KR20190113619A - 붕소계 막의 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

하드 마스크로서 매우 적합한 특성을 갖는 붕소계 막을 얻을 수 있는 붕소계 막의 성막 방법 및 성막 장치를 제공한다. 기판 상에 붕소를 주체로 하는 붕소계 막을 형성하는 붕소계 막의 성막 방법은, 용량 결합 플라즈마를 이용한 플라즈마 CVD에 의해 붕소계 막을 성막하는 성막 장치의 챔버 내에 기판을 반입하는 제 1 공정과, 챔버 내에 붕소 함유 가스를 포함한 처리 가스를 공급하는 제 2 공정과, 용량 결합 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 인가하는 제 3 공정과, 고주파 전력에 의해 처리 가스의 플라즈마를 생성해서 기판 상에 붕소계 막을 성막하는 제 4 공정을 포함하며, 제 3 공정의 고주파 전력의 파워에 의해 붕소계 막의 막 응력을 조정한다.

Description

붕소계 막의 성막 방법 및 성막 장치{BORON-BASED FILM FORMING METHOD AND BORON-BASED FILM APPARATUS}
본 개시는 붕소계 막의 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조 기술의 발전에 의해, 반도체 장치의 미세화가 진행되어, 14㎚ 이하, 또는 10㎚ 이하의 것이 출현하고 있다. 또한, 새로운 반도체 장치의 집적화를 위해서 반도체 소자를 입체적으로 구축하는 기술이 진행되고 있다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼 상에 형성하는 박막의 적층 수가 증가하고, 예를 들면 3차원 NAND를 이용한 플래쉬 메모리에 있어서는, 산화 규소(SiO2) 막이나 질화 규소(SiN) 막 등을 포함한, 두께가 1㎛ 이상의 두꺼운 적층 막을 드라이 에칭에 의해 미세 가공하는 공정이 필요로 되고 있다.
미세 가공을 행하기 위한 하드 마스크로서는, 종래 아몰퍼스 실리콘 막이나 아몰퍼스 카본 막이 이용되고 있지만, 에칭 내성이 낮다. 따라서, 이러한 막을 하드 마스크로서 이용했을 경우는 막 두께를 두껍게 하지 않을 수 없어, 1㎛ 이상의 두꺼운 막을 형성할 필요가 있다.
또한, 차세대의 하드 마스크 재료로서 아몰퍼스 실리콘 막이나 아몰퍼스 카본 막보다 에칭 내성이 높은 텅스텐 등의 금속 재료 막이 검토되고 있다. 그러나, 매우 에칭 내성이 높은 텅스텐 막 등의 금속 재료 막은 드라이 에칭 가공 후의 박리나 메탈 오염 등에의 대책이 어렵다.
이 때문에, 아몰퍼스 실리콘 막이나 아몰퍼스 카본 막보다 드라이 에칭 내성이 높고, SiO2 막 등에 대해서 높은 선택비를 갖는 새로운 하드 마스크 재료로서 붕소계 막이 검토되고 있다. 특허문헌 1에는, CVD에 의해 성막한 붕소계 막을 하드 마스크로서 사용할 수 있는 것이 기재되어 있다.
일본 공표 제 2013-533376 호 공보
본 개시는 하드 마스크로서 매우 적합한 특성을 갖는 붕소계 막을 얻을 수 있는 붕소계 막의 성막 방법 및 성막 장치를 제공한다.
본 개시의 일 태양에 관한 붕소계 막의 성막 방법은, 기판 상에 붕소를 주체로 하는 붕소계 막을 형성하는 붕소계 막의 성막 방법에 있어서, 용량 결합 플라즈마를 이용한 플라즈마 CVD에 의해 붕소계 막을 성막하는 성막 장치의 챔버 내에 기판을 반입하는 제 1 공정과, 용량 결합 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 인가하는 제 2 공정과, 상기 챔버 내에 붕소 함유 가스를 포함한 처리 가스를 공급하는 제 3 공정과, 상기 고주파 전력에 의해 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성해서 기판 상에 상기 붕소계 막을 성막하는 제 4 공정을 포함하며, 상기 제 2 공정의 고주파 전력의 파워에 의해 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정한다.
본 개시에 의하면, 하드 마스크로서 매우 적합한 특성을 갖는 붕소계 막을 얻을 수 있는 붕소계 막의 성막 방법 및 성막 장치가 제공된다.
도 1은 일 실시형태에 관한 붕소계 막의 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 2는 일 실시형태에 관한 붕소계 막의 성막 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 용량 결합 플라즈마 CVD에 의해 성막된 붕소 막의 드라이 에칭 특성을 아몰퍼스 카본 막이나 아몰퍼스 실리콘 막과 비교해서 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시하는 용량 결합 플라즈마 CVD 장치로서 구성되는 성막 장치에 의해 RF 파워를 변화시켜서 붕소 막을 성막했을 때의 RF 파워와 막 응력과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 4의 횡축의 RF 파워를 대수 표시한 도면이다.
