KR20200034611A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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다카노부 홋타
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Abstract

하지막을 박막화하여 오목부에 메워지는 텅스텐막의 비율을 높일 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 따른 성막 방법은, 표면에 하지막을 갖는 기판이 수용된 처리 용기 내에 염화텅스텐 가스를 퍼지를 사이에 두고 간헐적으로 공급함으로써, 상기 하지막의 일부를 에칭하여 상기 하지막의 막 두께를 줄이는 에칭 공정과, 상기 에칭 공정 후, 상기 처리 용기 내에 상기 염화텅스텐 가스와 상기 염화텅스텐 가스를 환원하는 환원 가스를 퍼지를 사이에 두고 교대로 공급함으로써, 상기 하지막 위에 텅스텐막을 성막하는 성막 공정을 갖는다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 개시는, 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
트렌치, 홀 등의 오목부 내에 TiN막 등의 하지막을 형성한 후, 하지막 위에 텅스텐막을 성막함으로써, 오목부 내를 텅스텐막으로 메우는 기술이 알려져 있다. 텅스텐막을 성막하는 방법으로는, 기판을 수용하는 처리 용기 내에, 염화텅스텐 가스 및 환원 가스를 공급하고, 기판 위에서 염화텅스텐 가스 및 환원 가스를 반응시키는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
국제 공개 제2015/080058호 공보
본 개시는, 하지막을 박막화하여 오목부에 메우는 텅스텐막의 비율을 높일 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 따른 성막 방법은, 표면에 하지막을 갖는 기판이 수용된 처리 용기 내에 염화텅스텐 가스를 퍼지를 사이에 두고 간헐적으로 공급함으로써, 상기 하지막의 일부를 에칭하여 상기 하지막의 막 두께를 줄이는 에칭 공정과, 상기 에칭 공정 후, 상기 처리 용기 내에 상기 염화텅스텐 가스와 상기 염화텅스텐 가스를 환원하는 환원 가스를 퍼지를 사이에 두고 교대로 공급함으로써, 상기 하지막 위에 텅스텐막을 성막하는 성막 공정을 갖는다.
본 개시에 의하면, 하지막을 박막화하여 오목부에 메우는 텅스텐막의 비율을 높일 수 있다.
도 1은 성막 장치의 구성예를 나타내는 개략도.
도 2는 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도.
도 3은 에칭 공정 및 성막 공정의 가스 공급 시퀀스의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 성막 방법의 일례를 도시하는 공정 단면도.
도 5는 종래의 성막 방법의 설명도
도 6은 에칭 공정 사이클수와 하지막의 에칭양의 관계의 일례를 나타내는 도면.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대해 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
(성막 장치)
일 실시 형태에 관한 성막 장치에 대해 설명한다. 도 1은, 성막 장치의 구성예를 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시되는 성막 장치는, 원자층 퇴적(ALD: Atomic Layer Deposition)법에 의해 텅스텐막을 성막할 수 있는 장치이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 성막 장치는, 처리 용기(1)와, 적재대(2)와, 샤워 헤드(3)와, 배기부(4)와, 처리 가스 공급 기구(5)와, 제어부(6)를 갖는다.
처리 용기(1)는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되고, 대략 원통형을 갖는다. 처리 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼 W를 반입 또는 반출하기 위한 반입출구(11)가 형성되어 있다. 반입출구(11)는, 게이트 밸브(12)에 의해 개폐된다. 처리 용기(1)의 본체 위에는, 단면이 직사각형을 이루는 원환형의 배기 덕트(13)가 마련되어 있다. 배기 덕트(13)에는, 내주면을 따라서 슬릿(13a)이 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 외벽에는, 배기구(13b)가 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 상면에는, 처리 용기(1)의 상부 개구를 막도록 천장벽(14)이 마련되어 있다. 배기 덕트(13)와 천장벽(14) 사이는 시일 링(15)으로 기밀하게 밀봉되어 있다.
적재대(2)는, 처리 용기(1) 내에서 기판의 일례인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼 W」라고 함)를 수평하게 지지한다. 적재대(2)는, 웨이퍼 W에 대응한 크기의 원판형을 이루고, 지지 부재(23)에 지지되어 있다. 적재대(2)는, 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹스 재료나, 알루미늄이나 니켈기 합금 등의 금속 재료로 구성되어 있다. 적재대(2)의 내부에는, 웨이퍼 W를 가열하기 위한 히터(21)가 매립되어 있다. 히터(21)는, 히터 전원(도시되지 않음)으로부터 급전되어 발열된다. 그리고, 적재대(2)의 상면의 웨이퍼 적재면 근방에 마련된 열전대(도시되지 않음)의 온도 신호에 의해 히터(21)의 출력을 제어함으로써, 웨이퍼 W가 소정의 온도로 제어된다.
적재대(2)에는, 웨이퍼 적재면의 외주 영역, 및 적재대(2)의 측면을 덮도록 알루미나 등의 세라믹스로 이루어지는 커버 부재(22)가 마련되어 있다.
