KR20220118913A - 기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램 - Google Patents

기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램 Download PDF

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KR20220118913A
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아츠로 세이노
다쿠야 조다
아리토 오가와
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

본 발명은, 기판 상에 형성되는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다. (a) 기판에 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스를 공급하는 제1 공정과, (b) 기판에 제1 환원 가스를 공급하는 공정과, (c) 기판에 제2 환원 가스를 공급하는 공정과, (d) 기판에 상기 원료 가스를 공급하는 제2 공정을 갖고, (e) (a) 도중에 (b)를 개시하고, (b) 도중에 (a)를 종료하는 공정과, (f) (e) 후에 퍼지하지 않고 (d)를 행하는 공정과, (g) (f) 후에 (c)를 행하는 공정과, (h) (e)와 (f)와 (g)를 이 순서로 소정 횟수 행함으로써, 기판에 대하여 제1 원소를 포함하는 막을 형성한다.

Description

기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램{METHOD OF PROCESSING SUBSTRATE, METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND PROGRAM}
본 개시는, 기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램에 관한 것이다.
3차원 구조를 갖는 3D NAND형 플래시 메모리나 DRAM의 워드 라인으로서 예를 들어 저저항의 금속막이 사용되고 있다. 또한, 이 금속막과 절연막 사이에 배리어막을 형성하는 경우가 있다(예를 들어 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조).
일본 특허 공개 제2011-252221호 공보 일본 특허 공개 제2017-069407호 공보
예를 들어, 3D NAND 구조의 경우, 기판 상에 형성하는 층의 수가 증가함에 따라서, 기판 상에 형성하는 홈의 애스펙트비가 증대해서 표면적이 커져, 더 깊은 홈을 갖는 기판에의 성막 등의 스텝 커버리지 성능의 개선이 필요해지고 있다. 스텝 커버리지 성능의 개선을 위해서는, 디바이스 하부까지 충분히 가스를 공급할 필요가 있다.
본 개시는, 기판 상에 형성되는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에 의하면,
(a) 기판에 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스를 공급하는 제1 공정과,
(b) 상기 기판에 제1 환원 가스를 공급하는 공정과,
(c) 상기 기판에 제2 환원 가스를 공급하는 공정과,
(d) 상기 기판에 상기 원료 가스를 공급하는 제2 공정
을 갖고,
(e) (a) 도중에 (b)를 개시하고, (b) 도중에 (a)를 종료하는 공정과,
(f) (e) 후에 퍼지하지 않고 (d)를 행하는 공정과,
(g) (f) 후에 (c)를 행하는 공정과,
(h) (e)와 (f)와 (g)를 이 순서로 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판에 대하여 상기 제1 원소를 포함하는 막을 형성하는 공정을 갖는 기술이 제공된다.
본 개시에 의하면, 기판 상에 형성되는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략을 도시하는 종단면도이다.
도 2는 도 1에서의 A-A선 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 시퀀스를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 시퀀스의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 시퀀스의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예에 사용한 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 실시예에 관한 도 4에 도시하는 기판 처리 시퀀스를 사용한 경우의 막 두께의 감소량과, 비교예에 관한 기판 처리 시퀀스를 사용한 경우의 막 두께의 감소량을 비교해서 도시한 도면이다.
도 9는 원료 가스의 공급 시간과, 막 두께의 감소량의 관계를 도시한 도면이다.
이하, 도 1 내지 4를 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 도면은 모두 모식적인 것이며, 도면에 도시되는 각 요소의 치수 관계, 각 요소의 비율 등은, 현실의 것과 반드시 일치하는 것은 아니다. 또한, 복수의 도면의 상호간에 있어서도, 각 요소의 치수 관계, 각 요소의 비율 등은 반드시 일치하는 것은 아니다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
기판 처리 장치(10)는, 가열 수단(가열 기구, 가열계)으로서의 히터(207)가 마련된 처리로(202)를 구비한다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보유 지지판으로서의 히터 베이스(도시하지 않음)에 지지됨으로써 수직으로 거치되어 있다.
히터(207)의 내측에는, 히터(207)와 동심원상으로 처리 용기를 구성하는 아우터 튜브(203)가 배치되어 있다. 아우터 튜브(203)는, 예를 들어 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 아우터 튜브(203)의 하방에는, 아우터 튜브(203)와 동심원상으로 매니폴드(인렛 플랜지)(209)가 배치되어 있다. 매니폴드(209)는, 예를 들어 스테인리스(SUS) 등의 금속으로 구성되고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 매니폴드(209)의 상단부와, 아우터 튜브(203) 사이에는, 시일 부재로서의 O링(220a)이 마련되어 있다. 매니폴드(209)가 히터 베이스에 지지됨으로써, 아우터 튜브(203)는 수직으로 거치된 상태로 된다.
아우터 튜브(203)의 내측에는, 처리 용기를 구성하는 이너 튜브(204)가 배치되어 있다. 이너 튜브(204)는, 예를 들어 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 주로, 아우터 튜브(203)와, 이너 튜브(204)와, 매니폴드(209)에 의해 처리 용기가 구성되어 있다. 처리 용기의 통 중공부(이너 튜브(204)의 내측)에는, 처리실(201)이 형성되어 있다.
처리실(201)은, 기판으로서의 웨이퍼(200)를 후술하는 보트(217)에 의해 수평 자세로 연직 방향으로 다단으로 배열한 상태에서 수용 가능하게 구성되어 있다.
처리실(201) 내에는, 노즐(410, 420, 430)이 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 마련되어 있다. 노즐(410, 420, 430)에는 가스 공급관(310, 320, 330)이 각각 접속되어 있다. 단, 본 실시 형태의 처리로(202)는, 상술한 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 마련되어 있다. 또한, 가스 공급관(310, 320, 330)에는, 개폐 밸브인 밸브(314, 324, 334)가 각각 마련되어 있다. 또한, 가스 공급관(310)의 MFC(312)의 하류측이며 밸브(314)의 상류측의, MFC(312)와 밸브(314) 사이에는, 가스를 저류하는 저류부(315)가 마련되어 있다. 즉, 가스를 공급하기 전에, 저류부에 소정량의 가스를 저류해 두고, 가스 공급 시에 있어서 저류부에 저류한 가스를 사용할 수 있도록 구성되어 있다. 가스 공급관(310, 320, 330)의 밸브(314, 324, 334)의 하류측에는, 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(510, 520, 530)이 각각 접속되어 있다. 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 마련되어 있다.