도 6은 플라즈마 생성용 RF 파워를 변화시켜서 성막한 붕소 막의 FT-IR 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 7은 플라즈마 생성용 RF 파워가 1000W 및 100W일 때의, 붕소 막의 막 두께와 막의 표면 거칠기 RMS와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 8은 플라즈마 생성용 RF 파워와 막 응력 및 성막 레이트와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 9는 플라즈마 생성용 RF 파워가 100W, 500W, 1000W일 때의, 압력과 막 응력과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 10은 도 9의 횡축의 압력을 대수 표시하는 것과 동시에, 100W일 때의 고압측의 플롯을 더한 도면이다.
도 11은 플라즈마 생성용 RF 파워가 100W, 500W, 1000W일 때의, Ar 가스 희석율(%)과 막 응력과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 12는 압력을 변화시켰을 경우의, 붕소 막의 FT-IR 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 13은 Ar 가스 희석율을 변화시켰을 경우의, 붕소 막의 FT-IR 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 14는 바이어스용 고주파 파워와 막 응력의 관계를 도시하는 도면이다.
도 15는 바이어스용 고주파 파워를 변화시켰을 경우의, 붕소 막의 FT-IR 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 16은 붕소계 막의 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 다른 예를 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조해 실시형태에 대해 설명한다.
<경위>
최초에, 본 개시의 붕소계 막의 성막 방법에 도달한 경위에 대해 설명한다. 붕소계 막은 드라이 에칭에 의한 패터닝 공정에 있어서의 하드 마스크로서 유망시 되고 있고, 종래 CVD에 의해 성막되어 있다. 붕소계 막 중에서도, 특히 붕소 단독의 붕소 막이 하드 마스크로서 뛰어난 특성을 갖는 것을 알고 있다.
한편, 반도체 장치의 미세화 및 다층 구조화에 따라 하드 마스크 재료는 다양화·후막화가 진행되고 있고, 드라이 에칭 특성 외에 여러가지 막 특성이 요구되고 있다. 예를 들면, 하드 마스크 재료 막의 막 응력은 막의 밀착성이나 기판인 웨이퍼의 휘어진 상태 등의 관점으로부터 중요한 막 특성으로 되어 있다. 또한, 반도체 장치의 미세화에 따라, 막 자체의 평탄성(RMS: 제곱 평균 거칠기)이 중요시되어 있고, 하드 마스크로서 표면 거칠기(평탄성)가 RMS에서 1㎚ 이하의 막이 요구되고 있다.
그러나, CVD에 의해 성막된 붕소계 막은 막 응력이나 평탄성이 반드시 충분하지 않고, 이러한 특성이 양호한 붕소계 막이 요구된다. 상기 특허문헌 1에는, CVD에 의해 성막한 붕소계 막을 하드 마스크로서 사용할 수 있는 것이 기재되어 있지만, 하드 마스크 재료로서 구할 수 있는 막 응력 및 표면 평탄성을 얻을 수 있는 성막 수법에 대해서는 개시되어 있지 않다.
여기서, 발명자 등이 검토한 결과, 용량 결합 플라즈마 CVD 장치를 이용하고, 고주파 전력의 파워를 조정하는 것에 의해, 붕소계 막의 막 응력을 조정할 수 있는 것을 찾아냈다. 그리고, 고주파 전력의 파워를 500W 이하로 하는, 통상의 용량 결합 플라즈마 CVD 장치보다 저 파워로 해서 붕소계 막을 성막하는 것에 의해, 막 응력이 작게 되고, 또한 표면 평탄성도 양호해지고, 하드 마스크로서 적합한 것으로 되는 것이 되는 것을 찾아냈다.
또한, 본 개시에 있어서, 성막 대상인 붕소계 막은, 붕소를 50at.% 이상 갖는 붕소를 주체로 하는 막이며, 붕소 및 불가피 불순물로 이뤄지는 붕소 막이어도 좋고, 붕소에 의도적으로 질소(N), 탄소(C), 규소(Si) 등의 다른 원소를 첨가한 막이어도 좋다. 다만, 높은 에칭 내성을 얻는 관점에서는, 다른 첨가 원소를 포함하지 않는 붕소 막이 바람직하다. 이하의 실시형태에 있어서는, 붕소계 막으로서 첨가 원소를 포함하지 않는 붕소 막을 이용한 예에 대해 설명한다.
<성막 장치>
도 1은 일 실시형태에 관한 붕소계 막의 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 일례를 도시하는 단면도이다. 본 예의 성막 장치(100)는 붕소 막을 성막하는 용량 결합 플라즈마 CVD 장치로서 구성된다.
성막 장치(100)는 챔버(10) 내에 탑재대(스테이지)(20)와 가스 샤워 헤드(30)를 대향 배치한 평행 평판형(용량 결합형)의 플라즈마 에칭 장치로서 구성된다. 탑재대(20)는 하부 전극으로서 기능하고, 가스 샤워 헤드(30)는 상부 전극으로서 기능한다. 성막 장치(100)는 또한 가스 공급 기구(40), 고주파 전력 공급 장치(50), 및 제어부(60)를 구비한다.
