KR101862907B1 - 성막 방법 - Google Patents

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무네유키 오타니
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

기판(W) 상에 TiN의 연속막을 성막하는 성막 방법이며, 상기 기판 상에 TiO2의 연속막을 성막하는 공정과, 상기 TiO2의 연속막 상에, 상기 TiO2막보다도 두꺼운 TiN의 연속막을 성막하는 공정을 갖는다.

Description

성막 방법{FILM FORMING METHOD}
본 출원은, 2014년 5월 12일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2014-98573호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 일본 특허 출원 제2014-98573호의 전체 내용을 여기에 원용한다.
본 발명은 성막 방법에 관한 것이다.
반도체 메모리의 고집적화에 수반하여, 금속 산화물 등의 고유전체 재료를 유전체층으로서 사용하는 캐패시터가 다용되고 있다. 이와 같은 캐패시터의 전극은, 비교적 큰 일함수를 갖는, 예를 들어 질화티탄(TiN)에 의해 형성되어 있다.
TiN 전극의 형성은, 예를 들어 일본 특허 제4583764호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 염화티탄(TiCl4)과 암모니아(NH3)를 원료 가스로서 사용하는 화학 기상 성막(CVD)법에 의해, 고유전체층 상에 TiN을 성막하고, 패턴화함으로써 행해진다.
또한, 원자층 또는 분자층 레벨에서의 성막을 행하는 ALD(Atomic Layer Deposition)법 또는 MLD(Molecular Layer Deposition)법에 의한 성막 방법도 알려져 있다. 예를 들어, 국제 공개 WO 2007/058120호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 막의 단차 피복성 및 밀착성을 높이기 위해, 초기 성막 스텝에 있어서, 처리실 내에 Ru 원료 가스를 도입하여 기판 상에 흡착시키고, 제1 반응 가스로서 H2 또는 NH3가 공급되어 ALD법을 사용한 초기 성막이 행해지고, 계속해서, 본 성막 스텝으로서, 처리실 내에 Tu 원료 가스를 도입하여 기판 상에 흡착시키고, 제2 반응 가스로서 O2가 공급되어 CVD법을 사용한 성막이 행해지는 성막 방법이 알려져 있다.
그러나, 최근 들어, 그와 같은 TiN 전극의 형성뿐만 아니라, 극히 얇은, 예를 들어 7㎚ 이하의 TiN의 연속막을 필요로 하는 프로세스가 존재한다. TiN막의 성장은, 처음에, 섬 형상으로 TiN막이 이산적으로 기판 상에 형성되고, 서서히 섬이 연결되어 연속막이 형성된다고 하는 순서를 거쳐서 행해진다.
따라서, 지나치게 얇은 TiN막, 예를 들어 4㎚ 이하의 TiN막에서는, 섬끼리가 충분히 연속적으로 연결되지 않아, 핀 홀을 발생시켜 버릴 우려가 있다. 또한, 그와 같은 섬이 서서히 연결되어 가는 성장 경과에서는, 실제의 성막 공정에 있어서, 성막을 개시하여 한동안은 섬의 형성만 이루어지고 막의 퇴적이 행해지지 않고, 시간이 어느 정도 경과하고 나서 실제의 성막이 겨우 개시된다고 하는 성막 지연의 시간이 발생해 버려, 스루풋의 저하를 초래한다고 하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 8㎚ 이하의 얇은 TiN막의 형성에 있어서도, 성막 지연의 시간을 단축하고, 확실하게 연속막을 형성할 수 있는 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 성막 방법은, 기판 상에 TiN의 연속막을 성막하는 성막 방법이며, 상기 기판 상에 TiO2의 연속막을 성막하는 공정과, 상기 TiO2의 연속막 상에, 상기 TiO2막보다도 두꺼운 TiN의 연속막을 성막하는 공정을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 성막 방법을 실시하는 것에 적합한 성막 장치를 도시하는 개략도.
도 2는 도 1의 성막 장치의 사시도.
도 3은 도 1의 성막 장치의 진공 용기 내의 구성을 도시하는 개략 평면도.
도 4는 도 1의 성막 장치의 진공 용기 내에 회전 가능하게 설치되는 회전 테이블의 동심원을 따른, 당해 진공 용기의 개략 단면도.
도 5는 도 1의 성막 장치의 다른 개략 단면도.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 의한 성막 방법을 나타내는 흐름도.
