KR20170091027A - 성막 방법 - Google Patents

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KR20170091027A
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시게히로 미우라
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

수산기에 흡착할 수 있는 제1 처리 가스와, 상기 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스의 반응 생성물에 의한 막을 형성하는 성막 방법이며, 기판의 표면에 상기 제1 처리 가스를 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 처리 가스를 흡착시키는 공정과, 상기 제1 처리 가스가 흡착한 상기 기판에 상기 제2 처리 가스를 공급함으로써, 상기 제1 처리 가스와 상기 제2 처리 가스를 반응시켜 상기 반응 생성물을 생성하는 공정과, 상기 기판에 플라즈마 처리용 가스를 플라즈마화하여 공급함으로써, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정을 포함하고, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정은 상기 기판의 전체면에 상기 기판의 표면에 평행한 방향의 흐름을 형성하도록 제1 플라즈마 처리용 가스를 공급함과 함께, 상기 제1 플라즈마 처리용 가스의 흐름의 상기 기판의 표면에 평행한 방향에 있어서의 상류측에 수소 함유 가스를 포함하는 제2 플라즈마 처리용 가스를 공급하는 공정이다.

Description

성막 방법 {FILM FORMING METHOD}
본원은 2016년 1월 29일에 출원한 일본 특허 출원 제2016-0115490호에 기초하여, 우선권의 기초로 하는 것이고, 그 전체 내용은 참조함으로써 여기에 편입된다.
본 발명은 성막 방법에 관한 것이다.
종래, 진공 용기 내에 설치된 회전 테이블의 회전 방향으로 복수의 기판을 적재하고, 회전 테이블을 회전시킨 상태에서 회전 테이블의 직경 방향을 따라 설치된 가스 공급부로부터 반응 가스를 공급함으로써, 기판에 막을 형성하는 성막 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
이 성막 장치에서는 기판에 제1 처리 가스를 흡착시키는 공정과, 흡착한 제1 처리 가스와 제2 처리 가스를 반응시켜 반응 생성물을 생성하는 공정과, 반응 생성물을 플라즈마에 의해 개질하는 공정을 차례로 반복함으로써 반응 생성물에 의한 막을 형성하고 있다.
그런데, 회로 패턴의 미세화에 수반하여, 예를 들어 트렌치 소자 구조에 있어서의 트렌치의 애스펙트비가 커지면, 상기와 같은 성막 장치에서는 트렌치에 반응 생성물에 의한 막을 매립할 때에, 트렌치에 매립되는 반응 생성물에 의한 막에 보이드가 발생하는 경우가 있다.
따라서, 종래, 수산기(OH기)에 흡착하기 쉬운 유기 아미노실란 가스와 산화 가스를 반응시켜, 트렌치 등의 오목부에 실리콘 산화막을 매립하는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
이 방법에서는 유기 아미노실란 가스를 산화 가스에 의해 산화시킬 때, 실리콘 산화막의 표면에 OH기가 생성된다. 그리고, 개질하는 공정에 있어서, 실리콘 산화막에 대해 플라즈마화된 처리 가스를 공급함으로써, 실리콘 산화막의 표면에 흡착한 OH기가 트렌치의 저부에 있어서 밀도가 높고, 트렌치의 개구를 향해 밀도가 낮아지도록 분포시키고 있다. 이에 의해, 트렌치의 저부로부터 개구를 향해 막 두께가 얇아지도록 실리콘 산화막이 형성되므로(보텀 업 성막되므로), 트렌치에 매립되는 실리콘 산화막에 보이드가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
그러나, 상기의 방법에서는 개질하는 공정에 있어서 OH기의 분포를 제어하는 것이 곤란하다. 구체적으로는, 개질하는 공정에 있어서, 플라즈마화된 처리 가스가 실리콘 산화막에 공급되면, 실리콘 산화막의 표면으로부터 OH기가 탈리하고, 탈리한 OH기가 처리 가스의 흐름에 따라 하류측으로 확산된다.
특히, 오목부를 포함하는 패턴이 형성된 기판을 사용하여, 오목부의 내면에 실리콘 산화막을 형성하는 경우, 실리콘 산화막의 표면으로부터 탈리하고 처리 가스의 흐름에 따라 하류측으로 확산되는 OH기의 양이 많아진다. 이는, 오목부를 포함하는 패턴이 형성되어 있는 경우, 오목부를 포함하는 패턴이 형성되어 있지 않은 경우와 비교하여, 실리콘 산화막의 표면적이 크고, 실리콘 산화막의 표면에 흡착하고 있는 OH기의 양이 많기 때문이다.
탈리한 OH기가 처리 가스의 흐름의 하류측으로 확산되면, 하류측에 있어서 실리콘 산화막의 표면에 다시 OH기가 흡착하여, 하류측의 OH기의 흡착량이 상류측의 OH기의 흡착량보다도 많아진다. 이에 의해, 개질하는 공정 후에 행해지는 유기 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정에서는, 기판의 처리 가스의 흐름의 하류측에 있어서 유기 아미노실란 가스가 흡착되기 쉬워진다. 이로 인해, 기판의 처리 가스의 흐름의 하류측에 있어서의 실리콘 산화막의 막 두께가, 기판의 처리 가스의 흐름의 상류측에 있어서의 실리콘 산화막의 막 두께보다도 두꺼워지는 막 두께의 불균형이 발생한다.
일본 특허 공개 제2010-239103호 공보 일본 특허 공개 제2013-135154호 공보
이로 인해, 기판에 형성되는 막의 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있는 성막 방법이 요구되어 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 형태에 관한 성막 방법은 수산기에 흡착할 수 있는 제1 처리 가스와, 상기 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스의 반응 생성물에 의한 막을 형성하는 성막 방법이며, 기판의 표면에 상기 제1 처리 가스를 공급하고, 상기 기판의 표면에 상기 제1 처리 가스를 흡착시키는 공정과, 상기 제1 처리 가스가 흡착한 상기 기판에 상기 제2 처리 가스를 공급함으로써, 상기 제1 처리 가스와 상기 제2 처리 가스를 반응시켜 상기 반응 생성물을 생성하는 공정과, 상기 기판에 플라즈마 처리용 가스를 플라즈마화하여 공급함으로써, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정을 포함하고, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정은 상기 기판의 전체면에 상기 기판의 표면에 평행한 방향의 흐름을 형성하도록 제1 플라즈마 처리용 가스를 공급함과 함께, 상기 제1 플라즈마 처리용 가스의 흐름의 상기 기판의 표면에 평행한 방향에 있어서의 상류측에 수소 함유 가스를 포함하는 제2 플라즈마 처리용 가스를 공급하는 공정이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부의 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 판독함으로써 보다 한층 명료해질 것이다.
도 1은 본 실시 형태의 성막 장치의 일례의 개략 종단면도.
도 2는 본 실시 형태의 성막 장치의 일례의 개략 평면도.
도 3은 본 실시 형태의 성막 장치의 회전 테이블의 동심원을 따른 단면도.
도 4는 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부의 일례의 종단면도.
도 5는 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부의 일례의 분해 사시도.
도 6은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부에 설치되는 하우징의 일례의 사시도.
도 7은 본 실시 형태의 성막 장치의 회전 테이블 회전 방향을 따라 진공 용기를 절단한 종단면도.
도 8은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 처리 영역에 설치된 플라즈마 처리용 가스 노즐을 확대하여 도시한 사시도.
도 9는 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부의 일례의 평면도.
도 10은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부에 설치되는 패러데이 실드의 일부를 도시하는 사시도.
도 11은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 처리 영역에 있어서의 플라즈마 처리용 가스의 흐름의 시뮬레이션 결과를 도시하는 평면도.
도 12는 본 실시 형태의 성막 방법의 효과를 설명하는 도면.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복된 설명을 생략한다.
(성막 장치)
본 실시 형태의 성막 장치에 대해, 도 1 내지 도 10에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태의 성막 장치의 일례의 개략 종단면도이다. 도 2는 본 실시 형태의 성막 장치의 일례의 개략 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 성막 장치는 평면 형상이 대략 원형인 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1) 내에 설치되어, 진공 용기(1)의 중심에 회전 중심을 가짐과 함께 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼(W)」라고 함)를 공전시키기 위한 회전 테이블(2)을 구비하고 있다. 웨이퍼(W)는 기판의 일례이다.