챔버(10)는 대략 원통형상을 갖고, 예를 들면 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 구성되어 있고, 전기적으로 접지되어 있다. 챔버(10)의 바닥면에는 배기구(11)가 형성되어 있고, 배기구(11)는 배기 배관(12)이 접속되어 있다. 배기 배관(12)에는, 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등으로 이뤄지는 배기 장치(13)가 접속되어 있고, 배기 장치(13)에 의해서 챔버(10) 내가 배기되는 것과 동시에, 챔버(10) 내를 소정의 압력(진공도)으로 제어한다. 챔버(10)의 측벽에는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)(이하, 간단히 웨이퍼(W)라고 기재한다)를 반입·반출하기 위한 웨이퍼 반입·반출구(14)가 설치되어 있고, 웨이퍼 반입·반출구(14)는 게이트 밸브(G)에 의해서 개폐된다. 그리고, 게이트 밸브(G)를 개방한 상태로, 챔버(10)에 대한 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 한다.
탑재대(20)는, 챔버(10)의 바닥부의 중앙부에 설치되고, 그 위에, 웨이퍼(W)가 탑재되도록 되어 있다. 탑재대(20)는 금속 재료로 구성되어 있다. 탑재대(20)는 챔버(10)의 바닥면에 배치된 금속제의 지지 부재(21) 및 절연 부재(22)를 거쳐서 지지되어 있다. 또한, 탑재대(20)에는 저항 가열형의 히터(23)가 매립되어 있고, 이 히터(23)는 히터 전원(24)으로부터 급전되는 것에 의해 발열하고, 그것에 의해 탑재대(20)를 거쳐서 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 가열된다.
또한, 탑재대(20)에는 웨이퍼 승강 핀(도시하지 않음)이 정전 척의 표면에 대해 돌몰 가능하게 설치되어 있고, 웨이퍼 승강 핀을 돌출시킨 상태로 웨이퍼(W)를 주고받음이 이뤄진다.
가스 샤워 헤드(30)는 원판형상을 이루고, 챔버(10)의 상부에 마련된 원환상의 리드(15)에, 절연체로 이뤄지는 쉴드 링(35)을 거쳐서 끼워넣어져 있고, 챔버(10)의 천정부를 구성한다. 가스 샤워 헤드(30)는, 도시하는 바와 같이 전기적으로 접지해도 좋고, 가변 직류 전원을 접속해서 소정의 직류(DC) 전압이 인가되도록 해도 좋다.
가스 샤워 헤드(30)는 본체(31)를 갖고 있다. 본체(31)의 내부에는, 웨이퍼(W)보다 조금 큰 원판형상의 주(主) 가스 확산실(32)과 부(副) 가스 확산실(33)이 2단으로 설치되어 있다. 주 가스 확산실(32)은 중앙부의 제 1 가스 확산실(32a)과 에지부의 원환상의 제 2 가스 확산실(32b)로 나누어져 있다.
본체(31)의 바닥부에는, 주 가스 확산실(32)의 제 1 가스 확산실(32a) 및 제 2 가스 확산실(32b)로부터 챔버(10) 내로 향하도록 다수의 제 1 가스 토출 구멍(36)이 형성되어 있다. 또한, 본체(31)의 바닥부에는, 부 가스 확산실(33)로부터 챔버(10) 내로 향하도록 다수의 제 2 가스 토출 구멍(37)이 형성되어 있다. 제 1 가스 토출 구멍(36) 및 제 2 가스 토출 구멍(37)은 교대로 형성되어 있고, 제 2 가스 토출 구멍(37)은, 부 가스 확산실(32)로부터, 주 가스 확산실(31)의 제 1 가스 확산실(31a) 및 제 2 가스 확산실(31b) 내의 관부(38)를 통해서 본체(31)의 바닥부에 도달하고 있다.
가스 공급 기구(40)는 붕소 함유 가스를 포함한 처리 가스를 공급하기 위한 것이다. 붕소 함유 가스로서는, 디보란(B2H6) 가스, 삼염화 붕소(BCl3) 가스, 알킬보란 가스, 디카보란 가스 등을 들 수 있다. 알킬보란 가스로서는, 트리메틸보란(B(CH3)3) 가스, 트리에틸보란(B(C2H5)3) 가스나, B(R1)(R2)(R3), B(R1)(R2)H, B(R1)H2(R1, R2, R3은 알킬기)로 나타내지는 가스 등을 들 수 있다. 이들 중에서는 B2H6 가스를 매우 적합하게 이용할 수 있다.
또한, 처리 가스는 플라즈마 여기용의 희가스를 포함하고 있다. 또한, H2 가스 등을 포함하고 있어도 좋다. 희가스로서는 He 가스나 Ar 가스 등이 이용된다. 이하에서는, 붕소 함유 가스로서 B2H6 가스, 희가스로서 Ar 가스 및 He 가스를 포함한 처리 가스를 이용하는 경우를 예로서 설명한다.
