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KR102241266B1 - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

성막 방법 및 성막 장치 Download PDF

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KR102241266B1
KR102241266B1 KR1020180020530A KR20180020530A KR102241266B1 KR 102241266 B1 KR102241266 B1 KR 102241266B1 KR 1020180020530 A KR1020180020530 A KR 1020180020530A KR 20180020530 A KR20180020530 A KR 20180020530A KR 102241266 B1 KR102241266 B1 KR 102241266B1
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KR
South Korea
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film
film forming
gas supply
chlorine
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유타카 다카하시
마사히로 무라타
히토시 가토
Original Assignee
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명은 간소한 프로세스 및 장치에 의해 실현 가능한 보텀업성이 높은 질화막의 매립 성막을 행할 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
기판의 표면에 형성되어 있는 오목부 패턴에 저면측으로부터 질화막을 매립하는 성막 방법이며,
상기 기판의 표면 및 상기 오목부 패턴의 상부에 플라스마에 의해 활성화된 염소 가스를 공급하여 흡착시켜, 흡착 저해기를 형성하는 공정과,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 실리콘 또는 금속과 염소를 함유하는 원료 가스를 공급하고, 상기 흡착 저해기가 형성되어 있지 않은 상기 오목부 패턴 내의 하부 영역에 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 질화 가스를 공급하고, 상기 오목부 패턴 내의 하부 영역에 상기 원료 가스와의 반응에 의해 생성된 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정을 갖는다.

Description

성막 방법 및 성막 장치 {FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 성막 방법 및 성막 장치에 관한다.
종래부터, 기판에 형성된 오목부의 내면에 원하는 분포로 수산기를 흡착시켜, 계속해서 유기 아미노실란 가스를 수산기가 흡착한 기판에 공급하여 흡착시키고, 계속해서 산화 가스를 유기 아미노실란 가스가 흡착한 기판에 공급하고, 실리콘 산화막을 오목부 내에 성막하는 성막 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
이러한 성막 방법에 의하면, 수산기의 흡착 분포를 제어함으로써, 원하는 막 두께 분포로 성막을 행하는 것이 가능해지고, 보텀업성이 높은 성막이나, 오목부의 형상으로 컨포멀한 성막 등을 용도에 따라 실시할 수 있다.
일본 특허 공개 제2013-135154호 공보
그런데, 상술한 바와 같은 보텀업성이 높은 성막은 반도체 집적 회로의 고밀도화 및 다양화에 의해, 실리콘 산화막 이외의 성막, 예를 들어 질화막에서도 요구되어 왔다.
그래서, 본 발명은 간소한 프로세스 및 장치에 의해 실현 가능한 보텀업성이 높은 질화막의 매립 성막을 행할 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 형태에 관한 성막 방법은, 기판의 표면에 형성되어 있는 오목부 패턴에 저면측으로부터 질화막을 매립하는 성막 방법이며,
상기 기판의 표면 및 상기 오목부 패턴의 상부에 플라스마에 의해 활성화된 염소 가스를 공급하여 흡착시켜, 흡착 저해기를 형성하는 공정과,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 실리콘 또는 금속과 염소를 함유하는 원료 가스를 공급하고, 상기 흡착 저해기가 형성되어 있지 않은 상기 오목부 패턴 내의 하부 영역에 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정과,
상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 질화 가스를 공급하고, 상기 오목부 패턴 내의 하부 영역에 상기 원료 가스와의 반응에 의해 생성된 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정을 갖는다.
본 발명에 따르면, 보텀업성이 높은 질화막의 매립 성막을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치의 진공 용기 내의 구성을 도시하는 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치의 진공 용기 내의 구성을 도시하는 개략 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치의 회전 테이블의 동심원을 따른 진공 용기의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치의 다른 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치에 설치되는 플라스마 발생원을 도시하는 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치에 설치되는 플라스마 발생원을 도시하는 다른 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치에 설치되는 플라스마 발생원을 도시하는 개략 상면도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례의 일련의 공정을 도시한 도면이다. 도 9의 (a)는 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법의 성막 개시 전의 웨이퍼(W)의 상태를 도시한 도면이다. 도 9의 (b)는 흡착 저해기 형성 공정의 일례를 도시한 도면이다. 도 9의 (c)는 원료 가스 흡착 공정의 일례를 도시한 도면이다. 도 9의 (d)는 질화막 퇴적 공정의 일례를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치에 있어서의 제3 처리 영역(P3)을 설명하기 위한 일부 단면도이다.
도 12는 샤워 헤드부의 하면의 일례를 도시한 평면도이다.
도 13은 실시예 1에 관한 성막 방법의 실시 결과이다.
도 14는 실시예 2에 관한 성막 방법의 실시 결과이다.
도 15는 비교예에 관한 종래의 성막 방법의 실시 결과를 도시한 도면이다.
도 16은 실시예 3에 관한 성막 방법의 트렌치의 매립 상태의 시간 경과를 도시한 도면이다.
도 17은 실시예 3의 매립 성막으로 트렌치 내에 퇴적한 막에 대하여, 상방으로부터 차례로 측정점을 설정하고, 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 18은 실시예 3의 각 측정점에 있어서의 성막량을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태의 설명을 행한다.
[제1 실시 형태]
<성막 장치>
처음에, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 실시 형태에 관한 성막 장치는, 대략 원형의 평면 형상을 갖는 편평한 진공 용기(1)와, 진공 용기(1) 내에 설치되고, 진공 용기(1)의 중심에 회전 중심을 갖는 회전 테이블(2)을 구비하고 있다. 진공 용기(1)는 내부에 수용한 웨이퍼의 표면 상에 성막 처리를 행하기 위한 처리실이다. 진공 용기(1)는 바닥이 있는 원통 형상을 갖는 용기 본체(12)와, 용기 본체(12)의 상면에 대하여, 예를 들어 O링 등의 시일 부재(13)(도 1)를 통해 기밀하게 착탈 가능하게 배치되는 천장판(11)을 갖고 있다.
회전 테이블(2)은 중심부에서 원통 형상의 코어부(21)에 고정되고, 이 코어부(21)는 연직 방향으로 연신되는 회전축(22)의 상단에 고정되어 있다. 회전축(22)은 진공 용기(1)의 저부(14)를 관통하고, 하단이 회전축(22)(도 1)을 연직축 주위로 회전시키는 구동부(23)에 설치되어 있다. 회전축(22) 및 구동부(23)는 상면이 개구된 통상의 케이스체(20) 내에 수납되어 있다. 케이스체(20)는 그 상면에 설치된 플랜지 부분이 진공 용기(1)의 저부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어 있고, 케이스체(20)의 내부 분위기와 외부 분위기의 기밀 상태가 유지되어 있다.
회전 테이블(2)의 표면부에는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 회전 방향(주위 방향)을 따라 복수(도시의 예에서는 5매)의 기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 함)(W)를 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)가 마련되어 있다. 또한, 도 3에는 편의상 1개의 오목부(24)에만 웨이퍼(W)를 도시한다. 이 오목부(24)는 웨이퍼(W)의 직경보다도 약간, 예를 들어 4㎜ 큰 내경과, 웨이퍼(W)의 두께에 대략 동등한 깊이를 갖고 있다. 따라서, 웨이퍼(W)가 오목부(24)에 수용되면, 웨이퍼(W)의 표면과 회전 테이블(2)의 표면[웨이퍼(W)가 적재되지 않은 영역]이 동일한 높이가 된다. 오목부(24)의 저면에는 웨이퍼(W)의 이면을 지지하고 웨이퍼(W)를 승강시키기 위한, 예를 들어 3개의 승강 핀이 관통하는 관통 구멍(모두 도시하지 않음)이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3은 진공 용기(1) 내의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 설명의 편의상, 천장판(11)의 도시를 생략하고 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 회전 테이블(2)의 상방에는 각각, 예를 들어 석영으로 이루어지는 반응 가스 노즐(31), 반응 가스 노즐(32), 반응 가스 노즐(33) 및 분리 가스 노즐(41, 42)이 진공 용기(1)의 주위 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향(도 3의 화살표 A)]으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 도시의 예에서는, 후술하는 반송구(15)로부터 시계 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향]으로, 분리 가스 노즐(41), 반응 가스 노즐(31), 분리 가스 노즐(42), 반응 가스 노즐(32) 및 반응 가스 노즐(33)이 이 순서로 배열되어 있다. 이것들의 노즐(31, 32, 33, 41, 42)은 각 노즐(31, 32, 33, 41, 42)의 기단부인 가스 도입 포트(31a, 32a, 33a, 41a, 42a)(도 3)를 용기 본체(12)의 외주벽에 고정함으로써, 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 진공 용기(1) 내로 도입되고, 용기 본체(12)의 반경 방향을 따라 회전 테이블(2)에 대하여 수평으로 연신되도록 설치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 반응 가스 노즐(31)은 배관(110) 및 유량 제어기(120) 등을 통해, 원료 가스의 공급원(130)에 접속되어 있다. 반응 가스 노즐(32)은 배관(111) 및 유량 제어기(121) 등을 통해, 질화 가스의 공급원(131)에 접속되어 있다. 또한, 반응 가스 노즐(33)은 배관(112) 및 유량 제어기(122) 등을 통해, 염소 가스(Cl2)의 공급원(132)에 접속되어 있다. 분리 가스 노즐(41, 42)은 모두 도시하지 않은 배관 및 유량 제어 밸브 등을 통해, 분리 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 분리 가스로서는, 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 등의 희가스나 질소(N2) 가스 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는 Ar 가스를 사용하는 예를 들어 설명한다.
