KR20230167435A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 양태에 의한 성막 방법은, 기판의 표면에 형성된 오목부에 막을 형성하는 성막 방법으로서, 상기 기판에 흡착 저해 가스를 공급하여 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과, 상기 흡착 저해 영역을 제외한 영역에 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과, 상기 실리콘 함유 가스가 흡착된 상기 기판을 질화 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 실리콘 질화막을 형성하는 공정을 갖고, 상기 질화 가스는, 질소 함유 가스와 불활성 가스를 포함하고, 상기 질소 함유 가스의 유량은, 상기 불활성 가스의 유량보다 크다.
Description
본 개시는, 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에 있어서, 구조의 미세화에 수반하여 애스펙트비가 높은 오목부에 보이드(간극) 없이 막을 매립하는 것이 요구되고 있다. 오목부에 막을 매립하는 프로세스의 일례로서, 퇴적과 에칭을 교대로 반복함으로써 오목부의 저부로부터 보텀업으로 막을 매립하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 오목부에 막을 매립하는 프로세스의 다른 일례로서, 오목부의 개구 근방에 흡착 저해 가스를 흡착시켜서 개구 근방에의 막의 퇴적을 억제함으로써 오목부의 저부로부터 보텀업으로 막을 매립하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
본 개시는, 흡착 저해를 이용한 오목부에 대한 매립에 있어서, 매립 시의 형상을 제어하여 보이드를 억제할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의한 성막 방법은, 기판의 표면에 형성된 오목부에 막을 형성하는 성막 방법으로서, 상기 기판에 흡착 저해 가스를 공급하여 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과, 상기 흡착 저해 영역을 제외한 영역에 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과, 상기 실리콘 함유 가스가 흡착된 상기 기판을 질화 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 실리콘 질화막을 형성하는 공정을 갖고, 상기 질화 가스는, 질소 함유 가스와 불활성 가스를 포함하고, 상기 질소 함유 가스의 유량은, 상기 불활성 가스의 유량보다 크다.
본 개시에 의하면, 흡착 저해를 이용한 오목부에 대한 매립에 있어서, 매립 시의 형상을 제어하여 보이드를 억제할 수 있다.
도 1은 실시 형태의 성막 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 실시 형태의 성막 방법의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 흡착 저해 영역을 형성하는 공정의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 트렌치에 대한 실리콘 질화막의 매립 특성의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
도 5는 트렌치에 매립된 실리콘 질화막의 WER의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
도 2는 실시 형태의 성막 방법의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 흡착 저해 영역을 형성하는 공정의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 트렌치에 대한 실리콘 질화막의 매립 특성의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
도 5는 트렌치에 매립된 실리콘 질화막의 WER의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대하여 설명한다. 첨부의 전 도면 중, 동일하거나 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대하여는, 동일하거나 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복하는 설명을 생략한다.
[성막 장치]
도 1을 참조하여, 실시 형태의 성막 장치의 일례에 대하여 설명한다. 성막 장치는, 처리 용기(1), 적재대(2), 샤워 헤드(3), 배기부(4), 가스 공급부(5), RF 전력 공급부(8), 제어부(9) 등을 갖는다.
처리 용기(1)는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되고, 대략 원통상을 갖고 있다. 처리 용기(1)는, 기판의 일례인 웨이퍼(W)를 수용한다. 처리 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)를 반입 또는 반출하기 위한 반입출구(11)가 형성되어 있다. 반입출구(11)는, 게이트 밸브(12)에 의해 개폐된다. 처리 용기(1)의 본체 상에는, 단면이 직사각 형상을 이루는 원환상의 배기 덕트(13)가 마련되어 있다. 배기 덕트(13)에는, 내주면을 따라 슬릿(13a)이 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 외벽에는, 배기구(13b)가 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 상면에는, 절연체 부재(16)를 개재하여 처리 용기(1)의 상부 개구를 막도록 천장벽(14)이 마련되어 있다. 배기 덕트(13)와 절연체 부재(16)와의 사이는 시일 링(15)으로 기밀하게 밀봉되어 있다. 구획 부재(17)는, 적재대(2)(및 커버 부재(22))가 후술하는 처리 위치로 상승했을 때, 처리 용기(1)의 내부를 상하로 구획한다.
적재대(2)는, 처리 용기(1) 내에서 웨이퍼(W)를 수평하게 지지한다. 적재대(2)는, 웨이퍼(W)에 대응한 크기의 원판상으로 형성되어 있고, 지지 부재(23)에 지지되어 있다. 적재대(2)는, AlN 등의 세라믹스 재료나, 알루미늄이나 니켈 합금 등의 금속 재료로 형성되어 있고, 내부에 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터(21)가 매립되어 있다. 히터(21)는, 히터 전원(도시하지 않음)으로부터 급전되어 발열한다. 그리고, 적재대(2)의 상면 근방에 마련된 열전대(도시하지 않음)의 온도 신호에 의해 히터(21)의 출력을 제어함으로써, 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 제어된다. 적재대(2)에는, 상면의 외주 영역 및 측면을 덮도록 알루미나 등의 세라믹스에 의해 형성된 커버 부재(22)가 마련되어 있다.
