KR20180119485A - 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 함유 가스를 사용하지 않고 안정적으로 산소 플라스마를 발생시키고, 면내 균일성이 양호한 실리콘 산화막을 성막할 수 있는 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
오목부 패턴이 형성된 기판의 표면 상에 실리콘 산화막을 성막하는 성막 방법이며,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 산화 가스를 공급하여, 상기 기판의 표면 상에 흡착된 상기 아미노실란 가스를 산화시켜 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 실리콘 산화막층을 퇴적시키는 공정과,
상기 실리콘 산화막층에, 산소, 아르곤 및 질소를 포함하는 혼합 가스를 플라스마에 의해 활성화하여 공급하여, 상기 실리콘 산화막층의 개질 처리를 행하는 공정을 갖는다.

Description

성막 방법 {FILM DEPOSITION METHOD}
본 발명은 성막 방법에 관한 것이다.
종래부터, 제1 반응 가스와, 제1 반응 가스와 반응하는 제2 반응 가스의 반응 생성물에 의한 막을 성막하는 방법이며, 기판에 형성되는 오목부의 내면에 원하는 분포로 수산기를 흡착시키는 스텝과, 오목부의 내면에 수산기가 흡착된 기판에 대하여 제1 반응 가스를 공급하는 스텝과, 제1 반응 가스가 흡착된 기판에 대하여 제2 반응 가스를 공급함으로써, 제1 반응 가스와 제2 반응 가스를 반응시켜 반응 생성물을 생성하는 스텝을 포함하는 성막 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
이러한 특허문헌 1에 기재된 성막 방법에 따르면, 수산기가 제1 반응 가스의 흡착 사이트를 형성하므로, 수산기의 오목부의 내면의 저면에 많이 형성하도록 제어하면, 보텀 업 성막을 행하는 것이 가능하게 된다. 또한, 원하는 수산기를 흡착시키는 일례로서, 수산기를 흡착시키는 스텝에 있어서 기판을 산소 플라스마에 노출시키고, 산소 플라스마를, 수소 함유 가스를 포함하는 가스로부터 생성함으로써, 부족한 수산기를 보충하도록 한 예가 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2013-135154호 공보
그러나, 상술한 바와 같은 보텀 업 성막을 행하기 위해서는, 기판의 표면 및 오목부의 상부 부근의 수산기를 감소시켜, 기판의 표면 및 오목부의 상부 부근에 흡착 사이트를 형성하지 않도록 할 필요가 있기 때문에, 산소 플라스마 생성 시에 수소 함유 가스를 사용하는 것은 바람직하지 않다.
한편, 수소 가스는, 플라스마의 착화를 용이하게 함과 함께, 플라스마를 균일하게 발생시키는 성질을 갖고 있으며, 산소와의 혼합 가스로 플라스마를 생성하는 경우에도, 이러한 성질을 발휘하여, 산소 플라스마를 균일하게 발생시키는 데 기여한다. 따라서, 수소를 포함하지 않는 상태에서 산소 플라스마를 생성하면, 산소 플라스마에 불균형이 발생하여, 균일한 플라스마 처리를 행하지 못하는 경우가 있다.
그래서, 본 발명은 수소 함유 가스를 사용하지 않고 안정적으로 산소 플라스마를 발생시켜, 면내 균일성이 양호한 실리콘 산화막을 성막할 수 있는 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 형태에 관한 성막 방법은, 오목부 패턴이 형성된 기판의 표면 상에 실리콘 산화막을 성막하는 성막 방법이며,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 산화 가스를 공급하여, 상기 기판의 표면 상에 흡착된 상기 아미노실란 가스를 산화시켜 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 실리콘 산화막층을 퇴적시키는 공정과,
상기 실리콘 산화막층에, 산소, 아르곤 및 질소를 포함하는 혼합 가스를 플라스마에 의해 활성화하여 공급하여, 상기 실리콘 산화막층의 개질 처리를 행하는 공정을 갖는다.
본 발명에 따르면, 면내 균일성이 양호한 실리콘 산화막을 성막할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는, 도 1의 성막 장치의 진공 용기 내의 구성을 도시하는 개략 사시도이다.
도 3은, 도 1의 성막 장치의 진공 용기 내의 구성을 도시하는 개략 평면도이다.
도 4는, 도 1의 성막 장치의 진공 용기 내에 회전 가능하게 설치되는 회전 테이블의 동심원을 따른, 당해 진공 용기의 개략 단면도이다.
도 5는, 도 1의 성막 장치의 다른 개략 단면도이다.
도 6은, 도 1의 성막 장치에 설치되는 플라스마 발생원을 도시하는 개략 단면도이다.
도 7은, 도 1의 성막 장치에 설치되는 플라스마 발생원을 도시하는 다른 개략 단면도이다.
도 8은, 도 1의 성막 장치에 설치되는 플라스마 발생원을 도시하는 개략 상면도이다.
도 9는, 반응 가스 노즐(33)과는 상이한 형태의 반응 가스 노즐(34 내지 36)의 일례를 도시한 도면이다.
도 10은, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 설명하기 위한 제1 모식도이다.
도 11은, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 설명하기 위한 제2 모식도이다.
도 12는, 실시예 1의 실시 결과를 도시한 도면이다.
도 13은, 실시예 2에서 사용한 웨이퍼(W)의 트렌치(T)의 형상에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 14는, 실시예 2의 실시 결과를 도시한 도면이다.
도 15는, 실시예 3의 실시 결과를 도시한 도면이다.
도 16은, 실시예 4의 실시 결과를 도시한 도면이다.
도 17은, 실시예 5의 실시 결과를 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태의 설명을 행한다.
[성막 장치]
우선, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하는 데 적합한 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 1에서 도 3까지를 참조하면, 성막 장치는, 거의 원형의 평면 형상을 갖는 편평한 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1) 내에 설치되고, 진공 용기(1)의 중심에 회전 중심을 갖는 회전 테이블(2)을 구비하고 있다. 진공 용기(1)는, 바닥이 있는 원통 형상을 갖는 용기 본체(12)와, 용기 본체(12)의 상면에 대하여, 예를 들어 O링 등의 시일 부재(13)(도 1)를 통하여 기밀하게 착탈 가능하게 배치되는 천장판(11)을 갖고 있다.
회전 테이블(2)은, 중심부에서 원통 형상의 코어부(21)에 고정되고, 이 코어부(21)는, 연직 방향으로 신장되는 회전축(22)의 상단에 고정되어 있다. 회전축(22)은 진공 용기(1)의 저부(14)를 관통하고, 그 하단이 회전축(22)(도 1)을 연직축 둘레로 회전시키는 구동부(23)에 설치되어 있다. 회전축(22) 및 구동부(23)는, 상면이 개구된 통상의 케이스체(20) 내에 수납되어 있다. 이 케이스체(20)는 그 상면에 설치된 플랜지 부분이 진공 용기(1)의 저부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어 있고, 케이스체(20)의 내부 분위기와 외부 분위기의 기밀 상태가 유지되어 있다.
회전 테이블(2)의 표면부에는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이 회전 방향(둘레 방향)을 따라 복수(도시한 예에서는 5매)의 기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 함)(W)를 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)가 설치되어 있다. 또한, 도 3에는 편의상 1개의 오목부(24)에만 웨이퍼(W)를 도시한다. 이 오목부(24)는, 웨이퍼(W)의 직경보다 약간 예를 들어 4mm 큰 내경과, 웨이퍼(W)의 두께와 거의 동등한 깊이를 갖고 있다. 따라서, 웨이퍼(W)가 오목부(24)에 수용되면, 웨이퍼(W)의 표면과 회전 테이블(2)의 표면(웨이퍼(W)가 적재되지 않는 영역)이 동일한 높이로 된다. 오목부(24)의 저면에는, 웨이퍼(W)의 이면을 지지하여 웨이퍼(W)를 승강시키기 위한 예를 들어 3개의 승강 핀이 관통하는 관통 구멍(모두 도시하지 않음)이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3은, 진공 용기(1) 내의 구조를 설명하는 도면이며, 설명의 편의상, 천장판(11)의 도시를 생략하고 있다. 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 회전 테이블(2)의 상방에는, 각각 예를 들어 석영으로 이루어지는 반응 가스 노즐(31, 32, 33) 및 분리 가스 노즐(41, 42)이 진공 용기(1)의 둘레 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향(도 3의 화살표(A)))으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 도시한 예에서는, 후술하는 반송구(15)로부터 시계 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향)으로, 반응 가스 노즐(33), 분리 가스 노즐(41), 반응 가스 노즐(31), 분리 가스 노즐(42) 및 반응 가스 노즐(32)이 이 순서로 배열되어 있다. 이들 노즐(31, 32, 33, 41, 42)은, 각 노즐(31, 32, 33, 41, 42)의 기단부인 가스 도입 포트(31a, 32a, 33a, 41a, 42a)(도 3)를 용기 본체(12)의 외주벽에 고정함으로써, 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 진공 용기(1) 내로 도입되고, 용기 본체(12)의 반경 방향을 따라 회전 테이블(2)에 대하여 수평으로 신장하도록 설치되어 있다.
