KR20220130001A - 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기록 매체 및 기판 처리 장치 - Google Patents

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기록 매체 및 기판 처리 장치 Download PDF

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KR20220130001A
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Abstract

본 발명은, 기판 상에 소정 원소를 함유하는 막을 형성하는 데 있어서, 기판 상에서의 해당 소정 원소의 파티클의 형성을 억제하면서, 기판 상의 패턴 상에 균일성 좋게 성막하는 것이 가능한 기술을 제공한다. (a) 처리실 내의 기판에 대하여, 소정 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를, 처리실의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 공정과, (b) 기판에 대하여, 소정 원소를 포함하고 또한 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를, 처리실의 압력을 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 공정과, (c) 기판에 대하여 질화제를 공급하는 공정을 이 순서대로 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 기판 상에 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기록 매체 및 기판 처리 장치{METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, METHOD OF PROCESSING SUBSTRATE, RECORDING MEDIUM, AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 개시는, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기록 매체 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판 상에 막을 형성하는 처리가 행하여지는 경우가 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2010-50425호 공보
본 개시는, 기판 상에 소정 원소(예를 들어, 규소)를 함유하는 막을 형성하는 데 있어서, 기판 상에서의 해당 소정 원소를 포함하는 파티클의 형성을 억제하면서, 기판 상의 패턴 상에 균일성 좋게 성막하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에 의하면,
(a) 처리실 내의 기판에 대하여, 소정 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 공정과,
(b) 상기 기판에 대하여, 상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 공정과,
(c) 상기 기판에 대하여 질화제를 공급하는 공정
을 이 순서대로 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 상기 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성하는 기술이 제공된다.
본 개시에 의하면, 기판 상에 소정 원소를 함유하는 막을 형성하는 데 있어서, 기판 상에서의 해당 소정 원소를 포함하는 파티클의 형성을 억제하면서, 기판 상의 패턴 상에 균일성 좋게 성막하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 개시의 일 양태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종단면도로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 양태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 도 1의 A-A선 단면도로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 양태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 양태의 기판 처리 공정에서의 플로를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 양태의 성막 처리에서의 가스 공급의 타이밍을 도시하는 도면이다.
<본 개시의 일 양태>
이하, 본 개시의 일 양태에 대해서, 주로 도 1 내지 도 5를 사용해서 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 등이 반드시 일치하는 것은 아니다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
도 1에 도시하는 바와 같이, 처리로(202)는, 가열 기구(온도 조정부)로서의 히터(207)를 갖는다. 히터(207)는, 원통 형상이며, 보유 지지판에 지지됨으로써 수직으로 거치되어 있다. 히터(207)는, 가스를 열로 활성화(여기)시키는 활성화 기구(여기부)로서도 기능한다.
히터(207)의 내측에는, 히터(207)와 동심원상으로 반응관(203)이 배치되어 있다. 반응관(203)은, 예를 들어 석영(SiO2) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료에 의해 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 반응관(203)의 통 중공부에는 처리실(201)이 형성된다. 처리실(201)은, 기판으로서의 웨이퍼(200)를 수용 가능하게 구성되어 있다. 이 처리실(201) 내에서 웨이퍼(200)에 대한 처리가 행하여진다.
처리실(201) 내에는, 노즐(249a, 249b)이, 반응관(203)의 하부 측벽을 관통하도록 마련되어 있다. 노즐(249a, 249b)에는 가스 공급관(232a, 232b)이 각각 접속되어 있다.
가스 공급관(232a, 232b)에는, 가스류의 상류측으로부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(241a, 241b) 및 개폐 밸브인 밸브(243a, 243b)가 각각 마련되어 있다. 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)보다도 하류측에는, 가스 공급관(232c)이 접속되어 있다. 가스 공급관(232c)에는, 가스류의 상류측으로부터 순서대로 MFC(241c) 및 밸브(243c)가 마련되어 있다. 가스 공급관(232a, 232b)의 밸브(243a, 243b)보다도 하류측에는, 가스 공급관(232e, 232d)이 각각 접속되어 있다. 가스 공급관(232e, 232d)에는, 가스류의 상류측으로부터 순서대로 MFC(241e, 241d) 및 밸브(243e, 243d)가 각각 마련되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 노즐(249a, 249b)은, 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200)의 사이에서의 평면으로 보아 원환상의 공간에, 반응관(203)의 내벽의 하부로부터 상부를 따라, 웨이퍼(200)의 배열 방향 상방을 향해서 직립되도록 각각 마련되어 있다. 즉, 노즐(249a, 249b)은, 웨이퍼(200)가 배열되는 웨이퍼 배열 영역의 측방의, 웨이퍼 배열 영역을 수평하게 둘러싸는 영역에, 웨이퍼 배열 영역을 따르도록 각각 마련되어 있다. 노즐(249a, 249b)의 측면에는, 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(250a, 250b)이 각각 마련되어 있다. 가스 공급 구멍(250a, 250b)은, 반응관(203)의 중심을 향하도록 각각 개구되어 있어, 웨이퍼(200)를 향해서 가스를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 가스 공급 구멍(250a, 250b)은, 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐 복수 마련되어 있다.
가스 공급관(232a)으로부터는, 소정 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스로서, 예를 들어 소정 원소로서의 실리콘(Si)을 포함하는 가스가, MFC(241a), 밸브(243a), 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 제1 원료 가스란, 기체 상태의 원료, 예를 들어 상온 상압 하에서 액체 상태인 원료를 기화함으로써 얻어지는 가스나, 상온 상압 하에서 기체 상태인 원료 등을 말한다. 제1 원료 가스는, 후술하는 성막 처리에서 소정 원소의 제1 소스(즉 제1 Si 소스)로서 작용한다. 또한, 처리실(201) 내에 제1 원료 가스가 단독으로 존재한 경우의 처리실(201)의 압력을 제1 압력이라고 칭하는 경우가 있다.
가스 공급관(232c)으로부터는, 상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스로서, 예를 들어 상기 소정 원소로서의 Si를 포함하는 가스가, MFC(241c), 밸브(243c), 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 제2 원료 가스는, 후술하는 성막 처리에서 소정 원소의 제2 소스(즉 제2 Si 소스)로서 작용한다. 본 명세서에서는, 처리실(201) 내에 제2 원료 가스가 단독으로 존재한 경우에, 제2 원료 가스의 열분해 온도를 제2 온도라고 칭하는 경우가 있다. 여기서, 제2 원료 가스의 열분해 온도는, 제1 원료 가스의 열분해 온도보다도 낮은 것이 바람직하다. 환언하면, 제2 원료 가스에 포함되는 기체 분자가 복수의 화학 구조(분자 또는 라디칼)로 분해되는데 필요한 에너지(해리 에너지)는, 제1 원료 가스에 비해서 낮은 것이 바람직하다. 또한, 처리실(201) 내에 제2 원료 가스가 단독으로 존재한 경우의 처리실(201)의 압력을 제2 압력이라고 칭하는 경우가 있다.
