포함하는 구성에 의해, 처리 용기(112) 내의 영역(R)에, 옆쪽에서 가스를 공급할 수 있다.
또한, 배치대(114)의 상측에는, 배치대(114)에 배치된 기판(W)의 외주를 둘러싸는 위치 관계로 배치되는 대략 고리형의 가스 공급 링(130r)이 형성된다. 가스 공급 링(130r)은, 예컨대 대략 고리형의 가스관이다. 가스 공급 링(130r)은, 관의 표면에, 배치대(114) 상의 기판(W)에, 기판(W)의 외주 상측으로부터 가스를 공급하는 가스 공급 구멍이 복수 형성된다. 가스 공급 링(130r)에는, 예컨대 처리 용기(112)의 측벽부를 관통하여, 처리 용기(112)의 외부에 설치된 가스 공급원(130g)에 도통하는 가스 공급로(130p)가 접속된다. 가스 공급 링(130r)은, 지지 기둥(130s)에 의해, 배치대(114) 및 배치대(114) 상의 기판(W)에 대하여 대략 평행하게 지지된다.
가스 공급로(130p)에는, 밸브(130v) 및 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어기(130c)를 통해, 가스 공급원(130g)이 접속된다. 가스 공급부(130)가, 가스 공급 링(130r), 유량 제어기(130c), 가스 공급로(130p), 밸브(130v)를 포함하는 구성에 의해, 처리 용기(112) 내의 배치대(114) 상의 기판(W)에, 기판(W)의 외주 상측의 지근(至近) 거리로부터 가스를 공급할 수 있다. 또, 가스 공급 링(130r)은, ALD 링이라고도 불린다.
또, 가스 공급원(116g, 120g 및 130g)으로부터 공급되는 가스는, 전구체 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 개질 가스이다. 이들 가스는, 가스마다의 가스원에 저류되고, 가스마다의 가스원으로부터의 경로의 전환에 의해 유량 제어기 및 밸브를 경유하여, 영역(R)에 공급된다. 또는, 가스가, 가스마다의 가스원, 유량 제어기를 경유하여, 영역(R)에 공급되어도 좋다. 또, 전구체 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 개질 가스는, 제1 및 제2 실시형태와 동일하다.
처리 용기(112)의 바닥부의 배치대(114)를 사이에 두는 양측에는, 영역(R) 내의 가스를 배기하는 배기부(118)가 설치된다. 배기부(118)는, 진공 펌프 등의 배기 장치(134)의 동작에 의해, 배기구(118a)를 통해 영역(R) 내의 가스를 배기한다. 배기구(118a)로부터의 배기에 의해, 영역(R) 내의 압력을, 목적으로 하는 압력으로 유지한다.
(제3 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세)
도 11은, 제3 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다. 제3 실시형태에 관련된 성막 처리의 개요는, 제1 실시형태와 동일하다. 그러나, 제3 실시형태에 관련된 성막 처리는, 프로세스 및 공정마다, 처리에 이용하는 가스를 공급하고, 처리 후에 가스를 배기하는 점에서, 제1 실시형태와 상이하다.
또, 성막 처리의 전단계 처리로서, 성막 장치(100)의 배치대(114) 상에, 기판(W)을 배치한 후에, 영역(R)을 덮개로 닫는다. 그리고, 성막 장치(100)는, 가스 공급원(116g)에 의해, N2를 포함하는 반응 가스를 영역(R)에 공급한다. 그리고, 성막 장치(100)는, 플라즈마 생성부(122)를 통해, 마이크로파 발생기(148)로부터 출력된 마이크로파를 영역(R)에 공급한다. 이에 따라, 영역(R)에서는, 반응 가스의 플라즈마가 생성된다. 그리고, 반응 가스의 플라즈마에 의해, 기판(W)의 표면이 질화된다. 이상이, 성막 처리의 전단계 처리이다. 전단계 처리를, 초기 질화라고 부른다.
다음으로, 도 11에 도시한 바와 같이, 성막 장치(100)는, 1∼p1회째의 공정을 순차로 실행한다. 여기서, p1은, 자연수이고, 성막 장치(100)에 의한 성막 처리에 의해 목적으로 하는 막두께가 성막될 때까지 공정을 반복하는 횟수이다. 각 공정은, DCS 가스 공급, 제1 배기, 제1 퍼지 가스 공급, 가스 공급, 플라즈마 공급, 제2 배기, 제2 퍼지 가스 공급의 순서로 실행되는 각 프로세스를 포함한다. 도 11은, 공정 1의 각 프로세스가 순차로 실행된 후, 동일한 공정이 p1회째의 공정까지 반복되는 것을 나타낸다.
즉, 우선, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정의 DCS 가스 공급 프로세스로서, 영역(R)에, 가스 공급부(116)에 의해, 전구체 가스로서 DCS 가스를 공급한다. 이에 따라, DCS에 포함되는 Si가 기판(W) 상에 화학적으로 흡착한다.
다음으로, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정의 제1 배기 프로세스로서, 배기 장치(134)에 의해, 영역(R) 내의 가스를 배기하여, 진공 상태로 한다. 다음으로, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정의 제1 퍼지 가스 공급 프로세스로서, 가스 공급부(116)에 의해 공급되는 퍼지 가스를 기판(W)에 분사한다. 이에 따라, 기판(W)에 과도하게 화학적으로 흡착하는 Si가 제거된다.
다음으로, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정의 제1 가스 공급 프로세스로서, 가스 공급부(116)에 의해, N2를 포함하는 반응 가스를 영역(R)에 공급한다. 또한, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정의 플라즈마 공급 프로세스로서, 마이크로파 발생기(148)로부터의 마이크로파를, 안테나(122a)를 통해 플라즈마 생성부(122)에 공급한다. 따라서, 영역(R)에서는, 반응 가스의 플라즈마가 생성된다. 즉, 1회째의 공정의 가스 공급 프로세스 및 플라즈마 공급 프로세스로서, 플라즈마 생성부(122)에 의한 반응 가스의 플라즈마에 의해, 기판(W)의 표면에 흡착한 원자층 또는 분자층이 질화된다.
다음으로, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정의 제2 배기 프로세스로서, 배기 장치(134)에 의해, 영역(R) 내의 가스를 배기하여, 진공 상태로 한다. 다음으로, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정의 제2 퍼지 가스 공급 프로세스로서, 가스 공급부(116)에 의해 공급되는 퍼지 가스를 기판(W)에 분사한다. 이에 따라, 기판(W)에 과도하게 화학적으로 흡착하는 Si가 제거된다. 이상으로, 1회째의 공정의 전체 프로세스가 종료된다. 그리고, 성막 장치(100)는, 1회째의 공정과 동일한 2∼p1회째의 공정을 순차로 실행한다. 1∼p1회째의 공정을, 플라즈마 ALD 시퀀스라고 부른다.
이와 같이, 성막 장치(100)는, 기판(W)에 대하여, DCS 가스 공급, 제1 배기, 제1 퍼지 가스 공급, 가스 공급 및 플라즈마 공급, 제2 배기, 제2 퍼지 가스 공급의 각 공정을 p1회만큼 반복 실행한다. 이에 따라, 기판(W) 상에 목적으로 하는 막두께의 실리콘 질화막이 성막된다.
다음으로, 성막 장치(100)는, (p1+1)회째의 공정으로서, 가스 공급 프로세스 및 플라즈마 공급 프로세스, 제2 배기 프로세스, 제2 퍼지 가스 공급 프로세스를 순차로 실행한다. 이상으로, 기판(W) 상의 불순물이 제거되고, (p1+1)회째의 공정의 프로세스가 종료된다. 성막 장치(100)는, (p1+1)회째의 공정과 동일한 공정을, (p1+p2)회째의 공정까지 반복 실행한다. 여기서, p2는, 자연수이고, 성막 장치(100)에 의한 성막 처리에 의해 목적으로 하는 막질의 질화막이 성막될 때까지, (p1+1)회째의 공정과 동일한 공정을 반복하는 횟수이다.
또, (p1+1)∼(p1+p2)회째의 공정의 가스 공급 프로세스에서 공급되는 가스는, N2, NH3, Ar, H2 중 어느 가스, 또는, 이들 가스를 적절히 혼합한 혼합 가스인 개질 가스이다. 또한, (p1+1)회째의 공정의 제2 퍼지 가스 공급 프로세스에서 공급되는 가스는, Ar 등의 불활성 가스이다. 또, (p1+1)∼(p1+p2)회째의 공정을, 플라즈마 후처리라고 부른다. 또, 성막 장치(100)가, 1∼p1회째의 공정을 실행하는 시간 T31, (p1+1)∼(p1+p2)회째의 공정을 실행하는 시간 T32는, 제어부(160)의 제어에 의해 적절히 변경 가능하다.