진공 용기(1)는 웨이퍼(W)를 수용하여 웨이퍼(W)의 표면에 막을 형성하기 위한 처리 용기이다. 진공 용기(1)는 천장판(11)과, 용기 본체(12)를 구비하고 있다. 또한, 용기 본체(12)의 상면의 주연부에는 링 형상으로 설치된 시일 부재(13)가 설치되어 있다. 천장판(11)은 용기 본체(12)로부터 착탈 가능하게 구성되어 있다. 평면에서 본 진공 용기(1)의 직경 치수(내경 치수)는 한정되지 않지만, 예를 들어 1100㎜ 정도로 할 수 있다. 또한, 도 2에서는 설명의 편의상, 천장판(11)의 도시를 생략하고 있다.
진공 용기(1) 내의 상면측에 있어서의 중앙부에는 진공 용기(1) 내의 중심부 영역 C에 있어서 서로 다른 처리 가스끼리가 혼합되는 것을 억제하기 위해 분리 가스 SG를 공급하는 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있다.
회전 테이블(2)은 중심부에서 개략 원통 형상의 코어부(21)에 고정되어 있고, 이 코어부(21)의 하면에 접속됨과 함께 연직 방향으로 연신되는 회전축(22)에 대해, 연직축 주위, 도 2에 도시하는 예에서는 시계 방향(회전 방향 R)으로, 구동부(23)에 의해 회전 가능하게 구성되어 있다. 회전 테이블(2)의 직경 치수는 한정되지 않지만, 예를 들어 1000㎜ 정도로 할 수 있다.
회전축(22) 및 구동부(23)는 케이스체(20)에 수납되어 있고, 이 케이스체(20)는 상면측의 플랜지 형상의 부분이 진공 용기(1)의 저면부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어 있다. 또한, 이 케이스체(20)에는 회전 테이블(2)의 하방 영역에 질소(N2) 가스 등을 퍼지 가스(분리 가스 SG)로서 공급하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 접속되어 있다.
진공 용기(1)의 저면부(14)는 코어부(21)의 외주측에서, 회전 테이블(2)에 하방측으로부터 근접하도록 링 형상으로 형성되어 돌출부(12a)를 이루고 있다.
회전 테이블(2)과 진공 용기(1)의 저면부(14) 사이의 공간에는 가열 기구인 히터 유닛(7)이 설치되어 있다. 히터 유닛(7)은 회전 테이블(2)을 통해 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)를, 예를 들어 실온 내지 400℃ 정도로 가열할 수 있는 구성이 되어 있다. 히터 유닛(7)의 측방측에는 측방 커버 부재(71)가 설치되고, 히터 유닛(7)의 상방측에는 히터 유닛(7)을 덮는 상방 커버 부재(7a)가 설치되어 있다. 또한, 진공 용기(1)의 저면부(14)에는 히터 유닛(7)의 하방측에 있어서, 히터 유닛(7)의 배치 공간을 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(73)이 주위 방향에 걸쳐서 복수 개소에 설치되어 있다.
회전 테이블(2)의 표면에는 직경 치수가, 예를 들어 300㎜인 웨이퍼(W)를 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)가 형성되어 있다. 이 오목부(24)는 회전 테이블(2)의 회전 방향 R에 따라, 복수 개소, 예를 들어 6개소에 설치되어 있다. 오목부(24)는 웨이퍼(W)의 직경보다도 약간, 구체적으로는 1㎜ 내지 4㎜ 정도 큰 내경을 갖는다. 또한, 오목부(24)의 깊이는 웨이퍼(W)의 두께에 대략 동등하거나, 또는 웨이퍼(W)의 두께보다도 크게 구성된다. 따라서, 웨이퍼(W)가 오목부(24)에 수용되면, 웨이퍼(W)의 표면과, 회전 테이블(2)의 웨이퍼(W)가 적재되지 않는 영역의 표면이 동일한 높이가 되거나, 웨이퍼(W)의 표면이 회전 테이블(2)의 표면보다도 낮아진다. 또한, 오목부(24)의 깊이는 웨이퍼(W)의 두께보다도 깊은 경우라도, 지나치게 깊게 하면 성막에 영향을 미치는 경우가 있으므로, 웨이퍼(W)의 두께의 3배 정도의 깊이까지로 하는 것이 바람직하다. 또한, 오목부(24)의 저면에는 웨이퍼(W)를 하방측으로부터 밀어올려 승강시키기 위한, 예를 들어 후술하는 3개의 승강 핀이 관통하는, 도시하지 않은 관통 구멍이 형성되어 있다.
진공 용기(1)의 측벽에는, 도 2에 도시된 바와 같이 반송 아암(10)과 회전 테이블(2) 사이에 있어서 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는 게이트 밸브 G보다 기밀하게 개폐 가능하게 구성되어 있다.
회전 테이블(2)의 오목부(24)는 이 반송구(15)에 대향하는 위치에서 반송 아암(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해진다. 이로 인해, 회전 테이블(2)의 하방측의 전달 위치에 대응하는 개소에는 오목부(24)를 관통하여 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어올리기 위한 도시하지 않은 승강 핀 및 승강 기구가 설치되어 있다.
또한, 진공 용기(1) 내의 회전 테이블(2) 상에는 제1 처리 영역 P1, 분리 영역 D, 제2 처리 영역 P2, 플라즈마 처리 영역 P3 및 분리 영역 D가 회전 테이블(2)의 회전 방향 R에 이 순서로 형성되어 있다. 각 영역의 회전 테이블(2)에 있어서의 오목부(24)의 통과 영역과 대향하는 위치에는, 예를 들어 석영으로 이루어지는 복수개, 예를 들어 7개의 가스 노즐[31, 42, 32, 33(및 34), 35 및 41]이 진공 용기(1)의 주위 방향으로 서로 간격을 두고 방사상으로 배치되어 있다. 가스 노즐(31, 42, 32, 33, 34, 35 및 41)은 회전 테이블(2)과 천장판(11) 사이에 배치된다. 이들 중, 가스 노즐(31, 42, 32, 33, 35 및 41)의 각각의 하단부 에지와 회전 테이블(2)의 상면의 이격 거리는, 예를 들어 1 내지 5㎜ 정도가 되도록 배치되어 있다. 또한, 이들 중, 가스 노즐(31, 42, 32, 33 및 41)은 각각, 예를 들어 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 중심부 영역 C를 향해 웨이퍼(W)에 대향하여 수평하게 연신되도록 설치되어 있다.
각 가스 노즐(31, 42, 32, 33, 34, 35 및 41)은 유량 조정 밸브를 통해, 도시하지 않은 각각의 가스 공급원에 접속되어 있다.
구체적으로는, 제1 처리 영역 P1에는 제1 처리 가스 노즐(31)이, 제2 처리 영역 P2에는 제2 처리 가스 노즐(32)이 각각 설치되어 있다. 제1 처리 가스 노즐(31)로부터는, 하나의 처리 가스 PG1이 공급된다. 제1 처리 가스 노즐(31)의 하방의 제1 처리 영역 P1은 제1 처리 가스 PG1(예를 들어, 실리콘 함유 가스)을 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 영역이다. 제2 처리 가스 노즐(32)로부터는, 제2 처리 가스 PG2가 공급된다. 제2 처리 가스 노즐(32)의 하방의 제2 처리 영역 P2는 웨이퍼(W)에 흡착한 제1 처리 가스 PG1과 제2 처리 가스 PG2(예를 들어, 산화 가스)를 반응시켜 반응 생성물을 생성하기 위한 영역이다.
또한, 2개의 분리 영역 D에는 분리 가스 노즐(42) 및 분리 가스 노즐(41)이 각각 설치되어 있다. 분리 가스 노즐(42) 및 이 분리 가스 노즐(41)로부터는, 각각 분리 가스 SG가 공급된다. 분리 가스 노즐(42) 및 이 분리 가스 노즐(41)은 분리 가스 SG를 공급함으로써, 제1 처리 영역 P1이나 제2 처리 영역 P2 등을 분리하는 분리 영역 D를 형성하기 위한 것이다. 분리 가스 SG로서는, 헬륨(He) 가스나 아르곤(Ar) 가스 등의 희가스나 N2 가스 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다.
