KR20200112692A - 처리 장치 및 처리 방법 - Google Patents

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KR20200112692A
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gas supply
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KR1020200031214A
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가즈오 야베
가즈마사 이가라시
야마토 도네가와
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 기판 처리 영역에서의 수소 라디칼의 양을 증가시킬 수 있는 기술을 제공한다. 본 개시의 일 형태에 의한 처리 장치는, 기판을 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내와 연통하는 플라스마 생성 공간을 갖는 플라스마 생성 기구와, 상기 플라스마 생성 공간에 마련되어, 수소 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와, 상기 처리 용기 내에 마련되어, 수소 가스를 공급하는 제2 가스 공급부를 구비한다.

Description

처리 장치 및 처리 방법{PROCESSING APPARATUS AND PROCESSING METHOD}
본 개시는, 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다.
ALD법에 의해 질화막을 성막할 때, 각 사이클에 있어서, 성막 원료를 흡착시키는 스텝과 질화시키는 스텝의 사이에, 처리 용기 내에서 수소 라디칼을 생성해서 수소 라디칼 퍼지를 행하는 스텝을 행하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2018-11009호 공보
본 개시는, 기판 처리 영역에서의 수소 라디칼의 양을 증가시킬 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 의한 처리 장치는, 기판을 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내와 연통하는 플라스마 생성 공간을 갖는 플라스마 생성 기구와, 상기 플라스마 생성 공간에 마련되어, 수소 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와, 상기 처리 용기 내에 마련되어, 수소 가스를 공급하는 제2 가스 공급부를 구비한다.
본 개시에 의하면, 기판 처리 영역에서의 수소 라디칼의 양을 증가시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 형태의 처리 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 처리 장치의 처리 용기 및 플라스마 생성 기구를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시 형태의 SiN막의 형성 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시 형태의 SiN막의 형성 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 수소 라디칼 처리의 시간과 막 응력의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 수소 라디칼 처리를 행했을 때의 웨이퍼 위치와 습식 에칭 속도의 관계를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대해서 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일하거나 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일하거나 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
〔처리 장치〕
일 실시 형태의 처리 장치에 대해서 설명한다. 도 1은, 일 실시 형태의 처리 장치의 구성예를 도시하는 도면이다. 도 2는, 도 1의 처리 장치의 처리 용기 및 플라스마 생성 기구를 설명하기 위한 도면이다.
처리 장치(100)는, 하단이 개구된 천장이 있는 원통체 형상의 처리 용기(1)를 갖는다. 처리 용기(1) 전체는, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있다. 처리 용기(1) 내의 상단 근방에는, 석영에 의해 형성된 천장판(2)이 마련되어 있어, 천장판(2)의 하측의 영역이 밀봉되어 있다. 처리 용기(1)의 하단의 개구에는, 원통체 형상으로 성형된 금속제의 매니폴드(3)가 O링 등의 시일 부재(4)를 통해서 연결되어 있다.
매니폴드(3)는, 처리 용기(1)의 하단을 지지하고 있고, 매니폴드(3)의 하방으로부터 기판으로서 다수매(예를 들어 25 내지 150매)의 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼(W)」라고 함)를 다단으로 적재한 웨이퍼 보트(5)가 처리 용기(1) 내에 삽입된다. 웨이퍼 보트(5)는, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있다. 웨이퍼 보트(5)는, 3개의 로드(6)를 갖고(도 2 참조), 로드(6)에 형성된 홈(도시하지 않음)에 의해 다수매의 웨이퍼(W)가 지지된다.
웨이퍼 보트(5)는, 석영에 의해 형성된 보온통(7)을 통해서 테이블(8) 상에 적재되어 있다. 테이블(8)은, 매니폴드(3)의 하단의 개구를 개폐하는 금속(스테인리스)제의 덮개(9)를 관통하는 회전축(10) 상에 지지된다.
회전축(10)의 관통부에는, 자성유체 시일(11)이 마련되어 있어, 회전축(10)을 기밀하게 밀봉하면서 회전 가능하게 지지하고 있다. 덮개(9)의 주변부와 매니폴드(3)의 하단의 사이에는, 처리 용기(1) 내의 시일성을 유지하기 위한 시일 부재(12)가 마련되어 있다.
회전축(10)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(도시하지 않음)에 지지된 암(13)의 선단에 설치되어 있고, 웨이퍼 보트(5)와 덮개(9)는 일체로서 승강하여, 처리 용기(1) 내에 대하여 삽입 이탈된다. 또한, 테이블(8)을 덮개(9)측에 고정해서 마련하여, 웨이퍼 보트(5)를 회전시키지 않고 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 된다.
또한, 처리 장치(100)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스, 퍼지 가스 등의 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부(20)를 갖는다.
