KR20210100532A - 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 자기 조직화 막을 이용해서 원하는 영역에 금속 산화막을 선택적으로 형성할 때의 선택성을 강화할 수 있는 기술을 제공한다. 제1 영역의 표면에 형성된 제1 금속제의 금속층과, 제2 영역의 표면에 형성된 절연층을 갖는 기판을 준비하는 공정과, 자기 조직화 막의 원료 가스를 공급하여, 상기 금속층의 표면에 자기 조직화 막을 형성하는 공정과, 상기 자기 조직화 막을 형성한 후에, 제2 금속을 함유하는 전구체 가스의 공급과, 산화 가스의 공급을 반복하여, 원자층 퇴적법에 의해 상기 절연층 상에 제2 금속 산화막을 형성하는 공정과, 상기 산화 가스의 공급 후이며 상기 전구체 가스의 공급 전에, 환원 가스를 공급해서 상기 제1 금속의 표면에 형성된 상기 제1 금속의 산화막을 환원하는 공정을 포함하는, 성막 방법이 제공된다.

Description

성막 방법{FILM FORMING METHOD}
본 개시는, 성막 방법에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 게이트 유전체층 상에 자기 조직화 단분자층으로 구성되는 저지층을 형성하고 나서, 게이트 유전체층 상에 원자층 퇴적(ALD)법으로 제1 금속층을 퇴적시키면, 제1 금속층은 저지층이 있는 영역 내의 게이트 유전체층 상에는 형성되지 않고, 저지층이 없는 영역 내에 선택적으로 성막되는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공표 제2007-533156호 공보
본 개시는, 자기 조직화 막을 이용해서 원하는 영역에 금속 산화막을 선택적으로 형성할 때의 선택성을 강화할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 제1 영역의 표면에 형성된 제1 금속제의 금속층과, 제2 영역의 표면에 형성된 절연층을 갖는 기판을 준비하는 공정과, 자기 조직화 막의 원료 가스를 공급하여, 상기 금속층의 표면에 자기 조직화 막을 형성하는 공정과, 상기 자기 조직화 막을 형성한 후에, 제2 금속을 함유하는 전구체 가스의 공급과, 산화 가스의 공급을 반복하여, 원자층 퇴적법에 의해 상기 절연층 상에 제2 금속 산화막을 형성하는 공정과, 상기 산화 가스의 공급 후이며 상기 전구체 가스의 공급 전에, 환원 가스를 공급해서 상기 제1 금속의 표면에 형성된 상기 제1 금속의 산화막을 환원하는 공정을 포함하는, 성막 방법이 제공된다.
일 측면에 의하면, 자기 조직화 막을 이용해서 원하는 영역에 금속 산화막을 선택적으로 형성할 때의 선택성을 강화할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 따른 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 각 공정에서의 기판의 상태의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 각 공정에서의 기판의 상태의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 4는 일 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 성막 시스템의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 5는 성막 장치 및 SAM 형성 장치로서 사용할 수 있는 처리 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.
이하, 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다. 이하에서는 도면 중에서의 상하의 방향 또는 관계를 사용해서 설명하는데, 보편적인 상하의 방향 또는 관계를 나타내는 것은 아니다.
<실시 형태>
도 1은, 실시 형태에 따른 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 2 및 도 3은, 도 1에 도시하는 각 공정에서의 기판의 상태의 일례를 도시하는 단면도이다. 도 2의 (A) 내지 도 2의 (E)는 각각, 도 1에 도시하는 공정 S101 내지 S105에 대응하는 기판(10)의 상태를 도시한다. 도 3의 (A) 내지 도 3의 (D)는, 도 1에 도시하는 공정 S104A 내지 S104C에 대응하는 기판(10)의 상태를 도시하고, 도 2의 (C)에 도시하는 기판(10)에서 도 2의 (D)에 도시하는 기판(10)으로의 상태 변화의 상세를 도시하고 있다.
성막 방법은, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이 기판(10)을 준비하는 공정 S101을 포함한다. 준비하는 것은, 예를 들어 성막 장치의 처리 용기(챔버)의 내부에 기판(10)을 반입하는 것을 포함한다. 기판(10)은, 도전막(11), 자연 산화막(11A), 절연막(12) 및 하지 기판(15)을 포함한다.
도전막(11) 및 절연막(12)은, 하지 기판(15)의 한쪽 면(도 2의 (A)에서의 상면)에 마련되어 있고, 도전막(11)의 한쪽 면(도 2의 (A)에서의 상면)에는 자연 산화막(11A)이 마련되어 있다. 도 2의 (A)에서는, 기판(10)의 표면에 자연 산화막(11A) 및 절연막(12)이 노출되어 있다.
기판(10)은 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)을 갖는다. 여기에서는, 일례로서, 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)은 평면으로 보아 인접하고 있다. 도전막(11)은, 제1 영역(A1) 내에서 하지 기판(15)의 상면측에 마련되고, 절연막(12)은, 제2 영역(A2) 내에서 하지 기판(15)의 상면측에 마련된다. 자연 산화막(11A)은, 제1 영역(A1) 내에서 도전막(11)의 상면에 마련된다.
제1 영역(A1)의 수는, 도 2의 (A)에서는 1개이지만, 복수이어도 된다. 예를 들어 2개의 제1 영역(A1)이 제2 영역(A2)을 사이에 두도록 배치되어도 된다. 마찬가지로, 제2 영역(A2)의 수는, 도 2의 (A)에서는 1개이지만, 복수이어도 된다. 예를 들어 2개의 제2 영역(A2)이 제1 영역(A1)을 사이에 두도록 배치되어도 된다.