적재대(2)의 저면에는, 적재대(2)를 지지하는 지지 부재(23)가 마련되어 있다. 지지 부재(23)는, 적재대(2)의 저면 중앙에서 처리 용기(1)의 저벽에 형성된 구멍부를 관통하여 처리 용기(1)의 하방으로 연장되고, 그 하단이 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 승강 기구(24)에 의해 적재대(2)가 지지 부재(23)를 개재하여, 도 1에서 도시하는 처리 위치와, 그 하방의 이점쇄선으로 도시하는 웨이퍼(W)의 반송이 가능한 반송 위치 사이에서 승강한다. 지지 부재(23)의 처리 용기(1)의 하방에는, 플랜지부(25)가 설치되어 있다. 처리 용기(1)의 저면과 플랜지부(25)와의 사이에는, 벨로우즈(26)가 마련되어 있다. 벨로우즈(26)는, 처리 용기(1) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 적재대(2)의 승강 동작에 따라 신축한다.
처리 용기(1)의 저면 근방에는, 승강판(27a)으로부터 상방으로 돌출되도록 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(27)이 마련되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 처리 용기(1)의 하방에 마련된 승강 기구(28)에 의해 승강판(27a)을 개재하여 승강한다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 반송 위치에 있는 적재대(2)에 마련된 관통 구멍(2a)에 삽입 관통되어 적재대(2)의 상면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)을 승강시킴으로써, 반송 기구(도시하지 않음)와 적재대(2) 사이에서 웨이퍼(W)의 수수가 행해진다.
샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 샤워 상으로 공급한다. 샤워 헤드(3)는, 금속제이며, 적재대(2)에 대향하도록 마련되어 있고, 적재대(2)와 거의 동일한 직경을 갖고 있다. 샤워 헤드(3)는, 본체부(31), 샤워 플레이트(32) 등을 포함한다. 본체부(31)는, 처리 용기(1)의 천장벽(14)에 고정되어 있다. 샤워 플레이트(32)는, 본체부(31) 아래에 접속되어 있다. 본체부(31)와 샤워 플레이트(32)와의 사이에는, 가스 확산 공간(33)이 형성되어 있다. 가스 확산 공간(33)에는, 처리 용기(1)의 천장벽(14) 및 본체부(31)의 중앙을 관통하도록 가스 도입 구멍(36)이 마련되어 있다. 샤워 플레이트(32)의 주연부에는 하방으로 돌출하는 환상 돌기부(34)가 형성되어 있다. 환상 돌기부(34)의 내측 평탄부에는, 가스 토출 구멍(35)이 형성되어 있다. 적재대(2)가 처리 위치에 존재한 상태에서는, 적재대(2)와 샤워 플레이트(32)와의 사이에 처리 공간(38)이 형성되고, 커버 부재(22)의 상면과 환상 돌기부(34)가 근접하여 환상 간극(39)이 형성된다.
배기부(4)는, 처리 용기(1)의 내부를 배기한다. 배기부(4)는, 배기 배관(41), 배기 기구(42) 등을 포함한다. 배기 배관(41)은, 배기구(13b)에 접속되어 있다. 배기 기구(42)는, 배기 배관(41)에 접속된 진공 펌프, 압력 제어 밸브 등을 갖는다. 처리 시에는, 처리 용기(1) 내의 가스가 슬릿(13a)을 개재하여 배기 덕트(13)에 이르고, 배기 덕트(13)로부터 배기 배관(41)을 통해 배기 기구(42)에 의해 배기된다.
가스 공급부(5)는, 샤워 헤드(3)에 각종 처리 가스를 공급한다. 가스 공급부(5)는, 가스원(51), 가스 라인(52) 등을 포함한다. 가스원(51)은, 각종 처리 가스의 공급원, 매스플로우 컨트롤러, 밸브(모두 도시하지 않음) 등을 포함한다. 각종 처리 가스는, 후술하는 실시 형태의 성막 방법에 있어서 사용되는 가스를 포함한다. 각종 처리 가스는, 흡착 저해 가스, 실리콘 함유 가스, 질화 가스, 개질 가스, 퍼지 가스 등을 포함한다. 각종 처리 가스는, 가스원(51)으로부터 가스 라인(52) 및 가스 도입 구멍(36)을 개재하여 가스 확산 공간(33)으로 도입된다.
흡착 저해 가스는, 예를 들어 염소 가스(Cl2), 질소 가스(N2) 및 염소 가스와 질소 가스의 혼합 가스(Cl2/N2)의 적어도 어느 것을 포함한다. 실리콘 함유 가스는, 예를 들어 디클로로실란 가스(DCS)를 포함한다. 질화 가스는, 예를 들어 암모니아 가스(NH3) 및 아르곤 가스(Ar)를 포함한다. 개질 가스는, 예를 들어 수소 가스(H2) 및 아르곤 가스(Ar)를 포함한다. 퍼지 가스는, 예를 들어 아르곤 가스(Ar)를 포함한다.
