KR20240056418A - 기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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

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고헤이 구리바야시
겐토 노무라
유키나오 가가
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

기판 위에 형성되는 금속계 막의 막 특성을 향상시킨다. (a) 제1 금속막과 절연막을 갖는 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 제1 금속막의 위에 제2 금속을 포함하는 제1막을 형성하는 공정과, (b) 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 제1막과 절연막 위에 제2 금속을 포함하는 제2막을 형성하는 공정을 갖는다.

Description

기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기판 처리 장치 {METHOD OF PROCESSING SUBSTRATE, METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, PROGRAM AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 개시는, 기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
3차원 구조를 갖는 NAND형 플래시 메모리나 DRAM의 워드 라인으로서 예를 들어 저저항의 텅스텐(W)막이 사용되어 있다. 또한, 이 W막과 절연막과의 사이에 배리어막으로서 예를 들어, 질화티타늄(TiN)막이 사용되는 경우가 있다(예를 들어 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조).
일본 특허 공개 제2011-66263호 공보 국제 공개 제2019/058608호 팸플릿
그러나, 3차원 구조의 NAND형 플래시 메모리의 고층화에 따라 에칭이 곤란해지고 있기 때문에, 워드선의 박막화가 과제가 되고 있다. 이 과제를 해결하기 위해서, 상술한 바와 같은 배리어막을 형성하지 않고 막 특성이 좋은 금속계 막의 성막 방법이 요구되고 있다.
본 개시는, 금속계 막의 막 특성을 향상시키는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에 의하면,
(a) 제1 금속막과 절연막을 갖는 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 제1 금속막의 위에 제2 금속을 포함하는 제1막을 형성하는 공정과, (b) 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 제1막과 절연막 위에 제2 금속을 포함하는 제2막을 형성하는 공정을 갖는 기술이 제공된다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 기판 위에 형성되는 금속계 막의 막 특성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 있어서의 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략을 도시하는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 A-A선 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 형태에 있어서의 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 형태에 있어서의 기판 처리 공정을 도시하는 도면이다.
이하, 도 1 내지 4를 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 사용되는 도면은, 모두 모식적인 것이며, 도면에 도시되는, 각 요소의 치수 관계, 각 요소의 비율 등은, 현실의 것과는 반드시 일치하고 있는 것은 아니다. 또한, 복수의 도면의 상호간에 있어서도, 각 요소의 치수 관계, 각 요소의 비율 등은 반드시 일치하고 있는 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 설치되어 있다.
히터(207)의 내측에는, 히터(207)와 동심원상으로 반응관(반응 용기, 처리 용기)을 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)와의 사이에는, 시일 부재로서의 O링(220a)이 마련되어 있다. 매니폴드(209)가 히터 베이스에 지지됨으로써, 아우터 튜브(203)는 수직으로 설치된 상태로 된다.
아우터 튜브(203)의 내측에는, 반응 용기를 구성하는 이너 튜브(204)가 배치되어 있다. 이너 튜브(204)는, 예를 들어 석영, 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 용기(반응 용기)가 구성되어 있다. 처리 용기의 통 중공부(이너 튜브(204)의 내측)에는 처리실(201)이 형성되어 있다.
처리실(201)은, 기판으로서의 웨이퍼(200)를, 지지구로서의 보트(217)에 의해 수평 자세로 연직 방향으로 다단으로 배열한 상태로 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 매스플로우 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. 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 외측으로 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)로 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 서서히 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) 내로 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, 금속 원소를 포함하는 원료 가스(금속 함유 가스, 제2 금속 함유 가스라고도 칭한다)가, MFC(312), 밸브(314), 노즐(410)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급된다.
가스 공급관(320)으로부터는, 처리 가스로서, 환원 가스가, MFC(322), 밸브(324), 노즐(420)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급된다.
가스 공급관(330)으로부터는, 처리 가스로서, 개질 가스가, MFC(332), 밸브(334), 노즐(430)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급된다.
가스 공급관(510, 520, 530)으로부터는, 불활성 가스로서, 예를 들어 아르곤(Ar) 가스가, 각각 MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534), 노즐(410, 420, 430)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급된다. 이하, 불활성 가스로서 Ar 가스를 사용하는 예에 대해서 설명하지만, 불활성 가스로서는, Ar 가스 이외에, 예를 들어 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 크세논(Xe) 가스 등의 희가스를 사용해도 된다.
주로, 가스 공급관(310)으로부터 원료 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(310), MFC(312), 밸브(314)에 의해 원료 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410)을 원료 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 원료 가스 공급계를 금속 함유 가스 공급계(제2 금속 함유 가스 공급계)라고 칭할 수도 있다. 또한, 가스 공급관(320)으로부터 환원 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(320), MFC(322), 밸브(324)에 의해 환원 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(420)을 환원 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 또한, 가스 공급관(330)이나 개질 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(330), MFC(332), 밸브(334)에 의해 개질 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(430)을 개질 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 또한, 금속 함유 가스 공급계와 환원 가스 공급계와 개질 가스 공급계를 처리 가스 공급계라고 칭할 수도 있다. 또한, 노즐(410, 420, 430)을 처리 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 또한, 주로, 가스 공급관(510, 520, 530), MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534)에 의해 불활성 가스 공급계가 구성된다.
본 실시 형태에 있어서의 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) 내로 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 원료 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 슬릿상의 관통 구멍이다. 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내로 공급되어, 웨이퍼(200)의 표면 위를 흐른 가스는, 배기 구멍(204a)을 개재해서 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(203)와의 사이에 형성된 간극(배기로(206) 내)으로 흐른다. 그리고, 배기로(206) 내로 흐른 가스는, 배기관(231) 내로 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 개재해서 배기로(206) 내로 흐른다. 배기 구멍(204a)은 슬릿 상의 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 조정 할 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)에 있어서의 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 가능하도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 보트(217) 및 보트(217)에 수용된 웨이퍼(200)를, 처리실(201) 내외로 반송하는 반송 장치(반송 기구, 반송계)로서 구성되어 있다.