또한, 도 2의 (A)에서는 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)만이 존재하지만, 제3 영역이 더 존재해도 된다. 제3 영역은, 제1 영역(A1)의 도전막(11) 및 제2 영역(A2)의 절연막(12)과는 다른 재료의 층이 노출되는 영역이다. 제3 영역은, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)의 사이에 배치되어도 되고, 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)의 밖에 배치되어도 된다.
도전막(11)은 제1 금속제의 금속층의 일례이다. 제1 금속은, 예를 들어 구리(Cu), 코발트(Co), 텅스텐(W), 또는 루테늄(Ru) 등의 금속이다. 이들 금속의 표면은, 대기 중에서 시간의 경과와 함께 자연스럽게 산화된다. 그 산화물이 자연 산화막(11A)이다. 자연 산화막(11A)은 환원 처리에 의해 제거 가능하다.
여기에서는, 일례로서, 도전막(11)이 구리(Cu)이며, 자연 산화막(11A)이 자연 산화에 의해 형성된 산화구리인 형태에 대해서 설명한다. 자연 산화막(11A)으로서의 산화구리는, CuO와 Cu2O를 포함할 수 있다.
절연막(12)은 절연층의 일례이다. 절연층은, 예를 들어 규소(Si)를 포함하는 절연 재료이며, 예를 들어 산화규소, 질화규소, 산질화규소, 탄화규소, 산탄화규소, 또는 산탄질화규소 등이다. 이하, 산화규소를, 산소와 규소의 조성비에 관계없이 SiO라고도 표기한다. 마찬가지로, 질화규소를 SiN이라고도 표기하고, 산질화규소를 SiON이라고도 표기하고, 탄화규소를 SiC라고도 표기하고, 산탄화규소를 SiOC라고도 표기하고, 산탄질화규소를 SiOCN이라고도 표기한다. 절연층은, 본 실시 형태에서는 SiO이다.
하지 기판(15)은, 예를 들어 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 기판이다. 기판(10)은, 하지 기판(15)과 도전막(11)의 사이에, 하지 기판(15) 및 도전막(11)과는 다른 재료로 형성되는 하지막을 더 포함하고 있어도 된다. 마찬가지로, 기판(10)은, 하지 기판(15)과 절연막(12)의 사이에, 하지 기판(15) 및 절연막(12)과는 다른 재료로 형성되는 하지막을 또한 갖고 있어도 된다.
이러한 하지막은, 예를 들어 SiN층 등이어도 된다. SiN층 등은, 예를 들어 에칭을 스톱시키는 에치 스톱 레이어이어도 된다.
성막 방법은, 자연 산화막(11A)(도 2의 (A) 참조)을 환원함으로써, 도 2의 (B)에 도시하는 기판(10)을 제작하는 공정 S102를 포함한다. 자연 산화막(11A)을 환원하기 위해서는, 예를 들어 성막 장치의 처리 용기에서의 수소(H2) 및 아르곤(Ar)의 유량을 각각 100sccm 및 2500sccm으로 설정해서 처리 용기 내의 압력을 1torr 내지 10torr(133.32Pa 내지 1333.22Pa)로 설정한다. 그리고, 수소가 처리 용기 내의 분위기 가스의 0.5％ 미만으로 되는 수소 분위기 하에서, 기판(10)이 150℃ 내지 200℃가 되도록 서셉터를 가열한다.
공정 S102에 의해, 자연 산화막(11A)으로서의 산화구리는 Cu로 환원되어 제거된다. 그 결과, 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 도전막(11), 절연막(12) 및 하지 기판(15)을 포함하는 기판(10)이 얻어진다. 기판(10)의 제1 영역(A1)의 표면에는, 도전막(11)으로서의 Cu가 노출되어 있다. 또한, 자연 산화막(11A)의 환원 처리는, 수소(H2) 플라스마를 이용한 환원 처리이어도 된다. 또한, 자연 산화막(11A)의 환원 처리는, 드라이 프로세스에 한하지 않고, 예를 들어 이소프로필알코올(IPA) 등의 알코올을 사용한 웨트 프로세스이어도 된다. 또한, 자연 산화막(11A)의 환원 처리는, 산소를 포함하는 유기 분자를 사용한 프로세스이어도 된다. 또한, 자연 산화막(11A)의 환원 처리는, FGA(Forming Gas Anneal)와 같은 열처리이어도 된다. FGA는, 예를 들어 기판(10)을 약 300℃ 내지 450℃ 정도로 가열한 상태에서, 처리 용기에 미량의 수소를 혼합한 질소 가스를 흘림으로써 자연 산화막(11A)의 환원 처리를 행하는 열처리이다.
성막 방법은, 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, SAM(자기 조직화 단분자 막(Self-Assembled Monolayer))(13)을 형성하는 공정 S103을 포함한다. SAM(13)은, 기판(10)의 제1 영역(A1)에 형성되어, 후술하는 AlO막(14)(도 2의 (D) 참조)의 형성을 저해한다. SAM(13)은, 제2 영역(A2)에는 형성되지 않는다. SAM(13)은, 자기 조직화 막의 일례이다.
SAM(13)을 형성하기 위한 유기 화합물은, 티올계라면, 플루오로카본계(CFx) 혹은 알킬계(CHx) 중 어느 관능기를 갖고 있어도 되고, 예를 들어 CH3(CH2)[x]CH2SH[x=1 내지 18], CF3(CF2)[x]CH2CH2SH[x=0 내지 18]가 된다. 또한, 플루오로카본계(CFx)에는, 플루오로벤젠티올도 포함된다.