가스 공급관(310, 320, 330)의 선단부에는 노즐(410, 420, 430)이 각각 연결 접속되어 있다. 노즐(410, 420, 430)은, L자형의 노즐로서 구성되어 있고, 그 수평부는 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 마련되어 있다. 노즐(410, 420, 430)의 수직부는, 이너 튜브(204)의 직경 방향 외향으로 돌출되고 또한 연직 방향으로 연장되도록 형성되어 있는 채널 형상(홈 형상)의 예비실(201a)의 내부에 마련되어 있고, 예비실(201a) 내에서 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 상방(웨이퍼(200)의 배열 방향 상방)을 향해서 마련되어 있다.
노즐(410, 420, 430)은, 처리실(201)의 하부 영역으로부터 처리실(201)의 상부 영역까지 연장되도록 마련되어 있고, 웨이퍼(200)와 대향하는 위치에 각각 복수의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)이 마련되어 있다. 이에 의해, 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 각각 웨이퍼(200)에 처리 가스를 공급한다. 이 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)은, 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부에 걸쳐 복수 마련되고, 각각 동일한 개구 면적을 갖고, 또한 동일한 개구 피치로 마련되어 있다. 단, 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)은, 상술한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부를 향해서 개구 면적을 점차 크게 해도 된다. 이에 의해, 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 공급되는 가스의 유량을 보다 균일화하는 것이 가능하게 된다.
노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)은, 후술하는 보트(217)의 하부로부터 상부까지의 높이의 위치에 복수 마련되어 있다. 그 때문에, 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급된 처리 가스는, 보트(217)의 하부로부터 상부까지 수용된 웨이퍼(200)의 전역에 공급된다. 노즐(410, 420, 430)은, 처리실(201)의 하부 영역으로부터 상부 영역까지 연장되도록 마련되어 있으면 되지만, 보트(217)의 천장 부근까지 연장되도록 마련되어 있는 것이 바람직하다.
가스 공급관(310)으로부터는, 처리 가스로서, 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스가, MFC(312), 저류부(315), 밸브(314), 노즐(410)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다.
가스 공급관(320)으로부터는, 처리 가스로서 제1 환원 가스가, MFC(322), 밸브(324), 노즐(420)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다.
가스 공급관(330)으로부터는, 처리 가스로서 제2 환원 가스가, MFC(332), 밸브(334), 노즐(430)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 본 개시에서는, 제2 환원 가스를, 원료 가스와 반응시키는 반응 가스로서 사용한다.
가스 공급관(510, 520, 530)으로부터는, 불활성 가스로서 예를 들어 질소(N2) 가스가, 각각 MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534), 노즐(410, 420, 430)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 이하, 불활성 가스로서 N2 가스를 사용하는 예에 대해서 설명하지만, 불활성 가스로서는, N2 가스 이외에, 예를 들어 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 크세논(Xe) 가스 등의 희가스를 사용해도 된다.
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 된다. 처리 가스 공급계는 단순히 가스 공급계라고 칭해도 된다. 가스 공급관(310)으로부터 원료 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(310), MFC(312), 저류부(315), 밸브(314)에 의해 원료 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410)을 원료 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 또한, 가스 공급관(320)으로부터 제1 환원 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(320), MFC(322), 밸브(324)에 의해 제1 환원 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(420)을 제1 환원 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 또한, 가스 공급관(330)으로부터 제2 환원 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(330), MFC(332), 밸브(334)에 의해 제2 환원 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(430)을 제2 환원 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 가스 공급관(330)으로부터 반응 가스로서 제2 환원 가스를 공급하는 경우, 제2 환원 가스 공급계를 반응 가스 공급계라고 칭할 수도 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, 복수매의 웨이퍼(200)의 단부로 정의되는 원환상의 세로로 긴 공간 내의 예비실(201a) 내에 배치한 노즐(410, 420, 430)을 경유해서 가스를 반송하고 있다. 그리고, 노즐(410, 420, 430)의 웨이퍼와 대향하는 위치에 마련된 복수의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 이너 튜브(204) 내에 가스를 분출시키고 있다. 보다 상세하게는, 노즐(410)의 가스 공급 구멍(410a), 노즐(420)의 가스 공급 구멍(420a), 노즐(430)의 가스 공급 구멍(430a)에 의해, 웨이퍼(200)의 표면과 평행 방향을 향해서 처리 가스 등을 분출시키고 있다.
배기 구멍(배기구)(204a)은, 이너 튜브(204)의 측벽이며 노즐(410, 420, 430)에 대향한 위치에 형성된 관통 구멍이며, 예를 들어 연직 방향으로 가늘고 길게 개설된 슬릿 형상의 관통 구멍이다. 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 웨이퍼(200)의 표면 상을 흐른 가스는, 배기 구멍(204a)을 통해서 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(203) 사이에 형성된 간극으로 구성된 배기로(206) 내에 흐른다. 그리고, 배기로(206) 내에 흐른 가스는, 배기관(231) 내에 흘러 처리로(202) 밖으로 배출된다.
배기 구멍(204a)은, 복수의 웨이퍼(200)와 대향하는 위치에 마련되어 있고, 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 근방에 공급된 가스는, 수평 방향을 향해서 흐른 후, 배기 구멍(204a)을 통해서 배기로(206) 내에 흐른다. 배기 구멍(204a)은, 슬릿 형상의 관통 구멍으로서 구성되는 경우에 한하지 않고, 복수개의 구멍에 의해 구성되어 있어도 된다.
매니폴드(209)에는, 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 마련되어 있다. 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 접속되어 있다. APC 밸브(243)는, 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐함으로써, 처리실(201) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브 개방도를 조절함으로써, 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있다. 주로, 배기 구멍(204a), 배기로(206), 배기관(231), APC 밸브(243) 및 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함해서 생각해도 된다.
매니폴드(209)의 하방에는, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 시일 캡(219)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)은, 매니폴드(209)의 하단에 연직 방향 하측으로부터 맞닿아지도록 구성되어 있다. 시일 캡(219)은, 예를 들어 SUS 등의 금속으로 구성되고, 원반상으로 형성되어 있다. 시일 캡(219)의 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 맞닿는 시일 부재로서의 O링(220b)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)에서의 처리실(201)의 반대측에는, 웨이퍼(200)를 수용하는 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치되어 있다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은, 시일 캡(219)을 관통해서 보트(217)에 접속되어 있다. 회전 기구(267)는, 보트(217)를 회전시킴으로써 웨이퍼(200)를 회전시키도록 구성되어 있다. 시일 캡(219)은, 아우터 튜브(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 연직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는 시일 캡(219)을 승강시킴으로써, 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출하는 것이 가능하게 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 보트(217) 및 보트(217)에 수용된 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반송하는 반송 장치(반송계)로서 구성되어 있다.
