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KR20230042566A - 성막 방법 및 성막 시스템 - Google Patents

성막 방법 및 성막 시스템 Download PDF

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KR20230042566A
KR20230042566A KR1020220114813A KR20220114813A KR20230042566A KR 20230042566 A KR20230042566 A KR 20230042566A KR 1020220114813 A KR1020220114813 A KR 1020220114813A KR 20220114813 A KR20220114813 A KR 20220114813A KR 20230042566 A KR20230042566 A KR 20230042566A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ruthenium
gas
substrate
film forming
film
Prior art date
Application number
KR1020220114813A
Other languages
English (en)
Inventor
마사토 아라키
다다히로 이시자카
고히치 사토
Original Assignee
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 filed Critical 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 오목부에의 루테늄의 매립에 있어서, 루테늄층의 에칭양을 제어한다. 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립하는 성막 방법이며, (a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과, (b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 루테늄층을 성막하는 공정과, (c) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 루테늄층을 에칭하는 공정과, (d) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정을 포함하고, 상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행하는 성막 방법이 제공된다.

Description

성막 방법 및 성막 시스템{FILM-FORMING METHOD AND FILM-FORMING SYSTEM}
본 개시는, 성막 방법 및 성막 시스템에 관한 것이다.
기판에 형성되는 트랜지스터간을 연결하는 배선, 콘택트 등의 미세 형상에서의 재료로서 저저항의 루테늄(Ru)이 주목받고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1, 2는, 기판에 형성된 오목부에 대하여 루테늄을 매립하는 기술을 제안한다. 저저항의 배선, 콘택트를 실현하기 위해서는, 저항을 상승시키는 보이드를 발생시키지 않고 오목부에 루테늄을 매립하는 것이 중요해진다.
일본 특허 공개 제2018-147949호 공보 일본 특허 공개 제2020-47864호 공보
본 개시는, 오목부에의 루테늄의 매립에 있어서, 루테늄층의 에칭양을 제어 가능한 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립하는 성막 방법이며, (a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과, (b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 루테늄층을 성막하는 공정과, (c) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 루테늄층을 에칭하는 공정과, (d) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정을 포함하고, 상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행하는 성막 방법이 제공된다.
일 측면에 의하면, 오목부에의 루테늄의 매립에 있어서, 루테늄층의 에칭양을 제어할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 관한 성막 시스템의 일례를 도시하는 개략 평면도이다.
도 2는 실시 형태에 관한 성막 장치의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 3의 성막 방법에서의 기판의 오목부의 단면도이다.
도 5는 오존 가스에 의한 에칭 시간과 루테늄의 에칭양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 제2 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
[성막 시스템]
먼저, 실시 형태에 관한 성막 시스템(1)의 구성 및 동작에 대해서, 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 실시 형태에 관한 성막 시스템의 일례를 도시하는 개략 평면도이다. 성막 시스템(1)은, 기판에 형성된 오목부에 루테늄을 매립하는 처리를 포함하는 처리를 실행한다.
성막 시스템(1)은, 대기 반송실(11)과 로드 로크실(12)과 제1 기판 반송실(13)과 제2 기판 반송실(14)과 처리실(PM)을 갖는다. 도 1에서는, 처리실(PM)은, 복수의 클리닝 장치(21, 22)와, 복수의 성막 장치(23 내지 27)와, 어닐 장치(28)로 구성된다. 성막 장치에는, 기판에 형성된 오목부에 루테늄을 매립하는 루테늄 매립용 성막 장치와, 매립한 루테늄 상에 또한 루테늄을 적층시켜, 편평한 루테늄층을 형성하는 루테늄 적층용 성막 장치를 포함해도 된다.
클리닝 장치, 성막 장치 및 어닐 장치의 개수 및 배치는, 도 1에 도시하는 예에 한정되지 않고, 전체의 스루풋을 향상시키도록 각 장치의 개수 및 배치를 설정할 수 있다. 예를 들어, 2개의 클리닝 장치, 3개의 루테늄 매립용 성막 장치, 1개의 루테늄 적층용 성막 장치, 2개의 어닐 장치를 준비하여, 8개의 처리실(PM)의 적절한 위치에 배치해도 된다. 어닐 장치에 시간이 걸릴 경우, 1개의 클리닝 장치, 4개의 루테늄 매립용 성막 장치, 1개의 루테늄 적층용 성막 장치, 2개의 어닐 장치를 준비하여, 8개의 처리실(PM)의 적절한 위치에 배치해도 된다.
제1 기판 반송실(13) 및 제2 기판 반송실(14)은, 각각 평면으로 보아 사각 형상으로 구성되고, 예를 들어 2개의 전달부(17)를 통해서 연결되어 있다. 제1 및 제2 기판 반송실(13, 14) 및 전달부(17)의 내부는 진공압 분위기로 설정되고, 그 압력은 서로 균일하게 구성된다. 전달부(17)는, 제1 기판 반송실(13)에 마련된 제1 반송 기구(13a)와의 사이, 또는 제2 기판 반송실(14)에 마련된 제2 반송 기구(14a)와의 사이에서 기판의 전달을 행한다. 제1 기판 반송실(13) 및 제2 기판 반송실(14)은, 각각 반송실용 터보 분자 펌프(도시하지 않음)를 갖고, 각 반송실 내를 원하는 압력으로 제어한다.