성막 장치는, 용량 결합 플라즈마 장치이며, 적재대(2)가 하부 전극으로서 기능하고, 샤워 헤드(3)가 상부 전극으로서 기능한다. 적재대(2)는, 콘덴서(도시하지 않음)를 개재하여 접지되어 있다. 단, 적재대(2)는, 예를 들어 콘덴서를 통하지 않고 접지되어 있어도 되고, 콘덴서와 코일을 조합한 회로를 개재하여 접지 되어 있어도 된다. 샤워 헤드(3)는, RF 전력 공급부(8)에 접속되어 있다.
RF 전력 공급부(8)는, 고주파 전력(이하 「RF 전력」이라고도 한다.)를 샤워 헤드(3)에 공급한다. RF 전력 공급부(8)는, RF 전원(81), 정합기(82), 급전 라인(83) 등을 포함한다. RF 전원(81)은, RF 전력을 발생하는 전원이다. RF 전력은, 플라스마의 생성에 적합한 주파수를 갖는다. RF 전력의 주파수는, 예를 들어 저주파수대의 450KHz로부터 마이크로파대의 2.45GHz의 범위 내의 주파수이다. RF 전원(81)은, 정합기(82) 및 급전 라인(83)을 개재하여 샤워 헤드(3)의 본체부(31)에 접속되어 있다. 정합기(82)는, RF 전원(81)의 내부 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 갖는다. 또한, RF 전력 공급부(8)는, 상부 전극이 되는 샤워 헤드(3)에 RF 전력을 공급하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 하부 전극이 되는 적재대(2)에 RF 전력을 공급하는 구성이어도 된다.
제어부(9)는, 예를 들어 컴퓨터이며, CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 보조 기억 장치 등을 구비한다. CPU는, ROM 또는 보조 기억 장치에 저장된 프로그램에 기초해 동작하여, 성막 장치의 동작을 제어한다. 제어부(9)는, 성막 장치의 내부에 마련되어 있어도 되고, 외부에 마련되어 있어도 된다. 제어부(9)가 성막 장치의 외부에 마련되어 있을 경우, 제어부(9)는 유선, 무선 등의 통신 수단을 개재하여 성막 장치의 동작을 제어한다.
[성막 방법]
도 2 및 도 3을 참조하여, 실시 형태의 성막 방법의 일례에 대하여, 전술한 성막 장치를 사용하여 행하는 경우를 설명한다. 본 실시 형태에서는, 웨이퍼(W)로서 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 해당 실리콘 웨이퍼에는 오목부로서 트렌치가 형성되어 있다. 또한, 트렌치 내부 및 웨이퍼(W)의 표면은, 예를 들어 실리콘이나 절연막으로 구성되고, 부분적으로 금속이나 금속 화합물이 존재하고 있어도 된다.
먼저, 제어부(9)는, 처리 용기(1) 내에, 표면에 트렌치가 형성된 웨이퍼(W)를 반입한다. 제어부(9)는, 승강 기구(24)를 제어하여 적재대(2)를 반송 위치로 하강시킨 상태에서, 게이트 밸브(12)를 개방한다. 계속하여, 반송 암(도시하지 않음)에 의해, 반입출구(11)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 웨이퍼(W)를 반입하고, 히터(21)에 의해 소정의 온도(예를 들어 600℃ 이하)로 가열된 적재대(2) 위에 적재한다. 계속하여, 제어부(9)는, 승강 기구(24)를 제어하여 적재대(2)를 처리 위치까지 상승시키고, 배기 기구(42)에 의해 처리 용기(1) 내를 소정의 진공도까지 감압한다.
(흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1)
계속하여, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1을 행한다. 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1에서는, 웨이퍼(W)를 흡착 저해 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜, 트렌치 내의 상부 및 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘 함유 가스의 흡착을 저해하는 흡착 저해 영역을 형성한다. 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1은, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 스텝 S11 및 스텝 S12을 포함한다.