가스 공급부(20)는, 복수(예를 들어 4개)의 가스 공급관(21, 22, 23, 24)을 갖는다. 가스 공급관(21, 22, 23)은, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있고, 매니폴드(3)의 측벽을 내측으로 관통해서 상방으로 굴곡되어 수직으로 연장된다. 가스 공급관(21, 22, 23)의 수직 부분에는, 웨이퍼 보트(5)의 웨이퍼 지지 범위에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서, 각각 복수의 가스 구멍(21a, 22a, 23a)이 소정 간격으로 형성되어 있다. 각 가스 구멍(21a, 22a, 23a)은, 수평 방향으로 가스를 토출한다. 가스 공급관(24)은, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있고, 매니폴드(3)의 측벽을 관통해서 마련된 짧은 석영관으로 이루어진다.
가스 공급관(21)은, 그 수직 부분이 처리 용기(1) 내에 마련되어 있다. 가스 공급관(21)에는, 가스 배관(21b)을 통해서 원료 가스 공급원(21c)으로부터 성막 원료를 포함하는 가스(이하, 「원료 가스」라고 함)가 공급된다. 가스 배관(21b)에는, 유량 제어기(21d) 및 개폐 밸브(21e)가 마련되어 있다. 이에 의해, 원료 가스 공급원(21c)으로부터의 원료 가스는, 가스 배관(21b) 및 가스 공급관(21)을 통해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. 원료 가스로서는, 예를 들어 디클로로실란(DCS; SiH2Cl2), 모노클로로실란(MCS; SiH3Cl), 트리클로로실란(TCS; SiHCl3), 실리콘테트라클로라이드(STC; SiCl4), 헥사클로로디실란(HCD; Si2Cl6) 등의 염소(Cl)를 함유하는 실리콘(Si) 화합물을 이용할 수 있다.
가스 공급관(22)은, 그 수직 부분이 처리 용기(1) 내에 마련되어 있다. 가스 공급관(22)에는, 가스 배관(22b)을 통해서 수소 가스 공급원(22c)으로부터 수소(H2) 가스가 공급된다. 가스 배관(22b)에는, 유량 제어기(22d) 및 개폐 밸브(22e)가 마련되어 있다. 이에 의해, 수소 가스 공급원(22c)으로부터의 H2 가스는, 가스 배관(22b) 및 가스 공급관(22)을 통해서 처리 용기(1) 내에 공급된다.
가스 공급관(23)은, 그 수직 부분이 후술하는 플라스마 생성 공간에 마련되어 있다. 가스 공급관(23)에는, 가스 배관(22b)을 통해서 수소 가스 공급원(22c)으로부터 H2 가스가 공급된다. 또한, 가스 공급관(23)에는, 가스 배관(23b)을 통해서 질화 가스 공급원(23c)으로부터 질화 가스가 공급된다. 가스 배관(22b, 23b)에는, 각각 유량 제어기(22d, 23d) 및 개폐 밸브(22e, 23e)가 마련되어 있다. 이에 의해, 수소 가스 공급원(22c)으로부터의 H2 가스는, 가스 배관(22b) 및 가스 공급관(23)을 통해서 플라스마 생성 공간에 공급되고, 플라스마 생성 공간에서 플라스마화되어 처리 용기(1) 내에 공급된다. 또한, 질화 가스 공급원(23c)으로부터의 질화 가스는, 가스 배관(23b) 및 가스 공급관(23)을 통해서 플라스마 생성 공간에 공급되고, 플라스마 생성 공간에서 플라스마화되어 처리 용기(1) 내에 공급된다. 질화 가스로서는, 예를 들어 암모니아(NH3), 질소(N2), 디아젠(N2H2), 히드라진(N2H4), 모노메틸히드라진(CH3(NH)NH2) 등의 유기 히드라진 화합물을 이용할 수 있다.
가스 공급관(24)에는, 가스 배관(24b)을 통해서 불활성 가스 공급원(24c)으로부터 불활성 가스가 공급된다. 가스 배관(24b)에는, 유량 제어기(24d) 및 개폐 밸브(24e)가 마련되어 있다. 이에 의해, 불활성 가스 공급원(24c)으로부터의 불활성 가스는, 가스 배관(24b) 및 가스 공급관(24)을 통해서 처리 용기(1) 내에 공급된다. 불활성 가스로서는, 예를 들어 아르곤(Ar), 질소(N2)를 이용할 수 있다. 불활성 가스는 불활성 가스 공급원(24c)으로부터 가스 배관(24b) 및 가스 공급관(24)을 통해서 처리 용기(1) 내에 공급하는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 가스 공급관(21, 22, 23)의 어느 것으로부터 공급하는 것이든 상관없다.
처리 용기(1)의 측벽의 일부에는, 플라스마 생성 기구(30)가 형성되어 있다. 플라스마 생성 기구(30)는, 질화 가스를 플라스마화해서 질화를 위한 활성종을 생성하고, 또한 H2 가스를 플라스마화해서 수소(H) 라디칼을 생성한다.
