KR20180111504A - 기판 처리 방법, 기판 처리 장치 및 기록 매체 - Google Patents

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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

본 발명은 디바이스 특성의 균일성을 높이는 기술을 제공한다.
패터닝된 하드마스크를 포함하는 기판을 처리실에 반입하고, 상기 처리실에 금속 함유 가스를 공급하여 제1 압력으로 하고, 그 후 상기 처리실에 불활성 가스를 공급하여 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 한다.

Description

기판 처리 방법, 기판 처리 장치 및 기록 매체{METHOD OF PROCESSING SUBSTRATE, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND NON-TRANSITORY COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM}
본 발명은 기판 처리 방법, 기판 처리 장치 및 기록 매체에 관한 것이다.
기판을 처리하는 기판 처리 장치로서 예컨대 처리실 내에서 기판을 처리하는 기판 장치가 있고, 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법이 있다(예컨대 특허문헌 1).
또한 기판 처리 장치는 다양한 종류의 기판들을 처리 가능하도록 구성된다. 다양한 종류의 기판들 중 하나로서, 나노임프린트용 리소그래피 템플릿으로서 이용되는 유리 기판이 있다. 이 템플릿을 피전사(被轉寫) 기판 상의 수지에 전사시켜 패턴을 형성하는 방법이 있다(예컨대 특허문헌 2).
1. 일본 특개 2016-63033호 공보 2. 일본 특개 2013-235885호 공보
최근의 반도체 디바이스의 고집적화에 따라 디바이스에 형성되는 패턴의 미세화가 요구되고 있다. 미세화에 관해서는 디바이스로서 형성되는 필라 또는 그것들을 형성할 때 사용되는 하드마스크 등의 구조를 가늘게 하는 것과 같은 연구가 이루어진다. 미세 패턴의 형성 과정에서는 에칭 처리 등이 수행되지만, 그 과정에서 패턴이 깨지지 않도록 패턴의 내구성 향상도 요구된다. 일부의 패턴이 깨진 경우, 기판의 면내에서 디바이스 특성의 균일성을 유지할 수 없기 때문이다.
본 발명의 목적은 디바이스 특성의 균일성을 높이는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 기술은, (a) 패터닝된 하드마스크를 포함하는 기판을 처리실에 반입하는 공정; (b) 상기 처리실에 금속 함유 가스를 공급하여 제1 압력으로 하는 공정; 및 (c) 상기 (b) 공정 후, 상기 처리실에 불활성 가스를 공급하여 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 하는 공정을 포함하는 기판 처리 방법을 포함한다.
본 발명에 개시된 기술에 따르면 디바이스 특성의 균일성을 높이는 것이 가능해진다.
도 1의 (a)는 기판(100)을 상방(上方)에서 본 도면, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 α-α'선을 따른 단면도, 도 1의 (c)는 패턴 형성 영역의 일부를 확대한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치의 종단면(縱斷面)의 개략 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 공급계를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 시스템의 컨트롤러의 개략 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 공정의 플로우 차트.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 공정의 농도 프로파일 조정 공정의 플로우 차트.
도 7은 일 실시예에 따른 기판 처리 공정에서 기판의 상태를 도시한 도면.
도 8은 일 실시예에 따른 기판 처리 공정에서 기판의 상태를 도시한 도면.
우선 본 실시 형태에서 처리하는 기판에 대해서 도 1을 이용하여 설명한다. 도 1에 도시된 기판은 나노임프린트 처리에서 이용하는 리소그래피용 템플릿 기판이다. 도 1에서는 리소그래피용 템플릿 기판(100)의 패턴 형성 영역(102)을 패터닝한 상태를 도시하고, 후술하는 바와 같이 설명의 편의상 하드마스크 막(107)이 잔류한 상태를 도시한다.
도 1의 (a)는 기판(100)을 상방에서 본 도면이며, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 α-α'선을 따른 단면도다. 기판(100)은 나노임프린트용 리소그래피 템플릿(이하, L 템플릿)으로서 이용된다. 도 1의 (c)는 패턴 형성 영역(102), 하드마스크 막(107)의 일부를 확대한 도면이다.
L 템플릿을 형성할 때는 마스터 템플릿이라고 불리는 미리 형성된 틀을 이용한다. L 템플릿은 피전사 기판에 전사하기 위한 틀로서 이용된다. 피전사 기판에 L 템플릿을 압부(押付)하는 것에 의해 피전사 플레이트에 패턴을 형성한다.
기판(100)은 기반이 되는 유리 기판(101)과 그 상부에 형성되는 패턴 형성 영역(102)을 주로 포함한다. 피전사 기판에 접촉시킬 때, 피전사 영역(103) 이외의 부분과 접촉하지 않도록 패턴 형성 영역(102)은 철 형상[凸狀]으로 구성된다.
부호(108)는 하드마스크 막(107)을 패터닝한 도면으로, 하드마스크 패턴이라고 부른다. 부호(106)는 패터닝된 하드마스크 막(107)을 사용해서 패턴 형성 영역(102)을 에칭하여 형성한 필라다. 필라(106)는 예컨대 실리콘(Si) 등으로 구성된다.