가스 공급 기구(40)는, B2H6 가스 공급원(41)과, He 가스 공급원(42)과, Ar 가스 공급원(43)과, 이들 가스 공급원으로부터 각각 연장되는 배관(44, 45, 및 46)을 구비한다. 배관(44)에는 매스플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(FRC)(44a) 및 개폐 밸브(44b)가 설치되고, 배관(45)에는 유량 제어기(FRC)(45a) 및 개폐 밸브(45b)가 설치되고, 배관(46)에는 유량 제어기(FRC)(46a) 및 개폐 밸브(46b)가 설치되어 있다. B2H6 가스 공급원(41)으로부터 연장되는 배관(44), 및 He 가스 공급원(42)으로부터 연장되는 배관(45)은 배관(47)에 합류하고, 배관(47)은 제 1 분배 배관(47a) 및 제 2 분배 배관(47b)으로 분기되어 있다. 제 1 분배 배관(47a) 및 제 2 분배 배관(47b)에는, 각각 유량 제어 밸브(FCB)(48a 및 48b)가 설치되어 있다. 제 1 분배 배관(47a) 및 제 2 분배 배관(47b)은, 각각, 주 가스 확산실(32)의 제 1 가스 확산실(32a) 및 제 2 가스 확산실(32b)에 접속되어 있다. 이것에 의해, B2H6 가스 및 He 가스가, 소정의 분배비로 제 1 가스 확산실(32a) 및 제 2 가스 확산실(32b)에 분배되고, 웨이퍼(W)의 중앙부와 주변부에서 B2H6 가스 및 He 가스의 양을 변화시킬 수 있다. 한편, Ar 가스 공급원(43)으로부터 연장되는 배관(46)은 부 가스 확산실(33)에 접속되고, Ar 가스가 웨이퍼(W)의 전면에 균등하게 토출된다. 이와 같이, He 가스와 Ar 가스를 별개의 공급 계통으로 공급하는 것에 의해, He 가스와 Ar 가스의 유량비를 임의로 조정할 수 있다.
고주파 전력 공급 장치(50)는, 탑재대(20)에 2주파 중첩의 고주파 전력을 공급하는 것이며, 플라즈마 생성용의 제 1 주파수의 제 1 고주파 전력을 공급하는 제 1 고주파 전원(52)과, 바이어스 전압 인가용의, 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수의 제 2 고주파 전력을 공급하는 제 2 고주파 전원(54)을 구비한다. 제 1 고주파 전원(52)은 제 1 정합기(53)를 거쳐서 탑재대(20)에 전기적으로 접속된다. 제 2 고주파 전원(54)은 제 2 정합기(55)를 거쳐서 탑재대(20)에 전기적으로 접속된다. 제 1 고주파 전원(52)은, 예를 들면 40㎒의 제 1 고주파 전력을 탑재대(20)에 인가한다. 제 2 고주파 전원(54)은, 예를 들면 3㎒의 제 2 고주파 전력을 탑재대(20)에 인가한다. 또한, 제 1 고주파 전력은 가스 샤워 헤드(30)에 인가해도 좋다.
제 1 정합기(53)는, 제 1 고주파 전원(52)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 것으로, 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성되고 있을 때에 제 1 고주파 전원(52)의 출력 임피던스와 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다. 제 2 정합기(55)는, 제 2 고주파 전원(54)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 것으로, 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성되고 있을 때 제 2 고주파 전원(54)의 내부 임피던스와 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다.
제 1 고주파 전원(52)으로부터의 고주파 전력은, 예를 들면 펄스형상으로 파워 변조해서 인가해도 좋다. 펄스의 주기는 5~40㎑ 정도가 바람직하다.
제어부(60)는 성막 장치(100)의 각 구성부, 예를 들면 밸브류, 유량 제어기, 제 1 고주파 전원(52), 제 2 고주파 전원(54), 배기 장치(13), 히터 전원(24)으로부터의 히터(23)에의 급전 등을 제어한다. 제어부(60)는 CPU를 갖는 주 제어부와, 입력 장치, 출력 장치, 표시 장치, 및 기억 장치를 구비하고 있다. 기억 장치에는, 성막 장치(100)에서 실행되는 처리를 제어하기 위한 프로그램, 즉 처리 레시피가 격납된 기억 매체가 세트되고, 주 제어부는, 기억 매체에 기억되어 있는 소정의 처리 레시피를 호출하고, 그 처리 레시피에 근거해서 성막 장치(100)에 소정의 처리를 실시하게 하도록 제어한다.
<붕소계 막의 성막 방법>
다음에, 이상과 같이 구성되는 성막 장치(100)에 대해 실시되는 붕소계 막으로서의 붕소 막의 성막 방법에 대해 도 2의 흐름도를 참조해서 설명한다.
우선, 게이트 밸브(G)를 개방하고, 웨이퍼(W)를 성막 장치(100)의 챔버(10) 내에 반입한다(단계 1). 그리고, 탑재대(20)에 탑재하는 것과 동시에 게이트 밸브(G)를 폐쇄한다.
탑재대(20)의 온도는 500℃ 이하, 바람직하게는 60~500℃, 예를 들면 300℃로 설정된다. 챔버(10)를 진공 배기한 후, 챔버(10) 내에 처리 가스를 공급한다(단계 2). 처리 가스의 공급은, 최초에, Ar 가스 및 He 가스를 챔버(10) 내에 흘려서 사이클 퍼지를 행하고, 그 후 B2H6 가스를 공급하는 것에 의해 행한다. 사이클 퍼지 시에는, Ar 가스 및 He 가스에 의한 챔버(10) 내의 압력을 예를 들면 400mTorr 정도로 해서 웨이퍼(W)의 온도를 안정화시킨다. 그리고, B2H6 가스의 공급은 이하와 같이 행해진다. He 가스로 희석된 B2H6 가스를 B2H6 가스 정량(net)으로 5~50sccm, 예를 들면 30sccm의 유량이 되도록 공급하고, 또한 Ar 가스 및/또는 He 가스를, 합계로 100~1000sccm, 예를 들면 400sccm의 유량으로 챔버(10) 내에 공급한다. 이것에 의해, 챔버(10) 내의 압력을 100mTorr~10Torr(13.3Pa~1333.3Pa)로 제어한다.