지지 부재(23)는, 적재대(2)의 저면 중앙으로부터 처리 용기(1)의 저벽에 형성된 구멍부를 관통하여 처리 용기(1)의 하방으로 연장되고, 그 하단이 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 적재대(2)는, 승강 기구(24)에 의해 지지 부재(23)를 통해, 도 1에서 도시되는 처리 위치와, 그 하방의 이점쇄선으로 나타내는 웨이퍼의 반송이 가능한 반송 위치의 사이에서 승강한다. 지지 부재(23)의 처리 용기(1)의 하방에는, 플랜지부(25)가 장착되어 있다. 처리 용기(1)의 저면과 플랜지부(25) 사이에는, 처리 용기(1) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 적재대(2)의 승강 동작을 따라 신축하는 벨로우즈(26)가 마련되어 있다.
처리 용기(1)의 저면 근방에는, 승강판(27a)으로부터 상방으로 돌출되도록 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(27)이 마련되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 처리 용기(1)의 하방에 마련된 승강 기구(28)에 의해 승강판(27a)을 통하여 승강 가능하게 되어 있고, 반송 위치에 있는 적재대(2)에 마련된 관통 구멍(2a)에 삽입 관통되어 적재대(2)의 상면에 대해 돌출 함몰 가능하게 되어 있다. 이와 같이 웨이퍼 지지 핀(27)을 승강시킴으로써, 웨이퍼 반송 기구(도시되지 않음)와 적재대(2) 사이에서 웨이퍼 W의 전달이 행해진다.
샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 샤워 형상으로 공급한다. 샤워 헤드(3)는, 금속에 의해 형성되고, 적재대(2)에 대향하도록 마련되어 있고, 적재대(2)와 거의 동일한 직경을 갖고 있다. 샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1)의 천장벽(14)에 고정된 본체부(31)와, 본체부(31)의 아래에 접속된 샤워 플레이트(32)를 갖는다. 본체부(31)와 샤워 플레이트(32) 사이에는 가스 확산 공간(33)이 형성되어 있다. 가스 확산 공간(33)에는, 본체부(31) 및 처리 용기(1)의 천장벽(14)의 중앙을 관통하도록 가스 도입 구멍(36)이 마련되어 있다. 샤워 플레이트(32)의 주연부에는, 하방으로 돌출하는 환형 돌기부(34)가 형성되어 있다. 샤워 플레이트(32)의 환형 돌기부(34)의 내측의 평탄면에는, 가스 토출 구멍(35)이 형성되어 있다.
적재대(2)가 처리 위치에 존재한 상태에서는, 적재대(2)와 샤워 플레이트(32) 사이에 처리 공간(37)이 형성되고, 적재대(2)의 커버 부재(22)의 상면과 환형 돌기부(34)가 근접하여 환형 간극(38)이 형성된다.
배기부(4)는, 처리 용기(1)의 내부를 배기한다. 배기부(4)는, 배기 덕트(13)의 배기구(13b)에 접속된 배기 배관(41)과, 배기 배관(41)에 접속된 배기 기구(42)를 갖는다. 배기 기구(42)는, 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는다. 처리 시에는, 처리 용기(1) 내의 가스는 슬릿(13a)을 통하여 배기 덕트(13)에 이르고, 배기 덕트(13)로부터 배기부(4)의 배기 기구(42)에 의해 배기 배관(41)을 지나 배기된다.
처리 가스 공급 기구(5)는, 샤워 헤드(3)에 처리 가스를 공급한다. 처리 가스 공급 기구(5)는, WCl6 가스 공급 기구 G1, H2 가스 공급원 G2, 제1 N2 가스 공급원 G3 및 제2 N2 가스 공급원 G4를 갖는다.
WCl6 가스 공급 기구 G1은, 처리 용기(1) 내에, WCl6 가스 공급 라인 L1을 통해 염화텅스텐 가스의 일례인 6염화텅스텐(WCl6) 가스를 공급한다. WCl6 가스 공급 라인 L1은, WCl6 가스 공급 기구 G1로부터 연장되는 라인이다.
WCl6 가스 공급 라인 L1에는, 상류측으로부터 순서대로 개폐 밸브(96a), 개폐 밸브(96b), 유량계(MFM)(97), 버퍼 탱크 T1, 및 개폐 밸브 V1이 마련되어 있다. 개폐 밸브(96a, 96b)는, WCl6 가스 공급 라인 L1의 성막 원료 탱크(91)의 근방에 마련되어 있다. 유량계(97)는, WCl6 가스 공급 라인 L1을 흐르는 WCl6 가스의 유량을 검출한다. 버퍼 탱크 T1은, WCl6 가스를 일시적으로 저류하고, 단시간에 필요한 WCl6 가스를 공급한다. 개폐 밸브 V1은, ALD 시에 가스의 공급 및 정지를 전환하기 위한 밸브이며, 예를 들어 고속으로 개폐 가능한 ALD 밸브이다. ALD 밸브는, 0.5초 이하의 간격으로 개폐 가능한 것이 바람직하고, 0.01초 이하의 간격으로 개폐 가능한 것이 보다 바람직하다.
WCl6 가스 공급 기구 G1은, 상온에서 고체의 고체 원료인 WCl6을 수용하는 원료 용기인 성막 원료 탱크(91)를 갖는다. 성막 원료 탱크(91)의 주위에는 히터(91a)가 마련되어 있다. 히터(91a)는, 성막 원료 탱크(91) 내의 성막 원료를 적당한 온도로 가열하여, WCl6을 승화시킨다. 성막 원료 탱크(91) 내에는, WCl6 가스 공급 라인 L1이 상방으로부터 삽입되어 있다.