또, 제3 실시형태에서는, 반응 가스와, 개질 가스를 동일한 가스로 함으로써, 처리 용기 내의 가스의 배출 처리를 생략할 수 있기 때문에, 처리 효율이 높아진다.
(제3 실시형태에 의한 효과)
이상의 제3 실시형태에 의하면, 성막 장치(100)는, 비교적 간이한 구성으로, 효율적으로 질화막의 막질을 향상시킴과 동시에, 질화막의 막두께를 확보한다는, 성막의 스루풋과 막질의 향상의 양립을 도모할 수 있다.
[제4 실시형태]
제4 실시형태는, 제3 실시형태와 비교하여, 성막 장치의 구성은 동일하다. 제4 실시형태가 제3 실시형태와 상이한 점은, 성막 처리에 있어서, 후술하는 DCS 흡착 처리 전에, 후술하는 DCS 흡착 전처리가 실행되는 점이다. 이하, 제4 실시형태에 관련된 성막 장치에 의한 성막 처리를 설명한다. 또, 제4 실시형태에 관련된 성막 장치를, 성막 장치(100a)로 한다.
(제4 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세)
도 12는, 제4 실시형태에 관련된 성막 처리의 상세를 도시한 도면이다. 또, 제4 실시형태에 관련된 성막 처리의 전단계 처리는, 제3 실시형태와 동일하다. 도 12에 도시한 바와 같이, 성막 장치(100a)는, 1회째의 공정으로서, 제3 실시형태의 (p1+1)회째와 동일하게, 가스 공급 및 플라즈마 공급, 제2 배기, 제2 퍼지 가스 공급의 각 프로세스를 순차로 실행한다. 1회째의 공정의 가스 공급 프로세스에서 공급되는 가스는, 제3 실시형태와 동일한 개질 가스이다. 1회째의 공정을, 제2 실시형태와 동일하게, DCS 흡착 전공정이라고 부른다. 1회째의 공정의 가스 공급 프로세스에서 공급되는 가스는, 바람직하게는, 단체(單體)의 N2 가스, 또는, 단체의 Ar 가스이다.
다음으로, 성막 장치(100a)는, 2회째의 공정으로서, 제3 실시형태의 1회째의 공정과 동일한 공정을 실행한다. 2회째의 공정을, 제2 실시형태와 동일하게, DCS 흡착 공정이라고 부른다. 그리고, 성막 장치(100)는, 1∼2회째의 공정과 동일한 DCS 흡착 전공정 및 DCS 흡착 공정을, q∼(q+1)회째의 공정까지 실행한다. 여기서, q는, 자연수이고, 성막 장치(100)에 의한 성막 처리에 의해 목적으로 하는 막질의 질화막이 성막될 때까지, DCS 흡착 전공정 및 DCS 흡착 공정을 반복하는 횟수이다. 또, 성막 장치(100a)가, 1∼(q+1)회째의 공정을 실행하는 시간 T41은, 제어부(160)의 제어에 의해 적절히 변경 가능하다.
(제4 실시형태에 의한 효과)
이상의 제4 실시형태에 의하면, 성막 장치(100a)는, 비교적 간이한 구성으로, 효율적으로 양질의 질화막을 성막할 수 있다.
[그 밖의 실시형태]
이상, 제1∼제4 실시형태를 설명했는데, 제1∼제4 실시형태를 적절히 조합하여 실시해도 좋다. 제1 실시형태에 관련된 성막 장치(10)에 의해 성막한 후에 플라즈마 후처리된 기판에 대하여, 제2 실시형태에 관련된 성막 장치(10a)에 의한 성막을 실행해도 좋다. 또는, 제3 실시형태에 관련된 성막 장치(100)에 의해 성막한 후에 플라즈마 후처리된 기판에 대하여, 제4 실시형태에 관련된 성막 장치(100a)에 의한 성막을 실행해도 좋다. 이에 따라, 질화막의 막질 및 성막의 스루풋을 양립시킬 수 있다.
또는, 제1 실시형태에 관련된 성막 장치(10)에 의해 성막한 후에 플라즈마 후처리된 기판에 대하여 제2 실시형태에 관련된 성막 장치(10a)에 의한 성막을 실행하고, 다시 성막 장치(10)에 의해 성막한 후에 플라즈마 후처리해도 좋다. 또는, 제3 실시형태에 관련된 성막 장치(100)에 의해 성막한 후에 플라즈마 후처리된 기판에 대하여 제4 실시형태에 관련된 성막 장치(100a)에 의한 성막을 실행하고, 다시 성막 장치(100)에 의해 성막한 후에 플라즈마 후처리해도 좋다. 이에 따라, 질화막의 막질 및 성막의 스루풋을 양립시킬 수 있다.
또는, 제2 실시형태에 관련된 성막 장치(10a)에 의해 성막된 기판에 대하여, 제1 실시형태에 관련된 성막 장치(10)에 의해 성막한 후에 막질을 개질하고, 다시 성막 장치(10a)에 의해 성막해도 좋다. 또는, 제4 실시형태에 관련된 성막 장치(100a)에 의해 성막된 기판에 대하여, 제3 실시형태에 관련된 성막 장치(100)에 의해 성막한 후에 막질을 개질하고, 다시 성막 장치(100a)에 의해 성막해도 좋다. 이에 따라, 질화막의 막질 및 성막의 스루풋을 양립시킬 수 있다.
또한, 제1∼제4 실시형태 및 그 밖의 실시형태에서는, ALD 법을 이용하여 기판의 표면에 질화막을 성막하는 것으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, MLD 법을 이용하여 기판의 표면에 질화막을 성막해도 좋다.
또한, 예컨대, 제4 실시형태에서는, DCS 흡착 전공정 및 DCS 흡착 공정을 반복하는 경우를 예로 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, DCS 흡착 전공정을 행하지 않고, DCS 흡착 공정(제3 반응 공정이라고도 칭함)을 소정 횟수 반복한 후, 개질 가스를 공급하기 전에, DCS 흡착 전공정과 동일한 처리를 행해도 좋다. 즉, 제2 반응 공정 전에, 아르곤 가스와 질소 가스 중 적어도 한쪽을 포함하는 가스를 상기 처리 용기의 내부에 공급하고, 공급한 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판의 표면과 반응시키는 제3 반응 공정을 포함해도 좋다. 이 결과, 공정수를 줄일 수 있고, 양질의 질화막을 성막할 수 있다.
또, 이상의 각 실시형태에서 나타낸 성막 처리의 제어 프로그램은, 광 또는 자기에 의해 기록 및 판독이 가능한 기록 매체, 혹은, 반도체 소자에 의한 기억 장치에 기록되어도 좋다. 기억 매체는, DVD, SD, 플래시 메모리, 블루레이 디스크 등이다. 또는, 컴퓨터에, 컴퓨터 네트워크를 통해, 기억 장치로부터 제어 프로그램을 읽어낸 다른 컴퓨터로부터 제어 프로그램을 취득시켜 실행시켜도 좋다.
실시예 1
이하에, 전술한 실시형태 3에 관련된 실시예 1을 설명한다. 실시예 1에서는, 전술한 제3 실시형태에 관련된 성막 장치(100)를 이용하여 행한 실험 1을 설명한다. 실험 1에서는, 제3 실시형태에 관련된 성막 장치(100)에 있어서, 플라즈마 ALD 시퀀스에 의해 실리콘 웨이퍼의 기판 상에 질화막을 성막한 후에, 플라즈마 후처리를 실행한 실험 샘플을 평가했다. 이에 따라, 질화막의 막질의 향상을 검증했다. 또, 질화막의 막질은, 난산화성 외에, 막두께, 막두께 균일성, 성막 분포 등에 의해 평가된다.
(플라즈마 ALD 시퀀스의 실행 조건에 관해)
실험 1에 있어서, 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 질화막을 성막한 플라즈마 ALD 시퀀스의 실행 조건은, 다음과 같이 했다. 반응 가스는, NH3/N2/Ar의 혼합 가스를 이용했다. 또한, 성막시의 압력은, 5 Torr로 했다. 또한, 성막시에 공급하는 마이크로파의 전력은, 4 kW로 했다. 또한, 처리 시간은, 10 sec(초)로 했다.
(플라즈마 후처리의 실행 조건에 관해)
실험 1에 있어서, 질화막에 대하여 실행한 플라즈마 후처리의 실행 조건은, 다음과 같이 했다. 즉, 개질 가스는, NH3/N2/Ar의 혼합 가스, NH3/Ar의 혼합 가스, N2/Ar의 혼합 가스, 단체의 Ar 가스의 4 패턴을 이용했다. 또한, 플라즈마 후처리시의 압력은, 1, 3, 5 Torr의 3 패턴으로 했다. 또한, 플라즈마 후처리시에 공급하는 마이크로파의 전력은, 2, 3, 4 kW의 3 패턴으로 했다. 또한, 플라즈마 후처리 시간은, 5 min, 10 min의 2 패턴으로 했다.