기판 지지구로서의 보트(217)는, 복수매, 예를 들어 25 내지 200매의 웨이퍼(200)를 수평 자세이면서 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 연직 방향으로 간격을 두고 배열시키도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성된다. 보트(217)의 하부에는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 단열판(218)이, 수평 자세로 다단(도시하지 않음)으로 지지되어 있다. 이 구성에 의해, 히터(207)로부터의 열이 시일 캡(219)측에 전해지기 어렵게 되어 있다. 단, 본 실시 형태는 상술한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 보트(217)의 하부에 단열판(218)을 마련하지 않고, 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 통 형상의 부재로서 구성된 단열 통을 마련해도 된다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 이너 튜브(204) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되어 있어, 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)에의 통전량을 조정함으로써, 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포로 되도록 구성되어 있다. 온도 센서(263)는, 노즐(410, 420, 430)과 마찬가지로 L자형으로 구성되어 있고, 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 마련되어 있다.
도 3에 도시한 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 구성되어 있다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는, 내부 버스를 통해서 CPU(121a)와 데이터 교환 가능하게 구성되어 있다. 컨트롤러(121)에는, 예를 들어 터치 패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속되어 있다.
기억 장치(121c)는, 예를 들어 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성되어 있다. 기억 장치(121c) 내에는, 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법의 수순이나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법에서의 각 공정(각 스텝)을 컨트롤러(121)에 실행시켜, 소정의 결과를 얻을 수 있게 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피, 제어 프로그램 등을 총칭하여, 단순히 프로그램이라고도 한다. 본 명세서에서 프로그램이라는 말을 사용한 경우에는, 프로세스 레시피 단체만을 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 보유되는 메모리 영역(워크 에어리어)으로서 구성되어 있다.
I/O 포트(121d)는, 상술한 MFC(312, 322, 332, 512, 522, 532), 밸브(314, 324, 334, 514, 524, 534), 저류부(315), 압력 센서(245), APC 밸브(243), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115) 등에 접속되어 있다.
CPU(121a)는, 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행함과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라서 기억 장치(121c)로부터 레시피 등을 판독하도록 구성되어 있다. CPU(121a)는, 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, 저류부(315)에 의한 원료 가스의 저류 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 제어하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
컨트롤러(121)는, 외부 기억 장치(예를 들어, 자기 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리)(123)에 저장된 상술한 프로그램을, 컴퓨터에 인스톨함으로써 구성할 수 있다. 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성되어 있다. 이하, 이들을 총칭하여, 단순히 기록 매체라고도 한다. 본 명세서에서 기록 매체는, 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양쪽을 포함하는 경우가 있다. 컴퓨터에의 프로그램의 제공은, 외부 기억 장치(123)를 사용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 사용해서 행해도 된다.
(2) 기판 처리 공정
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 웨이퍼(200)에 대하여 제1 원소를 포함하는 막을 형성하는 공정의 일례에 대해서, 도 4를 사용해서 설명한다. 본 공정은, 상술한 기판 처리 장치(10)의 처리로(202)를 사용해서 실행된다. 이하의 설명에서, 기판 처리 장치(10)를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
본 실시 형태에 의한 기판 처리 공정(반도체 장치의 제조 공정)에서는,
(a) 웨이퍼(200)에 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스를 공급하는 제1 공정과,
(b) 웨이퍼(200)에 제1 환원 가스를 공급하는 공정과,
(c) 웨이퍼(200)에 제2 환원 가스를 공급하는 공정과,
(d) 웨이퍼(200)에 상기 원료 가스를 공급하는 제2 공정
을 갖고,
(e) (a) 도중에 (b)를 개시하고, (b) 도중에 (a)를 종료하는 공정과,
(f) (e) 후에 퍼지하지 않고 (d)를 행하는 공정과,
(g) (f) 후에 (c)를 행하는 공정과,
(h) (e)와 (f)와 (g)를 이 순서로 소정 횟수 행함으로써, 웨이퍼(200)에 대하여 상기 제1 원소를 포함하는 막을 형성하는 공정을 갖는다.
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체」를 의미하는 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등의 적층체」를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면」을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」이라는 말을 사용한 경우도, 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우와 동의이다.
(웨이퍼 반입)
복수매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 도 1에 도시하고 있는 바와 같이, 복수매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져서 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)되어, 처리 용기 내에 수용된다. 이 상태에서, 시일 캡(219)은, O링(220)을 개재해서 아우터 튜브(203)의 하단 개구를 폐색한 상태로 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(201) 내, 즉, 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)으로 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이때, 처리실(201) 내의 압력은, 압력 센서(245)에서 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 온도로 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때, 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포로 되도록, 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)에의 통전량이 피드백 제어된다(온도 조정). 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은, 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 계속해서 행하여진다.
(원료 가스 공급(제1 공정), 스텝 S10)
밸브(314)를 개방하여, 가스 공급관(310) 내에 원료 가스를 흘린다. MFC(312)에 의해 유량 조정되어 저류부(315)에 저류된 원료 가스가, 노즐(410)의 가스 공급 구멍(410a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 동시에 밸브(514)를 개방하여, 가스 공급관(510) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 또한, 노즐(420, 430) 내에의 원료 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(524, 534)를 개방하여, 가스 공급관(520, 530) 내에 불활성 가스를 흘린다. 또한, 본 스텝에서는, 저류부(315)에 저류하지 않고(저류 시간 제로로) 그대로 원료 가스를 처리실(201) 내에 공급하도록 해도 된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(312)로 제어하는 원료 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.01 내지 3slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 불활성 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이하에서, 히터(207)의 온도는, 웨이퍼(200)의 온도가, 예를 들어 300 내지 600℃의 범위 내의 온도로 되는 온도로 설정해서 행한다. 또한, 본 개시에서의 「1 내지 3990Pa」과 같은 수치 범위의 표기는, 하한값 및 상한값이 그 범위에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어 「1 내지 3990Pa」이란 「1Pa 이상 3990Pa 이하」를 의미한다. 다른 수치 범위에 대해서도 마찬가지이다.
이때, 웨이퍼(200)에 대하여 원료 가스와 불활성 가스가 공급되게 된다. 원료 가스로서는, 제1 원소와 할로겐을 포함하는 가스인, 예를 들어 티타늄(Ti)과 염소(Cl)를 포함하는 가스인 사염화티타늄(TiCl4) 가스를 사용할 수 있다. 원료 가스로서 TiCl4 가스를 사용한 경우, TiCl4 가스의 공급에 의해, 웨이퍼(200)(표면의 하지막) 상에 TiClx(X는 4 이하의 정수)가 흡착되어, Ti 함유층이 형성된다.