보트(217)는, 복수매, 예를 들어 25 내지 200매의 웨이퍼(200)를, 수평 자세로, 또한, 서로 중심을 정렬시킨 상태로 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 더미 기판(218)이 수평 자세로 다단으로 지지되어 있다. 이 구성에 의해, 히터(207)로부터의 열이 시일 캡(219) 측으로 전해지기 어렵게 되어 있다. 단, 본 실시 형태는 상술한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 보트(217)의 하부에 더미 기판(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 있고, 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전량을 조정함으로써, 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 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/O포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성되어 있다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O포트(121d)는, 내부 버스를 개재하여, CPU(121a)와 데이터 교환 가능하도록 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 방법(기판 처리 방법)의 수순이나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이, 읽어내기 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법(기판 처리 방법)에 있어서의 각 공정(각 스텝)을 컨트롤러(121)에 실행시켜서, 소정의 결과를 얻을 수 있도록 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피, 제어 프로그램 등을 총칭하여, 단순히, 프로그램이라고도 한다. 본 명세서에 있어서 프로그램이라고 하는 말을 사용한 경우는, 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 읽어내진 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 유지되는 메모리 영역(워크 에어리어)으로서 구성되어 있다.
I/O포트(121d)는, 상술한 MFC(312, 322, 332, 512, 522, 532), 밸브(314, 324, 334, 514, 524, 534), 압력 센서(245), APC 밸브(243), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115) 등에 접속되어 있다.
CPU(121a)는, 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 읽어내서 실행함과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라서 기억 장치(121c)로부터 레시피 등을 읽어내게 구성되어 있다. CPU(121a)는, 읽어낸 레시피의 내용에 따르도록, MFC(312), 322, 332, 512, 522, 532)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(314, 324, 334, 514, 524, 534)의 개폐 동작, APC 밸브(243)의 개폐 동작 및 APC 밸브(243)에 의한 압력 센서(245)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 보트(217)로의 웨이퍼(200)의 수용 동작 등을 제어하는 것이 가능하도록 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 인스톨하는 것에 의해 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 명세서에 있어서 기록 매체는, 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우 또는, 그 양쪽을 포함하는 경우가 있다. 컴퓨터로의 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) 위에 예를 들어 3DNAND의 컨트롤 게이트 전극으로서 사용되는 제2 금속을 함유하는 막(제2 금속 함유막이라고도 칭한다)을 형성하는 공정의 일례에 대해서, 도 4를 사용해서 설명한다. 제2 금속 함유막을 형성하는 공정은, 상술한 기판 처리 장치(10)의 처리로(202)를 사용해서 실행된다. 이하의 설명에 있어서, 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) 제1 금속막과 절연막을 갖는 웨이퍼(200)에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1 금속막의 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제1막을 형성하는 공정과,
(b) 웨이퍼(200)에 대하여, 상기 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1막과 상기 절연막 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제2막을 형성하는 공정
을 행하고, 웨이퍼(200)의 위에 제2 금속을 포함하는 제1막과 제2막을 형성한다.
본 명세서에 있어서 「웨이퍼」라고 하는 말을 사용한 경우는, 「웨이퍼 그 자체」를 의미할 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등과의 적층체」를 의미할 경우가 있다. 본 명세서에 있어서 「웨이퍼의 표면」이라고 하는 말을 사용한 경우는, 「웨이퍼 그 자체의 표면」을 의미할 경우나, 「웨이퍼 위에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면」을 의미할 경우가 있다. 본 명세서에 있어서 「기판」이라고 하는 말을 사용한 경우도, 「웨이퍼」라고 하는 말을 사용한 경우와 동의이다.
(웨이퍼 반입)
복수매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 복수매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져서, 처리실(201) 내로 반입(보트 로드)되어, 처리 용기에 수용된다. 이 상태에서, 시일 캡(219)은 O링(220)을 개재해서 아우터 튜브(203)의 하단 개구를 폐색한 상태로 된다.
여기서, 웨이퍼(200)는, 제1 금속막과, 절연막을 갖는다.
절연막으로서는, 제13족 원소, 제14족 원소, 제3족 원소 등의 적어도 하나의 원소를 포함하는 산화막, 질화막, 산질화막, 탄산화막, 탄산질화막 등이 있다. 예를 들어, 산화알루미늄(AlO)막, 산화실리콘(SiO)막, 산화티타늄(TiO)막, 산화지르코늄(ZrO)막, 산화하프늄(HfO)막, 질화실리콘(SiN)막, 산질화실리콘(SiON)막, 탄산화실리콘(SiOC)막, 탄산질화실리콘(SiOCN)막 등이 있다. 또한, 이들 재료의 복합막이어도 되고, 이들 재료의 적층막이어도 된다. 또한, 여기에 기재한 SiN, SiON, SiOC, SiOCN의 Si는, 다른 제13족 원소, 제14족 원소, 제3족 원소 등으로 치환한 막이어도 된다.
또한, 웨이퍼(200)가 갖는 제1 금속막과 절연막은, 동일한 수평면 위에 형성되어 있는 경우나, 다른 면에 형성되어 있는 경우가 있다. 다른 면이란, 예를 들어 웨이퍼(200)에 복수의 오목부가 형성되어 있는 경우로서, 오목부의 안쪽면에 제1 금속막이 형성되고, 오목부의 측벽이 절연막으로 형성되어 있는 것 같은 구성이다.
제1 금속과, 제2 금속으로서는, 예를 들어 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo)의 적어도 하나를 포함하는 금속이다. 제1 금속과 제2 금속은 같은 원소를 주원소로 하는 금속 단체나, 화합물이어도 된다. 또한, 제1 금속과 제2 금속은 다른 원소를 주원소로 하는 금속 단체나, 화합물이어도 된다. 제2 금속 함유 가스는, 이 제2 금속과, 적어도 하나 이상의 할로겐 원소를 포함한다. 할로겐 원소는, 예를 들어 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I)이다. 제2 금속 함유 가스의 구체예로서는, 예를 들어 육불화텅스텐(WF6) 가스, 육염화텅스텐(WCl6) 가스, 삼염화몰리브덴(MoCl3) 가스, 오염화몰리브덴(MoCl5) 가스, Mo와 산소(O)와 Cl을 포함하는 예를 들어 이산화이염화몰리브덴(MoO2Cl2) 가스, 사염화산화몰리브덴(MoOCl4) 가스, 육불화루테늄(RuF6) 가스 등이 있다.