예를 들어, 가스 상태의 티올계의 유기 화합물 및 아르곤(Ar)의 유량을 각각 100sccm 및 1500sccm으로 설정해서 성막 장치의 처리 용기 내의 압력을 1torr 내지 10torr(133.32Pa 내지 1333.22Pa)로 설정하고, 기판(10)이 150℃ 내지 200℃가 되도록 서셉터를 가열한다.
상술한 바와 같은 티올계의 유기 화합물은, 금속 산화물과의 전자의 수수가 발생하기 쉬운 화합물이다. 따라서, SAM(13)은, 도전막(11)의 표면에 흡착되고, 전자의 수수가 발생하기 어려운 절연막(12)의 표면에는 흡착되기 어려운 성질을 갖는다. 이 때문에, 도전막(11)의 표면에 SAM(13)이 선택적으로 형성된다.
공정 S103에 의해, 도전막(11)의 표면에 SAM(13)이 형성되고, 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 제1 영역(A1)에 도전막(11) 및 SAM(13), 제2 영역(A2)에 절연막(12)이 형성된 기판(10)이 얻어진다. 도 2의 (C)에서는, 기판(10)의 표면에 SAM(13) 및 절연막(12)이 노출되어 있다. 공정 S103은, SAM(13)을 형성하기 위한 티올계의 유기 화합물의 선택성을 이용하고 있다.
성막 방법은, 도 2의 (C)에 도시하는 기판(10)의 표면에, 도 2의 (D)에 도시하는 바와 같이, ALD(Atomic Layer Deposition: 원자층 퇴적)법으로, SAM(13)을 사용해서 선택적으로 제2 영역(A2)의 절연막(12)의 표면에 제2 금속의 산화막으로서 AlO막(14)을 성막하는 공정 S104를 포함한다. SAM(13)은 AlO막(14)의 형성을 저해하므로, AlO막(14)은 제2 영역(A2)에 선택적으로 형성된다. 제2 영역(A2)에 원래 존재하는 절연막(12) 상에, 또한 절연막인 AlO막(14)을 선택적으로 적층할 수 있다. 또한, 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)에 더하여 제3 영역이 존재하는 경우, 제3 영역에는 AlO막(14)이 형성되어도 되고, 형성되지 않아도 된다.
AlO막(14)은, 산화알루미늄 Al2O3(알루미나) 이외의 조성의 산화된 알루미늄을 포함할 수 있다. 즉, 여기에서는, 알루미늄과 산소의 조성비에 관계없이 AlO라고도 표기한다. 이러한 AlO막(14)을 성막하는 공정의 상세에 대해서는, 도 3을 사용해서 후술한다.
성막 방법은, 도 2의 (E)에 도시하는 바와 같이, SAM(13)(도 2의 (D) 참조)을 제거하는 공정 S105를 포함한다. SAM(13)의 제거는, 예를 들어 플라스마를 사용한 처리 등에서 행하면 된다. SAM(13)을 제거하기 위한 처리에서 사용하는 플라스마의 생성 기구는, 예를 들어 용량 결합 플라스마(Capacitively Coupled Plasma: CCP), 유도성 결합형 플라스마(Inductively Coupled Plasma: ICP), 마이크로파 플라스마(Microwave Plasma: MWP) 등이며, 라디칼을 생성 가능한 플라스마의 생성 기구이면 된다. 또한, 플라스마 생성 기구를 처리 용기에 일체적으로 내장해도 되고, 플라스마 생성 기구를 처리 용기와는 별체로 마련하여, 플라스마 생성 가스를 처리 용기의 밖에서 미리 플라스마화해서 처리 용기에 도입하는 리모트 플라즈마 장치를 사용해도 된다.
이어서, AlO막(14)을 성막하는 공정 S104의 상세에 대해서 설명한다.
ALD법으로 AlO막(14)을 성막하는 공정은, 먼저, 도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이, TMA(트리메틸알루미늄)의 원료 가스를 공급함으로써, 도 2의 (C)에 도시하는 기판(10)의 제2 영역(A2)에 TMA막(14A)을 흡착시키는 공정 S104A를 포함한다. 공정 S104A를 최초에 행할 때는, 도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이 제2 영역(A2)의 절연막(12)의 표면에 TMA막(14A)을 흡착시키게 된다.
TMA는, 유기 알루미늄 화합물이며, AlO막(14)을 제작하기 위한 전구체(프리커서)이다. 즉, TMA의 원료 가스는 전구체 가스이다. TMA의 원료 가스는, 히드록시기(OH기)에 흡착되는 성질을 갖는다.
여기서, 절연막(12)의 SiO의 표면에는 히드록시기가 존재한다. 또한, SAM(13)은, 분자간의 반데르발스힘에 의해 높은 배향성을 나타내며, 막의 표면에 대하여 경사진 방향으로 배향되는 경향이 있으며, 분자간에 간극이 있다. 이러한 간극에 TMA의 원료 가스가 인입될 우려가 있지만, 도전막(11)의 표면은, 도 2의 (B)에 도시하는 공정에서 환원되어 있기 때문에, 도전막(11)의 표면에는 히드록시기는 존재하지 않는다.
이 때문에, TMA의 원료 가스는, 절연막(12)의 SiO의 표면에 있는 히드록시기에 선택적으로 흡착되게 된다. 또한, TMA의 원료 가스를 공급하는 공정은, 일례로서, TMA의 원료 가스의 유량을 20sccm 내지 200sccm으로 설정해서 성막 장치의 처리 용기 내의 압력을 0.1torr 내지 10torr(13.332Pa 내지 1333.22Pa)로 설정한다. 또한, 기판(10)이 100℃ 내지 200℃가 되도록 서셉터를 가열한다.