반응 가스 노즐(31, 32, 33)에는 회전 테이블(2)을 향해 개구되는 복수의 가스 토출 구멍(35)이, 반응 가스 노즐(31, 32, 33)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10㎜의 간격으로 배열되어 있다. 반응 가스 노즐(31)의 하방 영역은 원료 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역(P1)이 된다. 반응 가스 노즐(32)의 하방 영역은 제1 처리 영역(P1)에 있어서 웨이퍼(W)에 흡착한 원료 가스를 질화하는 질화 가스를 공급하고, 질화물의 분자층을 생성하는 제2 처리 영역(P2)이 된다. 또한, 질화물의 분자층이, 성막되는 질화막을 구성한다. 반응 가스 노즐(33)의 하방 영역은 제2 처리 영역(P2)에 있어서 생성한 반응 생성물(질화막)에 플라스마에 의해 활성화한 염소 가스를 공급하고, 흡착 저해기를 형성하는 제3 처리 영역(P3)이 된다. 여기서, 제1 처리 영역(P1)은 원료 가스를 공급하는 영역이므로, 원료 가스 공급 영역(P1)이라고 칭해도 되는 것으로 한다. 마찬가지로, 제2 처리 영역(P2)은 원료 가스와 반응하여 질화물을 생성 가능한 질화 가스를 공급하는 영역이므로, 질화 가스 공급 영역(P2)이라고 칭해도 되는 것으로 한다. 또한, 제3 처리 영역(P3)은 염소 가스를 공급하는 영역이므로, 염소 가스 공급 영역(P3)이라고 칭해도 되는 것으로 한다.
또한, 제3 처리 영역(P3)의 상방에는 플라스마 발생기(80)가 설치되어 있다. 또한, 필요에 따라, 제2 처리 영역(P2)의 상방에도 플라스마 발생기(80a)를 설치하도록 해도 된다. 도 3에 있어서, 플라스마 발생기(80, 80a)는 파선으로 간략화하여 도시되어 있다. 플라스마 발생기(80, 80a)의 상세에 대해서는 후술한다.
또한, 원료 가스로서는, 실리콘 및 염소를 함유하는 가스, 또는 금속 및 염소를 함유하는 가스가 선택된다. 예를 들어, 질화실리콘(SiN)막을 성막하는 경우에는 디클로로실란(DCS, SiH2Cl2) 등의 실리콘 및 염소를 함유하는 가스가 선택된다. 또한, 예를 들어 질화티타늄(TiN)막, 질화알루미늄(AlN)막 등의 금속 질화막을 성막하는 경우에는, 사염화티타늄(TiCl4), 삼염화알루미늄(AlCl3) 등의 금속 및 염소를 함유하는 가스가 원료 가스로서 선택된다.
또한, 질화 가스로서는, 일반적으로는 암모니아(NH3) 함유 가스가 선택된다. 그 밖에, 질화 가스를 플라스마에 의해 활성화하여 공급하는 경우에는, 질소(N2) 함유 가스가 선택되는 경우도 있다. 또한, 질화 가스는 암모니아 외에, Ar 등의 캐리어 가스를 포함해도 된다.
제3 반응 노즐로부터 공급되는 염소 가스는, 제1 반응 가스 노즐(31)로부터 공급되는 원료 가스가 웨이퍼에 흡착하는 것을 저해하는 흡착 저해기를 웨이퍼의 표면 상에 형성하는 역할을 갖는다. 예를 들어, 웨이퍼의 표면에 비아, 트렌치 등의 오목부 패턴이 형성되어 있는 경우에는, 웨이퍼의 표면 및 오목부 패턴의 상부에 흡착 저해기를 형성함으로써, 오목부 패턴의 상부에서는 막 두께가 두꺼워지지 않고, 저면측의 막 두께가 두꺼워져, 보텀업성이 높은 성막이 가능해진다. 원료 가스가 질화됨으로써, NH2 구조의 수소기로 종단하고, 원료 가스에 대하여 흡착 사이트를 형성하고 있지만, 활성화한 염소가 공급되면, NH2 구조의 H기가 Cl기로 치환되어 버린다. 상술한 바와 같이, 원료 가스가 염소를 함유하는 가스이고, 염소끼리는 흡착하지 않기 때문에, 염소로 종단화된 개소에는 원료 가스가 흡착하지 않는다. 이와 같이, Cl기로 종단된 개소는 흡착 저해기로서 기능하고, 원료 가스의 흡착을 저해한다. 또한, 활성화한 염소 가스는 웨이퍼(W)의 표면 및 오목부 패턴의 상부에는 용이하게 도달하므로 많이 흡착하지만, 오목부 패턴의 하부 및 저부에는 도달하기 어려워지므로, 오목부 패턴의 저부에 접근함에 따라, Cl기의 밀도는 작아진다. 따라서, 오목부 패턴의 상부 및 웨이퍼의 표면에는 고밀도로 흡착 저해기가 형성되지만, 오목부 패턴의 하부(저부)에는 흡착 저해기가 저밀도로 형성된다. 이에 의해, 원료 가스가 웨이퍼(W)의 표면 및 상부에 하부에 더 많이 흡착시킬 수 있고, 오목부 패턴의 저부로부터 성막을 개시하는 보텀업 성막이 가능해진다. 또한, 이 점의 상세에 대해서는 후술한다. 또한, 제3 반응 노즐로부터 공급되는 가스는 염소 가스 외에, Ar 등의 캐리어 가스를 포함해도 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 진공 용기(1) 내에는 2개의 볼록상부(4)가 설치되어 있다. 볼록상부(4)는 분리 가스 노즐(41, 42)과 함께 분리 영역(D)을 구성하기 위해, 후술하는 바와 같이, 회전 테이블(2)을 향해 돌출되도록 천장판(11)의 이면에 설치되어 있다. 또한, 볼록상부(4)는 정상부가 원호상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고, 본 실시 형태에 있어서는, 내원호가 돌출부(5)(후술)에 연결되고, 외원호가, 진공 용기(1)의 용기 본체(12)의 내주면을 따르도록 배치되어 있다.
도 4는 반응 가스 노즐(31)로부터 반응 가스 노즐(32)까지 회전 테이블(2)의 동심원을 따른 진공 용기(1)의 단면을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 천장판(11)의 이면에 볼록상부(4)가 설치되어 있기 때문에, 진공 용기(1) 내에는 볼록상부(4)의 하면인 평탄한 낮은 천장면(44)(제1 천장면)과, 이 천장면(44)의 주위 방향 양측에 위치하는, 천장면(44)보다도 높은 천장면(45)(제2 천장면)이 존재한다. 천장면(44)은 정상부가 원호상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 도시한 바와 같이 볼록상부(4)에는 주위 방향 중앙에 있어서, 반경 방향으로 연신되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(42)이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 다른 하나의 볼록상부(4)에도 마찬가지로 홈부(43)가 형성되고, 여기에 분리 가스 노즐(41)이 수용되어 있다. 또한, 높은 천장면(45)의 하방의 공간에 반응 가스 노즐(31, 32)이 각각 설치되어 있다. 이것들의 반응 가스 노즐(31, 32)은 천장면(45)으로부터 이격하여 웨이퍼(W)의 근방에 설치되어 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 높은 천장면(45)의 하방의 우측의 공간(481)에 반응 가스 노즐(31)이 설치되고, 높은 천장면(45)의 하방의 좌측의 공간(482)에 반응 가스 노즐(32)이 설치된다.