이와 같은 할로겐 원소를 포함하는 화합물(본 개시에서는, 단순히 할로겐화물이라고 칭한다)을 사용하는 성막에서는, 할로겐화물 자체나, 할로겐화물을 사용함으로써 발생하는 반응 부생성물이, 웨이퍼(200) 위에 형성되는 제2 금속 함유층을 에칭(제거)하는 반응이 발생할 수 있다. 이 에칭 반응의 발생량은, 예를 들어 처리 대상으로 되는 웨이퍼(200)의 구성, 기판 처리 공정의 가스 공급 시퀀스, 여러가지의 처리 조건 등에 의해, 조정(제어)할 수 있다.
웨이퍼(200)의 구성은, 예를 들어 웨이퍼(200)의 표면에 존재하는 막의 종류, 웨이퍼(200)의 표면에 존재하는 구조체이다. 예를 들어, 막의 종류에 있어서는, 금속계 막 위보다, 절연막 위쪽이, 에칭 반응이 발생하기 쉽다. 즉, 제2 금속 함유층의 형성 중에 있어서의 제2 금속 함유층의 제거 반응은, 절연막 위쪽이 발생하기 쉽다.
제2 금속 함유층을 형성할 때의 조건으로서는, 예를 들어 가스 공급 시퀀스, 웨이퍼(200)의 온도, 제2 금속 함유 가스의 공급량이 있다. 웨이퍼(200)의 온도를 높게 하여, 제2 금속 함유 가스의 반응성을 높이는 것에 의해, 에칭 반응을 발생하기 쉽게 할 수 있다. 또한, 웨이퍼(200)의 온도를 제2 금속 함유 가스의 분해 반응이 발생할 수 있는 온도로 설정하는 것도 유효하다. 또한, 조건으로서의, 제2 금속 함유 가스의 공급량을 증가시킴으로써, 에칭 반응을 발생하기 쉽게 할 수 있다. 여기서, 공급량이란, 제2 금속 함유 가스의 공급 유량, 공급 시간, 처리실(201) 내의 압력의 적어도 하나를 의미한다. 또한, 이들을 조합하여, 제2 금속 함유 가스의 공급량을 증가시키도록 해도 된다. 예를 들어, 공급 유량과 공급 시간의 곱을 조정함으로써, 공급량을 증가시킬 수 있다. 또한, 공급 유량과 공급 시간의 곱의 조정이란, 공급 유량과 공급 시간의 적어도 하나를 증가시킴으로써, 공급량을 증가시킬 수 있다.
또한, 에칭 반응의 양을 저감시키는, 혹은 에칭 반응의 양보다, 성막 반응의 양이 많아지게 하는 것 같은 방법으로서는, 예를 들어, 이들의 역의 제어나, 웨이퍼(200)의 표면 상태를 개질하는 방법이 있다.
웨이퍼(200)의 표면 상태를 개질하는 방법으로서는, 예를 들어, 웨이퍼(200)의 표면에 제2 금속 함유 가스의 흡착을 촉진 또는 흡착을 저해하는 개질 가스를, 웨이퍼(200)에 공급하는 방법이 있다. 이와 같은 개질 가스를 웨이퍼(200)에 공급함으로써, 웨이퍼(200)에 개질 가스의 적어도 1부를 흡착시킬 수 있다. 흡착한 개질 가스의 적어도 1부와, 제2 금속 함유 가스와의 결합의 용이함을 조정함으로써, 에칭 반응의 양을 조정(제어)할 수 있다. 이들 제2 금속 함유층(제2 금속 함유막)의 형성량(성막량)과 에칭량을 제어하는 예에 대해서 후술한다.
여기서, 제2 금속 함유층의 형성량과 에칭량의 조정은, 특히, 웨이퍼(200)에 다음 같은 구조체가 형성되어 있는 경우에 유효하다. 웨이퍼(200)에 형성되어 있는 구조체로서는, 예를 들어 복수의 오목부가 형성되어 있고, 오목부의 가장 안쪽면에 제1 금속막이 노출하고, 오목부의 측벽면에 절연막이 노출하고 있는 구조가 있다.
또한, 할로겐화물을 사용함으로써 발생하는 반응 부생성물이란, 예를 들어 이하의 적어도 하나를 포함한다. 기판 처리 공정의 가스 공급 시퀀스나, 다양한 조건에 의해, 발생하는 반응 부생성물이 바뀔 수 있다.
A) 할로겐화물이 분해하는 것에 의해 발생하는 할로겐. 이러한 생성은, 예를 들어 할로겐화물을 공급할 때의 웨이퍼(200)의 온도가 분해하는 온도로 되어 있을 경우나, 처리실(201) 내나 웨이퍼(200)의 표면에, 할로겐화물을 분해시키는 가스가 존재하는 경우에, 발생한다.
B) 할로겐화물이, 웨이퍼(200)의 표면에 접촉했을 때에 발생하는 할로겐. 이러한 생성은, 예를 들어 할로겐화물이 웨이퍼(200)의 표면에 접촉했을 때에, 할로겐화물에 포함되는 할로겐이 탈리하여, 발생한다.
C) 할로겐화물과, 반응 가스(환원 가스)와의 반응에 의해 발생하는 할로겐. 이와 같은 생성은, 웨이퍼(200)의 표면에 흡착한 할로겐화물에 반응 가스가 공급 되었을 때에, 할로겐화물과 반응 가스가 반응해서 발생한다. 또한, 처리실(201) 내에서의 기상 중에서, 할로겐화물과 반응 가스가 반응해서 발생하는 경우도 있다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(201) 내, 즉, 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이때, 처리실(201) 내의 압력은, 압력 센서(245)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여, APC 밸브(243)가 피드백 제어된다(압력 조정). 진공 펌프(246)는, 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다. 또한, 처리실(201) 내가 원하는 온도로 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때, 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포가 되도록, 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전량이 피드백 제어된다(온도 조정). 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은, 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 계속해서 행해진다.