도 3은 본 실시 형태의 성막 장치의 회전 테이블(2)의 동심원을 따른 단면도이고, 분리 영역 D로부터 제1 처리 영역 P1을 거쳐서 분리 영역 D까지의 단면도이다.
제1 처리 가스 노즐(31), 분리 가스 노즐(42) 및 분리 가스 노즐(41)의 하면측[회전 테이블(2)에 대향하는 측]에는 가스를 토출하기 위한 가스 토출 구멍(36)이 회전 테이블(2)의 직경 방향을 따라 복수 개소에, 예를 들어 등간격으로 형성되어 있다. 또한, 제2 처리 가스 노즐(32)에도 마찬가지로 가스 토출 구멍(36)이 형성되어 있다.
분리 영역 D에 있어서의 진공 용기(1)의 천장판(11)에는 개략 부채형의 볼록 형상부(4)가 설치되어 있다. 볼록 형상부(4)는 천장판(11)의 이면에 설치되어 있고, 진공 용기(1) 내에는 볼록 형상부(4)의 하면인 평탄한 낮은 천장면(44)(제1 천장면)과, 이 천장면(44)의 주위 방향 양측에 위치하는, 천장면(44)보다도 높은 천장면(45)(제2 천장면)이 형성된다.
천장면(44)을 형성하는 볼록 형상부(4)는, 도 2에 도시된 바와 같이 정상부가 원호 형상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 볼록 형상부(4)에는 주위 방향 중앙에 있어서, 직경 방향으로 연신되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(41 및 42)이 이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 또한, 볼록 형상부(4)의 주연부[진공 용기(1)의 외연부측의 부위]는 각 처리 가스끼리의 혼합을 저지하기 위해, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향함과 함께 용기 본체(12)에 대해 약간 이격되도록, L자형으로 굴곡되어 있다(도시하지 않음).
제1 처리 가스 노즐(31)의 상방측에는 제1 처리 가스를 웨이퍼(W)를 따라 통류시키기 위해, 또한 분리 가스 SG가 웨이퍼(W)의 근방을 피해 진공 용기(1)의 천장판(11)측을 통류하도록 노즐 커버(230)가 설치되어 있다. 노즐 커버(230)는, 도 3에 도시된 바와 같이 커버체(231)와, 정류판(232)을 구비하고 있다. 커버체(231)는 제1 처리 가스 노즐(31)을 수납하기 위해 하면측이 개구되는 개략 상자형으로 형성되어 있다. 정류판(232)은 커버체(231)의 하면측 개구 단부에 있어서의 회전 테이블(2)의 회전 방향의 상류측 및 하류측에 각각 접속된 판상체이다. 또한, 회전 테이블(2)의 회전 중심측에 있어서의 커버체(231)의 측벽면은 제1 처리 가스 노즐(31)의 선단부에 대향하도록 회전 테이블(2)을 향해 연장되어 있다(도시하지 않음). 또한, 회전 테이블(2)의 외연부측에 있어서의 커버체(231)의 측벽면은 제1 처리 가스 노즐(31)에 간섭하지 않도록 절결되어 있다(도시하지 않음).
도 1 및 도 2로 돌아가, 플라즈마 처리 영역 P3에는 플라즈마 처리용 가스 노즐로서, 베이스 노즐(33)(제1 플라즈마 처리용 가스 노즐), 외측 노즐(34)(제3 플라즈마 처리용 가스 노즐) 및 축측 노즐(35)(제2 플라즈마 처리용 가스 노즐)이 설치되어 있다. 또한, 이하에서는 베이스 노즐(33), 외측 노즐(34) 및 축측 노즐(35)을 통합하여 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)이라고도 한다. 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)의 상방측에는 진공 용기(1) 내에 토출되는 플라즈마 처리용 가스를 플라즈마화하기 위해, 플라즈마 발생부(81)가 설치되어 있다. 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)의 하방의 플라즈마 처리 영역 P3은 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리용 가스(PLG)를 플라즈마화하여 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 반응 생성물의 표면을 개질하기 위한 영역이다. 플라즈마 발생부(81) 및 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)에 대해서는 후술한다.
회전 테이블(2)의 외주측에 있어서, 회전 테이블(2)보다도 약간 하방 위치에는 커버체인 사이드 링(100)이 배치되어 있다. 사이드 링(100)의 상면에는 서로 주위 방향으로 이격되도록, 예를 들어 2개소에 제1 배기구(61) 및 제2 배기구(62)가 형성되어 있다. 다른 표현을 하면, 진공 용기(1)의 바닥면에는 2개의 배기구가 형성되고, 이들 배기구에 대응하는 위치에 있어서의 사이드 링(100)에는 제1 배기구(61) 및 제2 배기구(62)가 형성되어 있다.
본 실시 형태에서는, 제1 배기구(61)는 제1 처리 가스 노즐(31)과, 이 제1 처리 가스 노즐(31)에 대해, 회전 테이블(2)의 회전 방향의 하류측에 위치하는 분리 영역 D 사이에 있어서, 분리 영역 D측으로 치우친 위치에 형성되어 있다. 또한, 제2 배기구(62)는 플라즈마 발생부(81)와, 이 플라즈마 발생부(81)보다도 회전 테이블(2)의 회전 방향의 하류측의 분리 영역 D 사이에 있어서, 분리 영역 D측으로 치우친 위치에 형성되어 있다.
제1 배기구(61)는 제1 처리 가스 PG1이나 분리 가스 SG를 배기하기 위한 것이다. 제2 배기구(62)는 제2 처리 가스 PG2나 플라즈마 처리용 가스 PLG나 분리 가스 SG를 배기하기 위한 것이다. 이들 제1 배기구(61) 및 제2 배기구(62)는 각각, 나비 밸브 등의 압력 조정부(65)가 개재 설치된 배기관(63)에 의해, 진공 배기 기구인, 예를 들어 진공 펌프(64)에 접속되어 있다.
또한, 이후에 상세하게 설명하지만, 플라즈마 발생부(81)는 진공 용기(1)의 중심부 영역 C측으로부터 외연부측에 걸쳐서 내부 영역에 삽입된 하우징(90)을 포함한다. 그로 인해, 플라즈마 처리 영역 P3에 대해 회전 테이블(2)의 회전 방향의 상류측으로부터 통류해 오는 가스가, 하우징(90)에 의해 제2 배기구(62)를 향하려고 하는 흐름이 규제되는 경우가 있다. 그로 인해, 하우징(90)보다도 외주측에 있어서의 사이드 링(100)의 상면에는 가스가 흐르기 위한 홈 형상의 가스 유로(101)가 형성되어 있다.
천장판(11)의 하면에 있어서의 중앙부에는 볼록 형상부(4)에 있어서의 중심부 영역 C측의 부위와 연속해서 주위 방향에 걸쳐서 개략 링 형상으로 형성됨과 함께, 그 하면이 볼록 형상부(4)의 하면[천장면(44)]과 동일한 높이로 형성된 돌출부(5)가 설치되어 있다. 이 돌출부(5)보다도 회전 테이블(2)의 회전 중심측에 있어서의 코어부(21)의 상방측에는 중심부 영역 C에 있어서 각종 가스가 서로 혼합되는 것을 억제하기 위한 래비린스 구조부(110)가 배치되어 있다.
하우징(90)은 중심부 영역 C측으로 치우친 위치까지 형성되어 있으므로, 회전 테이블(2)의 중앙부를 지지하는 코어부(21)는 회전 테이블(2)의 상방측의 부위가 하우징(90)을 피하도록 회전 중심측에 형성되어 있다. 이에 의해, 중심부 영역 C측에서는 외연부측보다도, 각종 가스끼리가 혼합되기 쉬운 상태로 되어 있다. 이로 인해, 코어부(21)의 상방측에 래비린스 구조부(110)를 형성함으로써, 가스의 유로를 가동하여, 가스끼리가 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 성막 장치에는, 도 1에 도시된 바와 같이 장치 전체의 동작을 제어하기 위한 컴퓨터로 이루어지는 제어부(120)가 설치되어 있다. 이 제어부(120)의 메모리 내에는 제어부(120)의 제어 하에, 후술하는 성막 방법을 성막 장치에 실행시키는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은 후술하는 성막 방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있고, 하드 디스크 등의 기억 매체인 기억부(121)로부터 제어부(120) 내에 인스톨된다.