제1 기판 반송실(13) 및 제2 기판 반송실(14)이 배열되는 방향을 길이 방향으로 하고, 제1 기판 반송실(13)을 전방측, 제2 기판 반송실(14)을 후방측으로 한다. 이때 제1 기판 반송실(13)의 전방측에는, 예를 들어 3개의 로드 로크실(12)을 통해서 대기압 분위기로 설정된 대기 반송실(11)이 접속되어 있다. 제1 및 제2 기판 반송실(13, 14)과 전달부(17)의 사이, 로드 로크실(12)과 제1 기판 반송실(13)의 사이, 로드 로크실(12)과 대기 반송실(11)의 사이에는, 각각 기판의 반송구와, 당해 반송구를 개폐하는 게이트 밸브가 존재하지만, 도시는 생략한다.
대기 반송실(11)에는, 예를 들어 4개의 로드 포트(15)가 접속되고, 각 로드 포트(15)에는, 복수매의 기판을 수용한 캐리어(C)가 적재된다. 대기 반송실(11)에는, 대기 반송 기구(11a)가 마련되어 있어, 대기 반송실(11)에 접속된 캐리어(C)와, 로드 로크실(12)과의 사이에서 기판을 반송할 수 있다.
제1 기판 반송실(13)의 앞쪽의 2개의 벽부에는, 클리닝 장치(21, 22)가 각각 접속되어 있다. 클리닝 장치(21, 22)는, 루테늄을 매립하는 처리의 전처리로서 금속 산화물을 제거하는 프리클린 처리를 행한다. 예를 들어, 클리닝 장치(21, 22)는, 기판이 갖는 오목부의 하층인 금속의 산화물을 제거한다. 기판이 갖는 오목부의 하층이 텅스텐층인 경우, 클리닝 장치(21, 22)는, 텅스텐이 산화한 텅스텐 산화막을 제거한다. 또한, 예를 들어 기판이 갖는 오목부의 하층이 루테늄층인 경우, 클리닝 장치(21, 22)는, 루테늄이 산화한 루테늄 산화막을 제거한다. 클리닝 장치(21, 22)는, 수소 가스를 플라스마화한 수소 플라스마에 의해 금속 산화물을 환원하여, 제거한다.
제1 기판 반송실(13)의 안쪽의 2개의 벽부에는, 성막 장치(23, 24)가 각각 접속되어 있다. 그리고, 제1 기판 반송실(13) 내에 마련된 제1 반송 기구(13a)가, 이들 4개의 처리실(PM)(21 내지 24)과, 전달부(17)와, 로드 로크실(12)과의 사이에서 기판을 반송한다. 도 1 중, 부호 GV1은 게이트 밸브를 가리키고 있다.
제2 기판 반송실(14)의 앞쪽의 2개의 벽부에는, 성막 장치(25, 26)가 각각 접속되어 있다. 이 예에서, 성막 장치(25, 26)는 루테늄 매립용 성막 장치이다.
제2 기판 반송실(14)의 안쪽의 2개의 벽부에는, 성막 장치(27) 및 어닐 장치(28)가 각각 접속되어 있다. 그리고, 제2 반송 기구(14a)가, 이들 4개의 처리실(PM)(25 내지 28)과 전달부(17)와의 사이에서 기판을 반송한다. 도 1 중, 부호 GV2, GV3은, 각각 게이트 밸브를 가리키고 있다. 성막 장치(27)는, 루테늄 적층용 성막 장치이다.
이 예에서, 성막 장치(23 내지 26)는, 루테늄 원료로서 Ru3(CO)12(이하, DCR이라고도 표기함)를 포함하는 원료 가스를 사용해서 오목부 내에 보텀 업으로 루테늄을 매립한다. 성막 장치(27)는, DCR을 포함하는 원료 가스를 사용해서 필드부까지 루테늄의 성막을 행한다. 다음 공정의 평탄화 처리(CMP)를 위해서 루테늄층을 쌓아 나가는 처리이다.
어닐 장치(28)는, 성막한 루테늄을 어닐한다. 어닐 장치(28)는, 히터 등의 가열 수단에 의해 기판을 가열 가능한 장치이다.
성막 시스템(1)은, 클리닝 장치(21, 22), 성막 장치(23 내지 27), 어닐 장치(28)에서의 각종 처리나, 기판의 반송 등, 성막 시스템(1)을 구성하는 각 부의 동작을 제어하는 제어 장치(100)를 갖는다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 도시하지 않은 CPU와 메모리(기억부)를 갖는 컴퓨터로 이루어지고, 메모리에는, 성막 시스템(1)을 구성하는 각 부의 동작에 필요한 제어 프로그램이 기억되어 있다. 제어 프로그램은, 예를 들어 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 마그네트 옵티컬 디스크, 메모리 카드, 불휘발성 메모리 등의 기억 매체에 저장되어, 기억 매체로부터 컴퓨터에 인스톨되어도 된다. 제어 프로그램은, 제어 장치(100)에 접속된 네트워크로부터 통신 수단을 사용해서 취득되어도 된다.
이상으로 일례를 설명한 바와 같이, 성막 시스템(1)은, 루테늄을 성막하는 성막 장치를 적어도 하나 이상 갖고, 성막 장치를 사용해서 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립하는 처리를 실행한다. 이 예에서는, 성막 장치(23 내지 27)는, 동일 구성을 갖지만, 성막 장치(27)는, 성막 장치(23 내지 26)의 일부 구성(후술하는 오존 가스의 공급 라인 등)은 없어도 된다. 또한, 성막 시스템(1)은, 루테늄을 어닐하는 어닐 장치를 적어도 하나 이상 가져, 기판의 오목부에 매립된 루테늄층을 가열한다.