가스 공급관(232b)으로부터는, 반응 가스로서, 질소(N) 원소를 포함하는 질화제(질화 가스)가, MFC(241b), 밸브(243b), 노즐(249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 질화제는, 후술하는 성막 처리에서 N 소스로서 작용한다.
가스 공급관(232d, 232e)으로부터는, 불활성 가스가, 각각 MFC(241d, 241e), 밸브(243d, 243e), 가스 공급관(232a, 232b), 노즐(249a, 249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 불활성 가스는, 퍼지 가스, 캐리어 가스, 희석 가스 등으로서 작용한다.
각 가스 공급관으로부터 상술한 바와 같은 가스를 각각 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(232a), MFC(241a), 밸브(243a)에 의해 제1 원료 가스 공급계가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232c), MFC(241c), 밸브(243c)에 의해 제2 원료 가스 공급계가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232b), MFC(241b), 밸브(243b)에 의해 반응 가스 공급계가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232b), MFC(241b), 밸브(243b)에 의해 질화제 공급계가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232d, 232e), MFC(241d, 241e), 밸브(243d, 243e)에 의해 불활성 가스 공급계가 구성된다.
상술한 각종 공급계 중, 어느 것 혹은 모든 공급계는, 밸브(243a 내지 243e)나 MFC(241a 내지 241e) 등이 집적되어 이루어지는 집적형 공급 시스템(248)으로서 구성되어 있어도 된다. 집적형 공급 시스템(248)은, 가스 공급관(232a 내지 232e) 각각에 대하여 접속되어, 가스 공급관(232a 내지 232e) 내에의 각종 가스의 공급 동작, 즉, 밸브(243a 내지 243e)의 개폐 동작이나 MFC(241a 내지 241e)에 의한 유량 조정 동작 등이, 후술하는 컨트롤러(121)에 의해 제어되도록 구성되어 있다. 집적형 공급 시스템(248)은, 일체형 또는 분할형의 집적 유닛으로서 구성되어 있고, 가스 공급관(232a 내지 232e) 등에 대하여 집적 유닛 단위로 착탈을 행할 수 있어, 집적형 공급 시스템(248)의 메인터넌스, 교환 및 증설 등을, 집적 유닛 단위로 행하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
반응관(203)의 측벽 하방에는, 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 접속되어 있다. 배기관(231)에는, 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245) 및 압력 조정기(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(244)를 통해서, 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속되어 있다. APC 밸브(244)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, 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 밸브 개방도를 조절함으로써, 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 주로, 배기관(231), 압력 센서(245), APC 밸브(244)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함해서 생각해도 된다.
반응관(203)의 하방에는, 반응관(203)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 시일 캡(219)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)은, 예를 들어 SUS 등의 금속 재료에 의해 구성되고, 원반상으로 형성되어 있다. 시일 캡(219)의 상면에는, 반응관(203)의 하단과 맞닿는 시일 부재로서의 O링(220)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)의 하방에는, 후술하는 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, 반응관(203)의 외부에 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 시일 캡(219)을 승강시킴으로써, 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출(반송)하는 반송 장치(반송 기구)로서 구성되어 있다.
기판 지지구로서의 보트(217)는, 복수매, 예를 들어 25 내지 200매의 웨이퍼(200)를 수평 자세이면서 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 수직 방향으로 정렬시켜 다단으로 지지하도록, 즉, 간격을 두고 배열시키도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료에 의해 구성된다. 보트(217)의 하부에는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료에 의해 구성되는 단열판(218)이 수평 자세로 다단으로 지지되어 있다.
반응관(203) 내에는, 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되어 있다. 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)에의 통전 정도를 조정함으로써, 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포로 된다. 온도 센서(263)는, 반응관(203)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 버스(121e)를 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 프로그램이나, 후술하는 성막 처리의 수순이나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 성막 처리에서의 각 수순을 컨트롤러(121)에 실행시켜, 소정의 결과를 얻을 수 있게 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 프로세스 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여, 단순히 프로그램이라고도 한다.
상술한 프로그램으로서는, 예를 들어
(a) 처리실(201) 내의 기판에 대하여, 소정 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를, 상기 처리실(201)의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 수순과,
(b) 상기 기판에 대하여, 상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를, 상기 처리실(201)의 압력을 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 수순과,
(c) 상기 기판에 대하여 질화제를 공급하는 수순
을 컴퓨터에 의해 기판 처리 장치에 실행시키는 것을 들 수 있다.
또한, 프로세스 레시피를, 단순히 레시피라고도 한다. 본 명세서에서 프로그램이라는 말을 사용한 경우에는, 레시피 단체만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 그들 양쪽을 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(241a 내지 241e), 밸브(243a 내지 243e), 압력 센서(245), APC 밸브(244), 진공 펌프(246), 온도 센서(263), 히터(207), 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 레시피를 판독하도록 구성되어 있다. CPU(121a)는, 판독한 레시피의 내용을 따르도록, MFC(241a 내지 241e)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(243a 내지 243e)의 개폐 동작, APC 밸브(244)의 개폐 동작 및 압력 센서(245)에 기초하는 APC 밸브(244)에 의한 압력 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작 등을 제어하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
컨트롤러(121)는, 외부 기억 장치(123)에 저장된 상술한 프로그램을, 컴퓨터에 인스톨함으로써 구성할 수 있다. 외부 기억 장치(123)는, 예를 들어 HDD 등의 자기 디스크, CD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리 등의 반도체 메모리 등을 포함한다. 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 매체라는 말을 사용한 경우에는, 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그들 양쪽을 포함하는 경우가 있다. 또한, 컴퓨터에의 프로그램의 제공은, 외부 기억 장치(123)를 사용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 사용해서 행해도 된다.
이상 정리하면, 본 개시의 일 양태의 기판 처리 장치는,
기판을 수용하는 처리실(201)과,
소정 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를 상기 처리실(201) 내에 공급하는 제1 원료 가스 공급계와,
상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를 상기 처리실(201) 내에 공급하는 제2 원료 가스 공급계와,
질화제를 상기 처리실(201) 내에 공급하는 질화제 공급계와,
상기 처리실(201) 내에서, (a) 상기 기판에 대하여, 상기 제1 원료 가스를, 상기 처리실(201)의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 처리와, (b) 상기 기판에 대하여, 상기 제2 원료 가스를, 상기 처리실(201)의 압력을 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 처리와, (c) 상기 기판에 대하여 상기 질화제를 공급하는 처리를 이 순서대로 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에, 상기 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성하는 처리를 행하게 하도록, 상기 제1 원료 가스 공급계, 상기 제2 원료 가스 공급계 및 상기 질화제 공급계를 제어하는 것이 가능하게 구성되는 제어부
를 갖는다.