스텝 S11에서는, 웨이퍼(W)를 흡착 저해 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 트렌치 내의 상부 및 웨이퍼(W)의 표면을 주로 하여 흡착 저해 영역을 형성한다. 본 실시 형태에 있어서, 제어부(9)는, 가스 공급부(5)로부터 샤워 헤드(3)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 Cl2, N2 또는 Cl2/N2를 공급한 후, RF 전력 공급부(8)에 의해 샤워 헤드(3)에 RF 전력을 공급한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내에 있어서 Cl2, N2 또는 Cl2/N2로부터 플라스마가 생성되고, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 트렌치 내에 염소 라디칼, 염소 이온, 질소 라디칼, 질소 이온 등의 활성종(반응종)이 공급된다. 활성종은, 표면 위에 물리 흡착 또는 화학 흡착된다. 흡착된 활성종은, 후술하는 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3에 있어서, 실리콘 함유 가스(예를 들어, DCS)의 흡착을 저해하는 기능을 갖기 때문에, 활성종이 흡착된 영역은 실리콘 함유 가스에 대하여 흡착 저해 영역이 된다. 여기서, 활성종은, 웨이퍼(W)의 표면이나 트렌치 내의 상부에는 용이하게 도달하지만, 트렌치 내의 안쪽, 즉 저부 부근의 하부에는 그다지 많이는 도달하지 않는다. 트렌치의 애스펙트비는 높으므로, 많은 활성종은, 트렌치 내의 안쪽에 도달하기 전에 흡착 혹은 실활한다. 따라서, 웨이퍼(W)의 표면 및 트렌치 내의 상부에는 고밀도로 활성종이 흡착되지만, 트렌치 내의 하부에는 미흡착 부분이 많이 잔존하고, 흡착 활성종의 밀도는 낮아진다.
스텝 S12에서는, 제어부(9)는, 스텝 S11을 행한 횟수가 설정 횟수에 도달했는지의 여부를 판정한다. 설정 횟수는, 1회 이상이면 된다. 스텝 S12에 있어서, 스텝 S11을 행한 횟수가 설정 횟수에 도달했다고 판정된 경우, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1을 종료한다. 한편, 스텝 S12에 있어서, 스텝 S11을 행한 횟수가 설정 횟수에 도달하고 있지 않다고 판정되었을 경우, 스텝 S11로 되돌아간다. 또한, 스텝 S11과 스텝 S12와의 사이에, 스텝 S11 후에 처리 용기(1) 내에 잔존하는 가스를 제거하는 퍼지 스텝을 행해도 된다.
이러한 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1에서는, 웨이퍼(W)를 Cl2, N2 또는 Cl2/N2로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것(스텝 S11)을 설정 횟수만큼 반복함으로써, 트렌치 내의 상부 및 웨이퍼(W)의 표면에 흡착 저해 영역을 형성한다. 이때, 반복되는 스텝 S11의 각각에 있어서, 흡착 저해 가스의 종류는 동일해도 되고, 다르게 되어 있어도 된다.
예를 들어, 설정 횟수가 2회인 경우, 1회째에 Cl2를 선택하고, 2회째에 Cl2, N2 또는 Cl2/N2를 선택해도 된다. 이 경우, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1은, 웨이퍼(W)를 Cl2로부터 생성한 플라스마에 노출시키고, 이어서, 웨이퍼(W)를 Cl2, N2 또는 Cl2/N2로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것을 포함한다. 또한, 예를 들어 1회째에 N2를 선택하고, 2회째에 Cl2, N2 또는 Cl2/N2를 선택해도 된다. 이 경우, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1은, 웨이퍼(W)를 N2로부터 생성한 플라스마에 노출시키고, 이어서, 웨이퍼(W)를 Cl2, N2 또는 Cl2/N2로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것을 포함한다. 또한, 예를 들어 1회째에 Cl2/N2를 선택하고, 2회째에 Cl2, N2 또는 Cl2/N2를 선택해도 된다. 이 경우, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1은, 웨이퍼(W)를 Cl2/N2로부터 생성한 플라스마에 노출시키고, 이어서, 웨이퍼(W)를 Cl2, N2 또는 Cl2/N2로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것을 포함한다. 또한, 예를 들어 1회째와 2회째에서 Cl2, N2 또는 Cl2/N2의 유량, 유량비, 플라스마 조사 시간, 압력 및 RF 전력의 1개 이상을 변경해도 된다.
(퍼지 공정S2)
계속하여, 퍼지 공정S2를 행한다. 퍼지 공정S2에서는, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1 후에 처리 용기(1) 내에 잔존하는 가스를 제거한다. 본 실시 형태에 있어서, 제어부(9)는, 가스 공급부(5)로부터 샤워 헤드(3)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 불활성 가스(예를 들어, 아르곤 가스)를 공급함과 함께, 배기부(4)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내에 잔존하는 가스가 불활성 가스와 함께 배출된다. 또한, 퍼지 공정S2는 생략해도 된다.
(실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3)
계속하여, 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3을 행한다. 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3에서는, 웨이퍼(W)에, 실리콘 함유 가스를 공급함으로써, 흡착 저해 영역을 제외한 영역에 실리콘 함유 가스를 흡착시켜서 실리콘(Si) 함유층을 형성한다. 본 실시 형태에 있어서, 제어부(9)는, 가스 공급부(5)로부터 샤워 헤드(3)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 실리콘 함유 가스로서 DCS를 공급한다. DCS는, 흡착 저해 기능을 갖는 염소 및 질소가 존재하는 영역에는 그다지 흡착하지 않고, 흡착 저해기가 존재하지 않는 영역에 많이 흡착된다. 따라서, 트렌치 내의 저부 부근에 DCS가 많이 흡착되고, 웨이퍼(W)의 표면 및 트렌치 내의 상부에는 그다지 DCS가 흡착되지 않는다. 즉, 트렌치 내의 저부 부근에 DCS가 고밀도로 흡착되고, 트렌치 내의 상부 및 웨이퍼(W)의 표면 상에는 DCS가 저밀도로 흡착된다.