[성막 장치]
이어서, 성막 시스템(1)에 포함되는, 실시 형태에 관한 성막 장치의 구성에 대해서 도 2를 참조하면서 설명한다. 여기에서는 일례로서 성막 장치(23)의 구성을 설명하고, 동일 구성의 성막 장치(24 내지 27)에 대해서는 설명을 생략한다. 도 2는, 실시 형태에 관한 성막 장치(23)의 일례를 도시하는 단면 모식도이다. 또한, 클리닝 장치(21, 22) 및 어닐 장치(28)의 구성에 대한 도시는 생략한다.
성막 장치(23)는 처리 용기(101)를 구비하고 있고, 처리 용기(101)의 측벽은, 제2 기판 반송실(14)에 접속되고, 제2 기판 반송실(14)과의 사이에서 기판을 반출입하기 위한 반송구(104)가 형성되어 있다. 반송구(104)는, 게이트 밸브(GV1)에 의해 개폐 가능하게 구성되어 있다.
처리 용기(101) 내에는, 기판(W)을 수평하게 지지하는 적재대(102)가, 지지 기둥(103)에 의해 하면측으로부터 지지된 상태로 마련되어 있다. 적재대(102)는 히터(105)를 가져, 기판(W)을 미리 설정한 온도로 가열 가능하다.
처리 용기(101)의 천장부에는, 적재대(102)에 적재되는 기판(W)과 대향하도록, 샤워 헤드(110)가 배치되어 있다. 샤워 헤드(110)는, 가스 확산 공간(112)을 갖고, 그 하면에는 가스 토출구(113)가 분산해서 형성되어 있다.
또한 성막 장치(23)는, 가스를 공급하는 가스 공급부(130)와, 가스를 배기하는 가스 배기부(180)를 갖는다. 가스 공급부(130)는, 처리 용기(101)에 대하여 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하는 제1 공급 라인(131)과, 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하는 제2 공급 라인(132)을 갖는다.
제1 공급 라인(131)은, 캐리어 가스용 공급관(133) 및 공급관(140)을 갖는다. 캐리어 가스용 공급관(133)은, CO 가스 공급원(134)으로부터 연장되어, 원료 용기(161)에 접속되어 있다. 공급관(133)의 말단은 원료(S) 내에 삽입되도록 마련되어 있다. 공급관(133)에는, CO 가스 공급원(134)측으로부터 순서대로 밸브(137a), 매스 플로 컨트롤러(136), 밸브(137b)가 마련되어 있다. 공급관(133)을 통해서 CO 가스 공급원(134)으로부터 CO 가스가 캐리어 가스로서 원료 용기(161)에 공급된다. 단, 캐리어 가스로서, CO 가스 대신에 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스 등의 불활성 가스를 사용할 수도 있다.
원료 용기(161)는 루테늄의 원료(S)를 수용한다. 본 예에서는, 원료 용기(161) 내에는 루테늄막의 원료(S)로서 DCR이 수용되어 있지만, 루테늄막의 원료(S)는 DCR에 한하지 않고, 유기계 가스이어도 된다. 원료 용기(161) 내의 원료(S)는, 히터(162)에 의해 가열되어 기화한다.
원료 용기(161)와 샤워 헤드(110)의 가스 도입구(111)와의 사이는, 공급관(140)에 의해 접속되어 있다. 원료 용기(161)의 상단부면은 공급관(140)에 접속되어, 가스 도입구(111)에 연결된다. 공급관(140)에는, 원료 용기(161)측으로부터 순서대로 밸브(139a), 유량계(138), 밸브(139b)가 마련되어 있다.
원료 용기(161)에서 기화한 루테늄의 원료 가스는, CO 가스를 캐리어 가스로서 공급관(140) 내를 흘러, 가스 도입구(111)로부터 처리 용기(101)에 공급된다. 유량계(138)는, 원료 가스를 포함하는 가스의 유량을 검출한다. 제1 공급 라인(131)으로부터 처리 용기(101)에 공급된 원료 가스에 의해, 기판(W)의 표면의 오목부에 루테늄막이 형성된다.
제2 공급 라인(132)은 공급관(175)을 갖는다. 공급관(175)은, O2 가스 공급원(174)으로부터 연장되어, 가스 도입구(111)에 접속되어 있다. 공급관(175)에는, O2 가스 공급원(174)측으로부터 순서대로 밸브(177a), 매스 플로 컨트롤러(176), 오조나이저(173), 밸브(177b)가 마련되어 있다.
O2 가스 공급원(174)으로부터 공급된 산소 가스는, 매스 플로 컨트롤러(176)로 유량이 제어되어, 오조나이저(173)에 공급된다. 오조나이저(173)는, 산소 가스를 전기 에너지에 의해 방전시켜서 오존 가스를 생성하고, 산소 가스에 대한 오존 가스의 농도를 제어하여, 어떤 농도로 제어된 오존 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 출력한다. 오존 가스와 산소 가스의 혼합 가스는, 오존 가스를 포함하는 가스의 일례이다. 오존 가스를 포함하는 가스는 공급관(175)을 통해서 처리 용기(101)에 공급된다. 이에 의해, 오목부의 측벽에 성막된 루테늄편이 에칭되어 제거된다.