(원료 가스와 제1 환원 가스의 동시 공급, 스텝 S11)
원료 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 밸브(324)를 개방하여, 가스 공급관(320) 내에 제1 환원 가스의 공급을 개시한다. 즉, 원료 가스의 공급 개시 후에, 원료 가스를 공급한 상태에서, 원료 가스 공급 도중에 제1 환원 가스의 공급을 개시한다. 제1 환원 가스는, MFC(322)에 의해 유량 조정되어, 노즐(420)의 가스 공급 구멍(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 또한, 이때 동시에 밸브(514, 524)를 개방하여, 가스 공급관(510, 520) 내에 불활성 가스를 흘린다. 또한, 노즐(430) 내에의 원료 가스, 제1 환원 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(534)를 개방하여, 가스 공급관(530) 내에 불활성 가스를 흘린다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(322)로 제어하는 제1 환원 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.1 내지 5slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 불활성 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. 원료 가스와 제1 환원 가스를 동시에 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 0.01 내지 70초의 범위 내의 시간으로 한다.
이때, 웨이퍼(200)에 대하여 원료 가스와 제1 환원 가스와 불활성 가스가 공급되게 된다. 즉 적어도 원료 가스와 제1 환원 가스는 동시에 공급되는 타이밍을 갖는다. 제1 환원 가스로서는, 예를 들어 실리콘(Si)과 수소(H)를 포함하는 가스인 실란(SiH4) 가스를 사용할 수 있다.
(제1 환원 가스 공급, 스텝 S12)
원료 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 밸브(314)를 닫아, 원료 가스의 공급을 정지한다. 바꿔 말하면, 제1 환원 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 제1 환원 가스를 공급하고 있는 상태이며, 제1 환원 가스 공급 도중에, 원료 가스의 공급을 정지한다. 제1 환원 가스는, MFC(322)에 의해 유량 조정되어, 노즐(420)의 가스 공급 구멍(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 또한, 이때 동시에 밸브(524)를 개방하여, 가스 공급관(520) 내에 불활성 가스를 흘린다. 또한, 노즐(410, 430) 내에의 제1 환원 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(514, 534)를 개방하여, 가스 공급관(510, 530) 내에 불활성 가스를 흘린다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. 제1 환원 가스만을 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 0.01 내지 60초의 범위 내의 시간으로 한다.
이때, 웨이퍼(200)에 대하여 제1 환원 가스와 불활성 가스만이 공급되게 된다. 제1 환원 가스의 공급에 의해, 반응 부생성물이며, 흡착 저해 가스인 예를 들어 염화수소(HCl)가 제거되고, HCl이 흡착되어 있던 흡착 사이트가 비어, 웨이퍼(200) 표면에, TiClx가 흡착 가능한 흡착 사이트를 형성할 수 있다.
여기서, 스텝 S12에서의, 제1 공정에서의 원료 가스 공급을 종료하고 나서 제1 환원 가스 공급을 종료할 때까지의 시간을, 제1 환원 가스 공급을 개시하고 나서 제1 공정에서의 원료 가스 공급을 종료할 때까지의 시간보다도 길게 한다. 이에 의해, 웨이퍼(200) 표면에, TiClx가 흡착 가능한 흡착 사이트를 많이 형성할 수 있다.
(원료 가스 공급(제2 공정), 스텝 S13)
제1 환원 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 밸브(324)를 닫아, 제1 환원 가스의 공급을 정지함과 동시에 밸브(314)를 개방하여, 원료 가스의 공급을 개시한다. 바꿔 말하면, 제1 환원 가스의 공급을 정지하고 바로, 퍼지하지 않고 원료 가스의 공급을 개시한다. MFC(312)에 의해 유량 조정되어 저류부(315)에 저류된 원료 가스는, 노즐(410)의 가스 공급 구멍(410a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 즉, 본 스텝 전에 저류부(315)에 원료 가스를 모아서 저류해 두고, 본 스텝에서는, 저류부(315)에 저류한 원료 가스를 처리실(201) 내에 공급한다. 또한, 이때 동시에 밸브(514)를 개방하여, 가스 공급관(510) 내에 불활성 가스를 흘린다. 또한, 노즐(420, 430) 내에의 원료 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(524, 534)를 개방하여, 가스 공급관(520, 530) 내에 불활성 가스를 흘린다. 여기서 퍼지란, 적어도 웨이퍼(200) 상에 존재하는 가스를 저감(제거)하는 것을 의미한다. 가스의 제거는, 예를 들어 처리실(201) 내의 분위기(미반응 가스, 부생성물 등)를 배기함으로써 행하여진다. 또한, 처리실(201) 내에 불활성 가스를 공급함으로써, 처리실(201) 내에 존재하는 가스를 압출함으로써 행하여져도 된다. 또한, 이와 같은 배기와, 불활성 가스의 압출을 조합해서 행하여도 된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(312)로 제어하는 원료 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.01 내지 3slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 불활성 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이때 원료 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 0.01 내지 20초의 범위 내의 시간으로 한다.
이때, 웨이퍼(200)에 대하여 상술한 제1 공정의 원료 가스와 동일한 원료 가스와 불활성 가스가 공급되게 된다. 스텝 S12 후, 퍼지했을 경우, 처리실(201) 내가 진공 배기되어, 처리실(201) 내를 고압으로 되돌리는데 시간이 걸려서 생산성이 저하된다. 본 스텝과 같이, 스텝 S12 후, 퍼지하지 않고 본 스텝에서의 원료 가스 공급을 개시함으로써, 스텝 S10 내지 S12에서의 상태와 동일한 고압 상태로 처리실(201) 내를 유지해서 본 스텝을 개시하는 것이 가능하게 되어, 생산성이 향상된다.
또한, 스텝 S12 후, 퍼지했을 경우, 다음 원료 가스 공급까지 시간을 요하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 SiClx나 HCl 등의 반응 부생성물이 웨이퍼(200) 상에 재부착되는 경우가 있다. 본 스텝과 같이, 스텝 S12 후, 퍼지하지 않고 본 스텝에서의 원료 가스 공급을 개시함으로써, SiClx나 HCl 등의 반응 부생성물이 웨이퍼(200) 상에 재부착되기 전에 TiClx를 웨이퍼(200) 상에 흡착시키는 것이 가능하게 된다. 여기서 x는, 예를 들어 정수이다.
여기서, 제1 공정의 원료 가스 공급을 종료하고 나서 제1 환원 가스 공급을 종료할 때까지의 시간을, 제1 환원 가스 공급을 개시하고 나서 제1 공정의 원료 가스 공급을 종료할 때까지의 시간보다도 길게 한다. 본 스텝의 제1 환원 가스 공급에 의해, 반응 부생성물이며, 흡착 저해 가스인 예를 들어 HCl 등이 제거되어 비게 된 웨이퍼(200) 표면의 흡착 사이트에 TiClx를 흡착시킬 수 있다. 이에 의해, TiClx의 피복률을 향상시켜, Ti 함유막의 연속성을 향상시켜서, 홈 내에 형성하는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다.