플라스마 생성 기구(30)는, 처리 용기(1)의 외벽에 기밀하게 용접된 플라스마 구획벽(32)을 구비하고 있다. 플라스마 구획벽(32)은, 예를 들어 석영에 의해 형성된다. 플라스마 구획벽(32)은 단면 오목 형상을 이루고, 처리 용기(1)의 측벽에 형성된 개구(31)를 덮는다. 개구(31)는, 웨이퍼 보트(5)에 지지되어 있는 모든 웨이퍼(W)를 상하 방향으로 커버할 수 있도록, 상하 방향으로 가늘고 길게 형성된다. 플라스마 구획벽(32)에 의해 규정됨과 함께 처리 용기(1) 내와 연통하는 내측 공간, 즉, 플라스마 생성 공간에는, 상술한 질화 가스 및 H2 가스를 토출하기 위한 가스 공급관(23)이 배치되어 있다. 또한, 원료 가스를 토출하기 위한 가스 공급관(21) 및 H2 가스를 토출하기 위한 가스 공급관(22)은, 플라스마 생성 공간 밖의 처리 용기(1)의 내측벽을 따른 웨이퍼(W)에 가까운 위치에 마련되어 있다. 가스 공급관(21) 및 가스 공급관(22)을 개구(31)를 사이에 둔 위치에 배치하는 예를 도 2에서 도시하지만, 이것에 한하지 않는다. 또한, 각각 가스 공급관을 복수개 배치해도 된다.
또한, 플라스마 생성 기구(30)는, 한 쌍의 플라스마 전극(33)과, 고주파 전원(35)을 더 갖는다. 한 쌍의 플라스마 전극(33)은, 가늘고 긴 형상을 갖고, 플라스마 구획벽(32)의 양측 벽의 외면에, 상하 방향을 따라 서로 대향하도록 배치되어 있다. 고주파 전원(35)은, 한 쌍의 플라스마 전극(33) 각각에 급전 라인(34)을 통해서 접속되어, 한 쌍의 플라스마 전극(33)에 예를 들어 13.56MHz의 고주파 전력을 공급한다. 이에 의해, 플라스마 구획벽(32)에 의해 규정된 플라스마 생성 공간 내에, 고주파 전계가 인가된다. 가스 공급관(23)으로부터 토출된 질화 가스 및 H2 가스는, 고주파 전계가 인가된 플라스마 생성 공간 내에서 플라스마화되고, 이에 의해 생성된 질화를 위한 활성종 및 수소 라디칼이 개구(31)를 통해서 처리 용기(1)의 내부에 공급된다.
플라스마 구획벽(32)의 외측에는, 이것을 덮도록 해서 절연 보호 커버(36)가 설치되어 있다. 절연 보호 커버(36)의 내측 부분에는, 냉매 통로(도시하지 않음)가 마련되어 있어, 냉매 통로에 냉각된 질소(N2) 가스 등의 냉매를 흘림으로써 플라스마 전극(33)이 냉각된다.
개구(31)에 대향하는 처리 용기(1)의 측벽 부분에는, 처리 용기(1) 내를 진공 배기하기 위한 배기구(37)가 마련되어 있다. 배기구(37)는, 웨이퍼 보트(5)에 대응해서 상하로 가늘고 길게 형성되어 있다. 처리 용기(1)의 배기구(37)에 대응하는 부분에는, 배기구(37)를 덮도록 단면 U자 형상으로 성형된 배기구 커버 부재(38)가 설치되어 있다. 배기구 커버 부재(38)는, 처리 용기(1)의 측벽을 따라 상방으로 연장되어 있다. 배기구 커버 부재(38)의 하부에는, 배기구(37)을 통해서 처리 용기(1)를 배기하기 위한 배기관(39)이 접속되어 있다. 배기관(39)에는, 처리 용기(1) 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브(40) 및 진공 펌프 등을 포함하는 배기 장치(41)가 접속되어 있어, 배기 장치(41)에 의해 배기관(39)을 통해서 처리 용기(1) 내가 배기된다.
또한, 처리 용기(1)의 외주를 둘러싸도록 해서 처리 용기(1) 및 그 내부의 웨이퍼(W)를 가열하는 원통체 형상의 가열 기구(42)가 마련되어 있다.
또한, 처리 장치(100)는, 제어부(50)를 갖는다. 제어부(50)는, 예를 들어 처리 장치(100)의 각 부의 동작의 제어, 예를 들어 개폐 밸브(21e, 22e, 23e, 24e)의 개폐에 의한 각 가스의 공급·정지, 유량 제어기(21d, 22d, 23d, 24d)에 의한 가스 유량의 제어, 배기 장치(41)에 의한 배기 제어를 행한다. 또한, 제어부(50)는, 예를 들어 고주파 전원(35)에 의한 고주파 전력의 온·오프 제어, 가열 기구(42)에 의한 웨이퍼(W)의 온도의 제어를 행한다.