(2) 기판 처리 공정
상술한 기판 처리 장치를 사용하여, 반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판으로서의 웨이퍼(200) 상에 막을 형성하는 기판 처리 시퀀스 예, 즉, 성막 시퀀스 예에 대해서, 도 4 및 도 5를 사용해서 설명한다. 이하의 설명에서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
상술한 일 공정으로서의 반도체 장치의 제조 방법은,
(a) 처리실(201) 내의 기판에 대하여, 소정 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를, 상기 처리실(201)의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 공정과,
(b) 상기 기판에 대하여, 상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를, 상기 처리실(201)의 압력을 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 공정과,
(c) 상기 기판에 대하여 질화제를 공급하는 공정
을 이 순서대로 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 상기 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성하는 것이다.
도 4, 도 5에 도시하는 성막 시퀀스에서는, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)에 대하여, Si 소스로서의 제1 원료 가스를 공급하는 스텝 a와, 웨이퍼(200)에 대하여, Si 소스로서의 제2 원료 가스를 공급하는 스텝 b와, 웨이퍼(200)에 대하여 질화제를 공급하는 스텝 c를 이 순서대로 행하는 사이클을 소정 횟수(n회, n은 1 이상의 정수) 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 소정 원소인 Si 및 N을 포함하는 막으로서, 실리콘 질화막(SiN막)을 형성한다. 또한, 도 5에서는, 스텝 a, b, c의 실시 기간을 각각 a, b, c로 나타내고 있다.
본 명세서에서는, 도 4, 도 5에 도시하는 성막 시퀀스를, 편의상 이하와 같이 나타낼 수도 있다. 이하의 다른 양태 등의 설명에서도 마찬가지의 표기를 사용한다.
(제1 원료 가스→제2 원료 가스→질화제)×n ⇒ 질화막
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우에는, 웨이퍼 그 자체를 의미하는 경우나, 웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막의 적층체를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 말을 사용한 경우에는, 웨이퍼 그 자체의 표면을 의미하는 경우나, 웨이퍼 상에 형성된 소정의 층 등의 표면을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼 상에 소정의 층을 형성한다」라고 기재한 경우에는, 웨이퍼 그 자체의 표면 상에 소정의 층을 직접 형성하는 것을 의미하는 경우나, 웨이퍼 상에 형성되어 있는 층 등의 위에 소정의 층을 형성하는 것을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」이라는 말을 사용한 경우도, 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우와 동의이다.
(웨이퍼 차지 및 보트 로드)
복수매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(웨이퍼 차지)된다. 그 후, 도 1에 도시하는 바와 같이, 복수매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져서 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서, 시일 캡(219)은, O링(220)을 개재해서 반응관(203)의 하단을 시일한 상태로 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(201) 내, 즉, 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 처리 압력(진공도)으로 되도록, 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기(감압 배기)된다. 이때, 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)에서 측정되어, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(244)가 피드백 제어된다. 또한, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)가 원하는 처리 온도(성막 온도)로 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 통전 정도가 피드백 제어된다. 또한, 회전 기구(267)에 의한 웨이퍼(200)의 회전을 개시한다. 진공 펌프(246)의 가동, 웨이퍼(200)의 가열 및 회전은 모두, 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안에는 계속해서 행하여진다. 또한, 상기 처리 온도란 웨이퍼(200)의 온도를 의미하고, 또한 상기 처리 압력이란 처리실(201) 내의 압력을 의미한다. 이하의 설명에서도 마찬가지이다.
(성막 처리)
그 후, 이하의 스텝 a 내지 c를 순차 실시한다.
[스텝 a]
이 스텝에서는, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)에 대하여 제1 원료 가스를 공급한다. 구체적으로는, 밸브(243a)를 개방하여, 가스 공급관(232a) 내에 제1 원료 가스를 흘린다. 제1 원료 가스는, MFC(241a)에 의해 유량 조정되어, 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 제1 원료 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(243e)를 개방하여, 가스 공급관(232e) 내에 불활성 가스를 흘린다. 불활성 가스는, MFC(241e)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 불활성 가스는, 제1 원료 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
본 스텝에서의 처리 조건으로서는,
제1 원료 가스 공급 유량(제1 유량): 1 내지 2000sccm, 바람직하게는 100 내지 1000sccm
불활성 가스 공급 유량: 100 내지 20000sccm
각 가스 공급 시간: 10 내지 300초, 바람직하게는 10 내지 120초
처리 온도: 400 내지 800℃, 바람직하게는 500 내지 800℃, 보다 바람직하게는 600 내지 750℃
처리 압력(제1 압력): 1 내지 1300Pa, 바람직하게는 10 내지 260Pa
이 예시된다. 또한, 본 명세서에서의 「400 내지 800℃」와 같은 수치 범위의 표기는, 하한값 및 상한값이 그 범위에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 「400 내지 800℃」란, 「400℃ 이상 800℃ 이하」를 의미한다. 다른 수치 범위에 대해서도 마찬가지이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 본 스텝의 전처리로서, 웨이퍼(200)에 대하여 질화수소 가스를 선행해서 공급하는 프리플로를 행하고 있다. 프리플로에 있어서 질화수소 가스를 웨이퍼(200)에 공급함으로써, 웨이퍼(200)의 표면 상에 수소(H)에 의한 흡착 사이트를 형성하여, 본 스텝이나 후술하는 스텝 b에서, Si 원자가 흡착되기 쉬운 상태(즉, Si 원자와의 반응성이 높은 상태)로 하고 있다. 프리플로의 수순은, 예를 들어 후술하는 스텝 c와 마찬가지로 행할 수 있다. 질화수소 가스는, 스텝 c에서 사용하는 질화제와 동일한 가스를 사용할 수 있다.
상술한 조건 하에서는, 제1 원료 가스로서 클로로실란 가스를 사용하는 경우, 제1 원료 가스에서의 Si-Cl 결합의 일부를 절단하여, 미결합손을 갖게 된 Si를 웨이퍼(200)의 표면의 흡착 사이트에 흡착시킬 수 있다. 또한, 상술한 조건 하에서는, 제1 원료 가스에서의 절단되지 않은 Si-Cl 결합을 그대로 유지할 수 있다. 예를 들어, 제1 원료 가스로서 테트라클로로실란(SiCl4) 가스를 사용하는 경우, 제1 원료 가스를 구성하는 Si가 갖는 4개의 결합손 중, 3개의 결합손에 각각 Cl을 결합시킨 상태에서, 미결합손을 갖게 된 Si를 웨이퍼(200)의 표면의 흡착 사이트에 흡착시킬 수 있다. 또한, 웨이퍼(200)의 표면에 흡착된 Si로부터 절단되지 않고 유지된 Cl이, 이 Si에 미결합손을 갖게 된 다른 Si가 결합하는 것을 저해하므로, 웨이퍼(200) 상에 Si가 다중으로 퇴적되는 것을 회피할 수 있다. Si로부터 분리된 Cl은, HCl이나 Cl2 등의 가스 상태 물질을 구성해서 배기관(231)으로부터 배기된다. Si의 흡착 반응이 진행되어, 웨이퍼(200)의 표면에 잔존하는 흡착 사이트가 없어지면, 그 흡착 반응은 포화하게 되는데, 본 스텝에서는, 흡착 반응이 포화하기 전에 제1 원료 가스의 공급을 정지하여, 흡착 사이트가 잔존한 상태에서 본 스텝을 종료하는 것이 바람직하다.