그리고, 플라즈마 생성용 고주파 전원(52)으로부터 탑재대(20)에 플라즈마 생성용의 제 1 고주파 전력을 인가한다(단계 3). 이 때, 후술하는 바와 같이 고주파 전력의 파워에 의해, 단계 4에서 성막되는 붕소계 막인 붕소 막의 막 응력을 조정한다. 제 1 고주파 전력에 의해, 상부 전극인 가스 샤워 헤드(30)와 하부 전극인 탑재대(20)와의 사이에 고주파 전계를 형성하고, 처리 가스의 플라즈마를 생성해서 용량 결합 플라즈마 CVD에 의해 붕소 막을 성막한다(단계 4). 이 때 성막되는 붕소 막은, 통상 아몰퍼스 붕소(a-B)이다. 붕소 막의 성막 시간은 막 두께에 따라 적당 설정된다.
이와 같이, 플라즈마 CVD에 의해 성막된 붕소 막(아몰퍼스 붕소 a-B)은 드라이 에칭 시에 SiO2 막이나 SiN 막에 대해서 높은 선택비를 가진다. 따라서, 도 3에 도시하는 바와 같이, CF계 가스를 베이스로서 Ar, O2, N2, H2 등의 가스를 적당 첨가한 가스로 에칭했을 때에, 종래 하드 마스크 재료로서 이용되고 있는 아몰퍼스 카본 막(a-C)이나 아몰퍼스 실리콘 막(a-Si)보다 에칭 내성이 높다. 그 때문에, 붕소 막을 하드 마스크 등에 적용하는 것에 의해, 반도체 장치의 제조가 용이하게 된다.
하드 마스크 재료 막은, 막의 밀착성이나 기판인 웨이퍼의 굽힘 등의 관점으로부터 막 응력이 작은 것이 요구되고, 또한 반도체 장치의 미세화에 따라, 막 자체의 평탄성(표면 거칠기; 예를 들면 제곱 평균 거칠기(RMS))이 중요시되고 있다.
붕소 막과 같은 붕소계 막을 CVD에 의해 성막하는 경우, 본 실시형태와 같은 용량 결합 플라즈마 CVD 장치를 이용하고, 플라즈마 생성용의 고주파 전력 파워(RF 파워)를 조정하는 것에 의해, 막 응력을 조정할 수 있다.
이 점에 대해 상세하게 설명한다.
도 4는 도 1에 도시하는 용량 결합 플라즈마 CVD 장치로서 구성되는 성막 장치에 의해 RF 파워를 변화시켜서 붕소 막을 성막했을 때의 RF 파워와 막 응력과의 관계를 도시하는 도면이며, 도 5는 횡축의 RF 파워를 대수 표시한 것이다. 다른 프로세스 조건은, 온도: 300℃, 압력: 500mTorr(66.7Pa), B2H6 가스(B2H6 농도: He 가스에서 15vol%) 유량: 200sccm(B2H6 가스 정량: 30sccm, He 가스: 170sccm), Ar 가스 유량: 100sccm, He 가스 유량: 100sccm, 전극간 갭 20㎜로 했다. 또한, 응력은 부의 방향이 압축 방향이다.
이러한 도면에 도시하는 바와 같이, 플라즈마 생성용의 RF 파워에 의해 막 응력을 조정할 수 있다. 용량 결합 플라즈마 CVD에 의한 성막에서는, 플라즈마 생성을 위해서 일반적으로 1000W 이상의 RF 파워가 이용되지만, 이러한 도면에 도시하는 바와 같이, RF 파워가 1000W 이상에서는 막 응력이 1GPa 이상으로 큰 압축 응력이 된다. 이것에 대해, RF 파워를 작게 하면 막 응력이 작아지고, RF 파워가 500W 이하에서는, 하드 마스크로서 적용 가능한 값인 500MPa 이하의 막 응력이 얻어진다. 또한, RF 파워가 100W 이하에서는 막 응력이 300MPa 이하로 보다 하드 마스크로서 매우 적합한 값이 되는 것이 판명되었다. 용량 결합 플라즈마에 있어서, 이러한 저 파워로 플라즈마가 생성되고, 또한 응력이 작은 막이 형성되는 것은, 종래 예상되지 않았던 것이다.
이와 같이, 용량 결합 플라즈마 생성용의 RF 파워에 의해 붕소계 막인 붕소 막의 막 응력을 조정할 수 있고, RF 파워가 작아질수록 막 응력이 작아지는 메카니즘의 검토 결과에 대해 설명한다.
