KR20210098345A - 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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KR20210098345A
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아리토 오가와
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

처리실 내의 막 박리에 기인하는 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
(a) 산화막이 형성된 기판을, 금속 함유막이 형성된 처리실 내에 반입하는 공정; (b) 처리실 내에 14족 원소와 수소를 포함하는 가스 또는 산소를 포함하는 가스 중 적어도 일방을 공급하는 공정; 및 (c) 기판 상에 금속 함유막을 형성하는 공정을 포함하고, (b) 공정 후에 (c) 공정을 수행한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기판 처리 장치{METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, PROGRAM AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 개시(開示)는 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
3차원 구조를 가지는 NAND형 플래시 메모리나 DRAM의 워드 라인으로서 예컨대 저저항의 텅스텐(W)막이 이용되고 있다. 또한 이 W막과 절연막 사이에 배리어막으로서 예컨대 질화티타늄(TiN)막이 설치되는 경우가 있다(예컨대 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조). TiN막은 W막과 절연막의 밀착성을 높이는 역할을 하고, 이 TiN막 상에 W막을 성장시키는 핵형(核形) 성막이 형성되는 경우가 있다.
1. 일본 특개 2011-66263호 공보 2. 국제공개 제2019/058608호 팸플릿
하지만 이러한 핵형 성막이 처리실 내의 내벽이나 더미 기판 등에도 형성되고 누적 막 두께가 두꺼워지면 큰 결정립(結晶粒)으로서 이상(異常) 성장하여 막 박리가 발생하는 경우가 있다.
본 개시는 처리실 내의 막 박리에 기인하는 파티클의 발생을 억제하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 형태에 따르면, (a) 산화막이 형성된 기판을, 금속 함유막이 형성된 처리실 내에 반입하는 공정; (b) 상기 처리실 내에 14족 원소와 수소를 포함하는 가스 또는 산소를 포함하는 가스 중 적어도 일방(一方)을 공급하는 공정; 및 (c) 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 (b) 공정 후에 상기 (c) 공정을 수행하는 기술이 제공된다.
본 개시에 따르면, 처리실 내의 막 박리에 기인하는 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 종형(縱型) 처리로의 개략을 도시하는 종단면도(縱斷面圖).
도 2는 도 1에서의 A-A선 개략 횡단면도(橫斷面圖).
도 3은 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 도시하는 도면.
도 4는 본 개시의 일 실시 형태에서의 성막 시퀀스를 도시하는 도면.
도 5는 본 개시의 일 실시 형태에서의 성막 시퀀스의 변형예를 도시하는 도면.
도 6은 비교예 및 실시예에서 더미 기판 상에 형성된 TiN막의 표면 조도(粗度)를 비교하여 도시하는 도면.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
기판 처리 장치(10)는 가열 수단(가열 기구, 가열계)으로서의 히터(207)가 설치된 처리로(202)를 구비한다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보지판(保持板)으로서의 히터 베이스(미도시)에 지지되는 것에 의해 수직으로 설치된다.
히터(207)의 내측에는 히터(207)와 동심원 형상으로 반응관(반응 용기, 처리 용기)을 구성하는 아우터 튜브(203)가 배설(配設)된다. 아우터 튜브(203)는 예컨대 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색(閉塞)되고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성된다. 아우터 튜브(203)의 하방(下方)에는 아우터 튜브(203)와 동심원 형상으로, 매니폴드(인렛 플랜지)(209)가 배설된다. 매니폴드(209)는 예컨대 스텐레스(SUS) 등의 금속으로 구성되고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 매니폴드(209)의 상단부와 아우터 튜브(203) 사이에는 씰 부재로서의 O링(220a)이 설치된다. 매니폴드(209)가 히터 베이스로 지지되는 것에 의해 아우터 튜브(203)는 수직으로 설치된 상태가 된다.
아우터 튜브(203)의 내측에는 반응 용기를 구성하는 이너 튜브(204)가 배설된다. 이너 튜브(204)는 예컨대 석영, SiC 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 주로 아우터 튜브(203)와 이너 튜브(204)와 매니폴드(209)와에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성된다. 처리 용기의 통중공부(筒中空部)[이너 튜브(204)의 내측]에는 처리실(201)이 형성된다.
처리실(201)은 기판으로서의 웨이퍼(200)를 후술하는 보트(217)에 의해 수평 자세로 연직 방향에 다단으로 배열한 상태에서 수용 가능하도록 구성된다.
처리실(201) 내에는 노즐(410, 420, 430)이 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 설치된다. 노즐(410, 420, 430)에는 가스 공급관(310, 320, 330)이 각각 접속된다. 단, 본 실시 형태의 처리로(202)는 전술한 형태에 한정되지 않는다.
가스 공급관(310, 320, 330)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(312, 322, 332)가 각각 설치된다. 또한 가스 공급관(310, 320, 330)에는 개폐 밸브인 밸브(314, 324, 334)가 각각 설치된다. 가스 공급관(310, 320, 330)의 밸브(314, 324, 334)의 하류측에는 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(510, 520, 530)이 각각 접속된다. 가스 공급관(510, 520, 530)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 MFC(512, 522, 532) 및 개폐 밸브인 밸브(514, 524, 534)가 각각 설치된다.
가스 공급관(310, 320, 330)의 선단부(先端部)에는 노즐(410, 420, 430)이 각각 연결 접속된다. 노즐(410, 420, 430)은 L자형의 노즐로서 구성되고, 그 수평부는 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 설치된다. 노즐(410, 420, 430)의 수직부는 이너 튜브(204)의 지름 방향 외향으로 돌출하고, 또한 연직 방향으로 연재하도록 형성된 채널 형상(홈[溝] 형상)의 예비실(201a)의 내부에 설치되고, 예비실(201a) 내에서 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 상방(上方)[웨이퍼(200)의 배열 방향 상방]을 향해서 설치된다.
노즐(410, 420, 430)은 처리실(201)의 하부 영역으로부터 처리실(201)의 상부 영역까지 연재되도록 설치되고, 웨이퍼(200)와 대향하는 위치에 각각 복수의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)이 설치된다. 이에 의해 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 각각 웨이퍼(200)에 처리 가스를 공급한다. 이 가스 공급공(410a, 420a, 430a)은 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부에 걸쳐서 복수 설치되고, 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 동일한 개구 피치로 설치된다. 단, 가스 공급공(410a, 420a, 430a)은 전술한 형태에 한정되지 않는다. 예컨대 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부를 향해서 개구 면적을 서서히 크게 해도 좋다. 이에 의해 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 공급되는 가스의 유량을 보다 균일화하는 것이 가능해진다.