부호(103)는 유리 기판(101)의 상면 중 패턴 형성 영역(102)이 형성되지 않은 면을 도시한다. 부호(103)는 피전사 기판에 접촉하지 않는 영역이기 때문에 본 실시 형태에서는 비접촉 영역(103)이라고 부른다. 부호(104)는 기판 이면(裏面) 중 패턴 형성 영역(102)의 이면을 가리킨다. 부호(105)는 비접촉 영역(103)의 이면을 가리킨다. 본 실시 형태에서는 부호(104)를 기판 중앙 이면이라고 부르고, 부호(105)를 기판 외주 이면이라고 부른다.
본 실시 형태에서는 하드마스크 패턴(108)의 처리 방법에 대해서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
여기서는 템플릿 기판인 기판(100)을 처리하는 기판 처리 장치의 일례에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(200)에 대해서 설명한다. 기판 처리 장치(200)는 매엽식(枚葉式) 기판 처리 장치로서 구성된다. 기판 처리 장치(200)에서는 기판 처리 공정의 일 공정이 수행된다.
도 2에 도시하는 바와 같이 기판 처리 장치(200)는 처리 용기(202)를 구비한다. 처리 용기(202)는 예컨대 횡단면(橫斷面)이 원형이며 편평한 밀폐 용기로서 구성된다. 또한 처리 용기(202)는 예컨대 알루미늄(Al)이나 스테인레스 스틸(SUS) 등의 금속 재료 또는 석영에 의해 구성된다. 처리 용기(202) 내에는 기판으로서의 실리콘 기판 등의 기판(100)을 처리하는 처리실(201), 이재실(203)이 형성된다. 처리 용기(202)는 상부 용기(202a)와 하부 용기(202b)로 구성된다. 상부 용기(202a)와 하부 용기(202b) 사이에는 칸막이부(204)가 설치된다. 상부 처리 용기(202a)와 칸막이부(204)에 의해 구성되는 방을 처리실(201)이라고 부르고, 그 안의 공간을 처리 공간이라고 부른다. 또한 칸막이부(204)와 하부 용기(202b)로 구성되는 방을 이재실(203)이라고 부르고, 그 안의 공간을 이재 공간이라고 부른다.
하부 용기(202b)의 측면에는 게이트 밸브(1490)에 인접한 기판 반입출구(1480)가 설치되고, 기판(100)은 기판 반입출구(1480)를 개재하여 도시되지 않는 외부 반송실과의 사이를 이동한다. 하부 용기(202b)의 저부(底部)에는 리프트 핀(207)이 복수 설치된다.
처리실(201) 내에는 기판(100)을 지지하는 기판 지지부(210)가 설치된다. 기판 지지부(210)는 기판(100)을 재치하는 재치면(211)과, 재치면(211)을 표면에 가지는 기판 재치대(212)를 포함한다. 바람직하게는 가열부로서의 히터(213)를 설치한다. 히터(213)를 설치하는 것에 의해 기판을 가열시켜 기판 상에 형성되는 막의 품질을 향상시킬 수 있다. 기판 재치대(212)에는 리프트 핀(207)이 관통하는 관통공(214)이 리프트 핀(207)과 대응하는 위치에 각각 설치되어도 좋다.
히터(213)에는 배선(301)을 개재하여 히터 제어부(303)가 접속된다. 기판 재치대(212)에는 기판(100)의 온도를 측정하는 온도 측정기(300)가 내포된다. 온도 측정기(300)는 배선(301)을 개재하여 온도 정보 수신부(302)에 접속된다. 온도 측정기(300)로 측정한 온도는 온도 정보 수신부(302)에 송신된다. 온도 정보 수신부(302)는 수신한 온도 정보를 후술하는 컨트롤러(260)에 송신한다. 예컨대 컨트롤러(260)는 수신한 온도 정보나 상위 장치로부터 수신하는 막 두께 정보 등에 기초하여 히터 온도 제어부(303)에 제어 정보를 송신하고, 히터 온도 제어부(303)는 히터(213)를 제어한다. 또한 온도 측정기(300), 배선(301), 온도 정보 수신부(302)를 통틀어서 온도 검출부라고 지칭될 수 있다.
기판 재치대(212)는 샤프트(217)에 의해 지지된다. 샤프트(217)는 처리 용기(202)의 저부를 관통하고, 또한 처리 용기(202)의 외부에서 승강 기구(218)에 접속된다. 승강 기구(218)를 작동시켜서 샤프트(217) 및 기판 재치대(212)를 승강시키는 것에 의해 기판 재치면(211) 상에 재치되는 기판(100)을 승강시키는 것이 가능하도록 구성된다. 또한 샤프트(217) 하단부의 주위는 벨로즈(219)에 의해 피복되고, 처리실(201) 내는 기밀하게 보지(保持)된다.
기판 재치대(212)는 기판(100) 반송 시에는 기판 재치면(211)이 기판 반입출구(1480)의 위치(기판 반송 위치)가 되도록 하강하고, 기판(100) 처리 시에는 도 1에 도시되는 바와 같이 기판(100)이 처리실(201) 내의 처리 위치(기판 처리 위치)까지 상승한다.