또한, 스텝 S13의 제2 공정에서의 원료 가스의 공급량은, 스텝 S10과 스텝 S11의 제1 공정에서의 원료 가스의 공급량과 다르다. 구체적으로는, 스텝 S13의 제2 공정에서의 원료 가스의 공급 시간은, 스텝 S10의 제1 공정에서의 원료 가스의 공급 시간 이상으로 한다. 또한, 스텝 S13의 제2 공정에서의 원료 가스의 공급 시간은, 스텝 S10과 스텝 S11의 제1 공정에서의 원료 가스의 공급 시간 이상으로 하고, 바람직하게는 제2 공정에서의 원료 가스의 공급 시간은, 제1 공정에서의 원료 가스의 공급 시간보다도 긴 시간으로 한다. 더욱 바람직하게는, 제2 공정에서의 원료 가스의 공급 시간은, 제1 공정에서의 원료 가스의 공급 시간의 2배 이내로 한다. 이에 의해, TiClx의 피복률을 향상시켜, Ti 함유막의 연속성을 향상시켜서, 홈 내에 형성하는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다.
또한, 스텝 S13의 제2 공정에서의 원료 가스의 공급 유량은, 스텝 S10과 스텝 S11의 제1 공정에서의 원료 가스의 공급 유량 이상의 유량으로 하고, 바람직하게는 제2 공정에서의 원료 가스의 공급 유량은, 제1 공정에서의 원료 가스의 공급 유량보다도 많은 유량으로 한다. 이에 의해, TiClx의 피복률을 향상시켜, Ti 함유막의 연속성을 향상시켜서, 홈 내에 형성하는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다.
또한, 스텝 S13의 제2 공정의 원료 가스 공급은, 저류부(315)에 원료 가스를 저류한 상태에서 행해도 된다. 저류부(315)에 원료 가스를 저류하는 공정은, 스텝 S13 전에 마련된다. 또한, 스텝 S10의 제1 공정의 원료 가스 공급도 저류부(315)에 원료 가스를 저류한 상태에서 행해도 된다. 스텝 S10에서, 저류부(315)에 저류한 원료 가스를 공급하는 경우에는, 스텝 S10 전에, 저류부(315)에 원료 가스를 저류하는 공정이 마련된다. 저류부(315)에 원료 가스를 저류하는 공정은, 밸브(314)를 소정 시간 닫음으로써 행하여진다.
여기서, 스텝 S13의 제2 공정의 원료 가스 공급 전에 있어서의 저류부(315)에 원료 가스를 저류하는 양은, 스텝 S10의 제1 공정의 원료 가스 공급 전에 있어서의 저류부(315)에 원료 가스를 저류하는 양보다도 많게 설정한다. 또한, 스텝 S13의 제2 공정의 원료 가스 공급 전에 있어서의 저류부(315)에 원료 가스를 저류하는 시간은, 스텝 S10의 제1 공정의 원료 가스 공급 전에 있어서의 저류부(315)에 원료 가스를 저류하는 시간보다도 길게 설정한다. 또한, 스텝 S13의 제2 공정의 원료 가스 공급전에 있어서의 저류부(315)에 원료 가스를 저류할 때의 공급 유량은, 스텝 S10의 제1 공정의 원료 가스 공급 전에 있어서의 저류부(315)에 원료 가스를 저류할 때의 공급 유량보다도 많게 설정한다. 이에 의해, TiClx의 피복률을 향상시켜, Ti 함유막의 연속성을 향상시켜서, 홈 내에 형성하는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다. 또한, 제1 공정의 원료 가스 공급 전에 있어서는, 저류부(315)에 저류하지 않고(저류 시간 제로로) 원료 가스를 처리실(201) 내에 공급하도록 해도 된다.
(퍼지, 스텝 S14)
제2 공정에서의 원료 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 밸브(314)를 닫아 원료 가스의 공급을 정지한다. 이때, 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 개방한 채로 두고, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 웨이퍼(200) 상으로부터 잔류 가스를 제거하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 원료 가스나 제1 환원 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때, 밸브(514, 524, 534)를 개방하여, 퍼지 가스로서의 불활성 가스를 처리실(201) 내에 공급한다. 불활성 가스는 퍼지 가스로서 작용하여, 웨이퍼(200) 상으로부터 잔류 가스를 제거하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 원료 가스나 제1 환원 가스나 반응 부생성물 등을 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 불활성 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm으로 한다.
(제2 환원 가스 공급, 스텝 S15)
퍼지를 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 밸브(334)를 개방하여, 가스 공급관(330) 내에 제2 환원 가스를 흘린다. 제2 환원 가스는, MFC(332)에 의해 유량 조정되어, 노즐(430)의 가스 공급 구멍(430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 또한, 이때 동시에 밸브(534)를 개방하여, 가스 공급관(530) 내에 불활성 가스를 흘린다. 또한, 노즐(410, 420) 내에의 제2 환원 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(514, 524)를 개방하여, 가스 공급관(510, 520) 내에 불활성 가스를 흘린다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(332)로 제어하는 제2 환원 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.1 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 불활성 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. 제2 환원 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 0.01 내지 30초의 범위 내의 시간으로 한다.
이때, 웨이퍼에 대하여 제2 환원 가스와 불활성 가스가 공급되게 된다. 여기서, 제2 환원 가스로서는, 예를 들어 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다. 제2 환원 가스로서 NH3 가스를 사용한 경우, 웨이퍼(200) 상에 형성된 Ti 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 치환 반응 시에는, Ti 함유층에 포함되는 Ti와 NH3 가스에 포함되는 N이 결합하여, 웨이퍼(200) 상에 TiN층이 형성된다. 구체적으로는, 웨이퍼(200) 상에 흡착된 TiClx와 NH3가 반응함으로써, 표면에 산화막이 형성된 웨이퍼(200) 상에 TiN막이 형성되어, TiN막의 피복률을 향상시킬 수 있다. 또한, 치환 반응 시에는, HCl, 염화암모늄(NH4Cl), H2 등의 반응 부생성물이 생긴다.
(퍼지, 스텝 S16)
제2 환원 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 밸브(334)를 닫아 제2 환원 가스의 공급을 정지한다. 이때, 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 개방한 채로 두고, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 웨이퍼(200) 상으로부터 잔류 가스를 제거하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 막의 형성에 기여한 후의 제2 환원 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때, 밸브(514, 524, 534)를 개방하여, 퍼지 가스로서의 불활성 가스를 처리실(201) 내에 공급한다. 불활성 가스는 퍼지 가스로서 작용하여, 웨이퍼(200) 상으로부터 잔류 가스를 제거하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응된 제2 환원 가스나 상술한 반응 부생성물 등을 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 불활성 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm으로 한다.