노즐(410, 420, 430)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)은 후술하는 보트(217)의 하부로부터 상부까지의 높이의 위치에 복수 설치된다. 그렇기 때문에 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급된 처리 가스는 보트(217)의 하부로부터 상부까지 수용된 웨이퍼(200)의 모든 영역에 공급된다. 노즐(410, 420, 430)은 처리실(201)의 하부 영역으로부터 상부 영역까지 연재되도록 설치되면 좋지만, 보트(217)의 천장 부근까지 연재되도록 설치되는 것이 바람직하다.
가스 공급관(310)으로부터는 처리 가스로서 금속 원소를 포함하는 원료 가스(금속 함유 가스)가 MFC(312), 밸브(314), 노즐(410)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 원료로서는 예컨대 금속 원소로서의 티타늄(Ti)을 포함하고, 할로겐계 원료(할로겐화물, 할로겐계 티타늄 원료)로서의 4염화티타늄(TiCl4)이 이용된다.
가스 공급관(320)으로부터는 처리 가스로서 14족 원소와 수소(H)를 포함하는 가스가 MFC(322), 밸브(324), 노즐(420)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 14족 원소와 H를 포함하는 가스로서는 예컨대 실란계 가스이며, 실리콘(Si)과 H를 포함하는 가스인 모노실란(SiH4) 가스를 이용할 수 있다.
가스 공급관(330)으로부터는 처리 가스로서 금속 함유 가스에 반응하는 반응 가스가 MFC(332), 밸브(334), 노즐(430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 반응 가스로서는 예컨대 질소(N)를 포함하는 N 함유 가스로서의 예컨대 암모니아(NH3) 가스를 이용할 수 있다.
가스 공급관(510, 520, 530)으로부터는 불활성 가스로서 예컨대 질소(N2) 가스가 각각 MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534), 노즐(410, 420, 430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 이하, 불활성 가스로서 N2 가스를 이용하는 예에 대해서 설명하지만, 불활성 가스로서는 N2 가스 이외에 예컨대 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 크세논(Xe) 가스 등의 희가스를 이용해도 좋다.
주로 가스 공급관(310, 320, 330), MFC(312, 322, 332) 밸브(314, 324, 334), 노즐(410, 420, 430)에 의해 처리 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410, 420, 430)만을 처리 가스 공급계라고 생각해도 좋다. 처리 가스 공급계는 단순히 가스 공급계라고 불러도 좋다. 가스 공급관(310)으로부터 원료 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(310), MFC(312), 밸브(314)에 의해 원료 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410)을 원료 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 가스 공급관(320)으로부터 실란계 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(320), MFC(322), 밸브(324)에 의해 실란계 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(420)을 실란계 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 가스 공급관(330)으로부터 반응 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(330), MFC(332), 밸브(334)에 의해 반응 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(430)을 반응 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 가스 공급관(330)으로부터 반응 가스로서 질소 함유 가스를 공급하는 경우, 반응 가스 공급계를 질소 함유 가스 공급계라고도 부를 수 있다. 또한 주로 가스 공급관(510, 520, 530), MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534)에 의해 불활성 가스 공급계가 구성된다.
본 실시 형태에서의 가스 공급의 방법은, 이너 튜브(204)의 내벽과 복수 매의 웨이퍼(200)의 단부로 정의되는 원환(圓環) 형상의 세로로 긴 공간 내의 예비실(201a) 내에 배치한 노즐(410, 420, 430)을 경유해서 가스를 반송한다. 그리고 노즐(410, 420, 430)의 웨이퍼와 대향하는 위치에 설치된 복수의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 이너 튜브(204) 내에 가스를 분출시킨다. 보다 구체적으로서는 노즐(410)의 가스 공급공(410a), 노즐(420)의 가스 공급공(420a), 노즐(430)의 가스 공급공(430a)에 의해 웨이퍼(200)의 표면과 평행 방향을 향해서 원료 가스 등을 분출시킨다.
배기공(배기구)(204a)은 이너 튜브(204)의 측벽이며 노즐(410, 420, 430)과 대향하는 위치에 형성된 관통공이며, 예컨대 연직 방향으로 가늘고 길게 개설된 슬릿 형상의 관통공이다. 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 웨이퍼(200)의 표면 상을 흐른 가스는 배기공(204a)을 개재하여 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(203) 사이에 형성된 극간[배기로(206) 내]에 흐른다. 그리고 배기로(206) 내에 흐른 가스는 배기관(231) 내에 흐르고, 처리로(202) 외로 배출된다.
배기공(204a)은 복수의 웨이퍼(200)와 대향하는 위치에 설치되고, 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 근방에 공급된 가스는 수평 방향을 향해서 흐른 뒤, 배기공(204a)을 개재하여 배기로(206) 내에 흐른다. 배기공(204a)은 슬릿 형상의 관통공으로서 구성되는 경우에 한정되지 않고, 복수 개의 공(孔)에 의해 구성되어도 좋다.
매니폴드(209)에는 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 설치된다. 배기관(231)에는 상류측부터 순서대로 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245), APC(Auto Pressure Controller) 밸브(243), 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속된다. APC 밸브(243)는 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐하는 것에 의해 처리실(201) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 수행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브 개도(開度)를 조절하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있다. 주로 배기공(204a), 배기로(206), 배기관(231), APC 밸브(243) 및 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
매니폴드(209)의 하방에는 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구(爐口) 개체(蓋體)로서의 씰 캡(219)이 설치된다. 씰 캡(219)은 매니폴드(209)의 하단에 연직 방향 하측으로부터 당접(當接)되도록 구성된다. 씰 캡(219)은 예컨대 SUS 등의 금속으로 구성되고, 원반 형상으로 형성된다. 씰 캡(219)의 상면에는 매니폴드(209)의 하단과 당접하는 씰 부재로서의 O링(220b)이 설치된다. 씰 캡(219)에서의 처리실(201)의 반대측에는 웨이퍼(200)를 수용하는 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치된다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은 씰 캡(219)을 관통해서 보트(217)에 접속된다. 회전 기구(267)는 보트(217)를 회전시키는 것에 의해 웨이퍼(200)를 회전시키도록 구성된다. 씰 캡(219)은 아우터 튜브(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 연직 방향으로 승강되도록 구성된다. 보트 엘리베이터(115)는 씰 캡(219)을 승강시키는 것에 의해 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출하는 것이 가능하도록 구성된다. 보트 엘리베이터(115)는 보트(217) 및 보트(217)에 수용된 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반송하는 반송 장치(반송 기구, 반송계)로서 구성된다.