구체적으로는 기판 재치대(212)를 기판 반송 위치까지 하강시켰을 때는 리프트 핀(207)의 상단부가 기판 재치면(211)의 상면으로부터 돌출하여 리프트 핀(207)이 기판(100)을 하방으로부터 지지하도록 이루어진다. 또한 기판 재치대(212)를 기판 처리 위치까지 상승시켰을 때에는 리프트 핀(207)은 기판 재치면(211)의 상면으로부터 매몰하여 기판 재치면(211)이 기판(100)을 하방으로부터 지지하도록 이루어진다.
(배기계)
처리실(201)[상부 용기(202a)]의 내벽 상면에는 처리실(201)의 분위기를 배기하는 제1 배기부로서의 배기구(221)가 설치된다. 배기구(221)에는 제1 배기관으로서의 배기관(224)이 접속되고, 배기관(224)에는 처리실(201) 내를 소정의 압력으로 제어하는 APC(Automatic Pressure Controller) 등의 압력 조정기(227), 진공 펌프(223)가 순서대로 직렬로 접속된다. 주로 배기구(221), 배기관(224), 압력 조정기(227)에 의해 제1 배기부(배기 라인)가 구성된다. 또한 진공 펌프(223)를 제1 배기부에 포함시키도록 구성해도 좋다.
이재실(203)의 측면 하부에는 이재실(203)의 분위기를 배기하는 제2 배기부로서의 이재실 배기구(304)가 설치된다. 이재실 배기구(304)에는 제2 배기관으로서의 배기관(306))이 접속되고, 배기관(306)에는 밸브(308), 이재실(203) 내를 소정의 압력으로 제어하는 APC 등의 압력 조정기(310), 진공 펌프(312)가 순서대로 직렬로 접속된다. 주로 이재실 배기구(304), 밸브(308), 배기관(306), 압력 조정기(310)에 의해 제2 배기부(배기 라인)가 구성된다. 또한 진공 펌프(312)를 제2 배기부에 포함시키도록 구성해도 좋다.
(가스 도입구)
처리실(201)의 천장벽(231)에는 처리실(201) 내에 각종 가스를 공급하는 가스 도입구(241)가 설치된다. 가스 공급부인 가스 도입구(241)에 접속되는 처리 가스 공급부의 구성에 대해서는 후술한다.
(처리 가스 공급부)
가스 도입구(241)에는 도 3에 도시하는 바와 같이 공통 가스 공급관(242)을 개재하여 가스 공급관(150)이 접속된다. 가스 도입구(241)를 개재하여 기판 처리 장치(200) 내에 가스가 공급되도록 이루어진다. 가스 공급관(150)으로부터는 후술하는 제1 가스, 제2 가스, 불활성 가스가 공급된다.
도 3에 제1 가스 공급부, 제2 가스 공급부, 불활성 가스 공급부 등의 가스 공급계의 개략 구성도를 도시한다.
도 3에 도시하는 바와 같이 가스 공급관(150)에는 제1 가스(금속 함유 가스) 공급관(113a), 불활성 가스 공급관(133a), 제2 가스(산소 함유 가스) 공급관(123a)이 접속된다.
(제1 가스 공급부)
제1 가스 공급부는 제1 가스 공급관(113a), 매스 플로우 컨트롤러(115)(MFC), 밸브(116), 기화기(180), 플래시 탱크(117), 밸브(118)를 포함한다. 또한 플래시 탱크(117)에는 압력 센서(119)가 접속되어 플래시 탱크(117) 내의 압력을 감시한다. 또한 제1 가스 공급관(113a)의 상류에 접속되는 제1 가스 공급원(113)을 제1 가스 공급부에 포함시켜서 구성해도 좋다. 또한 압력 센서(119)를 제1 가스 공급부에 포함시켜도 좋다.
제1 가스는 원료 가스, 즉 처리 가스 중 하나다. 여기서 제1 가스는 금속 함유 가스이며, 예컨대 알루미늄 함유 가스다. 알루미늄 함유 가스로서는 예컨대 트리메틸알루미늄(Trimethyl Aluminum: TMA) 가스를 이용할 수 있다. 또한 제1 가스의 원료는 상온 상압에서 고체, 액체 및 기체 중 어느 하나이어도 좋다. 여기서는 원료를 기체로서 설명한다.
(제2 가스 공급부)
제2 가스 공급부(산소 함유 가스 공급부)에는 제2 가스 공급관(123a), MFC(125), 밸브(126)가 설치된다. 또한 제2 가스 공급관(123a)의 상류에 접속되는 제2 가스 공급원(123)을 제2 가스 공급부에 포함시켜서 구성해도 좋다. 또한 리모트 플라즈마 유닛(RPU)을 설치하여 제2 가스를 활성화시키도록 구성해도 좋다. 제2 가스는 개질 가스, 즉 처리 가스 중 하나다. 여기서 제2 가스는 예컨대 산소 함유 가스다. 산소 함유 가스로서는 예컨대 산소(O2) 가스를 이용할 수 있다.