이어서, 플라즈마 발생부(81)의 구성을 설명한다. 도 4는 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부(81)의 일례의 종단면도이다. 또한, 도 5는 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부(81)의 일례의 분해 사시도이다. 또한, 도 6은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부(81)에 설치되는 하우징의 일례의 사시도이다. 도 9는 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부(81)의 일례의 평면도이고, 도 10은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 발생부(81)에 설치되는 패러데이 실드(95)의 일부를 도시하는 사시도이다.
플라즈마 발생부(81)는 금속선 등으로 형성되는 안테나(83)를 코일 형상으로, 예를 들어 연직축 주위에 3중으로 권회하여 구성되어 있다. 또한, 플라즈마 발생부(81)는 평면에서 볼 때 회전 테이블(2)의 직경 방향으로 연신되는 띠상체 영역을 둘러싸도록, 또한 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)의 직경 부분을 넘도록 배치되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 안테나(83)는 정합기(84)를 통해 주파수가, 예를 들어 13.56㎒ 및 출력 전력이, 예를 들어 4000W인 고주파 전원(85)에 접속되어 있다. 그리고, 이 안테나(83)는 진공 용기(1)의 내부 영역으로부터 기밀하게 구획되도록 설치되어 있다. 안테나(83)와 정합기(84) 및 고주파 전원(85)은 접속 전극(86)을 통해 전기적으로 접속되어 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)의 상방측에 있어서의 천장판(11)에는 평면에서 볼 때 개략 부채형으로 개구하는 개구부(11a)가 형성되어 있다. 이 개구부(11a)는 천장판(11)의 상면측으로부터 하면측을 향해 당해 개구부(11a)의 개구 직경이 단계적으로 작아지도록, 예를 들어 3단의 단차부(11b)가 주위 방향에 걸쳐서 형성되어 있다. 이들 단차부(11b) 중 최하단의 단차부(11b)의 상면에는, 도 4에 도시된 바와 같이 주위 방향에 걸쳐서 시일 부재(11c)가 배치되어 있다. 또한, 시일 부재(11c)에 대해서는, 도 5에서는 도시를 생략하고 있다.
개구부(11a)에는, 도 4에 도시된 바와 같이 안테나(83)를 천장판(11)보다도 하방측에 위치시키기 위해, 예를 들어 석영 등의 유도체에 의해 구성된 하우징(90)이 설치된다. 하우징(90)의 저면은 플라즈마 처리 영역 P3의 천장면(46)을 구성한다.
하우징(90)은, 도 6에 도시된 바와 같이 상방측의 주연부가 주위 방향에 걸쳐서 플랜지 형상으로 수평으로 연신되어 플랜지부(90a)를 이룸과 함께, 평면에서 볼 때, 중앙부가 하방측의 진공 용기(1)의 내부 영역을 향해 오목해지도록 형성되어 있다.
하우징(90)은 이 하우징(90)의 하방에 웨이퍼(W)가 위치한 경우에, 회전 테이블(2)의 직경 방향에 있어서의 웨이퍼(W)의 직경 부분에 걸쳐 있도록 배치되어 있다.
하우징(90)은 진공 용기(1)에 기밀하게 설치되어 있다. 구체적으로는, 하우징(90)을 개구부(11a) 내에 떨어뜨리고, 계속해서 하우징(90)의 상면이며, 하우징(90)의 접촉부를 따르도록 프레임 형상으로 형성된 가압 부재(91)에 의해 하우징(90)을 하방측을 향해 주위 방향에 걸쳐서 가압한다. 또한, 이 가압 부재(91)를 도시하지 않은 볼트 등에 의해 천장판(11)에 고정한다. 이에 의해, 진공 용기(1)의 내부 분위기는 기밀하게 유지된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하우징(90)의 하면에는 당해 하우징(90)의 하방측의 플라즈마 처리 영역 P3을 주위 방향을 따라 둘러싸도록, 회전 테이블(2)을 향해 수직으로 연신되는 돌기부(92)가 형성되어 있다. 그리고, 이 돌기부(92)의 내주면, 하우징(90)의 하면 및 회전 테이블(2)의 상면에 의해 둘러싸인 영역에는 전술한 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)이 수납되어 있다. 또한, 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)의 기단부[진공 용기(1)의 내벽측]에 있어서의 돌기부(92)는 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)의 외형을 따르도록 개략 원호 형상으로 절결되어 있다.
하우징(90)의 하방(플라즈마 처리 영역 P3)측에는, 도 4에 도시된 바와 같이 돌기부(92)가 주위 방향에 걸쳐서 형성되어 있다. 시일 부재(11c)는 이 돌기부(92)에 의해, 플라즈마에 직접 노출되지 않고, 즉 플라즈마 처리 영역 P3으로부터 격리되어 있다. 그로 인해, 플라즈마 처리 영역 P3으로부터 플라즈마가, 예를 들어 시일 부재(11c)측으로 확산되려고 해도, 돌기부(92)의 하방을 경유하게 되므로, 시일 부재(11c)에 도달하기 전에 플라즈마가 실활되게 된다.
하우징(90)의 상방측에는 당해 하우징(90)의 내부 형상을 개략 따르도록 형성된 도전성의 판상체인 금속판, 예를 들어 구리 등으로 이루어지는, 접지된 패러데이 실드(95)가 수납되어 있다. 이 패러데이 실드(95)는 하우징(90)의 바닥면을 따르도록 수평으로 걸림 지지된 수평면(95a)과, 이 수평면(95a)의 외종단부로부터 주위 방향에 걸쳐서 상방측으로 연신되는 수직면(95b)을 구비하고 있고, 평면에서 볼 때, 예를 들어 개략 육각형이 되도록 구성되어 있어도 된다.
회전 테이블(2)의 회전 중심으로부터 패러데이 실드(95)를 본 경우의 우측 및 좌측에 있어서의 패러데이 실드(95)의 상단부 에지는 각각, 우측 및 좌측으로 수평으로 연신되어 지지부(96)를 이루고 있다. 그리고, 패러데이 실드(95)와 하우징(90) 사이에는 지지부(96)를 하방측으로부터 지지함과 함께 하우징(90)의 중심부 영역 C측 및 회전 테이블(2)의 외연부측의 플랜지부(90a)에 각각 지지되는 프레임 형상체(99)가 설치되어 있다.
전계가 웨이퍼(W)에 도달하는 경우, 웨이퍼(W)의 내부에 형성되어 있는 전기 배선 등이 전기적으로 대미지를 받아 버리는 경우가 있다. 그로 인해, 도 10에 도시된 바와 같이, 수평면(95a)에는 안테나(83)에 있어서 발생하는 전계 및 자계(전자계) 중 전계 성분이 하방의 웨이퍼(W)를 향하는 것을 저지함과 함께, 자계를 웨이퍼(W)에 도달시키기 위해, 다수의 슬릿(97)이 형성되어 있다.