제어부(50)는, 예를 들어 컴퓨터 등이면 된다. 또한, 처리 장치(100)의 각 부의 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은, 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는, 예를 들어 플렉시블 디스크, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, 플래시 메모리, DVD 등이면 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 처리 장치(100)는, 처리 용기(1) 내에 마련되어, 처리 용기(1) 내에 H2 가스를 공급하는 가스 공급관(22)과, 플라스마 생성 공간에 마련되어, 플라스마 생성 공간에 H2 가스를 공급하는 가스 공급관(23)을 구비한다. 이에 의해, 플라스마 생성 공간 외에도, 처리 용기(1) 내의 웨이퍼(W)가 수용된 영역(이하, 「웨이퍼 처리 영역」이라고 함) 내에서 수소 라디칼을 생성할 수 있다. 구체적으로는, 가스 공급관(23)으로부터 공급되는 H2 가스는 플라스마 생성 공간에서 플라스마화되어 수소 라디칼이 생성된다. 그 수소 라디칼은 개구(31)를 통해서 처리 용기(1) 내의 웨이퍼(W)에 도달한다. 한편, 웨이퍼(W)의 근처에 배치된 가스 공급관(22)으로부터 공급되는 H2 가스는, 플라스마 생성 공간에서 생성된 수소 라디칼에 의해 간접적으로 활성화되어 수소 라디칼을 생성한다. 그 때문에, 플라스마를 생성하기 위한 고주파 전력을 높이거나 하지 않고, 웨이퍼 처리 영역에서의 수소 라디칼의 양을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양이 증가하여, 웨이퍼(W)의 주연부에 도달하는 수소 라디칼의 양과 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양의 차가 작아지므로, 수소 라디칼 처리의 면내 균일성이 향상된다.
〔처리 방법〕
일 실시 형태의 처리 방법에 대해서, 상술한 처리 장치(100)에 의해 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막(SiN막)을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 3은, 일 실시 형태의 SiN막의 형성 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
먼저, 처리 용기(1) 내의 온도를 소정 온도(예를 들어 400 내지 630℃)로 조정하고, 다수매의 웨이퍼(W)가 탑재된 웨이퍼 보트(5)를 처리 용기(1) 내에 반입한다. 계속해서, 배기 장치(41)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기하면서, 처리 용기(1) 내를 소정 압력(예를 들어 13.3 내지 666.6Pa)으로 압력 조절한다.
계속해서, 스텝 S31에 나타낸 바와 같이, 배기 장치(41)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기하면서, 가스 공급관(24)으로부터 처리 용기(1) 내에 불활성 가스로서 N2 가스를 공급한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내의 분위기를 N2 가스로 치환한다. 스텝 S31의 처리 조건은, N2 가스 유량: 200 내지 10000sccm, 시간: 3 내지 10초인 것이 바람직하다.
계속해서, 스텝 S32에 나타낸 바와 같이, 가스 공급관(21)으로부터 처리 용기(1) 내에 원료 가스로서 DCS 가스를 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘(Si)을 흡착시킨다. 스텝 S32의 처리 조건은, DCS 가스 유량: 500 내지 5000sccm, 시간: 3 내지 10초인 것이 바람직하다.
계속해서, 스텝 S33에 나타낸 바와 같이, 가스 공급관(24)으로부터 처리 용기(1) 내에 불활성 가스를 공급하고, 스텝 S32에 의해 처리 용기(1) 내에 공급된 여분의 DCS 가스를 퍼지한다. 스텝 S33의 처리 조건은, N2 가스 유량: 200 내지 10000sccm, 시간: 3 내지 10초인 것이 바람직하다.
계속해서, 스텝 S34에 나타낸 바와 같이, 처리 용기(1) 내를 배기하면서, 가스 공급관(23)으로부터 플라스마 생성 공간에 H2 가스를 공급하고, 플라스마 생성 기구(30)에 의해 H2 가스를 플라스마화해서 수소 라디칼을 생성한다. 그리고, 생성한 수소 라디칼을, 스텝 S32에 의해 흡착된 Si에 작용시킨다. 또한, 가스 공급관(22)으로부터 처리 용기(1) 내에 H2 가스를 공급한다. 이때, 가스 공급관(22)으로부터 처리 용기(1) 내에 공급된 H2 가스의 일부 또는 전부가 처리 용기(1) 내에서 플라스마화되어 수소 라디칼을 생성한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)에 흡착된 Si에는, 가스 공급관(23)으로부터 공급된 H2 가스에 기인하는 수소 라디칼과, 가스 공급관(22)으로부터 공급된 H2 가스에 기인하는 수소 라디칼이 작용한다. 이렇게 웨이퍼 처리 영역에서의 수소 라디칼의 양이 증가하므로, 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양이 증가하여, 웨이퍼(W)의 주연부에 도달하는 수소 라디칼의 양과 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양의 차가 작아진다. 그 결과, 수소 라디칼 처리의 면내 균일성이 향상된다. 스텝 S34의 처리 조건은, 고주파 전력: 50 내지 250W, H2 가스 유량: 500 내지 4000sccm, 시간: 5 내지 120초인 것이 바람직하다.