ALD법으로 AlO막(14)을 성막하는 공정은, 리액턴트(반응 물질(여기서는 산화제))로서 H2O(수증기)를 처리 용기 내에 흘려서 TMA막(14A)을 산화시켜, 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같이, AlO막(14B)을 제작하는 공정 S104B를 포함한다. H2O(수증기)는 산화 가스의 일례이다. 또한, 산화제는, 산소(O2), 오존(O3), 과산화수소(H2O2) 등의 가스이어도 되고, 리모트 플라스마로서 공급해도 된다.
TMA막(14A)을 산화시켜 AlO막(14B)을 제작하는 공정은, 일례로서, H2O의 유량을 50sccm 내지 300sccm으로 설정해서 성막 장치의 처리 용기 내의 압력을 0.1torr 내지 10torr(13.332Pa 내지 1333.22Pa)로 설정해서 행하면 된다.
공정 S104A 및 S104B를 1회씩 행한 경우에는, 예를 들어 막 두께가 약 0.1㎛인 AlO막(14B)이 얻어진다. 이 때문에, 공정 S104A 및 S104B를 반복해서 행함으로써, 일례로서, 막 두께가 1㎛ 내지 10㎛ 정도인 AlO막(14)(도 2의 (D) 참조)을 얻을 수 있다. 또한, 공정 S104A 및 S104B를 반복할 때는, 공정 S104A와 공정 S104B의 사이에서 처리 용기를 퍼지하면 된다.
공정 S104A 및 S104B를 1회씩 행하여 막 두께가 0.1㎛인 AlO막(14B)이 얻어지는 경우에, 막 두께가 1㎛인 AlO막(14)을 얻기 위해서는, 공정 S104A 및 S104B를 10회 반복하면 된다. 또한, 이 경우에, 막 두께가 10㎛인 AlO막(14)을 얻기 위해서는, 공정 S104A 및 S104B를 100회 반복하면 된다. 공정 S104A 및 S104B의 반복 횟수는, AlO막(14)의 원하는 막 두께에 따라서 설정하면 된다.
또한, 공정 S104B에서 H2O(수증기)를 처리 용기 내에 흘려서 TMA막(14A)을 산화시켜 AlO막(14B)을 제작할 때는, 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같이, 도전막(11)의 표면에, 산화막(11B)이 형성되는 경우가 있다. 즉, SAM(13)의 분자간의 간극을 통해서 H2O(수증기)가 도전막(11)(Cu막)의 표면에 도달하여, 도전막(11)의 표면에 CuO로 구성되는 산화막(11B)이 생기는 경우가 있다.
이러한 산화막(11B)의 표면에는, 히드록시기가 존재하기 때문에, 공정 S104B에서 도전막(11)의 표면에 산화막(11B)이 형성된 상태에서, 공정 S104A를 행하면, TMA의 원료 가스가 절연막(12) 및 산화막(11B)의 표면에 흡착된다. 이러한 경우에는, 공정 S104A에서 절연막(12)의 표면에 TMA막(14A)을 선택적으로 흡착시킬 수 없다.
그래서, ALD법으로 AlO막(14)을 성막하는 공정은, 공정 S104B 후에, 도 3의 (C)에 도시하는 바와 같이, 처리 용기 내에 환원 가스로서 IPA(이소프로필알코올) 가스를 흘려서, 산화막(11B)(CuO)을 Cu로 환원하는 공정 S104C를 포함한다. IPA 가스가 SAM(13)의 분자간의 간극을 통해서 도전막(11)의 표면의 산화막(11B)에 도달하므로, 산화막(11B)을 환원할 수 있다. 공정 S104C 후에 공정 S104A를 행하면, 기판(10)의 제2 영역(A2)의 표면에 TMA막(14A)을 선택적으로 흡착시킬 수 있다.
공정 S104C에서는, IPA 가스의 유량을 20sccm 내지 200sccm으로 설정해서 성막 장치의 처리 용기 내의 압력을 0.1torr 내지 10torr(13.332Pa 내지 1333.22Pa)로 설정하면 된다.
또한, 도 3의 (C)에 도시하는 공정 S104C에서는, AlO막(14B)은 거의 환원되지 않기 때문에, 공정 S104C를 종료한 후에, AlO막(14B)은 잔존한다.
이렇게 공정 S104C에서 도전막(11)의 표면을 환원하면, 그 후에 공정 S104A를 다시 행하여 처리 용기에 TMA의 원료 가스를 공급해도, 도전막(11)의 표면에는 TMA는 흡착되지 않고, 도 3의 (D)에 도시하는 바와 같이, AlO막(14B) 상에 TMA막(14C)을 선택적으로 흡착시킬 수 있다. 또한, 공정 S104C에서 도전막(11)의 표면을 환원할 때 환원 가스로서 IPA 가스 대신에 수소(H2) 가스를 공급함으로써 도전막(11)의 표면을 환원해도 된다.
도 3의 (D)는, 도 3의 (A)와 마찬가지로, 기판(10)에 TMA의 원료 가스를 공급하는 공정 S104A를 도시한다. 도 3의 (A)는 최초에 절연막(12)의 표면에 TMA막(14A)을 형성하는 공정 S104A를 도시하고, 도 3의 (D)는 공정 S104A 및 S104B를 반복할 때, 2회째 이후의 공정 S104A에서, AlO막(14B) 상에 TMA막(14C)을 형성하는 공정 S104A를 도시한다.