기판 지지구로서의 보트(217)는 복수 매, 예컨대 25매 내지 200매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 연직 방향으로 간격을 두고 배열시키도록 구성된다. 보트(217)는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성된다. 보트(217)의 하부에는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 단열판(218)이 수평 자세로 다단(미도시)으로 지지된다. 이 구성에 의해 히터(207)로부터의 열이 씰 캡(219)측에 전달되기 어렵도록 이루어진다. 단, 본 실시 형태는 전술한 형태에 한정되지 않는다. 예컨대 보트(217)의 하부에 단열판(218)을 설치하지 않고, 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 통 형상의 부재로서 구성된 단열통을 설치해도 좋다.
도 2에 도시하는 바와 같이 이너 튜브(204) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되고, 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전량을 조정하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 되도록 구성된다. 온도 센서(263)는 노즐(410, 420, 430)과 마찬가지로 L자형으로 구성되고, 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 설치된다.
도 3에 도시하는 바와 같이 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(121)는 CPU(Central Processing Unit)(121a), RAM(Random Access Memory)(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는 내부 버스를 개재하여 CPU(121a)과 데이터 교환 가능하도록 구성된다. 컨트롤러(121)에는 예컨대 터치패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속된다.
기억 장치(121c)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(121c) 내에는 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법의 순서나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하도록 격납된다. 프로세스 레시피는 후술하는 반도체 장치의 제조 방법에서의 각 공정(각 스텝)을 컨트롤러(121)에 실행시켜 소정의 결과를 얻을 수 있도록 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피, 제어프로그램 등을 총칭하여 단순히 프로그램이라고도 부른다. 본 명세서에서 프로그램이라는 단어를 사용한 경우는 프로세스 레시피 단체(單體)만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 프로세스 레시피 및 제어 프로그램의 조합을 포함하는 경우가 있다. RAM(121b)은 CPU(121a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역(work area)으로서 구성된다.
I/O 포트(121d)는 전술한 MFC(312, 322, 332, 512, 522, 532), 밸브(314, 324, 334, 514, 524, 534), 압력 센서(245), APC 밸브(243), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115) 등에 접속된다.
CPU(121a)은 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(121c)로부터 레시피 등을 판독하도록 구성된다. CPU(121a)은 판독한 레시피의 내용을 따르도록 MFC(312, 322, 332, 512, 522, 532)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(314, 324, 334, 514, 524, 534)의 개폐 동작, APC 밸브(243)의 개폐 동작 및 APC 밸브(243)에 의한 압력 센서(245)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 보트(217)에의 웨이퍼(200)의 수용 동작 등을 제어하도록 구성된다.
컨트롤러(121)는 외부 기억 장치[예컨대 자기(磁氣) 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광(光) 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리](123)에 격납된 전술한 프로그램을 컴퓨터에 인스톨하는 것에 의해 구성할 수 있다. 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성된다. 이하, 이들을 총칭하여 단순히 기록 매체라고도 부른다. 본 명세서에서 기록 매체는 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양방(兩方)을 포함하는 경우가 있다. 컴퓨터로의 프로그램의 제공은 외부 기억 장치(123)를 이용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 이용하여 수행해도 좋다.
(2) 기판 처리 공정
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 TiN막을 형성하는 공정의 일례에 대해서 도 4를 이용하여 설명한다. TiN막을 형성하는 공정은 전술한 기판 처리 장치(10)의 처리로(202)를 이용하여 실행된다. 처리로(202) 내에서는 후술하는 성막 공정이 적어도 1회 수행되고, 처리실(201) 내에는 TiN막이 형성된다. 이하의 설명에서 기판 처리 장치(10)를 구성하는 각(各) 부(部)의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다. 본 공정에서 제조되는 제품 웨이퍼는 예컨대 반도체 디바이스로서 이용되는 STI(Shallow trench isolation)이며, Si 기판에 형성된 홈에 SiO2막을 형성하고, SiO2막 상에 TiN막을 매립하는 것이다. 또한 TiN막은 게이트 전극으로서 이용된다.
본 실시 형태에 의한 기판 처리 공정(반도체 장치의 제조 공정)에서는, (a) 산화막인 실리콘산화(SiO2)막이 형성된 웨이퍼(200)를 금속 함유막인 TiN막이 형성된 처리실(201) 내에 반입하는 공정과, (b) 처리실(201) 내에 14족 원소와 H를 포함하는 가스인 실란계 가스 또는 산소(O)을 포함하는 가스인 O2 가스 중 적어도 일방을 공급하는 공정과, (c) 웨이퍼(200) 상에 금속 함유막인 TiN막을 형성하는 공정을 포함하고, (b) 공정 후에 (c) 공정을 수행한다.
(b) 공정에서는 처리로(202) 내로서 처리실(201) 내의 벽이나 단열판(218)으로서 이용되는 더미 기판 등에 14족 원소를 포함하는 막 또는 산화막을 형성한다.
(c) 공정에서는 웨이퍼(200)에 대하여 금속 함유 가스인 TiCl4 가스를 공급하는 공정과 반응 가스인 NH3 가스를 공급하는 공정을 교호(交互)적으로 반복 수행하여 웨이퍼(200) 상에 금속 함유막인 TiN막을 형성한다.