(막질 평가 수법에 관해)
실험 1에서는, DHF(0.5% 플루오르화수소산)에 30 sec, 150 sec(30+120 sec)만큼 침지한 결과 에칭된 실험 샘플의 두께량을 침지 전의 두께량으로 나눈 에칭 레이트를 실험 샘플마다 산출했다. 또한, 실험 샘플과 동일한 기판 상에 열산화막을 성막한 지표 샘플을 DHF에 침지하고, 지표 샘플의 에칭 레이트를 산출했다. 그리고, 실험 샘플의 에칭 레이트를 지표 샘플의 에칭 레이트로 나눈 WERR(Wet Etching Rate Ratio)을 평가 지표로 했다.
또, DHF에 실험 샘플을 30 sec 침지한 경우의 WERR을 WERR1로 하고, 150 sec(30+120 sec) 침지한 경우의 WERR을 WERR2로 했다. 또한, 실험 샘플과 동일 조건으로 질화막을 성막한 후, 플라즈마 후처리를 실시하지 않은 샘플을 비교 샘플로 했다. 그리고, 실험 샘플 및 비교 샘플의 양자에 관해 WERR1 및 WERR2를 산출하여 비교함으로써, 플라즈마 후처리에 의한 질화막의 개질 효과를 평가했다. 또, WERR은, 값이 작을수록 내에칭이 좋고, 막질이 양호한 것을 나타낸다.
평가 지표로서 WERR을 이용한 이유는, DHF의 농도의 영향에 의한 평가 오차를 가능한 한 억제하기 위해서이다. 또한, WERR1은, 샘플의 질화막의 표면 및 표면 근방의 막질을 평가하는 지표이다. 또한, WERR2는, 샘플의 질화막의 막 속의 막질을 평가하는 지표이다. 이것은, 비교적 단시간의 침지에서는, 샘플의 표면 및 표면 근방이 에칭되고, 보다 장시간의 침지에서는, 샘플의 막 속까지 에칭된다. 이하에서는, DHF 침지를 DHF 처리라고 부른다.
도 13은, DHF 처리 시간과, 막두께의 관계를 도시한 도면이다. 도 13은, DHF 처리 시간(sec)을 횡축에, 막두께(A(옹스트롬))를 종축에 취하고, DHF 처리 시간과, 막두께의 관계를 도시한다. 도 13에 도시한 바와 같이, DHF 처리 시간이 길수록, 막두께는 감소했다. 보다 상세하게는, DHF 처리 시간이 0 sec에서 약 30 sec 사이의 직선의 기울기가, 약 30 sec에서 150 sec 사이의 직선의 기울기와 비교하여 크다.
즉, 질화막의 표면 및 표면 부근이 막 속보다 에칭되기 쉽고, 질화막의 표면 및 표면 부근의 막질이 막 속의 막질보다 뒤떨어지는 것을 나타낸다. 도 13에 도시한 결과를 지견으로 하여, DHF 처리 시간이 30 sec인 경우의 WERR(WERR1)에 의해 질화막의 표면 및 표면 근방의 막질을 평가했다. 또한, DHF 처리 시간이 150 sec(30+120 sec)인 경우의 WERR(WERR2)에 의해 질화막의 막 속의 막질을 평가했다.
(실험 레시피에 관해)
실시예 1에서는, 도 14a∼도 14c에 도시한 실험 레시피에 따라 실험 1을 행했다. 도 14a에 도시한 바와 같이, 초기 질화로서, 프로세스 번호가 1∼6번인 프로세스를 실행했다. 또한, 도 14b에 도시한 바와 같이, 플라즈마 ALD 시퀀스로서, 프로세스 번호가 7∼17번인 프로세스를 실행했다. 또, 플라즈마 ALD 시퀀스에서는, 7∼16번의 프로세스를 200회 반복하여 실행했다. 또한, 도 14c에 도시한 바와 같이, 플라즈마 후처리로서, 프로세스 번호가 18∼23번인 프로세스를 실행했다. 또, 플라즈마 후처리에서는, 18∼22번의 일련의 프로세스를 5회 반복하여 실행했다.
도 14a∼도 14c에서, 각 프로세스 번호에 대응하는 「시간」은, 해당하는 「처리」를 실행한 시간을 나타낸다. 「처리」는, 실행한 처리명을 나타낸다. 「Load」는, 제어 프로그램의 로드 처리이다. 또한, 「Ar NH3 STB」는, Ar/NH3의 정상 공급 처리이다. 한편, 「STB」는, Stability의 약어이다. 또한, 「Nit.」는, 초기 질화 및 플라즈마 ALD 시퀀스에서의 반응 가스 공급 및 플라즈마 공급 처리이다. 한편, 「Nit.」는, Niditration의 약어이다.
또한, 「MW OFF」는, 마이크로파 정파(停波) 처리이다. 또한, 「VACUUM」은, 가스 배출 처리이다. 또한, 「Ar PURGE」는, 퍼지 가스 공급 처리이다. 또한, 「ADSORPTION」은, DCS 흡착 처리이다. 또한, 「TREAT」는, 플라즈마 후처리에서의 개질 가스 및 플라즈마 공급 처리이다. 또한, 「KEEP」는, 플라즈마 후처리에 있어서 마이크로파를 정파한 후에 실행한 가스 공급 유지 처리이다.
또한, 도 14a∼도 14c에서, 각 프로세스 번호에 대응하는 「압력」은, 성막 장치(100)의 영역(R)의 압력이다. 또한, 「Ar 유량」은, 가스 공급구(116a)를 통해 상측으로부터 영역(R)에 공급한 Ar의 유량이다. 또한, 「N2 유량」은, 가스 공급구(116a)를 통해 상측으로부터 영역(R)에 공급한 N2의 유량이다. 또한, 「O2 유량」은, 가스 공급구(116a)를 통해 상측으로부터 영역(R)에 공급한 O2(산소)의 유량이다. 또한, 「NF3 유량」은, 가스 공급구(116a)를 통해 상측으로부터 영역(R)에 공급한 NF3(삼불화질소)의 유량이다.
또한, 「Ar-edge 유량」은, 가스 공급구(120a)를 통해 옆쪽에서 영역(R)에 공급한 Ar의 유량이다. 또한, 「Ar-ring 유량」은, ALD 링을 통해 기판(W)에 분사한 Ar의 유량이다. 또한, 「DCS-ring 유량」은, ALD 링을 통해 기판(W)에 분사한 DCS의 유량이다. 또한, 「NH3-edge 유량」은, 가스 공급구(120a)를 통해 옆쪽에서 영역(R)에 공급한 NH3의 유량이다. 또한, 「SiH4-edge 유량」은, 가스 공급구(120a)를 통해 옆쪽에서 영역(R)에 공급한 SiH4(모노실란)의 유량이다. 또한, 「N2-edge 유량」은, 가스 공급구(120a)를 통해 옆쪽에서 영역(R)에 공급한 N2의 유량이다. 또한, 「마이크로파 출력」은, 플라즈마 생성부(122)에 공급한 마이크로파의 전력이다.
예컨대, 도 14a에서는, 3번의 프로세스에 있어서, 5 sec에 걸쳐 플라즈마 공급 처리를 실행한 것을 나타낸다. 그 때, 영역(R)의 압력을 5 torr로 하고, 900 SCCM의 Ar 및 900 SCCM의 N2를, 가스 공급구(116a)를 통해 상측으로부터 영역(R)에 공급한 것을 나타낸다. 또한, 동시에, 200 SCCM의 Ar, 400 SCCM의 NH3를, 가스 공급구(120a)를 통해 옆쪽에서 영역(R)에 공급한 것을 나타낸다. 또한, 동시에, 100 SCCM의 Ar을, ALD 링을 통해 기판(W)에 분사한 것을 나타낸다. 또한, 동시에, 4000 W의 마이크로파를 플라즈마 생성부(122)에 공급한 것을 나타낸다. 도 14a에 의하면, 공급한 반응 가스 및 개질 가스의 각 공급 위치 및 성분비를 알 수 있다. 도 14b 및 도 14c도 동일하다.
(플라즈마 후처리에서의 압력 및 마이크로파 전력의 관계)
도 15a∼도 15d는, 플라즈마 후처리에서의 압력 및 마이크로파 전력의 관계를 도시한 도면이다. 도 15a∼도 15d는, 제3 실시형태에 있어서, 도 11에 도시한 (p1+1)∼(p1+p2)회째의 플라즈마 후처리를, p2=5로 하고, 각 회 60 sec만큼 실행하고, 처리 시간 T32를 60 sec×5=300 sec로 한 경우이다. 도 15a∼도 15d에 의하면, 플라즈마 후처리에 있어서, 압력이 높을수록, 마이크로파의 전력이 클수록 막질 향상의 효과가 컸다.