즉, 제1 환원 가스 공급 후에, 퍼지를 행하지 않고, 퍼지를 사이에 두지 않고 원료 가스 공급을 행하고 나서, 퍼지를 행하고, 그 후에 제2 환원 가스 공급을 행한다.
(소정 횟수 실시)
상술한 스텝 S10 내지 스텝 S16을 순서대로 행하는 사이클을 소정 횟수(n회), 1회 이상 실행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 소정의 두께의 제1 원소를 포함하는 막을 형성한다. 여기에서는, 예를 들어 질화티타늄(TiN)막이 형성된다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
가스 공급관(510 내지 530) 각각으로부터 불활성 가스를 처리실(201) 내에 공급하여, 배기관(231)으로부터 배기한다. 불활성 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 반응 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 시일 캡(219)이 하강되어, 아우터 튜브(203)의 하단이 개구된다. 그리고, 처리가 끝난 웨이퍼(200)가 보트(217)에 지지된 상태에서 아우터 튜브(203)의 하단으로부터 아우터 튜브(203)의 외부로 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리가 끝난 웨이퍼(200)는 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
(3) 본 실시 형태에 의한 효과
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과를 얻을 수 있다.
(a) 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다.
(b) 막의 피복률을 향상시킬 수 있어, 이 막 상에 형성되는 금속 함유막의 저항률을 저감시킬 수 있다.
(c) 막의 연속성을 향상시킬 수 있다. 여기서 연속성이란, 막의 재료의 결정이 이어져 있는 것, 결정의 간격이 작은 것 등을 의미한다.
(d) 기판 상에 형성되는 막의 특성을 향상시킬 수 있다.
(4) 다른 실시 형태
이상, 본 개시의 실시 형태를 구체적으로 설명하였다. 그러나, 본 개시는 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능하다.
(변형예 1)
도 5는, 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 시퀀스의 변형예를 나타낸다. 본 변형예에서는, 상술한 바와 같이 제1 환원 가스 공급 도중에 제2 공정에서의 원료 가스 공급을 개시한다. 즉, 제1 환원 가스 공급을 종료하기 전에, 원료 가스 공급을 재개한다. 이 경우에도, 상술한 도 4에 도시하는 기판 처리 시퀀스와 마찬가지의 효과로서, TiClx의 피복률을 향상시켜, Ti 함유막의 연속성을 향상시켜서, 홈 내에 형성하는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다.
(변형예 2)
도 6은, 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 시퀀스의 다른 변형예를 나타낸다. 본 변형예에서는, 제1 공정의 원료 가스 공급과, 제2 공정의 원료 가스 공급 사이이며, 상술한 스텝 S12에서, 원료 가스를, 제1 공정의 원료 가스 공급에서의 공급량보다도 적은 양으로 공급한다. 즉, 제1 환원 가스 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 원료 가스의 유량을 적게 하고, 제1 환원 가스 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 제1 환원 가스 공급의 정지와 동시에 원료 가스의 유량을 많게 한다. 이 경우에도, 상술한 도 4에 도시하는 기판 처리 시퀀스와 마찬가지의 효과로서, TiClx의 피복률을 향상시켜, Ti 함유막의 연속성을 향상시켜서, 홈 내에 형성하는 막의 스텝 커버리지 성능을 개선할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제1 환원 가스 공급 후에 퍼지하지 않고 제2 공정에서의 원료 가스 공급을 행하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되는 것은 아니며, 제1 환원 가스 공급 후에 단시간에 퍼지한 후, 제2 공정에서의 원료 가스 공급을 행해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 원료 가스로서, 제1 원소와 할로겐을 포함하는 가스로서 예를 들어 Ti와 Cl을 포함하는 TiCl4 가스를 사용하는 경우를 사용해서 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 금속 원소, 전이 금속 원소, 제14족 원소의 적어도 하나 이상과, 할로겐을 포함하는 가스를 사용하는 경우에도 적합하게 적용할 수 있다.
제14족 원소는, 예를 들어 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)이다. Si일 경우에는, Si 및 할로겐을 포함하는 가스, 즉, 할로실란 가스를 사용할 수 있다. 할로겐에는, 염소(Cl), 불소(F), 브롬(Br), 요오드(I) 등이 포함된다. 할로실란 가스로서는, 예를 들어 Si 및 Cl을 포함하는 클로로실란 가스를 사용할 수 있다.
구체적으로는, 원료 가스로서는, 예를 들어 모노클로로실란(SiH3Cl, 약칭: MCS) 가스, 디클로로실란(SiH2Cl2, 약칭: DCS) 가스, 트리클로로실란(SiHCl3, 약칭: TCS) 가스, 테트라클로로실란(SiCl4, 약칭: STC) 가스, 헥사클로로디실란(Si2Cl6, 약칭: HCDS) 가스, 옥타클로로트리실란(Si3Cl8, 약칭: OCTS) 가스 등의 클로로실란 가스를 사용할 수 있다. 원료 가스로서는, 이들 중 1개 이상을 사용할 수 있다.
또한, 다른 금속 원소(전이 원소를 포함함)로서는, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등이 있다. 이들 금속 원소의 적어도 하나 이상과, 할로겐을 포함하는 가스를 사용하는 경우에도 적합하게 적용할 수 있다.
이와 같은 가스로서는, 예를 들어 사염화하프늄(HfCl4) 가스, 사염화지르코늄(ZrCl4) 가스, 삼염화알루미늄(AlCl3) 가스, 이염화이산화몰리브덴(MoO2Cl2) 가스, 육불화텅스텐(WF6) 가스 등의 가스를 사용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제1 환원 가스로서, SiH4 가스를 사용하는 경우를 사용해서 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되는 것은 아니고, 제1 환원 가스로서, 수소(H)를 포함하는 가스이면 되며, 예를 들어 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8) 등의 실란계 가스, 모노보란(BH3), 디보란(B2H6) 등의 보란계 가스를 사용하는 경우에도 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제2 환원 가스로서, NH3 가스를 사용하는 경우를 사용해서 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되는 것은 아니고, 제2 환원 가스로서, 수소(H)를 포함하는 가스이면 되며, 예를 들어 디아젠(N2H2), 트리아젠(N3H3), 히드라진(N2H4) 등의 질소 함유 가스를 사용하는 경우에도 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 한번에 복수매의 기판을 처리하는 뱃치식 종형 장치인 기판 처리 장치를 사용해서 성막하는 예에 대해서 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않고, 한번에 1매 또는 수매의 기판을 처리하는 매엽식 기판 처리 장치를 사용해서 성막하는 경우에도 적합하게 적용할 수 있다.