이들의 결과, 제1 원료 가스로서 클로로실란 가스를 사용하는 경우, 웨이퍼(200) 상에는, 제1층으로서, 1원자층 미만의 두께의 대략 균일한 두께의 Si 및 Cl을 포함하는 층, 즉, Cl을 포함하는 Si 함유층이 형성된다. 여기서, 1원자층 미만의 두께의 층이란, 불연속으로 형성되는 원자층을 의미하고 있고, 1원자층의 두께의 층이란, 연속적으로 형성되는 원자층을 의미하고 있다. 또한, 1원자층 미만의 두께의 층이 대략 균일하다는 것은, 웨이퍼(200)의 표면 상에 대략 균일한 밀도로 원자가 흡착되어 있는 것을 의미하고 있다. 제1층은, 웨이퍼(200) 상에 대략 균일한 두께로 형성되기 때문에, 스텝 커버리지 특성이나 웨이퍼 면내 막 두께 균일성이 우수하다.
또한, 처리 온도가 400℃ 미만으로 되면, 웨이퍼(200) 상에 Si가 흡착되기 어려워져, 제1층의 형성이 곤란해지는 경우가 있다. 처리 온도를 400℃ 이상으로 함으로써, 웨이퍼(200) 상에 제1층을 형성하는 것이 가능하게 된다. 처리 온도를 500℃ 이상으로 함으로써, 상술한 효과가 확실하게 얻어지게 된다. 처리 온도를 600℃ 이상으로 함으로써, 상술한 효과가 보다 확실하게 얻어지게 된다.
처리 온도가 800℃를 초과하면, 제1 원료 가스에서의 절단되지 않은 Si-Cl 결합을 그대로 유지하는 것이 곤란해짐과 함께, 제1 원료 가스의 열분해 속도가 증대하는 결과, 웨이퍼(200) 상에 Si가 다중으로 퇴적되어, 제1층으로서, 1원자층 미만의 두께의 대략 균일한 두께의 Si 함유층을 형성하는 것이 어려워지는 경우가 있다. 처리 온도를 800℃ 이하로 함으로써, 제1층으로서, 1원자층 미만의 두께의 대략 균일한 두께의 Si 함유층을 형성하는 것이 가능하게 된다. 처리 온도를 750℃ 이하로 함으로써, 상술한 효과가 확실하게 얻어지게 된다.
또한 이때, 본 스텝 a에서는, 기판 표면에 소정 원소의 함유층(제1층)을 불연속으로 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 본 스텝 a에서 제1층을 불연속으로 형성함으로써, 후술하는 스텝 b에서 제2 원료 가스가 흡착 가능한 기판 표면 상의 흡착 사이트를 남겨서, 제2 원료 가스 공급에 의한 제2층의 형성을 촉진할 수 있다. 또한, 본 스텝 a에서는, 기판 표면에 대한 소정 원소의 함유층(제1층)의 피복률은 70％ 미만인 것이 더욱 바람직하다. 여기서, 제1층의 피복률을 70％ 이상으로 하는 경우, 후술하는 스텝 b에서 제2 원료 가스를 공급함으로써 질화막 중의 소정 원소의 비율을 화학양론 조성비보다도 높게 하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 따라서, 제1층의 피복률을 70％ 미만으로 함으로써, 후술하는 스텝 b에서 제2 원료 가스를 공급함으로써 질화막 중의 소정 원소의 비율을 증대시키는 것이 용이하게 된다. 또한, 본 스텝 a에서는, 기판 표면에 대한 소정 원소의 함유층의 피복률은 30％보다 큰 것이 바람직하다. 여기서, 제1층의 피복률을 30％ 이하로 하는 경우, 후술하는 스텝 b에서 제2 원료 가스의 공급 시에, 기판 표면에 대한 제2 원료 가스의 흡착의 억제 작용이 거의 얻어지지 않아, 제1층에서의 두께의 균일성을 유지한 채 제2층을 형성하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 그래서, 제1층의 피복률을 30％보다 크게 함으로써, 후술하는 스텝 b에서 제2 원료 가스의 공급 시에, 기판 표면에 대한 제2 원료 가스의 흡착을 억제하여, 제1층에서의 두께의 균일성을 유지한 채 제2층을 형성하는 것이 용이하게 된다.
웨이퍼(200) 상에 제1층을 형성한 후, 밸브(243a)를 닫아, 처리실(201) 내에의 제1 원료 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스 등을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 또한 이때, 밸브(243d, 243e)는 개방한 채로 두어, 불활성 가스의 처리실(201) 내에의 공급을 유지한다. 불활성 가스는 퍼지 가스로서 작용하여, 이에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스 등을 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
제1 원료 가스로서는, 예를 들어 소정 원소로서의 Si와 할로겐 원소를 포함하는 할로실란계 가스를 적합하게 사용할 수 있다. 할로실란이란, 할로겐기를 갖는 실란이다. 할로겐기에는, 클로로기, 플루오로기, 브로모기, 요오드기 등이 포함된다. 즉, 할로겐기에는, 염소(Cl), 불소(F), 브롬(Br), 요오드(I) 등의 할로겐 원소가 포함된다. 할로실란계 가스로서는, 예를 들어 Si 및 Cl을 포함하는 원료 가스, 즉, 클로로실란계 가스를 사용할 수 있다. 제1 원료 가스로서는, 1분자 중에 포함되는 Si 원자의 수가 1개인 클로로실란 가스를 사용할 수 있다.
여기서, 제1 원료 가스는, 소정 원소의 원자에 결합하는 할로겐 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다. 즉, 제1 원료 가스의 소정 원소의 원자에 결합하는 할로겐 원소가, 제1층에 할로겐(예를 들어, Cl) 종단을 형성한다. 이 할로겐 종단을 갖는 제1층이, 기판 표면에 대한 제2 원료 가스의 흡착을 억제하는 작용을 가짐으로써, 제2 원료 가스의 공급에 불균일 등이 있는 경우에도, 균등하게 제2 원료 가스를 흡착시키기 쉬워진다. 이 경우, 제1 원료 가스는, 소정 원소의 원자에 수소가 결합하고 있지 않은 분자 구조를 갖고 있는 것이 보다 바람직하다. 이러한 제1 원료 가스로서는, 할로실란 가스, 특히 클로로실란 가스가 바람직하다.