도 15a에 도시한 바와 같이, 플라즈마 후처리에 있어서, 압력(Pressure)을 고압으로 할수록, WERR이 작아지기 때문에, 질화막의 막질의 개질 효과가 높은 것을 알 수 있다. 특히, 30 sec DHF 처리에 의한 실험 샘플의 WERR인 WERR1의 개선 효과가 현저하다. 30+120 sec DHF 처리에 의한 질화막의 막 속의 막질을 나타내는 WERR인 WERR2는, 1 Torr에서는 악화, 3 Torr에서는 변화가 없고, 5 Torr에서는 개선이 보였다.
또한, 도 15b에 도시한 바와 같이, Pressure가, 1, 3 Torr에서는, Mean Thickness(막두께 평균)는 감소, Uniformity(막두께 균일성)는 악화된 것을 알 수 있다. 또한, Pressure가, 5 Torr에서는, Mean Thickness 및 Uniformity가 모두 개선된 것을 알 수 있다. 즉, 성막 분포에 관해서는, 플라즈마 후처리에 의해서도, Uniformity가 악화되지 않은 것을 알 수 있다. 또, Uniformity는, 동일 기판에서의 막두께 분포의 표준 편차를 분포 막두께의 평균치로 나눈 백분율이다. Uniformity는, 값이 작을수록 질화막의 막두께의 균일성이 높은 것을 나타낸다.
또한, 도 15c에 도시한 바와 같이, MW Power(마이크로파의 전력)가, 2, 3 kW에서는 WERR1만 개선이 확인되고, 4 kW에서는 WERR1 및 WERR2 모두 개선 효과가 확인되었다. 즉, 마이크로파의 전력이, 2, 3 kW에서는 질화막의 표면 및 표면 근방만 막질 개질 효과가 확인되었지만, 4 kW에서는 표면 및 표면 근방, 및 막 속의 막질 개질 효과가 확인되었다.
또한, 도 15d에 도시한 바와 같이, MW Power가, 2, 3 kW에서는, Mean Thickness가 감소, Uniformity가 악화된 것을 알 수 있다. 또한, MW Power가, 4 kW에서는, Mean Thickness는 감소, Uniformity는 개선된 것을 알 수 있다.
또, 플라즈마 후처리를 실행하면, 플라즈마 후처리를 실행하지 않은 경우와 비교하여, 질화막의 막두께가 감소한다. 이것은, 플라즈마에 의한 입열(入熱)이나 개질 반응에 의해, 질화막이 쉬링크되어 치밀화된 것에서 기인하는 것으로 생각된다. 막두께 감소는, 성막 처리에 있어서는, 스루풋이 저하되지만, 막질 개선에 관해서는 의미가 있는 것으로 생각된다.
(개질 가스 및 플라즈마 후처리 시간의 관계에 관해)
도 16a∼도 16h는, 개질 가스 및 플라즈마 후처리 시간의 관계를 도시한 도면이다. 도 16a∼도 16h에서는, 제3 실시형태에 있어서, 도 11에 도시한 플라즈마 후처리 시간 T32를, 5 및 10 min으로 한 경우이다. 이상을 플라즈마 후처리 조건으로 하고, 개질 가스를 상이하게 하여, WERR, Mean Thickness 및 Uniformity를 비교했다.
도 16a, 도 16c, 도 16e, 도 16g에 도시한 바와 같이, WERR에 관해서는, NH3를 포함하는 개질 가스와, NH3를 포함하지 않는 개질 가스에서, 개질 효과에 차이가 확인되었다. NH3/N2/Ar, NH3/Ar, N2/Ar, Ar의 어느 개질 가스에 의해서도 WERR1이 개선되었다. 즉, 어느 개질 가스에 의해서도 질화막의 표면 및 표면 근방의 개선이 확인되었다.
또한, NH3/N2/Ar의 개질 가스에서는, WERR2의 개선이 반드시 확인되는 것은 아니었다. 즉, NH3/N2/Ar의 개질 가스에서는, 플라즈마 후처리 시간이 5 min에서는 질화막의 막 속 막질의 개선은 확인되지 않았지만, 플라즈마 후처리 시간이 10 min에서는 질화막의 막 속 막질의 개선이 확인되었다. 또한, NH3/Ar, N2/Ar, Ar의 개질 가스에서는, 효과의 차이는 있지만, 모두 막 속의 개질 효과가 확인되었다.
특히, NH3/Ar의 개질 가스를 이용한 경우에, 질화막의 막질 향상의 효과가 컸다. 플라즈마 후처리 시간이 5 min이어도, 플라즈마 후처리가 없는 비교 샘플과 비교하여, WERR1이 1.72로부터 1.05로, WERR2가 1.14로부터 0.75로 크게 개선되었다.
또한, 도 16b, 도 16d, 도 16f, 도 16h에 도시한 바와 같이, Mean Thickness에 관해서는, 어느 개질 가스도 감소했다. 또한, Uniformity 에 관해서는, NH3/N2/Ar 및 NH3/Ar의 개질 가스에서는, Treatment Time에 따라 다르지만, 변화가 없거나 또는 향상되었다.
(플라즈마 후처리에 의한 질화막의 개질의 심도)
도 17a 및 도 17b는, 플라즈마 후처리에 의한 질화막의 개질의 심도를 도시한 도면이다. 이하에서는, NH3/N2/Ar의 혼합 가스에 의해 플라즈마 후처리를 5 min만큼 실행한 실험 샘플을 제1 실험 샘플로 했다. 또한, NH3/N2/Ar의 혼합 가스에 의해 플라즈마 후처리를 10 min만큼 실행한 실험 샘플을 제2 실험 샘플로 했다. 또한, NH3/Ar의 혼합 가스에 의해 5 min만큼 플라즈마 후처리를 실행한 실험 샘플을 제3 실험 샘플로 했다. 또한, NH3/Ar의 혼합 가스에 의해 10 min만큼 플라즈마 후처리를 실행한 실험 샘플을 제4 실험 샘플로 했다. 또한, 플라즈마 후처리를 실행하지 않은 샘플을 비교 샘플로 했다.
그리고, 제1∼제4 실험 샘플과, 플라즈마 후처리를 실행하지 않은 비교 샘플의 5개의 샘플에 관해, DHF 처리를 행했다. 그리고, 비교 샘플, 제1∼제4 실험 샘플의 각각에 관해, DHF 처리 전(as depo), 30 sec의 DHF 처리 후, 30+120 sec=150 sec의 DHF 처리 후의 각 Mean Thickness를 측정했다.
도 17a는, Mean Thickness의 측정 결과를 도시한 도면이다. 질화막의 개질 효과가 가장 높은 NH3/Ar의 혼합 가스에 의한 플라즈마 후처리를 실행한 제3 및 제4 실험 샘플에 대하여, 5 및 10 min의 DHF 처리 중 어느 처리를 실행했다. 그 결과, 도 17a에 도시한 바와 같이, 어느 실험 샘플도 Mean Thickness가 50 A 정도 감소했다.
또한, 도 17b에 도시한 바와 같이, 비교 샘플, 제1 및 제3 실험 샘플을 DHF 처리한 처리 시간에 따른 Mean Thickness의 감소율은, DHF 처리 시간이 약 50 sec 이후, 제3 실험 샘플이 최소가 되었다. DHF 처리한 처리 시간에 따른 Mean Thickness의 감소율은, 도 17b에서의 직선의 기울기에 대응한다. 직선의 기울기는, 웨트 에칭 레이트(A/sec)이다. 직선의 기울기가 작으면, 웨트 에칭 레이트가 느리고, 막질이 양호한 것을 나타낸다.
도 17b에 도시한 바와 같이, NH3/Ar의 개질 가스에 의한 플라즈마 후처리를 실행한 제3 실험 샘플에 있어서, 막질이 개선된 것을 알 수 있다. 도 17b에 도시한 바와 같이, 제1 실험 샘플 150 sec 부근의 웨트 에칭 레이트도, 플라즈마 후처리를 실행하지 않은 비교 샘플보다 작다. 그 때의 잔막은, 5 nm였다. 또, 제1 실험 샘플의 as depo의 막두께는, 10 nm였다.
즉, 도 17a 및 도 17b에 의하면, 질화막의 표면으로부터 5 nm 정도 웨트 에칭한 경우에 잔막이 많아진 것을 알 수 있다. 이에 따라, 개질 가스의 라디칼이 질화막의 개질에 작용한다고 하면, 플라즈마 조사에 의한 라디칼의 침입 심도, 즉 질화막의 개질 심도는, 표면으로부터 5 nm 정도의 막 속까지인 것으로 생각된다.