(불활성 가스 공급부)
불활성 가스 공급부에는 불활성 가스 공급관(133a), MFC(135), 밸브(136)가 설치된다. 또한 불활성 가스 공급관(133a)의 상류에 접속되는 불활성 가스 공급원(133)을 불활성 가스 공급부에 포함시켜서 구성해도 좋다. 여기서 불활성 가스는 예컨대 질소(N2) 가스다. 또한 불활성 가스로서 N2 가스 외에 예컨대 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등의 희가스를 이용할 수 있다.
(제어부)
도 2에 도시하는 바와 같이 기판 처리 장치(200)는 기판 처리 장치(200)의 각(各) 부(部)의 동작을 제어하는 컨트롤러(260)를 포함한다.
컨트롤러(260)의 개략을 도 4에 도시한다. 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(260)는 CPU(260a)(Central Processing Unit), RAM(260b)(Random Access Memory), 기억 장치(260c), I/O 포트(260d)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(260b), 기억 장치(260c), I/O 포트(260d)는 내부 버스(260e)를 개재하여 CPU(260a)와 데이터 교환 가능하도록 구성된다. 컨트롤러(260)에는 예컨대 터치패널 등으로서 구성된 입출력 장치(261)나, 외부 기억 장치(262)가 접속 가능하도록 구성된다.
기억 장치(260c)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(260c) 내에는 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 후술하는 기판 처리의 순서나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피, 기판(100)에 대한 처리에 이용하는 프로세스 레시피를 설정할 때까지의 과정에서 발생하는 연산 데이터나 처리 데이터 등이 판독 가능하도록 격납된다. 또한 프로세스 레시피는 후술하는 기판 처리 공정에서의 각 순서를 컨트롤러(260)에 실행시켜 소정의 결과를 얻을 수 있도록 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여 단순히 프로그램이라고도 부른다. 또한 본 명세서에서 프로그램이라는 단어를 이용한 경우는 프로세스 레시피 단체(單體)만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양방(兩方)을 포함하는 경우가 있다. 또한 RAM(260b)는 CPU(260a)에 의해 판독된 프로그램, 연산 데이터, 처리 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역(work area)으로서 구성된다.
I/O 포트(260d)는 기화기(180), 게이트 밸브(1490), 승강 기구(218), 히터(213), 압력 조정기(227, 310), 진공 펌프(223, 312), 밸브(116, 126, 136, 146, 156, 308), MFC(115, 125, 135) 등에 접속된다.
연산부로서의 CPU(260a)는 기억 장치(260c)로부터의 제어 프로그램을 판독하여 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(261)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(260c)로부터 프로세스 레시피를 판독하도록 구성된다. 또한 수신부(285)로부터 입력된 설정값과, 기억 장치(260c)에 기억된 프로세스 레시피나 제어 데이터를 비교 및 연산하여 연산 데이터를 산출 가능하도록 구성된다. 또한 연산 데이터로부터 대응하는 처리 데이터(프로세스 레시피)의 결정 처리 등을 실행 가능하도록 구성된다. 그리고 CPU(260a)는 판독된 프로세스 레시피의 내용을 따르도록, 게이트 밸브(1490)의 개폐 동작, 승강 기구(218)의 승강 동작, 히터(213)로의 전력 공급 동작, 압력 조정기(227, 310)의 압력 조정 동작, 진공 펌프(223, 312)의 온오프 제어, 온도 측정부(300)의 동작, 밸브(116, 118, 126, 136, 308)의 가스의 온 오프 제어, MFC(115, 125, 135)의 동작 등을 제어하도록 구성된다.
또한 컨트롤러(260)는 전용의 컴퓨터로서 구성되는 경우에 한정되지 않고, 범용의 컴퓨터로서 구성되어도 좋다. 예컨대 전술한 프로그램을 격납한 외부 기억 장치(262)[예컨대 자기(磁氣) 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광(光) 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리]를 준비하고, 이러한 외부 기억 장치(262)를 이용하여 범용의 컴퓨터에 프로그램을 인스톨하는 것 등에 의해 본 실시 형태에 따른 컨트롤러(260)를 구성할 수 있다. 또한 컴퓨터에 프로그램을 공급하는 수단은 외부 기억 장치(262)를 개재하여 공급하는 경우에 한정되지 않는다. 예컨대 네트워크(263)(인터넷이나 전용 회선) 등의 통신 수단을 이용하여 외부 기억 장치(262)를 개재하지 않고 프로그램을 공급해도 좋다. 또한 기억 장치(260c)나 외부 기억 장치(262)는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성된다. 이하, 이들을 총칭하여 단순히 기록 매체라고도 부른다. 또한 본 명세서에서 기록 매체라는 단어를 이용한 경우는 기억 장치(260c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(262) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그것들의 양방을 포함하는 경우가 있다.