이들 각종 박막의 형성에 사용되는 프로세스 레시피(처리 수순이나 처리 조건 등이 기재된 프로그램)는, 기판 처리의 내용(형성하는 박막의 막종, 조성비, 막질, 막 두께, 처리 수순, 처리 조건 등)에 따라, 각각 개별로 준비하는(복수 준비하는) 것이 바람직하다. 그리고, 기판 처리를 개시할 때, 기판 처리의 내용에 따라, 복수의 프로세스 레시피 중에서 적정한 프로세스 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 기판 처리의 내용에 따라 개별로 준비된 복수의 프로세스 레시피를, 전기 통신 회선이나 당해 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체(외부 기억 장치(123))를 통해서, 기판 처리 장치가 구비하는 기억 장치(121c) 내에 미리 저장(인스톨)해 두는 것이 바람직하다. 그리고, 기판 처리를 개시할 때, 기판 처리 장치가 구비하는 CPU(121a)가, 기억 장치(121c) 내에 저장된 복수의 프로세스 레시피 중에서, 기판 처리의 내용에 따라 적정한 프로세스 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 이렇게 구성함으로써, 1대의 기판 처리 장치에서 다양한 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 박막을 범용적이면서 또한 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한, 오퍼레이터의 조작 부담(처리 수순이나 처리 조건 등의 입력 부담 등)을 저감할 수 있어, 조작 미스를 회피하면서, 기판 처리를 신속하게 개시할 수 있게 된다.
또한, 본 개시는, 예를 들어 기존의 기판 처리 장치의 프로세스 레시피를 변경함으로써도 실현할 수 있다. 프로세스 레시피를 변경하는 경우에는, 본 개시에 관한 프로세스 레시피를 전기 통신 회선이나 당해 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체를 통해서 기존의 기판 처리 장치에 인스톨하거나, 또한 기존의 기판 처리 장치의 입출력 장치를 조작하여, 그 프로세스 레시피 자체를 본 개시에 관한 프로세스 레시피로 변경하거나 하는 것도 가능하다.
또한, 본 개시는, 예를 들어 3차원 구조를 갖는 NAND형 플래시 메모리나 DRAM 등의 워드 라인 부분에 사용할 수 있다.
이상, 본 개시의 다양한 전형적인 실시 형태를 설명해 왔지만, 본 개시는 그러한 실시 형태에 한정되지 않고, 적절히 조합해서 사용할 수도 있다.
이하, 실시예에 대해서 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예에서는, 도 1에 도시하는 기판 처리 장치(10)를 사용하여, 보트(217)에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 패턴 웨이퍼(200A)의 패턴이 형성된 면간에 끼우도록 적재한 모니터 웨이퍼(300A)와, 패턴이 형성되어 있지 않은 베어 웨이퍼(200B)간에 끼우도록 적재한 모니터 웨이퍼(300B)에 대하여, 도 4에 도시하는 기판 처리 시퀀스와, 비교예에 관한 기판 처리 시퀀스를 각각 행하였다.
비교예에서의 기판 처리 시퀀스에서는, 도 4에 도시하는 기판 처리 시퀀스에서의 스텝 S13의 제2 공정에서의 원료 가스 공급을 행하지 않았다. 즉, 상술한 스텝 S10의 원료 가스 공급과, 상술한 스텝 S11의 원료 가스와 제1 환원 가스의 동시 공급과, 상술한 스텝 S12의 제1 환원 가스 공급과, 상술한 스텝 S14의 퍼지와, 상술한 스텝 S15의 제2 환원 가스 공급과, 상술한 스텝 S16의 퍼지를 순서대로 행하는 사이클을 소정 횟수 실행함으로써, 웨이퍼 상에 TiN막을 형성하였다.
또한, 본 실시예와 비교예에서는, 일례로서, 원료 가스로서 TiCl4 가스를, 제1 환원 가스로서 SiH4 가스를, 제2 환원 가스로서 NH3 가스를 사용하였다.
도 8은, 비교예에서의 기판 처리 시퀀스를 사용한 경우와, 본 실시예에서의 기판 처리 시퀀스를 사용한 경우의 모니터 웨이퍼(300A, 300B) 상에 각각 형성된 TiN막의, 모니터 웨이퍼(300A, 300B)의 중심으로부터 0mm, 49.4mm, 98.3mm, 148.2mm에서의 막 두께를 각각 측정하여, 모니터 웨이퍼(300B) 각각의 위치에 대한 모니터 웨이퍼(300A)의 막 감소율을 평가하였다.
또한, 패턴 웨이퍼(200A)의 패턴이 형성된 면의 표면적은, 베어 웨이퍼(200B)의 25배의 표면적을 갖고 있다. 그리고, 모니터 웨이퍼(300A)의 표면이며, 패턴 웨이퍼(200A)의 패턴이 형성된 면과 대향하는 면에 형성된 TiN막의 막 두께를, 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 형성되는 TiN막의 막 두께와 동등하게 하여 스텝 커버리지를 평가하였다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 비교예에 관한 기판 처리 시퀀스를 사용한 경우와 비교하여, 본 실시예에 관한 기판 처리 시퀀스를 사용한 경우쪽이, 면내 전역에 있어서 막 두께의 감소량이 적어, 스텝 커버리지가 개선되어 있는 것이 확인되었다.
[실시예 2]
본 실시예에서는, 도 1에 도시하는 기판 처리 장치(10)를 사용하여, 보트(217)에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 패턴 웨이퍼(200A)의 패턴이 형성된 면간에 끼우도록 적재한 모니터 웨이퍼(300A)와, 베어 웨이퍼(200B)간에 끼우도록 적재한 모니터 웨이퍼(300B)에 대하여, 도 4에 도시하는 기판 처리 시퀀스를 행하였다.
구체적으로는, 상술한 도 4의 기판 처리 시퀀스에 있어서, 스텝 S10에서 원료 가스를 1초간 공급하고, 스텝 S11에서 원료 가스와 제1 환원 가스를 4초간 공급하고, 스텝 S12에서 제1 환원 가스를 15초 공급하고, 스텝 S13에서 원료 가스를 각각 5초, 7.5초, 10초, 15초간 공급하는 공정을 소정 횟수 행하여, 모니터 웨이퍼(300B)에 대한 모니터 웨이퍼(300A) 상에 형성된 막의 막 감소율을 평가하였다. 다른 처리 조건은, 상술한 양태에 기재한 처리 조건 범위 내의 소정의 조건으로 하였다. 또한, 본 실시예에서는, 일례로서, 원료 가스로서 TiCl4 가스를, 제1 환원 가스로서 SiH4 가스를, 제2 환원 가스로서 NH3 가스를 사용하였다.
도 9는, 스텝 S13에서의 원료 가스의 공급 시간과, 막 감소량의 관계를 도시한 도면이다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 스텝 S13의 제2 공정에서의 원료 가스의 공급 시간이 길어질수록, 막 감소량이 적어지고, 특히 5 내지 15초 정도가 바람직하며, 스텝 커버리지가 개선되는 것이 확인되었다.