여기서 웨이퍼 상에 TiN막을 형성할 때, 처리실(201) 내의 벽이나 더미 기판 등에도 핵형 성막이 형성된다. 그리고 처리실(201) 내의 벽 등에 형성된 막의 누적 막 두께가 두꺼워지면 큰 결정립으로서 이상 성장하여 막 박리가 발생하고, 파티클의 발생의 요인이 되는 경우가 있다. 본 실시 형태에서는 산화막이 형성된 웨이퍼(200)를 TiN막이 형성된 처리실(201) 내에 반입하고, 처리실(201) 내에서 TiN막을 형성하는 공정을 수행하기 전에 후술하는 트리트먼트 공정인 14족 원소와 H를 포함하는 가스를 공급하는 공정 또는 O를 포함하는 가스를 공급하는 공정을 수행한다. 이에 의해 처리실(201) 내의 벽이나 더미 기판 등에 형성된 TiN막의 결정립이 분단되어 막 박리가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 즉 처리실(201) 내의 벽이나 더미 기판 등에 형성된 TiN막 표면을 질화규화티타늄(TiSiN)화 또는 산화[산질화티타늄(TiNO)화, 산화티타늄(TiO)화]해서 결정립을 분단하는 결정립 분단막을 형성한다. 즉 처리실(201) 내의 벽이나 더미 기판 등에 형성된 TiN막의 핵형 성막의 성장을 멈추고 평탄화하여 막 박리가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한 트리트먼트 공정을 수행할 때 처리실(201) 내에는 SiO2막이 형성된 웨이퍼가 반입되기 때문에 웨이퍼(200)에는 영향을 주지 않는다. 즉 처리실(201) 내의 벽이나 더미 기판 등에 형성된 TiN막의 결정립만을 선택적으로 분단할 수 있고, 처리실(201) 내의 벽이나 더미 기판 등에 형성된 TiN막의 표면에만 결정립 분단막을 형성할 수 있다.
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우는 「웨이퍼 그 자체」를 의미하는 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등과의 적층체」를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 단어를 사용한 경우는 「웨이퍼 그 자체의 표면」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면」을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」이라는 단어를 사용한 경우도 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우와 같은 의미이다.
(웨이퍼 반입)
복수 매의 산화막이 형성된 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(裝塡)(웨이퍼 차지)되면, 도 1에 도시되는 바와 같이 복수 매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져 TiN막이 형성된 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서 씰 캡(219)은 O링(220)을 개재하여 아우터 튜브(203)의 하단 개구를 폐색한 상태가 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(201) 내, 즉 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이때 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(243)가 피드백 제어된다(압력 조정). 진공 펌프(246)는 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다. 또한 처리실(201) 내가 원하는 온도가 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포가 되도록 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전량이 피드백 제어된다(온도 조정). 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 계속해서 수행된다.
[트리트먼트 공정](SiH4 가스 공급)
밸브(324)를 열고 가스 공급관(320) 내에 14족 원소와 H를 포함하는 가스이자 실란계 가스인 SiH4 가스를 흘린다. SiH4 가스는 MFC(322)에 의해 유량 조정되어 노즐(420)의 가스 공급공(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 SiH4 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(524)를 열고 가스 공급관(520) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(520) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(522)에 의해 유량 조정되어 SiH4 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 밸브(514, 534)를 닫고 노즐(410, 430)로부터의 N2 가스의 공급을 정지한다.
이때 APC 밸브(243)를 전개(全開, full open)로 한다. MFC(322)로 제어하는 SiH4 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 10slm의 범위 내의 유량이며, 예컨대 2slm이 될 수 있는 유량으로 설정한다. MFC(522)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 본 공정에서의 처리실(201) 내의 압력을 후술하는 성막 공정에서의 처리실(201) 내의 압력보다 낮아지도록 설정한다. 또한 본 공정에서 공급되는 가스의 유량을 후술하는 성막 공정에서 공급되는 가스의 유량보다 적어지도록 설정한다. 이에 의해 처리실(201) 내 전체적으로 SiH4 가스를 확산시키는 것이 가능해지고, 제품 웨이퍼가 되는 웨이퍼(200)에는 영향을 주지 않고 처리실(201) 내의 벽 등에 형성된 TiN막에만 선택적으로 트리트먼트를 수행할 수 있다.
이때 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 350℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도를 일정하게 유지하도록 설정한다. 또한 본 공정에서의 온도를 후술하는 성막 공정에서의 온도보다 높아지도록 설정한다. 본 공정에서의 온도는 500℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 공정에서의 온도가 500℃보다 높아지면, 인큐베이션 타임이 짧아져 웨이퍼(200) 상에 Si막이 형성되기 때문이다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 SiH4 가스다. SiH4 가스의 공급에 의해 처리실(201) 내의 벽 등의 TiN막의 표면에 결정립 분단막으로서의 질화규화티타늄(TiSiN)막이 형성되고, TiN막 표면이 평탄화된다. SiH4 가스의 공급 시간은 웨이퍼(200) 상에 Si막이 형성되지 않는 시간인 인큐베이션 타임 내이며, 예컨대 3분 내지 5분 정도다.
[퍼지 공정](잔류 가스 제거)
SiH4 가스의 공급을 시작하고 3분 내지 5분 경과한 후에 밸브(324)를 닫고 SiH4 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiSiN막 형성에 기여한 후의 SiH4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(524)는 연 상태로 하여 밸브(514, 534)를 열고 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 시작한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiSiN막 형성에 기여한 후의 SiH4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
[성막 공정]
(TiCl4 가스 공급, 제1 스텝)
밸브(314)를 열고 가스 공급관(310) 내에 원료 가스인 TiCl4 가스를 흘린다. TiCl4 가스는 MFC(312)에 의해 유량 조정되어 노즐(410)의 가스 공급공(410a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 TiCl4 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(514)를 열고 가스 공급관(510) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(510) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(512)에 의해 유량 조정되어 TiCl4 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 노즐(420, 430) 내로의 TiCl4 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(524, 534)를 열고 공급관(520, 530) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 가스 공급관(320, 330), 노즐(420, 430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로, 예컨대 1,000Pa로 한다. MFC(312)로 제어하는 TiCl4 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 2.0slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.1slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 본 공정에서의 처리실(201) 내의 압력을 전술한 트리트먼트 공정에서의 처리실(201) 내의 압력보다 높아지도록 설정한다. 또한 본 공정에서 공급되는 가스의 유량을 전술한 트리트먼트 공정에서 공급되는 가스의 유량보다 많아지도록 설정한다. 이때 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 300℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도이며, 예컨대 475℃가 될 수 있는 온도로 설정한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 TiCl4 가스와 N2 가스만이다. TiCl4 가스의 공급에 의해 산화막이 형성된 웨이퍼(200)[표면의 하지막(下地膜)] 상에 Ti 함유층이 형성된다. Ti 함유층은 Cl을 포함하는 Ti층이어도 좋고, TiCl4의 흡착층이어도 좋고, 그것들의 양방을 포함하고 있어도 좋다.