(2) 기판 처리 공정
다음으로 전술한 기판 처리 장치를 이용하여 기판 처리 장치의 처리 공정의 일 공정에 대해서 설명한다. 여기서는 기판 상의 하드마스크 패턴(108)을 경화시키는 것에 의해 내구성이 높은 L 템플릿을 실현한다. 이하에 도 5를 이용하여 상세를 설명한다. 또한 기판을 반도체 장치로서 이용하는 경우에 본 공정은 반도체 장치(반도체 디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 치환 가능하다.
또한 이하의 설명에서 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(260)에 의해 제어된다.
이하, 기판 처리 공정에 대해서 설명한다.
[기판 반입 공정(S202)]
기판 처리 공정에서는 우선 도 1에 도시하는 바와 같은 하드마스크 패턴(108)이 표면에 형성된 기판(100)을 처리실(201)에 반입시킨다. 구체적으로는 기판 지지부(210)를 승강 기구(218)에 의해 하강시켜, 리프트 핀(207)이 관통공(214)으로부터 기판 지지부(210)의 상면측으로 돌출시킨 상태로 한다. 또한 처리실(201) 내를 소정의 압력으로 조압한 후, 게이트 밸브(1490)를 개방하여 게이트 밸브(1490)의 개구로부터 리프트 핀(207) 상에 기판(100)을 재치시킨다. 기판(100)을 리프트 핀(207) 상에 재치시킨 후, 승강 기구(218)에 의해 기판 지지부(210)를 소정의 위치까지 상승시키는 것에 의해 기판(100)이 리프트 핀(207)으로부터 기판 지지부(210)에 재치된다.
[감압·승온·제1 가스 저류 공정(S204)]
계속해서 처리실(201) 내가 소정의 압력(진공도)이 되도록, 배기관(224)을 개재하여 처리실(201) 내를 배기한다. 이때 압력 센서가 측정한 압력값에 기초하여 압력 조정기(227)로서의 APC 밸브의 개도(開度)를 피드백 제어한다. 또한 온도 검출기(300)가 검출한 온도값에 기초하여 처리실(201) 내의 온도가 소정의 온도이며 이재실(203)의 온도보다 높아지도록 히터(213)로의 통전량을 피드백 제어한다. 구체적으로는 기판 지지부(210)를 히터(213)에 의해 미리 가열해두고, 기판(100) 또는 기판 지지부(210)의 온도 변화가 없어지고 나서 일정 시간 유지시킨다. 이것으로 제1 침투 공정(S206) 전의 준비가 완료된다. 또한 처리실(201) 내를 소정의 압력으로 배기할 때 도달 가능한 진공도까지 한 번 진공 배기해도 좋다. 또한 압력을 조정할 때는 불활성 가스 공급계로부터 불활성 가스를 공급해도 좋다.
이때 히터(213)의 온도는 실온 내지 150℃, 바람직하게는 실온 내지 90℃, 보다 바람직하게는 60℃ 내지 90℃의 범위 내의 일정한 온도가 되도록 설정된다. 이 온도는 기판(100) 상에서 제1 가스가 흡착하는 온도로 설정된다. 즉 반응이 발생하는 온도로 설정된다. 또한 바람직하게는 기판(100)에 형성된 막이 열화되지 않는 온도로 설정된다. 예컨대 제1 가스가 열분해하지 않는 온도이며, 재액화하지 않는 온도로 한다. 즉 제1 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮다. 열분해나 재액화하지 않는 온도로 하는 것에 의해 하드마스크 막(107)에 금속 성분이 침투할 수 있다.
상기 처리와 병행하여 밸브(118)를 닫은 상태에서 밸브(116)를 열어 플래시 탱크(117)에 제1 가스를 공급하고, 분압이 높은 상태인 제1 압력으로 플래시 탱크(117) 내에 제1 가스를 저류시킨다. 압력을 높이는 것에 의해 밸브(118)를 열었을 때 고압의 제1 가스를 처리실(201)에 공급할 수 있다.
또한 플래시 탱크(117) 내의 압력은 제1 가스가 재액화하지 않을 정도의 압력으로 한다. 만일 재액화하는 압력으로 하면, 제1 가스가 금속 형상으로 응고되기 때문에 처리실(201)에 공급하는 것이 곤란해진다. 본 실시 형태와 같이 재액화하지 않는 압력으로 하는 것에 의해 처리실(201)에 기체 상태의 금속 성분을 원활하게 공급할 수 있다.
[제1 침투 공정(S206)]
계속해서 도 7을 이용하여 하드마스크 막(107)에 금속 성분을 침투시키는 제1 침투 공정(S206)을 설명한다. 도 7은 제1 침투 공정(S206)에서의 하드마스크 패턴(108)의 금속 성분 침투 상태를 설명한 도면이다. 부호(108a)는 하드마스크 패턴(108)의 중심부라 부르고, 부호(108c)는 하드마스크 패턴(108)의 외주부라고 부르고, 중심부(108a)와 외주부(108c) 사이를 중간부(108b)라고 부른다. 또한 색이 짙을수록 금속 성분이 침투하고 있음을 나타낸다.