또한, WCl6 가스 공급 기구 G1에는, 성막 원료 탱크(91) 내에 상방으로부터 캐리어 가스 배관(92)의 일단이 삽입되어 있다. 캐리어 가스 배관(92)의 타단은, 캐리어 N2 가스 공급원(93)에 접속되어 있다. 캐리어 N2 가스 공급원(93)은, 캐리어 가스 배관(92)에 캐리어 가스의 일례인 N2 가스를 공급한다.
캐리어 가스 배관(92)에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(94), 개폐 밸브(95a) 및 개폐 밸브(95b)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(94)는, 캐리어 가스 배관(92)을 흐르는 캐리어 N2 가스의 유량을 제어한다.
캐리어 가스 배관(92)에 있어서의 개폐 밸브(95a)와 개폐 밸브(95b) 사이의 위치와, WCl6 가스 공급 라인 L1에 있어서의 개폐 밸브(96a)와 개폐 밸브(96b) 사이의 위치를 연결하도록, 바이패스 배관(98)이 마련되어 있다. 바이패스 배관(98)은, 캐리어 N2 가스 공급원(93)으로부터 캐리어 가스 배관(92)에 공급되는 캐리어 N2 가스를, 성막 원료 탱크(91)를 경유하지 않고 WCl6 가스 공급 라인 L1에 공급하는 배관이다. 바이패스 배관(98)에는, 개폐 밸브(99)가 개재 설치되어 있다. 개폐 밸브(95b, 96a)를 폐쇄하고 개폐 밸브(95a, 99, 96b)를 개방함으로써, 캐리어 N2 가스 공급원(93)으로부터 공급되는 N2 가스가 캐리어 가스 배관(92), 바이패스 배관(98)을 거쳐, WCl6 가스 공급 라인 L1에 공급된다. 이에 의해, WCl6 가스 공급 라인 L1을 퍼지할 수 있다.
WCl6 가스 공급 라인 L1에 있어서의 유량계(97)의 상류측에는, 희석 가스인 N2 가스를 공급하는 희석 N2 가스 공급 라인(100)의 하류측의 단부가 합류하고 있다. 희석 N2 가스 공급 라인(100)의 상류측의 단부에는, N2 가스의 공급원인 희석 N2 가스 공급원(101)이 마련되어 있다. 희석 N2 가스 공급 라인(100)에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러(102) 및 개폐 밸브(103)가 개재 설치되어 있다.
WCl6 가스 공급 라인 L1에 있어서의 버퍼 탱크 T1과 개폐 밸브 V1 사이에는, 에박 라인(104)의 일단이 접속되어 있다. 에박 라인(104)은, 처리 용기(1)를 바이패스하여 WCl6 가스 공급 라인 L1과 배기 배관(41)을 접속하는 배관이다. 에박 라인(104)의 타단은, 배기 배관(41)에 접속되어 있다. 이에 의해, 에박 라인(104)을 통해 버퍼 탱크 T1 내를 배기 기구(42)에 의해 배기할 수 있다.
에박 라인(104)에는, 상류측으로부터 순서대로 개폐 밸브(105), 오리피스(107) 및 개폐 밸브(106)가 개재 설치되어 있다.
개폐 밸브(105)는, 고속으로 개폐 가능한 ALD 밸브이다. ALD 밸브는, 0.5초 이하의 간격으로 개폐 가능한 것이 바람직하고, 0.01초 이하의 간격으로 개폐 가능한 것이 보다 바람직하다. 개폐 밸브(105)의 개폐 동작에 의해, 성막 원료 탱크(91)로부터 공급되는 WCl6 가스를 에박 라인(104)에 간헐적으로 공급할 수 있다. 개폐 밸브(105)는, 개폐 밸브 V1과 동일하거나 또는 대략 동일한 속도로 개폐 가능한 밸브인 것이 바람직하다. 이에 의해, 성막 원료 탱크(91)로부터 개폐 밸브 V1을 통해 처리 공간(37)에 공급되는 WCl6 가스와 동일한 주기로, 에박 라인(104)에 WCl6 가스를 공급·배기할 수 있다.
오리피스(107)는, 개폐 밸브(105)와 개폐 밸브(106) 사이에 마련되어 있다. 오리피스(107)는, 에박 라인(104) 내의 압력을, 프로세스 시의 처리 용기(1) 내의 압력에 근접시키기 위해서 마련되어 있다.
개폐 밸브(106)는, 오리피스(107)의 하류측에 마련되어 있다. 개폐 밸브(106)를 개방함으로써, 에박 라인(104) 내가 배기 기구(42)에 의해 배기된다.
에박 라인(104)에 있어서의 개폐 밸브(105)의 하류측, 또한 오리피스(107)의 상류측에는, 에박 라인(104)에 압력 조정용 가스를 공급하는 압력 조정용 가스 공급 라인(110)의 하류측의 단부가 합류하고 있다. 압력 조정용 가스 공급 라인(110)의 상류측의 단부에는, 압력 조정용 가스의 공급원인 압력 조정용 가스 공급원(111)이 마련되어 있다. 압력 조정용 가스 공급 라인(110)에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러(112) 및 개폐 밸브(113)가 개재 설치되어 있다. 압력 조정용 가스 공급원(111)으로부터 공급되어, 매스 플로우 컨트롤러(112)에서 유량이 조정된 압력 조정용 가스는, 압력 조정용 가스 공급 라인(110)을 지나 에박 라인(104)에 공급된다. 압력 조정용 가스는, 예를 들어 N2 가스이면 된다.