(Si 2p 3/2 스펙트럼의 파형 분리 및 TOA의 관계)
도 18a는, Si 2p 3/2 스펙트럼의 파형 분리 결과 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다. 도 18a의 좌측 열의 세로 3개의 그래프는 플라즈마 후처리가 없는 비교 샘플에 대응한다. 또한, 도 18a의 가운데 열의 세로 3개의 그래프는 NH3/Ar 플라즈마 후처리를 실행한 실험 샘플에 대응한다. 또한, 도 18a의 우측 열의 세로 3개의 그래프는 Ar 플라즈마 처리를 실행한 실험 샘플에 대응한다.
또, 도 18a에 도시한 파형 분리에서는, 스핀 1/2, 3/2의 피크 시프트량을 0.06 eV, 피크 강도비를 1 : 2로 하여 피크 분리하고, Si 2p 스펙트럼으로부터 스핀 1/2의 신호를 제거했다. 또한, 피크 위치는, 실리콘 기판의 신호 피크 99.2 eV로 일치시켰다.
도 18a의 좌측에 나타낸 30°, 50°, 90°의 각도는, 도 18b에 나타낸 θ에 대응한다. 즉, 도 18b에 나타낸 θ는, 각도 분해 XPS(광전자 분광법)를 이용하여 질화막에 X선을 조사한 경우에 질화막으로부터 탈출하는 광전자의 탈출 각도(TOA : Take Off Angle)이다. 도 18b에 나타낸 λ(nm)는, 광전자의 감쇠 길이이다. 즉, λ×sinθ(λ×시타의 사인값)는, X선 조사에 의한 광전 효과에 의해 탈출 가능한 광전자의 탈출 깊이이다.
도 18a에 도시한 파형 분리 결과의 그래프 중의 기호 "Si3+"는, 착안한 Si 원자의 주위에 3개의 N과, 하나의 Si가 결합한 결합 상태를 나타낸다. TOA를 작게 하여 표면 민감 측정을 행하면, Si 기판으로부터의 신호 강도의 감소를 확인할 수 있다. 또한, TOA를 작게 하면, 산화의 신호 강도가 증가하는 점에서, 실험 샘플은, 대기 폭로에 의해 표면 산화된 것으로 생각된다.
또한, NH3/Ar 플라즈마에 의한 실험 샘플의 경우, Si-NH 결합의 신호 강도는, 다른 샘플과 비교하여 강하다. 막 속 결합 상태의 비율을 평가하기 위해, 각 분리 피크 면적을 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적으로 규격화한 결과가, 도 19a, 도 19b 및 도 19c이다. 한편, 피크 면적이란, 물질의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 신호의 면적을 나타낸다. 또한, 피크 면적비란, 화합물의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 신호의 전면적에 대한, 각 화학 결합 상태의 피크 면적의 비를 나타낸다.
(플라즈마 후처리에 의한 질화막의 개질 효과)
도 19a는, 실시예 1에 관련된 Si-NH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다. 도 19b는, 실시예 1에 관련된 Si-H의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다. 도 19c는, 실시예 1에 관련된 Si-OH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 19a에 도시한 바와 같이, NH3/Ar 플라즈마의 Si-NH 결합은, 다른 조건과 비교하여, TOA에 의존하지 않고 피크 면적비가 컸다. 이것은, 막 속의 Si-NH 결합이 증가한 것을 나타낸다.
또한, 플라즈마 후처리를 행하면, Si-H 결합이 증가하는 경향이 보였다. 다만, 도 19b에 도시한 바와 같이, 전체의 피크 면적에서 차지하는 Si-H의 피크 면적은 작기 때문에, Si-H의 피크 면적의 증가량에 따른 전체의 피크 면적의 변화량은 작다.
한편, 도 19c에 도시한 바와 같이, Si-OH 결합에 관해서는, 플라즈마 후처리가 있는 것과, 플라즈마 후처리가 없는 것에서, 현저한 차가 보였다. 플라즈마 후처리가 없는 경우, TOA를 작게 하면, Si-OH 강도가 증가, 즉, 표면 산화량이 증가했다. 플라즈마 후처리가 있는 경우, Si-OH 결합의 피크 면적은, TOA에 대한 의존성이 낮다. 따라서, 플라즈마 후처리에 의해 표면 산화가 억제된 것으로 생각된다. 또, 산화막은, 질화막과 비교하여, WERR이 양호하지는 않다.
도 20은, 플라즈마 후처리에 의한 WERR의 변화를 도시한 도면이다. 도 20에 도시한 바와 같이, 플라즈마 후처리에 의해, 질화막의 표면 막질의 향상이 확인되었다. 질화막의 표면 막질의 향상은, 막 속의 NH 결합의 증가에 의한 것으로 생각된다. 즉, 플라즈마 후처리에 의한 NH 라디칼의 공급에 의해, 막 속의 미결합손이 종단되고, 대기 폭로시에서의 대기의 산화 성분과, 미결합손의 산화 반응이 억제된 것으로 생각된다. 도 20에 의하면, NH3/Ar 플라즈마 후처리는, 질화막의 표면에 한정되지 않고 막 속까지 막질을 향상시키는 것을 알 수 있다.
또, 도 21a는, 플라즈마 후처리가 없는 경우에, 질화막의 미결합손이 대기중의 산화 성분과 결합함으로써, 질화막이 산화되는 개요를 도시한 도면이다. 또한, 도 21b는, NH3/Ar 플라즈마 후처리가 있는 경우에, 질화막 속의 N 원자의 미결합손이 종단되는 개요를 도시한 도면이다. 도 21b에 도시한 바와 같이, N 원자의 미결합손(DB(Dangling Bond))이 NH3의 라디칼에 의해 종단됨으로써, 질화막의 N 원자의 미결합손이 감소하여 대기중의 산화 성분과의 결합이 억제된 것으로 생각된다. 또, NH3/Ar 플라즈마 후처리에 의한 질화막의 개질 효과는, 막 속 5 nm 정도까지인 것으로 생각되기 때문에, NH 라디칼에 의한 DB 종단은, 질화막의 막표면으로부터 5 nm 정도의 심도까지 미친 것으로 생각된다.
또한, 도 21c는, Ar 플라즈마 후처리가 있는 경우에, N 원자의 미결합손이 종단되는 개요를 도시한 도면이다. 도 21c에 도시한 바와 같이, 질화막 속의 Si 원자에 결합하는 H 원자와, Ar 이온의 충돌 결과, H 원자와, Si 원자의 결합이 절단된 것으로 생각된다. 그리고, N 원자의 미결합손과, Si 원자가 결합함으로써, 질화막의 N 원자의 미결합손이 감소하여 대기중의 산화 성분과의 결합이 억제된 것으로 생각된다. 또, Ar 플라즈마 후처리에 의한 질화막의 개질 효과는, 막표면에서만 확인되었기 때문에, 이온 충돌에 의한 DB 결합은, 질화막의 막표면에서 발생한 것으로 생각된다.
(플라즈마 ALD 시퀀스의 플라즈마 공급 시간과, 플라즈마 후처리의 효과의 관계)
도 22a∼도 22c 및 도 23은, 플라즈마 ALD 시퀀스, 즉 질화막의 성막시에서의 플라즈마 공급 시간과, 플라즈마 후처리의 효과의 관계를 도시한 도면이다. 도 22a∼도 22c 및 도 23에서의 실험 샘플에 대하여 실행한 플라즈마 후처리의 실행 조건은, 압력 5 Torr, 마이크로파 전력 4 kW, 실행 시간 5 min였다. 동일 조건으로 질화막을 성막한 샘플 중, 플라즈마 후처리가 없는 샘플을 비교 샘플로 하고, 플라즈마 후처리가 있는 샘플을 실험 샘플로 했다.
도 22a는, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간을 10 sec로 한 경우의 비교 샘플 및 실험 샘플 각각의 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다. 도 22b는, 질화막의 성막시의 플라즈마 공급 시간을 30 sec로 한 경우의 비교 샘플 및 실험 샘플 각각의 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다. 도22c는, 질화막의 성막시의 플라즈마 공급 시간을 60 sec로 한 경우의 비교 샘플 및 실험 샘플 각각의 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다.
도 22a∼도 22c에 도시한 바와 같이, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간이, 10, 30, 60 sec의 어느 것에 있어서도, WERR1 및 WERR2의 개선이 보였다. 도 22a∼도 22c에 도시한 바와 같이, WERR의 값이 보다 작은, 즉 보다 막질이 양호한 샘플일수록, 플라즈마 후처리에 의한 막질 향상의 효과가 작았다.
또한, 도 23은, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간 및 WERR1 및 WERR2의 변화를 도시한 도면이다. 도 23에 도시한 바와 같이, 플라즈마 ALD 시퀀스시의 플라즈마 공급 시간이 길수록, 플라즈마 후처리에 의한 WERR1 및 WERR2의 변화량은 감소했다. 바꾸어 말하면, 플라즈마 ALD 시퀀스에 의한 성막시의 플라즈마 공급 시간이 짧을수록, 플라즈마 후처리에 의한 WERR1 및 WERR2의 변화량이 높았다. 플라즈마 공급 시간에 상관없이 WERR2와 비교하여 WERR1의 변화량이 큰 점에서, 질화막의 막 속보다 표면 및 표면 근방이, 플라즈마 후처리에 의한 막질 향상의 효과가 컸다고 할 수 있다.