또한, 볼록상부(4)의 홈부(43)에 수용되는 분리 가스 노즐(41, 42)에는 회전 테이블(2)을 향해 개구되는 복수의 가스 토출 구멍(42h)(도 4 참조)이, 분리 가스 노즐(41, 42)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10㎜의 간격으로 배열되어 있다.
천장면(44)은 협애한 공간인 분리 공간 H를 회전 테이블(2)에 대하여 형성하고 있다. 분리 가스 노즐(42)의 토출 구멍(42h)으로부터 Ar 가스가 공급되면, 이 Ar 가스는 분리 공간 H를 통해 공간(481) 및 공간(482)을 향해 흐른다. 이때, 분리 공간 H의 용적은 공간(481 및 482)의 용적보다도 작기 때문에, Ar 가스에 의해 분리 공간 H의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비해 높게 할 수 있다. 즉, 공간(481 및 482) 사이에 압력이 높은 분리 공간 H가 형성된다. 또한, 분리 공간 H로부터 공간(481 및 482)으로 유출되는 Ar 가스가, 제1 영역(P1)으로부터의 제1 반응 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 제2 반응 가스에 대한 카운터 플로우로서 작용한다. 따라서, 제1 영역(P1)으로부터의 제1 반응 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 제2 반응 가스가 분리 공간 H에 의해 분리된다. 따라서, 진공 용기(1) 내에 있어서 제1 반응 가스와 제2 반응 가스가 혼합하여, 반응하는 것이 억제된다.
또한, 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이 h1은 성막 시의 진공 용기(1) 내의 압력, 회전 테이블(2)의 회전 속도, 공급하는 분리 가스(Ar 가스)의 공급량 등을 고려하여, 분리 공간 H의 압력을 공간(481 및 482)의 압력에 비해 높게 하는 데 적합한 높이로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 천장판(11)의 하면에는 회전 테이블(2)을 고정하는 코어부(21)의 외주를 둘러싸는 돌출부(5)(도 2 및 도 3)가 마련되어 있다. 이 돌출부(5)는, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록상부(4)에 있어서의 회전 중심측의 부위와 연속하고 있고, 그 하면이 천장면(44)과 동일한 높이로 형성되어 있다.
먼저 참조한 도 1은 도 3의 I-I'선을 따른 단면도이고, 천장면(45)이 설치되어 있는 영역을 도시하고 있다. 한편, 도 5는 천장면(44)이 설치되어 있는 영역을 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 부채형의 볼록상부(4)의 주연부[진공 용기(1)의 외연측의 부위]에는 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향하도록 L자형으로 굴곡하는 굴곡부(46)가 형성되어 있다. 이 굴곡부(46)는 볼록상부(4)와 마찬가지로, 분리 영역(D)의 양측으로부터 반응 가스가 침입하는 것을 억제하고, 양 반응 가스의 혼합을 억제한다. 부채형의 볼록상부(4)는 천장판(11)에 설치되고, 천장판(11)을 용기 본체(12)로부터 제거할 수 있도록 되어 있는 점에서, 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12) 사이에는 약간 간극이 있다. 굴곡부(46)의 내주면과 회전 테이블(2)의 외측 단부면의 간극 및 굴곡부(46)의 외주면과 용기 본체(12)의 간극은, 예를 들어 회전 테이블(2)의 상면에 대한 천장면(44)의 높이와 동일한 치수로 설정되어 있다.
용기 본체(12)의 내주벽은 분리 영역(D)에 있어서는, 도 4에 도시한 바와 같이 굴곡부(46)의 외주면과 접근하여 수직면으로 형성되어 있지만, 분리 영역(D) 이외의 부위에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 예를 들어 회전 테이블(2)의 외측 단부면과 대향하는 부위로부터 저부(14)에 걸쳐서 외측으로 오목하게 되어 있다. 이하, 설명의 편의상, 대략 직사각형의 단면 형상을 갖는 오목한 부분을 배기 영역이라고 기재한다. 구체적으로는, 제1 처리 영역(P1)에 연통하는 배기 영역을 제1 배기 영역 E1이라고 기재하고, 제2 및 제3 처리 영역(P2, P3)에 연통하는 영역을 제2 배기 영역 E2라고 기재한다. 이것들의 제1 배기 영역 E1 및 제2 배기 영역 E2의 저부에는, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 각각, 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)가 형성되어 있다. 제1 배기구(610) 및 제2 배기구(620)는, 도 1에 도시한 바와 같이 각각 배기관(630)을 통해 진공 배기 수단인, 예를 들어 진공 펌프(640)에 접속되어 있다. 또한, 진공 펌프(640)와 배기관(630) 사이에, 압력 제어기(650)가 설치된다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 처리 영역(P2)과 제3 처리 영역(P3) 사이에 분리 영역 H는 마련되어 있지 않지만, 도 3에 있어서는, 플라스마 발생기(80)로서 도시된 영역에, 회전 테이블(2) 상의 공간을 구획하는 하우징이 설치된다. 또는, 플라스마 발생기(80)에 하우징이 설치되지 않은 경우에는, 플라스마 발생기(80a)에 하우징이 설치되고, 제2 처리 영역(P2)과 제3 처리 영역(P3)의 공간은 구획된다. 또한, 이 점의 상세는 후술한다.
회전 테이블(2)과 진공 용기(1)의 저부(14) 사이의 공간에는, 도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이 가열 수단인 히터 유닛(7)이 설치되고, 회전 테이블(2)을 통해 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)가, 프로세스 레시피로 결정된 온도(예를 들어, 400℃)로 가열된다. 회전 테이블(2)의 주연 부근의 하방측에는 회전 테이블(2)의 상방 공간으로부터 배기 영역 E1, E2에 이르기까지의 분위기와 히터 유닛(7)이 놓여져 있는 분위기를 구획하여 회전 테이블(2)의 하방 영역으로의 가스의 침입을 억제하기 위해, 링상의 커버 부재(71)가 설치되어 있다(도 5). 이 커버 부재(71)는 회전 테이블(2)의 외연부 및 외연부보다도 외주측을 하방측으로부터 면하도록 설치된 내측 부재(71a)와, 이 내측 부재(71a)와 진공 용기(1)의 내벽면 사이에 마련된 외측 부재(71b)를 구비하고 있다. 외측 부재(71b)는 분리 영역(D)에 있어서 볼록상부(4)의 외연부에 형성된 굴곡부(46)의 하방에서, 굴곡부(46)와 근접하여 설치되고, 내측 부재(71a)는 회전 테이블(2)의 외연부 하방(및 외연부보다도 약간 외측의 부분의 하방)에 있어서, 히터 유닛(7)을 전체 주위에 걸쳐서 둘러싸고 있다.
히터 유닛(7)이 배치되어 있는 공간보다도 회전 중심 근처의 부위에 있어서의 저부(14)는 회전 테이블(2)의 하면의 중심부 부근에 있어서의 코어부(21)에 접근하도록 상방측으로 돌출되어 돌출부(12a)를 이루고 있다. 이 돌출부(12a)와 코어부(21) 사이는 좁은 공간이 되어 있고, 또한 저부(14)를 관통하는 회전축(22)의 관통 구멍의 내주면과 회전축(22)의 간극이 좁게 되어 있고, 이것들 좁은 공간은 케이스체(20)에 연통하고 있다. 그리고 케이스체(20)에는 퍼지 가스인 Ar 가스를 좁은 공간 내에 공급하여 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 설치되어 있다. 또한, 진공 용기(1)의 저부(14)에는 히터 유닛(7)의 하방에 있어서 주위 방향으로 소정의 각도 간격으로, 히터 유닛(7)의 배치 공간을 퍼지하기 위한 복수의 퍼지 가스 공급관(73)이 설치되어 있다[도 5에는 하나의 퍼지 가스 공급관(73)을 도시함]. 또한, 히터 유닛(7)과 회전 테이블(2) 사이에는 히터 유닛(7)이 설치된 영역으로의 가스의 침입을 억제하기 위해, 외측 부재(71b)의 내주벽[내측 부재(71a)의 상면]으로부터 돌출부(12a)의 상단부 사이를 주위 방향에 걸쳐서 덮는 덮개 부재(7a)가 설치되어 있다. 덮개 부재(7a)는, 예를 들어 석영으로 제작할 수 있다.