또한, 가스 도입 노즐(92)의 상방에는, 도 3에 있어서, 파선으로 간략화하여 나타내는 바와 같이 플라스마 발생기(80)가 설치되어 있다. 플라스마 발생기(80)에 대해서는 후술한다.
본 실시 형태에 있어서는, 반응 가스 노즐(31)은, 도시하지 않은 배관 및 유량 제어기 등을 통하여, 제1 반응 가스로서의 아미노실란 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 반응 가스 노즐(32)은, 도시하지 않은 배관 및 유량 제어기 등을 통하여, 제2 반응 가스로서의 산화 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 반응 가스 노즐(33)은, 도시하지 않은 배관 및 유량 제어기 등을 통하여, 제3 반응 가스로서 Ar/O2/N2의 혼합 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 분리 가스 노즐(41, 42)은, 모두 도시하지 않은 배관 및 유량 제어 밸브 등을 통하여, 분리 가스로서의 아르곤(Ar) 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 산화 가스로서는 O3(오존) 가스가 사용되고 있다.
본 실시 형태에 있어서의 아미노실란 가스의 일례로서는, DIPAS[디이소프로필아미노실란], 3DMAS[트리스디메틸아미노실란] 가스, BTBAS[비스tert-부틸아미노실란] 등의 아미노실란 가스를 들 수 있다.
반응 가스 노즐(31, 32)에는, 회전 테이블(2)을 향하여 개구되는 복수의 가스 토출 구멍(31h, 32h)이, 반응 가스 노즐(31, 32)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10mm의 간격으로 배열되어 있다. 반응 가스 노즐(31)의 하방 영역은, 아미노실란 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역(P1)이 된다. 반응 가스 노즐(32)의 하방 영역은, 제1 처리 영역(P1)에 있어서 웨이퍼(W)에 흡착된 아미노실란 가스를 산화시키는 제2 처리 영역(P2)이 된다. 또한, 도 4에는 도시되어 있지 않은 반응 가스 노즐(33)의 구성에 대해서는 후술한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 진공 용기(1) 내에는 2개의 볼록 형상부(4)가 설치되어 있다. 볼록 형상부(4)는, 분리 가스 노즐(41, 42)과 함께 분리 영역(D)을 구성하기 위해, 후술하는 바와 같이, 회전 테이블(2)을 향하여 돌출되도록 천장판(11)의 이면에 설치되어 있다. 또한, 볼록 형상부(4)는, 정상부가 원호상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고, 본 실시 형태에 있어서는, 내측 원호가 돌출부(5)(후술함)에 연결되고, 외측 원호가 진공 용기(1)의 용기 본체(12)의 내주면을 따르도록 배치되어 있다.
도 4는, 반응 가스 노즐(31)에서 반응 가스 노즐(32)까지 회전 테이블(2)의 동심원을 따른 진공 용기(1)의 단면을 도시하고 있다. 도시하는 바와 같이, 천장판(11)의 이면에 볼록 형상부(4)가 설치되어 있기 때문에, 진공 용기(1) 내에는, 볼록 형상부(4)의 하면인 평탄한 낮은 천장면(44)(제1 천장면)과, 이 천장면(44)의 둘레 방향 양측에 위치하는, 천장면(44)보다 높은 천장면(45)(제2 천장면)이 존재한다. 천장면(44)은, 정상부가 원호상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 도시하는 바와 같이, 볼록 형상부(4)에는 둘레 방향 중앙에 있어서, 반경 방향으로 신장되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(42)이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 또 하나의 볼록 형상부(4)에도 마찬가지로 홈부(43)가 형성되고, 여기에 분리 가스 노즐(41)이 수용되어 있다. 또한, 높은 천장면(45)의 하방의 공간에 반응 가스 노즐(31, 32)이 각각 설치되어 있다. 이들 반응 가스 노즐(31, 32)은, 천장면(45)으로부터 이격하여 웨이퍼(W)의 근방에 설치되어 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 볼록 형상부(4)의 우측의 높은 천장면(45)의 하방의 공간(481)에 반응 가스 노즐(31)이 설치되고, 좌측의 높은 천장면(45)의 하방의 공간(482)에 반응 가스 노즐(32)이 설치되어 있다.
또한, 볼록 형상부(4)의 홈부(43)에 수용되는 분리 가스 노즐(41, 42)에는, 회전 테이블(2)을 향하여 개구되는 복수의 가스 토출 구멍(41h)(도 4 참조)이, 분리 가스 노즐(41, 42)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10mm의 간격으로 배열되어 있다.
천장면(44)은, 좁은 공간인 분리 공간(H)을 회전 테이블(2)에 대하여 형성하고 있다. 분리 가스 노즐(42)의 토출 구멍(42h)으로부터 Ar 가스가 공급되면, 이 Ar 가스는, 분리 공간(H)을 통하여 공간(481) 및 공간(482)을 향하여 흐른다. 이때, 분리 공간(H)의 용적은 공간(481 및 482)의 용적보다 작기 때문에, Ar 가스에 의해 분리 공간(H)의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비하여 높게 할 수 있다. 즉, 공간(481 및 482)의 사이에 압력이 높은 분리 공간(H)이 형성된다. 또한, 분리 공간(H)으로부터 공간(481 및 482)으로 흘러나오는 Ar 가스가, 제1 영역(P1)으로부터의 아미노실란 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 산화 가스에 대한 카운터 플로우로서 작용한다. 따라서, 제1 영역(P1)으로부터의 아미노실란 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 산화 가스가 분리 공간(H)에 의해 분리된다. 따라서, 진공 용기(1) 내에 있어서 아미노실란 가스와 산화 가스가 혼합하여, 반응하는 것이 억제된다.
또한, 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이 h1은, 성막 시의 진공 용기(1) 내의 압력, 회전 테이블(2)의 회전 속도, 공급하는 분리 가스(Ar 가스)의 공급량 등을 고려하여, 분리 공간(H)의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비하여 높게 하는 데 적합한 높이로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 천장판(11)의 하면에는, 회전 테이블(2)을 고정하는 코어부(21)의 외주를 둘러싸는 돌출부(5)(도 2 및 도 3)가 설치되어 있다. 이 돌출부(5)는, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부(4)에 있어서의 회전 중심측의 부위와 연속되어 있고, 그 하면이 천장면(44)과 동일한 높이로 형성되어 있다.
앞서 참조한 도 1은, 도 3의 I-Ｉ'선을 따른 단면도이며, 천장면(45)이 설치되어 있는 영역을 도시하고 있다. 한편, 도 5는, 천장면(44)이 설치되어 있는 영역을 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 부채형의 볼록 형상부(4)의 주연부(진공 용기(1)의 외측 에지측의 부위)에는, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향하도록 L자형으로 굴곡된 굴곡부(46)가 형성되어 있다. 이 굴곡부(46)는, 볼록 형상부(4)와 마찬가지로, 분리 영역(D)의 양측으로부터 반응 가스가 침입하는 것을 억제하여, 양쪽 반응 가스의 혼합을 억제한다. 부채형의 볼록 형상부(4)는 천장판(11)에 설치되고, 천장판(11)을 용기 본체(12)로부터 떼어낼 수 있게 되어 있다는 점에서, 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12)의 사이에는 약간 간극이 있다. 굴곡부(46)의 내주면과 회전 테이블(2)의 외측 단부면의 간극, 및 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12)의 간극은, 예를 들어 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이와 마찬가지의 치수로 설정되어 있다.