또한 여기서는 설명의 편의상 인접하는 하드마스크 패턴(108) 중 우측을 하드마스크 패턴(108-1), 중앙을 하드마스크 패턴(108-2), 좌측을 하드마스크 패턴(108-3)이라고 부른다. 중심부(108a) 역시 우측, 중앙 및 좌측에 따라서 중심부(108a-1), 중심부(108a-2) 및 중심부(108a-3)이라고 부른다. 중간부(108b) 역시 우측, 중앙 및 좌측에 따라서 중간부(108b-1), 중간부(108b-2) 및 중간부(108b-3)이라고 부른다. 외주부(108c) 역시 우측, 중앙 및 좌측에 따라서 외주부(108c-1), 외주부(108c-2) 및 외주부(108c-3)이라고 부른다.
또한 중심부(108a), 즉 중심부(108a-1) 내지 중심부(108a3), 중간부(108b), 즉 중간부(108b-1) 내지 중간부(108b-3), 외주부(108c), 즉 외주부(108c-1) 내지 외주부(108c-3)의 각각은 거의 같은 농도의 금속 성분을 가지는 것으로 한다.
제1 침투 공정(S206)에서는 플래시 탱크(117)로부터 처리실(201) 내에 제1 가스(원료 가스)를 공급한다. 이때 제1 가스의 분압이 높은 상태에서 처리실(201) 내에 공급한다. 이렇게 분압이 높은 상태에서 가스를 공급하는 것을 플래시 공급이라고 부른다. 공급된 제1 가스의 분압이 높기 때문에, 도 7에 도시하는 바와 같이 제1 가스의 금속 성분을 하드마스크 막(107)의 중심부(107a)에 침투시킬 수 있다.
[농도 프로파일 조정 공정(S208)]
계속해서 농도 프로파일 조정 공정(S208)을 설명한다. 그런데 전술과 같이 플래시 탱크(117) 내에서는 제1 가스가 재액화하지 않을 정도의 압력으로 설정할 필요가 있으므로, 제1 침투 공정(S206)에서의 제1 가스 공급량에 한계가 있다. 따라서 공급 시작 시는 높은 분압을 유지하고, 금속 성분을 중심부(108a)에 밀어놓듯이 공급할 수 있다. 따라서 중심부의 성분과 공급된 금속 성분이 결합되어 물리적 내성이 높은 막을 형성할 수 있다.
소정 시간 경과하고 분압이 낮아지면, 하드마스크 막(107)의 성분과 금속 성분이 결합하는 에너지를 가지지 않는다. 따라서 하드마스크의 중심부(107a)에서는 높은 결합도가 되지만, 하드마스크 막(107)의 외주에 근접할수록 결합도가 낮아지는 현상이 일어난다.
예컨대 도면에 도시된 중심부(107a), 중간부(108b), 외주부(108c)에서는 중심부(107a)가 가장 결합도가 높고 외주부(108c)에서는 가장 결합도가 낮다. 일반적으로 알려져 있듯이 결합도에 비례하여 막이 경질화되기 때문에 중심부(107a), 중간부(108b), 외주부(108c)는 에칭 내성이 다르다. 그렇기 때문에 외주부(108c)는 중심부(107a)에 비해 에칭되기 쉽다.
이러한 상태에서 필라(106)를 형성하는 에칭 처리를 수행한 경우의 문제에 대해서 도 8을 이용하여 설명한다. 일반적으로 알려져 있듯이 하드마스크 패턴(108)은 패턴 형성 영역(102)에 대하여 에칭의 선택성을 가지지만, 패턴 형성 영역(102) 정도는 아닐지라도 에칭 가스에 의해 에칭된다.
그렇기 때문에 필라(106)를 형성할 때 하드마스크 패턴(108)의 상방도 에칭된다. 하드마스크 패턴(108)이 에칭되면 중간부(108b)가 노출된다. 전술과 같이 중간부(108b)의 금속 성분의 농도는 외주부(108c)보다 높으므로, 중간부(108b)는 외주부(108c)보다 에칭되기 어렵다. 이러한 상태에서 에칭 처리를 계속한 경우 외주부(108c)가 먼저 에칭되고, 그 결과 도 8에 도시하는 바와 같이 패턴(108)은 상방이 가늘고 하방이 굵은 추 형상[錐狀] 형태로 변화한다.
한편, 일반적으로 알려져 있듯이 기판 처리 장치(200)의 가스 공급공(241), 배기공(221), 기판(100)과의 상대적인 위치 관계, 히터(213)에 의한 가열 분포 등의 원인에 의해, 가스에 의한 기판 처리를 기판 면내에 균일하게 하는 것은 곤란하다. 즉 외주부(108c)의 금속 성분의 농도를 기판(100)의 면내에서 균일하게 하는 것은 곤란하다. 예컨대 도 7에 도시하는 바와 같이 인접하는 하드마스크 패턴(108-1), 하드마스크 패턴(108-2)은 하드마스크 패턴(108-3)에 비해 금속 성분의 침투가 불충분한 경우가 있다. 즉 중간부(108b-3)와 중간부(108b-2)에서 높이가 다른 경우가 있다. 이러한 상태에서 에칭 처리를 계속한 경우, 도 8과 같이 하드마스크 패턴[108-1, 108-2, 108-3)의 높이가 다르거나, 혹은 각각의 폭(w1, w2, w3)이 다르다. 그렇기 때문에 필라(106-1)와 필라(106-2) 사이의 폭(w4)과, 필라(106-2)와 필라(106-3)의 사이의 폭(w5)이 다르다. 즉 기판의 면내의 처리를 균일하게 할 수 없다. 따라서 기판의 면내에서 반도체 장치의 특성을 균일하게 하는 것이 곤란하다.