붕소 원료로서의 B2H6을 플라즈마에 의해 해리시킬 때, 플라즈마의 전자 온도가 낮으면, 결합 에너지가 작은 BH3나 BH2 등의 수소를 포함한 래디칼이 많이 생성되고, 플라즈마의 전자 온도가 높으면 BH+나 B+ 등의 이온이 많이 생성된다. 도 6은, 플라즈마 생성용 RF 파워를 변화시켜서 성막한 붕소 막의 FT-IR 측정 결과를 도시하는 도면이다. 도 6으로부터, 플라즈마 생성용 RF 파워가 작을수록 B-H 결합의 피크가 높아지고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 플라즈마 생성용 RF 파워가 작을수록 플라즈마의 전자 온도가 낮아지고, 막 중의 수소량이 증가해, B-H 결합이 증가한다. 막 중에 B-H 결합을 많이 포함한 막은 H 종단되고 있기 때문에, 막 구조 완화가 일어나기 쉽고 막 응력이 작아지는 것이라고 생각할 수 있다.
또한, 이와 같이 플라즈마 생성용 RF 파워를 작게 하는 것에 의해, 막의 평탄성도 양호하게 된다. 구체적으로는, RF 파워가 500W 이하에서는 붕소계 막의 막 두께가 1㎛로 두껍게 되어도 표면 거칠기 RMS가 1㎚ 정도의 작은 값으로 할 수 있고, 또한 100W 이하에서는 표면 거칠기 RMS가 0.5㎚ 부근의 극히 우수한 평탄성을 얻을 수 있다. 도 7은, 실제로 플라즈마 생성용 RF 파워가 1000W 및 100W로 성막했을 때의, 붕소 막의 막 두께와 막의 표면 거칠기 RMS와의 관계를 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이 RF 파워가 1000W일 때는, 막 두께가 1000㎚(1㎛)에서도 표면 거칠기 RMS가 2㎚ 정도로 되어 있는데 대해, 100W일 때는, 막 두께가 1㎛에서도 표면 거칠기 RMS가 0.5㎚ 부근으로 극히 작은 값이 되는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 막 두께 1.2㎛로 표면 거칠기 RMS가 0.6㎚로 높은 평탄성을 유지하고 있다. 또한, 도시하지 않았지만, RF 파워가 500W일 때는, 1000W일 때와 100W일 때와의 중간이며, 막 두께가 1㎛ 정도에서 표면 거칠기 RMS가 1㎚정도로 예상된다.
이상으로부터, 플라즈마 생성용 RF 파워가 작게 되는 것에 의해, 막 응력이 작게 되는 동시에, 막의 평탄성이 양호하게 되는 것이 판명되었다.
도 8은 플라즈마 생성용 RF 파워와 막 응력 및 성막 레이트와의 관계를 도시하는 도면이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, RF 파워가 500W 이하, 또한 100W 이하로 작게 되는 것에 의해, 막 응력과 함께 성막 레이트도 저하하지만, 실용상 문제 없는 레벨인 것을 알 수 있다.
붕소계 막의 막 응력은 압력이나 불활성 가스 중의 Ar 가스 농도에 의해도 변화한다. 플라즈마 처리에 있어서는, 일반적으로 압력이 높을수록, 또는 불활성 가스의 Ar/He비가 클수록, 플라즈마의 전자 온도가 낮아진다고 한다. 상술한 바와 같이, 전자 온도가 낮으면 막 중의 B-H 결합이 증가하고, 막 구조 완화가 일어나기 쉽고 막 응력이 작아지기 때문에, 압력이 높을수록, 또는 불활성 가스의 Ar/He비가 클수록, 막 응력이 작아진다. 따라서, 압력이나 불활성 가스 중의 Ar 가스 농도에 의해서 붕소계 막의 막 응력을 조정할 수 있다.
도 9는 플라즈마 생성용 RF 파워가 100W, 500W, 1000W일 때의, 챔버 내의 압력과 막 응력과의 관계를 도시하는 도면이며, 도 10은, 횡축의 압력을 대수 표시하는 것과 동시에, 100W일 때의 고압측의 플롯을 더한 것이다. 다른 프로세스 조건은, 온도: 300℃, B2H6 가스(B2H6 농도: 15vol% in He 가스) 유량: 200sccm(B2H6 가스 정량: 30sccm, He 가스: 170sccm), Ar 가스 유량: 100sccm, He 가스 유량: 100sccm, 전극간 갭 20㎜로 했다. 이러한 도면에 도시하는 바와 같이, 성막 시의 압력이 높아질수록 막 응력이 작아지는 것이 확인되었다. 또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, 압력이 1Torr(133.3Pa) 이상에서는, 막 응력이 플러스로 전환하고, 인장 응력을 갖게 된다. 이들로부터, 챔버 내의 압력은 300mTorr(40Pa)~3Torr(400Pa), 또한 500mTorr(66.7Pa)~1Torr(133.3Pa)가 바람직하다.
도 11은, 플라즈마 생성용 RF 파워가 100W, 500W, 1000W일 때의, Ar 가스 희석율(%)과 막 응력과의 관계를 도시하는 도면이다. Ar 가스 희석율(%)은 전체 프로세스 가스 유량(=400sccm)에 대한 Ar 가스 유량의 비율이다. Ar 가스 유량: 0sccm~200sccm로 했다. 다른 프로세스 조건은, 온도: 300℃, B2H6 가스(B2H6 농도: 15vol% in He 가스) 유량: 200sccm(B2H6 가스 정량: 30sccm, He 가스: 170sccm, 압력: 500mTorr, 전극간 갭 20㎜로 했다. 도 11에 도시하는 바와 같이, Ar 가스 희석율이 높아질수록 막 응력이 작아지는 것이 확인되었다.