용기 본체(12)의 내주벽은, 분리 영역(D)에 있어서는 도 4에 도시하는 바와 같이 굴곡부(46)의 외주면과 접근하여 수직면으로 형성되어 있지만, 분리 영역(D) 이외의 부위에 있어서는, 도 1에 도시하는 바와 같이 예를 들어 회전 테이블(2)의 외측 단부면과 대향하는 부위로부터 저부(14)에 걸쳐 외측으로 오목해져 있다. 이하, 설명의 편의상, 대략 직사각형의 단면 형상을 갖는 오목해진 부분을 배기 영역이라고 기재한다. 구체적으로는, 제1 처리 영역(P1)에 연통되는 배기 영역을 제1 배기 영역(E1)이라고 기재하고, 제2 처리 영역(P2)에 연통되는 영역을 제2 배기 영역(E2)이라고 기재한다. 이들 제1 배기 영역(E1) 및 제2 배기 영역(E2)의 저부에는, 도 1 내지 도 3에 도시하는 바와 같이, 각각 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)가 형성되어 있다. 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)는, 도 1에 도시하는 바와 같이 각각 배기관(630)을 통하여 진공 배기 수단인 예를 들어 진공 펌프(640)에 접속되어 있다. 또한, 도 1 중, 압력 제어기(650)가 도시되어 있다.
회전 테이블(2)과 진공 용기(1)의 저부(14)의 사이의 공간에는, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이 가열 수단인 히터 유닛(7)이 설치되고, 회전 테이블(2)을 통하여 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)가, 프로세스 레시피로 결정된 온도(예를 들어 400℃)로 가열된다. 회전 테이블(2)의 주연 부근의 하방측에는, 회전 테이블(2)의 상방 공간으로부터 배기 영역(E1, E2)에 이르기까지의 분위기와 히터 유닛(7)이 놓여 있는 분위기를 구획하여 회전 테이블(2)의 하방 영역에 대한 가스의 침입을 억제하기 위해, 링상의 커버 부재(71)가 설치되어 있다(도 5). 이 커버 부재(71)는, 회전 테이블(2)의 외측 에지부 및 외측 에지부보다 외주측을 하방측으로부터 면하도록 설치된 내측 부재(71a)와, 이 내측 부재(71a)와 진공 용기(1)의 내벽면의 사이에 설치된 외측 부재(71b)를 구비하고 있다. 외측 부재(71b)는, 분리 영역(D)에 있어서 볼록 형상부(4)의 외측 에지부에 형성된 굴곡부(46)의 하방에서, 굴곡부(46)와 근접하여 설치되고, 내측 부재(71a)는, 회전 테이블(2)의 외측 에지부 하방(및 외측 에지부보다 약간 외측의 부분의 하방)에 있어서, 히터 유닛(7)을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸고 있다.
히터 유닛(7)이 배치되어 있는 공간보다 회전 중심 근처의 부위에 있어서의 저부(14)는, 회전 테이블(2)의 하면의 중심부 부근에 있어서의 코어부(21)에 접근하도록 상방측으로 돌출되어 돌출부(12a)를 이루고 있다. 이 돌출부(12a)와 코어부(21)의 사이는 좁은 공간으로 되어 있고, 또한 저부(14)를 관통하는 회전축(22)의 관통 구멍의 내주면과 회전축(22)의 간극이 좁게 되어 있으며, 이들 좁은 공간은 케이스체(20)에 연통되어 있다. 그리고, 케이스체(20)에는 퍼지 가스인 Ar 가스를 좁은 공간 내에 공급하여 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 설치되어 있다. 또한, 진공 용기(1)의 저부(14)에는, 히터 유닛(7)의 하방에 있어서 둘레 방향으로 소정의 각도 간격으로, 히터 유닛(7)의 배치 공간을 퍼지하기 위한 복수의 퍼지 가스 공급관(73)이 설치되어 있다(도 5에는 하나의 퍼지 가스 공급관(73)을 도시함). 또한, 히터 유닛(7)과 회전 테이블(2)의 사이에는, 히터 유닛(7)이 설치된 영역에 대한 가스의 침입을 억제하기 위해, 외측 부재(71b)의 내주벽(내측 부재(71a)의 상면)으로부터 돌출부(12a)의 상단부와의 사이를 둘레 방향에 걸쳐 덮는 덮개 부재(7a)가 설치되어 있다. 덮개 부재(7a)는 예를 들어 석영으로 제작할 수 있다.
또한, 진공 용기(1)의 천장판(11)의 중심부에는 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있어, 천장판(11)과 코어부(21)의 사이의 공간(52)에 분리 가스인 Ar 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 이 공간(52)에 공급된 분리 가스는, 돌출부(5)와 회전 테이블(2)의 좁은 간극(50)을 통하여 회전 테이블(2)의 웨이퍼 적재 영역측의 표면을 따라 주연을 향하여 토출된다. 공간(50)은 분리 가스에 의해 공간(481) 및 공간(482)보다 높은 압력으로 유지될 수 있다. 따라서, 공간(50)에 의해, 제1 처리 영역(P1)에 공급되는 아미노실란 가스와 제2 처리 영역(P2)에 공급되는 산화 가스가, 중심 영역(C)을 통과하여 혼합되는 것이 억제된다. 즉, 공간(50)(또는 중심 영역(C))은 분리 공간(H)(또는 분리 영역(D))과 마찬가지로 기능할 수 있다.
또한, 진공 용기(1)의 측벽에는, 도 2, 도 3에 도시하는 바와 같이, 외부의 반송 아암(10)과 회전 테이블(2)의 사이에서 기판인 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는 도시하지 않은 게이트 밸브에 의해 개폐된다. 또한, 회전 테이블(2)에 있어서의 웨이퍼 적재 영역인 오목부(24)는 이 반송구(15)에 면하는 위치에서 반송 아암(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해진다는 점에서, 회전 테이블(2)의 하방측에 있어서 전달 위치에 대응하는 부위에, 오목부(24)를 관통하여 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어올리기 위한 전달용 승강 핀 및 그 승강 기구(모두 도시하지 않음)가 설치되어 있다.
이어서, 도 6부터 도 8까지를 참조하면서, 플라스마 발생기(80)에 대하여 설명한다. 도 6은, 회전 테이블(2)의 반경 방향을 따른 플라스마 발생기(80)의 개략 단면도이고, 도 7은, 회전 테이블(2)의 반경 방향과 직교하는 방향을 따른 플라스마 발생기(80)의 개략 단면도이고, 도 8은, 플라스마 발생기(80)의 개략을 도시하는 상면도이다. 도시의 편의상, 이들 도면에 있어서 일부 부재를 간략화하였다.
도 6을 참조하면, 플라스마 발생기(80)는, 고주파 투과성 재료로 제작되고, 상면으로부터 오목해진 오목부를 갖고, 천장판(11)에 형성된 개구부(11a)에 끼워 넣어지는 프레임 부재(81)와, 프레임 부재(81)의 오목부 내에 수용되고, 상부가 개구된 대략 상자상의 형상을 갖는 패러데이 차폐판(82)과, 패러데이 차폐판(82)의 저면 상에 배치되는 절연판(83)과, 절연판(83)의 상방에 지지되고, 대략 팔각형의 상면 형상을 갖는 코일상의 안테나(85)를 구비한다.
천장판(11)의 개구부(11a)는 복수의 단차부를 갖고 있으며, 그 중 하나의 단차부에는 전체 둘레에 걸쳐 홈부가 형성되고, 이 홈부에 예를 들어 O-링 등의 시일 부재(81a)가 끼워 넣어져 있다. 한편, 프레임 부재(81)는, 개구부(11a)의 단차부에 대응하는 복수의 단차부를 갖고 있으며, 프레임 부재(81)를 개구부(11a)에 끼워 넣으면, 복수의 단차부 중 하나의 단차부의 이면이, 개구부(11a)의 홈부에 끼워 넣어진 시일 부재(81a)와 접하고, 이에 의해, 천장판(11)과 프레임 부재(81)의 사이의 기밀성이 유지된다. 또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 천장판(11)의 개구부(11a)에 끼워 넣어지는 프레임 부재(81)의 외주를 따른 압박 부재(81c)가 설치되고, 이에 의해, 프레임 부재(81)가 천장판(11)에 대하여 하방으로 압박된다. 이 때문에, 천장판(11)과 프레임 부재(81)의 사이의 기밀성이 보다 확실하게 유지된다.