[제1층(제1막)의 형성 공정]
[제2 금속 함유 가스 공급, 스텝 S11]
밸브(314)를 개방하여, 가스 공급관(310) 내로 원료 가스인 제2 금속 함유 가스를 흘린다. 제2 금속 함유 가스는, MFC(312)에 의해 유량 조정되고, 노즐(410)의 가스 공급 구멍(410a)으로부터 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 제2 금속 함유 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(514)를 개방하여, 가스 공급관(510) 내에 Ar 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(510) 내를 흐른 Ar 가스는, MFC(512)에 의해 유량 조정되고, 제2 금속 함유 가스와 함께 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(420) 내로의 제2 금속 함유 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(524)를 개방하여, 가스 공급관(520) 내로 Ar 가스를 흘려도 된다. Ar 가스는, 가스 공급관(320), 노즐(420)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로서, 예를 들어 1000Pa로 한다. MFC(312)로 제어하는 제2 금속 함유 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.1 내지 3.0slm, 바람직하게는 0.4 내지 2.5slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522)로 제어하는 Ar 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 제2 금속 함유 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 1 내지 60초, 바람직하게는 1 내지 10초로 한다. 웨이퍼(200)의 온도는, 300 내지 700℃의 온도로 한다. 바람직하게는, 500 내지 700℃이다. 또한, 본 개시에 있어서의 「1 내지 3990Pa」와 같은 수치 범위의 표기는, 하한값 및 상한값이 그 범위에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어 「1 내지 3990Pa」란 「1Pa 이상 3990Pa 이하」를 의미한다. 다른 수치 범위에 대해서도 마찬가지이다.
이때 처리실(201) 내로 흘리고 있는 가스는 제2 금속 함유 가스와 Ar 가스만이다. 제2 금속 함유 가스의 공급에 의해, 웨이퍼(200) 위에 제2 금속 함유층이 형성된다.
여기서, 제2 금속 함유 가스의 공급량을, 후술하는 스텝 S21보다 많게 함으로써, 웨이퍼(200)가 갖는 제1 금속막 위에 우선적으로 제1의 제2 금속 함유층을 형성할 수 있다. 여기서, 제2 금속 함유 가스의 공급량이란, 제2 금속 함유 가스의 공급 유량, 제2 금속 함유 가스의 공급 시간, 웨이퍼(200)가 존재하는 공간으로서의 처리실(201) 내의 압력의 적어도 하나 이상을 의미한다. 이들의 적어도 하나이상을 후술하는 스텝 S21의 때보다 많게 한다. 또한, 이들의 조합으로 제2 금속 함유 가스의 공급량을 조정해도 된다.
또한, 제1층(제1막)의 형성 공정에 있어서의 웨이퍼(200)의 온도(웨이퍼(200)가 존재하는 공간으로서의 처리실(201) 내의 온도)를 제2층(제2막)의 형성 공정에 있어서의 웨이퍼(200)의 온도보다 높게 함으로써, 제1 금속막 위에 우선적으로 제1의 제2 금속 함유층을 형성하는 것을 촉진할 수 있다.
(잔류 가스 제거, 스텝 S12)
제2 금속 함유 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후로서 예를 들어 1 내지 60초 후에, 가스 공급관(310)의 밸브(314)를 닫아, 제2 금속 함유 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 개방한 채로 해서, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 제1의 제2 금속 함유층 형성에 기여한 후의 제2 금속 함유 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉, 처리실(201) 내를 퍼지한다. 이때 밸브(514, 524)는 개방한 채로 해서, Ar 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. Ar 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 제1의 제2 금속 함유층 형성에 기여한 후의 제2 금속 함유 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
(제1 환원 가스 공급, 스텝 S13)
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 밸브(324)를 개방하고, 가스 공급관(320) 내로, 제1 환원 가스를 흘린다. 제1 환원 가스는, MFC(322)에 의해 유량 조정되고, 노즐(420)의 가스 공급 구멍(420a)으로부터 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여, 제1 환원 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(524)를 개방하여, 가스 공급관(520) 내로 Ar 가스를 흘린다. 가스 공급관(520) 내를 흐른 Ar 가스는, MFC(522)에 의해 유량 조정된다. Ar 가스는 제1 환원 가스와 함께 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(410) 내로의 제1 환원 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(514)를 개방하여, 가스 공급관(510) 내로 Ar 가스를 흘린다. Ar 가스는, 가스 공급관(310), 노즐(410)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 13000Pa의 범위 내의 압력으로서, 예를 들어 10000Pa로 한다. MFC(322)로 제어하는 제1 환원 가스의 공급 유량은, 예를 들어 1 내지 50slm, 바람직하게는 15 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522)로 제어하는 Ar 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이때 제1 환원 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 제1 시간인 5분 이상 30분 이하의 범위 내의 시간으로서, 예를 들어 20분으로 한다. 제1 환원 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간을 5분 이상으로 함으로써 웨이퍼(200)에 흡착한 제2 금속 함유 가스를 환원할 수 있고, 30분 이하로 함으로써 스루풋을 향상시켜, 생산성을 확보할 수 있다.
이때 처리실(201) 내로 흘리고 있는 가스는, 제1 환원 가스와 Ar 가스만이다. 제1 환원 가스는, 스텝 S11에서 형성된 제1의 제2 금속 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 그리고, 제1 금속막 위에 우선적으로 제1막으로서의 제2 금속층(제2 금속막)이 형성된다.
여기서, 제1 환원 가스로서는, 예를 들어 수소(H)로 구성되는 가스이다. 바람직하게는, 수소 단체로 구성되는 가스이다. 구체적으로는, 수소(H2) 가스, 중수소(D2)를 사용할 수 있다.