H2 가스 공급원 G2는, 처리 용기(1) 내에, H2 가스 공급 라인 L2를 통해 환원 가스의 일례인 H2 가스를 공급한다. H2 가스 공급 라인 L2는, H2 가스 공급원 G2로부터 연장되는 라인이다. WCl6 가스 공급 라인 L1 및 H2 가스 공급 라인 L2는, 합류 배관 L0에 합류되어 있고, 합류 배관 L0은, 전술한 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. H2 가스 공급 라인 L2에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러 M2, 버퍼 탱크 T2, 개폐 밸브 V2가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러 M2는, H2 가스 공급 라인 L2를 흐르는 H2 가스의 유량을 제어한다. 버퍼 탱크 T2는, H2 가스를 일시적으로 저류하고, 단시간에 필요한 H2 가스를 공급한다. 개폐 밸브 V2는, ALD 시에 가스의 공급 및 정지를 전환하기 위한 밸브이며, 예를 들어 고속으로 개폐 가능한 ALD 밸브이다. ALD 밸브는, 0.01초 내지 1.0초의 간격으로 개폐 가능한 것이 바람직하다.
제1 N2 가스 공급원 G3은, 처리 용기(1) 내에, 제1 N2 가스 공급 라인 L3을 통해 퍼지 가스의 일례인 N2 가스를 공급한다. 제1 N2 가스 공급 라인 L3은, 제1 N2 가스 공급원 G3으로부터 연장되고, WCl6 가스 공급 라인 L1측에 N2 가스를 공급하는 라인이다. 제1 N2 가스 공급 라인 L3은, ALD법에 의한 성막 중에 항상 N2 가스를 공급하는 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31과, 퍼지 스텝일 때만 N2 가스를 공급하는 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32로 분기되어 있다. 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32는 제1 접속 라인 L33에 접속되고, 제1 접속 라인 L33은 WCl6 가스 공급 라인 L1에 접속되어 있다. 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러 M31, 개폐 밸브 V31이 마련되어 있다. 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러 M32, 개폐 밸브 V32가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러 M31, M32는, 각각 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제1의 플러쉬 퍼지 라인 L32를 흐르는 N2 가스의 유량을 제어한다. 개폐 밸브 V31 및 개폐 밸브 V32는, ALD 시에 가스의 공급 및 정지를 전환하기 위한 밸브이며, 예를 들어 고속으로 개폐 가능한 ALD 밸브이다. ALD 밸브는, 0.01초 내지 1.0초의 간격으로 개폐 가능한 것이 바람직하다.
제2 N2 가스 공급원 G4는, 처리 용기(1) 내에, 제2 N2 가스 공급 라인 L4를 통해 퍼지 가스의 일례인 N2 가스를 공급한다. 제2 N2 가스 공급 라인 L4는, 제2 N2 가스 공급원 G4로부터 연장하고, H2 가스 공급 라인 L2측에 N2 가스를 공급하는 라인이다. 제2 N2 가스 공급 라인 L4는, ALD법에 의한 성막 중에 항상 N2 가스를 공급하는 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41과, 퍼지 스텝일 때만 N2 가스를 공급하는 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42로 분기되어 있다. 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42는 제2 접속 라인 L43에 접속되고, 제2 접속 라인 L43은 H2 가스 공급 라인 L2에 접속되어 있다. 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러 M41, 개폐 밸브 V41이 마련되어 있다. 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러 M42, 개폐 밸브 V42가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러 M41, M42는, 각각 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42를 흐르는 N2 가스의 유량을 제어한다. 개폐 밸브 V41 및 개폐 밸브 V42는, ALD 시에 가스의 공급 및 정지를 전환하기 위한 밸브이며, 예를 들어 고속으로 개폐 가능한 ALD 밸브이다. ALD 밸브는, 0.01초 내지 1.0초의 간격으로 개폐 가능한 것이 바람직하다.
제어부(6)는, 성막 장치의 각 부의 동작을 제어한다. 제어부(6)는, 예를 들어 컴퓨터이면 된다. 성막 장치의 각 부의 동작을 제어하는 컴퓨터의 프로그램은, 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는, 예를 들어 플렉시블 디스크, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, 플래시 메모리, DVD 등이면 된다.
(성막 방법)
일 실시 형태에 관한 성막 방법에 대해, 도 1의 성막 장치를 이용하여 텅스텐막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다. 일 실시 형태에 관한 성막 방법은, 제어부(6)가 성막 장치의 각 부의 동작을 제어함으로써 실행된다. 도 2는, 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시 형태에 관한 성막 방법은, 초기 유량 안정화 공정 S1, 에칭 공정 S2, 및 성막 공정 S3을 이 순서로 행함으로써, 기판의 표면에 형성된 하지막 위에 텅스텐막을 성막하는 방법이다. 단, 초기 유량 안정화 공정 S1은 생략해도 된다.