가스 배기부(180)는, 배기 라인의 배기관(188)을 갖는다. 배기관(188)은, 압력 조정부(APC)(181) 및 터보 분자 펌프(TMP)(182)를 통해서 처리 용기(101)의 저벽에 마련된 배기관(108)에 접속되어 있다.
배기관(188)은, 드라이 펌프(DP1)(185)로부터 연장되어, 터보 분자 펌프(TMP)(182)에 접속되어 있다. 배기관(188)에는, 드라이 펌프(DP1)(185)측으로부터 순서대로 밸브(183b), 트랩 장치(184), 밸브(183a)가 마련되어 있다. 드라이 펌프(DP1)(185)는, 처리 용기(101) 내를 러핑 배기하고, 터보 분자 펌프(182)는, 압력 조정부(181)에서 처리 용기(101) 내의 압력을 조정하면서 처리 용기(101) 내를 진공화하여, 루테늄의 원료 가스의 잔류 가스를 배기한다. 그 때, 트랩 장치(184)에 의해 원료 가스를 회수한다. 또한, 배기관(188)은, 오존 가스를 포함하는 가스의 잔류 가스를 배기한다.
성막 장치(23)는, 성막 장치(23)를 구성하는 각 부의 동작을 제어하는 제어 장치(150)를 갖는다. 제어 장치(150)는, 예를 들어 도시하지 않은 CPU와 메모리(기억부)를 갖는 컴퓨터로 이루어지고, 메모리에는, 후술하는 성막 방법을 행하기 위해서 필요한 제어에 관한 스텝(명령)군이 짜여진 프로세스 레시피가 기억되어 있다. 프로세스 레시피는, 예를 들어 하드 디스크 등의 기억 매체에 저장되어, 기억 매체로부터 컴퓨터에 인스톨되어도 되고, 제어 장치(150)에 접속된 네트워크로부터 통신 수단을 사용해서 취득되어도 된다. 제어 장치(150)는, 제어 장치(100)와 연계해서 성막 장치(23) 및 성막 시스템(1)을 제어해도 된다. 제어 장치(150) 및 제어 장치(100)는, 성막 시스템(1)의 동작을 제어해서 루테늄의 성막을 제어하는 제어 장치의 일례이다.
기판(W)의 표면에 형성된 오목부의 저부로부터 보텀 업으로 루테늄을 성막할 수 있으면, 보이드나 후술하는 심의 발생을 회피할 수 있어 저저항의 루테늄층을 형성할 수 있다. 그러나, 성막 처리 도중에 오목부의 측벽(측부)에도 루테늄막(루테늄편이라고도 함)이 성막된다. 측벽에 성막된 루테늄편을 에칭에 의해 제거하면, 오목부의 측부에 루테늄막이 없는 상태로 되어, 보이드의 발생을 회피할 수 있다. 그래서, 성막 장치(23)에서는, 루테늄막의 형성(D: 데포지션) 및 루테늄편의 제거(E: 에칭)를 반복해 실행하는 DED 방법에 의해, 오목부의 저부로부터 보텀 업으로 루테늄을 성장시킨다.
DED 방법을 사용하지 않는 경우, 오목부의 측벽에 성막된 루테늄편에 의해 오목부의 개구가 폐색되어 보이드가 발생하거나, 컨포멀한 루테늄막의 성막에 의해 오목부 내에 미소한 간극(심)이 발생하거나 한다. 후술하는 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, DED 방법에 의해 오목부에의 보텀 업의 루테늄 매립 처리가 가능해져서, 보이드나 심을 회피한 루테늄의 배선, 콘택트를 실현할 수 있다.
그래서, 오목부에 루테늄막을 형성 후, 오존을 포함하는 가스를 제2 공급 라인(132)으로부터 처리 용기(101) 내에 공급하여, 오존 가스에 의해 오목부의 측벽에 성막된 루테늄편을 에칭하여, 제거한다.
그러나, 오존 가스에 의한 에칭에 의하면, 루테늄막은 컨포멀하게 깎인다. 따라서, 에칭 레이트가 높으면 오목부의 측벽의 루테늄편뿐만 아니라, 오목부의 저부의 루테늄층도 모두 깎여버리는 경우가 있다.
그래서, 이하의 본 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 오목부의 측벽의 루테늄편을 에칭하면서, 오목부의 저부에 매립된 루테늄층의 에칭을 억제하는 것이 가능한 방법을 제공한다.
<제1 실시 형태>
[성막 방법]
성막 시스템(1)에서 실행되는, 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례에 대해서, 도 1에 더하여 도 2 내지 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 3은, 제1 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 4는, 도 3의 성막 방법에서의 기판의 오목부의 단면도이다.
(기판 준비 공정 스텝 S1)
도 3에 도시하는 성막 방법은, 제어 장치(100) 및/또는 제어 장치(150)가 연계되거나 하여 실행한다. 예를 들어, 제어 장치(150)는, 제어 장치(100)로부터의 지령에 따라 프로세스 레시피에 따라서 본 처리를 개시한다. 본 처리가 개시되면, 스텝 S1에서, 제어 장치(100)는, 오목부를 갖는 기판(W)을 클리닝 장치(21, 22)의 어느 것에 반입하여 준비한다.
도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 반입된 기판(W)의 표면에는, 오목부(52)를 구비한 절연막, 예를 들어 실리콘 산화막(SiOx막)(51)이 형성되어 있다. 실리콘 산화막(51)의 하층은 텅스텐 등의 금속층(50)이다.