(퍼지 공정S4)
계속하여, 퍼지 공정S4를 행한다. 퍼지 공정S4에서는, 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3 후에 처리 용기(1) 내에 잔존하는 가스를 제거한다. 본 실시 형태에 있어서, 제어부(9)는, 가스 공급부(5)로부터 샤워 헤드(3)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 불활성 가스(예를 들어, 아르곤 가스)를 공급함과 함께, 배기부(4)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내에 잔존하는 가스가 불활성 가스와 함께 배출된다. 또한, 퍼지 공정S4는 생략해도 된다.
(질화 공정S5)
계속하여, 질화 공정S5를 행한다. 질화 공정S5에서는, 웨이퍼(W)를, 질소 함유 가스 및 불활성 가스를 포함하는 질화 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 웨이퍼(W)의 표면 및 트렌치 내에 형성된 실리콘 함유층을 질화하여 실리콘 질화막을 형성한다. 질화 공정S5에서는, 질소 함유 가스의 유량이 불활성 가스의 유량보다 커지도록, 질소 함유 가스와 불활성 가스의 유량을 조정한다. 본 실시 형태에 있어서, 제어부(9)는, 가스 공급부(5)로부터 샤워 헤드(3)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 질소 함유 가스 및 불활성 가스로서 암모니아 가스 및 아르곤 가스를 공급한 후, RF 전력 공급부(8)에 의해 샤워 헤드(3)에 RF 전력을 공급한다. 이때, 제어부(9)는, 암모니아 가스의 유량이 아르곤 가스의 유량보다 커지도록 조정한다. 바꾸어 말하면, 제어부(9)는, 아르곤 가스에 대한 암모니아 가스의 유량비(이하 「NH3/Ar비」라고 한다.)가 1보다 커지도록 조정한다. 처리 용기(1) 내에서는, 암모니아 가스 및 아르곤 가스로부터 플라스마가 생성되고, 웨이퍼(W)의 표면 및 트렌치 내에 질화를 위한 활성종이 공급된다. 활성종은, 트렌치 내에 형성된 실리콘 함유층과 반응하여, 실리콘 질화막의 분자층이 반응 생성물로서 형성된다. 여기서, 실리콘 함유층은, 트렌치 내의 저부 부근에 많이 형성되어 있으므로, 트렌치 내의 저부 부근에 많은 실리콘 질화막이 형성된다.
(퍼지 공정S6)
계속하여, 퍼지 공정S6을 행한다. 퍼지 공정S6에서는, 질화 공정S5 후에 처리 용기(1) 내에 잔존하는 가스를 제거한다. 본 실시 형태에 있어서, 제어부(9)는 가스 공급부(5)로부터 샤워 헤드(3)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 불활성 가스 (예를 들어, 아르곤 가스)를 공급함과 함께, 배기부(4)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내에 잔존하는 가스가 불활성 가스와 함께 배출된다. 또한, 퍼지 공정S6은 생략해도 된다.
(판정 공정S7)
계속하여, 판정 공정S7을 행한다. 판정 공정S7에서는, 제어부(9)는, 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3으로부터 퍼지 공정S6까지의 반복 횟수가 설정 횟수에 도달했는지의 여부를 판정한다. 설정 횟수는, 예를 들어 형성하고 싶은 실리콘 질화막의 막 두께에 따라 정해진다. 판정 공정S7에 있어서, 해당 반복 횟수가 설정 횟수에 도달했다고 판정된 경우, 판정 공정S8로 진행한다. 한편, 판정 공정S7에 있어서, 해당 반복 횟수가 설정 횟수에 도달하고 있지 않다고 판정되었을 경우, 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3으로 되돌아간다.
(판정 공정S8)
계속하여, 판정 공정S8을 행한다. 판정 공정S8에서는, 제어부(9)는, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1로부터 판정 공정S7까지의 반복 횟수가 설정 횟수에 도달했는지의 여부를 판정한다. 설정 횟수는, 예를 들어 형성하고 싶은 실리콘 질화막의 형상에 따라 정해진다. 판정 공정S8에 있어서, 해당 반복 횟수가 설정 횟수에 도달했다고 판정된 경우, 처리를 종료한다. 한편, 판정 공정S8에 있어서, 해당 반복 횟수가 설정 횟수에 도달하고 있지 않다고 판정되었을 경우, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1로 되돌아간다.