(잔류 가스 제거, 제2 스텝)
TiCl4 가스의 공급을 시작하고 소정 시간 경과한 후로서 예컨대 0.01초 내지 10초 후에 밸브(314)를 닫고 TiCl4 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(514, 524, 534)는 연 상태로 하여 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
(NH3 가스 공급, 제3 스텝)
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 밸브(334)를 열고 가스 공급관(330) 내에 반응 가스로서 NH3 가스를 흘린다. NH3 가스는 MFC(332)에 의해 유량 조정되어 노즐(430)의 가스 공급공(430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 NH3 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(534)를 열고 가스 공급관(530) 내에 N2 가스를 흘린다. 가스 공급관(530) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(532)에 의해 유량 조정된다. N2 가스는 NH3 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 노즐(410, 420) 내로의 NH3 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(514, 524)를 열고 가스 공급관(510, 520) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 가스 공급관(310, 320), 노즐(410, 420)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로, 예컨대 1,000Pa로 한다. MFC(332)로 제어하는 NH3 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.1slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. NH3 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 0.01초 내지 30초의 범위 내의 시간으로 한다. 이때의 히터(207)의 온도는 TiCl4 가스 공급 스텝과 마찬가지의 온도로 설정한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 NH3 가스와 N2 가스만이다. NH3 가스는 제1 스텝에서 웨이퍼(200) 상에 형성된 Ti 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 치환 반응 시에는 Ti 함유층에 포함되는 Ti와 NH3 가스에 포함되는 N이 결합하고, 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 TiN층이 형성된다.
(잔류 가스 제거, 제4 스텝)
TiN층을 형성한 후, 밸브(334)를 닫고 NH3 가스의 공급을 정지한다. 그리고 전술한 잔류 가스 제거와 마찬가지의 처리 순서에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiN층의 형성에 기여한 후의 NH3 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
(소정 횟수 실시)
전술한 제1 스텝 내지 제4 스텝을 순서대로 수행하는 사이클을 소정 횟수(n회) 수행하는 것에 의해 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 소정의 두께의 TiN막을 형성한다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
가스 공급관(510, 520, 530)의 각각으로부터 N2 가스를 처리실(201) 내에 공급하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 부생성물이 처리실(201) 내로부터 제거된다(애프터 퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀).
(웨이퍼 반출)
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 씰 캡(219)이 하강되어 아우터 튜브(203)의 하단이 개구된다. 그리고 처리 완료된 웨이퍼(200)가 보트(217)에 지지된 상태에서 아우터 튜브(203)의 하단으로부터 아우터 튜브(203)의 외부에 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리 완료된 웨이퍼(200)는 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
(3) 본 실시 형태에 따른 효과
본 실시 형태에 따르면, 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 TiN막을 형성하기 전에 처리실(201) 내의 벽 등의 TiN막의 표면을 TiSiN화하고, 14족 원소를 포함하는 막인 TiSiN막(결정립 분단막)의 형성을 수행한다. TiSiN막은 어모퍼스막이며, TiSiN막의 형성에 의해 TiN막의 결정립이 분단되어, 그 결과, 핵형 성막의 성장이 정지(분단)된다. 따라서 처리실(201) 내에 형성된 TiN막의 막 박리가 억제되어 이물로서 웨이퍼(200)에 부착되지 않도록 할 수 있다. 즉 처리실 내(반응관 내)의 막 박리에 기인하는 파티클의 발생을 억제할 수 있다. 또한 웨이퍼(200)를 적재한 보트(217)를 처리실(201) 내에 반입한 상태에서 트리트먼트 공정을 수행하기 때문에 보트(217)나 보트(217)에 탑재된 더미 기판 등에 형성된 TiN막의 막 박리도 억제되어 스루풋이 향상된다.
(4) 변형예
다음으로 전술한 실시 형태의 변형예에 대해서 구체적으로 설명한다. 이하의 실시 형태에서는 전술한 실시 형태와 다른 점에 대해서만 구체적으로 설명한다.
도 5는 전술한 실시 형태에 따른 성막 시퀀스의 변형예를 도시하는 도면이다. 본 변형예는 전술한 실시 형태와 성막 공정 전에 수행하는 트리트먼트 공정이 다르다. 구체적으로는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 실시 형태의 트리트먼트 공정에서의 실란계 가스인 SiH4 가스 공급 대신에, 가스 공급관(320)으로부터 산소(O)를 포함하는 산소 함유 가스인 O2 가스 공급을 수행한다.
[트리트먼트 공정](O2 가스 공급)
밸브(324)를 열고 가스 공급관(320) 내에 산소 함유 가스인 O2 가스를 흘린다. O2 가스는 MFC(322)에 의해 유량 조정되어 노즐(420)의 가스 공급공(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 O2 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(524)를 열고 가스 공급관(520) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(520) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(522)에 의해 유량 조정되어 O2 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 밸브(514, 534)를 닫고 노즐(410, 430)로부터의 N2 가스의 공급을 정지한다.
이때 APC 밸브(243)를 전개(full open)로 한다. MFC(322)로 제어하는 O2 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 10slm의 범위 내의 유량이며, 예컨대 2slm이 될 수 있는 유량으로 설정한다. MFC(522)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 본 공정에서의 처리실(201) 내의 압력을 성막 공정에서의 처리실(201) 내의 압력보다 낮아지도록 설정한다. 또한 본 공정에서 공급되는 가스의 유량을 성막 공정에서 공급되는 가스의 유량보다 적어지도록 설정한다. 이에 의해 처리실(201) 내 전체에 O2 가스를 확산시키는 것이 가능해지고, 제품 웨이퍼(200)에는 영향을 주지 않고 처리실(201) 내의 벽 등에 형성된 TiN막에만 선택적으로 트리트먼트를 수행하는 것이 가능해진다.