여기서, 도 3의 (C)에 도시하는 산화막(11B)을 환원하는 공정 S104C는, 공정 S104A 및 S104B를 반복해서 행할 때, 공정 S104B 후에 매회 행해도 되고, 공정 S104A 및 S104B를 복수회 반복해서 행할 때마다, 공정 S104B 후에 행해도 된다. 후자의 경우에는, 공정 S104A 및 S104B를 복수회 반복해서 행할 때마다, 공정 S104B 후에 공정 S104C를 1회 행하게 된다. 즉, 공정 S10C는, 공정 S104A 및 S104B를 복수회 행할 때, 공정 S104B의 후 또는 공정 S104A의 전의 적어도 하나에서 행한다. 공정 S104C는, 공정 S104B에서 형성될 수 있는 산화막(11B)(CuO)을 Cu로 환원하는 공정이기 때문에, 공정 S104B 후에 행하면 된다.
또한, 공정 S104B에서, 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같이 산화막(11B)(CuO)이 형성된 경우에, 공정 S104C를 행하지 않고 공정 S104A 및 S104B를 반복해서 행하면, 공정 S104A에서, 산화막(11B) 상에 TMA막이 흡착될 우려가 있다.
이러한 경우에, 공정 S104C의 환원 공정을 행해도, 산화막(11B) 상에 흡착된 TMA막을 환원하는 것은 거의 불가능하다. 공정 S104C와 같이 IPA의 가스를 사용한 환원 공정에서는, TMA막을 환원하기에는 환원력이 모자라기 때문이다.
이 때문에, 공정 S104A 및 S104B를 복수회 반복해서 행할 때마다, 공정 S104B 후에 공정 S104C를 1회 행하는 경우에는, 산화막(11B) 상에 TMA막이 흡착되기 전에, 공정 S104C를 행하면 된다. 즉, 산화막(11B)(CuO)을 환원해서 도전막(11)(Cu)으로 복원 가능한 동안에, 공정 S104C를 행하면 된다. 이러한 반복 횟수는, 실험 등으로 미리 구해 두면 된다.
또한, 도 3의 (A) 내지 도 3의 (D)에 도시하는 공정은, 1개 또는 복수의 공정으로 그룹을 나누어, 그룹마다 처리 용기를 바꾸어서 행해도 되지만, 산화막(11B)을 환원하는 처리와 처리 용기에 TMA의 원료 가스를 공급하는 처리를 연속적으로 행하는 면에서도 1개의 처리 용기 내에서 행하는 것이 바람직하다.
또한, 여기서는, ALD법으로 AlO막(14)을 성막하는 공정이, 도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이 TMA의 원료 가스를 절연막(12)의 표면에 흡착시켜 TMA막(14A)을 제작하는 공정 S104A부터 시작되는 형태에 대해서 설명하지만, 공정 S104A 전에, 공정 S104C와 마찬가지로 도전막(11)의 표면을 환원하는 공정을 행해도 된다.
이상과 같이, 공정 S104A 및 S104B를 반복해서 행하면서, 반복 횟수가 미리 정한 횟수(1회 또는 복수회)에 도달했을 때, 공정 S104B 후에 공정 S104C를 행함으로써, 도 2의 (D)에 도시하는 AlO막(14)을 제작할 수 있다.
이때, 공정 S104B 후에 공정 S104C를 행함으로써, 도전막(11)의 표면에 산화막(11B)(도 3의 (B) 참조)이 형성되어 있어도, 공정 S104C에서 환원할 수 있다. 이 때문에, 그 후에 도 3의 (D)에 도시하는 바와 같이 공정 S104A를 행할 때, 제2 영역(A2)에 선택적으로 TMA막(14C)을 흡착시키기 위한 선택성을 강화할 수 있다. TMA막(14C)은, 그 후에 도 3의 (B)에 도시하는 공정 S104B에서 산화되어 AlO막(14B)(도 3의 (C) 참조)으로 되고, AlO막(14B)을 반복해서 제작함으로써, AlO막(14B)(도 3의 (C) 참조)의 막 두께가 두꺼워져, 도 2의 (D)에 도시하는 AlO막(14)이 얻어진다. 이와 같이, 공정 S104B 후에 공정 S104C를 행함으로써, 제2 영역(A2)에 선택적으로 AlO막(14)을 형성할 때의 선택성을 강화할 수 있다.
따라서, SAM(13)을 이용해서 원하는 영역에 AlO막(14)을 선택적으로 형성할 때의 선택성을 강화할 수 있는 성막 방법을 제공할 수 있다.
또한, 이상에서는, 제2 영역(A2)의 절연막(12) 상에 제2 금속 산화막으로서 AlO막(14)을 형성하는 형태에 대해서 설명했지만, AlO막(14) 대신에 하프니아(HfO2)막 또는 지르코니아(ZrO2)막을 형성해도 된다.
하프니아(산화하프늄/HfO2)막을 형성할 때는, 제2 금속을 함유하는 전구체 가스로서, 테트라키스(디메틸아미노)하프늄, 테트라키스(디에틸아미노)하프늄, 또는 테트라키스(에틸메틸아미노)하프늄을 사용하면 된다. 지르코니아(이산화지르코늄/ZrO2)막을 형성할 때는, 제2 금속을 함유하는 전구체 가스로서, 테트라키스(디메틸아미노)지르코늄, 테트라키스(디에틸아미노)지르코늄, 또는 테트라키스(에틸메틸아미노)지르코늄을 사용하면 된다.