제1 원료 가스로서는, 예를 들어 SiCl4 가스, 모노클로로실란(SiH3Cl) 가스, 디클로로실란(SiH2Cl2) 가스 및 트리클로로실란(SiHCl3) 가스 등의 할로실란 원료 가스를 사용할 수 있다. 또한, 제1 원료 가스로서는, 클로로실란계 가스 외에, 예를 들어 테트라플루오로실란(SiF4) 가스 등의 플루오로실란계 가스나, 테트라브로모실란(SiBr4) 가스 등의 브로모실란계 가스나, 테트라요오도실란(SiI4) 가스 등의 요오도실란계 가스를 사용할 수도 있다. 제1 원료 가스로서는, 이들 중 1개 이상을 사용할 수 있다. 단, 제1 원료 가스는, 제2 원료 가스와는 다른 가스가 선택된다. 또한, 제1 원료 가스는, 제2 원료 가스에 대하여 상대적으로 열분해 온도가 높은 가스(상대적으로 해리 에너지가 큰 가스)에서 선택되는 것이 바람직하다.
불활성 가스로서는, 질소(N2) 가스나, 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 크세논(Xe) 가스 등의 희가스를 사용할 수 있다. 불활성 가스로서는, 이들 중 1개 이상을 사용할 수 있다. 이 점은, 후술하는 스텝 b, c에서도 마찬가지이다.
[스텝 b]
이 스텝에서는, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200), 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성된 제1층에 대하여 제2 원료 가스를 공급한다. 구체적으로는, 밸브(243c)를 개방하여, 가스 공급관(232a) 내에 제2 원료 가스를 흘린다. 제2 원료 가스는, MFC(241c)에 의해 유량 제어되어, 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 제2 원료 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(243e)를 개방하여, 가스 공급관(232e) 내에 불활성 가스를 흘린다. 불활성 가스는, MFC(241e)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 불활성 가스는, 제2 원료 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
본 스텝의 처리 조건으로서는,
제2 원료 가스 공급 유량(제1 유량): 1 내지 2000sccm, 바람직하게는 100 내지 1200sccm
불활성 가스 공급 유량: 100 내지 40000sccm
각 가스 공급 시간: 0.5 내지 60초, 바람직하게는 1 내지 30초
처리 온도: 400 내지 800℃, 바람직하게는 500 내지 800℃, 보다 바람직하게는 600 내지 750℃
처리 압력(제2 압력): 600 내지 1500Pa, 바람직하게는 700 내지 1000Pa
이 예시된다.
제2 원료 가스는, 제1 원료 가스보다도 열분해 온도가 낮기 때문에, 상술한 조건 하에서는, 제2 원료 가스는 스텝 a의 제1 원료 가스보다도 열분해하기 쉽다. 여기서, 스텝 a에서, 열분해 온도가 보다 높은 제1 원료 가스를 기판 상에 공급함으로써, 제1 원료 가스에 포함되는 기체 분자의 열분해에 의한 기상 반응의 발생을 억제하면서, 기판 표면과의 표면 반응에 의해, 두께 균일성(즉, 기판 면내 균일성이나 스텝 커버리지)이 우수한 제1층을 형성하는 것이 용이하게 된다.
또한, 스텝 b에서 기판 상에 공급되는 제2 원료 가스는, 열분해 온도가 제1 원료 가스보다 낮음으로써, 열분해에 의해 미결합손을 갖게 된 Si의 비율이 제1 원료 가스보다도 많아짐으로써, 제2층의 두께를 크게 하여, 질화막 중의 소정 원소(Si)의 조성 비율을 증대시키는 것(즉, 질화막의 굴절률(RI값)을 증대시키는 것)이 용이하게 됨과 함께, 성막 속도를 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이, 제2 압력은 제1 압력보다도 크고, 또한 제1 압력 및 제2 압력의 적어도 한쪽은, 원하는 질화막 중의 소정 원소의 비율에 기초하여 결정되어 있다. 즉, 제1 압력 및 제2 압력의 적어도 한쪽을 조정함으로써, 질화막 중의 소정 원소(즉, Si)의 비율이 원하는 값으로 되도록 할 수 있다.
또한, 이 원하는 질화막 중의 소정 원소의 비율은, 질화막의 화학양론 조성에서의 소정 원소의 비율보다도 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 질화막이 질화규소(Si3N4)막인 경우, 규소와 질소의 화학양론 조성은 3:4인데, 이 비율보다 소정 원소(Si)의 비율을 높여서, 굴절률(RI값)을 증대시킨다. 그 경우, 제2 압력을 증대시키는 방향으로 조정하든, 또한 제1 압력을 감소시키는 방향으로 조정하든, 어느 것이어도 된다. 예를 들어, 제2 압력을 증대시킴으로써, 제1층이 형성된 기판면 상에 형성하는 제2층의 두께, 환언하면 소정 원소의 양을 증대시킬 수 있어, 결과적으로, 질화막 중에 포함되는 소정 원소의 비율을 증대시킬 수 있다. 한편, 제1 압력을 감소시킴으로써, 제1 원료 가스의 열분해를 억제하여, 기판 표면과 제1 원료 가스의 표면 반응에 의한, 균일성이 우수한 제1층을 형성할 수 있다. 또한, 제1 압력을 감소시킴으로써, 제2 원료 가스의 흡착을 억제하는 작용을 갖는 제1층의 밀도를 작게 할 수 있어, 결과적으로, 제2 원료 가스 공급에 의한 제2층의 형성을 촉진하여, 질화막 중의 소정 원소의 비율을 증대시킬 수 있다.
여기서, 제2 압력은, 본 스텝 b에서 제2 원료 가스가 열분해함으로써 생기는 분자끼리 결합함으로써 파티클이 발생하는 압력보다도 작은 값인 것이 바람직하다. 즉, 제2 원료의 열분해가 진행되면, 열분해한 분자끼리 결합하여, 소정 원소(Si)끼리 결합한 클러스터상의 파티클이 기판 상에서 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 제2 압력은 당해 파티클이 발생하는 처리 압력보다도 작은 값으로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 제2 원료 가스는, 열분해가 억제되는 압력 조건 하에서 공급되는 것이 바람직하다. 환언하면, 이 조건 하의 범위에서, 가능한 한 고압으로 되도록 공급함으로써, 질화막 중의 소정 원소의 비율을 최대한 높일 수 있다. 이 제2 압력은, 상기 제1 압력보다 높다는 전제로, 0.05Torr(6.7Pa) 내지 20Torr(2666Pa)의 범위의 소정의 압력인 것이 바람직하다. 여기서, 제2 압력이 0.05Torr 미만인 경우, 실용적인 성막 속도가 얻어지지 않는 경우가 있지만, 0.05Torr 이상으로 함으로써 실용적인 성막 속도로 질화막을 형성할 수 있다. 한편, 제2 압력이 20Torr를 초과하면 파티클이 발생하는 경우가 있지만, 20Torr 이하로 함으로써, 본 스텝 b에서 제2 원료가 열분해한 것에 의해 생기는 분자끼리 결합함으로써 파티클이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 스텝 a에서의 제1 원료 가스의 공급 유량인 제1 유량 및 본 스텝 b에서의 제2 원료 가스의 공급 유량인 제2 유량의 적어도 한쪽은, 질화막 중의 소정 원소의 원하는 비율에 기초하여 결정되어 있는 것이 바람직하다. 환언하면, 상기 스텝 a에서의 제1 원료 가스의 분압인 제1 분압 및 본 스텝 b에서의 제2 원료 가스의 분압인 제2 분압의 적어도 한쪽은, 질화막 중의 소정 원소의 원하는 비율에 기초하여 결정되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 제1 유량(또는 제1 분압) 및 제2 유량(또는 제2 분압)의 적어도 한쪽을 조정함으로써, 질화막 중의 소정 원소(Si)의 비율이 원하는 값으로 되도록 할 수 있다.