또한, 흡착된 Si에 수소 라디칼을 작용시키는 효과의 일례는 이하와 같다. DCS 가스를 공급했을 때, 화학 흡착된 Si에는, DCS에 포함되는 Cl이나 H 등의 불순물이나 과잉의 Si가 클러스터상으로 물리 흡착된다. 그 상태에서 NH3 가스를 공급해서 형성된 SiN은, Cl이나 H 등의 불순물이나 과잉의 Si 클러스터 등이 포함되어, Si-N 결합이 충분히 형성되지 않고, 또한 기공도 포함한 것이 된다. 수소 라디칼을 작용시킴으로써, 불순물인 Cl, H 및 과잉의 Si를, HCl이나 SiH4 등으로서 제거할 수 있다. 이에 의해, 거의 단원자층 Si가 흡착된 상태로 되고, 이 상태에서 NH3 가스를 공급함으로써, 불순물이나 기공이 적고, Si-N 결합이 충분히 형성된 상태로 할 수 있다.
계속해서, 스텝 S35에 나타낸 바와 같이, 가스 공급관(24)으로부터 처리 용기(1) 내에 불활성 가스를 공급하고, 스텝 S34에 의해 처리 용기(1) 내에 공급된 여분의 H2 가스를 퍼지한다. 스텝 S35의 처리 조건은, N2 가스 유량: 200 내지 10000sccm, 시간: 3 내지 10초인 것이 바람직하다.
계속해서, 스텝 S36에 나타낸 바와 같이, 가스 공급관(23)으로부터 플라스마 생성 공간에 질화 가스로서 NH3 가스를 공급하고, 플라스마 생성 기구(30)에 의해 NH3 가스를 플라스마화해서 질화를 위한 활성종을 생성하고, 스텝 S32에 의해 흡착된 Si를 질화한다. 스텝 S36의 처리 조건은, NH3 가스 유량: 500 내지 10000sccm, 시간: 10 내지 60초인 것이 바람직하다.
계속해서, 스텝 S37에 나타낸 바와 같이, 스텝 S31 내지 S36이 소정 횟수에 도달했는지 여부를 판정하고, 소정 횟수에 도달한 경우에는 처리를 종료하고, 소정 횟수에 도달하지 않은 경우에는 스텝 S31로 돌아간다.
이와 같이, 일 실시 형태의 SiN막의 형성 방법에서는, Si의 흡착, 수소 라디칼 처리 및 Si의 질화를, 퍼지를 사이에 끼워서 이 순서대로 반복함으로써, 원하는 막 두께를 갖는 SiN막을 형성한다. 그리고, 스텝 S34에서, 플라스마 생성 공간에 마련된 가스 공급관(23) 외에도, 처리 용기(1) 내에 마련된 가스 공급관(22)으로부터도 H2 가스를 공급한다. 이에 의해, 흡착된 Si에 대하여, 종래보다도 다량의 수소 라디칼을 공급할 수 있으므로, 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양이 증가하여, 웨이퍼(W)의 주연부에 도달하는 수소 라디칼의 양과 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양의 차가 작아진다. 그 결과, 수소 라디칼 처리의 면내 균일성이 향상된다.
이어서, 상술한 처리 장치(100)에 의해 웨이퍼(W) 상에 SiN막을 형성하는 방법의 다른 예에 대해서 설명한다. 도 4는, 일 실시 형태의 SiN막의 형성 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이다.
도 4에 도시되는 예에서는, 질화 가스로서의 NH3 가스를 공급해서 Si를 질화하는 스텝 후이며, 원료 가스로서의 DCS 가스를 공급해서 Si를 흡착시키는 스텝 전에, 수소 라디칼 처리를 추가해서 행하는 점에서, 도 3에 도시되는 예와 상이하다.
먼저, 처리 용기(1) 내의 온도를 소정 온도(예를 들어 400 내지 630℃)로 조정하고, 다수매의 웨이퍼(W)가 탑재된 웨이퍼 보트(5)를 처리 용기(1) 내에 반입한다. 계속해서, 배기 장치(41)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기하면서, 처리 용기(1) 내를 소정 압력(예를 들어 13.3 내지 666.6Pa)으로 압력 조절한다.
계속해서, 스텝 S41 내지 S46을 행한다. 스텝 S41 내지 S46은, 도 3에 도시되는 SiN막의 형성 방법에서의 스텝 S31 내지 S36과 마찬가지이다.
계속해서, 스텝 S47에 나타낸 바와 같이, 가스 공급관(24)으로부터 처리 용기(1) 내에 불활성 가스를 공급하고, 스텝 S46에 의해 처리 용기(1) 내에 공급된 여분의 NH3 가스를 퍼지한다. 스텝 S47의 처리 조건은, N2 가스 유량: 200 내지 10000sccm, 시간: 3 내지 10초인 것이 바람직하다.