이때 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 350℃ 내지 600℃의 범위 내의 온도를 일정하게 유지하도록 설정한다. 또한 본 공정에서의 온도를 성막 공정에서의 온도보다 높아지도록 설정한다. 본 공정에서는 온도가 높은 것이 더 반응성이 좋기 때문에 온도가 높은 것이 바람직하다. 또한 웨이퍼(200)의 처리 시간의 단축(제조 스루풋 향상)의 관점에서는 본 공정에서의 온도를 성막 공정에서의 온도와 가까운 온도가 되도록 설정한다. 온도 차이가 작을수록 온도 조정의 시간을 단축할 수 있고, 처리 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 O2 가스다. O2 가스의 공급에 의해 처리실(201) 내의 벽 등의 TiN막의 표면이 산화되어 막 중에 산소 원자가 확산되어 결정성이 변화된다. 이에 의해 처리실(201) 내의 벽 등의 TiN막의 표면에 결정립 분단막으로서의 산질화티타늄(TiNO)막이나 산화티타늄(TiO)막이 형성되고, TiN막 표면이 평탄화된다.
또한 이때의 압력은 이러한 압력보다 대기압에 가까운 압력으로 조정해도 좋다. 대기압에 근접시키는 것에 의해 O2 가스 분자와 처리 대상의 막(여기서는 TiN막)과의 접촉 확률을 향상시킬 수 있고, 처리 대상의 막 표면의 산소 흡착률을 향상시키는 것이 가능해진다. 즉 산화 처리의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다.
[퍼지 공정](잔류 가스 제거)
O2 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후에 밸브(324)를 닫고 O2 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiNO막이나 TiO막 형성에 기여한 후의 O2 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(524)는 연 상태로 하여 밸브(514, 534)를 열고 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 시작한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiNO막이나 TiO막 형성에 기여한 후의 O2 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 향상시킬 수 있다.
그리고 전술한 성막 공정을 수행하여 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 TiN막을 형성한다.
즉 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 TiN막을 형성하기 전에 O2 가스를 공급하는 것에 의해 처리실(201) 내의 벽 등의 TiN막의 표면을 산화하여 산화막으로서의 TiNO막 또는 TiO막(결정립 분단막)을 형성한다. 이에 의해 TiN막의 결정립이 분단되어, 그 결과, 핵형 성막의 성장이 정지(분단)된다. 따라서 처리실(201) 내에 형성된 TiN막의 막 박리가 억제되어 이물로서 웨이퍼(200)에 부착되지 않도록 할 수 있다. 즉 처리실 내의 막 박리에 기인하는 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
또한 상기 실시 형태 및 변형예에서는 금속 함유막으로서 TiN막이 형성된 처리실 내에서, 산화막이 형성된 웨이퍼 상에 금속 함유막으로서 TiN막을 형성하는 공정에 대해서 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 질화몰리브덴(MoN) 등의 금속 함유막이 형성된 처리실 내에서, 산화막이 형성된 웨이퍼 상에 W막, Mo막, Cu막, Ru막, MoN막 등의 금속 함유막을 형성하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
또한 상기 실시 형태 및 변형예에서는 산화막으로서 SiO2막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 TiN막을 형성하는 공정의 일례에 대해서 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 산화알루미늄(AlO)막, 산화하프늄(HfO)막 등의 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 TiN막을 형성하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
또한 상기 실시 형태 및 변형예에서는 웨이퍼(200) 상에 금속 함유막을 형성하는 공정으로서, 금속 함유 가스를 공급하는 공정과 반응 가스를 공급하는 공정을 교호적으로 반복 수행하는 예에 대해서 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 금속 함유 가스의 공급만에 의해 금속 함유막을 형성하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
또한 상기 실시 형태에서는 트리트먼트 공정에서 14족 원소와 H를 포함하는 가스로서 실란계 가스인 SiH4 가스를 이용하는 경우를 예로 들어 설명했지만 본 개시는 이에 한정되지 않고, 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8) 등의 실란계 가스를 이용할 수 있다. 이에 의해 처리실 내의 벽 등에 14족 원소를 포함하는 막인 TiSiN막을 형성할 수 있다.
또한 상기 실시 형태에서는 트리트먼트 공정에서 14족 원소와 H를 포함하는 가스로서 실란계 가스를 이용하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 14족 원소와 H를 포함하는 가스로서 게르만계 가스를 이용하는 경우에도 적용 가능하다. 게르만계 가스로서는 게르마늄(Ge)과 H를 포함하는 가스인 게르만(GeH4), 디게르만(Ge2H6), 트리게르만(Ge3H8) 등의 가스를 이용할 수 있다. 이에 의해 처리실 내의 벽 등에 14족 원소를 포함하는 막인 TiGeN막을 형성할 수 있다.
또한 상기 변형예에서는 트리트먼트 공정에서 산소 함유 가스로서 O2 가스를 이용하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않고, O3 가스, NO 가스, N2O 가스 등의 산소 함유 가스를 이용하는 경우에 적용 가능하다.
또한 상기 실시 형태 및 변형예에서는 산화막이 형성된 웨이퍼를 TiN막이 형성된 처리실 내에 반입한 후(보트 로드 후)에 트리트먼트 공정을 수행하는 경우를 이용해서 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 산화막이 형성된 웨이퍼를 TiN막이 형성된 처리실 내에 반입하기 전에(보트 로드 전에) 트리트먼트 공정을 수행해도 좋다. 즉 보트(217)를 처리실(201) 내에 반입하지 않고 트리트먼트 공정을 수행하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다. 즉 처리실 내에 트리트먼트 공정을 수행한 후에 산화막이 형성된 웨이퍼를 처리실 내에 반입하여 성막 공정을 수행하는 경우에도, 바람직하게 적용할 수 있다. 또한 성막 공정 후에 보트 언로딩한 후에 트리트먼트 공정을 수행해도 좋다.
또한 상기 실시 형태 및 변형예에서는 트리트먼트 공정 후에 성막 공정을 수행하는 경우를 이용해서 설명했지만 본 개시는 이에 한정되지 않고, 성막 공정을 수행할 때마다 트리트먼트 공정을 수행하고, 성막 공정과 트리트먼트 공정을 교호적으로 반복 수행해도 좋다. 이에 의해 처리실(201) 내의 벽 등에 형성된 TiN막의 결정립을 성막 공정을 수행할 때마다 분단시킬 수 있다. 또한 성막 공정을 소정 횟수 수행한 후에 트리트먼트 공정을 수행해도 좋다.