프레임 부재(81)의 하면은, 진공 용기(1) 내의 회전 테이블(2)에 대향하고 있고, 그 하면의 외주에는 전체 둘레에 걸쳐 하방으로(회전 테이블(2)을 향하여) 돌출되는 돌기부(81b)가 설치되어 있다. 돌기부(81b)의 하면은 회전 테이블(2)의 표면에 근접해 있고, 돌기부(81b)와, 회전 테이블(2)의 표면과, 프레임 부재(81)의 하면에 의해 회전 테이블(2)의 상방에 플라스마 처리 영역(또는 「제3 처리 영역」)(P3)이 구획 형성되어 있다. 또한, 돌기부(81b)의 하면과 회전 테이블(2)의 표면의 간격은, 분리 공간(H)(도 4)에 있어서의 천장면(11)의 회전 테이블(2)의 상면에 대한 높이 h1과 거의 동일해도 된다.
또한, 이 플라스마 처리 영역(P3)에는, 돌기부(81b)를 관통한 반응 가스 노즐(33)이 연장되어 있다. 반응 가스 노즐(33)에는, 본 실시 형태에 있어서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 아르곤(Ar) 가스가 충전되는 아르곤 가스 공급원(90)과, 산소(O2) 가스가 충전되는 산소 가스 공급원(91)과, 질소(N2) 가스가 충전되는 질소 가스 공급원(92)이 접속되어 있다. 아르곤 가스 공급원(90), 산소 가스 공급원(91) 및 질소 가스 공급원(92)으로부터, 대응하는 유량 제어기(93, 94 및 95)에 의해 유량 제어된 Ar 가스, O2 가스 및 N2 가스가, 소정의 유량비(혼합비)로 플라스마 처리 영역(P3)에 공급된다.
또한, 반응 가스 노즐(33)에는, 그 긴 변 방향을 따라 소정의 간격(예를 들어 10mm)으로 복수의 토출 구멍(33h)이 형성되어 있고, 토출 구멍(33h)으로부터 상술한 Ar/O2/N2 가스가 토출된다. 토출 구멍(33h)은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 회전 테이블(2)에 대하여 수직인 방향으로부터 회전 테이블(2)의 회전 방향의 상류측을 향하여 기울어져 있다. 이 때문에, 반응 가스 노즐(33)로부터 공급되는 혼합 가스는, 회전 테이블(2)의 회전 방향과 역방향으로, 구체적으로는 돌기부(81b)의 하면과 회전 테이블(2)의 표면의 사이의 간극을 향하여 토출된다. 이에 의해, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라 플라스마 발생기(80)보다도 상류측에 위치하는 천장면(45)의 하방의 공간으로부터 산화 가스나 분리 가스가, 플라스마 처리 영역(P3) 내로 유입되는 것이 억제된다. 또한, 상술한 바와 같이, 프레임 부재(81)의 하면의 외주를 따라 형성되는 돌기부(81b)가 회전 테이블(2)의 표면에 근접해 있기 때문에, 반응 가스 노즐(33)로부터의 가스에 의해 플라스마 처리 영역(P3) 내의 압력을 용이하게 높게 유지할 수 있다. 이에 의해서도, 산화 가스나 분리 가스가 플라스마 처리 영역(P3) 내로 유입되는 것이 억제된다.
패러데이 차폐판(82)은, 금속 등의 도전성 재료로 제작되고, 도시는 생략하지만 접지되어 있다. 도 8에 명확하게 도시되는 바와 같이, 패러데이 차폐판(82)의 저부에는, 복수의 슬릿(82s)이 형성되어 있다. 각 슬릿(82s)은, 대략 팔각형의 평면 형상을 갖는 안테나(85)의 대응하는 변과 거의 직교하도록 연장되어 있다.
또한, 패러데이 차폐판(82)은, 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 상단의 2개소에 있어서 외측으로 절곡되는 지지부(82a)를 갖고 있다. 지지부(82a)가 프레임 부재(81)의 상면에 지지됨으로써, 프레임 부재(81) 내의 소정의 위치에 패러데이 차폐판(82)이 지지된다.
절연판(83)은, 예를 들어 석영 유리에 의해 제작되고, 패러데이 차폐판(82)의 저면보다도 약간 작은 크기를 갖고, 패러데이 차폐판(82)의 저면에 적재된다. 절연판(83)은, 패러데이 차폐판(82)과 안테나(85)를 절연하는 한편, 안테나(85)로부터 방사되는 고주파를 하방으로 투과시킨다.
안테나(85)는, 평면 형상이 대략 팔각형이 되도록 구리제의 중공관(파이프)을 예를 들어 3중으로 권회함으로써 형성된다. 파이프 내에 냉각수를 순환시킬 수 있고, 이에 의해, 안테나(85)에 공급되는 고주파에 의해 안테나(85)가 고온으로 가열되는 것이 방지된다. 또한, 안테나(85)에는 수직부(85a)가 설치되어 있고, 수직부(85a)에 지지부(85b)가 설치되어 있다. 지지부(85b)에 의해, 안테나(85)가 패러데이 차폐판(82) 내의 소정의 위치에 유지된다. 또한, 지지부(85b)에는, 매칭 박스(86)를 통하여 고주파 전원(87)이 접속되어 있다. 고주파 전원(87)은, 예를 들어 13.56MHz의 주파수를 갖는 고주파를 발생시킬 수 있다.
이러한 구성을 갖는 플라스마 발생기(80)에 따르면, 매칭 박스(86)를 통하여 고주파 전원(87)으로부터 안테나(85)로 고주파 전력을 공급하면, 안테나(85)에 의해 전자계가 발생한다. 이 전자계 중 전계 성분은, 패러데이 차폐판(82)에 의해 차폐되기 때문에, 하방으로 전파될 수는 없다. 한편, 자계 성분은 패러데이 차폐판(82)의 복수의 슬릿(82s)을 통하여 플라스마 처리 영역(P3) 내로 전파된다. 이 자계 성분에 의해, 가스 도입 노즐(92)로부터 소정의 유량 비율(혼합 비율)로 플라스마 처리 영역(P3)에 공급되는 Ar/O2/N2 가스로부터 플라스마가 발생한다. 이와 같이 하여 발생되는 플라스마에 의하면, 웨이퍼(W) 상에 퇴적되는 박막에 대한 조사 손상이나, 진공 용기(1) 내의 각 부재의 손상 등을 저감할 수 있다.
여기서, 플라스마 발생기(80)에서 생성되는 플라스마에 의해 활성화되는 Ar/O2/N2 가스에 대하여 설명한다. 일반적으로, 아미노실란 가스를 원료 가스로 하여 실리콘 산화막(SiO2)을 성막하는 경우, 수산기(OH기)가 흡착 사이트가 되어, OH기 상에 아미노실란 가스는 흡착된다. 그러나, 웨이퍼(W)의 표면에 트렌치, 비아 등의 오목부 패턴이 형성되고, 이들 오목부 패턴에 매립 성막을 행하고 싶은 경우에는, 오목부 패턴의 상부의 개구를 막아 내부에 보이드가 형성되지 않도록 하기 위해, 오목부 패턴의 저면으로부터 서서히 상방으로 성막이 진행되는 보텀 업 성막이 선호된다. 이러한 보텀 업 성막을 행하기 위해서는, OH기를 웨이퍼(W)의 표면 상에 형성시키지 않을 필요가 있다. Ar/O2/H2 가스의 조합의 혼합 가스를 플라스마로 활성화시키면, O2/H2로부터 OH기가 생성되고, 웨이퍼(W)의 표면 상에 아미노실란 가스의 흡착 사이트인 OH기가 형성되어 버린다.