또한, 진공 용기(1)의 천장판(11)의 중심부에는 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있고, 천장판(11)과 코어부(21) 사이의 공간(52)에 분리 가스인 Ar 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 이 공간(52)에 공급된 분리 가스는 돌출부(5)와 회전 테이블(2)의 좁은 간극(50)을 통해 회전 테이블(2)의 웨이퍼 적재 영역측의 표면을 따라 주연을 향해 토출된다. 공간(50)은 분리 가스에 의해 공간(481) 및 공간(482)보다도 높은 압력으로 유지될 수 있다. 따라서, 공간(50)에 의해, 제1 처리 영역(P1)에 공급되는 원료 가스와 제2 처리 영역(P2)에 공급되는 질화 가스가, 중심 영역 C를 통해 혼합되는 것이 억제된다. 즉, 공간(50)(또는 중심 영역 C)은 분리 공간 H[또는 분리 영역(D)]와 마찬가지로 기능할 수 있다.
또한, 진공 용기(1)의 측벽에는, 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이 외부의 반송 아암(10)과 회전 테이블(2) 사이에서 기판인 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는 도시하지 않은 게이트 밸브에 의해 개폐된다. 또한 회전 테이블(2)에 있어서의 웨이퍼 적재 영역인 오목부(24)는 이 반송구(15)에 면하는 위치에서 반송 아암(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해지는 점에서, 회전 테이블(2)의 하방측에 있어서 전달 위치에 대응하는 부위에, 오목부(24)를 관통하여 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어 올리기 위한 전달용 승강 핀 및 그 승강 기구(모두 도시하지 않음)가 설치되어 있다.
이어서, 도 6 내지 도 8을 참조하면서, 플라스마 발생기(80)에 대하여 설명한다. 도 6은 회전 테이블(2)의 반경 방향을 따른 플라스마 발생기(80)의 개략 단면도이고, 도 7은 회전 테이블(2)의 반경 방향과 직교하는 방향을 따른 플라스마 발생기(80)의 개략 단면도이고, 도 8은 플라스마 발생기(80)의 개략을 도시하는 상면도이다. 도시의 편의상, 이것들의 도면에 있어서 일부의 부재를 간략화하고 있다.
도 6을 참조하면, 플라스마 발생기(80)는 고주파 투과성의 재료로 제작되고, 상면으로부터 오목한 오목부를 갖고, 천장판(11)에 형성된 개구부(11a)에 감입되는 프레임 부재(81)와, 프레임 부재(81)의 오목부 내에 수용되고, 상부가 개구한 대략 상자상의 형상을 갖는 패러데이 차폐판(82)과, 패러데이 차폐판(82)의 저면 상에 배치되는 절연판(83)과, 절연판(83)의 상방에 지지되고, 대략 팔각형의 상면 형상을 갖는 코일상의 안테나(85)를 구비한다.
천장판(11)의 개구부(11a)는 복수의 단차부를 갖고 있고, 그 중 하나의 단차부에는 전체 주위에 걸쳐서 홈부가 형성되고, 이 홈부에, 예를 들어 O-링 등의 시일 부재(81a)가 감입되어 있다. 한편, 프레임 부재(81)는 개구부(11a)의 단차부에 대응하는 복수의 단차부를 갖고 있고, 프레임 부재(81)를 개구부(11a)에 감입하면, 복수의 단차부 중 하나의 단차부의 이면이, 개구부(11a)의 홈부에 감입된 시일 부재(81a)와 접하고, 이에 의해, 천장판(11)과 프레임 부재(81) 사이의 기밀성이 유지된다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 천장판(11)의 개구부(11a)에 감입되는 프레임 부재(81)의 외주를 따른 압박 부재(81c)가 설치되고, 이에 의해, 프레임 부재(81)가 천장판(11)에 대하여 하방으로 압박된다. 이로 인해, 천장판(11)과 프레임 부재(81) 사이의 기밀성이 더 확실하게 유지된다.
프레임 부재(81)의 하면은 진공 용기(1) 내의 회전 테이블(2)에 대향하고 있고, 그 하면의 외주에는 전체 주위에 걸쳐서 하방으로[회전 테이블(2)을 향해] 돌기하는 돌기부(81b)가 마련되어 있다. 돌기부(81b)의 하면은 회전 테이블(2)의 표면에 근접하고 있고, 돌기부(81b)와, 회전 테이블(2)의 표면과, 프레임 부재(81)의 하면에 의해 회전 테이블(2)의 상방에 공간[이하, 제3 처리 영역(P3)]이 구획 형성되어 있다. 또한, 돌기부(81b)의 하면과 회전 테이블(2)의 표면의 간격은 분리 공간 H(도 4)에 있어서의 천장면(11)의 회전 테이블(2)의 상면에 대한 높이 h1과 대략 동일해도 된다.
또한, 이 제3 처리 영역(P3)에는 돌기부(81b)를 관통한 반응 가스 노즐(33)이 연장되어 있다. 반응 가스 노즐(33)에는, 본 실시 형태에 있어서는, 도 6에 도시한 바와 같이 염소 가스가 충전되는 염소 가스 공급원(132)이, 유량 제어기(122)를 통해 배관(112)에 의해 접속되어 있다. 유량 제어기(122)에 의해 유량 제어된 염소 가스가, 플라스마 발생기(80)에서 활성화되고, 소정의 유량으로 제3 처리 영역(P3)에 공급된다.
또한, 반응 가스 노즐(33)에는 그 길이 방향을 따라 소정의 간격(예를 들어, 10㎜)으로 복수의 토출 구멍(35)이 형성되어 있고, 토출 구멍(35)으로부터 상술한 염소 가스가 토출된다. 토출 구멍(35)은, 도 7에 도시한 바와 같이 회전 테이블(2)에 대하여 수직인 방향으로부터 회전 테이블(2)의 회전 방향의 상류측을 향해 기울어져 있다. 이로 인해, 반응 가스 노즐(33)로부터 공급되는 가스는, 회전 테이블(2)의 회전 방향과 역의 방향으로, 구체적으로는 돌기부(81b)의 하면과 회전 테이블(2)의 표면 사이의 간극을 향해 토출된다. 이에 의해, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라 플라스마 발생기(80)보다도 상류측에 위치하는 천장면(45)의 하방의 공간으로부터 반응 가스나 분리 가스가, 제3 처리 영역(P3) 내로 유입되는 것이 억제된다. 또한, 상술한 바와 같이, 프레임 부재(81)의 하면의 외주를 따라 형성되는 돌기부(81b)가 회전 테이블(2)의 표면에 근접하고 있기 때문에, 반응 가스 노즐(33)로부터의 가스에 의해 제3 처리 영역(P3) 내의 압력을 용이하게 높게 유지할 수 있다. 이것에 의해서도, 반응 가스나 분리 가스가 제3 처리 영역(P3) 내로 유입되는 것이 억제된다.
이와 같이, 프레임 부재(81)는 제3 처리 영역(P3)을 제2 처리 영역(P2)으로부터 분리하기 위한 역할을 담당하고 있다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치는 플라스마 발생기(80)의 전체를 반드시 구비하고 있지 않아도 되지만, 제3 처리 영역(P3)을 제2 처리 영역(P2)으로부터 구획하고, 제2 반응 가스의 혼입을 방지하기 위해, 프레임 부재(81)를 구비하고 있는 것으로 한다.
패러데이 차폐판(82)은 금속 등의 도전성 재료로 제작되고, 도시는 생략하지만 접지되어 있다. 도 8에 명확하게 도시된 바와 같이, 패러데이 차폐판(82)의 저부에는 복수의 슬릿(82s)이 형성되어 있다. 각 슬릿(82s)은 대략 팔각형의 평면 형상을 갖는 안테나(85)가 대응하는 변과 대략 직교하도록 연장되어 있다.