이상에서 설명한 바와 같이 실시 형태의 성막 방법에 의하면, 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1로부터 퍼지 공정S6까지가 반복되어, 트렌치의 개구부가 막히지 않은 상태에서, 저면측으로부터 실리콘 질화막이 퇴적된다. 그리고, V자의 단면을 형성하면서, 개구부를 막지 않는 보텀업성이 높은 실리콘 질화막의 성막을 행할 수 있다. 그 결과, 보이드를 발생시키지 않고, 트렌치 내에 고품질의 실리콘 질화막을 매립할 수 있다.
또한, 실시 형태의 성막 방법에 의하면, 질화 공정S5에 있어서, 질소 함유 가스의 유량이 불활성 가스의 유량보다 커지도록, 질소 함유 가스와 불활성 가스의 유량을 조정한다. 이에 의해, 보텀업성이 특히 높은 실리콘 질화막의 성막을 행할 수 있다. 그 이유에 대하여는 후술한다.
또한, 실시 형태의 성막 방법은, 또한 개질 공정을 갖고 있어도 된다. 개질 공정은, 예를 들어 흡착 저해 영역을 형성하는 공정S1의 후, 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정S3의 후 및 질화 공정S5의 후의 적어도 어느 것에서 실시된다. 개질 공정에서는, 웨이퍼(W)를 개질 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 실리콘 함유층 및 실리콘 질화막을 개질한다. 본 실시 형태에 있어서, 제어부(9)는, 가스 공급부(5)로부터 샤워 헤드(3)를 개재하여 처리 용기(1) 내에 개질 가스로서 수소 가스 및 아르곤 가스를 공급한 후, RF 전력 공급부(8)에 의해 샤워 헤드(3)에 RF 전력을 공급한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내에 있어서 수소 가스 및 아르곤 가스로부터 플라스마가 생성되고, 웨이퍼(W)의 표면 및 트렌치 내에 활성종이 공급된다. 그 결과, 실리콘 함유층이 개질된다. 실리콘 함유층의 개질은, 예를 들어 실리콘 함유층에 포함되는 할로겐을 제거하는 것을 포함한다. 또한, 2사이클째 이후에 있어서는 실리콘 질화막에 포함되는 할로겐이나 잉여의 NHx기를 제거하는 것도 포함한다. 할로겐이나 잉여 NHx기를 제거함으로써, 예를 들어 습식 에칭레이트가 개선된다. 개질 공정에서는, 아르곤 가스에 대한 수소 가스의 유량비(H2/Ar비)는, 예를 들어 0.1 내지 2.0으로 조정된다.
[실시예]
전술한 실시 형태의 성막 방법에 의해 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 트렌치 내에 실리콘 질화막을 형성했을 때의 매립 특성을 평가한 실시예에 대하여 설명한다.
실시예 1에서는, 도 2에 도시하는 성막 방법에 의해 트렌치 내에 실리콘 질화막을 형성했다. 실시예 1에서는, 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비를 3으로 설정했다. 또한, 실시예 1에서는, 퍼지 공정S6의 후에 개질 공정을 행하고, 개질 공정에 있어서의 H2/Ar비를 0.3으로 설정했다. 계속해서, 트렌치 내의 깊이가 얕은 쪽부터 Z1 내지 Z6로 6개의 위치를 정의하고, 그 각각에 있어서, 퇴적된 실리콘 질화막의 막 두께를 측정했다. 또한, 측정한 실리콘 질화막의 막 두께를 판정 공정S7에 있어서의 설정 횟수로 제산하는 것에 의해, 실리콘 질화막의 1사이클당의 성막량(이하 「GPC(Growth Per Cycle)」라고 한다.)을 산출했다. 또한, 트렌치 내에 형성된 실리콘 질화막을 0.5%의 희불산(DHF)으로 60초간 에칭했을 때의 에칭레이트(이하 「WER(Wet Etching Rate)」이라고 한다.)를 측정했다.
실시예 2는, 실시예 1에 대하여, 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비를 변경하지 않고, 개질 공정에 있어서의 H2/Ar비를 0.5로 변경한 예이다.
실시예 3은, 실시예 1에 대하여, 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비를 7로 변경하고, 개질 공정에 있어서의 H2/Ar비를 1.0으로 변경한 예이다.
비교예 1은, 실시예 1에 대하여, 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비를 1로 변경하고, 개질 공정에 있어서의 H2/Ar비를 변경하지 않은 예이다.
즉, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 있어서의 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비 및 개질 공정에 있어서의 H2/Ar비는, 이하의 표 1 대로이다.