슬릿(97)은, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 안테나(83)의 권회 방향에 대해 직교하는 방향으로 연신되도록, 주위 방향에 걸쳐서 안테나(83)의 하방 위치에 형성되어 있다. 슬릿(97)은 안테나(83)에 공급되는 고주파에 대응하는 파장의 1/10000 이하 정도의 폭 치수가 되도록 형성되어 있다. 또한, 각각의 슬릿(97)의 길이 방향에 있어서의 일단부측 및 타단부측에는 이들 슬릿(97)의 개구 단부를 막도록, 접지된 도전체 등으로 형성되는 도전로(97a)가 주위 방향에 걸쳐서 배치되어 있다. 패러데이 실드(95)에 있어서 이들 슬릿(97)의 형성 영역으로부터 벗어난 영역, 즉 안테나(83)가 권회된 영역의 중앙측에는 당해 영역을 통해 플라즈마의 발광 상태를 확인하기 위한 개구부(98)가 형성되어 있다. 또한, 도 2에 있어서는, 간단화를 위해, 슬릿(97)을 생략하고 있고, 슬릿(97)의 형성 영역의 예를, 일점 쇄선으로 나타내고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 패러데이 실드(95)의 수평면(95a) 상에는 패러데이 실드(95)의 상방에 적재되는 플라즈마 발생부(81)와의 사이의 절연성을 확보하기 위해, 두께 치수가, 예를 들어 2㎜ 정도인 석영 등으로 형성되는 절연판(94)이 적층되어 있다. 즉, 플라즈마 발생부(81)는 하우징(90), 패러데이 실드(95) 및 절연판(94)을 통해 진공 용기(1)의 내부[회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)]를 덮도록 배치되어 있다.
이어서, 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)에 대해 설명한다. 도 7은 본 실시 형태의 성막 장치의 회전 테이블의 회전 방향 R을 따라 진공 용기(1)를 절단한 종단면도이다. 도 8은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 처리 영역 P3에 설치된 플라즈마 처리용 가스 노즐(33 내지 35)을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 베이스 노즐(33)은 회전 테이블(2)의 직경 방향에 있어서 웨이퍼(W)가 배치되는 오목부(24)의 전체를 덮을 수 있고, 웨이퍼(W)의 전체면에 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1을 공급한다. 베이스 노즐(33)은 웨이퍼(W)의 전체면에, 웨이퍼(W)의 표면에 평행한 소정의 방향의 흐름을 형성하도록 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1을 공급한다. 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1로서는, 예를 들어 Ar 가스, Ar 가스 및 산소(O2) 가스의 혼합 가스(이하, Ar/O2 가스라고 칭함)를 사용할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 성막 처리 중에는 회전 테이블(2)이 시계 방향(회전 방향 R)으로 회전하므로, 제2 처리 영역 P2에서 제2 처리 가스 노즐(32)로부터 토출된 제2 처리 가스 PG2가 이 회전 테이블(2)의 회전에 수반하여 회전 테이블(2)과 돌기부(92) 사이의 간극 d로부터 하우징(90)의 하방측에 침입하려고 한다. 따라서, 간극 d를 통해 하우징(90)의 하방측으로의 제2 처리 가스의 침입을 저지하기 위해, 베이스 노즐(33)은 플라즈마 처리 영역 P3을 구획하는 측면을 구성하는 돌기부(92)의 쪽을 향해 간극 d에 대해 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1을 토출하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 베이스 노즐(33)의 가스 토출 구멍(37)은 간극 d를 향하도록, 즉 회전 테이블(2)의 회전 방향 R의 상류측, 또한 하방을 향하도록 배치하고 있다. 연직축에 대한 베이스 노즐(33)의 가스 토출 구멍(37)이 향하는 각도 θ는, 도 7에 도시된 바와 같이 예를 들어 45° 정도여도 되고, 돌기부(92)의 내측면에 대향하도록, 90° 정도여도 된다. 즉, 가스 토출 구멍(37)이 향하는 각도 θ는 제2 처리 가스 PG2의 침입을 적절하게 방지할 수 있는 45° 내지 90° 정도의 범위 내에서 용도에 따라 설정할 수 있다.
외측 노즐(34)은 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 진공 용기(1)의 외주벽측의 영역(외주측 영역)에 중점적으로 제3 플라즈마 처리용 가스 PLG3을 공급한다. 외측 노즐(34)은 베이스 노즐(33)보다도 상방에, 베이스 노즐(33)과 대략 겹치도록 설치되고, 베이스 노즐(33)의 절반 정도의 길이를 갖는다. 외측 노즐(34)은, 예를 들어 플라즈마 처리 영역 P3의 천장면(46)을 향해 제3 플라즈마 처리용 가스 PLG3을 토출한다. 그로 인해, 외측 노즐(34)에는, 예를 들어 천장면(46)을 향하는 가스 토출 구멍(38)이 형성된다. 외측 노즐(34)은 베이스 노즐(33)로부터 공급되는 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1에 의한 플라즈마 처리에 불균일이 발생한 경우의 불균일을 저감하기 위해 설치된다. 제3 플라즈마 처리용 가스 PLG3으로서는, 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1과 동일한 가스를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 제3 플라즈마 처리용 가스 PLG3으로서는, 예를 들어 Ar 가스, Ar/O2 가스를 사용할 수 있다.
축측 노즐(35)은 베이스 노즐(33)로부터 공급되는 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1의 흐름 웨이퍼(W)의 표면에 평행한 방향에 있어서의 상류측에 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2를 공급한다. 축측 노즐(35)은 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 부채형의 플라즈마 처리 영역 P3의 회전 테이블(2)의 회전 방향 R의 하류측의 반경을 따르도록 연장하고, 중심부 영역 C 부근에 도달하면 중심부 영역 C를 따르도록 반시계 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향 R의 반대 방향]으로 직선적으로 연장한 굴곡된 형상을 갖고 있다.
축측 노즐(35)은 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 진공 용기(1)의 중심부 영역 C측의 영역(중심측 영역)에 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2를 중점적으로 공급한다. 따라서, 축측 노즐(35)의 선단의 중심부 영역 C를 따른 부분에만 가스 토출 구멍(39)(도 8 참조)이 형성되어 있고, 웨이퍼(W)의 회전 테이블(2)의 축측에 가까운 영역에 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2를 공급하는 구성으로 되어 있다. 축측 노즐(35)의 가스 토출 구멍(39)의 방향은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 외측 노즐(34)과 마찬가지로, 천장면(46)을 향하는 구성으로 할 수 있다. 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2로서는, 수소 함유 가스를 포함하는 가스가 사용되고, 예를 들어 Ar 가스에 미량의 수소(H2) 가스가 첨가된 혼합 가스(이하, Ar/H2 가스라고 칭함)를 사용할 수 있다. 축측 노즐(35)로부터 공급되는 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2의 효과의 상세는 후술한다.
〔성막 방법〕
본 실시 형태의 성막 장치의 동작(성막 방법)에 대해 설명한다. 본 실시 형태의 성막 방법은 흡착 공정과, 산화 공정과, 개질 공정을 포함하고, 이들 공정을 차례로 반복하여, 웨이퍼(W)의 표면에 소정의 막을 형성하는 방법이다.
흡착 공정은 웨이퍼(W)의 표면에 OH기에 흡착할 수 있는 제1 처리 가스 PG1을 공급하고, 웨이퍼(W)의 표면에 제1 처리 가스 PG1을 흡착시키는 공정이다. 산화 공정은 제1 처리 가스 PG1이 흡착한 웨이퍼(W)에 제2 처리 가스 PG2를 공급함으로써, 제1 처리 가스 PG1과 제2 처리 가스 PG2를 반응시켜 반응 생성물을 생성하는 공정이다.
개질 공정은 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리용 가스 PLG1 내지 PLG3을 플라즈마화하여 공급함으로써, 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정이다. 그리고, 본 실시 형태에 있어서의 개질 공정에 있어서, 웨이퍼(W)의 전체면에, 웨이퍼(W)의 표면에 평행한 방향의 흐름을 형성하도록 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1을 공급함과 함께, 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1의 흐름의 웨이퍼(W)의 표면에 평행한 방향에 있어서의 상류측에 수소 함유 가스를 포함하는 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2를 공급한다. 이에 의해, 수소 함유 가스에 의해 생성되는 OH기를 반응 생성물의 표면에 있어서의 OH기의 흡착량이 적은 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1의 흐름의 상류측에 중점적으로 흡착시킨다. 이로 인해, 개질 공정에 있어서 반응 생성물의 표면에 흡착하고 있는 OH기가 플라즈마에 의해 탈리되었다고 해도, 수소 함유 가스에 의해 생성되는 OH기가 다시 반응 생성물의 표면에 흡착한다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 OH기의 흡착량의 분포가 균일화되어, 반응 생성물의 표면에 대략 균일해지도록 제1 처리 가스 PG1의 분자가 흡착하고, 제2 처리 가스 PG2에 의해 산화됨으로써 형성되는 반응 생성물에 의한 막의 막 두께가 면내에 있어서 균일화된다.