이하, 각 공정에 대해 설명한다. 도 3은, 에칭 공정 S2 및 성막 공정 S3의 가스 공급 시퀀스의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4는, 성막 방법의 일례를 나타내는 공정 단면도이다. 도 4의 (a)는 에칭 공정 S2 전의 기판의 단면을 나타내고, 도 4의 (b)는 에칭 공정 S2 후의 기판의 단면을 나타내며, 도 4의 (c)는 성막 공정 S3 후의 기판의 단면을 나타낸다. 또한, 이하에서는, 개폐 밸브 V1, V2, V31, V32, V41, V42가 폐쇄되어 있는 상태로부터 일 실시 형태에 관한 성막 방법을 실시하는 경우를 일례로서 설명한다.
먼저, 적재대(2)를 반송 위치로 하강시킨 상태에서 게이트 밸브(12)를 개방하여, 반송 장치(도시되지 않음)에 의해 웨이퍼 W를, 반입출구(11)를 통해 처리 용기(1) 내에 반입하고, 히터(21)에 의해 소정 온도(예를 들어, 350℃ 내지 550℃)로 가열된 적재대(2) 위에 적재한다. 계속해서, 적재대(2)를 처리 위치까지 상승시키고, 처리 용기(1) 내를 소정 압력까지 감압한다. 그 후, 개폐 밸브 V31, V41을 개방한다. 이에 의해, 제1 N2 가스 공급원 G3 및 제2 N2 가스 공급원 G4로부터, 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 거쳐 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여 압력을 상승시켜, 적재대(2) 위의 웨이퍼 W의 온도를 안정시킨다. 웨이퍼 W로서는, 예를 들어 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 오목부(501a)를 갖는 실리콘막(501)의 표면에 하지막(502)이 형성된 것을 이용할 수 있다. 단, 실리콘막(501) 대신에 실리콘 산화막이어도 된다. 하지막(502)으로서는, TiN막, TiSiN막, Ti실리사이드막, Ti막, TiO2막, TiAlN막 등의 티타늄계 재료막, TaN, TaSiN 등의 탄탈룸계 재료막, WN막, WSix막, WSiN막 등의 텅스텐계 화합물막을 들 수 있다. 하지막(502)은 동일 진공 반송계를 통한 다른 장치에서 성막 처리되어도 된다. 또한, 하지막(502)은 에칭 공정 S2와 동일한 처리 용기(1) 내에서 에칭 공정 S2에 앞서 성막 처리되어도 된다. 이와 같이 하지막(502)을 성막 처리한 후, 하지막(502)을 대기에 폭로하지 않고 에칭 공정 S2를 행함으로써, 하지막(502)의 표면 산화가 방지되고, 에칭 공정 S2에 있어서 하지막(502)의 에칭 속도에 변동이 생기는 것을 억제할 수 있다. 또한, 하지막(502)의 막 두께는 1Å 내지 50Å정도이다.
계속해서, 초기 유량 안정화 공정 S1을 실행한다. 초기 유량 안정화 공정 S1은, 에박 라인(104)에 WCl6 가스를 간헐적으로 공급하는 공정이며, 처리 용기(1) 내에 웨이퍼 W가 반입된 후에 실행된다.
초기 유량 안정화 공정 S1에서는, 먼저, WCl6 가스 공급 라인 L1에 WCl6 가스를 공급하고, 버퍼 탱크 T1 내에 WCl6 가스를 충전시킨다. 구체적으로는, 개폐 밸브 V1, (105)를 폐쇄한 상태에서, 개폐 밸브(95a, 95b, 96a, 96b)를 개방함으로써, 캐리어 N2 가스 공급원(93) 및 성막 원료 탱크(91)로부터 WCl6 가스 공급 라인 L1에 각각 N2 가스 및 WCl6 가스를 공급한다. 또한, 개폐 밸브(103)를 개방함으로써, 희석 N2 가스 공급 라인(100)으로부터 WCl6 가스 공급 라인 L1에 N2 가스를 공급한다. WCl6 가스 공급 라인 L1에 공급된 WCl6 가스 및 N2 가스는, 버퍼 탱크 T1 내에 충전된다.
버퍼 탱크 T1 내에 WCl6 가스 및 N2 가스가 충전된 후, 에박 라인(104)에 WCl6 가스 및 N2 가스를 간헐적으로 공급한다. 구체적으로는, 개폐 밸브 V1을 폐쇄한 상태에서 개폐 밸브(105)를 고속으로 개폐 동작시킴으로써, 에박 라인(104)에 WCl6 가스 및 N2 가스를 간헐적으로 공급한다. 또한, 개폐 밸브(106)를 개방하여, 에박 라인(104)에 공급되는 WCl6 가스 및 N2 가스를, 오리피스(107)를 통해 배기 기구(42)에 의해 배기한다. 이에 의해, 에칭 공정 S2에 앞서, 처리 용기(1) 내에 WCl6 가스 및 N2 가스를 공급하지 않고, 에칭 공정 S2와 대략 동등한 가스 공급 환경을 실현할 수 있으므로, 에칭 공정 S2의 개시 시에 있어서의 WCl6 가스의 유량이 단시간에 안정화된다. 개폐 밸브(105)의 개폐 타이밍은, 에칭 공정 S2에 있어서의 개폐 밸브 V1의 개폐 타이밍과 동일하거나 또는 대략 동일한 것이 바람직하다. 이에 따라, 에칭 공정 S2에 있어서의 가스 공급 환경을 높은 정밀도로 실현할 수 있다.