(잔류 가스 제거, 스텝 S14)
제2 금속층을 형성한 후, 밸브(324)를 닫아, 제1 환원 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 상술한 스텝 S12와 마찬가지의 처리 수순에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 제2 금속층의 형성에 기여한 후의 제1 환원 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉, 처리실(201) 내를 퍼지한다.
(소정 횟수 실시)
상기한 스텝 S11 내지 스텝 S14를 차례로 행하는 사이클을 소정 횟수(X회, X는 1 또는 2 이상의 정수) 행함으로써, 제1 금속막 위에 우선적으로 소정의 두께의 제1막(제2 금속막)을 형성한다. 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
또한, 웨이퍼(200)에 상술한 바와 같은 구조체가 형성되어 있는 경우에는, 오목부의 안쪽면으로부터 제1막이 형성되어 가게 된다.
[개질층의 형성 공정]
제1막의 형성 공정과, 제2막의 형성 공정 사이에서, 개질층의 형성 공정을 행해도 된다. 제1막의 형성 공정 조건과, 제2막의 형성 공정 조건을 다르게 하는 것만으로, 제1막의 형성 형태와, 제2막의 형성 형태를 다르게 하는 것도 가능하지만, 개질층의 형성 공정을 행함으로써, 또한 용이하게, 제1막의 형성 형태와, 제2막의 형성 형태를 다르게 할 수 있다. 또한, 개질층의 형성 공정을 행하는 경우에는, 제1막의 형성 공정 조건과, 제2막의 형성 공정의 조건은 크게 다르지 않게 해도 된다. 예를 들어, 제1막의 형성의 공정 웨이퍼(200)의 온도 설정과, 제2막의 형성의 공정 웨이퍼(200)의 온도 설정을 다르게 하는 일 없이, 기판 처리를 행하는 조건이 있다.
개질층의 형성 공정의 예에 대해서 설명한다.
(개질 가스의 공급, 스텝 S31)
밸브(334)를 개방하여, 가스 공급관(330) 내로 개질 가스를 흘린다. 개질 가스는, MFC(332)에 의해, 유량 조정되고, 노즐(430)의 가스 공급 구멍(430a)으로부터 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 개질 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(534)를 개방하여, 가스 공급관(530) 내로 Ar 가스 등의 불활성 가스를 흘려도 된다. 가스 공급관(530) 내를 흐른 Ar 가스는, MFC(532)에 의해 유량 조정되고, 개질 가스와 함께 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(410, 420) 내로 개질 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(514, 524)를 개방하여, 가스 공급관(510, 520) 내로 Ar 가스를 흘려도 된다. Ar 가스는, 가스 공급관(310, 320), 노즐(410, 420)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로서, 예를 들어 1000Pa로 한다. MFC(332)로 제어하는 개질 가스의 공급량은, 예를 들어 0.01 내지 5.0slm의 범위 내의 유량으로 한다. 개질 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 1 내지 600초의 범위 내의 시간으로 한다.
이때 처리실(201) 내로 흘리고 있는 가스는, 개질 가스만 또는, 개질 가스와 불활성 가스로 된다. 개질 가스의 공급에 의해, 웨이퍼(200) 위에 개질 가스의 흡착층(제3층)이 형성된다.
여기서, 개질 가스는, 예를 들어 제13족 원소, 제14족 원소, 제15족 원소의 적어도 하나를 포함하는 가스이다. 이들 원소로서는, 예를 들어 붕소(B), 실리콘(Si), 인(P)이 있다. 더욱 바람직하게는, 개질 가스는, 수소 화합물이다. 제13족 원소를 포함하는 수소 화합물로서는, 예를 들어 모노보란(BH3), 디보란(B2H6) 등의 수소화붕소가 있다. 제14족 원소를 포함하는 수소 화합물로서는, 모노실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8) 등의 수소화실리콘이 있다. 제15족 원소를 포함하는 수소 화합물로서는, 포스핀(PH3), 디포스핀(P2H4) 등의 수소화인이 있다. 또한, 제15족 원소를 포함하는 개질 가스로서는, 수소화물 이외에, 트리메틸 포스핀((CH3)3P) 가스, 트리에틸포스핀((C2H5)3P) 가스, 트리노말프로필포스핀((n-C3H7)3P) 가스, 트리이소프로필포스핀((i-C3H7)3P) 가스, 트리노말부틸포스핀((n-C4H9)3P) 가스, 트리이소부틸포스핀((i-C4H9)3P) 가스, 트리터셔리부틸포스핀((t-C4H9)3P) 가스, 터셔리부틸포스핀(t-C4H9PH2) 가스 등의 알킬포스핀계 가스나, 아미노 포스핀(NH2PH2) 가스, 트리스(디메틸아미노)포스핀([(CH3)2N)]3P) 가스, 비스(디메틸아미노)포스핀(PH[N(CH3)2]2) 가스, 비스(디메틸아미노)클로로포스핀([(CH3)2N]2PCl) 가스 등의 아미노포스핀계 가스나, 비스(디메틸아미노)메틸포스핀(CH3P[N(CH3)2]2) 가스, 디메틸아미노디메틸포스핀((CH3)2PN(CH3)2) 가스, 디에틸아미노디에틸포스핀((C2H5)2PN(C2H5)2) 가스 등의 포스피나스아미드계 가스 등을 사용할 수 있을 경우가 있다.
개질 가스는, 바람직하게는 P와 수소(H)를 포함하는 가스가 사용된다. 이러한 가스를 웨이퍼(200)에 공급함으로써, 웨이퍼(200)의 표면에 적어도 P를 포함하는 개질층을 형성한다. 바람직하게는, 개질층은, P와 H를 포함하는 층이다. 더욱 바람직하게는, 개질층은, 제15족 원소 함유 재료의 분자나, 제15족 원소 함유 재료의 분자가 일부 분해한 상태의 물질을 포함하는 층이다. 예를 들어, 제15족 원소 함유 재료로서, PH3을 사용한 경우에 형성되는 제1층은, P, H, PHx를 포함할 수 있다. 여기서 X는, 3 이하의 정수이며, PHx는, 예를 들어 PH, PH2, PH3의 적어도 하나 이상이다. 또한, 이러한 물질을 포함하는 개질층을 형성하기 위해서, 처리실(201) 내의 온도는, 제15족 원소 함유 재료의 일부가 분해 가능한 온도로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제15족 원소 함유 재료로서, PH3을 사용한 경우, 처리실(201) 내의 온도는, 300℃ 내지 650℃의 범위의 온도로 한다.