제어 장치(100)는, 우선 도 1에 도시하는 대기 반송 기구(11a)에 의해, 캐리어(C) 내에 수용된 기판을 취출하여, 대기압 분위기의 로드 로크실(12)에 전달하고, 로드 로크실(12)을 진공압 분위기로 조절한다. 이어서, 제어 장치(100)는, 제1 반송 기구(13a)에 의해, 로드 로크실(12) 내의 기판을 클리닝 장치(21, 22)의 어느 것에 반송하여, 프리클린 처리를 행한다. 프리클린 처리에서는, 수소 가스를 플라스마화한 수소 플라스마에 의해, 도 4의 (a)에 도시한 오목부(52)의 저부의 금속층(50)에 형성된 금속 산화막을 환원하여 제거한다. 본 예에서는, 금속 산화막은 텅스텐 산화막이다.
(루테늄 성막(매립) 공정 스텝 S3)
이어서, 제어 장치(100)는, 도 1에 도시하는 제1 반송 기구(13a)를 통해서 기판을 성막 장치(23, 24)의 어느 것, 또는 제1 반송 기구(13a), 전달부(17) 및 제2 반송 기구(14a)를 통해서 기판을 성막 장치(25, 26)의 어느 것에 반송하여, 기판을 준비한다.
성막 장치(23)에서는, 제어 장치(150)는, 오목부(52)의 저부를 포함하는 영역에 루테늄층을 형성한다. 구체적으로는, 제어 장치(150)는, 처리 용기(101) 내에 기판을 반입해서 적재대(102)에 적재하고, 당해 기판을 히터(105)로 가열하고, 가스 배기부(180)에 의해 처리 용기(101) 내를 진공 배기한다.
도 3의 스텝 S3에서, 이하의 프로세스 조건으로 제어하여, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 기화한 루테늄의 원료 가스에 의해 오목부(52)의 저부를 포함하는 영역에 루테늄을 매립하여, 루테늄층(55)을 형성한다.
<루테늄 매립 프로세스 조건>
가스 DCR의 원료 가스, CO 가스
CO 가스 유량 50 내지 300sccm
처리 용기 내의 압력 10 내지 200mTorr(1.33 내지 26.7Pa)
적재대의 온도 100 내지 250℃
도 2에 도시하는 원료 용기(161)에서는 히터(162)에 의해 루테늄의 원료(S)인 DCR이 가열되어 있다. 제1 공급 라인(131)의 캐리어 가스용 공급관(133)에 마련된 밸브(137a), 밸브(137b)를 개방하여, 매스 플로 컨트롤러(136)에 의해 유량이 제어된 캐리어 가스인 CO 가스를 원료 용기(161)에 공급한다. 루테늄의 원료 가스는, 히터(162)에 의한 가열에 의해 기화한다. 또한, 공급관(140)에 마련된 밸브(139a, 139b)를 개방한다.
제2 공급 라인(132)의 공급관(175)에 마련된 밸브(177a, 177b)는 닫혀 있다. 이에 의해, 기화된 원료 가스가 처리 용기(101) 내에 공급되어, 오목부(52)에 루테늄층(55)이 형성된다. 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스가 처리 용기(101) 내에 공급되어, 루테늄층(55)이 형성된다. 성막 중, 오목부(52) 내의 측벽에 부분적으로 루테늄막(이하, 루테늄편(55a)이라고도 함)이 형성된다.
스텝 S3에서 루테늄막을 성막 중, 배기관(188)의 밸브(183a, 183b)를 개방한다. 배기관(188)은, 드라이 펌프(DP1)(185)를 사용해서 처리 용기(101) 내를 러핑 배기한 후, 압력 조정부(181) 및 터보 분자 펌프(182)를 사용해서 처리 용기(101) 내를 진공화하여, 처리 용기(101)로부터 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 배기한다. 스텝 S3의 처리를 개시하고 나서 소정 시간 경과 후, 제어 장치(150)는, 밸브(139a, 139b) 및 밸브(137a, 137b)를 닫아, 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스의 공급을 정지한다.
(진공화 공정 스텝 S5)
이어서, 도 3의 스텝 S5에서, 배기관(188)에 접속된 배기 장치(드라이 펌프(DP1) 및 터보 분자 펌프(182))를 사용해서 처리 용기(101) 내를 진공화한다. 이에 의해, 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스가 배기된다. 스텝 S5에서는, 상기 진공화와 함께 퍼지를 행해도 된다. 퍼지의 공정은, Ar 가스, N2 가스 등의 불활성 가스를 처리 용기(101) 내에 공급하여, 처리 용기(101) 내의 루테늄 원료 가스를 포함하는 가스를 불활성 가스로 치환한다.
(어닐 공정 스텝 S7)
이어서, 도 3의 스텝 S7에서, 형성된 루테늄층을 어닐한다. 이 경우, 제어 장치(100)는, 제2 반송 기구(14a)를 통해서 기판을 어닐 장치(28)에 반송한다. 그리고, 어닐 장치(28)는, 이하의 프로세스 조건으로 제어하여, 반송된 기판(W)을 소정의 온도에서 가열한다.
<어닐 프로세스 조건>
가스 N2 가스
N2 가스 유량 1000 내지 5000sccm
처리 용기 내의 압력 5Torr
적재대의 온도 300℃ 내지 400℃
(루테늄의 에칭 공정 스텝 S9)
이어서, 도 3의 스텝 S9에서, 이하의 프로세스 조건으로 제어하여, 오목부(52)의 측벽에 부착된 루테늄편(55a)을 에칭하여, 제거한다.