또한, 패러데이 차폐판(82)은, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 상단의 2개소에 있고 외측으로 구부러지는 지지부(82a)를 갖고 있다. 지지부(82a)가 프레임 부재(81)의 상면에 지지됨으로써, 프레임 부재(81) 내의 소정의 위치에 패러데이 차폐판(82)이 지지된다.
절연판(83)은, 예를 들어 석영 유리에 의해 제작되고, 패러데이 차폐판(82)의 저면보다도 약간 작은 크기를 갖고, 패러데이 차폐판(82)의 저면에 적재된다. 절연판(83)은 패러데이 차폐판(82)과 안테나(85)를 절연하는 한편, 안테나(85)로부터 방사되는 고주파를 하방으로 투과시킨다.
안테나(85)는 평면 형상이 대략 팔각형이 되도록 구리제의 중공관(파이프)을, 예를 들어 3중으로 권회함으로써 형성된다. 파이프 내에 냉각수를 순환시킬 수 있고, 이에 의해, 안테나(85)로 공급되는 고주파에 의해 안테나(85)가 고온으로 가열되는 것이 방지된다. 또한, 안테나(85)에는 수직 설치부(85a)가 설치되어 있고, 수직 설치부(85a)에 지지부(85b)가 설치되어 있다. 지지부(85b)에 의해, 안테나(85)가 패러데이 차폐판(82) 내의 소정의 위치에 유지된다. 또한, 지지부(85b)에는 매칭 박스(86)를 통해 고주파 전원(87)이 접속되어 있다. 고주파 전원(87)은, 예를 들어 13.56㎒의 주파수를 갖는 고주파를 발생할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 플라스마 발생기(80)에 의하면, 매칭 박스(86)를 통해 고주파 전원(87)으로부터 안테나(85)로 고주파 전력을 공급하면, 안테나(85)에 의해 전자계가 발생한다. 이 전자계 중 전계 성분은 패러데이 차폐판(82)에 의해 차폐되기 때문에, 하방으로 전파할 수는 없다. 한편, 자계 성분은 패러데이 차폐판(82)의 복수의 슬릿(82s)을 통해 제3 처리 영역(P3) 내로 전파된다. 이 자계 성분에 의해, 반응 가스 노즐(33)로부터 소정의 유량비로 제3 처리 영역(P3)에 공급되는 염소 가스가 활성화된다. 단, 염소 가스의 공급은 염소 가스를 웨이퍼(W)의 오목부 패턴의 상부에 고밀도로 흡착시키고, 오목부 패턴의 상부에 흡착 저해기가 발생하는 것을 의도하고 있고, 막의 에칭을 의도하고 있지 않다. 따라서, 염소 가스의 플라스마화는 그다지 플라스마 강도를 높이지 않고, 에칭 작용을 발생시키지 않는 범위에서 행한다. 이와 같이 하여 발생하는 플라스마에 의하면, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 비아, 트렌치 등의 오목부 패턴의 상부에 흡착하여 원료 가스에 대한 흡착 저해기를 형성하고, 흡착 저해기에 의해 원료 가스의 흡착이 방해되지 않는 저부측으로부터의 성막을 행할 수 있다. 또한, 플라스마 강도를 약화시키기 위해, 플라스마 발생기(80)에 리모트 플라스마 발생기를 사용하는 실시 형태도 생각할 수 있지만, 그 점에 대해서는 후술한다.
제2 처리 영역(P2)에 필요에 따라 설치되는 플라스마 발생기(80a)는 플라스마 발생기(80)와 마찬가지로 구성해도 된다. 질화 가스를 활성화할 수 있으면, 다양한 구성의 플라스마 발생기(80a)를 사용할 수 있지만, 플라스마 발생기(80)와 동일한 구성의 플라스마 발생기(80a)를 사용한 쪽이 배치도 용이하고, 비용의 저감도 가능하다. 또한, 본 실시 형태에 의한 성막 장치에는, 도 1에 도시한 바와 같이 장치 전체의 동작의 컨트롤을 행하기 위한 컴퓨터로 이루어지는 제어부(100)가 설치되어 있고, 이 제어부(100)의 메모리 내에는 제어부(100)의 제어 하에, 후술하는 성막 방법을 성막 장치에 실시시키는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은 후술하는 성막 방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있고, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 매체(102)에 기억되어 있고, 소정의 판독 장치에 의해 기억부(101)로 판독되고, 제어부(100) 내에 인스톨된다.
[성막 방법]
이어서, 도 9를 사용하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 대하여 상술한 성막 장치를 사용하여 행하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례의 일련의 공정을 도시한 도면이다. 도 9의 (a)는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 성막 개시 전의 웨이퍼(W)의 상태를 도시한 도면이다.
본 실시 형태에서는, 웨이퍼(W)로서 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것으로 하고, 그 실리콘 웨이퍼에는, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이 트렌치 T가 형성되어 있다. 트렌치 T 내 및 웨이퍼(W)의 표면 S에는 질화실리콘(SiN)의 하지막이 형성되어 있다. SiN막은 NH2 구조를 갖는 H기로 종단되어 있다. 이것은 SiN막을 성막할 때, NH3 함유 가스로 질화되었기 때문이다.
또한, 반응 가스 노즐(31)로부터 디클로로실란(DCS, SiH2Cl2)이 공급되고, 반응 가스 노즐(32)로부터 질화 가스로서 암모니아(NH3)가 공급되고, 반응 가스 노즐(33)로부터 염소(Cl2)가 공급되는 예를 들어 설명한다. 또한, 플라스마 발생기(80, 80a)는 양쪽 모두 탑재되고, 염소 가스 및 암모니아 가스의 양쪽 모두 활성화되고, 이온화 또는 라디칼화하여 공급되는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하여, 외부로부터 반송 아암(10)(도 3)에 의해 반송구(15)(도 2 및 도 3)를 통해 웨이퍼(W)를 회전 테이블(2)의 오목부(24) 내에 전달한다. 이 전달은 오목부(24)가 반송구(15)에 면하는 위치에 정지했을 때에 오목부(24)의 저면의 관통 구멍을 통해 진공 용기(1)의 저부측으로부터 도시하지 않은 승강 핀이 승강함으로써 행해진다. 이와 같은 웨이퍼(W)의 전달을, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시켜 행하고, 회전 테이블(2)의 5개의 오목부(24) 내에 각각 웨이퍼(W)를 적재한다.
계속해서 게이트 밸브를 폐쇄하여, 진공 펌프(640)에 의해 도달 가능 진공도까지 진공 용기(1) 내를 배기한 후, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터 분리 가스인 Ar 가스를 소정의 유량으로 토출하고, 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72, 73)으로부터도 Ar 가스를 소정의 유량으로 토출한다. 이에 수반하여, 압력 제어 수단(650)(도 1)에 의해 진공 용기(1) 내를 미리 설정한 처리 압력으로 제어한다. 계속해서, 회전 테이블(2)을 시계 방향으로, 예를 들어 5rpm의 회전 속도로 회전시키면서 히터 유닛(7)에 의해 웨이퍼(W)를, 예를 들어 400℃로 가열한다. 회전 테이블(2)의 회전 속도는 용도에 따라 다양한 회전 속도로 설정할 수 있다. 또한, 플라스마 발생기(80, 80a)도 작동시킨다.
이후, 반응 가스 노즐(31)(도 2 및 도 3)로부터 DCS를 공급하고, 반응 가스 노즐(32)로부터 암모니아 가스를 공급한다. 또한, 반응 가스 노즐(33)로부터 염소 가스를 공급한다. 염소 가스 및 암모니아 가스는 플라스마 발생기(80, 80a)에 의해 활성화된다.
회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는 제3 처리 영역(P3), 분리 영역(D), 제1 처리 영역(P1), 분리 영역(D), 제2 처리 영역(P2)을 이 순서로 반복하여 통과한다(도 3 참조). 또한, 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 각 영역(P1 내지 P3, D)으로부터 처리가 개시되는 웨이퍼(W)가 각각 존재하지만, 설명의 편의상, 제3 처리 영역(P3)으로부터 웨이퍼(W)가 통과했다고 생각하고 설명한다.