따라서, 플라즈마 ALD 시퀀스의 처리 시간을 짧게 하여, 비교적 막두께가 얇은 질화막을 성막하고, 플라즈마 후처리에 의해 막질을 향상시킨다는 처리를 반복함으로써, 양호한 막질의 질화막을 성막할 수 있다고 할 수 있다. 따라서, 성막 처리 전체의 실행 시간을 단축하더라도 양호한 질화막을 성막할 수 있고, 성막 처리 전체의 스루풋을 향상시킬 수 있다고 할 수 있다.
실시예 2
이하에, 전술한 실시형태에 관련된 실시예 2를 설명한다. 실시예 2에서는, 전술한 제4 실시형태에 관련된 성막 장치(100a)를 이용하여 행한 실험 2를 설명한다. 실험 2에서는, 제4 실시형태에 관련된 성막 장치(100a)에서, 플라즈마 ALD 법에 의해 실리콘 웨이퍼의 기판 상에 질화막을 성막하기 전에 개질 가스의 플라즈마를 공급했다. 그리고, 그 후 성막 처리를 실행한 실험 샘플을 평가함으로써 질화막의 개질을 검증했다. 또, 특별히 기재하지 않는 한, 각 처리의 실행 조건은, 실시예 1과 동일하다.
(플라즈마 ALD 시퀀스의 실행 조건에 관해)
실험 2에 있어서, 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 질화막을 성막한 플라즈마 ALD 시퀀스의 실행 조건은, 다음과 같이 했다. 개질 가스는, NH3/N2/Ar의 혼합 가스를 이용했다. 또한, DCS 흡착 처리시의 압력은, 5 Torr로 했다. 또한, DCS 흡착 처리시에 공급하는 마이크로파의 전력은, 4 kW로 했다. 또한, 플라즈마 ALD 시퀀스의 처리 시간은, 10 sec(초)로 했다.
(DCS 흡착 전처리의 실행 조건에 관해)
실험 2에 있어서, 플라즈마 ALD 시퀀스에 포함되는 DCS 흡착 전처리의 실행 조건은, 다음과 같이 했다. 즉, 개질 가스는, 단체의 N2 가스, 단체의 Ar 가스의 2 패턴을 이용했다. 또한, DCS 흡착 전처리의 압력은, 5 Torr로 했다. 또한, DCS 흡착 전처리시에 공급하는 마이크로파의 전력은, 4 kW로 했다. 또한, 처리 시간은, 5 sec의 2 패턴으로 했다. 또한, ALD 링으로부터의 개질 가스의 유량은, 100, 300, 500 SCCM의 3 패턴으로 했다. 또한, ALD 링으로부터의 개질 가스의 유량에 대하여, 개질 가스의 전유량은, 각각 500, 1000, 1500 SCCM으로 했다.
(실험 레시피에 관해)
실시예 2에서는, 도 24a 및 도 24b에 도시한 실험 레시피에 따라 실험을 행했다. 도 24a에 도시한 바와 같이, 초기 질화로서, 프로세스 번호가 1∼7번인 프로세스를 실행했다. 또한, 도 24b에 도시한 바와 같이, 플라즈마 ALD 시퀀스로서, 프로세스 번호가 8∼24번인 프로세스를 실행했다. 또, 실시예 2의 플라즈마 ALD 시퀀스에서의 9 및 10번의 프로세스는, DCS 흡착 전처리이다. 또한, 실시예 2의 플라즈마 ALD 시퀀스에서의 11∼21번의 프로세스는, DCS 흡착 처리이다. 또한, 실시예 2에서는, 8∼21번의 프로세스를 200회 반복하여 실행했다.
(DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마의 비교)
도 25a∼도 25d는, DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마의 비교를 도시한 도면이다. 도 25a에 도시한 바와 같이, DCS 흡착 전처리와 비교하여, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것의 어느 것에 있어서도, WERR1 및 WERR2가 개선되었다. 특히, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것보다, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것이, WERR1 및 WERR2의 개선이 컸다.
또한, 도 25b에 도시한 바와 같이, DCS 흡착 전처리와 비교하여, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것의 어느 것에 있어서도, 막두께 평균은 감소했다. 특히, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것보다, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것이, 막두께 평균의 감소가 컸다.
또한, 도 25c 및 도 25d에 도시한 바와 같이, DCS 흡착 전처리와 비교하여, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것은 막두께 균일성이 악화되었지만, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것은 막두께 균일성이 향상되었다. 또, 도 25d는, 등고선에 의해 막두께 분포를 도시한 도면이다. 도 25d에서의 해칭의 범례는, 도 25d를 대향하여 좌측일수록 막두께가 낮고, 좌측일수록 막두께가 높은 것을 나타낸다.
즉, 막질의 개질에 관해서는, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리보다 Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 우수했다. 또한, 막두께 균일성에 관해서는, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리보다 N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 우수했다.
(Si 2p 3/2 스펙트럼의 파형 분리)
도 26은, 실시예 1에서 도시한 도면 18과 동일하게, Si 2p 3/2 스펙트럼의 파형 분리 결과를 도시한 도면이다. 도 26의 좌측 열의 세로 3개의 그래프는 DCS 흡착 전처리가 없는 비교 샘플에 대응한다. 또한, 도 26의 가운데 열의 세로 3개의 그래프는 Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리를 실행한 실험 샘플에 대응한다. 또한, 도 26의 우측 열의 세로 3개의 그래프는 N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리를 실행한 실험 샘플에 대응한다.
도 26에 도시한 바와 같이, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리를 실행한 실험 샘플의 TOA를 30°에 있어서, Si-NH의 분리 피크 면적이 가장 크다. 즉, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리를 실행한 실험 샘플의 Si-NH 결합의 신호 강도가, 다른 샘플과 비교하여 강하다. 막 속 결합 상태의 비율을 평가하기 위해, 각 분리 피크 면적을 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적으로 규격화한 결과가, 도 27a, 도 27b 및 도 27c이다.
도 27a는, 실시예 2에 관련된 Si-NH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다. 도 27b는, 실시예 2에 관련된 Si-H의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다. 도 27c는, 실시예 2에 관련된 Si-OH의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적 및 TOA의 관계를 도시한 도면이다.
도 27a에 도시한 바와 같이, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리의 Si-NH 결합은, 다른 조건과 비교하여, TOA에 의존하지 않고 피크 면적비가 컸다. 이것은, 막 속의 Si-NH 결합이 증가한 것을 나타낸다. 또한, 도 27b에 도시한 바와 같이, 전체의 피크 면적에서 차지하는 Si-H의 피크 면적은 작았기 때문에, Si-H의 피크 면적의 변화량에 따른 전체의 피크 면적의 변화량은 작다고 할 수 있다.
한편, 도 27c에 도시한 바와 같이, Si-OH 결합에 관해서는, DCS 흡착 전처리가 있는 것과, DCS 흡착 전처리가 없는 것에서, 차가 보였다. DCS 흡착 전처리가 없는 경우, TOA를 작게 하면, Si-OH 강도가 증가, 즉, 표면 산화량이 증가했다. DCS 흡착 전처리가 있는 경우, Si-OH 결합의 피크 면적은, TOA에 대한 의존성이 낮다. 따라서, DCS 흡착 전처리에 의해 표면 산화가 억제된 것으로 생각된다. 또, 실시예 2에서의 DCS 흡착 전처리가 있는 것과, DCS 흡착 전처리가 없는 것의 차는, 실시예 1에서의 플라즈마 후처리가 있는 것과, 플라즈마 후처리가 없는 것의 차만큼은 아니었다.
또한, 도 28은, DCS 흡착 전처리에서의 Ar 플라즈마와, N2 플라즈마를 실행한 질화막의 조성 성분마다의 Si 2p 3/2 스펙트럼의 피크 면적의 비율의 비교를 도시한 도면이다. 도 28에 도시한 바와 같이, TOA 90°로 하면, DCS 흡착 전처리가 없는 것, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것에서, 각 결합의 피크 면적비에는, 거의 차이가 보이지 않았다. 도 27a 및 도 27c로부터도 알 수 있는 바와 같이, TOA를 30°로 작게 하면, Si-NH 결합 강도가 증가하고, Si-OH 결합 강도가 감소했다. 따라서, DCS 흡착 전처리에 의해, 표면 산화의 억제 효과가 컸다고 할 수 있다.
또, DCS 흡착 전처리가 없는 것, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것, N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 있는 것에서 WERR1을 비교하면, 각각 1.86, 1.06, 1.48이었다. 따라서, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리가 가장 우수했다고 할 수 있다. 즉, 표면 산화량은, WERR과 상관이 있었던 것으로 추정된다.