<에칭 프로세스 조건>
가스 O3와 O2의 혼합 가스
O3 가스 농도 100 내지 400g/m3
O2 가스 유량 400 내지 20000sccm
처리 용기 내의 압력 0.1 내지 3Torr(13.3 내지 400Pa)
적재대의 온도 100 내지 250℃
스텝 S9에서는, 도 2에 도시하는 제1 공급 라인(131)의 공급관(140)에 마련된 밸브(139a, 139b)를 닫은 상태에서, 제2 공급 라인(132)의 공급관(175)에 마련된 밸브(177a, 177b)를 개방한다. 제2 공급 라인(132)에서는, 오조나이저(173)로부터 출력한 소정 농도의 O3와 O2의 혼합 가스가 처리 용기(101) 내에 공급된다. 이에 의해, 처리 용기(101) 내에 오존 가스를 포함하는 가스가 공급되어, 도 4의 (b)에 도시하는 루테늄층(55) 및 루테늄편(55a)이 에칭되어, 도 4의 (c)에 도시하는 바와 같이 오목부(52)의 측벽으로부터 루테늄편(55a)이 제거된다. 또한, 배기관(188)의 밸브(183a, 183b)를 개방한 상태에서, 배기관(188)으로부터 오존 가스를 포함하는 가스의 잔류 가스가 배기된다. 스텝 S9의 처리를 개시하고 나서 소정 시간 경과 후, 제어 장치(150)는, 밸브(177a, 177b)를 닫아, 오존 가스를 포함하는 가스의 처리 용기(101)에의 공급을 정지한다.
(진공화 공정 스텝 S11)
스텝 S11에서는, 배기관(188)에 접속된 배기 장치를 사용해서 처리 용기(101) 내를 진공화한다. 이에 의해, 오존 가스를 포함하는 가스가 배기된다. 상기 진공화와 함께 퍼지를 행해도 된다. 퍼지 공정은, 불활성 가스를 처리 용기(101) 내에 공급하여, 처리 용기(101) 내의 오존 가스를 포함하는 가스를 불활성 가스로 치환한다.
(판정 공정 스텝 S13)
이어서, 스텝 S13에서는, 제어 장치(150)는, 스텝 S3 내지 S11의 처리를 미리 정해진 설정 횟수 실행했는지를 판정한다. 제어 장치(150)는, 설정 횟수 실행하지 않았다고 판정했을 경우, 스텝 S3으로 돌아가서, 스텝 S3 내지 S11을 실행한다. 이에 의해, 도 4의 (b)에 도시하는 성막 및 도 4의 (c)에 도시하는 성막 및 에칭이 설정 횟수 반복된다. 이에 의해, 동일한 성막 장치에서 루테늄의 성막과 에칭을 실행할 수 있다.
제어 장치(150)는, 스텝 S13에서 설정 횟수 실행했다고 판정한 경우, 기판(W)을 반출하고, 제어 장치(100)는, 제1 반송 기구(13a), 전달부(17) 및 제2 반송 기구(14a)를 통해서 기판을 성막 장치(27)에 반송한다.
(루테늄 성막(적층) 공정 스텝 S15)
이어서, 도 3의 스텝 S15에서, 이하의 프로세스 조건으로 제어하여, 기화한 루테늄의 원료 가스에 의해 오목부(52)의 저부에 형성된 루테늄층(55)의 상층의 필드부에 루테늄층(56)을 적층시킨다. 이에 의해, 도 4의 (d)에 도시하는 바와 같이, 기판(W)의 오목부에 매립된 루테늄층(55) 상에 루테늄층(56)이 성막된다. 각 밸브의 개폐는, 스텝 S3의 루테늄의 매립 시와 동일하다.
<루테늄 적층 프로세스 조건>
가스 DCR의 원료 가스, CO 가스
CO 가스 유량 50 내지 300sccm
처리 용기 내의 압력 10 내지 200mTorr
적재대의 온도 100 내지 250℃
또한, 스텝 S15의 루테늄 적층 공정 후, 어닐 공정을 실행해도 된다. 어닐 공정을 실행하는 경우, 프로세스 조건은, 스텝 S7에서의 조건과 동일하면 된다.
이상으로 설명한 성막 방법의 작용에 대해서 설명한다. 기판의 오목부에 성막한 루테늄층(55)에 대하여, 오존 가스를 포함하는 가스를 공급한 경우, 루테늄층(55)과 오존 가스의 화학 반응 (1)은, Ru+2/3O3→RuO2로 나타내진다. 이 화학 반응 (1)에서는, 루테늄층(55)의 표면이 산화하여, RuO2의 루테늄 산화막(55b)이 형성된다.
또한, 루테늄층(55)과 오존 가스의 화학 반응 (2)는, Ru+4/3O3→RuO4로 나타내진다. 루테늄 산화막(RuO2)(55b)과 오존 가스의 화학 반응 (3)은, RuO2+2/3O3→RuO4로 나타내진다. 이 화학 반응 (2), (3)에 의해 형성된 RuO4는 휘발한다. 이에 의해, 루테늄층(55)의 표면 및 루테늄편(55a)(도 4의 (b) 참조)이 에칭되어, 제거된다.
또한, 도 3의 성막 방법에서는, 스텝 S5, S11의 퍼지 처리는 생략하고, 진공화 처리만을 행해도 된다.