또한 상기 실시 형태에서는 한 번에 복수 매의 기판을 처리하는 뱃치(batch)식의 종형 장치인 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 예에 대해서 설명했지만 본 개시는 이것에 한정되지 않고, 한 번에 1매 또는 여러 매의 기판을 처리하는 매엽식(枚葉式)의 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
이 각종 박막의 형성에 이용되는 프로세스 레시피(처리 순서나 처리 조건 등이 기재된 프로그램)는 기판 처리의 내용(형성하는 박막의 막종, 조성비, 막질, 막 두께, 처리 순서 처리 조건 등)에 따라 각각 개별로 준비(복수 준비)하는 것이 바람직하다. 그리고 기판 처리를 시작할 때, 기판 처리의 내용에 따라 복수의 프로세스 레시피 중에서 적절한 프로세스 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 기판 처리의 내용에 따라 개별로 준비된 복수의 프로세스 레시피를 전기 통신 회선이나 상기 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체[외부 기억 장치(123)]를 개재하여 기판 처리 장치가 구비하는 기억 장치(121c) 내에 미리 격납(인스톨)해두는 것이 바람직하다. 그리고 기판 처리를 시작할 때, 기판 처리 장치가 구비하는 CPU(121a)이 기억 장치(121c) 내에 격납된 복수의 프로세스 레시피 중에서 기판 처리의 내용에 따라 적절한 프로세스 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하는 것에 의해 1대(臺)의 기판 처리 장치에서 다양한 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 박막을 범용적으로, 또한 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한 오퍼레이터의 조작 부담(처리 순서나 처리 조건 등의 입력 부담 등)을 저감할 수 있고, 조작 실수를 회피하면서 기판 처리를 신속하게 시작할 수 있게 된다.
또한 본 개시는 예컨대 기존의 기판 처리 장치의 프로세스 레시피를 변경하는 것으로도 실현된다. 프로세스 레시피를 변경하는 경우에는, 본 개시에 따른 프로세스 레시피를 전기 통신 회선이나 상기 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체를 개재하여 기존의 기판 처리 장치에 인스톨하거나 또는 기존의 기판 처리 장치의 입출력 장치를 조작하여 그 프로세스 레시피 자체를 본 개시에 따른 프로세스 레시피로 변경하는 것도 가능하다.
이상, 본 개시의 다양한 전형적인 실시 형태를 설명했지만 본 개시는 그러한 실시 형태에 한정되지 않고, 적절히 조합해서 이용할 수도 있다.
(5) 실시예
먼저, 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 기판 처리 공정의 도 4, 도 5에서의 트리트먼트 공정을 수행하지 않고, TiN막이 형성되지 않은 처리실(201) 내에서 더미 기판 상에 250Å의 막 두께의 TiN막을 형성하고, 더미 기판 상에 형성된 TiN막의 표면을 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy)을 이용해서 관측했다. 도 6에 도시되는 바와 같이 더미 기판 상에 형성된 TiN막의 표면의 제곱 평균 제곱근(Rms)은 1.62nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 25.7nm이었다. 그리고 TiN막이 형성된 처리실(201) 내에 250Å의 막 두께의 TiN막이 형성된 더미 기판을 반입하고, 후술하는 비교예, 실시예 1 및 실시예 2를 수행하여 더미 기판 상에 형성된 TiN막의 표면을 각각 원자간력 현미경을 이용해서 관측했다.
비교예에서는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여, TiN막이 형성된 처리실(201) 내에 250Å의 막 두께의 TiN막이 형성된 더미 기판을 그대로 반입하고, 전술한 도 4, 도 5에서의 트리트먼트 공정을 수행하지 않고, TiN막이 형성된 더미 기판 상에 한층 더 250Å의 TiN막을 형성하고, TiN막의 표면을 원자간력 현미경을 이용해서 관측했다.
실시예 1에서는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여, TiN막이 형성된 처리실(201) 내에 250Å의 막 두께의 TiN막이 형성된 더미 기판을 그대로 반입하고, 전술한 도 4의 성막 시퀀스(트리트먼트 공정으로서 성막 공정 전에 SiH4 가스 공급)에 의해 TiN막이 형성된 더미 기판 상에 또한 250Å의 TiN막을 형성하고, TiN막의 표면을 원자간력 현미경을 이용해서 관측했다.
실시예 2에서는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여, TiN막이 형성된 처리실(201) 내에 250Å의 막 두께의 TiN막이 형성된 더미 기판을 그대로 반입하고, 전술한 도 5의 성막 시퀀스(트리트먼트 공정으로서 성막 공정 전에 O2 가스 공급)에 의해 TiN막이 형성된 더미 기판 상에 또한 250Å의 TiN막을 형성하고, TiN막의 표면을 원자간력 현미경을 이용해서 관측했다.
도 6에 도시되는 바와 같이, 비교예에서의 더미 기판 상의 TiN막의 표면의 제곱 평균 제곱근(Rms)은 13.6nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 85.5nm이었다. 또한 실시예 1에서의 더미 기판 상의 TiN막의 표면의 제곱 평균 제곱근(Rms)은 2.16nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 22.9nm이었다. 또한 실시예 2에서의 더미 기판 상의 TiN막의 표면의 제곱 평균 제곱근(Rms)은 3.28nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 32.3nm이었다.
비교예, 실시예 1 및 실시예 2에서의 TiN막의 표면의 평가 결과에 따르면, 비교예에서의 TiN막의 표면에서는 성막 공정 전에 트리트먼트 공정을 수행한 실시예 1 및 실시예 2과 비교하여 제곱 평균 제곱근도 최대 높이 차이도 커지고, TiN막의 성장 스피드가 빠른 것이 확인되었다.
즉 TiN막이 형성된 처리실(201) 내에서 성막 공정을 수행하는 경우에, 성막 공정을 수행하기 전에 트리트먼트 공정을 수행하는 것에 의해 트리트먼트 공정을 수행하지 않는 경우와 비교하여 TiN막 표면의 제곱 평균 제곱근도 최대 높이 차이도 작아지고, TiN막의 성장이 억제되는 것이 확인되었다. 즉 성막 공정을 수행하기 전에 트리트먼트 공정을 수행하는 것에 의해 처리실(201) 내의 벽이나 더미 기판 등에 형성된 핵형 성막의 성장을 억제할 수 있다는 것이 확인되었다.