이하, 본 실시 형태의 성막 방법 각 공정에 대해 구체적으로 설명한다. 이하에서는, 제1 처리 가스 PG1로서 유기 아미노실란 가스, 제2 처리 가스 PG2로서 오존(O3) 가스, 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1로서 Ar/O2 가스, 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2로서 Ar/H2 가스, 제3 플라즈마 처리용 가스 PLG3으로서 Ar 가스를 사용하여, 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘 산화막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 게이트 밸브 G를 개방하고, 외부로부터 반송 아암(10)에 의해 반송구(15)를 통해 웨이퍼(W)를 회전 테이블(2)의 오목부(24) 내에 전달한다. 이 전달은 오목부(24)가 반송구(15)에 대향하는 위치에 정지했을 때에 오목부(24)의 저면의 관통 구멍을 통해 진공 용기(1)의 저부측으로부터 도시하지 않은 승강 핀이 승강함으로써 행해진다. 이와 같은 웨이퍼(W)의 전달을, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시켜 행하고, 회전 테이블(2)의 6개의 오목부(24) 내에 각각 웨이퍼(W)를 적재한다.
계속해서, 게이트 밸브 G를 폐쇄하고, 진공 펌프(64)에 의해 도달 가능 진공도까지 진공 용기(1) 내를 배기한 후, 분리 가스 노즐(41 및 42)로부터 분리 가스 SG인 N2 가스를 소정의 유량으로 토출한다. 또한, 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72 및 73)으로부터도 분리 가스 SG인 N2 가스를 소정의 유량으로 토출한다. 이에 수반하여, 압력 조정부(65)에 의해 진공 용기(1) 내를 미리 설정한 처리 압력(예를 들어, 2Torr)으로 제어한다. 계속해서, 회전 테이블(2)을 시계 방향으로, 예를 들어 5rpm의 회전 속도로 회전시키면서 히터 유닛(7)에 의해 웨이퍼(W)를, 예를 들어 400℃로 가열한다.
계속해서, 제1 처리 가스 노즐(31)로부터 유기 아미노실란 가스를 공급하고, 제2 처리 가스 노즐(32)로부터 O3 가스를 공급한다. 또한, 베이스 노즐(33)로부터 Ar/O2 가스, 외측 노즐(34)로부터 Ar 가스, 축측 노즐(35)로부터 Ar/H2 가스를 공급하고, 플라즈마 발생부(81)의 안테나(83)에 대해 13.56㎒의 주파수를 갖는 고주파를, 예를 들어 4000W의 전력으로 공급한다. 이에 의해, 플라즈마 처리 영역 P3에 있어서 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마 중에는 산소 이온이나 산소 라디칼 등의 활성종이나, 고에너지 입자가 생성되어 있다.
회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는 제1 처리 영역 P1, 분리 영역 D, 제2 처리 영역 P2, 플라즈마 처리 영역 P3 및 분리 영역 D를 이 순서로 반복해서 통과한다. 이때, 제1 처리 영역 P1에 있어서, 웨이퍼(W)의 표면에 유기 아미노실란 가스의 분자가 흡착하고, 유기 아미노실란의 분자층이 형성된다(흡착 공정). 분리 영역 D를 통과한 후, 제2 처리 영역 P2에 있어서, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 유기 아미노실란 가스가 O3 가스 분자에 의해 산화되어, 실리콘 산화막의 분자층이 1층 또는 복수층 형성되고 반응 생성물이 형성된다(산화 공정). 유기 아미노실란 가스가 산화될 때에는, 부생성물로서 수산기(OH기)가 생성되고, 생성된 OH기는 실리콘 산화막의 표면에 흡착한다.
계속해서, 웨이퍼(W)가 플라즈마 처리 영역 P3을 통과하면, 실리콘 산화막이 플라즈마에 노출되고, 실리콘 산화막의 표면이 개질된다(개질 공정). 이때, 실리콘 산화막에 흡착한 OH기의 일부는 플라즈마 중의, 예를 들어 고에너지 입자의 충돌에 의해, 실리콘 산화막의 표면으로부터 탈리한다. 이때, 베이스 노즐(33)로부터 공급되는 Ar/O2 가스는 제2 배기구(62)를 향해 흐른다. 즉, 베이스 노즐(33)로부터 공급되는 Ar/O2 가스는 중심측 영역으로부터 외주측 영역을 향해 흐르게 된다.
본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 처리 영역 P3에 있어서의 플라즈마 처리용 가스의 흐름 FL에 대해, 도 11에 기초하여 설명한다. 도 11은 본 실시 형태의 성막 장치의 플라즈마 처리 영역에 있어서의 플라즈마 처리용 가스의 흐름 FL의 시뮬레이션 결과를 도시하는 평면도이다.
이 시뮬레이션에 있어서는, 진공 용기(1) 내의 압력이 2Torr(2.7×102㎩), 히터 유닛(7)에 의한 가열 온도가 400℃, 회전 테이블(2)의 회전 속도가 5rpm, 베이스 노즐(33)로부터 공급되는 Ar/O2 가스의 유량이 14.8slm/75sccm, 외측 노즐(34)로부터 공급되는 Ar 가스의 유량이 0.1slm, 축측 노즐(35)로부터 공급되는 Ar 가스의 유량이 0.1slm이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 베이스 노즐(33)로부터 공급된 Ar/O2 가스는 회전 테이블(2)의 외주측의 플라즈마 처리 영역 P3의 하류측에 형성된 제2 배기구(62)에 흡인되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 의해, 실리콘 산화막으로부터 탈리한 OH기가, 가스의 흐름을 따라 회전 테이블(2)의 외주측을 향해 확산되고, 그 일부는 탈리한 영역보다도 외주측에 있어서 다시 실리콘 산화막의 표면에 흡착한다. 이로 인해, 웨이퍼(W) 면내에 있어서, 외주측 영역에 있어서의 OH기의 밀도가 중심측 영역에 있어서의 OH기의 밀도보다도 높아지도록 OH기가 분포하게 된다. 즉, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 실리콘 산화막의 표면에 있어서의 OH기의 흡착량에 불균형이 발생한다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 개질 공정에 있어서, 축측 노즐(35)로부터 Ar/H2 가스를 공급함으로써, H2 가스에 의해 생성되는 OH기를 실리콘 산화막의 표면에 있어서의 OH기의 흡착량이 적은 중심측 영역에 중점적으로 흡착시킨다. 이에 의해, 산화 공정에 있어서 실리콘 산화막의 표면에 흡착한 OH기가 개질 공정에 있어서의 플라즈마에 의해 탈리했다고 해도, H2 가스에 의해 생성되는 OH기가 다시 실리콘 산화막의 중심측 영역에 있어서의 표면에 중점적으로 흡착한다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 OH기의 흡착량의 분포가 균일화된다. 또한, Ar/H2 가스 중의 H2 가스의 비율을 조정함으로써, 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 OH기의 흡착량의 분포를 제어할 수 있다.
계속해서, 회전 테이블(2)의 회전에 의해 웨이퍼(W)가 다시 제1 처리 영역 P1을 통과하면, 제1 처리 가스 노즐(31)로부터 공급되는 유기 아미노실란 가스의 분자가 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한다. 이때, 유기 아미노실란 가스의 분자는 OH기에 흡착하기 쉬우므로, OH기의 분포를 따른 분포로 실리콘 산화막의 표면에 흡착한다. 본 실시 형태에서는 개질 공정에 있어서, 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 OH기의 분포가 균일화되어 있으므로, 실리콘 산화막의 표면에 대략 균일해지도록 유기 아미노실란 가스의 분자가 흡착한다.