이상으로 설명한 바와 같이 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 이하의 공정 (a) 내지 (d)에 의해 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립한다. 즉, 제1 실시 형태에 관한 성막 방법은,
(a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과,
(b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 루테늄층을 성막하는 공정과,
(c) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정과,
(d) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 루테늄층을 에칭하는 공정을 포함하고, 상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행한다. 상기 (b), 상기 (c)의 공정은, 동일한 성막 장치에서 실행된다.
본 개시의 성막 방법에서는, 루테늄의 성막 처리 및 어닐이 반복되고, 이에 의해, 루테늄층의 에칭 내성을 향상시키고, 그 결과, 루테늄의 에칭양을 제어할 수 있다. 그 이유에 대해서 도 5를 참조하면서 설명한다.
도 5는, 오존 가스에 의한 에칭 시간과 루테늄의 에칭양의 관계를 도시하는 도면이다. 도 5의 횡축은, 오존 가스의 공급을 개시하고 나서의 시간, 즉 오존 가스에 의한 에칭 시간을 나타내고, 종축은, 단위 시간당 루테늄의 에칭양을 나타낸다.
도 5는, 루테늄의 그레인 사이즈(결정 사이즈)에 의해 루테늄의 에칭 레이트가 변화하는 것을 나타내고 있다. 루테늄의 그레인 사이즈가 작은 경우(도 5의 스몰 그레인), 루테늄의 그레인 사이즈가 큰 경우(도 5의 라지 그레인)보다도 루테늄의 에칭양이 크다. 즉, 그레인 사이즈가 큰 루테늄층은, 그레인 사이즈가 작은 루테늄층과 비교해서 에칭 레이트를 저하시킬 수 있어, 루테늄의 에칭을 억제할 수 있다. 그래서, 루테늄의 성막 후에 어닐 처리를 행한다. 이에 의해, 오목부에 매립된 루테늄층(55)의 그레인을 성장시켜, 그레인 사이즈가 큰 결정 구조로 한다.
오목부의 저부에 매립된 루테늄층(55)은, 오목부의 측벽에 부착된 루테늄편(55a)보다도 상대적으로 루테늄의 양이 많다. 따라서, 소정 시간 어닐 처리를 행함으로써, 오목부의 저부의 루테늄층(55)에서는, 오목부의 측부의 루테늄편(55a)보다도 상대적으로 다량의 루테늄을 그레인 성장시킬 수 있다. 이에 의해, 루테늄층(55)의 그레인 사이즈를, 측벽의 루테늄편(55a)의 그레인 사이즈보다도 상대적으로 크게 할 수 있다. 이에 의해, 저부의 루테늄층(55)의 에칭 레이트를, 측부의 루테늄편(55a)의 에칭 레이트보다도 저하시킬 수 있다. 그 결과, 오존 가스에 의한 루테늄의 에칭 공정에서, 오목부의 측벽의 루테늄편(55a)을 제거하면서, 오목부의 저부에 형성된 루테늄층(55)의 에칭을 억제할 수 있다.
즉, 루테늄층(55)을 어닐해서 그레인 성장시킴으로써, 루테늄층(55)의 에칭 내성을 향상시킬 수 있다. 또한, 어닐 처리 후의 기판에 또한 루테늄을 성막함으로써, 응집했을 때 생기는 간극을 루테늄으로 매립할 수 있다. 어닐에 의해 루테늄층(55)에 열을 부여하면, 루테늄 원자가 이동하기 쉬운 상태로 된다. 그 결과, 루테늄에 응집이 생겨서, 응집에 의해 루테늄층에 간극이 생기는 경우가 있다. 이에 대해, 루테늄의 성막으로 그 간극에 루테늄을 매립할 수 있다. 이에 의해, 간극이 없는 루테늄층(55)을 형성할 수 있다.
또한, 루테늄 성막 공정(스텝 S3), 어닐 공정(스텝 S7), 오존 가스에 의한 루테늄의 에칭 공정(스텝 S9)을 반복함으로써, 전회 또는 그 이전에 성막된 루테늄층(55)은, 어닐 처리에 의해 그레인 성장한다. 그 결과, 전회 또는 그 이전에 성막된 루테늄층(55)은, 금회 성막한 루테늄의 그레인 사이즈와 비교해서 상대적으로 크게 되어 있다.
따라서, 스텝 S3, S7, S9의 처리를 반복함으로써, 루테늄층(55)의 에칭 내성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그 결과, 오존 가스에 의한 루테늄의 에칭 공정에서, 루테늄편(55a)을 에칭에 의해 제거함과 함께, 오목부의 저부에 매립된 루테늄층(55)의 에칭을 억제할 수 있다. 이에 의해, 오목부에의 루테늄의 매립 시에 행하여지는 루테늄편(55a)의 에칭에 있어서, 루테늄층(55)의 에칭양을 제어할 수 있다.
도 3의 성막 방법에서는, 루테늄 성막 공정 후에 어닐 공정을 행함으로써, 루테늄층(55)의 에칭 내성을 향상시켰다. 그러나, 이에 한정하지 않고, 루테늄 성막 공정과 루테늄의 에칭 공정을 복수회 반복할 때마다 어닐 공정을 1회 행하도록 해도 된다. 이에 의하면, 어느 정도의 루테늄층(55)의 에칭 내성을 얻으면서, 스루풋을 향상시킬 수 있다.
