KR20190105511A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 원자층 퇴적법에 의해, 높은 생산성을 유지하면서 막 두께가 얇아도 면내 균일성이 높은 막을 성막할 수 있는 기술을 제공한다. 피처리체 상에 성막 원료 가스와 반응 가스를 교대로 공급해서 원자층 퇴적법으로 미리 결정된 막을 성막 방법에서는, 상기 성막 원료 가스의 흡착이 발생하는 제1 온도에서 원자층 퇴적법에 의한 성막을 개시하고, 상기 제1 온도를 상승시키면서 원자층 퇴적법에 의한 성막을 계속하고, 상기 성막 원료 가스의 분해가 발생하는 제2 온도에서 원자층 퇴적법에 의한 성막을 종료한다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM-FORMING METHOD AND FILM-FORMING APPARATUS}
본 발명은 원자층 퇴적법(ALD법)에 의한 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체 디바이스의 미세화·집적화의 진전에 수반하여, 얇고 균일한 막을 높은 스텝 커버리지로 성막하는 것이 요구되고 있으며, 그를 위한 방법으로서, 종래의 화학 증착법(CVD법) 대신에, 성막 원료의 흡착을 이용한 ALD법이 주목받고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 종형의 뱃치식 열처리 장치에 있어서, 실리콘 원료 가스와 질화 가스를 교대로 공급해서 ALD법에 의해 실리콘 질화막(SiN막)을 성막하는 기술이 제안되어 있다.
순수한 ALD법은, 성막 원료(전구체)를 흡착 가능한 비교적 저온에서 행해지고, 또한 성막 원료가 분해하지 않는 온도에서 행해지기 때문에, 피처리체의 표면 온도에 변동이 있어도 동일한 사이클 레이트로 균일한 막을 높은 스텝 커버리지로 성막할 수 있다. 그러나, 순수한 ALD법에는, 성막 레이트가 느리고, 생산성이 낮다는 문제가 있다. 이 때문에, 실제의 SiN막의 성막에서는, 성막 온도를 Si 원료 가스의 분해가 발생하는 비교적 고온으로 해서, CVD 반응도 발생하도록 하여 ALD 성막을 행하고 있다. 또한, 고온 성막으로 함으로써, 불순물이 적은 양호한 막질의 막을 얻을 수 있다.
그러나, 이와 같이 비교적 고온에서 ALD 성막을 행하는 경우, 막 두께가 얇은 막을 양호한 면내 균일성으로 성막하는 것이 곤란한 경우가 발생한다.
막 두께가 얇은 SiN막을 양호한 면내 균일성으로 성막할 수 있는 기술로서, 특허문헌 2에는, 피처리체의 표면에 아미노실란계 가스를 공급해서 시드층을 형성하고, 그 위에 ALD법에 의해 SiN막을 성막하는 성막 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2006-49809호 공보 일본 특허 공개 제2012-146955호 공보
그런데, 특허문헌 2의 기술에서는, 막 두께가 얇은 SiN막을 양호한 면내 균일성으로 성막할 수 있기는 하지만, 시드층을 형성하는 부가적인 공정을 갖기 때문에, 생산성 향상의 요구를 충분히 만족시킬 수 없을 가능성이 있다.
따라서, 본 발명은, 원자층 퇴적법에 의해, 높은 생산성을 유지하면서 막 두께가 얇아도 면내 균일성이 높은 막을 성막할 수 있는 기술을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 관점은, 피처리체 상에 성막 원료 가스와 반응 가스를 교대로 공급해서 원자층 퇴적법으로 미리 결정된 막을 성막하는 성막 방법으로서, 상기 성막 원료 가스의 흡착이 발생하는 제1 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 개시하고, 상기 제1 온도를 상승시키면서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 계속하고, 상기 성막 원료 가스의 분해가 발생하는 제2 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 종료하는 성막 방법을 제공한다.
본 발명의 제2 관점은, 피처리체 상에 성막 원료 가스와 반응 가스를 교대로 공급해서 원자층 퇴적법으로 미리 결정된 막을 성막하는 성막 장치이며, 상기 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 상기 성막 원료 가스와 상기 반응 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 피처리체를 가열하는 가열 기구와, 상기 처리 용기 내를 배기해서 감압 상태로 하는 배기 기구와, 상기 가스 공급부, 상기 가열 기구 및 상기 배기 기구를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 성막 원료 가스의 흡착이 발생하는 제1 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 개시시키고, 상기 제1 온도를 상승시키면서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 계속시키고, 상기 성막 원료 가스의 분해가 발생하는 제2 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 종료시키도록 제어하는 성막 장치를 제공한다.