한편, 실리콘 산화막의 개질 처리이며, 플라스마를 사용하므로, Ar/O2 가스의 조합을 포함하여, 이들을 활성화시키는 것은 필수이다. 그러나, Ar/O2 가스를 그대로 플라스마화하면, H2를 포함하는 Ar/O2/H2 가스를 플라스마화한 경우보다 균일한 플라스마가 발생하지 않는다고 하는 현상이 발생한다. 이것은, Ar, O2의 여기 에너지가 H2보다 커서, 플라스마화할 때 큰 에너지가 필요로 되는데, 그러한 큰 에너지로 여기ㆍ생성된 플라스마는, 도 8의 안테나(85)의 코너부(85c)에 에너지가 집중하여, 균일한 플라스마를 생성하지 못하는 경향이 있다. 한편, Ar/O2 가스에 H2 가스를 첨가하여 Ar/O2/H2 가스로 하면, H2 플라스마가 안테나(85)의 형상을 따라 안테나(95)의 바로 밑에 균일하게 여기ㆍ생성되고, 그 영향을 받아 Ar/O2 가스의 플라스마도 안테나(85)의 형상을 따라 균일하게 여기ㆍ생성되었을 것으로 생각된다.
Ar/O2 가스에 H2 가스를 혼합하지 않으면, 이러한 플라스마의 불균형이 발생하여, 플라스마 처리의 면내 균일성을 확보할 수 없고, 면내 균일성이 높은 성막 처리를 행할 수 없게 된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 보텀 업 성막을 행하기 위해서는, H2를 혼합할 수는 없다. 따라서, 본 실시 형태에서는, H2 대신에 질소(N2)를 Ar/O2 가스에 혼합하고, Ar/O2/N2 가스를 플라스마화하기로 한다. 질소는, 여기 에너지가 Ar 및 O2보다도 낮아, 질소 플라스마를 여기ㆍ생성하면, 작은 에너지로 안테나(85)의 형상을 따라 안테나(85)의 바로 밑의 위치(진공 용기(1) 내)에 발생한다. 이에 의해, 수소를 첨가하지 않고 균일한 플라스마를 여기ㆍ생성할 수 있고, 수소를 첨가하였을 때와 마찬가지의 면내 균일성을 실현할 수 있다. 또한, 질소는, 성막할 실리콘 산화막의 성분은 아니지만, 원료 가스에 아미노기를 포함하는 아미노실란 가스를 사용함으로써, 질소 라디칼보다도 산소 라디칼의 반응 쪽이 우선되고, 질소 가스는 실리콘 산화막에 들어가지 않으며, 따라서 실리콘 산화막의 품질을 저하시키는 일도 없다. 또한, 이러한 점들의 상세에 대해서는 후술하기로 한다.
도 9는, 반응 가스 노즐(33)과는 상이한 형태의 반응 가스 노즐(34 내지 36)의 일례를 도시한 도면이다. 플라스마 생성용 혼합 가스는, 예를 들어 이러한 복수개의 반응 가스 노즐(34 내지 36)을 사용하여 공급해도 된다.
도 9에 도시되는 바와 같이, 반응 가스 노즐(34)은, 웨이퍼(W)가 배치되는 오목부(24)의 전체를 커버할 수 있어, 웨이퍼(W)의 전체면에 플라스마 처리용 가스를 공급 가능한 노즐이다. 한편, 반응 가스 노즐(35)은, 반응 가스 노즐(34)보다도 약간 상방에, 반응 가스 노즐(34)과 대략 겹치도록 설치된, 반응 가스 노즐(34)의 절반 정도의 길이를 갖는 노즐이다. 또한, 반응 가스 노즐(36)은, 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 부채형의 플라스마 처리 영역(P3)의 서셉터(2)의 회전 방향 하류측의 반경을 따르도록 연장되고, 중심 영역(C) 부근에 도달하면 중심 영역(C)을 따르도록 직선적으로 굴곡된 형상을 갖고 있다. 이후, 구별의 용이를 위해, 전체를 커버하는 반응 가스 노즐(34)을 베이스 노즐(34), 외측만 커버하는 반응 가스 노즐(35)을 외측 노즐(35), 내측까지 연장된 반응 가스 노즐(36)을 축측 노즐(36)이라고 칭해도 되기로 한다.
베이스 노즐(34)은, 플라스마 처리용 혼합 가스(이하, 「플라스마 처리용 가스」라고 칭함)를 웨이퍼(W)의 전체면에 공급하기 위한 가스 노즐이며, 도 7에서 설명한 바와 같이, 플라스마 처리 영역(P3)을 구획하는 측면을 구성하는 돌기부(81b) 쪽을 향하여 플라스마 처리용 가스를 토출한다.
한편, 외측 노즐(35)은, 웨이퍼(W)의 외측 영역에 중점적으로 플라스마 처리용 가스를 공급하기 위한 노즐이다.
축측 노즐(36)은, 웨이퍼(W)의 서셉터(2)의 축측에 가까운 중심 영역에 플라스마 처리용 가스를 중점적으로 공급하기 위한 노즐이다.
이와 같이, 복수개, 예를 들어 3개의 반응 가스 노즐(34 내지 36)을 사용하여 플라스마 처리용 가스를 공급해도 된다.
본 실시 형태에 따른 성막 장치에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 장치 전체의 동작의 컨트롤을 행하기 위한 컴퓨터로 이루어지는 제어부(100)가 설치되어 있고, 이 제어부(100)의 메모리 내에는, 제어부(100)의 제어 하에, 후술하는 성막 방법을 성막 장치에 실시시키는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은 후술하는 성막 방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있고, 하드디스크, 콤팩트디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 매체(102)에 기억되어 있고, 소정의 판독 장치에 의해 기억부(101)로 읽혀져, 제어부(100) 내에 인스톨된다.
[성막 방법]
이어서, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법에 대하여 상술한 성막 장치를 사용하여 행하는 경우를 예로 들어 설명한다. 본 실시 형태에서는, 웨이퍼(W)로서 실리콘 웨이퍼를 사용하기로 하며, 그 실리콘 웨이퍼에는, 도 10의 (a)에 도시하는 바와 같이, 트렌치(T)가 형성되어 있다. 트렌치(T)는, 웨이퍼(W)의 표면(U)에 형성되어 있는 오목부 패턴의 일례이며, 트렌치(T) 외에, 비아 홀 등이 형성되어 있어도 된다. 이와 같이, 웨이퍼(W)의 표면(U)에 형성되어 있는 오목부 패턴은, 형상이나 개수를 불문한다.
또한, 반응 가스 노즐(31)로부터 아미노실란 가스가 공급되고, 반응 가스 노즐(32)로부터 산화 가스로서 O3 가스가 공급되고, 반응 가스 노즐(33)로부터 Ar 가스, O2 가스 및 N2 가스의 혼합 가스(이하, Ar/O2/N2 가스라고 기재함)가 공급되는 것으로 한다. 또한, Ar/O2/N2 가스에 대해서는, Ar의 유량이 압도적으로 많고, N2 가스의 유량은 Ar의 1％ 미만의 유량으로 설정되어 있다. 예를 들어, 도 9에 도시한 3개의 반응 가스 노즐(34 내지 36)을 사용하는 경우에, Ar의 유량을 축측 노즐(36)/메인 노즐(34)/외측 노즐(35)=100/5900/4000sccm으로 하였을 때, O2의 유량을 0/75/0sccm, N2의 유량을 0/0/(5 내지 50)sccm이라는 레벨로 설정한다. 이와 같이, N2의 첨가는 미량이어도 된다. 미량의 N2의 첨가라도, 플라스마의 여기는 N2에 이끌려, 안테나(85)의 형상에 준한 플라스마 여기가 가능하게 된다.
우선, 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하고, 외부로부터 반송 아암(10)(도 3)에 의해 반송구(15)(도 2 및 도 3)를 통하여 웨이퍼(W)를 회전 테이블(2)의 오목부(24) 내에 전달한다. 이 전달은, 오목부(24)가 반송구(15)에 면하는 위치에 정지하였을 때 오목부(24)의 저면의 관통 구멍을 통하여 진공 용기(1)의 저부측으로부터 도시하지 않은 승강 핀이 승강함으로써 행해진다. 이러한 웨이퍼(W)의 전달을, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시켜 행하고, 회전 테이블(2)의 5개의 오목부(24) 내에 각각 웨이퍼(W)를 적재한다.