(잔류 가스 제거, 스텝 S32)
개질 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 가스 공급관(330)의 밸브(334)를 닫아, 개질 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 개방한 채로 해서, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 개질층의 형성에 기여한 후의 개질 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉, 처리실(201) 내의 분위기를 배기한다. 처리실(201) 내의 압력을 낮추는 것에 의해, 가스 공급관(330)이나 노즐(430) 내에 잔류하는 개질 가스를 배기할 수 있다. 가스 공급관(330)이나 노즐(430) 내에 잔류하는 개질 가스를 배기함으로써, 다음 제2막의 형성 공정에서, 가스 공급관(330)이나 노즐(430) 내에 잔류한 개질 가스가 처리실(201) 내로 공급되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 이때 밸브(514, 524, 534)는 개방한 채로 해서, Ar 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지해도 된다. Ar 가스는 각 노즐로의 가스 진입 억제 가스로서 작용하는 것 외에, 퍼지 가스로서 작용시킬 수 있다. 퍼지 가스로서 Ar 가스를 공급하는 경우, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 개질층의 형성에 기여한 후의 개질 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
[제2층(제2막)의 형성 공정]
(제2 금속 함유 가스 공급, 스텝 S21)
밸브(314)를 개방하여, 가스 공급관(310) 내로 원료 가스인 제2 금속 함유 가스를 흘린다. 또한, 제2막 형성 공정에서 사용되는 제2 금속 함유 가스는, 상술한 제1막 형성 공정에서 사용된 제2 금속 함유 가스와 같은 가스이어도 되고, 다른 종류의 제2 금속 함유 가스이어도 된다. 여기에서는, 제1막 형성 공정에서 사용한 제2 금속 함유 가스와 같은 가스가 사용되는 것을 예로 들어 설명한다. 제2 금속 함유 가스는, MFC(312)에 의해 유량 조정되고, 노즐(410)의 가스 공급 구멍(410a)으로부터 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 제2 금속 함유 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(514)를 개방하여, 가스 공급관(510) 내에 Ar 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(510) 내를 흐른 Ar 가스는, MFC(512)에 의해 유량 조정되고, 제2 금속 함유 가스와 함께 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(420) 내로의 제2 금속 함유 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(524)를 개방하여, 가스 공급관(520) 내로 Ar 가스를 흘린다. Ar 가스는, 가스 공급관(320), 노즐(420)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 3990Pa의 범위 내의 압력으로서, 예를 들어 1000Pa로 한다. MFC(312)로 제어하는 제2 금속 함유 가스의 공급량은, 제1막의 형성 공정 시보다 적은 공급량으로 한다. 여기서, 공급량의 조정은, 예를 들어 공급 유량으로 행해진다. 제2 금속 함유 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.1 내지 1.0slm, 바람직하게는 0.1 내지 0.3slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이와 같이, 스텝 S11에서 공급하는 유량보다 작게 하는 것이 바람직하다. MFC(512, 522)로 제어하는 Ar 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 제2 금속 함유 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 1 내지 60초, 바람직하게는 5 내지 20초로 한다. 웨이퍼(200)의 온도는, 300 내지 700℃의 온도로 한다. 바람직하게는, 300 내지 600℃이다. 여기서, 제2 금속 함유층은, 제1막과 절연막의 각각에 형성시키는 경우에, 제2 금속 함유 가스의 공급량은, 제1막의 형성 공정 시보다 적게 하는 것이 바람직하다. 즉, 제2 금속 함유 가스의 공급 유량, 공급 시간, 처리실(201) 내의 압력 등의 적어도 하나 이상을, 스텝 S11 때보다 적게 한다. 제1막의 형성 공정 후에, 개질층의 형성이 행해지고 있는 경우에는, 제2 금속 함유 가스의 공급량은, 제1막의 형성 공정과 마찬가지이어도 된다.
또한, 제2층(제2막)의 형성 공정에 있어서의 웨이퍼(200)의 온도(처리실(201) 내의 온도)를 제1층(제1막)의 형성 공정에 있어서의 웨이퍼(200)의 온도보다 낮게 하는 것에 의해, 제1막 위와 절연막 위 양쪽에, 제2막을 형성하는 것을 촉진할 수 있다.
이때 처리실(201) 내로 흘리고 있는 가스는 제2 금속 함유 가스와 Ar 가스만이다. 제2 금속 함유 가스의 공급에 의해, 웨이퍼(200) 위에 제2의 제2 금속 함유층이 형성된다. 여기서, 웨이퍼(200)에 제1막과 절연막이 노출하고 있을 경우에는, 제2의 제2 금속 함유층은, 제1막 위와, 절연막 위 각각에 형성된다.
제1막의 형성 공정 후에, 개질층의 형성 공정이 행해지고 있는 경우에는, 제1막 위와 절연막의 위에 형성된 개질층과 제2 금속 함유 가스가 반응하여, 제2 금속을 포함하는 분자가 제1막 위와 절연막의 위에 퇴적한다. 또한, 개질층과 제2 금속 함유 가스가 반응하여, 개질층에 포함되는 원소나 분자가 개질층으로부터 탈리한다. 이 탈리의 과정에서, 제2의 제2 금속 함유층 중에, 개질층을 구성하는 원소나 분자를 도입할 수 있다.
(잔류 가스 제거, 스텝 S22)
제2의 제2 금속 함유층을 형성한 후, 밸브(314)를 닫아, 제2 금속 함유 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 상술한 스텝 S12와 마찬가지의 처리 수순에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 제2의 제2 금속 함유층 형성에 기여한 후의 제2 금속 함유 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉, 처리실(201) 내를 퍼지한다.