이러한 문제에 대응하기 위해 농도 프로파일 조정 공정(S208)을 실시하여, 중심부(108a) 이외의 부분에 대해서도 중심부와 마찬가지의 금속 농도 프로파일이 되도록 조정한다. 또한 기판의 면내에서의 하드마스크 패턴(108)의 처리를 균일하게 한다. 이하, 도 6(플로우 차트 2)을 이용하여 상세를 설명한다.
[불활성 가스 공급 / 제1 가스 저류 공정(S302)]
불활성 가스 공급계로부터 처리실(201)에 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스로 외주부(108c)에 부착된 금속 성분을 제거한다. 제거하는 것에 의해 다음 제2 침투 공정(S304)에서의 금속 성분의 침투가 용이해진다. 상기 처리와 병행하여 밸브(118)를 닫은 상태에서 플래시 탱크(117)에 제1 가스를 공급하고, 분압이 높은 상태에서 플래시 탱크(117) 내에 제1 가스를 저류시킨다. 압력을 높이는 것에 의해 밸브(118)를 열었을 때 고압의 제1 가스를 처리실(201)에 공급할 수 있다.
또한 플래시 탱크(117) 내의 압력은 제1 가스가 재액화하지 않을 정도의 압력이며, 공정(S204)에서의 제1 압력보다 낮은 제2 압력(전압 또는 분압)으로 한다. 만일 재액화하는 압력으로 하면 제1 가스가 금속 형상으로 응고되기 때문에 처리실(201)에 공급하는 것이 곤란해진다. 본 실시 형태와 같이 재액화하지 않는 압력으로 하는 것에 의해 처리실(201)에 원활하게 금속 성분을 공급할 수 있다.
[제2 침투 공정(S304)]
계속해서 하드마스크 막(107)에 금속 성분을 침투시키는 제2 침투 공정(S304)을 설명한다. 제2 침투 공정(S304)에서는 제1 가스 공급부로부터 처리실(201) 내에 제1 가스(원료 가스)로서의 금속 함유 가스를 공급한다. 금속 함유 가스로서는 예컨대 TMA 가스나 TiCl4(4염화티타늄)이다. 구체적으로는 밸브(116)를 열어 금속 함유 가스를 가스원(源)으로부터 플래시 탱크(117)에 공급한다. 이때 밸브(118)를 닫은 상태로 한다. 이렇게 하는 것에 의해 높은 압력으로 플래시 탱크(117)에 제1 가스가 저류된다.
플래시 탱크(117)의 압력이 제1 가스가 재액화되는 압력에 도달하기 전이자 제1 압력보다 낮은 제2 압력인 경우, 밸브(118)를 개방하여 제1 가스의 분압이 높은 상태에서 챔버(100) 내에 플래시 공급한다. 공급된 제1 가스의 분압이 높기 때문에 제1 가스의 금속 성분이 중간부(108b)에 침투된다.
그 후, 공정(S306)으로 이행하여 소정 횟수 실시했는지를 확인한다. 즉 공정(S302) 내지 공정(S304)을 포함하는 사이클이 소정 횟수 실시되었는지를 확인한다. 소정 횟수 실시하고, 즉 중앙부(108a), 중간부(108b), 외주부(108c)의 금속 농도가 균일해지면, 농도 프로파일 조정 공정(S208)을 종료한다. 소정 횟수 실시하지 않아, 예컨대 외주부(108c)의 금속 농도가 중간부(108b)보다 옅은 경우에는 불활성 가스 공급 / 제1 가스 저류 공정(S302)으로 이행한다.
[개질 공정(S210)]
개질 공정(S210)에서는 기판(100)의 하드마스크 막(107)에 대해 산소 성분을 공급하여 표면을 산화하도록 개질한다. 이렇게 하는 것에 의해 외주부(108c)에 침투한 금속 성분이 하드마스크 패턴(108)으로부터 빠지는 것을 방지한다. 또한 이 개질 공정은 캡 막 형성 공정이라고도 부르고, 외주부(108c) 표면에 형성되는 산화막을 캡 막이라고도 부른다.
여기서 농도 프로파일 조정 공정(S208) 후에 개질 공정(S210)을 수행하는 이유를 설명한다. 개질 공정인 산화 처리를 농도 프로파일 조정 공정(S208) 전에 수행하면 형성된 산화막이 캡이 되어 외주부(108c)에 금속이 주입되기 어려워진다. 그래서 농도 프로파일 조정 공정(S208)에서 금속막을 침투시킨 후에 개질 공정(S210)을 수행한다.