또한, 초기 유량 안정화 공정 S1에서는, 에박 라인(104) 내의 압력을 성막 중인 처리 공간(37)의 압력에 보다 접근시키기 위해서, 개폐 밸브(113)를 개방하여 압력 조정용 가스 공급원(111)으로부터 에박 라인(104)에 압력 조정용 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 이 때, 매스 플로우 컨트롤러(112)에 의해, 에박 라인(104) 내의 압력이 성막 중인 처리 공간(37)의 압력과 대략 동일해지도록, 에박 라인(104)에 공급하는 압력 조정용 가스의 유량을 조정하는 것이 바람직하다.
계속해서, 에칭 공정 S2를 실행한다. 에칭 공정 S2는, 웨이퍼 W가 수용된 처리 용기(1) 내에 염화텅스텐 가스의 일례인 WCl6 가스를 퍼지를 사이에 두고 간헐적으로 공급함으로써, 하지막의 일부를 에칭하여 하지막의 막 두께를 줄이는 공정이다. 에칭 공정 S2에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 스텝 S21 내지 제4 스텝 S24를 차례로 행하는 일련의 동작을 소정의 횟수 반복함으로써, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 하지막(502)의 일부를 에칭하여 하지막(502)을 소정의 막 두께로 박막화한다. 소정의 횟수는, 예를 들어 미리 정해진 에칭 공정 사이클수와 하지막의 에칭양의 관계를 나타내는 관계 정보에 기초하여 정해진다. 관계 정보는, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 에칭 공정 사이클수와 하지막의 에칭양의 관계를 나타내는 그래프이면 된다. 또한, 관계 정보는, 예를 들어 테이블, 수식 등이어도 된다. 이들 관계 정보는, 예를 들어 예비 실험의 결과에 기초하여 생성된다. 일 실시 형태에서는, 소정의 횟수는 1회 내지 100회이며, 소정의 막 두께는 1Å 내지 40Å이다. 에칭 공정 S2의 제1 스텝 S21 내지 제4 스텝 S24는, 환원 가스를 공급하지 않는 점을 제외하고, 각각 후술하는 성막 공정 S3의 제1 스텝 S31 내지 제4 스텝 S34와 동일해도 된다.
제1 스텝 S21은, 원료 가스인 WCl6 가스를 처리 공간(37)에 공급하는 스텝이다. 제1 스텝 S21에서는, 개폐 밸브 V31, V41을 개방한 상태에서, 제1 N2 가스 공급원 G3 및 제2 N2 가스 공급원 G4로부터 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 거쳐 N2 가스(연속 퍼지 N2 가스)를 공급한다. 일 실시 형태에서는, 연속 퍼지 N2 가스의 합계 유량은 200sccm 내지 5000sccm이다. 또한, 개폐 밸브 V1을 개방함으로써, WCl6 가스 공급 기구 G1로부터 WCl6 가스 공급 라인 L1을 거쳐 WCl6 가스를 처리 공간(37)에 공급한다. 이 때, 버퍼 탱크 T1에 일단 저류되고, 초기 유량 안정화 공정 S1에 의해 안정화된 유량의 WCl6 가스가 공급된다. 일 실시 형태에서는, WCl6 가스의 유량은 10mg/min 내지 200mg/min이다.
제2 스텝 S22는, 처리 공간(37)의 잉여의 WCl6 가스 등을 퍼지하는 스텝이다. 제2 스텝 S22에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 통해 N2 가스의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브 V1을 폐쇄하여 WCl6 가스의 공급을 정지한다. 또한, 개폐 밸브 V32, V42를 개방함으로써, 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42로부터도 N2 가스(플러쉬 퍼지 N2 가스)를 공급한다. 이에 의해, 대유량의 N2 가스에 의해, 처리 공간(37)의 잉여의 WCl6 가스 등을 퍼지한다.
제3 스텝 S23은, 연속 퍼지 N2 가스만을 처리 공간(37)에 공급하는 스텝이다. 제3 스텝 S23에서는, 개폐 밸브 V32, V42를 폐쇄하여 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42로부터의 N2 가스의 공급을 정지한다. 한편, 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 통해 N2 가스의 공급을 계속한다.
제4 스텝 S24는, 처리 공간(37)을 퍼지하는 스텝이다. 제4 스텝 S24에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 통해 N2 가스의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브 V32, V42를 개방한다. 이에 의해, 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42로부터 N2 가스(플러쉬 퍼지 N2 가스)를 공급하고, 대유량의 N2 가스에 의해, 처리 공간(37)을 퍼지한다.
계속해서, 성막 공정 S3을 실행한다. 성막 공정 S3은, 처리 용기(1) 내에 WCl6 가스와 WCl6 가스를 환원하는 환원 가스의 일례인 H2 가스를 퍼지를 사이에 두고 교대로 공급함으로써, 하지막 위에 텅스텐막을 성막하는 공정이다. 성막 공정 S3에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 스텝 S31 내지 제4 스텝 S34를 차례로 행하는 일련의 동작을 소정의 횟수 반복한다. 이에 의해, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 에칭 공정 S2에 있어서 박막화된 하지막(502) 위에 원하는 막 두께의 텅스텐막(503)을 성막한다. 일 실시 형태에서는, 소정의 횟수는 20회 내지 200회이다.