또한, 이 원하는 질화막 중의 소정 원소의 비율은, 질화막의 화학양론 조성에서의 소정 원소의 비율보다도 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 질화막이 질화규소(Si3N4)인 경우, 규소와 질소의 화학양론 조성은 3:4인데, 이 비율보다 소정 원소(Si)의 비율을 높여서, 굴절률(RI값)을 증대시킨다. 그 경우, 제2 유량을 증대시키는 방향으로 조정하든 또한 제1 유량을 감소시키는 방향으로 조정하든, 어느 것이어도 된다. 예를 들어, 제2 유량을 증대시킴으로써, 제1층이 형성된 기판면 상에 형성하는 제2층의 두께, 환언하면 소정 원소의 양을 증대시킬 수 있어, 결과적으로, 질화막 중에 포함되는 소정 원소의 비율을 증대시킬 수 있다. 한편, 제1 유량을 감소시킴으로써, 제1 원료 가스의 열분해를 억제하여, 기판 표면과 제1 원료 가스의 표면 반응에 의한, 균일성이 우수한 제1층을 형성할 수 있다. 또한, 제1 유량을 감소시킴으로써, 제2 원료 가스의 흡착을 억제하는 작용을 갖는 제1층의 밀도를 작게 할 수 있어, 결과적으로, 제2 원료 가스 공급에 의한 제2층의 형성을 촉진하여, 질화막 중의 소정 원소의 비율을 증대시킬 수 있다.
여기서, 제2 유량(또는 제2 분압)은, 본 스텝 b에서 제2 원료 가스가 열분해함으로써 생기는 분자끼리 결합함으로써 파티클이 발생하는 공급 유량(또는 분압)보다도 작은 값인 것이 바람직하다. 즉, 제2 원료의 열분해가 진행되면, 열분해한 분자끼리 결합하여, 소정 원소(Si)끼리 결합한 클러스터상의 파티클이 기판 상에서 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 제2 유량은 당해 파티클이 발생하는 공급 유량(또는 분압)보다도 작은 값으로 하는 것이 바람직하다. 이 제2 유량(제2 분압)은 제1 유량(제1 분압)보다도 큰 것이 바람직하다. 환언하면, 질화막 중의 소정 원소의 증대를 위해서는, 제2 유량(제2 분압)이 제1 유량(제1 분압)을 상회하는 것이 적합하다.
이상에 의해, 스텝 a에서 제1층이 형성되지 않고 잔존한 웨이퍼(200) 표면 상의 흡착 사이트와 반응시켜서, 웨이퍼(200)의 표면에 흡착시킬 수 있다. 한편, 제1층이 형성된 부분에는 흡착 사이트가 존재하지 않기 때문에, 제1층 상에 대한 Si의 흡착은 억제된다. 그 결과, 본 스텝에서는, 대략 균일한 두께로 형성된 제1층을 기초로 하여, 제2층으로서의 Si 함유층이 대략 균일 두께로 형성된다. Si로부터 분리된 Cl은, HCl이나 Cl2 등의 가스 상태 물질을 구성해서 배기관(231)으로부터 배기된다.
웨이퍼(200) 상에 제2층을 형성한 후, 밸브(243c)를 닫아, 처리실(201) 내에의 제2 원료 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 상술한 스텝 a의 잔류 가스 제거의 스텝과 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스 등을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
제2 원료 가스로서는, 예를 들어 상기 소정 원소로서의 Si와 할로겐 원소를 포함하는 할로실란계 가스를 사용할 수 있다. 제2 원료 가스로서는, 1분자 중에 포함되는 상기 소정 원소, 즉 Si 원자의 수가 1개만이며, 분자 중에 Si-Si 결합을 갖지 않는 클로로실란계 가스를 사용할 수 있다.
여기서, 제2 원료 가스의 분자 구조는, 소정 원소의 원소끼리의 결합을 비함유인 것이 바람직하다. 여기에서 말하는 소정 원소의 원자끼리의 결합이란, 예를 들어 소정 원소의 원소끼리에 의한 공유 결합을 말한다. 예를 들어, 소정 원소가 Si일 경우에는, Si-Si이며, 이러한 Si-Si 결합을 포함하는 할로실란계 가스로서는, 예를 들어 헥사클로로디실란(Si2Cl6), 펜타클로로디실란(Si2HCl5), 테트라클로로디실란(Si2H2Cl4), 트리클로로디실란(Si2H3Cl3) 등이 있다. 이러한 Si-Si 결합을 포함하는 할로실란 가스, 특히 Si2Cl6는, 열분해에 의해 SiCl2와 같은 반응성이 높은 화학종을 생성하기 쉽고, 이 화학종끼리가 Si-Si 결합을 형성함으로써 기판 상에 Si 파티클이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 파티클의 발생을 억제한다는 관점에서는, 제2 원료 가스로서, 이러한 Si-Si 결합을 포함하는 할로실란 가스는 사용되지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 소정 원소로서의 Si 원자를 1개만 포함하는 분자 구조이며, 이 1개만의 소정 원소에 결합하는 할로겐 원소를 포함하는 분자 구조, 나아가 이 1개만의 소정 원소에 수소를 포함하는 분자 구조를 갖는 가스가, 제2 원료 가스로서 사용된다. 이러한 제2 원료 가스로서는, 할로실란 가스, 특히 클로로실란 가스가 바람직하다.
제2 원료 가스로서는, 예를 들어 디클로로실란(SiH2Cl2) 가스, SiH3Cl 가스, SiHCl3 가스 등의 할로실란 원료 가스를 사용할 수 있다. 제2 원료 가스로서는, 클로로실란계 가스 외에, 예를 들어 디플루오로실란(SiH2F2) 가스 등의 플루오로실란계 가스나, 디브로모실란(SiH2Br2) 가스 등의 브로모실란계 가스나, 디요오도실란(SiH2I2) 가스 등의 요오도실란계 가스를 사용할 수도 있다. 제2 원료 가스로서는, 이들 중 1개 이상을 사용할 수 있다. 단, 제2 원료 가스는, 제1 원료 가스와는 다른 가스가 선택된다. 또한, 제2 원료 가스는, 제1 원료 가스에 대하여 상대적으로 열분해 온도가 낮은 가스(상대적으로 해리 에너지가 작은 가스)에서 선택되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제1 원료 가스가 SiCl4 가스를 함유하는 경우, 제2 원료 가스는 SiH3Cl 가스, SiHCl3 가스 및 SiH2Cl2 가스로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스를 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 원료 가스가 SiHCl3 가스를 함유하는 경우, 제2 원료 가스는 SiH2Cl2 가스를 함유하는 것이 바람직하다.