또한, 제2 영역(A2)에 선택적으로 AlO막(14)을 형성할 때의 선택성을 강화할 수 있기 때문에, 스루풋을 향상시킬 수 있어, 생산성이 높은 반도체 제조 프로세스를 실현하는 성막 방법을 제공할 수 있다.
또한, 이상에서는, 공정 S101부터 공정 S105의 처리를 모두 동일한 처리 용기에서 행하는 형태에 대해서 설명했지만, 공정 S102의 환원 처리, 공정 S103의 SAM(13)의 형성 처리, 공정 S104의 AlO의 성막, 및 공정 S105의 SAM(13)의 제거 처리는, 모두 성막 장치의 다른 처리 용기에서 행해도 된다. 예를 들어, 각 공정에서의 가열 온도 등의 처리 조건을 독립적으로 설정하고 싶은 경우에 유용하다.
또한, 공정 S103의 SAM(13)의 형성 처리, 및 공정 S105의 SAM(13)의 제거 처리를 동일한 처리 용기에서 행하고, 공정 S102의 환원 처리와, 공정 S104의 AlO의 성막은 다른 처리 용기에서 행하도록 해도 된다. 예를 들어, 공정 S102의 환원 처리를 웨트 프로세스에서 행하는 경우에 유용하다. 또한, 공정 S104의 AlO의 성막을 독립된 처리 용기에서 행하고 싶은 경우에 유용하다. 또한, 공정 S102의 환원 처리와, 공정 S104C의 환원 처리가 마찬가지의 처리일 경우에는, 공정 S102의 환원 처리와, 공정 S104의 AlO의 성막을 동일한 처리 용기에서 행해도 된다.
또한, 공정 S101의 준비와, 공정 S102의 환원 처리는, 동일한 처리 용기에서 행하게 된다.
<성막 시스템>
이어서, 본 개시의 일 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 시스템에 대해서 설명한다.
본 개시의 일 실시 형태에 따른 성막 방법은, 뱃치 장치, 매엽 장치, 세미 뱃치 장치의 어느 형태이어도 된다. 단, 상기 각각의 스텝에서 최적의 온도가 다른 경우가 있고, 또한 기판의 표면이 산화해서 표면 상태가 변화했을 때 각 스텝의 실시에 지장을 초래하는 경우가 있다. 그러한 점을 고려하면, 각 스텝을 최적의 온도로 설정하기 쉽고 또한 모든 스텝을 진공 중에서 행할 수 있는 멀티 챔버 타입의 매엽식 성막 시스템이 적합하다.
이하, 이러한 멀티 챔버 타입의 매엽식 성막 시스템에 대해서 설명한다.
도 4는, 일 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 성막 시스템의 일례를 도시하는 모식도이다. 여기에서는 특별히 언급하지 않는 한, 기판(10)에 대하여 처리를 행하는 경우에 대해서 설명한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 성막 시스템(100)은, 산화 환원 처리 장치(200), SAM 형성 장치(300), 성막 장치(400), 플라스마 처리 장치(500)를 갖고 있다. 이들 장치는, 평면 형상이 칠각형을 이루는 진공 반송실(101)의 4개의 벽부에 각각 게이트 밸브(G)를 통해서 접속되어 있다. 진공 반송실(101) 내는, 진공 펌프에 의해 배기되어 소정의 진공도로 유지된다. 즉, 성막 시스템(100)은, 멀티 챔버 타입의 진공 처리 시스템이며, 상술한 성막 방법을, 진공을 깨지 않고 연속해서 행할 수 있는 것이다.
산화 환원 처리 장치(200)는, 일례로서, 기판(10)(도 2의 (A) 참조)에 대한 환원 처리를 행하는 처리 장치이다.
SAM 형성 장치(300)는, 일례로서, 기판(10)(도 2의 (C) 참조)의 SAM(13)을 형성하기 위해서, 티올계의 유기 화합물의 가스를 공급하여, SAM(13)을 선택적으로 형성하는 장치이다.
성막 장치(400)는, 일례로서, 기판(10)(도 2의 (D) 참조)의 AlO막(14)을 ALD법에 의해 성막하는 장치이다.
플라스마 처리 장치(500)는, 일례로서, SAM(13)을 에칭 제거하는 처리를 행하기 위한 것이다.
진공 반송실(101)의 다른 3개의 벽부에는 3개의 로드 로크실(102)이 게이트 밸브(G1)를 통해서 접속되어 있다. 로드 로크실(102)을 사이에 두고 진공 반송실(101)의 반대측에는 대기 반송실(103)이 마련되어 있다. 3개의 로드 로크실(102)은, 게이트 밸브(G2)를 통해서 대기 반송실(103)에 접속되어 있다. 로드 로크실(102)은, 대기 반송실(103)과 진공 반송실(101)의 사이에서 기판(10)을 반송할 때, 대기압과 진공의 사이에서 압력을 제어하기 위해 마련되어 있다.
대기 반송실(103)의 로드 로크실(102)의 설치 벽부와는 반대측의 벽부에는 기판(10)을 수용하는 캐리어(FOUP 등)(C)를 설치하는 3개의 캐리어 설치 포트(105)를 갖고 있다. 또한, 대기 반송실(103)의 측벽에는, 기판(10)의 얼라인먼트를 행하는 얼라인먼트 챔버(104)가 마련되어 있다. 대기 반송실(103) 내에는 청정 공기의 다운 플로우가 형성되도록 되어 있다.