제1 스텝 S31은, 원료 가스인 WCl6 가스를 처리 공간(37)에 공급하는 스텝이다. 제1 스텝 S31에서는, 개폐 밸브 V31, V41을 개방한 상태에서, 제1 N2 가스 공급원 G3 및 제2 N2 가스 공급원 G4로부터 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 거쳐 N2 가스(연속 퍼지 N2 가스)를 공급한다. 일 실시 형태에서는, 연속 퍼지 N2 가스의 합계 유량은 200sccm 내지 5000sccm이다. 또한, 개폐 밸브 V1을 개방함으로써, WCl6 가스 공급 기구 G1로부터 WCl6 가스 공급 라인 L1을 거쳐 WCl6 가스를 처리 공간(37)에 공급한다. 이 때, 버퍼 탱크 T1에 일단 저류된 WCl6 가스가 공급된다. 일 실시 형태에서는, WCl6 가스의 유량은 10mg/min 내지 200mg/min이다.
제2 스텝 S32는, 처리 공간(37)의 잉여의 WCl6 가스 등을 퍼지하는 스텝이다. 제2 스텝 S32에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 통해 N2 가스의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브 V1을 폐쇄하여 WCl6 가스의 공급을 정지한다. 또한, 개폐 밸브 V32, V42를 개방함으로써, 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42로부터도 N2 가스(플러쉬 퍼지 N2 가스)를 공급한다. 이에 의해, 대유량의 N2 가스에 의해, 처리 공간(37)의 잉여의 WCl6 가스 등을 퍼지한다.
제3 스텝 S33은, 환원 가스인 H2 가스를 처리 공간(37)에 공급하는 스텝이다. 제3 스텝 S33에서는, 개폐 밸브 V32, V42를 폐쇄하여 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42로부터의 N2 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 통해 N2 가스의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브 V2를 개방한다. 이에 의해, H2 가스 공급원 G2로부터 H2 가스 공급 라인 L2를 거쳐 환원 가스의 일례인 H2 가스를 처리 공간(37)에 공급한다. 이 때, H2 가스는, 버퍼 탱크 T2에 일단 저류된 후에 처리 용기(1) 내에 공급된다. 제3 스텝 S33에 의해, 웨이퍼 W 위에 흡착된 WCl6 가스가 환원된다. 이 때의 H2 가스의 유량은, 충분히 환원 반응이 생기는 양으로 할 수 있다.
제4 스텝 S34는, 처리 공간(37)의 잉여의 H2 가스를 퍼지하는 스텝이다. 제4 스텝 S34에서는, 제1 연속 N2 가스 공급 라인 L31 및 제2 연속 N2 가스 공급 라인 L41을 통해 N2 가스의 공급을 계속한 상태에서, 개폐 밸브 V2를 폐쇄하여 H2 가스 공급 라인 L2로부터의 H2 가스의 공급을 정지한다. 또한, 개폐 밸브 V32, V42를 개방하여, 제1 플러쉬 퍼지 라인 L32 및 제2 플러쉬 퍼지 라인 L42로부터도 N2 가스(플러쉬 퍼지 N2 가스)를 공급하여, 대유량의 N2 가스에 의해, 처리 공간(37)의 잉여 H2 가스를 퍼지한다.
이상에 설명한 바와 같이 일 실시 형태에 관한 성막 방법에 의하면, 오목부(501a)를 갖는 실리콘막(501)의 표면에 연속막인 하지막(502)이 형성된 웨이퍼 W에 대해, 에칭 공정 S2 및 성막 공정 S3을 이 순서로 행한다. 이에 의해, 에칭 공정 S2에 있어서 하지막(502)을 소정의 막 두께(예를 들어 1Å 내지 40Å)로 박막화해도 연속막의 상태가 유지된다. 그 때문에, 성막 공정 S3에 있어서 텅스텐막(503)을 실리콘막(501)에 손상을 끼칠 일 없고, 또한, 양호한 밀착성으로 성막할 수 있다. 또한, 오목부(501a) 내의 하지막(502)을 박막화함으로써, 오목부에 메워지는 텅스텐막의 비율을 높일 수 있다. 그 결과, 오목부(501a)에 메워지는 텅스텐막의 저항을 작게 할 수 있다.
그런데, 오목부(501a)를 갖는 실리콘막(501)의 표면에 처음부터 막 두께가 얇은 하지막(502)을 성막하는 것도 생각된다. 그러나, 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 하지막(502)이 섬 형상으로 형성되어 불연속막이 된다. 그 때문에, 성막 공정 S3에 있어서 텅스텐막(503)을 실리콘막(501)에 손상을 끼칠 일 없고, 또한, 양호한 밀착성으로 성막하기 곤란하다. 또한, 도 5는, 종래의 성막 방법의 설명도이다.