본 발명의 제3 관점은, 컴퓨터 상에서 동작하여, 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 프로그램은, 실행 시에, 상기 제1 관점의 성막 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 성막 장치를 제어시키는 기억 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 성막 원료 가스의 흡착만이 발생하는 온도에서 원자층 퇴적법에 의한 성막을 개시하여, 온도를 상승시키면서 원자층 퇴적법에 의한 성막을 계속하고, 성막 원료 가스의 분해가 발생하는 온도에서 원자층 퇴적법에 의한 성막을 종료하므로, 높은 생산성을 유지하면서 막 두께가 얇아도 면내 균일성이 좋은 막을 성막할 수 있다.
도 1은 ALD법에 의한 성막을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 성막 온도와 사이클 레이트(성막 레이트)의 관계에서, ALD 영역, ALD+CVD 영역, CVD 영역을 도시하는 도면이다.
도 3은 종래의 세미 ALD 프로세스 시의 온도 프로파일과 웨이퍼의 온도 분포를 도시하는 도면이다.
도 4는 웨이퍼 온도와 Si 전구체의 흡착량의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 5는 종래의 세미 ALD 프로세스를 사용한 경우의 SiN막의 막 두께 분포를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성막 방법의 온도 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성막 방법을 행한 경우의 SiN막의 막 두께 분포의 추이를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 적용 가능한 성막 장치의 일례를 도시하는 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 적용 가능한 성막 장치의 일례를 나타내는 수평 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
<SiN막에 대한 적용예>
본 발명에 따른 성막 방법을 SiN막의 성막에 적용한 예에 대해서 설명한다. 여기에서는, 피처리체로서 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 웨이퍼라고 기재함)(W)를 사용하고, 그 위에 ALD법에 의해 SiN막을 성막한다.
순수한 ALD법에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 처리 용기 내에 웨이퍼(W)를 배치한 상태에서, 처리 용기 내에 성막 원료 가스인 Si 원료 가스(Si 전구체)를 공급하여, 피처리체의 피처리면에 흡착시키는 공정(스텝 1)과, 잔류 가스를 처리 용기로부터 배출시키는 공정(퍼지 공정)(스텝 2)과, 처리 용기 내에 반응 가스인 질화 가스를 공급해서 흡착된 Si 원료 가스를 질화하는 공정(스텝 3)과, 잔류 가스를 처리 용기로부터 배출시키는 공정(퍼지 공정)(스텝 4)을 1 사이클로 하여, 이 사이클을 복수회 반복한다.
스텝 1에서는, Si 전구체를 공급함으로써, 피처리면의 흡착 사이트에 1 원자층의 Si 전구체가 흡착된다.
스텝 2에서는, 스텝 1 종료 후에 잔류 가스로서 존재하는 미반응 Si 전구체 및 반응 생성물을 불활성 가스에 의한 퍼지 등에 의해 처리 용기로부터 배출하여, 청정한 반응 사이트를 형성한다.
스텝 3에서는, 질화 가스를 공급함으로써, 흡착된 1 원자층의 Si 전구체에 질화 가스가 흡착되어, Si 전구체와 질화 가스가 반응한다.
스텝 4에서는, 스텝 3 종료 후에 잔류 가스로서 존재하는 미반응의 질화 가스 및 반응 생성물을 불활성 가스에 의한 퍼지 등에 의해 처리 용기로부터 배출하여, 청정한 흡착 사이트를 형성한다.
Si 전구체로서는, 디클로로실란(DCS; SiH2Cl2), 모노클로로실란(MCS; SiClH3), 트리클로로실란(TCS; SiHCl3), 실리콘테트라클로라이드(STC; SiCl4), 헥사클로로디실란(HCD; Si2Cl6) 등의 염소 함유 실란계 화합물을 적합하게 사용할 수 있다. 이들 중에서는 HCD가 바람직하다.