또한 SiO2막이 형성된 웨이퍼 상에 전술한 트리트먼트 공정을 수행하지 않고 TiN막을 형성한 경우, 트리트먼트 공정으로서 O2 가스 공급을 수행한 후에 TiN막을 형성한 경우, 트리트먼트 공정으로서 SiH4 가스 공급을 3분 수행한 후에 TiN막을 형성한 경우, 트리트먼트 공정으로서 SiH4 가스 공급을 5분 수행한 후에 TiN막을 형성한 경우, 트리트먼트 공정으로서 SiH4 가스 공급을 7분 수행한 후에 TiN막을 형성한 경우의 TiN막 중의 깊이 방향에서의 Si 분포를 2차 이온 질량 분석(SIMS)을 이용해서 각각 평가했다.
어느 경우에도 TiN막의 깊이 방향에서의 Si 분포에 변화는 없었다. 즉 웨이퍼의 TiN막의 깊이 방향에서 트리트먼트 공정에 의해 조성이 변화되는 등의 영향이 없고, 처리실(201) 내의 벽 등에 선택적으로 트리트먼트 공정이 수행되는 것이 확인되었다. 따라서 제품 웨이퍼에 영향을 주지 않고, 더미 기판이나 처리실(201) 내의 벽 등에 성막된 TiN막에만 선택적으로 트리트먼트를 수행할 수 있다는 것이 확인되었다.
10: 기판 처리 장치 121: 컨트롤러
200: 웨이퍼(기판) 201: 처리실

Claims (20)

  1. (a) 산화막이 형성된 기판을, 금속 함유막이 형성된 처리실 내에 반입하는 공정;
    (b) 상기 처리실 내에 14족 원소와 수소를 포함하는 가스 또는 산소를 포함하는 가스 중 적어도 일방(一方)을 공급하는 공정; 및
    (c) (b) 후, 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 형성하는 공정
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (b)에서는 상기 14족 원소와 상기 수소를 포함하는 상기 가스를 공급하여 상기 처리실의 벽에 상기 14족 원소를 포함하는 막을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 14족 원소와 상기 수소를 포함하는 상기 가스는 SiH4, Si2H6, Si3H8 중 적어도 어느 하나를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 14족 원소와 상기 수소를 포함하는 상기 가스는 SiH4, Si2H6, Si3H8 중 적어도 어느 하나를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 14족 원소와 상기 수소를 포함하는 상기 가스는 GeH4, Ge2H6, Ge3H8 중 적어도 어느 하나를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (b)에서는 상기 산소를 포함하는 상기 가스를 공급하여 상기 처리실의 벽에 형성된 상기 금속 함유막을 금속 산화막으로 개질하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    (b)에서의 상기 처리실 내의 압력이 (c)에서의 상기 처리실 내의 압력보다 낮고,
    (b)에서 공급되는 가스의 유량이 (c)에서 공급되는 가스의 유량보다 적은 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    (b)에서의 상기 처리실 내의 압력이 (c)에서의 상기 처리실 내의 압력보다 낮고,
    (b)에서 공급되는 가스의 유량이 (c)에서 공급되는 가스의 유량보다 적은 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    (b)에서의 상기 처리실 내의 압력이 (c)에서의 상기 처리실 내의 압력보다 낮고,
    (b)에서 공급되는 가스의 유량이 (c)에서 공급되는 가스의 유량보다 적은 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    (b)에서의 상기 처리실 내의 온도가 (c)에서의 상기 처리실 내의 온도보다 높은 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    (b) 후에 (a)와 (c)를 수행하는 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    (b)와 (c)를 교호적으로 반복 수행하는 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    (b)와 (c)를 교호적으로 반복 수행하는 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    (c)는,
    (d) 상기 기판에 대하여 금속 함유 가스를 공급하는 공정; 및
    (e) 반응 가스를 공급하는 공정
    을 포함하고,
    (c)에서, (d)와 (e)를 교호적으로 반복 수행하여 상기 기판 상에 금속 함유막을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    (c)는,
    (d) 상기 기판에 대하여 금속 함유 가스를 공급하는 공정; 및
    (e) 반응 가스를 공급하는 공정
    을 포함하고,
    (c)에서, (d)와 (e)를 교호적으로 반복 수행하여 상기 기판 상에 금속 함유막을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    (c)는,
    (d) 상기 기판에 대하여 금속 함유 가스를 공급하는 공정; 및
    (e) 반응 가스를 공급하는 공정
    을 포함하고,
    (c)에서, (d)와 (e)를 교호적으로 반복 수행하여 상기 기판 상에 금속 함유막을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    (f) (a)와 (b) 사이에서, 상기 처리실 내를 원하는 압력이 되도록 배기하고, 상기 처리실 내를 원하는 온도 분포가 되도록 가열하는 공정
    을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    (c)에서 상기 금속 함유막으로서 질화티타늄막이 형성되는 반도체 장치의 제조 방법.
  19. (a) 산화막이 형성된 기판을 기판 처리 장치의 금속 함유막이 형성된 처리실 내에 반입하는 단계;
    (b) 상기 처리실 내에 14족 원소와 수소를 포함하는 가스 또는 산소를 포함하는 가스 중 적어도 일방을 공급하는 단계; 및
    (c) (b) 후, 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 형성하는 단계
    를 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록된 프로그램.
  20. 금속 함유막이 형성된 처리실;
    상기 처리실 내에 기판을 반입하는 반송계;
    상기 처리실 내에 14족 원소와 수소를 포함하는 가스 및 산소를 포함하는 가스 중 적어도 일방 또는 금속 함유 가스를 공급하는 가스 공급계;
    상기 처리실 내를 배기하는 배기계; 및
    (a) 상기 처리실 내에 산화막이 형성된 기판을 반입하고, (b) 상기 처리실 내에 상기 14족 원소와 상기 수소를 포함하는 상기 가스 또는 상기 산소를 포함하는 상기 가스를 공급하고, (c) (b) 후에 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 형성하도록, 상기 반송계, 상기 가스 공급계, 상기 배기계를 제어하는 것이 가능하도록 구성되는 제어부
    를 포함하는 기판 처리 장치.
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