또한, 일 실시 형태에 관한 성막 방법에 의하면, 에칭 공정 S2와 성막 공정 S3이 동일한 처리 용기 내에서 연속하여 행해진다. 이에 의해, 하지막(502)의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있으므로, 성막 공정 S3에 있어서 텅스텐막(503)을 더욱더 산소를 포함하지 않는 저저항으로, 그리고, 양호한 밀착성으로 성막할 수 있다.
또한, 일 실시 형태에 관한 성막 방법에 의하면, 에칭 공정 S2의 제1 스텝 S21 내지 제4 스텝 S24는, 환원 가스를 공급하지 않는 점을 제외하고, 각각 성막 공정 S3의 제1 스텝 S31 내지 제4 스텝 S34와 동일하다. 이에 의해, 에칭 공정 S2와 성막 공정 S3의 전환에 수반되는 고체 원료의 불안정화를 발생시키지 않고, 안정 공급이 가능해진다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 염화텅스텐 가스로서 WCl6 가스를 사용하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 5염화텅스텐(WCl5) 가스를 사용할 수도 있고, WCl5 가스를 사용해도 WCl6 가스와 거의 동일한 거동을 나타낸다. WCl5 가스를 사용하는 경우, 성막 원료로서는 상온에서 고체의 WCl5를 이용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 환원 가스로서 H2 가스를 사용하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 수소를 포함하는 환원성의 가스이면 되고, H2 가스 이외에도, SiH4 가스, B2H6 가스, NH3 가스 등을 사용할 수도 있다. H2 가스, SiH4 가스, B2H6 가스 및 NH3 가스 중, 둘 이상을 공급할 수 있도록 해도 된다. 또한, 이들 이외의 다른 환원 가스, 예를 들어 PH3 가스, SiH2Cl2 가스를 사용해도 된다. 막 내의 불순물을 보다 저감시켜 낮은 저항값을 얻는 관점에서는, H2 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 퍼지 가스 및 캐리어 가스로서 N2 가스 대신에 Ar 가스 등의 다른 불활성 가스를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 반도체 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼여도 되고, GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체 웨이퍼여도 된다. 또한, 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 액정 표시 장치 등의 FPD(플랫 패널 디스플레이)에 사용하는 유리 기판이나, 세라믹 기판 등이어도 된다.

Claims (8)

  1. 표면에 하지막을 갖는 기판이 수용된 처리 용기 내에 염화텅스텐 가스를 퍼지를 사이에 두고 간헐적으로 공급함으로써, 상기 하지막의 일부를 에칭하여 상기 하지막의 막 두께를 줄이는 에칭 공정과,
    상기 에칭 공정 후, 상기 처리 용기 내에 상기 염화텅스텐 가스와 상기 염화텅스텐 가스를 환원하는 환원 가스를 퍼지를 사이에 두고 교대로 공급함으로써, 상기 하지막 위에 텅스텐막을 성막하는 성막 공정
    을 포함하는
    성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에칭 공정과 상기 성막 공정은, 동일한 처리 용기 내에서 연속하여 행해지는,
    성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 성막 공정은,
    상기 처리 용기 내에 상기 염화텅스텐 가스를 공급하는 제1 스텝과,
    상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제2 스텝과,
    상기 처리 용기 내에 상기 환원 가스를 공급하는 제3 스텝과,
    상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하는 제4 스텝
    을 갖는 제1 사이클을 이 순서로 반복하는 공정이며,
    상기 에칭 공정은,
    상기 제1 스텝, 상기 제2 스텝, 상기 제3 스텝 및 상기 제4 스텝을 갖는 제2 사이클을 이 순서로 반복하는 공정이며, 상기 에칭 공정의 상기 제3 스텝에 있어서는 상기 환원 가스가 공급되지 않는
    성막 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에칭 공정 전에 행해지고, 상기 염화텅스텐 가스를, 상기 처리 용기를 바이패스하여 배기 배관에 접속되는 에박 라인에 공급하여 배기하는 초기 유량 안정화 공정을 포함하는
    성막 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 초기 유량 안정화 공정에서는, 상기 에칭 공정과 동일하거나 또는 대략 동일한 주기로 상기 염화텅스텐 가스를 간헐적으로 공급하는,
    성막 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 표면에는 오목부가 형성되고,
    상기 하지막은 적어도 상기 오목부 내에 형성되어 있고,
    상기 성막 공정에서는, 상기 오목부 내에 상기 텅스텐막을 성막하여 상기 오목부를 메우는, 성막 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하지막은, TiN막이며,
    상기 염화텅스텐 가스는, WCl6을 승화시켜 생성된 가스이며,
    상기 환원 가스는, H2 가스인,
    성막 방법.
  8. 표면에 하지막을 갖는 기판을 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 염화텅스텐 가스 및 상기 염화텅스텐 가스를 환원하는 환원 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구와,
    제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 처리 용기 내에 염화텅스텐 가스를 퍼지를 사이에 두고 간헐적으로 공급함으로써, 상기 하지막의 일부를 에칭하여 상기 하지막의 막 두께를 줄이는 에칭 공정과,
    상기 처리 용기 내에 상기 염화텅스텐 가스와 상기 염화텅스텐 가스를 환원하는 환원 가스를 퍼지를 사이에 두고 교대로 공급함으로써, 상기 하지막 위에 텅스텐막을 성막하는 성막 공정
    을 이 순서로 실행하는,
    성막 장치.
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