또한 질화 가스로서는, 암모니아(NH3) 가스, 히드라진(N2H4) 가스, 그의 유도체, 예를 들어 모노메틸히드라진(MMH) 가스 등을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 순수한 ALD법은, 성막 원료(전구체)를 흡착 가능한 비교적 저온에서 행하여지고, 또한 성막 원료가 분해하지 않는 온도에서 행해지기 때문에, 피처리체의 표면 온도에 변동이 있어도 동일한 사이클 레이트로 균일한 막을 높은 스텝 커버리지로 성막할 수 있지만, 사이클 레이트(성막 레이트)가 작아, 생산성이 낮다는 문제가 있다. 한편, CVD법에서는, 일반적으로 성막 원료의 거의 전부가 분해하는 온도에서 성막을 행하기 때문에 생산성이 높지만, 균일성이나 스텝 커버리지가 나쁘다는 문제가 있다. 이 때문에, 종래는, 성막 온도를 Si 전구체의 일부에 분해가 발생하는 비교적 고온으로 해서, CVD 반응도 발생시켜 성막 레이트(사이클 레이트)가 높은 조건, 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, ALD 영역인 영역 I와 CVD 영역인 영역 III의 사이의 영역 II의 ALD+CVD의 조건에서 세미 ALD 프로세스를 행하고 있다. 이에 의해, 균일성이나 스텝 커버리지가 우수한 ALD법의 이점과, 생산성이 높은 CVD법의 이점을 겸비한 성막을 행할 수 있다.
예를 들어, Si 전구체로서 HCD 가스를 사용하고, 질화 가스로서 NH3 가스를 사용한 경우, HCD 가스가 흡착 가능한 550℃ 정도에서 ALD 성막을 행할 수 있지만, 종래는, HCD 가스의 분해가 발생하는 온도(CVD 반응이 발생하는 온도), 예를 들어 630℃에서 ALD 사이클을 실시하고 있다.
이 세미 ALD 프로세스에 대해서 뱃치식 열처리 장치를 예로 들어 설명한다. 뱃치식 열처리 장치에서는, 처리 용기 내에 복수의 웨이퍼를 웨이퍼 보트에 탑재한 상태에서 처리 용기에 삽입한 후, 도 3에 도시하는 온도 프로파일을 사용해서 성막을 행한다. 즉, 처리 용기의 외측에는 가열 장치가 마련되고, 가열 장치는 처리 용기 내가 예를 들어 630℃로 되도록 설정되어 있고, 웨이퍼의 온도는, 웨이퍼 보트가 처리 용기에 삽입되었을 때의 약 500℃부터 설정 온도의 630℃까지 승온되어, 630℃에서 온도 안정화가 도모되고, 웨이퍼를 그 온도로 유지한 상태에서, 실제의 ALD 프로세스가 개시된다.
뱃치식 열처리 장치의 경우, 가열 장치가 처리 용기의 외주에 마련되어 있기 때문에, 웨이퍼에의 열전달은, 에지로부터 센터를 향해서 이루어진다. 따라서, 도 3에 도시한 바와 같이, 500℃에서 630℃로 온도가 상승할 때까지의 동안에, 웨이퍼 센터부보다도 에지부의 온도가 높은 온도 분포로 된다. 이 때문에, 630℃에서 온도를 안정화하여, 최대한 온도를 균일하게 하고나서 성막을 개시한다.
그러나, 가열 장치가 처리 용기의 외측에 마련되어 있기 때문에, 온도 안정화 기간을 마련해도, 웨이퍼 센터부보다도 에지부의 온도가 높은 온도 분포는 완전히는 해소되지 않는다.
한편, Si 전구체가 분해하는 온도(CVD 반응이 발생하는 온도)에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)에 대한 Si 전구체의 흡착량은 온도가 높을수록 증가한다.