계속해서, 스텝 S48에 나타낸 바와 같이, 처리 용기(1) 내를 배기하면서, 가스 공급관(23)으로부터 플라스마 생성 공간에 H2 가스를 공급하고, 플라스마 생성 기구(30)에 의해 H2 가스를 플라스마화해서 수소 라디칼을 생성한다. 그리고, 생성한 수소 라디칼을, 스텝 S46에 의해 질화된 Si에 수소 라디칼을 작용시킨다. 또한, 가스 공급관(22)으로부터 처리 용기(1) 내에 H2 가스를 공급한다. 이때, 가스 공급관(22)으로부터 처리 용기(1) 내에 공급된 H2 가스의 일부 또는 전부가 처리 용기(1) 내에서 플라스마화되어 수소 라디칼을 생성한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)에 흡착되어, 질화된 Si에는, 가스 공급관(23)으로부터 공급된 H2 가스에 기인하는 수소 라디칼과, 가스 공급관(22)으로부터 공급된 H2 가스에 기인하는 수소 라디칼이 작용한다. 이렇게 웨이퍼 처리 영역에서의 수소 라디칼의 양이 증가하므로, 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양이 증가하여, 웨이퍼(W)의 주연부에 도달하는 수소 라디칼의 양과 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양의 차가 작아진다. 그 결과, 수소 라디칼 처리의 면내 균일성이 향상된다. 스텝 S48의 처리 조건은, 고주파 전력: 50 내지 250W, H2 가스 유량: 500 내지 4000sccm, 시간: 5 내지 120초인 것이 바람직하다.
또한, 질화된 Si에 수소 라디칼을 작용시키는 효과는 이하와 같다. 스텝 S44의 수소 라디칼 처리에서 제거하지 못한 불순물인 Cl, H 및 물리 흡착되어 있는 과잉의 Si 클러스터는 질화되지 않고 남은 상태로 되는 경우가 있다. 이 상태에서 DCS 가스를 공급하여, Si-N 결합이 충분하지 않은 부분을 덮게 되면, 형성된 SiN은 Si-N 결합이 충분하지 않은 막으로 되어버린다. 수소 라디칼을 작용시킴으로써, 불순물인 Cl, H 및 과잉의 Si를, HCl이나 SiH4 등으로서 제거할 수 있다. 이에 의해, 불순물이나 기공이 적고, Si-N 결합이 충분히 형성된 상태로 할 수 있다.
계속해서, 스텝 S49에 나타낸 바와 같이, 스텝 S41 내지 S48이 소정 횟수에 도달했는지 여부를 판정하고, 소정 횟수에 도달한 경우에는 처리를 종료하고, 소정 횟수에 도달하지 않은 경우에는 스텝 S41로 돌아간다.
이와 같이, 일 실시 형태의 SiN막의 형성 방법에서는, Si의 흡착, 수소 라디칼 처리, Si의 질화 및 수소 라디칼 처리를, 퍼지를 사이에 끼워서 이 순서대로 반복함으로써, 원하는 막 두께를 갖는 SiN막을 형성한다. 그리고, 스텝 S44 및 스텝 S48에서, 플라스마 생성 공간에 마련된 가스 공급관(23) 외에도, 처리 용기(1) 내에 마련된 가스 공급관(22)으로부터도 H2 가스를 공급한다. 이에 의해, 흡착된 Si에 대하여, 종래보다도 다량의 수소 라디칼을 공급할 수 있으므로, 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양이 증가하여, 웨이퍼(W)의 주연부에 도달하는 수소 라디칼의 양과 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양의 차가 작아진다. 그 결과, 수소 라디칼 처리의 면내 균일성이 향상된다.
〔실시예〕
이어서, 일 실시 형태의 처리 방법의 효과를 확인하기 위해서 행한 실시예에 대해서 설명한다.
실시예 1에서는, 상술한 처리 장치(100)를 사용해서 도 3에 도시되는 SiN막의 형성 방법에 의해, 직경이 300mm인 웨이퍼(W) 상에 SiN막을 형성했다. 또한, 실시예 1에서는, 수소 라디칼 처리 시에 가스 공급관(22) 및 가스 공급관(23)으로부터 H2 가스를 공급했다. 또한, 1사이클당 H2 가스의 공급 시간(수소 라디칼 처리의 시간)을 30초, 60초, 120초로 조정했다. 또한, 형성한 각각의 SiN막의 막 응력을 측정했다. 또한, 수소 라디칼 처리의 시간을 60초로 조정해서 형성한 SiN막에 대해서, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 습식 에칭 속도를 측정했다.
실시예 1의 비교를 위해서, 수소 라디칼 처리 시에 가스 공급관(23)만으로부터 H2 가스를 공급해서 수소 라디칼 처리를 행한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 처리 조건에서 웨이퍼(W) 상에 SiN막을 형성했다(비교예 1). 또한, 형성한 각각의 SiN막의 막 응력을 측정했다. 또한, 수소 라디칼 처리의 시간을 60초로 조정해서 형성한 SiN막에 대해서, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 습식 에칭 속도를 측정했다.