도 9의 (b)는 흡착 저해기 형성 공정의 일례를 도시한 도면이다. 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 제3 처리 영역(P3)을 웨이퍼(W)가 통과함으로써, 트렌치 T 내의 하지막 UF 상에, 플라스마에 의해 활성화된 염소 가스(염소 라디칼, 염소 이온)가 공급된다. 염소 가스는 H기와 반응하여 HCl를 생성함과 함께, H기와 치환하여 Cl기 종단을 형성한다. 이러한 Cl기는, 염소 함유 가스에 대해서는 흡착 저해기를 형성한다. 여기서, 염소 가스는 웨이퍼(W)의 표면 S, 트렌치 T의 상부에는 용이하게 도달하지만, 트렌치 T의 안측, 즉 저부 부근의 하부에는 그다지 많이 도달하지는 않는다. 트렌치 T의 애스펙트비는 높으므로, 많은 염소 가스는 트렌치 T의 안측에 도달하기 전에 H기로 치환되어 버린다. 따라서, 웨이퍼(W)의 표면 S 및 트렌치 T의 상부에는 고밀도이고 흡착 저해기인 Cl기가 형성되지만, 트렌치 T의 하부에는 NH2 구조의 H기가 많이 잔존하고, Cl기의 밀도는 낮아진다.
도 9의 (c)는 원료 가스 흡착 공정의 일례를 도시한 도면이다. 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)가 분리 영역(D)을 통과하고 퍼지 가스가 공급되어 퍼지된 후, 제1 처리 영역(P1)을 통과함으로써, DCS가 공급된다. DCS는 흡착 저해기인 Cl기가 존재하는 영역에는 그다지 흡착하지 않고, 흡착 저해기가 존재하지 않는 영역에 많이 흡착한다. 따라서, 트렌치 T 내의 저면 부근에 DCS가 많이 흡착하고, 웨이퍼(W)의 표면 S 및 트렌치 T의 상부에는 그다지 DCS가 흡착하지 않는다. 즉, 트렌치 T의 저부 부근에 원료 가스인 DCS가 고밀도로 흡착하고, 트렌치 T의 상부 및 웨이퍼(W)의 표면 상에는 DCS가 저밀도로 흡착한다.
도 9의 (d)는 질화막 퇴적 공정의 일례를 도시한 도면이다. 도 9의 (d)에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)가 분리 영역(D)을 통과하고 퍼지 가스가 공급되어 퍼지된 후, 제2 처리 영역(P2)을 통과함으로써, 플라스마에 의해 활성화된 NH3 가스가 공급된다. NH3 가스의 공급에 의해, 트렌치 T 내에 흡착한 DCS와 공급된 NH3가 반응하고, SiN막의 분자층이 반응 생성물로서 형성된다. 여기서, DCS는 트렌치 T의 저부 부근에 많이 흡착하고 있으므로, 트렌치 T 내의 저부 부근에 많이 SiN막이 형성된다. 따라서, 도 9의 (d)에 도시된 바와 같은 보텀업성이 높은 매립 성막이 가능해진다.
계속해서, 웨이퍼(W)가 제3 처리 영역(P3)을 통과하면, 다시 도 9의 (b)에 도시한 상태가 되고, 흡착 저해기인 Cl기가 트렌치 T 내의 상부 및 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한다.
이하, 각 반응 가스를 공급하면서 회전 테이블(2)을 반복해서 회전시킴으로써, 도 9의 (b) 내지 도 9의 (d)에 도시한 사이클이 교체되고, 트렌치 T의 개구부가 막히지 않는 상태에서, 저면측으로부터 SiN막이 퇴적된다. 그리고, 도 9의 (d)에 도시된 바와 같이, V자의 단면을 형성하면서, 개구부를 막지 않는 보텀업성이 높은 SiN막의 성막을 행할 수 있다. 그리고, 최종적으로는, 심리스의 질화막으로 트렌치 T를 매립할 수 있고, 보이드 등을 발생시키지 않고 고품질의 질화막의 매립 성막을 행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법에 의하면, 활성화된 염소 가스를 트렌치 T의 상부에 공급하여 흡착 저해기를 형성하면서 ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의한 성막을 행함으로써, 보텀업성이 높은 선택적인 성막을 행할 수 있다.
또한, NH3은 반드시 플라스마에 의해 활성화되어 공급될 필요는 없고, 질화가 가능하면, 플라스마화되지 않고 공급되어도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 웨이퍼(W)의 표면 S 및 트렌치 T의 내면에 처음부터 SiN의 하지막 UF가 형성되어 있는 예를 들어 설명했지만, 하지막 UF가 처음부터 형성되어 있는 것은 필수는 아니고, Si 기판 상에 직접적으로 SiN막의 매립 성막을 행하는 것도 가능하다. 또한, 하지막 UF를 미리 형성하는 경우라도, SiN막에 한정되지 않고, 예를 들어 SiO2막을 사용해도 된다.
또한, 처음부터 하지막 UF가 형성된 웨이퍼(W)의 표면 상에 성막을 행하는 것은 아니고, 하지막 UF가 형성되어 있지 않은 웨이퍼(W) 상에 성막 장치에서 하지막 UF의 성막을 처음에 행하고, 그 후에 도 9의 (b) 내지 도 9의 (d)에 도시한 사이클을 행하여 SiN막의 매립 성막을 행하도록 해도 된다.
하지막 UF를 처음에 성막하는 경우, 웨이퍼(W)를 진공 용기(1) 내에 반입한 후, 제3 반응 가스 노즐(33)로부터 염소 가스는 공급하지 않고, 제1 반응 가스 노즐로부터 실리콘 함유 가스, 제2 반응 가스 노즐로부터 질화 가스를 공급하여 SiN막을 성막하고, 하지막 SiN막을 성막한다. 하지막 UF는 보텀업성이 높은 성막은 아니고, 트렌치 T의 형상을 따른 컨포멀한 성막이 요구되므로, 흡착 저해기를 형성하지 않고 성막 프로세스를 실시하면 된다. 그 때, DCS 이외의 실리콘 함유 가스, 질화 가스가 아니라 산화 가스를 공급하여 성막을 행하는 것도 가능하지만, 프로세스의 효율화의 관점에서, 매립 프로세스에서 사용하는 원료 가스, 질화 가스와 동일한 반응 가스를 사용하여 하지막 UF의 성막을 행하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시 형태의 경우라면, 원료 가스로서 DCS, 질화 가스로서 암모니아 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
하지막 UF의 성막은 도 9의 (a)의 프로세스를 본 실시 형태에 관한 성막 장치에서 행한다는 것이므로, 그 후, 도 9의 (b) 내지 (d)의 프로세스를 연속적으로 행함으로써, 본 실시 형태에 관한 성막 장치에서 하지막 UF의 형성으로부터 트렌치 T의 매립 성막을 전부 연속적으로 행할 수 있고, 토탈의 처리 시간을 단축하여, 프로세스 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 질화실리콘막을 성막한 예를 들어 설명했지만, 원료 가스로서, TiCl4, AlCl3 등의 금속 및 염소를 포함하는 가스를 사용함으로써, TiN, AlN 등의 금속 질화막을 성막하는 것도 가능하다. 금속 원소의 종류도, Ti, Al 외에, 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 등, 다양한 금속 원소 및 염소를 포함하는 원료 가스를 사용하여, 금속 질화막에 의한 매립 성막을 행하는 것이 가능하다.
이와 같이, 제1 실시 형태에 관한 성막 방법 및 성막 장치에 의하면, 트렌치 T의 저면으로부터 실리콘 질화막 또는 금속 질화막을 매립할 수 있고, 보이드를 발생시키지 않는 고품질의 매립 성막을 행할 수 있다.
[제2 실시 형태]
<성막 장치>
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치의 일례를 도시한 도면이다. 도 10에 도시되는 성막 장치는 제3 처리 영역(P3)에 리모트 플라스마 발생기(90)가 설치되어 있는 점에서, 도 1 내지 8에 도시한 제1 실시 형태에 관한 성막 장치와 다르다. 다른 구성 요소는, 도 1 내지 8에 도시한 성막 장치와 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다.