따라서, CVD 반응이 발생하는 온도, 예를 들어 630℃에서의 성막에서는, 성막 초기에 있어서, 웨이퍼 에지부가 Si 전구체의 흡착량이 더 많아, 웨이퍼 에지부에 대하여 웨이퍼 센터부의 성막이 지연된다. 세미 ALD 프로세스에서 얇은 막을 성막하는 경우, 성막 초기의 막 두께 분포, 특히, 최초의 전구체 흡착 시의 흡착량의 분포가 최종적인 막 두께 분포에 큰 영향을 미치기 때문에, HCD 가스를 사용한 종래 630℃에서의 세미 ALD 프로세스에서는, 성막된 SiN막의 막 두께 분포는, 도 5에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)의 에지부가 두껍고 센터부가 얇은 오목형의 분포로 되기 쉽다. 이 때문에, 막 두께가 얇은 막을 양호한 면내 균일성으로 성막하는 것이 곤란한 경우가 발생한다. 그리고, 이러한 면내 균일성의 악화는 성막 온도가 높을수록 커져, HCD 가스가 거의 완전히 분해하는 온도, 예를 들어 700℃ 이상이 되면, 막 두께의 면내 균일성이 악화되기 쉬운 웨이퍼 보트의 상부에서 막 두께의 면내 변동(불균일성)이 630℃일 때의 2배 이상으로 되어버린다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 생산성과 막 두께 균일성을 양립시키기 위해, 성막 개시 온도를, 순수한 ALD법에 의한 성막 온도와 마찬가지의, 전구체의 흡착만이 발생하고, 분해가 발생하지 않는 저온으로 해서, 온도를 상승(램프 업)시키면서 ALD 성막을 계속하고, 전구체의 분해가 발생하는 미리 결정된 온도에서 성막을 종료한다. 이때, ALD의 수순은, 스텝 1의 흡착량이 온도에 따라 변화하는 것 이외는, 상술한 순수한 ALD 성막의 스텝 1 내지 4의 사이클을 복수회 반복함으로써 행하여진다.
구체적으로는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 성막 개시 온도인 X(℃)에서 온도 안정화 처리를 행한 후, 그 온도에서 성막을 개시하고, 온도를 상승시키면서, 성막 종료 온도 Y(℃)까지 기간 Z(min)의 기간 ALD 성막을 행한다. X, Y, Z를 적절히 설정함으로써, 원하는 성막을 행할 수 있다. 성막 종료 온도 Y(℃)가 된 시점에서 성막을 종료해도 되지만, 성막하는 막의 막 두께에 따라서는, Y(℃)에서 미리 결정된 시간 ALD 성막을 계속해도 된다. 또한, 도 6에서는, 편의상, 직선형으로 승온시키는 예에 대해서 도시하고 있지만, 반드시 직선형에 제한하지는 않는다.
Si 전구체로서 HCD를 사용하고, 질화 가스로서 NH3 가스를 사용한 경우, 성막 개시 온도 X의 바람직한 범위는 530 내지 570℃, 예를 들어 550℃이고, 성막 종료 온도 Y의 바람직한 범위는 610 내지 650℃, 예를 들어 630℃이고, 성막 기간 Z는 막 두께에 따라 결정되는 적절한 시간이 된다.
다른 조건으로서는, 이하의 범위가 예시된다.
압력: 133 내지 1333Pa(1 내지 10Torr)
HCD 가스 유량: 10 내지 1000sccm
NH3 가스 유량: 100 내지 10000sccm
스텝 1의 시간: 0.1 내지 5min
스텝 2의 시간: 0.1 내지 10min
스텝 3의 시간: 0.1 내지 5min
스텝 4의 시간: 0.1 내지 10min
또한, 사이클수는 막 두께에 따라 변화하지만, 예를 들어 10 내지 100회이다.
본 실시 형태의 성막 방법에 의하면, 최종적인 막 두께 분포에 큰 영향을 미치는 최초의 전구체 흡착 시의 온도는, 흡착만 발생하고 분해가 발생하지 않는 저온(예를 들어 550℃)이므로, 전구체의 흡착량의 분포를 균일하게 할 수 있고, 도 7의 (a)에 도시하는 바와 같이, 성막 초기에서의 면내 막 두께 균일성을 높게 할 수 있다. 초기 단계에서 균일한 막이 형성되면, 도 7의 (b), (c)에 도시하는 바와 같이, 그 후 성막 온도를 600℃, 630℃로 상승시켜도 면내의 막 두께 균일성이 유지되어, 막 두께가 얇은 경우에도 최종적으로 면내 막 두께 균일성이 높은 막을 형성할 수 있다. 또한, 성막 초기에는 전구체의 분해가 발생하지 않는 저온에서 성막하기 때문에 사이클 레이트(성막 레이트)는 낮지만, 성막 기간에 온도를 전구체의 분해가 발생하는 온도까지 상승시키므로, 사이클 레이트(성막 레이트)를 상승시킬 수 있어, 생산성의 저하를 억제할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 의해 생산성과 면내 막 두께 균일성을 양립시킬 수 있다.