도 4는, 트렌치에 대한 실리콘 질화막의 매립 특성의 평가 결과를 도시하는 도면이다. 도 4에 있어서, 위치 Z1 내지 Z6 중, 위치 Z1이 가장 얕은 위치, 즉 트렌치 내의 상부의 위치이며, 위치 Z6이 가장 깊은 위치, 즉 트렌치 내의 하부의 위치이다. 또한, 도 4에서는, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 모두에 있어서, 위치 Z6에 있어서 정규화한 GPC를 나타낸다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 실시예 1 내지 3에서는, 비교예 1에 비하여, 트렌치 내의 상부(트렌치의 깊이가 얕은 위치)에 있어서의 GPC가 작게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비를 1보다 크게 함으로써, 트렌치 내에 매립되는 실리콘 질화막의 단면 V자 개방 각도가 커지는 것으로 나타났다. 즉, 보텀업성이 높은 실리콘 질화막을 성막할 수 있는 것으로 나타났다. 이것은, 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비를 1보다 크게 하면, 플라스마 상태(특히 Ar의 여기종)가 변화하여, 트렌치 내의 하부보다 상부에 있어서 흡착 저해 가스가 흡착하기 쉬운 표면이 형성된 것에 의한 것으로 추정된다.
또한, 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 실시예 1보다 실시예 2쪽이 위치Z1에 있어서의 GPC가 작게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 개질 공정에 있어서의 H2/Ar비를 0.3에서 0.5로 변경함으로써, 트렌치 내에 매립되는 실리콘 질화막의 단면 V자 개방 각도가 커지는 것으로 나타났다. 즉, 보텀업성이 높은 실리콘 질화막을 성막할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 실시예 2와 실시예 3을 비교하면, 위치Z1에서는 실시예 3쪽이 실시예 2보다 GPC가 작아지고, 위치Z2 내지 Z6에서는 실시예 3쪽이 실시예 2보다 GPC가 크게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 질화 공정S5에 있어서의 NH3/Ar비를 7로 설정하고, 개질 공정에 있어서의 H2/Ar비를 1.0으로 설정함으로써, 트렌치 내에 매립되는 실리콘 질화막의 단면 V자 개방 각도가 보다 커지는 것으로 나타났다. 즉, 보텀업성이 보다 높은 실리콘 질화막을 성막할 수 있는 것으로 나타났다.
도 5는, 트렌치에 매립된 실리콘 질화막의 WER의 평가 결과를 도시하는 도면이다. 도 5에서는, 비교예 1의 WER에 있어서 정규화했을 때의 실시예 1 내지 3의 WER을 나타낸다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 WER은, 비교예 1의 WER의 절반 이하인 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 실시예 1 내지 3에서는, 비교예 1에 비하여, 습식 에칭 내성이 향상하는 것으로 나타났다. 특히, 실시예 3의 WER은, 비교예 1의 WER의 1/4 정도이고, 습식 에칭 내성이 특히 향상하는 것으로 나타났다.
이상에서 설명한 바와 같이 실시예 1 내지 3에 의하면, 보텀업성이 높은 실리콘 질화막의 성막을 행할 수 있으므로, 보이드의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 또한 패턴 내의 애스펙트비를 비교적 낮게 유지하는 것이 가능하기 때문에, 심에 대한 라디칼 공급이 보다 용이하게 행해진다. 그 때문에, 트렌치 내에 고품질의 실리콘 질화막을 매립할 수 있고, 예를 들어 습식 에칭 내성이 향상하는 것으로 생각된다. 특히, 저온(예를 들어 400℃ 미만)에서 실리콘 질화막을 형성하는 경우, 질화의 부족이 일어나기 쉬워, 심을 기점으로 하여 습식 에칭이 진행하기 쉬운 것으로 알려져 있다. 실시예 1 내지 3에서는 패턴 내의 애스펙트비를 비교적 낮게 유지하는 것이 가능하기 때문에, 저온에 있어서도 높은 습식 에칭 내성을 갖는다고 생각된다. 또한, 트렌치의 보잉 형상이 큰 경우라도, 보이드의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 생각된다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기의 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
상기의 실시 형태에서는, 흡착 저해 가스가 염소 가스(Cl2), 질소 가스(N2) 또는 염소 가스와 질소 가스의 혼합 가스(Cl2/N2)일 경우를 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 흡착 저해 가스로서는, 할로겐 가스 및 비할로겐 가스의 적어도 어느 것을 포함하는 가스를 들 수 있다. 할로겐 가스로서는, 불소 가스(F2), 염소 가스(Cl2), 불화 수소 가스(HF) 등을 들 수 있다. 비할로겐 가스로서는, 질소 가스(N2), 실란 커플링제 등을 들 수 있다.
상기의 실시 형태에서는, 실리콘 함유 가스가 디클로로실란 가스(DCS)일 경우를 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 실리콘 함유 가스로서는, 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 등의 할로겐 및 규소(Si)를 포함하는 가스를 들 수 있다.
상기의 실시 형태에서는, 질소 함유 가스 및 불활성 가스가 암모니아 가스(NH3) 및 아르곤 가스(Ar)일 경우를 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 질소 함유 가스로서는, 암모니아 가스(NH3), 히드라진(hydrazin) 가스(N2H2), 질소 가스(N2) 등을 들 수 있고, 이들을 조합해도 된다. 또한, 예를 들어 질소 함유 가스에는, 수소 가스(H2)가 포함되어 있어도 된다. 또한, 예를 들어 불활성 가스로서는, 아르곤 가스(Ar), 헬륨 가스(He) 등을 들 수 있고, 이들을 조합해도 된다.