도 12 및 도 13은, 각각 압력을 변화시켰을 경우, 및 Ar 가스 희석율을 변화시켰을 경우의, 붕소 막의 FT-IR 측정 결과를 도시하는 도면이다. 이러한 도면에 도시하는 바와 같이, 압력이 높을수록, 또한 Ar 가스 희석율(전체 프로세스 가스 유량에 대한 Ar 가스 유량 비율)이 높을수록 B-H 피크가 높아지고 있고, 상기 경향이 증명되었다.
붕소 막의 응력은 바이어스 전압 인가용의 제 2 고주파 전력의 파워(바이어스용 고주파 파워)에 의해도 변화한다. 도 14는 바이어스용 고주파 파워와 막 응력의 관계를 도시하는 도면이다. 이 때의 다른 조건은, 플라즈마 생성용 RF 파워: 500W, 온도: 300℃, 압력: 500mTorr, B2H6 가스(B2H6 농도: 15vol% in He 가스) 유량: 200sccm(B2H6 가스 정량: 30sccm, He 가스: 170sccm), Ar 가스 유량: 100sccm, He 가스 유량: 100sccm, 전극간 갭 20㎜로 했다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 바이어스용 고주파 파워가 커져 플라즈마로부터의 이온의 인입력이 커질수록 막 응력이 커지고 있고, 막 응력을 작게 하는 관점으로부터 바이어스용 고주파 전력을 인가하지 않는 편이 바람직한 것이 확인되었다.
도 15는, 바이어스용 고주파 파워를 변화시켰을 경우의, 붕소 막의 FT-IR 측정 결과를 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 바이어스용 고주파 파워가 커질수록 BH 피크가 작아지고 있고, 바이어스용 고주파 파워가 커질수록 막중의 B-H 결합이 감소하고, 막 응력이 커지는 것이 확인되었다.
이와 같이 바이어스용 고주파 전력에 의해 플라즈마로부터 이온을 끌어들이는 것이 막 응력을 증가시키는 점을 고려하면, 하부 전극인 탑재대의 임피던스를 제어해서 플라즈마로부터 웨이퍼에의 이온의 작용을 제어하는 것으로, 막 응력을 조정하는 것이 기대된다. 즉, 하부 전극인 탑재대의 임피던스를, 플라즈마 중의 이온이 탑재대 상의 웨이퍼로부터 반발하도록 조정하면, 막 응력을 보다 작게 할 수 있다고 생각할 수 있다.
이러한 하부 전극측의 임피던스를 제어하는 기구로서 일본 특허 공개 제 2004-96066 호 공보에 기재된 것을 들 수 있다. 도 16은 이러한 임피던스를 제어하는 기구를 갖춘 성막 장치의 일례를 도시하는 단면도이다. 이 성막 장치(100')는, 도 1의 성막 장치(100)에, 바이어스 전압 인가용의 제 2 고주파 전원(54)의 급전 라인에, 가변 임피던스 수단(70)과 임피던스 제어부(71)를 추가한 것이다. 가변 임피던스 수단(70)은 상부 전극인 가스 샤워 헤드(30)에서 본 임피던스를 변화시키는 것이 가능한 것이며, 임피던스 제어부(71)는 가변 임피던스 수단(70)의 임피던스를 제어하기 위한 것이다. 가변 임피던스 수단(70)은, 예를 들면 제 2 고주파 전원(54)의 급전 라인에 직렬로 마련된 고정 코일과 가변 콘덴서를 구비하고 있다. 임피던스 제어부(71)에 의해 가변 임피던스 수단(70)의 임피던스를, 이온이 하부 전극인 탑재대(20)로부터 반발하도록 제어하는 것에 의해, 붕소 막의 막 응력을 작게 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 용량 결합 플라즈마 CVD에 의해 붕소계 막(붕소 막)을 성막할 때에, 플라즈마 생성용의 RF 파워를 조정하는 것에 의해 막 응력을 조정한다. 구체적으로는, RF 파워를 종래 거의 이용되지 않은 500W 이하, 또한 100W 이하의 작은 값으로 하는 것에 의해, 붕소계 막(붕소 막)의 막 응력을 작게 한다. 이것에 의해, 종래 하드 마스크 재료로서 이용되고 있던 a-C나 a-Si보다 에칭 선택비가 높다고 하는 특성을 유지하면서, 막 응력이 작고 하드 마스크 재료에 적합한 붕소계 막(붕소 막)을 얻을 수 있다. 또한, RF 파워를 작게 하는 것에 의해, 막의 표면 거칠기도 작게 할 수 있다. 이와 같이, 본 실시형태에 의해, 우수한 특성의 붕소계 막(붕소 막)을 얻을 수 있다.
또한, 성막 시의 챔버 내의 압력, Ar 가스 농도(Ar 유량/전체 프로세스 가스 유량), 바이어스용 고주파 파워 등의 다른 프로세스 파라미터에 의해서 막 응력을 조정할 수 있고, 이들을 조정하는 것에 의해 막 응력을 최적화할 수 있다.