진공 반송실(101) 내에는, 제1 반송 기구(106)가 마련되어 있다. 제1 반송 기구(106)는, 산화 환원 처리 장치(200), SAM 형성 장치(300), 성막 장치(400), 플라스마 처리 장치(500), 로드 로크실(102)에 대하여 기판(10)을 반송한다. 제1 반송 기구(106)는, 독립적으로 이동 가능한 2개의 반송 암(107a, 107b)을 갖고 있다.
대기 반송실(103) 내에는, 제2 반송 기구(108)가 마련되어 있다. 제2 반송 기구(108)는, 캐리어(C), 로드 로크실(102), 얼라인먼트 챔버(104)에 대하여 기판(10)을 반송하도록 되어 있다.
성막 시스템(100)은, 전체 제어부(110)를 갖고 있다. 전체 제어부(110)는, CPU(컴퓨터)를 갖는 주제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등)와, 출력 장치(프린터 등)와, 표시 장치(디스플레이 등)와, 기억 장치(기억 매체)를 갖고 있다. 주제어부는, 산화 환원 처리 장치(200), SAM 형성 장치(300), 성막 장치(400), 플라스마 처리 장치(500), 진공 반송실(101) 및 로드 로크실(102)의 각 구성부 등을 제어한다. 전체 제어부(110)의 주제어부는, 예를 들어 기억 장치에 내장된 기억 매체 또는 기억 장치에 세트된 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여, 성막 시스템(100)에, 실시 형태의 성막 방법을 행하기 위한 동작을 실행시킨다. 또한, 각 장치에 하위의 제어부를 마련하고, 전체 제어부(110)를 상위의 제어부로서 구성해도 된다.
이상과 같이 구성되는 성막 시스템에서는, 제2 반송 기구(108)에 의해 대기 반송실(103)에 접속된 캐리어(C)로부터 기판(10)을 취출하여, 얼라인먼트 챔버(104)를 경유한 후에, 어느 것의 로드 로크실(102) 내에 반입한다. 그리고, 로드 로크실(102) 내를 진공 배기한 후, 제1 반송 기구(106)에 의해, 기판(10)을 산화 환원 처리 장치(200), SAM 형성 장치(300), 성막 장치(400) 및 플라스마 처리 장치(500)에 반송하여, 실시 형태의 성막 처리를 행한다. 그 후, 필요에 따라, 플라스마 처리 장치(500)에 의해 SAM(13)의 에칭 제거를 행한다.
이상의 처리가 종료된 후, 제1 반송 기구(106)에 의해 기판(10)을 어느 것의 로드 로크실(102)에 반송하고, 제2 반송 기구(108)에 의해 로드 로크실(102) 내의 기판(10)을 캐리어(C)로 되돌린다.
이상과 같은 처리를, 복수의 기판(10)에 대해서 동시 병행적으로 행하여, 소정 매수의 기판(10)의 선택적 성막 처리가 완료된다.
이들 각 처리를 독립된 매엽 장치에서 행하므로, 각 처리에 최적인 온도로 설정하기 쉽고, 또한 일련의 처리를 진공을 깨지 않고 행할 수 있으므로, 처리의 과정에서의 산화를 억제할 수 있다.
<성막 처리 및 SAM 형성 장치의 예>
이어서, 산화 환원 처리 장치(200), 성막 장치(400)와 같은 성막 장치, 및 SAM 형성 장치(300)의 일례에 대해서 설명한다.
도 5는, 성막 장치 및 SAM 형성 장치로서 사용할 수 있는 처리 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.
산화 환원 처리 장치(200), 성막 장치(400) 및 SAM 형성 장치(300)는, 마찬가지의 구성을 갖는 장치로 할 수 있으며, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같은 처리 장치(600)로서 구성할 수 있다.
처리 장치(600)는, 기밀하게 구성된 대략 원통상의 처리 용기(챔버)(601)를 갖고 있으며, 그 안에는 기판(10)을 수평하게 지지하기 위한 서셉터(602)가, 처리 용기(601)의 저벽 중앙에 마련된 원통상의 지지 부재(603)에 의해 지지되어 배치되어 있다. 서셉터(602)에는 히터(605)가 매립되어 있으며, 이 히터(605)는, 히터 전원(606)으로부터 급전됨으로써 기판(10)을 소정의 온도로 가열한다. 또한, 서셉터(602)에는, 기판(10)을 지지해서 승강시키기 위한 복수의 승강 핀(도시하지 않음)이 서셉터(602)의 표면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 마련되어 있다.
처리 용기(601)의 천장벽에는, 성막 또는 SAM 형성을 위한 처리 가스를 처리 용기(601) 내에 샤워 형상으로 도입하기 위한 샤워 헤드(610)가 서셉터(602)와 대향하도록 마련되어 있다. 샤워 헤드(610)는, 후술하는 가스 공급 기구(630)로부터 공급된 가스를 처리 용기(601) 내에 토출하기 위한 것이며, 그 상부에는 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(611)가 형성되어 있다. 또한, 샤워 헤드(610)의 내부에는 가스 확산 공간(612)이 형성되어 있고, 샤워 헤드(610)의 저면에는 가스 확산 공간(612)에 연통한 다수의 가스 토출 구멍(613)이 형성되어 있다.
처리 용기(601)의 저벽에는, 하방을 향해서 돌출되는 배기실(621)이 마련되어 있다. 배기실(621)의 측면에는 배기 배관(622)이 접속되어 있고, 이 배기 배관(622)에는 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 장치(623)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(623)를 작동시킴으로써 처리 용기(601) 내를 소정의 감압(진공) 상태로 하는 것이 가능하게 되어 있다.