10: 기판 처리 장치
121: 컨트롤러
200: 웨이퍼(기판)
201: 처리실

Claims (19)

  1. (a) 기판에 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스를 공급하는 제1 공정과,
    (b) 상기 기판에 제1 환원 가스를 공급하는 공정과,
    (c) 상기 기판에 제2 환원 가스를 공급하는 공정과,
    (d) 상기 기판에 상기 원료 가스를 공급하는 제2 공정
    을 갖고,
    (e) (a) 도중에 (b)를 개시하고, (b) 도중에 (a)를 종료하는 공정과,
    (f) (e) 후에 퍼지하지 않고 (d)를 행하는 공정과,
    (g) (f) 후에 (c)를 행하는 공정과,
    (h) (e)와 (f)와 (g)를 이 순서로 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판에 대하여 상기 제1 원소를 포함하는 막을 형성하는 공정을 갖는 기판 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, (e)에서는, (b)를 종료하기 전에 (d)를 개시하는, 기판 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, (h)에서는, (a)와 (d) 사이에서, 상기 원료 가스를, (a)에서의 공급량보다도 적은 양으로 공급하는, 기판 처리 방법.
  4. 제2항에 있어서, (h)에서는, (a)와 (d) 사이에서, 상기 원료 가스를, (a)에서의 공급량보다도 적은 양으로 공급하는, 기판 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, (d)에서의 상기 원료 가스의 공급량은, (a)에서의 상기 원료 가스의 공급량과 다른, 기판 처리 방법.
  6. 제2항에 있어서, (d)에서의 상기 원료 가스의 공급량은, (a)에서의 상기 원료 가스의 공급량과 다른, 기판 처리 방법.
  7. 제3항에 있어서, (d)에서의 상기 원료 가스의 공급량은, (a)에서의 상기 원료 가스의 공급량과 다른, 기판 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서, (d)에서의 상기 원료 가스의 공급 시간은, (a)에서의 상기 원료 가스의 공급 시간 이상으로 하는, 기판 처리 방법.
  9. 제1항에 있어서, (d)에서의 상기 원료 가스의 공급 시간은, (a)에서의 상기 원료 가스의 공급 시간보다도 긴 시간으로 하는, 기판 처리 방법.
  10. 제1항에 있어서, (d)에서의 상기 원료 가스의 공급 유량은, (a)에서의 상기 원료 가스의 공급 유량 이상의 유량으로 하는, 기판 처리 방법.
  11. 제1항에 있어서, (d)에서의 상기 원료 가스의 공급 유량은, (a)에서의 상기 원료 가스의 공급 유량보다도 많은 유량으로 하는, 기판 처리 방법.
  12. 제1항에 있어서, (d) 전과, (a) 전의 어느 것 또는 양쪽에서, 상기 원료 가스를 저류부에 저류하는 공정을 갖는, 기판 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서, (d) 전에 있어서의 상기 저류부에 상기 원료 가스를 저류하는 양은, (a) 전에 있어서의 상기 저류부에 상기 원료 가스를 저류하는 양보다도 많게 설정되는, 기판 처리 방법.
  14. 제12항에 있어서, (d) 전에 있어서의 상기 저류부에 상기 원료 가스를 저류하는 시간은, (a) 전에 있어서의 상기 저류부에 상기 원료 가스를 저류하는 시간보다도 길게 설정되는, 기판 처리 방법.
  15. 제12항에 있어서, (d) 전에 있어서의 상기 저류부에 상기 원료 가스를 저류할 때의 공급 유량은, (a) 전에 있어서의 상기 저류부에 상기 원료 가스를 저류할 때의 공급 유량보다도 많게 설정되는, 기판 처리 방법.
  16. 제1항에 있어서, (e)에서, (a)를 종료하고 나서 (b)를 종료할 때까지의 시간을, (b)를 개시하고 나서 (a)를 종료할 때까지의 시간보다도 길게 하는, 기판 처리 방법.
  17. (a) 기판에 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스를 공급하는 제1 공정과,
    (b) 상기 기판에 제1 환원 가스를 공급하는 공정과,
    (c) 상기 기판에 제2 환원 가스를 공급하는 공정과,
    (d) 상기 기판에 상기 원료 가스를 공급하는 제2 공정
    을 갖고,
    (e) (a) 도중에 (b)를 개시하고, (b) 도중에 (a)를 종료하는 공정과,
    (f) (e) 후에 퍼지하지 않고 (d)를 행하는 공정과,
    (g) (f) 후에 (c)를 행하는 공정과,
    (h) (e)와 (f)와 (g)를 이 순서로 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판에 대하여 상기 제1 원소를 포함하는 막을 형성하는 공정을 갖는 반도체 장치의 제조 방법.
  18. 처리실 내의 기판에 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스, 제1 환원 가스 및 제2 환원 가스를 공급하는 가스 공급계와,
    (a) 상기 기판에 상기 원료 가스를 공급하는 제1 처리와,
    (b) 상기 기판에 상기 제1 환원 가스를 공급하는 처리와,
    (c) 상기 기판에 상기 제2 환원 가스를 공급하는 처리와,
    (d) 상기 기판에 상기 원료 가스를 공급하는 제2 처리
    를 갖고,
    (e) (a) 도중에 (b)를 개시하고, (b) 도중에 (a)를 종료하는 처리와,
    (f) (e) 후에 퍼지하지 않고 (d)를 행하는 처리와,
    (g) (f) 후에 (c)를 행하는 처리와,
    (h) (e)와 (f)와 (g)를 이 순서로 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판에 대하여 상기 제1 원소를 포함하는 막을 형성하는 처리를 행하게 하도록, 상기 가스 공급계를 제어하는 것이 가능하게 구성되는 제어부
    를 갖는 기판 처리 장치.
  19. (a) 기판 처리 장치 내의 기판에 제1 원소와 할로겐을 포함하는 원료 가스를 공급하는 제1 수순과,
    (b) 상기 기판에 제1 환원 가스를 공급하는 수순과,
    (c) 상기 기판에 제2 환원 가스를 공급하는 수순과,
    (d) 상기 기판에 상기 원료 가스를 공급하는 제2 수순
    을 갖고,
    (e) (a) 도중에 (b)를 개시하고, (b) 도중에 (a)를 종료하는 수순과,
    (f) (e) 후에 퍼지하지 않고 (d)를 행하는 수순과,
    (g) (f) 후에 (c)를 행하는 수순과,
    (h) (e)와 (f)와 (g)를 이 순서로 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판에 대하여 상기 제1 원소를 포함하는 막을 형성하는 수순
    을 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록된 프로그램.
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