상기의 실시 형태에서는, 퍼지 공정S2, S4, S6에서 사용되는 퍼지 가스가 아르곤 가스(Ar)일 경우를 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 퍼지 가스로서는, 아르곤 가스(Ar), 질소 가스(N2) 등을 들 수 있고, 이들을 조합해도 된다. 또한, 퍼지 가스를 사용하지 않고, 진공 상태에서 배기를 행해도 된다.
상기의 실시 형태에서는, 성막 장치가 용량 결합 플라즈마 장치일 경우를 설명해 왔지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 유도 결합형 플라스마, 표면파 플라스마(마이크로파 플라스마), 마그네트론 플라스마, 리모트 플라스마 등을 플라스마원으로 하는 플라즈마 장치이어도 된다.
상기의 실시 형태에서는, 성막 장치가 웨이퍼를 1매씩 처리하는 매엽식의 장치인 경우를 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 성막 장치는 복수의 웨이퍼에 대하여 한번에 처리를 행하는 배치식의 장치이어도 된다. 또한, 예를 들어 성막 장치는 처리 용기 내의 회전 테이블의 위에 배치된 복수의 웨이퍼를 회전 테이블에 의해 공전시키고, 제1 가스가 공급되는 영역과 제2 가스가 공급되는 영역을 차례로 통과시켜서 웨이퍼에 대하여 처리를 행하는 세미 배치식의 장치이어도 된다. 또한, 예를 들어 성막 장치는 1개의 처리 용기 내에 복수의 적재대를 구비한 복수 매엽 성막 장치이어도 된다.
본 국제 출원은, 2021년 4월 21일에 출원한 일본 특허 출원 제2021-071940호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 당해 출원의 전체 내용을 본 국제 출원에 원용한다.
1: 처리 용기
5: 가스 공급부
9: 제어부
5: 가스 공급부
9: 제어부
Claims (12)
- 기판의 표면에 형성된 오목부에 막을 형성하는 성막 방법으로서,
상기 기판에 흡착 저해 가스를 공급하여 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과,
상기 흡착 저해 영역을 제외한 영역에 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 실리콘 함유 가스가 흡착된 상기 기판을 질화 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 실리콘 질화막을 형성하는 공정
을 갖고,
상기 질화 가스는, 질소 함유 가스와 불활성 가스를 포함하고,
상기 질소 함유 가스의 유량은, 상기 불활성 가스의 유량보다 큰,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과, 상기 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과, 상기 실리콘 질화막을 형성하는 공정을 포함하는 사이클을 반복하는,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 질소 함유 가스는, 암모니아 가스, 히드라진(hydrazin) 가스, 질소 가스의 적어도 어느 것을 포함하고,
상기 불활성 가스는, 아르곤 가스인,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정은, 상기 기판을 할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것 및 상기 기판을 비할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것의 적어도 어느 것을 포함하는,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정은, 상기 기판을 할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키고, 이어서, 상기 기판을 비할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것을 포함하는,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정은, 상기 기판을 비할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키고, 이어서, 상기 기판을 할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것을 포함하는,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정은, 상기 기판을 할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것과, 상기 기판을 비할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것을 포함하는 사이클을 반복하는,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정은, 상기 기판을 할로겐 가스 및 비할로겐 가스의 혼합 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것과, 상기 기판을 할로겐 가스 또는 비할로겐 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시키는 것을 포함하는,
성막 방법. - 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 할로겐 가스는, 염소 가스이며,
상기 비할로겐 가스는, 질소 가스인,
성막 방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡착 저해 영역을 형성하는 공정, 상기 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정 및 상기 실리콘 질화막을 형성하는 공정의 적어도 어느 것의 공정 후에 실시되는 공정이며, 상기 기판을 개질 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 개질하는 공정을 갖는,
성막 방법. - 제10항에 있어서,
상기 개질 가스는, 수소 가스와 불활성 가스를 포함하고,
상기 불활성 가스에 대한 상기 수소 가스의 유량비는 0.1 내지 2.0인,
성막 방법. - 오목부가 표면에 형성된 기판을 수용하는 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에 흡착 저해 가스, 실리콘 함유 가스 및 질소 함유 가스를 공급하는 가스 공급부와,
제어부
를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 기판에 흡착 저해 가스를 공급하여 흡착 저해 영역을 형성하는 공정과,
상기 흡착 저해 영역을 제외한 영역에 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 실리콘 함유 가스가 흡착된 상기 기판을 질화 가스로부터 생성한 플라스마에 노출시켜 실리콘 질화막을 형성하는 공정
을 실시하도록 상기 가스 공급부를 제어하도록 구성되고,
상기 질화 가스는, 질소 함유 가스와 불활성 가스를 포함하고,
상기 질소 함유 가스의 유량은, 상기 불활성 가스의 유량보다 큰,
성막 장치.
Applications Claiming Priority (3)
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