뱃치식 열처리 장치의 경우, 종래는, 상술한 바와 같이, 웨이퍼 보트의 상부에서 성막하는 막의 웨이퍼 면내의 막 두께 균일성이 악화되기 쉬운 경향이 있었다. 이것은, 웨이퍼 보트의 상부일수록 전구체의 공급량이 감소하는 경향이 있기 때문이라고 생각된다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 성막 초기에서의 막 두께의 균일성이 높으므로, 웨이퍼 보트의 상부에서도 웨이퍼 면내의 막 두께 균일성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 이와 같이 웨이퍼 보트의 상부에서의 면내 막 두께 균일성이 양호해짐으로써, 웨이퍼면간의 막 두께 균일성도 양호해진다.
이어서, 실제로, 뱃치식 열처리 장치에서, Si 전구체로서 HCD 가스, 질화 가스로서 NH3 가스를 사용하여, 종래의 방법 및 본 실시 형태의 방법에 의해 SiN막을 성막하였다.
이 때의 조건은 이하와 같이 하였다.
(공통 조건)
압력: 133Pa(1Torr)
HCD 가스 유량: 300sccm
NH3 가스 유량: 5000sccm
(종래의 방법의 조건)
성막 온도: 630℃
성막 시간: 60min
사이클수: 20회
(본 실시 형태의 방법의 조건)
성막 개시 시의 온도 X: 550℃
성막 종료 시의 온도 Y: 630℃
성막 시간 Z: 60min
사이클수: 20회
이들에 대해서, 막 두께 및 막 두께의 균일성을 구하였다.
그 결과, 막 두께의 평균값은, 종래의 방법에서는 31.8nm, 본 실시 형태의 방법에서는 28.2nm이었다. 또한, 웨이퍼 보트의 상부의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성(변동 레인지)은, 종래의 방법에서는 3.18％, 본 실시 형태의 방법에서는 1.98％이었다. 이것으로부터, 양자의 평균 막 두께가 큰 차이 없는 조건에서, 본 실시 형태의 방법이 종래의 방법보다도 웨이퍼 보트의 상부에서의 면내 막 두께 균일성이 더 양호한 것이 확인되었다. 또한, 웨이퍼의 면간 막 두께 균일성(변동 레인지)은, 종래의 방법에서는 1.94％, 본 실시 형태에서는 1.24％이었다. 이것으로부터, 면간 막 두께 균일성에 대해서도 본 실시 형태의 방법이 종래의 방법보다도 더 양호한 것이 확인되었다.
<처리 장치>
이어서, 상기 실시 형태에 따른 성막 방법에 적용 가능한 성막 장치의 일례에 대해서 설명한다. 도 8은 상기 실시 형태에 따른 성막 방법에 적용 가능한 성막 장치의 일례를 도시하는 종단면도, 도 9는 그 수평 단면도이다.
본 예의 성막 장치(100)는, 핫월 타입의 종형 뱃치식 열처리 장치로서 구성되어 있고, 외부관(101a) 및 내부관(101b)으로 이루어지는 이중관 구조의 반응관으로서 구성된 천장이 있는 처리 용기(101)를 갖고 있다. 이 처리 용기(101)의 전체는, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있다. 처리 용기(101)의 내부관(101b) 중에는, 50 내지 150매의 웨이퍼(W)가 다단으로 적재된 석영제의 웨이퍼 보트(105)가 배치된다. 처리 용기(101)의 외측에는, 하면측이 개구되는 대략 원통형의 본체부(102)가 마련되어 있고, 본체부(102)의 내벽면에는, 둘레 방향에 걸쳐서 히터를 갖는 가열 기구(152)가 마련되어 있다. 본체부(102)는 베이스 플레이트(112)에 지지되어 있다.
처리 용기(101)의 외부관(101a)의 하단 개구부에는, 예를 들어 스테인레스 스틸에 의해 원통체 형상으로 성형된 매니폴드(103)가 O링 등의 시일 부재(도시하지 않음)를 개재해서 연결되어 있다.
상기 매니폴드(103)는, 처리 용기(101)의 외부관(101a)을 지지하고 있고, 이 매니폴드(103)의 하방으로부터, 웨이퍼 보트(105)가, 처리 용기(101)의 내부관(101b) 내에 삽입된다. 매니폴드(103)의 저부는 덮개부(109)에 의해 닫히도록 되어 있다.