계속해서 게이트 밸브를 폐쇄하고, 진공 펌프(640)에 의해 도달 가능 진공도까지 진공 용기(1) 내를 배기한 후, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터 분리 가스인 N2 가스를 소정의 유량으로 토출하고, 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72)으로부터도 N2 가스를 소정의 유량으로 토출한다. 이에 수반하여, 압력 제어 수단(650)(도 1)에 의해 진공 용기(1) 내를 미리 설정한 처리 압력으로 제어한다. 이어서, 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.
이후, 반응 가스 노즐(31)(도 2 및 도 3)로부터 아미노실란 가스를 공급하고, 반응 가스 노즐(32)로부터 O3 가스를 공급한다. 또한, 가스 도입 노즐(92)로부터 Ar/O2/N2 가스를 공급하고, 플라스마 발생원(80)의 안테나(85)에 대하여 13.56MHz의 주파수를 갖는 고주파를 예를 들어 4000W의 전력으로 공급한다. 이에 의해, 플라스마 발생원(80)(도 6)과 회전 테이블(2)의 사이의 플라스마 처리 영역(P3)에 있어서 산소 플라스마가 생성된다. 이 산소 플라스마 중에는, 산소 이온이나 산소 라디칼 등의 활성종이나, 고에너지 입자가 생성되어 있다. 또한, 첨가된 여기 에너지가 작은 질소의 작용에 의해, 산소 플라스마는 안테나(85)의 바로 밑에, 안테나(85)의 형상을 따라 균일하게 여기ㆍ생성된다.
회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는, 제1 처리 영역(P1), 분리 영역(D), 제2 처리 영역(P2), 플라스마 처리 영역(P3)(의 하방의 영역), 및 분리 영역(D)을 이 순서대로 반복하여 통과한다(도 3 참조). 제1 처리 영역(P1)에 있어서, 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 표면(U)이나 트렌치(T)의 내면에 아미노실란 가스의 분자 Ms가 흡착되어, 아미노실란의 분자층(61)이 형성된다. 분리 영역(D)을 통과한 후, 제2 처리 영역(P2)에 있어서, 도 10의 (c)에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 표면(U)이나 트렌치(T)의 내면에 흡착된 아미노실란 가스가 O3 가스 분자 Mo에 의해 산화되어, 도 10의 (d)에 도시하는 바와 같이, 트렌치(T)의 내면을 따라 실리콘 산화막(111)의 층이 성막된다. 아미노실란 가스가 산화될 때에는, 부생성물로서 OH기 Hy가 생성되고, 생성된 OH기 Hy는 실리콘 산화막(111)의 표면에 흡착되게 된다.
이어서, 플라스마 발생기(80)의 플라스마 처리 영역(P3)에 웨이퍼(W)가 이르면, 웨이퍼(W)는, 도 10의 (e)에 도시하는 바와 같이 산소 플라스마 Po에 노출된다. 이때, 실리콘 산화막(111)에 흡착된 OH기 Hy의 일부는, 산소 플라스마 Po 중의 예를 들어 고에너지 입자의 충돌에 의해 실리콘 산화막(111)의 층으로부터 탈리한다. 산소 플라스마 Po는, 웨이퍼(W)의 표면(U)이나, 트렌치(T)의 개구 부근에는 도달하기는 하지만, 트렌치(T)의 저부 부근까지는 도달하기 어렵다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 표면(U)과 트렌치(T)의 개구 부근의 측면에 있어서, 비교적 다량의 OH기 Hy가 탈리한다. 그 결과, 도 9의 (e)에 도시하는 바와 같이, 트렌치(T)의 저부 및 저부 부근의 측면에 있어서 OH기 Hy의 밀도가 높고, 트렌치(T)의 개구 및 웨이퍼(W)의 표면(U)을 향하여 밀도가 낮아지도록 OH기 Hy가 분포하게 된다.
여기서, 여기 에너지가 낮은 N2의 영향에 의해, 산소 플라스마는 안테나(85)의 형상을 따라 안테나(85)의 바로 밑에 여기되어, 생성된다. 안테나(85)는, 회전 테이블(2)의 오목부(24)의 반경 방향에 있어서의 전체를 덮도록 형성되어 있으므로, 회전 테이블(2)의 중심측으로부터 외주측까지 균일한 산소 플라스마를 생성할 수 있어, 반경 방향에 있어서 균일한 개질 처리를 행할 수 있다. 또한, 아미노실란 가스가 아미노기를 포함하기 때문에, 질소 라디칼과는 거의 반응하지 않고, 산소 라디칼과의 반응이 우선적으로 발생한다. 따라서, 질소 라디칼이 실리콘 산화막(111)에 혼입되어, 실리콘 산화막(111)의 품질을 저하시키는 일도 없다.
또한, 도 10의 (e)에 도시되는 바와 같이, 산소 플라스마 Po 내에 미량의 질소 플라스마 Pn이 포함되어 있지만, 실리콘 산화막(111)은 아미노실란이 산화되어 형성된 막이기 때문에, 아미노기를 포함하고 있어, 질소의 흡착기로는 되지 않고, 오히려 질소 라디칼을 반발시켜 버린다. 따라서, 질소 라디칼은 실리콘 산화막(111)에 혼입되지 않아, 질소 라디칼에 의해 실리콘 산화막(111)의 품질이 저하되는 일도 없다. 즉, 질소 플라스마는, 산소 플라스마를 균일하게 발생시키는 데에만 기여하고, 실리콘 산화막(111)의 품질 향상에 기여한다. 또한, 플라스마에서 대부분을 차지하는 것은 Ar이지만, Ar은 희가스이며, 플라스마 생성에는 기여하지만, 개질 반응에는 영향을 미치지 않으므로, 도 10의 (e)에 있어서 특별히 도시하지 않았다.
이어서, 회전 테이블(2)의 회전에 의해 웨이퍼(W)가 제1 처리 영역(P1)에 다시 이르면, 반응 가스 노즐(31)로부터 공급되는 아미노실란 가스의 분자 Ms가 웨이퍼(W)의 표면(U)이나 트렌치(T)의 내면에 흡착된다. 이때, 아미노실란 가스의 분자 Ms는, OH기 Hy에 흡착되기 쉽기 때문에, 도 10의 (f)에 도시하는 바와 같이, OH기 Hy의 분포에 따른 분포로 웨이퍼(W)의 표면(U)이나 트렌치(T)의 내면에 흡착된다. 즉, 트렌치(T)의 내면에, 트렌치(T)의 저부 및 저부 부근의 측면에 있어서 밀도가 높고, 트렌치(T)의 개구를 향하여 밀도가 낮아지도록 아미노실란 가스의 분자 Ms가 흡착된다.
또한, 웨이퍼(W)의 표면(U)에는, 균일한 Ar/O2/N2 가스의 플라스마에 의해 균일한 개질 처리가 행해졌기 때문에, 균일하게 아미노실란 가스가 흡착된다.
계속해서, 웨이퍼(W)가 제2 처리 영역(P2)을 통과할 때, 웨이퍼(W)의 표면(U)이나 트렌치(T)의 내면에 흡착된 아미노실란 가스가 O3 가스에 의해 산화되어, 도 11의 (a)에 도시하는 바와 같이, 실리콘 산화막(111)이 더 성막된다. 여기서, 실리콘 산화막(111)의 막 두께 분포는, 트렌치(T)의 내면에 흡착된 아미노실란 가스의 밀도가 반영되게 된다. 즉, 실리콘 산화막(111)은, 트렌치(T)의 저부 및 저부 부근의 측면에 있어서 두꺼워지고, 트렌치(T)의 개구를 향하여 얇게 되어 있다. 그리고, 아미노실란 가스의 산화에 의해 생성된 OH기가 실리콘 산화막(111)의 표면에 흡착된다.
이어서, 웨이퍼(W)가 다시 플라스마 발생기(80)의 플라스마 처리 영역(P3)에 이르면, 상술한 바와 같이, 트렌치(T)의 저부 및 저부 부근의 측면에 있어서 OH기의 밀도가 높고, 트렌치(T)의 개구를 향하여 밀도가 낮아지도록 OH기가 분포하게 된다.