[스텝 c]
이 스텝에서는, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200), 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성된 제1층과 제2층이 적층하여 이루어지는 층에 대하여 질화제로서의 NH3 가스를 공급한다. 구체적으로는, 밸브(243b)를 개방하여, 가스 공급관(232b) 내에 질화제를 흘린다. 질화제는, MFC(241b)에 의해 유량 제어 되어, 노즐(249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 질화제가 공급된다. 이때 동시에 밸브(243d)를 개방하여, 가스 공급관(232d) 내에 불활성 가스를 흘린다. 불활성 가스는, MFC(241d)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 불활성 가스는, 질화제와 함께 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
본 스텝에서의 처리 조건으로서는,
질화제 공급 유량: 100 내지 10000sccm, 바람직하게는 1000 내지 5000sccm
불활성 가스 공급 유량: 100 내지 20000sccm
각 가스 공급 시간: 1 내지 120초, 바람직하게는 10 내지 60초
처리 온도: 400 내지 800℃, 바람직하게는 500 내지 800℃, 보다 바람직하게는 600 내지 750℃
처리 압력: 1 내지 4000Pa, 바람직하게는 10 내지 1000Pa
이 예시된다.
상술한 조건 하에서는, 제2층의 적어도 일부를 질화할 수 있다. 제2층에 포함되어 있던 Cl 등의 할로겐 원소는, HCl, Cl2 등의 가스 상태 물질을 구성해서 배기관(231)으로부터 배기된다.
그 결과, 웨이퍼(200) 상에는, 제3층으로서, 소정 원소(Si)와 N을 포함하는 질화층(SiN층)이 형성된다.
웨이퍼(200) 상에 제3층을 형성한 후, 밸브(243b)를 닫아, 처리실(201) 내에의 질화제의 공급을 정지한다. 그리고, 상술한 스텝 a의 잔류 가스 제거의 스텝과 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스 등을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
또한, 질화제로서는 질화수소계 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 질화수소계 가스로서는, 암모니아(NH3) 가스, 디아젠(N2H2) 가스, 히드라진(N2H4) 가스, N3H8 가스로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스를 함유하는 것이 바람직하다.
[기판 온도]
또한, 상술한 스텝 a 내지 c에서는, 기판은 400 내지 750℃로 가열되는 것이 바람직하다. 여기서, 이 온도가 750℃보다 높은 경우, 제2 원료 가스의 열분해가 과잉으로 되어, 상술한 파티클의 발생이나, 균일성의 악화 등이 생기기 쉬워진다. 한편, 400℃ 미만인 경우, 제1 원료 가스나 제2 원료 가스의 반응 속도가 저하되어, 실용적인 성막 속도가 얻어지지 않는 경우가 있다. 그래서, 400 내지 750℃로 함으로써, 상술한 파티클의 발생이나, 균일성의 악화 등을 억제한 채, 실용적인 성막 속도로 질화막을 형성할 수 있다.
[소정 횟수 실시]
상술한 스텝 a 내지 c를 1사이클로 하여, 이 사이클을 소정 횟수(n회, n은 1 이상의 정수) 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 소정 조성비 및 소정 막 두께의 질화막(SiN막)을 성막할 수 있다. 또한, 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다. 즉, 1사이클당 형성하는 질화층의 두께를 원하는 막 두께보다도 작게 하여, 상술한 사이클을 원하는 막 두께로 될 때까지 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
상술한 성막 처리가 종료된 후, 가스 공급관(232d, 232e) 각각으로부터 불활성 가스를 처리실(201) 내에 공급하여, 배기관(231)으로부터 배기한다. 이에 의해, 처리실(201) 내가 퍼지되어, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 반응 부생성물 등이 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).
(보트 언로드 및 웨이퍼 디스차지)
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 시일 캡(219)이 하강되어, 반응관(203)의 하단이 개구된다. 그리고, 처리가 끝난 웨이퍼(200)가 보트(217)에 지지된 상태에서, 반응관(203)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부로 반출된다(보트 언로드). 그 후, 처리가 끝난 웨이퍼(200)는 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
(3) 본 양태에 의한 효과
본 양태에 의하면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과가 얻어진다.
(a) 제1 원료 가스를 저압 조건 하인 제1 압력으로 기판 상에 공급함으로써, 제1 원료 가스의 기상 중에서 분해(열분해 등)에 의한 기상 반응의 발생을 억제하면서, 기판 표면과의 표면 반응에 의해 제1 소정 원소(Si) 함유층(제1층)을 형성함으로써, 두께 균일성(기판 면내 균일성이나 스텝 커버리지)이 우수한 제1층을 형성할 수 있다.
(b) 그 후, 제1층이 형성된 기판 상에, 소정 원소를 포함하는 제2 원료 가스를 또한 공급함으로써, 두께의 균일성을 유지한 채 제2 소정 원소(Si) 함유층(제2층)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 원료 가스의 공급 조건으로서, 처리 공간 내의 압력(처리 압력)을 제2 압력으로 높임으로써, 제2 원료 가스의 분해(열분해 등)를 촉진하여, 분해로 생성된 반응성이 높은 소정 원소(Si) 함유 분자가 기판 표면에 퇴적됨으로써, 질화막 중의 소정 원소의 조성 비율을 증대시킬 수 있다.
(c) 또한, 제2 원료 가스가 소정 원소끼리의 결합(Si-Si 결합)을 포함하지 않는 분자 구조를 갖고 있음으로써, 기상 중에서의 분해에 의해 생성된 반응성이 높은 화학종(예를 들어 SiCl2 등)끼리 서로 결합함으로써 생기는 클러스터상의 파티클의 발생을 억제할 수 있다. 그 때문에, 제2 원료 가스가 분해하기 쉬운 고압 조건 하(혹은 고분압 조건 하나 고유량 조건 하)에서 공급된 경우에도, 파티클의 발생을 억제한 채 제2층을 형성할 수 있다.
(4) 기타
상술한 양태에서는, 형성하는 질화막으로서, SiN막을 형성하는 예에 대해서 설명하였다. 본 개시는 상술한 양태에 한정되지 않고, 예를 들어 소정 원소로서, 금속 원소 및 제14족 원소 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 산화막을 형성하는 경우에도 적합하게 적용할 수 있다. 여기서, 금속 원소란, 예를 들어 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo), 란탄(La) 등이 있다. 제14족 원소란, 예를 들어 게르마늄(Ge)이 있다.