웨이퍼 보트(105)는, 석영제의 보온통(107)에 적재되어 있고, 보온통(107)에는 덮개부(109)를 관통해서 회전축(110)이 설치되어 있고, 회전축(110)은 모터 등의 회전 구동 기구(113)에 의해 회전 가능하게 되어 있다. 이에 의해, 회전 구동 기구(113)에 의해, 보온통(107)을 통해서 웨이퍼 보트(105)를 회전 가능하게 되어 있다. 또한, 보온통(107)을 상기 덮개부(109)측에 고정해서 마련하여, 웨이퍼 보트(105)를 회전시키지 않고 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 된다.
처리 장치(100)는, 각종 가스를 공급하는 가스 공급 기구(120)를 갖고 있다. 가스 공급 기구(120)는, Si 전구체인 HCD 가스를 공급하는 HCD 가스 공급원(121), 질화 가스인 NH3 가스를 공급하는 NH3 가스 공급원(122), 불활성 가스인 N2 가스를 공급하는 N2 가스 공급원(125)을 갖고 있다.
HCD 가스 공급원(121)에는, 배관(126)이 접속되고, 배관(126)에는, 매니폴드(103) 및 처리 용기(101)의 내부관(101b)의 측벽을 관통해서 내부관(101b) 내에서 상측 방향으로 굴곡되어 수직으로 연장되는 석영제의 가스 분산 노즐(127)이 접속되어 있다. NH3 가스 공급원(122)에는, 배관(128)이 접속되고, 배관(128)에는, 매니폴드(103) 및 내부관(101b)의 측벽을 관통해서 내부관(101b) 내에서 상측 방향으로 굴곡되어 수직으로 연장되는 석영제의 가스 분산 노즐(129)이 접속되어 있다. N2 가스 공급원(125)에는, 배관(134)이 접속되고, 배관(134)에는, 매니폴드(103) 및 내부관(101b)의 측벽을 관통해서 처리 용기(101) 내에 이르는 직선형을 이루는 석영제의 가스 노즐(135)이 접속되어 있다.
배관(126)에는, 개폐 밸브(126a) 및 그 상류측에 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(126b)가 마련되어 있다. 또한, 배관(128, 134)에도 마찬가지로, 각각 개폐 밸브(128a, 134a) 및 유량 제어기(128b, 134b)가 마련되어 있다.
가스 분산 노즐(127 및 129)의 수직 부분에는, 웨이퍼 보트(105)의 웨이퍼 지지 범위에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서, 각 웨이퍼(W)에 대응해서 미리 결정된 간격으로 복수의 가스 토출 구멍(127a 및 129a)이 형성되어 있다(도 8에서는 가스 토출 구멍(129a)만 도시). 이에 의해, 각 가스 토출 구멍(127a 및 129a)으로부터 수평 방향으로 처리 용기(101)를 향해서 대략 균일하게 가스를 토출할 수 있다.
처리 용기(101)의 내부관(101b)의, 가스 분산 노즐(127 및 129)의 배치 위치에 대향하는 부분에는, 처리 용기(101) 내를 진공 배기하기 위한 배기구(147)가 마련되어 있다. 이 배기구(147)는, 웨이퍼 보트(105)에 대응해서 상하로 가늘고 길게 형성되어 있다. 한편, 처리 용기(101)의 외부관(101a)에는, 배기구(147) 근방 부분에 배기 포트(111)가 형성되어 있고, 배기 포트(111)에는, 처리 용기(101)를 배기하기 위한 배기관(149)이 접속되어 있다. 배기관(149)에는, 처리 용기(101) 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브(150) 및 진공 펌프 등을 포함하는 배기 장치(151)가 접속되어 있어, 배기 장치(151)에 의해 배기관(149)을 통해서 처리 용기(101) 내가 배기된다.
이 처리 용기(101) 및 그 내부의 웨이퍼(W)는, 상술한 본체부(102)의 내측의 가열 기구(152)에 급전됨으로써, 미리 결정된 온도로 가열된다.