(제2 환원 가스 공급, 스텝 S23)
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 밸브(324)를 개방하여, 가스 공급관(320) 내로, 제2 환원 가스를 흘린다. 제2 환원 가스는, MFC(322)에 의해 유량 조정되고, 노즐(420)의 가스 공급 구멍(420a)으로부터 처리실(201) 내로 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여, 제2 환원 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(524)를 개방하여, 가스 공급관(520) 내로 Ar 가스를 흘린다. 가스 공급관(520) 내를 흐른 Ar 가스는, MFC(522)에 의해 유량 조정된다. Ar 가스는 제2 환원 가스와 함께 처리실(201) 내로 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(410) 내로의 제2 환원 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(514)를 개방하여, 가스 공급관(510) 내로 Ar 가스를 흘린다. Ar 가스는, 가스 공급관(310), 노즐(410)을 개재해서 처리실(201) 내로 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 또한, 제2 환원 가스는, 제1 환원 가스와 동일한 종류의 가스를 사용해도 되고, 다른 종류의 환원 가스를 사용하도록 구성해도 된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 1 내지 13000Pa의 범위 내의 압력으로서, 예를 들어 10000Pa로 한다. MFC(322)로 제어하는 환원 가스의 공급 유량은, 예를 들어 1 내지 50slm, 바람직하게는 15 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522)로 제어하는 Ar 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다.
이때 처리실(201) 내로 흘리고 있는 가스는, 제2 환원 가스와 Ar 가스만이다. 제2 환원 가스는, 스텝 S21에서 웨이퍼(200) 위에 형성된 제2의 제2 금속 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 그리고, 웨이퍼(200) 위에 제2막으로서의 제2 금속층이 형성된다.
(잔류 가스 제거, 스텝 S24)
제2 금속층을 형성한 후, 밸브(324)를 닫아, 제2 환원 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 상술한 스텝 S14와 마찬가지의 처리 수순에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 제2 금속층의 형성에 기여한 후의 제2 환원 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉, 처리실(201) 내를 퍼지한다.
(소정 횟수 실시)
상기한 스텝 S21 내지 스텝 S24를 차례로 행하는 사이클을 소정 횟수(Y회, Y는 1 또는 2 이상의 정수) 행함으로써, 제1막이 형성된 웨이퍼(200) 위에 소정의 두께 제2막을 형성한다. 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
또한, 웨이퍼(200)가 제1 금속막과 절연막을 갖는 경우에, 제2막은, 제1막 위 및 절연막 위에 형성된다. 즉, 제1막과는 다르게, 웨이퍼(200)의 전체에 제2막이 형성되게 된다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
가스 공급관(510, 520) 각각으로부터 Ar 가스를 처리실(201) 내로 공급하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. Ar 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 상태로 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 1개 또는 복수의 효과를 얻을 수 있다.
(a) 특성이 다른 제2 금속 함유막을 적층할 수 있다.
(b) 웨이퍼(200)에 요철이 형성되고, 오목부의 안쪽면에 금속막이 노출되고, 오목부의 측면에 절연막이 노출되어 있을 경우에, 웨이퍼(200)의 안쪽면으로부터, 제2 금속 함유막을 형성할 수 있다. 즉, 오목부 내를 균일하게 제2 금속 함유막으로 매립할 수 있다. 또한, 오목부의 안쪽면으로부터, 제2 금속 함유막을 매립하는 것에 의해, 볼록부(오목부의 측벽)가 무너지는 것을 억제할 수 있다. 즉, 웨이퍼(200)에 형성된 패턴이 무너지는 것을 억제할 수 있다.
(c) 제1막의 형성 공정에 있어서의 제2 금속 함유 가스의 공급량을, 제2막의 형성 공정에 있어서의 제2 금속 함유 가스의 공급량보다 많게 하는 것에 의해, 제1막의 형성 공정에 있어서, 오목부의 저면(제1 금속막) 측에서의 막의 형성량을 에칭량보다 많게 하고, 오목부의 측벽(절연막) 측에서의 막의 형성량을 에칭량보다 적게 할 수 있다. 즉, 제1 금속막 위에 우선적으로 제1막을 형성할 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 금속막 위에 선택적으로 제1막을 형성할 수 있다. 또한, 제1막 형성의 선택성을 향상시킬 수 있다.
(d) 제1막의 형성 공정에 있어서의 웨이퍼(200)의 온도를, 제2막의 형성 공정에 있어서의 웨이퍼(200)의 온도보다 높게 함으로써, 제1막의 형성 공정에 있어서, 오목부의 저면(제1 금속막)측에서의 막의 형성량을 에칭량보다 많게 하고, 오목부의 측벽(절연막)측에서의 막의 형성량을 에칭량보다 적게 할 수 있다. 즉, 제1 금속막 위에 우선적으로 제1막을 형성할 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 금속막 위에 선택적으로 제1막을 형성할 수 있다. 또한, 제1막 형성의 선택성을 향상시킬 수 있다.
(e) 제1막의 형성 공정 후에, 개질층의 형성 공정을 행함으로써, 제2막의 형성 공정에 있어서, 각 부의 에칭량보다 막의 형성량을 많게 할 수 있다. 즉, 개질층의 형성 공정 후의 제2막의 형성 공정에서는, 웨이퍼(200) 위에 균일하게 제2막을 형성하는 것이 가능하게 된다. 바꾸어 말하면, 제2막의 형성 선택성을 저하시킬 수 있다. 구체적으로는, 개질 가스로서, PH3 가스를 사용함으로써, 개질층으로서, PHx를 포함하는 층이 형성된다. 이 PHx와 할로겐화물은 화학 반응이 일어나기 쉽고, 웨이퍼(200)의 위에는, 제2 금속을 포함하는 층이 형성되고, 개질층으로부터, P를 포함하는 분자가 탈리한다. P를 포함하는 분자는 예를 들어, 염화포스포릴(POCl3)이 있다. 이러한 반응이 발생하기 때문에, 제2 금속 함유막의 성막 속도를 향상시킬 수 있다. 즉, 성막 속도가 에칭 속도를 상회한 상태로 할 수 있다. 또한, 이 화학 반응에 의해, 제2 금속 함유막 중에 개질층에 포함되어 있던 원소(예를 들어 P)가 도입된다(개질층에 포함되어 있던 원소가 제2 금속 함유막 중으로 확산한다고도 한다).