이후, 상술한 프로세스가 반복되면, 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이 실리콘 산화막(111)은 트렌치(T)의 저부부터 두꺼워져 간다. 실리콘 산화막(111)이 더 두꺼워져 가면, 도 11의 (c)와 같이 보이드가 생기지 않고 트렌치(T)가 산화실리콘으로 매립되어, 도 11의 (d)에 도시하는 바와 같이 트렌치(T)의 매립이 완료된다.
이때, 웨이퍼(W)의 표면(U) 상의 실리콘 산화막(111)에 대해서도, 균일한 플라스마 처리에 의해, 면내 균일성이 양호한 막 두께 및 막질을 갖는 실리콘 산화막(111)을 성막할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 따르면, 웨이퍼(W)의 표면(U) 상의 실리콘 산화막(111)의 면내 균일성을 양호하게 유지하면서, 보텀 업 성막을 행할 수 있다. 즉, 플라스마 처리 영역(P3)에서 행해지는 실리콘 산화막(111)의 개질 처리에 있어서, 산소 플라스마를 균일하게 발생시킬 수 있기 때문에, 웨이퍼(W)의 표면(U) 상의 실리콘 산화막(111)을 양호한 면내 균일성으로 성막할 수 있다. 또한, 트렌치(T) 내의 매립에 대해서는, 아미노실란 가스의 산화에 의해 생성되어 산화실리콘막(111)에 흡착된 OH기는, 플라스마 발생기(80)에 의해 생성된 산소 플라스마에 의해, 트렌치(T)의 저부 및 저부 부근의 측면에 있어서 밀도가 높고, 트렌치(T)의 개구를 향하여 밀도가 낮아지도록 분포한다. OH기는, 아미노실란 가스의 흡착 사이트로서 작용하고, OH기의 분포에 따라 아미노실란 가스가 흡착되기 때문에, 아미노실란 가스도 또한 트렌치(T)의 저부 및 저부 부근의 측면에 있어서 밀도가 높고, 트렌치(T)의 개구를 향하여 밀도가 낮아지도록 분포한다. 따라서, 산화실리콘막(111)은, 트렌치(T)의 저부 및 저부 부근의 측면에 있어서 두꺼워지고, 트렌치(T)의 개구를 향하여 얇아지도록 성막된다.
또한, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서는, O2/H2 가스를 플라스마화하여 공급은 하지 않았으므로, OH기를 보충하는 일은 행하지 않았다. 따라서, 웨이퍼(W)의 표면(U) 상의 실리콘 산화막(111)의 막 두께는 얇게 형성되는 경향이 있으며, 이러한 관점에서도, 전체적으로 보텀 업적인 성막으로 되었다고 할 수 있다.
또한, 이러한 성막 처리를 행하기 전에, 웨이퍼(W)의 표면에 하지막으로서 실리콘 산화막이 미리 형성되어 있고, 하지막 상에 도 10에서 설명한 성막 처리를 행하도록 해도 된다. 또한, 실리콘 산화막의 하지막의 형성과, 도 10에서 설명한 성막 처리를 연속적으로 행하도록 해도 된다. 그 경우에는, 예를 들어 하지막의 형성 시에는 플라스마 개질 처리를 행하지 않고, 본 성막 시에 플라스마 개질을 행하는 처리 패턴으로 해도 된다.
[실시예]
이어서, 본 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시하고, 실시 결과의 평가를 행한 실시예에 대하여 설명한다. 또한, 실시예는, 도 9에 도시한 3개의 반응 노즐(34 내지 36)을 갖는 성막 장치를 사용하여 실시하였다.
도 12는, 실시예 1의 실시 결과를 도시한 도면이다. 실시예 1에 있어서는, 도 9에 도시한 3개의 반응 가스 노즐(34 내지 36)을 사용하여 Ar/O2/N2 가스의 공급을 행하였다. 진공 용기(1) 내에는, 제2 처리 영역(P2)에도 프레임 부재(81)를 설치하고, 제2 처리 영역(P2)의 압력을 1.8Torr, 제3 처리 영역(플라스마 처리 영역)(P3)의 압력을 1.9Torr로 설정하였다. 웨이퍼(W)의 온도는 400℃로 설정하였다. 원료 가스는, 유기 아미노실란 가스의 1종인 디이소프로필아미노실란(DIPAS)을 사용하고, 50sccm의 유량으로 공급하였다. 산화 가스로서는, 오존 가스를, 농도 300g/Nm3, 유량 6000sccm으로 공급하였다. 플라스마 처리 영역(P3)에 있어서는, 축측 노즐(36)/메인 노즐(34)/외측 노즐(35)로부터, Ar을 100/5900/4000sccm의 유량, O2를 0/75/0sccm, N2를 0/Y/0sccm의 유량으로 공급하였다. 여기서, N2의 메인 노즐(34)로부터의 유량 Y는, 5, 10, 25, 50sccm의 4종류로 설정하였다. 고주파 전원(87)의 출력은 4000W로 설정하고, 회전 테이블(2)의 회전 속도는 5rpm으로 설정하였다. 그리고, 4128초간, 실리콘 산화막(111)의 성막을 행하였다. 또한, 실시예 1에 있어서는, 표면(U)에 트렌치(T) 등의 오목부 패턴은 형성되지 않은 웨이퍼(W)를 사용하여 평가를 행하였다.
도 12의 (a)는, X축, Y축의 설명을 하기 위한 도면이다. 회전 테이블(2)의 오목부(24) 상에 웨이퍼(W)가 적재되어 성막이 행해지지만, 도 12의 (a)에 도시되는 바와 같이, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따른 방향을 X축 방향, 반경 방향을 따른 방향을 Y축 방향으로 설정하였다.
도 12의 (b)가 X축 방향에 있어서의 웨이퍼(W) 상에 성막된 실리콘 산화막(111)의 막 두께, 도 12의 (c)가 Y축 방향에 있어서의 웨이퍼(W) 상에 성막된 실리콘 산화막(111)의 막 두께를 도시하고 있다. 도 12의 (a)에 도시되는 바와 같이, X축 방향에 있어서는 좌측이 원점, 우측이 300mm로 설정되고, Y축 방향에 있어서는, 중심축측이 원점, 외주측이 300mm로 설정되어 있다.
도 12의 (d)는, 도 12의 (b), (c)의 그래프에 있어서의 N2의 메인 노즐(34)로부터의 유량을 도시하고 있고, 0, 5, 10, 25, 50sccm으로 설정되어 있고, 각각이 곡선 J, K, L, M, N으로 표시되어 있다. 또한, N2의 유량이 0인 곡선 J는 비교예이다.
도 12의 (b)에 도시되는 바와 같이, X축 방향에 대해서는, 곡선 J 내지 N 중 어느 N2의 첨가량에 있어서도, 막 두께는 거의 일정하고, 양호한 면내 균일성을 나타내고 있다. X축 방향에 있어서는, 어느 좌표라도 이동 속도는 일정하므로, 동일한 유량의 N2라면, 좌표의 상위에 따라 막 두께에 차가 발생하는 일은 적으므로, 면내 균일성은 특별히 문제가 없다.
한편, Y축 방향에 있어서는, 중심축측의 위치와 외주측의 위치에서 이동 속도가 상이하며, 외주측의 위치가 중심축측의 위치보다 이동 속도가 빠르므로, 일반적으로 막 두께에도 차가 발생하기 쉽지만, 도 12의 (c)에 도시되는 바와 같이, N2의 유량이 5sccm인 곡선 K, 10sccm인 곡선 L은, 면내 균일성의 지표가 3.60％, 4.66％로 양호한 결과를 나타내고 있다(낮은 쪽이 면내 균일성은 양호함).