도 5는, 수소 라디칼 처리의 시간과 막 응력의 관계를 도시하는 도면이다. 도 5 중, 횡축은 1사이클당 수소 라디칼 처리의 시간[초]을 나타내고, 종축은 막 응력[MPa]을 나타낸다. 또한, 도 5 중, 삼각(▲) 표시는 실시예 1의 측정 결과를 나타내고, 원(●) 표시는 비교예 1의 측정 결과를 나타낸다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 1사이클당 수소 라디칼 처리의 시간을 길게 할수록, SiN막의 막 응력이 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, 1사이클당 수소 라디칼 처리의 시간이 동일한 경우에는, 실시예 1의 SiN막은 비교예 1의 SiN막보다도 막 응력이 작은 것을 알 수 있다. 즉, 수소 라디칼 처리 시에, 플라스마 생성 공간에 마련된 가스 공급관(23) 외에도, 처리 용기(1) 내에 마련된 가스 공급관(22)으로부터도 H2 가스를 공급함으로써, SiN막의 막 응력을 효율적으로 저감할 수 있다고 할 수 있다. 즉, 원하는 막 응력을 갖는 막을 단시간에 형성할 수 있다. 이것은, 막 응력을 변화시키기 위해서는 웨이퍼(W) 전체면의 막 상태를 변화시킬 필요가 있는데, 플라스마 생성 공간에 마련된 가스 공급관(23) 외에도, 처리 용기(1) 내에 마련된 가스 공급관(22)으로부터도 H2 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양이 특히 증가했기 때문이라고 생각된다.
도 6은, 수소 라디칼 처리를 행했을 때의 웨이퍼 위치와 습식 에칭 속도의 관계를 도시하는 도면이다. 도 6 중, 횡축은 웨이퍼 위치[mm]를 나타내고, 종축은 습식 에칭 속도[Å/min]를 나타낸다. 또한, 도 6 중, 삼각(▲) 표시는 실시예 1의 측정 결과를 나타내고, 원(●) 표시는 비교예 1의 측정 결과를 나타낸다. 또한, 웨이퍼 위치 0mm는 웨이퍼 중심을 나타내고, 웨이퍼 위치 -150mm, +150mm는 웨이퍼 단부를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 어느 웨이퍼 위치에서든, 실시예 1의 SiN막은 비교예 1의 SiN막보다도 습식 에칭 속도가 작은 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 수소 라디칼 처리 시에, 플라스마 생성 공간에 마련된 가스 공급관(23) 외에도, 처리 용기(1) 내에 마련된 가스 공급관(22)으로부터도 H2 가스를 공급함으로써, 치밀한 SiN막을 형성할 수 있다고 할 수 있다.
또한, 웨이퍼(W)의 중앙부(예를 들어, 웨이퍼 위치 -75mm, 0mm)에서는, 웨이퍼(W)의 주연부(예를 들어, 웨이퍼 위치 -150mm, 150mm)와 비교하여, 비교예 1의 SiN막에 대한 실시예 1의 SiN막의 습식 에칭 속도의 저하 비율이 크다. 이것으로부터, 수소 라디칼 처리 시에, 플라스마 생성 공간에 마련된 가스 공급관(23) 외에도, 처리 용기(1) 내에 마련된 가스 공급관(22)으로부터도 H2 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달하는 수소 라디칼의 양이 특히 증가했다고 생각된다.
또한, 수소 라디칼 처리의 면내 균일성이 향상되면, 이하의 효과가 발휘된다.
ALD법에 의해 SiN막을 형성하는 경우, 스텝 S32에서 DCS 가스를 공급할 때, 원리적으로는, 하지의 화학 흡착 사이트에 DCS 가스가 흡착되지만, 포화 흡착량에 달하면 더 이상은 DCS 가스가 흡착되지 않는다. 이 때문에, 단원자층의 Si가 화학 흡착된다.
그러나, 종래의 ALD법에서는, 실제로는, DCS 가스에 포함되는 Cl 등의 불순물이 물리 흡착되어 응집하고, 불순물을 통해서 Si도 물리 흡착되어 응집하여, Si 클러스터가 되어, Si의 과잉 흡착이 발생한다.
이 경우, 웨이퍼 표면이 평탄해서 표면적이 작은 상태인 경우는, 불순물이 흡착되기 쉽기 때문에, Si의 과잉 흡착의 양이 많아지는 것에 반해, 웨이퍼 표면에 요철이 많아 표면적이 큰 상태인 경우는, 불순물이 오목부의 바닥에 도달하기 어렵기 때문에, Si의 과잉 흡착의 양이 적어진다. 그리고, 이것이, 웨이퍼의 표면 상태의 차이에 의해 성막량이 변동하는 로딩 효과가 발생하는 원인이 된다. 또한, 이러한 Si의 과잉 흡착에 의해, 웨이퍼(W)의 투입 매수의 변동에 의한 SiN막의 막 두께 변동도 발생하기 쉬워진다.
이러한 로딩 효과를 억제하기 위해서는, 포화 흡착된 Si 상에 물리 흡착되는 Cl 등의 불순물 및 과잉의 Si를 제거할 수 있으면 된다.