계속해서, 웨이퍼(W)가 제2 처리 영역 P2를 통과할 때, 실리콘 산화막의 표면에 흡착한 유기 아미노실란 가스가 O3 가스에 의해 산화되고, 실리콘 산화막의 분자층이 1층 또는 복수층 더 형성되어 반응 생성물이 형성된다. 이때, 실리콘 산화막의 막 두께 분포에는 실리콘 산화막의 표면에 흡착한 유기 아미노실란 가스의 밀도가 반영되므로, 실리콘 산화막은 면내에 있어서 대략 균일해진다. 이때, 유기 아미노실란 가스의 산화에 의해 생성된 OH기가 실리콘 산화막의 표면에 흡착한다.
계속해서, 웨이퍼(W)가 다시 플라즈마 처리 영역 P3을 통과하면, 전술한 바와 같이 웨이퍼(W)의 면내에 있어서 대략 균일하게 OH기가 분포하게 된다.
이후, 전술한 흡착 공정, 산화 공정 및 개질 공정을 이 순서로 반복함으로써, 웨이퍼(W)의 표면에 소정의 막 두께를 갖는 실리콘 산화막이 형성된다.
도 11을 참조하여 본 실시 형태에 있어서의 성막 방법의 메커니즘을 더 설명한다. 본 실시 형태에 있어서, 베이스 노즐(33)은 회전 테이블(2)의 직경 방향에 있어서 웨이퍼(W)가 배치되는 오목부(24)의 전체를 덮도록 설치되고, 가스 토출 구멍(37)도 웨이퍼(W)가 배치되는 오목부(24)의 전체에 걸쳐서 형성되어 있다. 그로 인해, 베이스 노즐(33)로부터 공급된 Ar/O2 가스(제1 플라즈마 처리용 가스 PL1)는 웨이퍼(W)의 전체면에 웨이퍼(W)의 표면에 평행한 방향의 흐름을 형성한다. 여기서, 플라즈마 처리 영역 P3의 회전 테이블(2)의 외주측의 분리 영역 D와의 경계 부분(플라즈마 처리 영역 P3의 회전 방향 R 하류측, 도면 중 좌측 하방)에 제2 배기구(62)가 형성되어 있다. 그로 인해, Ar/O2 가스는 베이스 노즐(33)로부터 제2 배기구(62)를 향하는 방향, 특히 중심측 영역으로부터 외주측 영역을 향하는 방향으로 흐른다. 이때, Ar/O2 가스의 흐름의 상류측, 특히 중심측 영역에서는 OH기의 밀도가 낮아진다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서, 베이스 노즐(33)로부터 공급된 Ar/O2 가스의 흐름의 상류측, 특히 중심측 영역에, OH기를 생성 가능한 수소 함유 가스를 포함하는 Ar/H2 가스를 축측 노즐(35)로부터 공급한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 OH기의 흡착량의 분포를 균일화할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이 본 실시 형태의 성막 방법에서는 개질 공정에 있어서, 축측 노즐(35)로부터 Ar/H2 가스를 공급함으로써, H2 가스에 의해 생성되는 OH기를 실리콘 산화막의 표면에 있어서의 OH기의 흡착량이 적은 중심측 영역에 중점적으로 흡착시킨다. 이에 의해, 산화 공정에 있어서 실리콘 산화막의 표면에 흡착한 OH기가 개질 공정에 있어서의 플라즈마에 의해 탈리되었다고 해도, H2 가스에 의해 생성되는 OH기가 다시 실리콘 산화막의 중심측 영역에 있어서의 표면에 중점적으로 흡착한다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 OH기의 흡착량의 분포가 균일화되고, 실리콘 산화막의 표면에 대략 균일해지도록 유기 아미노실란 가스의 분자가 흡착하고, O3 가스에 의해 산화되므로, 실리콘 산화막의 막 두께의 면내 균일성이 향상된다.
〔실시예〕
이하, 실시예에 있어서 전술한 성막 장치를 사용한 본 발명의 성막 방법을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정하여 해석되는 것은 아니다.
본 실시예에 있어서는 축측 노즐(35)로부터 공급되는 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2로서 Ar/H2 가스를 사용하고, Ar/H2 가스에 있어서의 H2 가스의 유량이 웨이퍼(W)의 표면에 형성되는 실리콘 산화막의 막 두께 분포에 미치는 영향에 대해 평가했다. 또한, 웨이퍼(W)로서는, 열산화막이 표면에 형성된 실리콘 웨이퍼를 사용했다. 구체적으로는, 축측 노즐(35)로부터 공급되는 Ar/H2 가스에 있어서의 Ar 가스의 유량을 1slm으로 하고, H2 가스의 유량을 0sccm, 0.2sccm, 0.5sccm, 1.0sccm으로 제어했다. 제2 플라즈마 처리용 가스 PLG2 이외의 주된 성막 조건은 이하와 같다.
ㆍ 제1 처리 가스 PG1: 유기 아미노실란 가스
ㆍ 제2 처리 가스 PG2: O3 가스
ㆍ 제1 플라즈마 처리용 가스 PLG1: Ar/O2＝13slm/75sccm
ㆍ 제3 플라즈마 처리용 가스 PLG3: Ar＝1slm
ㆍ 회전 테이블의 회전 속도: 5rpm
ㆍ 고주파 전력: 4000W
ㆍ 가열 온도: 400℃
ㆍ 압력: 2Torr(2.7×102㎩)
도 12는 본 실시 형태의 성막 방법의 효과를 설명하는 도면이고, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 실리콘 산화막의 웨이퍼(W) 면내에 있어서의 막 두께의 분포 및 면내 균일성의 H2 가스 유량 의존성을 도시하고 있다. 도 12의 (a), (b), (c) 및 (d)는 각각 H2 가스의 유량을 0sccm, 0.2sccm, 0.5sccm 및 1.0sccm으로 제어했을 때의 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 실리콘 산화막의 막 두께의 분포 및 면내 균일성을 도시하고 있다.
또한, 도 12에 있어서의 막 두께의 분포를 도시하는 도면에 있어서는, 상측이 진공 용기(1)의 중심부 영역 C측의 영역(중심측 영역)을 나타내고, 하측이 진공 용기(1)의 외주벽측의 영역(외주측 영역)을 나타낸다. 또한, 도 12에 있어서의 막 두께의 면내 균일성(Uniformity)[％]은 각 웨이퍼(W) 면내의 최대 막 두께[㎚] 및 최소 막 두께[㎚]를 측정하고, 이하의 식 1을 적용하여 산출한 면내 균일성을, 6매의 웨이퍼(W)에 대해 평균한 값이다.
<식 1>
±((최대 막 두께－최소 막 두께)/(최대 막 두께＋최소 막 두께)]×100
도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, H2 가스가 첨가되어 있지 않은(H2 가스의 유량이 0sccm) 경우, 중심측 영역으로부터 외주측 영역을 향해 실리콘 산화막의 막 두께가 증가하는 분포를 나타내고, 막 두께의 면내 균일성은 ±34.71％였다. 이는, 개질 공정에 있어서, 웨이퍼(W)의 외주측 영역에 있어서의 OH기의 밀도가 중심측 영역에 있어서의 OH기의 밀도보다도 높아지도록 OH기가 분포하기 때문이라고 생각된다.
이에 대해, 도 12의 (b) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, H2 가스를 첨가함으로써, 중심측 영역의 실리콘 산화막의 막 두께가 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 12의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, H2 가스의 유량의 증가에 수반하여, 중심측 영역으로부터 외주측 영역을 향해 실리콘 산화막의 막 두께가 감소하는 분포로 변화되었다. 본 실시예에서는 H2 가스의 유량을 0.2sccm, 0.5sccm 및 1.0sccm으로 한 경우에 있어서의 실리콘 산화막의 막 두께의 면내 균일성은 각각 ±9.79％, ±11.60％ 및 ±7.44％였다. 즉, H2 가스가 첨가되어 있지 않은 경우와 비교하여, 실리콘 산화막의 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있었다. 이는 축측 노즐(35)로부터 H2 가스가 첨가된 가스를 공급함으로써, 실리콘 산화막의 표면에 있어서의 OH기의 흡착량이 적은 부분인 중심측 영역에 중점적으로 OH기를 흡착시켜, 웨이퍼(W)의 면내에 있어서의 OH기의 흡착량의 분포를 대략 균일해지도록 조정할 수 있었던 것에 의한다고 생각된다.