처리 장치(100)는 제어부(160)를 갖고 있다. 제어부(160)는, 처리 장치(100)의 각 구성부, 예를 들어 밸브류, 유량 제어기인 매스 플로우 컨트롤러, 승강 기구 등의 구동 기구, 가열 기구(152) 등을 제어한다. 제어부(160)는, CPU를 갖는 주제어부와, 입력 장치, 출력 장치, 표시 장치 및 기억 장치를 갖고 있다. 기억 장치에는, 성막 장치(100)에서 실행되는 처리를 제어하기 위한 프로그램, 즉 처리 레시피가 저장된 기억 매체가 세트되고, 주제어부는, 기억 매체에 기억되어 있는 미리 결정된 처리 레시피를 호출하여, 그 처리 레시피에 기초해서 성막 장치(100)에 미리 결정된 처리를 행하게 하도록 제어한다.
이어서, 성막 장치(100)의 처리 동작에 대해서 설명한다.
성막 시에는, 제어부(160)에서 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여 이하와 같이 행하여진다.
우선, 웨이퍼(W)를 복수매, 예를 들어 50 내지 150매 웨이퍼 보트(105)에 탑재하고, 그 웨이퍼 보트(105)를 성막 장치(100) 내의 처리 용기(101) 내에 하방으로부터 삽입함으로써, 복수의 웨이퍼(W)를 처리 용기(101)의 내부관(101b) 내에 수용한다. 그리고, 덮개부(109)로 매니폴드(103)의 하단 개구부를 폐쇄함으로써 처리 용기(101) 내의 공간을 밀폐 공간으로 한다.
그리고, 처리 용기(101) 내를 배기 장치(151)에 의해 배기해서 압력을 1 내지 10Torr(133 내지 1333Pa)의 범위의 미리 결정된 압력으로 제어하면서, N2 가스 공급원(125)으로부터 처리 용기(101) 내에 불활성 가스인 N2 가스를 공급하여, 미리 결정된 감압 상태의 N2 가스 분위기로 한다. 이때, 가열 기구(152)에 의해 처리 용기(101) 내의 온도(웨이퍼(W)의 온도)를, HCD 가스가 흡착 가능하고, 분해하지 않는 온도, 예를 들어 550℃로 승온한다.
웨이퍼(W)의 온도가 550℃에 도달한 시점에서, 미리 결정된 시간 온도 안정화를 행한 후, ALD 성막을 개시함과 함께, 제어부(160)에 의해 가열 기구(152)의 출력을 상승시켜, 처리 용기(101) 내의 온도(웨이퍼 온도)를 상승시킨다.
ALD 성막은, N2 가스의 공급을 계속한 상태에서, HCD 가스 공급원(121)으로부터 배관(126), 가스 분산 노즐(127)을 통해서, 가스 토출 구멍(127a)으로부터 HCD 가스를 웨이퍼(W)의 표면을 따라 공급해서 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시키고, 이어서 HCD 가스의 공급을 정지하고, N2 가스에 의해 처리 용기(101) 내를 퍼지한 후, NH3 가스 공급원(122)으로부터 배관(128) 및 가스 분산 노즐(129)을 통해서, 가스 토출 구멍(129a)으로부터 NH3 가스를 웨이퍼(W)의 표면을 따라 공급해서 웨이퍼(W)에 흡착된 Si를 질화시키고, 이어서, NH3 가스의 공급을 정지하고, N2 가스에 의해 처리 용기(101) 내를 퍼지하는 조작을 반복한다.
그리고, 이러한 ALD 성막을, HCD 가스가 분해하는 미리 결정된 온도, 예를 들어 630℃까지 계속하고, 성막을 종료한다. 또한, 막 두께에 따라서는, 630℃의 온도에서 미리 결정된 시간 ALD 성막을 계속해도 된다.
이상의 성막 처리가 종료된 후, 처리 용기(101) 내를 N2 가스에 의해 퍼지하고, 이어서, 처리 용기(101) 내를 대기압으로 복귀시키고, 웨이퍼 보트(105)를 하방으로 반출한다.
이상의 성막 처리에 의해, 최초의 전구체 흡착 시의 온도가 저온이므로, 성막 초기에서의 막 두께의 균일성을 높게 할 수 있고, 그 후 성막 온도를 상승시켰을 때도 면내의 막 두께 균일성이 유지되어, 면내 막 두께 균일성이 높은 막을 형성할 수 있다. 또한, 성막 기간에 온도를 전구체의 분해가 발생하는 온도까지 상승시켜 사이클 레이트(성막 레이트)를 상승시키므로, 생산성의 저하를 억제할 수 있다.
<다른 적용>
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형 가능하다.