[실시예]
도 1에 도시하는 기판 처리 장치를 사용하여, (2)의 기판 처리 공정에서, 실시예로서, 웨이퍼 상에 대하여 SiN막을 형성하였다. 구체적으로는, 제1 원료 가스로서 SiCl4 가스, 제2 원료 가스로서 SiH2Cl2 가스 및 질화제로서 NH3 가스를 사용하였다. 주된 처리 조건으로서, 처리 온도는 스텝 a 내지 c를 통해서 650℃로 하고, 그 밖의 처리 조건은, 상술한 실시 형태에서 개시한 처리 조건 범위 내의 소정의 조건으로 하여, 이것을 소정의 사이클수만큼 반복하는 성막 처리를 웨이퍼에 실시하였다.
그 결과 얻어진 웨이퍼에서의 각 측정값을, 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 「평면 균일성」이란, 평균 막 두께(단위: ×10-1nm)에 대한, 질화막 중의 최고점과 최저점의 사이의 거리의 비율을 나타낸다.
Figure pat00001
이상과 같이, 실시예의 웨이퍼는, 스텝 커버리지 특성이나 웨이퍼 면내 막 두께 균일성이 우수함과 함께, 파티클을 발생시키지 않고 높은 굴절률(RI)을 실현할 수 있었다. 즉, 높은 굴절률에 의해 나타내지는 바와 같이, 질화막 중에서의 높은 Si의 함유 비율을 실현할 수 있었다.
또한, 상기와 마찬가지의 조건에서, 제2 원료 가스로서 SiH2Cl2 가스 대신에 Si2Cl6 가스를 사용한 결과, 파티클이 발생하지 않는 범위에서 얻어진 RI의 범위는 2.02 내지 2.03에 머물렀다. 즉, 실시예와 같이, 제2 원료 가스로서 SiH2Cl2 가스를 사용한 경우, 파티클을 발생시키지 않고, 제2 원료 가스로서 Si2Cl6 가스를 사용한 경우에 비하여, 질화막 중에서의 높은 Si의 함유 비율을 높이는 것이 가능한 것으로 확인되었다.
121: 컨트롤러
200: 웨이퍼
201: 처리실
202: 처리로
232a 내지 232e: 가스 공급관
249a, 249b: 노즐
250a, 250b: 가스 공급 구멍

Claims (25)

  1. (a) 처리실 내의 기판에 대하여, 소정 원소를 함유하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 공정과,
    (b) 상기 기판에 대하여, 상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 공정과,
    (c) 상기 기판에 대하여 질화제를 공급하는 공정
    을 이 순서대로 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 상기 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성하는,
    반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 원료 가스는, 상기 제1 원료 가스보다도 열분해 온도가 낮은, 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 압력 및 상기 제2 압력의 적어도 한쪽은, 원하는 상기 질화막 중의 상기 소정 원소의 비율에 기초하여 결정되어 있는, 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 원하는 상기 질화막 중의 상기 소정 원소의 비율은, 상기 질화막의 화학양론 조성에서의 상기 소정 원소의 비율보다도 큰, 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 압력은, (b)에서 상기 제2 원료 가스가 열분해함으로써 생기는 분자끼리 결합함으로써 파티클이 발생하는 압력보다도 작은 값인, 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, (a)에서의 상기 제1 원료 가스의 공급 유량인 제1 유량 및 (b)에서의 상기 제2 원료 가스의 공급 유량인 제2 유량의 적어도 한쪽은, 상기 질화막 중의 상기 소정 원소의 원하는 비율에 기초하여 결정되어 있는, 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 질화막 중의 상기 소정 원소의 상기 원하는 비율은, 상기 질화막의 화학양론 조성에서의 상기 소정 원소의 비율보다도 큰, 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 유량은, (b)에서 상기 제2 원료 가스가 열분해함으로써 생기는 분자끼리 결합함으로써 파티클이 발생하는 공급 유량보다도 작은 값인, 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 유량은, 상기 제1 유량보다도 큰, 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 원료 가스는, 상기 소정 원소의 원자에 결합하는 할로겐 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는, 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, (a)에서는, 상기 기판 표면에 상기 소정 원소의 함유층을 불연속으로 형성하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, (a)에서는, 상기 기판 표면에 대한 상기 소정 원소의 함유층의 피복률은 70％ 미만인, 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1 원료 가스는, 할로실란 가스인, 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 원료 가스는, 클로로실란 가스인, 반도체 장치의 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 원료 가스는, 상기 소정 원소의 원자를 1개만 포함하는 분자 구조를 갖고 있는, 반도체 장치의 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 원료 가스는, 상기 소정 원소의 원자에 결합하는 할로겐 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는, 반도체 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 원료 가스는, 상기 소정 원소의 원자에 결합하는 수소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는, 반도체 장치의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제2 원료 가스는, 할로실란 가스인, 반도체 장치의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 원료 가스는, 클로로실란 가스인, 반도체 장치의 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 원료 가스는, 모노클로로실란 가스, 디클로로실란 가스 및 트리클로로실란 가스 중 적어도 하나의 가스를 포함하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 원료 가스는, 테트라클로로실란 가스를 포함하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 질화제는, 질화수소계 가스인, 반도체 장치의 제조 방법.
  23. (a) 처리실 내의 기판에 대하여, 소정 원소를 함유하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 공정과,
    (b) 상기 기판에 대하여, 상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 공정과,
    (c) 상기 기판에 대하여 질화제를 공급하는 공정
    을 이 순서대로 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 상기 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성하는,
    기판 처리 방법.
  24. (a) 처리실 내의 기판에 대하여, 소정 원소를 함유하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 제1 압력으로 해서 공급하는 수순과,
    (b) 상기 기판에 대하여, 상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를, 상기 처리실의 압력을 상기 제1 압력보다도 큰 제2 압력으로 해서 공급하는 수순과,
    (c) 상기 기판에 대하여 질화제를 공급하는 수순
    을 이 순서대로 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 상기 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성하는 수순을 컴퓨터에 의해 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  25. 기판을 수용하는 처리실과,
    소정 원소를 포함하는 분자 구조를 갖고 있는 제1 원료 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 제1 원료 가스 공급계와,
    상기 소정 원소를 포함하고 또한 상기 소정 원소의 원자끼리의 결합을 비함유인 분자 구조를 갖고 있는, 상기 제1 원료 가스와는 다른 제2 원료 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 제2 원료 가스 공급계와,
    질화제를 상기 처리실 내에 공급하는 질화제 공급계와,
    상기 처리실 내에서, 제1항에서의 각 공정을 그 순서대로 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에, 상기 소정 원소를 포함하는 질화막을 형성하는 처리를 행하게 하도록, 상기 제1 원료 가스 공급계, 상기 제2 원료 가스 공급계 및 상기 질화제 공급계를 제어하는 것이 가능하게 구성되는 제어부
    를 갖는, 기판 처리 장치.
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