이상, 성막 방법을 상기의 실시 형태 및 실시예에 의해 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시 형태 및 실시예로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 개량이 가능하다.
예를 들어, 본 실시 형태에 있어서, 플라즈마 발생부(81)는 안테나(83)를 갖는 유도 결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)원이지만, 이에 한정되지 않는다. 플라즈마 발생부(81)로서는, 예를 들어 서로 평행하게 연장되는 2개의 로드 전극 사이에 고주파를 인가함으로써 플라즈마를 발생시키는 용량성 결합 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma)원이어도 된다. CCP원이라도, 플라즈마를 생성할 수 있으므로, 전술한 실시 형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 오목부를 포함하는 패턴이 형성되어 있지 않은 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘 산화막을 형성하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 트렌치 소자 구조에 있어서의 트렌치, 라인ㆍ스페이스ㆍ패턴에 있어서의 스페이스, 비아 홀, 트렌치 비아 등의 오목부를 포함하는 패턴이 형성된 웨이퍼(W)의 오목부의 내면에 실리콘 산화막을 매립하도록 형성해도 된다. 오목부의 내면에 실리콘 산화막을 매립하도록 형성하는 경우라도, 축측 노즐(35)로부터 H2 가스가 첨가된 가스를 공급함으로써, 실리콘 산화막의 표면에 있어서의 OH기의 흡착량이 적은 부분인 중심측 영역에 중점적으로 OH기를 흡착시킬 수 있으므로, 전술한 실시 형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 제1 처리 가스 노즐(31)로부터 공급되는 제1 처리 가스는 OH기에 흡착할 수 있는 한에 있어서 전술한 유기 아미노실란 가스로 한정되지 않고, 유기 규소 화합물 가스 등의 다른 실리콘 함유 가스여도 된다. 또한, 제2 처리 가스 노즐(32)로부터 공급되는 제2 처리 가스는 O3 가스로 한정되지 않고, 예를 들어 O2 가스, O2 가스 및 O3 가스의 혼합 가스 등의 다른 산화 가스여도 된다.
또한, OH기에 흡착할 수 있는 한, 제1 처리 가스 노즐(31)로부터, 예를 들어 유기 금속 가스를 공급해도 된다. 유기 금속 가스로서, 예를 들어 지르코늄(Zr)을 함유하는 유기 금속 가스를 제1 처리 가스 노즐(31)로부터 공급하고, 제2 처리 가스 노즐(32)로부터 O3 가스 등을 공급함으로써, 산화지르코늄(ZrO)막을 형성할 수 있다. 또한, Zr을 함유하는 유기 금속 가스로서는, 예를 들어 테트라키스ㆍ에틸메틸ㆍ아미노지르코늄(TEMAZ)을 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 유기 금속 가스로서, 알루미늄(Al)을 함유하는 유기 금속 가스를 사용할 수도 있다. 제1 처리 가스 노즐(31)로부터 Al을 함유하는 유기 금속 가스를 공급하고, 제2 처리 가스 노즐(32)로부터 O3 가스 등을 공급함으로써, 산화 알루미늄(AlO)막을 형성할 수 있다. Al을 함유하는 유기 금속 가스로서는, 예를 들어 트리메틸알루미늄(TMA), 디메틸에틸아민아란을 적합하게 사용할 수 있다. 또한, Zr을 함유하는 유기 금속 가스와 Al을 함유하는 유기 금속 가스를 제1 처리 가스 노즐(31)로부터 상보적으로 공급함으로써, ZrAlO막을 형성하는 것도 가능하다.
또한, 축측 노즐(35)로부터 플라즈마 처리 영역 P3으로 공급되는 수소 함유 가스로서는, 제1 처리 가스의 표면에 흡착하여 OH기를 생성할 수 있는 가스이면 되고, H2 가스로 한정되지 않는다. 수소 함유 가스로서는, 예를 들어 암모니아(NH3) 가스를 사용해도 된다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 축측 노즐(35)로부터 플라즈마 처리 영역 P3으로 수소 함유 가스(제2 플라즈마 처리용 가스 PL2)를 공급하는 구성을 나타냈지만, 수소 함유 가스를 공급하는 구성은 상기의 축측 노즐(35)로 한정되지 않는다. 배기구의 배치 개소 등에 따라, 제1 플라즈마 처리용 가스 PL1의 흐름의 웨이퍼(W)의 표면에 평행한 방향에 있어서의 상류측, 특히 OH기의 밀도가 낮아지는 개소에 수소 함유 가스를 공급 가능한 다양한 구성으로 할 수 있다.
개시의 성막 방법에 의하면, 기판에 형성되는 막의 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 수산기에 흡착할 수 있는 제1 처리 가스와, 상기 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스의 반응 생성물에 의한 막을 형성하는 성막 방법이며,
    기판의 표면에 상기 제1 처리 가스를 공급하여, 상기 기판의 표면에 상기 제1 처리 가스를 흡착시키는 공정과,
    상기 제1 처리 가스가 흡착한 상기 기판에 상기 제2 처리 가스를 공급함으로써, 상기 제1 처리 가스와 상기 제2 처리 가스를 반응시켜 상기 반응 생성물을 생성하는 공정과,
    상기 기판에 플라즈마 처리용 가스를 플라즈마화하여 공급함으로써, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정을 포함하고,
    상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정은 상기 기판의 전체면에 상기 기판의 표면에 평행한 방향의 흐름을 형성하도록 제1 플라즈마 처리용 가스를 공급함과 함께, 상기 제1 플라즈마 처리용 가스의 흐름의 상기 기판의 표면에 평행한 방향에 있어서의 상류측에 수소 함유 가스를 포함하는 제2 플라즈마 처리용 가스를 공급하는 공정인, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 처리 용기 내에 설치된 회전 테이블 상에 적재되고,
    상기 회전 테이블을 회전시킴으로써, 상기 기판의 표면에 상기 제1 처리 가스를 흡착시키는 공정과, 상기 제1 처리 가스와 상기 제2 처리 가스를 반응시켜 상기 반응 생성물을 생성하는 공정과, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정이 이 순서로 행해지는, 성막 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 처리용 가스가 상기 회전 테이블의 직경 방향을 따라 설치된 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐로부터 공급되고,
    상기 제2 플라즈마 처리용 가스가 상기 제1 플라즈마 처리용 가스 노즐보다도 상기 회전 테이블의 중심측에 설치된 제2 플라즈마 처리용 가스 노즐로부터 공급되는, 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정은 상기 반응 생성물의 표면에 수산기를 흡착시키는 공정을 포함하는, 성막 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 처리 가스는 유기 아미노실란 가스이고,
    상기 제2 처리 가스는 오존 가스인, 성막 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 플라즈마 처리용 가스는 수소 가스와 아르곤 가스를 포함하고,
    상기 수소 가스의 유량은 상기 아르곤 가스의 유량의 1/1000 이하인, 성막 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 처리용 가스는 아르곤 가스 또는 아르곤 가스 및 산소(O2) 가스의 혼합 가스인, 성막 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기판에는 오목부를 포함하는 패턴이 형성되어 있고, 상기 오목부의 내면에 상기 반응 생성물의 막이 형성되는, 성막 방법.
  9. 제3항에 있어서, 상기 반응 생성물의 표면을 개질하는 공정에 있어서,
    상기 회전 테이블의 외주측에 상기 회전 테이블의 직경 방향을 따라 설치된 제3 플라즈마 처리용 가스 노즐로부터 제3 플라즈마 처리용 가스가 공급되는, 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 처리 가스는 유기 아미노실란 가스이고,
    상기 제2 처리 가스는 오존 가스인, 성막 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 플라즈마 처리용 가스는 수소 가스와 아르곤 가스를 포함하고,
    상기 수소 가스의 유량은 상기 아르곤 가스의 유량의 1/1000 이하인, 성막 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 처리용 가스는 아르곤 가스 또는 아르곤 가스 및 산소(O2) 가스의 혼합 가스인, 성막 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 플라즈마 처리용 가스는 아르곤 가스 또는 아르곤 가스 및 산소(O2) 가스의 혼합 가스인, 성막 방법.
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