처리 용기(601)의 측벽에는, 진공 반송실(101)과의 사이에서 기판(10)을 반출입하기 위한 반입출구(627)가 마련되어 있고, 반입출구(627)는 게이트 밸브(G)에 의해 개폐되도록 되어 있다.
가스 공급 기구(630)는, AlO막(14)의 성막, 또는 SAM(13)의 형성에 필요한 가스의 공급원과, 각 공급원으로부터 가스를 공급하는 개별 배관, 개별 배관에 마련된 개폐 밸브 및 가스의 유량 제어를 행하는 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기 등을 갖고, 또한 개별 배관으로부터의 가스를 가스 도입구(611)를 통해서 샤워 헤드(610)에 유도하는 가스 공급 배관(635)을 갖고 있다.
가스 공급 기구(630)는, 처리 장치(600)가 AlO막(14)의 ALD 성막을 행하는 경우, 유기 화합물 원료 가스와 반응 가스를 샤워 헤드(610)에 공급한다. 또한, 가스 공급 기구(630)는, 처리 장치(600)가 SAM의 형성을 행하는 경우, SAM을 형성하기 위한 화합물의 증기를 처리 용기(601) 내에 공급한다. 또한, 가스 공급 기구(630)는, 퍼지 가스나 전열 가스로서 N2 가스나 Ar 가스 등의 불활성 가스도 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
이렇게 구성되는 처리 장치(600)에서는, 게이트 밸브(G)를 개방으로 해서 반입출구(627)로부터 기판(10)을 처리 용기(601) 내에 반입하여, 서셉터(602) 상에 적재한다. 서셉터(602)는, 히터(605)에 의해 소정 온도로 가열되어 있어, 처리 용기(601) 내에 불활성 가스가 도입됨으로써 기판(10)이 가열된다. 그리고, 배기 장치(623)의 진공 펌프에 의해 처리 용기(601) 내를 배기하여, 처리 용기(601) 내의 압력을 소정 압력으로 조정한다.
이어서, 처리 장치(600)가 AlO막(14)의 ALD 성막을 행하는 경우, 가스 공급 기구(630)로부터, 유기 화합물 원료 가스와 반응 가스를, 처리 용기(601) 내의 퍼지를 사이에 끼워 교대로 처리 용기(601) 내에 공급한다. 또한, 처리 장치(600)가 SAM의 형성을 행하는 경우, 가스 공급 기구(630)로부터, SAM을 형성하기 위한 유기 화합물의 증기를 처리 용기(601) 내에 공급한다.
이상, 본 개시에 따른 성막 방법의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 개시는 상기 실시 형태 등에 한정되지 않는다. 특허 청구 범위에 기재된 범주 내에서, 각종 변경, 수정, 치환, 부가, 삭제 및 조합이 가능하다. 그것들에 대해서도 당연히 본 개시의 기술적 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 제1 영역의 표면에 형성된 제1 금속제의 금속층과, 제2 영역의 표면에 형성된 절연층을 갖는 기판을 준비하는 공정과,
    자기 조직화 막의 원료 가스를 공급하여, 상기 금속층의 표면에 자기 조직화 막을 형성하는 공정과,
    상기 자기 조직화 막을 형성한 후에, 제2 금속을 함유하는 전구체 가스의 공급과, 산화 가스의 공급을 반복하여, 원자층 퇴적법에 의해 상기 절연층 상에 제2 금속의 산화막을 형성하는 공정과,
    상기 산화 가스의 공급 후이며 상기 전구체 가스의 공급 전에, 환원 가스를 공급해서 상기 제1 금속의 표면에 형성된 상기 제1 금속의 산화막을 환원하는 공정
    을 포함하는, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속의 산화막을 환원하는 공정은, 상기 전구체 가스의 공급과, 상기 산화 가스의 공급을 복수회 반복했을 때, 상기 산화 가스의 공급 후 또는 상기 전구체 가스의 공급 전의 적어도 하나에서 행하는 공정인, 성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 금속은, 알루미늄(Al), 하프늄(Hf) 또는 지르코늄(Zr)인, 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 금속은 알루미늄(Al)이며, 상기 전구체 가스는, 트리메틸알루미늄인, 성막 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 금속은 하프늄(Hf)이며, 상기 전구체 가스는, 테트라키스(디메틸아미노)하프늄, 테트라키스(디에틸아미노)하프늄 또는 테트라키스(에틸메틸아미노)하프늄인, 성막 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제2 금속은 지르코늄(Zr)이며, 상기 전구체 가스는, 테트라키스(디메틸아미노)지르코늄, 테트라키스(디에틸아미노)지르코늄 또는 테트라키스(에틸메틸아미노)지르코늄인, 성막 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화 가스는, 수증기(H2O), 과산화수소(H2O2), 산소(O2), 또는 오존(O3)인, 성막 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환원 가스는, 알코올 또는 수소(H2)인, 성막 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 환원 가스의 알코올은, 이소프로필알코올(IPA)인, 성막 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 조직화 막의 원료 가스는, 티올계의 자기 조직화 막의 원료 가스인, 성막 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 금속의 산화막을 형성하는 공정 후에, 상기 금속층의 표면으로부터 상기 자기 조직화 막을 제거하는 공정을 더 포함하는, 성막 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 조직화 막을 형성하는 공정 전에, 상기 기판에 환원 가스를 공급하여, 상기 제1 금속의 표면에 형성된, 상기 제1 금속의 산화막을 제거하는 공정을 더 포함하는, 성막 방법.
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