<다른 적용>
이상, 실시형태에 대해 설명했지만, 금회 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각할 수 있어야 하는 것이다. 상기의 실시형태는 첨부의 특허 청구의 범위 및 그 주지를 일탈하는 일이 없이, 여러가지 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 주로 붕소 막에 대해 설명했지만, 본 발명의 원리상, 붕소에 다른 첨가 원소를 의도적으로 추가한 붕소계 막, 예를 들면 붕소 풍부한 BN 막이나 붕소 풍부한 BC 막이어도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서 설명한 성막 장치는 예시에 불과하며, 용량 결합 플라즈마 CVD 장치이면 좋고, 예를 들면 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 상부 전극에 인가하는 등 여러 가지의 구성을 갖는 성막 장치를 이용할 수 있다.
10: 챔버 20: 탑재대
30: 가스 샤워 헤드 40: 가스 공급 기구
50: 고주파 전력 공급 장치 60: 제어부
100: 성막 장치
W: 반도체 웨이퍼(피처리 기판)

Claims (22)

  1. 기판 상에 붕소를 주체로 하는 붕소계 막을 형성하는 붕소계 막의 성막 방법에 있어서,
    용량 결합 플라즈마를 이용한 플라즈마 CVD에 의해 붕소계 막을 성막하는 성막 장치의 챔버 내에 기판을 반입하는 제 1 공정과,
    상기 챔버 내에 붕소 함유 가스를 포함한 처리 가스를 공급하는 제 2 공정과,
    용량 결합 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 인가하는 제 3 공정과,
    상기 고주파 전력에 의해 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성해서 기판 상에 상기 붕소계 막을 성막하는 제 4 공정을 포함하며,
    상기 제 3 공정의 고주파 전력의 파워에 의해 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 공정은 500W 이하의 파워의 고주파 전력을 인가하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 공정은 100W 이하의 파워의 고주파 전력을 인가하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 제 4 공정 시의 상기 챔버 내의 압력에 의해 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 챔버 내의 압력은 300mTorr(40Pa)~3Torr(400Pa)의 범위인
    붕소계 막의 성막 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 챔버 내의 압력은 500mTorr(66.7Pa)~1Torr(133.3Pa)의 범위인
    붕소계 막의 성막 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 가스는 붕소 함유 가스와 희가스를 포함한
    붕소계 막의 성막 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 희가스는 He 가스 및/또는 Ar 가스로 이뤄지고, He 가스와 Ar 가스의 비율에 의해 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 4 공정은, 상기 기판을 탑재하는 탑재대에 인가하는 고주파 전력에 의한 바이어스 전압에 의해 플라즈마로부터의 상기 탑재대에의 이온의 인입을 제어해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 4 공정은, 상기 기판을 탑재하는 탑재대의 임피던스에 의해 상기 탑재대 상의 기판에의 플라즈마로부터의 이온의 작용을 제어해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 4 공정은, 상기 기판을 탑재하는 탑재대의 임피던스를 플라즈마 중의 이온이 탑재대 상의 기판으로부터 반발하도록 조정해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 붕소계 막은 붕소와 불가피적 불순물로 이뤄지는 붕소 막인
    붕소계 막의 성막 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 붕소 함유 가스로서 B2H6 가스를 이용하는
    붕소계 막의 성막 방법.
  14. 기판 상에 붕소를 주체로 하는 붕소계 막을 성막하는 성막 장치에 있어서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 탑재대로서 기능하는 하부 전극과,
    상기 탑재대와 대향해서 마련된 상부 전극과,
    상기 챔버 내에 붕소 함유 가스를 포함한 처리 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 하부 전극과 상기 상부 전극과의 사이에 고주파 전계를 형성하는 고주파 전력 인가 수단과,
    상기 고주파 전력 인가 수단으로부터의 고주파 전력의 파워를 제어해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는 제어부를 포함하며,
    상기 하부 전극과 상기 상부 전극과의 사이의 고주파 전계에 의해 생성된 상기 처리 가스의 플라즈마에 의해 붕소계 막을 성막하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 고주파 전력 인가 수단으로부터의 고주파 전력의 파워를 500W 이하로 제어하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 고주파 전력 인가 수단으로부터의 고주파 전력의 파워를 100W 이하로 제어하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 챔버 내의 압력을 제어해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급 기구는 상기 붕소 함유 가스로서 B2H6 가스를 공급하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급 기구는 상기 붕소 함유 가스와 희가스인 He 가스 및/또는 Ar 가스를 공급하고, 상기 제어부는 He 가스와 Ar 가스의 비율을 제어해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  20. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탑재대에 고주파 전력을 인가하고, 상기 탑재대 상의 상기 기판에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압 인가용 고주파 전원을 더 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 바이어스 전압에 의해 플라즈마로부터의 상기 탑재대에의 이온의 인입을 제어해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  21. 제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탑재대의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정 수단을 더 구비하고,
    상기 제어부는, 탑재대의 임피던스에 의해 상기 탑재대 상의 기판에의 플라즈마로부터의 이온의 작용을 제어해서 상기 붕소계 막의 막 응력을 조정하는
    붕소계 막의 성막 장치.
  22. 제 1 항, 제 4 항, 제 7 항, 제 14 항, 제 17 항 및 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 탑재하는 탑대재의 온도는 60~500℃로 설정되는
    붕소계 막의 성막 장치.
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