상기 실시 형태에서는, 성막하는 막으로서 SiN막의 경우를 예로 들어 설명했지만, ALD법으로 성막할 수 있는 막이라면, 이것에 한정하는 것은 아니며, 예를 들어 SiO2막이나 Al2O3막 등, 다른 막의 성막에도 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 본 발명을 뱃치식 열처리 장치에 적용한 경우에 대해서 나타냈지만, 이에 한정하지 않고, 횡형 뱃치식 장치, 매엽 장치, 회전 테이블 상에 복수매의 피처리체를 얹어서 처리를 행하는 세미 뱃치식 장치 등 다른 장치에 적용할 수도 있다. 예를 들어, 매엽 장치의 경우, 스테이지의 히터로 피처리체를 가열하는 것이 일반적인데, 피처리체의 온도의 변동이 발생하는 경우가 있고, 그 경우에는, 종래의 온도 프로파일에서는, 뱃치식 장치와 마찬가지로, 막 두께의 불균일이 발생한다. 이 때문에, 승강 핀에 의해 피처리체를 스테이지로부터 미리 결정된 거리 이격시키는 것 등에 의해 신속하게 온도 조정을 행해서 본 발명의 온도 프로파일을 형성하면 되며, 이것에 의해 균일한 막을 성막할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 사용한 예에 대해서 나타냈지만, 이에 한정하지 않고, 유리 기판이나 세라믹스 기판 등의 다른 피처리체이어도 된다.
100; 처리 장치 101; 처리 용기
101a; 외부관 101b; 내부관
102; 본체부 120; 가스 공급 기구
121; HCD 가스 공급원 122; NH3 가스 공급원
147, 147a, 147b; 배기구 151; 배기 장치
152; 가열 기구 160; 제어부
W; 반도체 웨이퍼(피처리체)

Claims (11)

  1. 피처리체 상에 성막 원료 가스와 반응 가스를 교대로 공급해서 원자층 퇴적법으로 미리 결정된 막을 성막하는 성막 방법이며,
    상기 성막 원료 가스의 흡착이 발생하는 제1 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 개시하고,
    상기 제1 온도를 상승시키면서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 계속하고,
    상기 성막 원료 가스의 분해가 발생하는 제2 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 종료하는 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도에 달한 시점에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 종료하는 성막 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미리 결정된 막의 막 두께에 따른 미리 결정된 시간 동안, 상기 제2 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 계속하는 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성막 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않는 상태에서, 상기 피처리체를, 상기 제1 온도에서 안정화시키고, 그 후, 상기 성막 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급해서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 개시하는 성막 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원자층 퇴적법에 의한 성막은, 복수의 피처리체에 대하여 일괄하여 성막을 행하는 뱃치식 장치에 의해 행하는 성막 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 성막 원료 가스로서, 실리콘을 포함하는 실리콘 원료 가스를 사용하고, 상기 반응 가스로서, 상기 실리콘 원료 가스를 질화하는 질화 가스를 사용하고, 상기 미리 결정된 막으로서 실리콘 질화막을 성막하는 성막 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 가스는, 헥사클로로디실란 가스이며, 상기 질화 가스는, 암모니아 가스인 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 온도는, 530 내지 570℃이고, 상기 제2 온도는, 610 내지 650℃인 성막 방법.
  9. 피처리체 상에 성막 원료 가스와 반응 가스를 교대로 공급해서 원자층 퇴적법으로 미리 결정된 막을 성막하는 성막 장치로서,
    상기 피처리체를 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 상기 성막 원료 가스와 상기 반응 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 피처리체를 가열하는 가열 기구와,
    상기 처리 용기 내를 배기해서 감압 상태로 하는 배기 기구와,
    상기 가스 공급부, 상기 가열 기구 및 상기 배기 기구를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 성막 원료 가스의 흡착이 발생하는 제1 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 개시시키고, 상기 제1 온도를 상승시키면서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 계속시키고, 상기 성막 원료 가스의 분해가 발생하는 제2 온도에서 상기 원자층 퇴적법에 의한 성막을 종료시키도록 제어하는 성막 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 성막 장치는, 상기 처리 용기 내에 복수의 피처리체를 수용해서 뱃치 처리를 행하는 뱃치식 장치인 성막 장치.
  11. 컴퓨터 상에서 동작하여, 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 프로그램은, 실행 시에, 제1항 내지 제8항 중 어느 것의 성막 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 성막 장치를 제어시키는 기억 매체.
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