(막질 및 스루풋의 관계)
도 29a∼도 29d를 참조하여, 막질과, 1 cycle당의 스루풋의 관계를 설명한다. 도 29a∼도 29d는, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 처리를 15 sec만큼 실행한 샘플과, DCS 흡착 전처리를 5 sec만큼 실행한 후, 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플에 관해, WERR, 막두께 평균, 막두께 균일성, 막두께 분포를 각각 비교하는 도면이다.
즉, 도 29a∼도 29d는, 다음 (s1)∼(s3)의 3개의 샘플을 비교하는 도면이다. 즉, (s1)은, DCS 흡착 전처리가 없으며, 또한, 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플이고, 도 29a∼도 29d에 도시한 「Non plasma Nit. 10 sec」의 그래프에 해당하는 샘플이다. 또한, (s2)는, DCS 흡착 전처리가 없으며, 또한, 플라즈마 ALD 처리를 15 sec만큼 실행한 샘플이고, 도 29a∼도 29d에 도시한 「Non plasma Nit. 15 sec」의 그래프에 해당하는 샘플이다.
또한, (s3)은, 도 29a∼도 29d에 「treatment 5 sec, Nit. 10 sec」로 나타내는 바와 같이, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리를 5 sec만큼 실행한 후, 플라즈마 ALD 처리를 10 sec만큼 실행한 샘플이고, 도 29a∼도 29d에 도시한 「Ar plasma treatment」의 그래프에 해당하는 샘플이다. 즉, (s3)의 샘플은, 5 sec의 Ar 플라즈마 흡착 전처리 및 10 sec의 Ar 플라즈마 ALD 처리를 포함하는 합계 15 sec의 처리를 1 cycle로 하여 실행한 샘플이다.
따라서, 도 29a에서는, 전술한 (s1) 및 (s2)의 샘플의 그래프를 비교함으로써, 플라즈마 ALD 처리 시간에 대한 WERR의 의존성을 알 수 있다. 또한, 도 29a에서는, 전술한 (s2) 및 (s3)의 샘플의 그래프를 비교함으로써, 1 사이클이 동일 시간인 경우에, Ar 플라즈마 흡착 전처리의 유무에 대한 WERR의 의존성을 알 수 있다.
또, 도 29a∼도 29d에서의 Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리의 가스의 공급 조건은, 다음과 같았다. 즉, 개질 가스가 Ar 가스이고, 개질 가스의 공급량이 상부로부터 900 SCCM, 측면으로부터 500 SCCM, ALD 링으로부터 100 SCCM이었다.
도 29a에 도시한 바와 같이, (s1) 및 (s2)와 비교하여, (s3)은, WERR이 향상되었다. 한편, (s2) 및 (s3)은, 합계 처리 시간이 모두 15 sec이다. 따라서, 양자의 1 cycle당의 처리 시간은 동일하다. 그러나, 도 29a에 도시한 바와 같이, WERR은, (s2)보다 (s3) 쪽이 양호했다. 즉, 도 29a에 의하면, 1 cycle당의 처리 시간이 동일하면, DCS 흡착 전처리가 있는 플라즈마 ALD 처리를 실행한 쪽이, 막질이 향상된 것을 알 수 있다.
또한, 도 29b에 도시한 바와 같이, (s1) 및 (s2)와 비교하여, (s3)은, 막두께 평균이 감소했다. 즉, 도 29b에 의하면, 1 cycle당의 처리 시간이 동일하면, DCS 흡착 전처리가 있는 플라즈마 ALD 처리를 실행하면, 막두께 평균이 감소한 것을 알 수 있다.
또한, 도 29c 및 도 29d에 도시한 바와 같이, (s1) 및 (s2)와 비교하여, (s3)은, 막두께 균일성이 향상되었다. 즉, 1 cycle당의 처리 시간이 동일하면, DCS 흡착 전처리가 있는 플라즈마 ALD 처리를 실행한 쪽이, 막두께의 막두께 균일성이 향상된 것을 알 수 있다. 또, 도 29d는, 도 25d와 동일하게, 등고선에 의해 막두께 분포를 도시한 도면이다.
즉, 도 29a∼도 29d에 의하면, 플라즈마 ALD의 처리 시간을 연장하면, 막질이 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 1 cycle당의 처리 시간이 동일하면, 1 cycle마다, DCS 흡착 전처리를 실행한 후에 플라즈마 ALD 처리를 실행함으로써, 막질 및 막두께 균일성이 향상되었다. 다만, 1 cycle당의 처리 시간이 동일하면, 1 cycle마다 DCS 흡착 전처리를 실행한 후에 플라즈마 ALD 처리를 실행하는 경우에는, DCS 흡착 전처리가 없는 15 sec의 플라즈마 ALD 처리와 동일한 막두께를 얻기 위해, 더욱 113 cycle만큼 처리를 실행하는 것을 필요로 했다. 더욱 113 cycle만큼 처리를 실행하는 것은, 1 샘플 성막하기 위해 필요로 하는 처리 시간이 약 1.5배가 되는 것을 의미한다. 즉, DCS 흡착 전처리가 있는 플라즈마 ALD 시퀀스는, DCS 흡착 전처리가 없는 플라즈마 ALD 시퀀스와 비교하여, 막두께에 관해 스루풋, 즉, 단위 시간당 성막할 수 있는 소정 막두께의 샘플수가 2/3 정도가 되었다.
이상으로부터, 실시예 2에 의하면, 다음과 같이 되었다. 도 30은, 실시예 2에 관련된 실험 결과의 비교를 도시한 도면이다. 도 30에 도시한 바와 같이, 플라즈마 ALD 처리에 DCS 흡착 전처리를 포함시키면, Ar 플라즈마 DCS 흡착 전처리 및 N2 플라즈마 DCS 흡착 전처리 모두, 막두께 균일성, WERR1 및 WERR2 모두 향상되었다. 다만, 질화막의 막두께는 저하되었다. 또한, XPS에 의한 Si 2p 3/2 스펙트럼의 파형 분리를 행하면, TOA 90°에서는, 질화막의 원자 및 분자의 결합 상태에는 큰 차가 보이지 않았다. 즉, 질화막의 막 속보다, 표면 및 표면 근방에서, 막질의 향상이 보였다.
실시예 3
실시예 3에서는, 흡착 공정과, 제1 반응 공정과, 제2 반응 공정 중, 하나 또는 복수의 조합을, 배치대(14)를 회전시키면서 행하는 경우에 있어서, 여러가지 회전 속도를 이용하는 경우에 관해 설명한다. 구체적으로는, 이하에서는, 흡착 공정과 제1 반응 공정을 포함하는 플라즈마 ALD 시퀀스를, 배치대(14)를 회전시키면서 연속하여 행하는 경우에 있어서, 여러가지 회전 속도를 이용하는 경우에 관해 설명한다.
실험 3∼실험 5에서는, 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 질화막을 성막한 플라즈마 ALD 시퀀스의 실행 조건으로서, 이하의 조건을 이용했다. 반응 가스는, NH3/Ar의 혼합 가스를 이용했다. 또한, 성막시의 압력은, 5 Torr로 했다. 또한, 성막시에 공급하는 마이크로파의 전력은, 4 kW로 했다. 또한, 실험 3∼실험 5에서의 회전 속도는, 각각, 5 rpm, 10 rpm, 20 rpm이고, 플라즈마 ALD 시퀀스를 300 사이클 반복했다.
도 31은, 실시예 3에 관련된 실험 레시피를 도시한 도면이다. 실험 3∼실험 5에서는, 도 31에 도시한 실험 레시피에 따라 실험을 행했다. 보다 상세하게는, 실험 3∼실험 5에서는, 배치대(14)가 1 회전함으로써, 실험 레시피에 기재된 일련의 프로세스가 1회 실행되었다.
도 32∼도 36을 이용하여, 회전 속도와 막질 및 막의 균일성과의 관계에 관해 도시한다. 도 32∼도 36은, 실험 3∼실험 5에 관한 결과를 도시한 도면이다. 도 32는, 실험 3∼실험 5에서의 막의 균일성과 막두께의 관계를 도시한 도면이다. 도 32에 도시한 바와 같이, 회전 속도가 낮아짐에 따라 막두께가 두꺼워지고, 균일성이 향상되었다. 도 33∼도 35는, 각각, 실험 3∼5에서의 막두께 분포를 등고선에 있어서 도시한 도면이다.