(4) 다른 실시 형태
상술한 양태에서는, 한번에 복수매의 기판을 처리하는 배치식의 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 예에 대해서 설명했다. 본 개시는 상술한 양태에 한정되지 않고, 예를 들어 한번에 1매 또는 수매의 기판을 처리하는 매엽식의 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 경우에도, 적합하게 적용할 수 있다. 또한, 상술한 양태에서는, 핫월형의 처리로를 갖는 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 예에 대해서 설명했다. 본 개시는 상술한 양태에 한정되지 않고, 콜드월형의 처리로를 갖는 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 경우에도, 적합하게 적용할 수 있다.
이들 기판 처리 장치를 사용하는 경우에 있어서도, 상술한 양태나 변형예와 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건으로 각 처리를 행할 수 있고, 상술한 양태나 변형예와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
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 개재하여, 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 장치로 각양각색의 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 박막을 범용적으로, 또한, 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한, 오퍼레이터의 조작 부담(처리 수순이나 처리 조건 등의 입력 부담 등)을 저감할 수 있고, 조작 미스를 회피하면서, 기판 처리를 신속히 개시할 수 있게 된다.
또한, 본 개시는, 예를 들어 기존의 기판 처리 장치 프로세스 레시피를 변경함으로써도 실현할 수 있다. 프로세스 레시피를 변경하는 경우는, 본 개시에 관한 프로세스 레시피를 전기 통신 회선이나 당해 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체를 개재해서 기존의 기판 처리 장치에 인스톨하거나, 또한, 기존의 기판 처리 장치 의 입출력 장치를 조작하여, 그 프로세스 레시피 자체를 본 개시에 관한 프로세스 레시피로 변경하거나 하는 것도 가능하다.
이상, 본 개시의 실시 형태를 구체적으로 설명했다. 그러나, 본 개시는 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
10: 기판 처리 장치
121: 컨트롤러
200: 웨이퍼(기판)
201: 처리실

Claims (16)

  1. (a) 제1 금속막과 절연막을 갖는 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1 금속막의 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제1막을 형성하는 공정과,
    (b) 상기 기판에 대하여, 상기 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1막과 상기 절연막 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제2막을 형성하는 공정
    을 갖는, 기판 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (a)에 있어서의 상기 제2 금속 함유 가스의 공급량을, (b)에 있어서의 제2 금속 함유 가스의 공급량보다 많게 하는, 기판 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    (a)에 있어서의 상기 제2 금속 함유 가스의 공급유량을, (b)에 있어서의 제2 금속 함유 가스의 공급유량보다 크게하는, 기판 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    (a)에 있어서의 상기 제2 금속 함유 가스의 공급시간을, (b)에 있어서의 제2 금속 함유 가스의 공급시간보다 크게하는, 기판 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (a)에 있어서의 상기 기판이 존재하는 공간의 압력을, (b)에 있어서의 상기 기판이 존재하는 공간의 압력보다 크게하는, 기판 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (c) (b) 전에, 개질 가스를 공급하는 공정을 갖는, 기판 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    (a)와 (b)에서는, 환원 가스가 공급되고, 상기 개질 가스는, 상기 환원 가스와는 다른 화합물인, 기판 처리 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 개질 가스는, 제13족 원소, 제14족 원소, 제15 원소의 적어도 하나 이상을 포함하는 수소 화합물인, 기판 처리 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 개질 가스는, 붕소, 실리콘, 인의 적어도 하나를 포함하는, 기판 처리 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 개질 가스는, BH3, B2H6, SiH4, Si2H6, Si3H8, PH3의 적어도 하나를 포함하는, 기판 처리 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 금속과 상기 제2 금속은, W, Ti, Ru, Co, Mo의 적어도 하나를 포함하는, 기판 처리 방법.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    (a)는,
    (a1) 상기 기판에 대하여, 상기 제2 금속 함유 가스를 공급하는 공정과,
    (a2) 상기 기판에 대하여, 제1 환원 가스를 공급하는 공정
    을 갖는, 기판 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    (b)는,
    (b1) 상기 기판에 대하여, 상기 제2 금속 함유 가스를 공급하는 공정과,
    (b2) 상기 기판에 대하여, 제2 환원 가스를 공급하는 공정
    을 갖는, 기판 처리 방법.
  14. (a) 제1 금속과 절연막을 갖는 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1 금속의 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제1막을 형성하는 공정과,
    (b) 상기 기판에 대하여, 상기 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1막과 상기 절연막 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제2막을 형성하는 공정
    을 갖는, 반도체 장치의 제조 방법.
  15. (a) 제1 금속과 절연막을 갖는 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1 금속의 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제1막을 형성시키는 수순과,
    (b) 상기 기판에 대하여, 상기 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1막과 상기 절연막 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제2막을 형성시키는 수순
    을 컴퓨터에 의해 기판 처리 장치에 실행시키는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록된 프로그램.
  16. 제1 금속막과 절연막을 갖는 기판에 제2 금속 함유 가스를 공급하는 가스 공급계와,
    (a) 제1 금속막과 절연막을 갖는 기판에 대하여, 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1 금속막의 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제1막을 형성하는 처리와,
    (b) 상기 기판에 대하여, 상기 제2 금속 함유 가스를 공급하여, 상기 제1막과 상기 절연막 위에 상기 제2 금속을 포함하는 제2막을 형성하는 처리
    를 행하도록 상기 가스 공급계를 제어하는 것이 가능하게 구성된 제어부
    를 갖는 기판 처리 장치.
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