염소 가스는 지나치게 강하게 플라스마화하면, 하지막 UF를 에칭해 버리는 경우가 있다. 도 6 내지 8에서 설명한 안테나(85)를 사용한 유도형 플라스마 발생기(ICP, Inductively Coupled Plasma)(80, 80a)는 높은 플라스마 강도로 플라스마를 발생시키는 데 유효하지만, 염소의 활성화는 더 약한 플라스마를 발생시키는 플라스마 발생기를 사용하도록 해도 된다. 리모트 플라스마 발생기(90)는 플라스마 발생기(80, 80a)보다도 약한 플라스마를 발생시키는 데 적합하다. 따라서, 제2 실시 형태에 관한 성막 장치에서는 제3 처리 영역(P3)에 있어서의 염소 가스의 활성화를 리모트 플라스마 발생기(90)에서 행하는 예에 대하여 설명한다.
도 11은 리모트 플라스마 발생기(90)를 포함하는 제2 실시 형태에 관한 성막 장치의 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 리모트 플라스마 발생기(90)는 제3 처리 영역(P3)에 있어서, 회전 테이블(2)에 대향하여 설치된다. 리모트 플라스마 발생기(90)는 플라스마 생성부(91)와, 가스 공급관(92)과, 샤워 헤드부(93)와, 배관(94)을 구비하고 있다. 또한, 샤워 헤드부(93)는 염소 가스 토출부의 일례이고, 예를 들어 샤워 헤드부(93) 대신에 가스 노즐이 사용되어도 된다.
플라스마 생성부(91)는 가스 공급관(92)으로부터 공급된 염소 가스를 플라스마원에 의해 활성화한다. 플라스마원으로서는, 염소 가스를 활성화하는 것이 가능하면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 플라스마원으로서는, 예를 들어 유도 결합형 플라스마(ICP:Inductively Coupled Plasma), 용량 결합형 플라스마(CCP:Capacitively Coupled Plasma), 표면파 플라스마(SWP:Surface Wave Plasma)를 사용할 수 있다.
가스 공급관(92)은 그 일단부가 플라스마 생성부(91)와 접속되어 있고, 플라스마 생성부(91)에 염소 가스를 공급한다. 가스 공급관(92)의 타단부는, 예를 들어 개폐 밸브 및 유량 조정기를 통해 염소 가스가 저류된 염소 가스 공급원(132)과 접속되어 있다.
샤워 헤드부(93)는 배관(94)을 통해 플라스마 생성부(91)와 접속되어 있고, 플라스마 생성부(91)에서 활성화된 불소 함유 가스를 진공 용기(1) 내에 공급하는 부분이다. 샤워 헤드부(93)는 부채형의 평면 형상을 갖고, 부채형의 평면 형상의 외연을 따르도록 형성된 압박 부재(95)에 의해 하방측을 향해 주위 방향에 걸쳐서 압박된다. 또한, 압박 부재(95)가 도시하지 않은 볼트 등에 의해 천장판(11)에 고정됨으로써, 진공 용기(1)의 내부 분위기가 기밀 상태가 된다. 천장판(11)에 고정되었을 때의 샤워 헤드부(93)의 하면과 회전 테이블(2)의 상면의 간격은, 예를 들어 0.5㎜ 내지 5㎜ 정도로 할 수 있다.
샤워 헤드부(93)에는 회전 테이블(2)의 각속도의 차이에 대응하여 회전 중심측에서 적고, 외주측에서 많아지도록 복수의 가스 토출 구멍(93a)이 형성되어 있다. 복수의 가스 토출 구멍(93a)의 개수로서는, 예를 들어 수십 내지 수백개로 할 수 있다. 또한, 복수의 가스 토출 구멍(93a)의 직경으로서는, 예를 들어 0.5㎜ 지 3㎜ 정도로 할 수 있다. 샤워 헤드부(93)에 공급된 활성화된 염소 가스는 가스 토출 구멍(93a)을 통해 회전 테이블(2)과 샤워 헤드부(93) 사이의 공간에 공급된다.
도 12는 샤워 헤드부(93)의 하면의 일례를 도시한 평면도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 하방 돌출면(93c)은 부채형의 샤워 헤드부(93)의 하면(93b)의 외주를 따르도록, 띠상으로 설치되어도 된다. 이에 의해, 주위 방향으로 균일하게 제3 처리 영역(P3)의 외주측의 압력의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 가스 토출 구멍(93a)은 샤워 헤드부(93)의 하면(93b)의 주위 방향의 중앙에, 반경 방향으로 연장되도록 형성되어도 된다. 이에 의해, 회전 테이블(2)의 중심측으로부터 외주측으로 분산시켜 염소 가스를 공급할 수 있다.
이와 같이, 리모트 플라스마 발생기(90)를 사용하여, 활성화한 염소 가스를 웨이퍼(W)에 공급해도 된다.
또한, 성막 방법에 대해서는, 제1 실시 형태에 관한 성막 방법과 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다.
[실시예]
이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 성막 장치를 사용하여 성막 처리를 실시한 실시예에 대하여 설명한다. 실시예에 있어서는, 제2 처리 영역(P2)에 플라스마 발생기(80a)를 설치함과 함께, 제3 처리 영역(P3)에 리모트 플라스마 발생기(90)를 사용하여, 트렌치 T에 SiN막을 매립하여 성막했다.
하지막 UF는 10㎚의 SiN막으로 했다. 웨이퍼(W)의 온도는 400℃로 설정하고, 진공 용기(1) 내의 압력은 0.75Torr로 설정했다. 플라스마 발생기(80a)의 고주파 전원의 출력은 5㎾로 설정했다. 회전 테이블(2)의 회전 속도는 10rpm으로 설정했다. 원료 가스에는 DCS를 사용하고, 제1 반응 가스 노즐(31)로부터는, 캐리어 가스를 포함하는 DCS/N2의 혼합 가스를 1000/500sccm의 유량으로 공급했다. 또한, 제2 반응 가스 노즐(32)로부터는, Ar/NH3의 혼합 가스를 2000/2000sccm의 유량으로 공급했다. 또한, 제3 반응 가스 노즐(33)로부터는, Ar/Cl2의 혼합 가스를, 4000/Xsccm의 유량으로 공급하고, Cl2의 유량을 다양하게 변화시켜 실시했다.
도 13은 실시예 1에 관한 성막 방법의 실시 결과이고, 염소의 유량을 20cc로 하여 보텀업 성막의 도중 경과를 도시한 SEM 화상이다. 도 13에 도시된 바와 같이, V자가 형성되면서 보텀업 성막되어 있는 것을 알 수 있다. 실시예 1에 의하면, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 의해, 보텀업 성막이 실시 가능한 것이 나타났다.
도 14는 실시예 2에 관한 성막 방법의 실시 결과이고, 염소의 유량을 5cc로 하여 보텀업 성막의 종료 상태를 도시한 SEM 화상이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 보이드가 존재하지 않는 매립 성막이 이루어져 있는 것을 알 수 있다. 실시예 2에 의하면, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 의해, 보텀업 성막이 실시 가능한 것이 나타났다.
도 15는 비교예에 관한 종래의 성막 방법의 실시 결과를 도시한 도면이다. 도 15의 (a)는 성막 전의 트렌치의 상태를 도시한 SEM 화상이고, 도 15의 (b)는 일괄 매립 성막 후의 매립 성막의 상태를 도시한 SEM 화상이다.
도 15의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 종래의 성막 방법에서는, 보이드가 발생해 버린 것을 알 수 있다. 도 15와 비교하면, 도 13 및 도 14에 도시한 실시예 1, 2의 보이드를 갖지 않는 실시 결과가 얼마나 우수한지를 알 수 있다.
도 16 내지 도 18은 실시예 3에 관한 성막 방법의 실시 결과이다. 실시예 3에 있어서는, 제2 처리 영역(P2)의 플라스마 발생기(80a)의 회전 테이블(2)과의 간격을 60㎜로 설정했다. 또한, 하지막 UF의 두께는 2㎚로 했다. 웨이퍼(W)의 온도는 400℃, 진공 용기(1) 내의 압력은 0.75Torr, 회전 테이블(2)의 회전 속도는 5rpm으로 각각 설정했다. 또한, 제2 처리 영역(P2)의 플라스마 발생기(80a)의 고주파 전원의 출력은 5㎾로 설정했다. 원료 가스에는 DCS를 사용하고, 제1 반응 가스 노즐(31)로부터는 캐리어 가스를 포함하는 DCS/N2의 혼합 가스를 1000/500sccm의 유량으로 공급했다. 또한, 제2 반응 가스 노즐(32)로부터는, Ar/NH3의 혼합 가스를 2000/2000sccm의 유량으로 공급했다. 또한, 제3 반응 가스 노즐(33)로부터는, Ar/Cl2의 혼합 가스를 4000/5sccm의 유량으로 공급했다.