또한 농도 프로파일 조정 공정(S208)과 개질 공정(S210) 사이에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 공정을 추가해도 좋다. 이 경우, 농도 프로파일 조정 공정(S208)에서 표면에 부착된 금속 성분을 불활성 가스에 의해 제거할 수 있으므로, 개질 공정(S210)에서 개질 재료(예컨대 산화물)를 표면에 결합시키기 쉬워져 금속 성분의 빠짐을 보다 방지할 수 있다.
또한 도 3의 점선으로 도시되는 바와 같이 제2 가스 공급부에 플래시 탱크(137), 밸브(138), 압력 센서(139)를 설치하고, 불활성 가스 공급 / 제1 가스 저류 공정(S302)에서는 불활성 가스를 플래시 공급해도 좋다. 이렇게 하는 것에 의해 하드마스크 패턴(108) 표면의 금속 성분을 보다 확실하게 제거할 수 있다. 따라서 다음 제2 침투 공정(S304)에서 보다 확실하게 침투시킬 수 있다.
또한 전술에서는 1개의 처리실로 1매의 기판을 처리하는 장치 구성을 도시했지만 이에 한정되지 않고, 복수 매의 기판을 수평 방향 또는 수직 방향으로 배열한 장치이어도 좋다.
또한 전술에서는 리소그래피용 템플릿에 이용한 하드마스크를 대상으로 설명했지만, 미세화 가공을 하는 것이라면 좋고, 반도체 웨이퍼이어도 좋다. 반도체 웨이퍼의 경우, 반도체 제조 방법으로서 예컨대 더블패터닝 기술 등의 미세화 기술에 이용하는 하드마스크나, 레지스트에 대한 처리에 본 기술을 채택해도 좋다.
100: 기판 117: 플래시 탱크
200: 기판 처리 장치 201: 처리실(처리 공간)
260: 제어부(컨트롤러)

Claims (21)

  1. (a) 패터닝된 하드마스크를 포함하는 기판을 처리실에 반입하는 공정;
    (b) 상기 처리실에 금속 함유 가스를 공급하여 제1 압력으로 하는 공정; 및
    (c) 상기 (b) 공정 후, 상기 처리실에 불활성 가스를 공급하여 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 하는 공정
    을 포함하는 기판 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리실에는 상기 금속 함유 원료를 공급하는 제1 가스 공급부 및 상기 불활성 가스를 공급하는 제2 가스 공급부가 접속되고,
    상기 (b) 공정에서는, 상기 제1 가스 공급부로부터 상기 금속 함유 가스를 공급하고, 상기 (c) 공정에서는 상기 제2 가스 공급부로부터 상기 불활성 가스를 공급하는 기판 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    (d) 상기 (c) 공정 후, 상기 처리실에 상기 금속 함유 가스를 공급하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    (e) 상기 (c) 공정과 상기 (d) 공정을 포함하는 사이클을 소정 횟수 수행하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    (f) 상기 (c) 공정 후, 상기 하드마스크를 개질하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 온도는 상기 금속 함유 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮은 기판 처리 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    (f) 상기 (c) 공정 후, 상기 하드마스크를 개질하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 온도는 상기 금속 함유 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮은 기판 처리 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 온도는 상기 금속 함유 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮은 기판 처리 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제2 가스 공급부는 플래시 탱크를 더 포함하고,
    상기 (c) 공정에서, 상기 불활성 가스는 상기 플래시 탱크를 통하여 플래시 공급되는 기판 처리 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    (d) 상기 (c) 공정 후, 상기 처리실에 상기 금속 함유 가스를 공급하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    (e) 상기 (c) 공정과 상기 (d) 공정을 포함하는 사이클을 소정 횟수 수행하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    (f) 상기 (c) 공정 후, 상기 하드마스크를 개질하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 온도는 상기 금속 함유 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮은 기판 처리 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 온도는 상기 금속 함유 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮은 기판 처리 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    (f) 상기 (c) 공정 후, 상기 하드마스크를 개질하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 온도는 상기 금속 함유 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮은 기판 처리 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    (f) 상기 (c) 공정 후, 상기 하드마스크를 개질하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 기판의 표면의 온도는 상기 금속 함유 가스가 재액화되는 온도보다 높고 열분해되는 온도보다 낮은 기판 처리 방법.
  20. (a) 패터닝된 하드마스크를 포함하는 기판을 처리실에 반입하는 순서;
    (b) 상기 처리실에 금속 함유 가스를 공급하여 제1 압력으로 하는 순서; 및
    (c) 상기 (b) 순서 후, 상기 처리실에 불활성 가스를 공급하여 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 하는 순서
    를 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램을 기록한 기록 매체.
  21. 패터닝된 하드마스크를 포함하는 기판을 재치하는 기판 재치부를 포함하는 처리실; 및
    상기 처리실에 금속 함유 가스를 공급하여 상기 처리실을 제1 압력으로 하고, 그 후 상기 처리실에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리실을 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 하도록 제어하는 제어부
    를 포함하는 기판 처리 장치.
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