20부터 10 rpm의 범위에서는 막두께 균일성과 WERRR에 큰 차는 보이지 않았지만, 5 rpm까지 낮추면 현저히 균일성과 WERR이 개선된다. 한편, 스루풋에 관해서는 저속 회전으로 하면 악화된다. 5, 10, 20 rpm 각각의 사이클 레이트는 0.63, 0.51, 0.35 A/cycle이기 때문에, 타깃 막두께를 10 nm로 한 경우의 1시간당의 성막 장수는, 각각 약 10, 15, 20장이 된다. 이와 같이 균일성·WERR과 스루풋은 트레이드 오프의 관계에 있기 때문에, 어떤 회전 속도가 최적인지에 관해서는 요구되는 성막 내용에 의존하므로 일률적으로는 말할 수 없다.
C : 처리실, W : 기판, 10, 10a, 100, 100a : 성막 장치, 12, 112 : 처리 용기, 14, 114 : 배치대, 16 : 제1 가스 공급부, 18 : 배기부, 20 : 제2 가스 공급부, 22 : 플라즈마 생성부, 22b : 제3 가스 공급부, 24 : 구동 기구, 24a : 구동 장치, 34, 52 : 배기 장치, 40w, 140w : 유전체창, 40, 140 : 유전체판, 48, 148 : 마이크로파 발생기, 60, 160 : 제어부, 116, 120, 130 : 가스 공급부

Claims (20)

  1. 성막 장치를 이용하여, 기판에 제1 가스를 흡착시키고, 제2 가스의 활성종과 반응시킴으로써 성막하는 ALD(Atomic Layer Deposition) 성막 방법으로서,
    상기 기판을 배치하는 공정과,
    상기 기판의 표면에, 전구체 가스를 화학적으로 흡착시키는 흡착층을 형성하는 흡착 공정과,
    반응 가스의 플라즈마를 생성하여 제1 활성종을 생성하고, 상기 흡착층과 상기 활성종을 반응시키는 막을 형성하는 제1 반응 공정과,
    개질 가스의 플라즈마를 생성하여 제2 활성종을 생성하고, 상기 제2 활성종으로, 상기 막을 개질하는 제2 반응 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 반응 공정의 상기 개질 가스는, 질소를 포함하는 가스와, 희가스 중 적어도 하나인 것인 성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 성막 장치는, 처리 용기를 갖고,
    상기 처리 용기는,
    상기 전구체 가스를 공급하는 제1 영역과,
    상기 반응 가스를 공급하는 제2 영역과,
    상기 처리 용기 내에 배치되고, 상기 기판을 복수 배치하는 지지대를 포함하며,
    상기 지지대는, 상기 지지대의 중심축의 둘레 상에 상기 기판이 배치되고, 상기 중심축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 회전 가능하고,
    상기 흡착 공정과, 상기 제1 반응 공정과, 상기 제2 반응 공정을, 배치부를 회전시키면서 행하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 공정 전에, 아르곤 가스와 질소 가스 중 적어도 한쪽을 포함하는 가스의 플라즈마를 생성하고, 상기 기판의 표면과 반응시키는 제3 반응 공정을 더 포함하는 성막 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착 공정 및 상기 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 원하는 막두께를 형성한 후, 상기 제2 반응 공정을 행하는 것인 성막 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착 공정, 상기 제1 반응 공정 및 상기 제2 반응 공정을 순차로 계속하여 원하는 막두께를 형성하는 것인 성막 방법.
  7. 기판의 표면에 성막하는 성막 장치가 실행하는 성막 방법으로서,
    기밀성을 갖는 처리 용기의 내부에 설치된 배치부에 배치된 기판의 표면에, 전구체 가스를 화학적으로 흡착시키는 흡착 공정과,
    상기 처리 용기의 내부에 반응 가스를 공급하고, 상기 반응 가스의 플라즈마를 생성하고, 상기 기판의 표면과, 상기 반응 가스의 플라즈마를 반응시키는 제1 반응 공정과,
    상기 처리 용기의 내부에, 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 어느 가스 또는 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스를 혼합한 가스를 공급하고, 상기 개질 가스의 플라즈마를 생성하고, 상기 기판의 표면과, 상기 개질 가스의 플라즈마를 반응시키는 제2 반응 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 배치부는, 대략 원형이고, 상기 대략 원형의 중심축의 둘레 상에 상기 기판이 배치되는 기판 배치 영역을 복수 갖고, 상기 중심축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 회전 가능하고,
    상기 흡착 공정과, 상기 제1 반응 공정과, 상기 제2 반응 공정 중, 하나 또는 복수의 조합을, 상기 배치부를 회전시키면서 행하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제2 반응 공정 전에, 아르곤 가스와 질소 가스 중 적어도 한쪽을 포함하는 가스를 상기 처리 용기의 내부에 공급하고, 공급한 가스의 플라즈마를 생성하고, 상기 기판의 표면과 반응시키는 제3 반응 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 성막 장치는,
    상기 흡착 공정 및 상기 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 실행한 후에 상기 제2 반응 공정을 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 성막 장치는,
    상기 흡착 공정 및 상기 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 실행한 후에 상기 제2 반응 공정을 실행하는 일련의 처리를 반복하여 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 성막 장치는,
    상기 흡착 공정, 상기 제1 반응 공정 및 상기 제2 반응 공정을 순차로 계속하여 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 성막 장치는,
    상기 흡착 공정, 상기 제1 반응 공정 및 상기 제2 반응 공정을 순차로 계속하여 실행하는 일련의 처리와,
    상기 흡착 공정 및 상기 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 실행한 후에 상기 제2 반응 공정을 실행하는 일련의 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  14. 기밀성을 갖는 처리 용기와,
    상기 처리 용기의 내부에 설치되고, 기판이 배치되는 배치부와,
    상기 처리 용기의 내부에, 전구체 가스, 반응 가스, 및 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 어느 가스 또는 암모니아 가스, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스를 혼합한 가스인 개질 가스를 공급하는 공급부와,
    상기 공급부에 의해 상기 처리 용기의 내부에 공급된 상기 반응 가스 및 상기 개질 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와,
    상기 공급부를 제어하여 상기 처리 용기의 내부에 상기 전구체 가스를 공급하고, 기판의 표면에 전구체 가스를 화학적으로 흡착시키는 흡착 공정과, 상기 공급부를 제어하여 상기 처리 용기의 내부에 상기 반응 가스를 공급하고, 상기 플라즈마 생성부를 제어하여 상기 반응 가스의 플라즈마를 생성하고, 상기 기판의 표면과, 상기 반응 가스의 플라즈마를 반응시키는 제1 반응 공정과, 상기 공급부를 제어하여 상기 처리 용기의 내부에 상기 개질 가스를 공급하고, 상기 플라즈마 생성부를 제어하여 상기 개질 가스의 플라즈마를 생성하고, 상기 기판의 표면과, 상기 개질 가스의 플라즈마를 반응시키는 제2 반응 공정을 실행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 배치부는, 대략 원형이고, 상기 대략 원형의 중심축의 둘레 상에 상기 기판이 배치되는 기판 배치 영역을 복수 갖고, 상기 중심축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 회전 가능하고,
    상기 제어부는, 상기 흡착 공정과, 상기 제1 반응 공정과, 상기 제2 반응 공정 중, 하나 또는 복수의 조합을, 상기 배치부를 회전시키면서 행하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 반응 공정 전에, 아르곤 가스와 질소 가스 중 적어도 한쪽을 포함하는 가스를 상기 처리 용기의 내부에 공급하고, 공급한 가스의 플라즈마를 생성하고, 상기 기판의 표면과 반응시키는 제3 반응 공정을 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 배치부는, 대략 원형이고, 상기 대략 원형의 중심축의 둘레 상에 상기 기판이 배치되는 기판 배치 영역을 갖고, 상기 중심축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 회전 가능하고,
    상기 처리 용기는, 상기 배치부의 회전에 의해 상기 중심축에 대한 둘레 방향으로 이동하는 상기 기판 배치 영역이 순차로 통과하는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 공급부는, 상기 제1 영역에서 상기 배치부에 대면(對面)하여 설치된 분사부로부터 상기 전구체 가스를 공급하는 제1 공급부와, 상기 제2 영역에서 상기 배치부에 대면하여 설치된 분사부로부터 상기 반응 가스 및 상기 개질 가스를 공급하는 제2 공급부를 포함하고,
    상기 플라즈마 생성부는, 상기 제2 영역에서 상기 배치부에 대면하여 설치되고, 상기 제2 영역에서 상기 반응 가스 및 상기 개질 가스의 플라즈마를 생성하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 흡착 공정 및 상기 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 실행한 후에 상기 제2 반응 공정을 실행하는 일련의 처리를 반복하여 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 흡착 공정, 상기 제1 반응 공정 및 상기 제2 반응 공정을 순차로 계속하여 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  20. 제14항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 흡착 공정, 상기 제1 반응 공정 및 상기 제2 반응 공정을 순차로 계속하여 실행하는 일련의 처리와,
    상기 흡착 공정 및 상기 제1 반응 공정을 순차로 반복하여 실행한 후에 상기 제2 반응 공정을 실행하는 일련의 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
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