도 16은 트렌치 T의 매립 상태의 시간 경과를 도시한 SEM 화상이다. 도 16의 (a)는 매립 성막 개시부터 5400초 경과 후의 트렌치 T의 매립 상태를 도시한 SEM 화상이다. 도 16의 (b)는 매립 성막 개시부터 7200초 경과 후의 트렌치 T의 매립 상태를 도시한 SEM 화상이다. 도 16의 (c)는 매립 성막 개시부터 9000초 경과 후의 트렌치 T의 매립 상태를 도시한 SEM 화상이다.
도 16의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, V자의 단면을 유지한 채, 조금씩 저면측으로부터 매립하여 성막이 이루어져 있는 것을 알 수 있다.
도 16의 (d)는 도 16의 (c)의 일부의 확대도이다. 도 16의 (d)에 도시된 바와 같이, V자의 단면이 유지되고, 상부가 크게 개구하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 V자 성막을 행함으로써, 보이드 없이 오목부 패턴을 질화막으로 매립할 수 있다.
도 17은 실시예 3의 매립 성막으로 트렌치 내에 퇴적한 막에 대하여, 상방으로부터 차례로 Top-T, Top-L, Top-S, BTM의 측정점을 설정하고, 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 17에 도시된 바와 같이, Top-T의 막 두께는 시간이 경과해도 막 두께의 증가는 적고, BTM, Top-S에 있어서 막 두께가 크게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 실시예 3에 의하면, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 의해, 보텀업 성막이 실시 가능한 것이 나타났다.
도 18은 실시예 3의 각 측정점에 있어서의 성막량을 도시한 도면이다. 도 18에 도시된 바와 같이, BTM, Top-S, Top-L, Top-T의 순으로 성막량이 높고, 저부에 접근할수록 성막량이 높게 되어 있고, 보텀업 성막을 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 실시예 1 내지 3의 실시 결과로부터, 본 실시 형태에 관한 성막 방법 및 성막 장치에 의하면, 트렌치, 비아 등의 오목부 패턴의 질화막의 매립 성막을 높은 보텀업성으로 실시할 수 있고, 보이드를 발생시키지 않는 고품질의 매립 성막이 가능한 것이 나타났다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 실시예에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태 및 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고, 상술한 실시 형태 및 실시예에 다양한 변형 및 치환을 가할 수 있다.
1 : 진공 용기
2 : 회전 테이블
4 : 볼록상부
5 : 돌출부
7 : 히터 유닛
11 : 천장판
12 : 용기 본체
15 : 반송구
24 : 오목부
31 내지 33 : 반응 가스 노즐
41, 42 : 분리 가스 노즐
80, 80a : 플라스마 발생기
90 : 리모트 플라스마 발생기
91 : 플라스마 생성부
130 내지 132 : 가스 공급원
P1 내지 P3 : 처리 영역
W : 웨이퍼

Claims (16)

  1. 기판의 표면에 형성되어 있는 오목부 패턴에 저면측으로부터 질화막을 매립하는 성막 방법이며,
    상기 기판의 표면 및 상기 오목부 패턴의 상부에 플라스마에 의해 활성화된 염소 가스를 공급하여 흡착시켜 흡착 저해기를 형성하고, 상기 플라스마에 의해 활성화된 염소 가스는 H기와 반응하여 HCl을 생성하는 공정과,
    상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 실리콘 또는 금속과 염소를 함유하는 원료 가스를 공급하고, 상기 흡착 저해기가 형성되어 있지 않은 상기 오목부 패턴 내의 하부 영역에 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정과,
    상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 질화 가스를 공급하고, 상기 오목부 패턴 내의 하부 영역에 상기 원료 가스와의 반응에 의해 생성된 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정을 갖는 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡착 저해기를 형성하는 공정, 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정 및 상기 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정을 1사이클로 하고, 해당 1사이클을 소정 횟수 반복하여 상기 오목부 패턴 내에 상기 질화막을 매립하는 성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속은 티타늄 또는 알루미늄을 포함하는 성막 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판인 성막 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면 상에는 하지막이 미리 형성되어 있는 성막 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 하지막은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막인 성막 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 흡착 저해기를 형성하는 공정 전에, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 하지막을 성막하는 공정을 더 포함하는 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하지막을 성막하는 공정은, 상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 실리콘 함유 가스를 공급하고, 해당 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과,
    상기 오목부 패턴을 포함하는 상기 기판의 표면에 상기 질화 가스를 공급하고, 상기 실리콘 함유 가스와의 반응에 의해 생성된 실리콘 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정을 포함하는 성막 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 원료 가스는 실리콘과 염소를 함유하는 가스이고,
    상기 실리콘 함유 가스에는 상기 원료 가스가 사용되는 성막 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 실리콘 함유 가스를 흡착시키는 공정과, 상기 실리콘 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정을, 상기 하지막이 소정의 막 두께가 될 때까지 소정 횟수 반복하는 성막 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질화 가스는 플라스마에 의해 활성화되어 공급되는 성막 방법.
  12. 제2항에 있어서, 상기 기판은 회전 테이블 상에 주위 방향을 따라 배치되고,
    해당 회전 테이블 상에 상기 주위 방향을 따라 질화 가스 공급 영역과, 염소 가스 공급 영역과, 원료 가스 공급 영역이 회전 방향을 따라 서로 이격하여 배치되고,
    상기 회전 테이블이 상기 회전 방향으로 회전함으로써, 상기 흡착 저해기를 형성하는 공정, 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정 및 상기 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정을 순차 반복하여 상기 오목부 패턴 내에 상기 질화막을 매립하는 성막 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 염소 가스 공급 영역과 상기 원료 가스 공급 영역 사이 및 상기 원료 가스 공급 영역과 상기 질화 가스 공급 영역 사이에는 퍼지 가스를 상기 기판의 표면에 공급하는 퍼지 가스 공급 영역이 마련되고,
    상기 흡착 저해기를 형성하는 공정과 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정 사이 및 상기 원료 가스를 흡착시키는 공정과 상기 질화막의 분자층을 퇴적시키는 공정 사이에는 퍼지 가스 공급 공정이 마련된 성막 방법.
  14. 처리실과,
    해당 처리실 내에 설치되고, 표면 상에 기판을 적재 가능한 기판 적재 영역을 갖는 회전 테이블과,
    해당 회전 테이블 상에 회전 방향을 따라 소정 영역에 마련되고, 상기 회전 테이블 상에 실리콘 또는 금속과 염소를 함유하는 원료 가스를 공급 가능한 원료 가스 공급 영역과,
    상기 회전 테이블 상이며, 해당 원료 가스 공급 영역의 상기 회전 방향에 있어서의 하류측에 마련되고, 상기 회전 테이블 상에 질화 가스를 공급 가능한 질화 가스 공급 영역과,
    상기 회전 테이블 상이며, 해당 질화 가스 공급 영역의 상기 회전 방향에 있어서의 하류측에 마련되고, 상기 회전 테이블 상에 염소 가스를 공급 가능한 염소 가스 공급 영역과,
    상기 회전 테이블에 공급되는 상기 질화 가스를 플라스마에 의해 활성화하는 제1 플라스마 발생기와,
    상기 회전 테이블에 공급되는 상기 염소 가스를 플라스마에 의해 활성화하는 제2 플라스마 발생기를 갖는 성막 장치로서,
    상기 제2 플라스마 발생기에 의해서 플라스마에 의해 활성화된 염소 가스를 공급하여 HCl을 생성하는, 성막 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 원료 가스 공급 영역과 상기 질화 가스 공급 영역 사이 및 상기 염소 가스 공급 영역과 상기 원료 가스 공급 영역 사이에 마련되고, 상기 회전 테이블 상에 퍼지 가스를 공급 가능한 퍼지 가스 공급 영역을 더 갖는 성막 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 제2 플라스마 발생기는 리모트 플라스마 발생기인 성막 장치.
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