그래서, 일 실시 형태에서는, ALD법에 의해 SiN막을 형성하는데 있어서, DCS 가스를 공급하는 공정(스텝 S32) 후에, 수소 라디칼 처리(스텝 S34)를 행하여, 스텝 S32 시에 물리 흡착된 불순물 및 과잉의 Si를 제거한다. 또한, 이때, 플라스마 생성 공간에 마련된 가스 공급관(23) 외에도, 처리 용기(1) 내에 마련된 가스 공급관(22)으로부터도 H2 가스를 공급한다. 그 때문에, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 Si에 대하여, 종래보다도 다량의 수소 라디칼을 공급할 수 있다. 그 결과, 스텝 S32 시에 물리 흡착된 불순물 및 과잉의 Si를 면내 균일성 높게 제거할 수 있다.
구체적으로는, DCS 가스를 사용한 경우, 화학 흡착된 단원자층의 Si 상에, Cl 등의 불순물 및 과잉의 Si가 클러스터 상태로 물리 흡착되지만, 수소 라디칼을 작용시킴으로써, 물리 흡착된 Cl 등의 불순물 및 Si를 제거할 수 있다. 그리고, 이상적으로는, 화학 흡착된 단원자층의 Si만을 남기도록 한다.
이에 의해, 웨이퍼(W)의 표면 상태에 관계없이, Si층을 단원자층 상태에 접근시킬 수 있어, 최종적으로 형성될 SiN막의 웨이퍼(W)의 표면 상태에 따른 막 두께의 변동, 즉 로딩 효과를 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서, 가스 공급관(23)은 제1 가스 공급부의 일례이며, 가스 공급관(22)은 제2 가스 공급부의 일례이다.
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, 실리콘 질화막(SiN막)을 형성하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 성막하는 막은 질화막이면 되며, 실리콘 질화막에 한정되지 않는다. 예를 들어, 티타늄 질화막, 붕소 질화막, 텅스텐 질화막, 알루미늄 질화막 등에도, 본 개시의 기술을 적용할 수 있다. 티타늄 질화막을 형성하는 경우, 원료 가스로서는 예를 들어 TiCl4 가스가 사용된다. 붕소 질화막을 형성하는 경우, 원료 가스로서는 예를 들어 BCl3 가스가 사용된다. 텅스텐 질화막을 형성하는 경우, 원료 가스로서는 예를 들어 WCl6 가스가 사용된다. 알루미늄 질화막을 형성하는 경우, 원료 가스로서는 예를 들어 AlCl3 가스가 사용된다.
또한, 산소, 탄소, 붕소, 불소 중 어느 하나 또는 복수를 포함하는 질화막이어도 된다. 예를 들어, 실리콘 질화막을 예로 들면, SiN 이외에, SiON, SiCN, SiOCN, SiBN, SiBCN, SiBOCN, SiFN 또는 SiCFN 등이어도 된다. 산소, 탄소, 붕소 및 불소에서 선택되는 1개 이상의 원소는, 흡착시키는 스텝, 수소 라디칼을 생성하는 스텝, 질화하는 스텝, 또는 새롭게 마련한 스텝에서 Si 함유층에 도입된다. 그 도입되는 공정은, 질화막을 형성하는 사이클 중에 행하는 것이면 된다.
상기 실시 형태에서는, 기판이 반도체 웨이퍼인 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판은 플랫 패널 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)용 대형 기판, EL 소자 또는 태양 전지용 기판이어도 된다.

Claims (7)

  1. 기판을 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내와 연통하는 플라스마 생성 공간을 갖는 플라스마 생성 기구와,
    상기 플라스마 생성 공간에 마련되어, 수소 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와,
    상기 처리 용기 내에 마련되어, 수소 가스를 공급하는 제2 가스 공급부
    를 포함하는, 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 가스 공급부는, 상기 제1 가스 공급부보다도 상기 기판의 근처에 배치되어 있는, 처리 장치.
  3. 기판을 수용하는 처리 용기 내 및 상기 처리 용기 내와 연통하는 플라스마 생성 공간에 수소 가스를 공급해서 수소 라디칼을 생성하는 스텝을 포함하는
    처리 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 처리 용기 내에 성막 원료를 포함하는 가스를 공급해서 상기 기판에 흡착시키는 스텝과,
    상기 처리 용기 내에 질화 가스를 공급해서 상기 기판에 흡착된 상기 성막 원료를 질화하는 스텝
    을 더 포함하는, 처리 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 수소 라디칼을 생성하는 스텝, 상기 흡착시키는 스텝 및 상기 질화하는 스텝을 반복하는, 처리 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 수소 라디칼을 생성하는 스텝은, 상기 흡착시키는 스텝 후이며, 상기 질화하는 스텝 전에 행하여지는, 처리 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 라디칼을 생성하는 스텝은, 상기 질화하는 스텝 후이며, 상기 흡착시키는 스텝 전에 행하여지는, 처리 방법.
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