<제2 실시 형태>
[성막 방법]
제1 실시 형태에서는, 루테늄 성막 공정(스텝 S3), 어닐 공정(스텝 S7), 오존 가스에 의한 루테늄의 에칭 공정(스텝 S9)을 이 순으로 반복했지만, 그에 한하지 않는다. 제2 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 루테늄 성막 공정(스텝 S3), 오존 가스에 의한 루테늄의 에칭 공정(스텝 S9), 어닐 공정(스텝 S7)을, 이 순으로 반복한다.
성막 시스템(1)에서 실행되는, 제2 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례에 대해서, 도 6을 참조하면서 설명한다. 도 6은, 제2 실시 형태에 관한 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 6의 각 스텝에서, 도 3과 동일한 스텝 번호의 스텝에서는, 도 3과 동일한 내용의 처리가 행하여진다.
제2 실시 형태에 관한 성막 방법은, 어닐 공정(스텝 S7)이, 루테늄의 성막 공정에 이어지는 오존 가스에 의한 루테늄의 에칭 공정 후에 실행되고, 이 순번으로 각 공정이 반복된다. 구체적으로는, 루테늄 성막 공정(스텝 S3) 후에 진공화 공정(스텝 S5)이 행하여지고, 오존 가스에 의한 루테늄의 에칭 공정(스텝 S9) 후에 진공화 공정(스텝 S11)이 행하여진다. 그 후에 어닐 공정(스텝 S7)이 행하여진다. 각 공정에서의 프로세스 조건 및 그 밖의 성막 방법은 제1 실시 형태에 관한 성막 방법과 동일하다.
이상으로 설명한 바와 같이 제2 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 이하의 공정 (a) 내지 (d)에 의해 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립한다. 즉, 제2 실시 형태에 관한 성막 방법은,
(a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과,
(b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 루테늄층을 성막하는 공정과,
(c) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 루테늄층을 에칭하는 공정과,
(d) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정을 포함하고, 상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행한다. 상기 (b), 상기 (d)의 공정은, 동일한 성막 장치에서 실행된다.
이에 의해, 루테늄의 성막 및 에칭이 동일 성막 장치 내에서 반복되어, 보이드를 생기게 하지 않고 기판의 오목부에 보텀 업으로 루테늄층을 성막할 수 있다. 또한, 성막 시스템(1)에 있어서, 루테늄의 성막 처리 및 어닐이 반복되고, 이에 의해, 루테늄층의 에칭 내성을 향상시키고, 그 결과 루테늄의 에칭양을 제어할 수 있다.
제2 실시 형태에 관한 성막 방법에 의해서도, 루테늄의 성막 처리 및 어닐이 반복되고, 이에 의해, 루테늄층의 에칭 내성을 향상시키고, 그 결과, 루테늄의 에칭양을 제어할 수 있다.
이상, 본 실시 형태의 성막 방법 및 성막 시스템에 의하면, 동일한 성막 장치에서 루테늄의 성막과 에칭을 실행하고, 보텀 업으로 오목부의 저부에 루테늄을 매립할 수 있다. 오목부의 저부에 루테늄을 매립하는 동안에, 오목부의 측부에 부착된 루테늄편을 에칭에 의해 제거하면서, 저부의 루테늄층의 에칭양을 억제하도록 루테늄의 에칭양을 제어할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태에 관한 성막 시스템 및 성막 방법은, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시 형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있고, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.
또한, 본 개시의 성막 장치에서는, 오존 가스를 포함하는 가스의 공급 시, 처리 용기(101)의 클리닝도 가능하다. 오조나이저(173)로부터 처리 용기(101)에 공급된 오존 가스에 의해, 오목부의 측부에 부착된 루테늄의 에칭뿐만 아니라, 처리 용기(101)의 벽면 등에 퇴적된 루테늄의 클리닝을 행할 수 있다.

Claims (6)

  1. 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립하는 성막 방법이며,
    (a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과,
    (b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여 루테늄층을 성막하는 공정과,
    (c) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정과,
    (d) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여 상기 루테늄층을 에칭하는 공정
    을 포함하고,
    상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행하는, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b), 상기 (c)의 공정을 동일한 성막 장치에서 실행하는, 성막 방법.
  3. 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립하는 성막 방법이며,
    (a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과,
    (b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 루테늄층을 성막하는 공정과,
    (c) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 루테늄층을 에칭하는 공정과,
    (d) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정
    을 포함하고,
    상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행하는, 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (b), 상기 (d)의 공정을 동일한 성막 장치에서 실행하는, 성막 방법.
  5. 성막 장치와, 어닐 장치와, 제어 장치를 포함하고, 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립하는 성막 시스템이며,
    상기 제어 장치는,
    (a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과,
    (b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 루테늄층을 성막하는 공정과,
    (c) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정과,
    (d) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 루테늄층을 에칭하는 공정
    을 제어하고,
    상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행하도록 제어하는, 성막 시스템.
  6. 성막 장치와, 어닐 장치와, 제어 장치를 포함하고, 오목부를 갖는 기판에 대하여 루테늄을 매립하는 성막 시스템이며,
    상기 제어 장치는,
    (a) 상기 기판을 처리 용기 내에 준비하는 공정과,
    (b) 상기 처리 용기 내에 루테늄의 원료 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 루테늄층을 성막하는 공정과,
    (c) 상기 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급하여, 상기 루테늄층을 에칭하는 공정과,
    (d) 상기 루테늄층을 어닐하는 공정
    을 제어하고,
    상기 (b), 상기 (c), 상기 (d)의 공정을 이 순으로 반복 실행하도록 제어하는, 성막 시스템.
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