이와 같이, 실시예 1의 결과로부터, Ar/O2 가스에 소량의 N2를 첨가함으로써, 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있음이 나타났다. 또한, N2의 첨가량은, 첨가량이 적을수록 양호한 면내 균일성이 얻어졌다는 점에서, Ar의 유량에 대하여, 0％보다 크고 1％ 미만, 바람직하게는 0.1％ 미만의 유량비 또는 혼합 비율인 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 13은, 실시예 2에서 사용한 웨이퍼(W)의 트렌치(T)의 형상에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 실시예 2에 있어서는, 트렌치(T) 내의 성막의 스텝 커버리지성에 대하여 평가를 행하였다. 도 13에 도시되는 바와 같이, 개구폭 43.6nm, 깊이 331.1nm, 애스펙트비 7.5 내지 8의 트렌치(T)에 대하여, 20nm의 막 두께의 매립 성막을 행하였다. 또한, 트렌치(T)의 깊이 방향에 있어서의 위치에 대하여, 웨이퍼(W)의 표면(U)을 TOP, 표면(U)보다도 약간 하방의 위치를 TOP-SIDE, 한가운데 부근을 MID, 저면을 BTM으로 하였다.
실시예 2의 실시 조건은 실시예 1과 마찬가지이며, Ar/O2 가스에 첨가하는 N2의 유량에 대해서는, 0, 5, 50sccm의 3종류에 대하여 행하였다.
도 14는, 실시예 2의 실시 결과를 도시한 도면이다. 도 14에 도시되는 바와 같이, N2의 첨가량이 0, 5sccm, 50sccm의 어느 패턴에 있어서도, 저면의 스텝 커버리지가 가장 크고, TOP에 접근함에 따라 스텝 커버리지가 감소하여, 보텀 업 성막이 이루어져 있음이 나타났다.
도 15는, 실시예 3의 실시 결과를 도시한 도면이다. 실시예 3에 있어서는, 트렌치(T) 내의 실리콘 산화막에 대하여 습식 에칭을 행하여, 실리콘 산화막의 에칭 특성에 영향을 미치지 않는가 하는 평가를 행하였다. 실시예 3의 실시 조건은 실시예 1과 마찬가지이다. 도 15에 도시되는 바와 같이, N2를 첨가한 경우(우측 2개)도, N2를 첨가하지 않은 경우(좌측단)와 거의 동일한 에칭 두께가 얻어져, 에칭 특성에 대해서도 문제가 없음이 확인되었다.
도 16은, 실시예 4의 실시 결과를 도시한 도면이다. 실시예 4에 있어서는, 트렌치(T) 내의 실리콘 산화막(111)의 스트레스(응력) 평가를 행하였다. 실시예 4의 실시 조건은 실시예 1과 마찬가지이다. 도 16에 있어서, 종축의 플러스측이 인장 응력, 마이너스측이 압축 응력을 나타내고 있다. N2를 첨가하지 않는 경우(좌측단), N2를 5sccm 첨가한 경우(중앙), N2를 50sccm 첨가한 경우(우측단)에 대하여 거의 동일한 결과가 얻어져, N2를 첨가한 경우에도 전혀 실리콘 산화막(111)의 스트레스 특성에 영향이 없음이 나타났다.
도 17은, 실시예 5의 실시 결과를 도시한 도면이다. 실시예 5에 있어서는, 트렌치(T) 내의 실리콘 산화막(111)의 굴절률에 대하여 평가를 행하였다. 실시예 5의 실시 조건은 실시예 1과 마찬가지이다. 도 17에 있어서, 굴절률과 그 면내 균일성이 종축에 도시되어 있다. 도 17에 도시되는 바와 같이, N2를 첨가하지 않은 경우(좌측단), N2를 5sccm 첨가한 경우(중앙), N2를 50sccm 첨가한 경우(우측단)에 대하여 동일한 굴절률 1.463이 얻어지고, 면내 균일성에 대해서도 0.03 또는 0.05로 거의 동일한 결과가 얻어져, N2를 첨가한 경우에도 전혀 실리콘 산화막(111)의 굴절률에 영향이 없음이 나타났다.
이와 같이, 실시예 1 내지 5로부터, 소량의 N2를 Ar/O2에 첨가하여 실리콘 산화막(111)의 개질 처리를 행하는 경우라도, 전혀 실리콘 산화막(111)의 특성에는 영향을 주지 않고, 보텀 업 성막을 행하면서, 면내 균일성을 향상시킬 수 있음이 나타났다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태 및 실시예에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고, 상술한 실시 형태 및 실시예에 다양한 변형 및 치환을 가할 수 있다.
1: 진공 용기
2: 회전 테이블
4: 볼록 형상부
5: 돌출부
7: 히터 유닛
10: 반송 아암
11: 천장판
12: 용기 본체
15: 반송구
21: 코어부
24: 오목부(기판 적재부)
31, 32, 33, 34, 35, 36: 반응 가스 노즐
41, 42: 분리 가스 노즐
43: 홈부
44: (낮은) 천장면
45: (높은) 천장면
51: 분리 가스 공급관
610, 620: 배기구
640: 진공 펌프
71: 퍼지 가스 공급관
80: 플라스마 발생기
83: 패러데이 차폐판
85: 안테나
87: 고주파 전원
111: 실리콘 산화막
C: 중심 영역
D: 분리 영역
E1, E2: 배기 영역
Ms: 아미노실란 가스(제1 반응 가스)의 분자
Mo: 오존 가스(제2 반응 가스)의 분자
Hy: OH기
T: 트렌치
W: 웨이퍼

Claims (13)

  1. 오목부 패턴이 형성된 기판의 표면 상에 실리콘 산화막을 성막하는 성막 방법이며,
    상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정과,
    상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 산화 가스를 공급하여, 상기 기판의 표면 상에 흡착된 상기 아미노실란 가스를 산화시켜 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에 실리콘 산화막층을 퇴적시키는 공정과,
    상기 실리콘 산화막층에, 산소, 아르곤 및 질소를 포함하는 혼합 가스를 플라스마에 의해 활성화하여 공급하여, 상기 실리콘 산화막층의 개질 처리를 행하는 공정을 갖는, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질소는, 상기 아르곤의 1％ 미만의 혼합 비율인, 성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정, 상기 실리콘 산화막을 퇴적시키는 공정 및 상기 실리콘 산화막의 개질 처리를 행하는 공정은, 주기적으로 반복되는, 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정과 상기 실리콘 산화막을 퇴적시키는 공정의 사이, 및 상기 실리콘 산화막의 개질 처리를 행하는 공정과 상기 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정의 사이에는, 상기 기판의 표면 상에 제1 및 제2 퍼지 가스를 공급하는 공정이 각각 설정되어 있는, 성막 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정, 상기 제1 퍼지 가스를 공급하는 공정, 상기 실리콘 산화막을 퇴적시키는 공정, 상기 실리콘 산화막의 개질 처리를 행하는 공정 및 상기 제2 퍼지 가스를 공급하는 공정은, 상기 오목부 패턴에 상기 실리콘 산화막층이 충전될 때까지 반복되는, 성막 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 기판은, 처리실 내에 설치된 회전 테이블 상의 둘레 방향을 따라 배치되고,
    상기 처리실 내의 상기 회전 테이블의 상방에는, 상기 회전 테이블의 회전 방향을 따라 아미노실란 가스 흡착 영역과, 제1 퍼지 가스 공급 영역과, 산화 가스 공급 영역과, 개질 영역과, 제2 퍼지 가스 공급 영역이 설정되고, 상기 회전 테이블을 회전시킴으로써 상기 아미노실란 가스를 흡착시키는 공정, 상기 제1 퍼지 가스를 공급하는 공정, 상기 실리콘 산화막을 퇴적시키는 공정, 상기 실리콘 산화막의 개질 처리를 행하는 공정 및 상기 제2 퍼지 가스를 공급하는 공정이 주기적으로 반복되는, 성막 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질소는, 질소 함유 가스를 상기 혼합 가스에 첨가함으로써 공급되는, 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 질소 함유 가스는 N2, N2O, NO, NO2를 포함하는, 성막 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합 가스는 수소를 포함하지 않는, 성막 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 아미노실란 가스는 유기 아미노실란 가스인, 성막 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화 가스는 오존 또는 산소를 포함하는, 성막 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라스마는 안테나를 사용하여 발생시킨 유도 결합형 플라스마인, 성막 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판의 표면에는 실리콘 산화막으로 이루어지는 하지막이 미리 형성되어 있는, 성막 방법.
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