도 7은 본 발명의 실시예에 관한 성막 방법의 실시 결과를 나타낸 도면.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태의 설명을 행한다. 첨부된 전체 도면 중, 동일하거나 또는 대응하는 부재, 또는 부품에 대해서는, 동일하거나 또는 대응하는 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도면은, 부재 또는 부품간의 상대비를 나타내는 것을 목적으로 하지 않으며, 따라서, 구체적인 치수는, 이하의 한정적이지 않은 실시 형태에 비추고, 당업자에 의해 결정되어야 할 것이다.
(성막 장치)
우선, 본 발명의 실시 형태에 의한 성막 방법을 실시하는 데에 적합한 성막 장치에 대해 설명한다. 도 1부터 도 3까지를 참조하면, 이 성막 장치는, 대략 원형의 평면 형상을 갖는 편평한 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1) 내에 설치되고, 진공 용기(1)의 중심에 회전 중심을 갖는 회전 테이블(2)을 구비하고 있다. 진공 용기(1)는 바닥이 있는 원통 형상을 갖는 용기 본체(12)와, 용기 본체(12)의 상면에 대해, 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 신장되는 회전축(22)의 상단부에 고정되어 있다. 회전축(22)은 진공 용기(1)의 바닥부(14)를 관통하고, 그 하단부가 회전축(22)(도 1)을 연직축 둘레로 회전시키는 구동부(23)에 설치되어 있다. 회전축(22) 및 구동부(23)는 상면이 개방된 통 형상의 케이스체(20) 내에 수납되어 있다. 이 케이스체(20)는 그 상면에 설치된 플랜지 부분이 진공 용기(1)의 바닥부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어 있어, 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(둘레 방향)을 따라 복수(도시된 예에서는 5매)의 기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 함)(W)를 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)가 형성되어 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 않는 영역]이 동일한 높이로 된다. 오목부(24)의 바닥면에는, 웨이퍼(W)의 이면을 지지하여 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 설명하는 도면이며, 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 둘레 방향[회전 테이블(2)의 회전 방향{도 3의 화살표 A}]으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 도시된 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. 이들 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 외주위벽에 고정함으로써, 진공 용기(1)의 외주위벽으로부터 진공 용기(1) 내로 도입되고, 용기 본체(12)의 반경 방향을 따라 회전 테이블(2)에 대해 수평하게 신장되도록 설치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 반응 가스 노즐(31)은 도시하지 않은 배관 및 유량 제어기 등을 통해, 염화티탄(TiCl4) 가스의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 반응 가스 노즐(32)은 도시하지 않은 배관 및 유량 제어기 등을 통해, 질화 가스(NH3 등)의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 또한, 반응 가스 노즐(32)이 질화 가스를 공급하지 않는 경우에는, 반응 가스 노즐(32)이 부압으로 되지 않도록, 질소(N2) 가스 등의 불활성 가스를 반응 가스 노즐(32)에 공급할 수 있도록 불활성 가스의 공급원과도 전환 접속 가능하게 구성되어도 된다. 또한, 반응 가스 노즐(33)은 도시하지 않은 배관 및 유량 제어기 등을 통해, 산화 가스(O2, O3 등)의 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 또한, 반응 가스 노즐(33)이 산화 가스를 공급하지 않는 경우에는, 반응 가스 노즐(33)을 부압으로 하지 않도록, 질소(N2) 가스 등의 불활성 가스를 반응 가스 노즐(33)에 공급할 수 있도록, 질소 가스의 공급원과도 전환 접속 가능하게 구성되어 있어도 된다. 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, N2 가스를 사용하는 것으로 한다.
반응 가스 노즐(31, 32)에는, 회전 테이블(2)을 향하여 개방되는 복수의 가스 토출 구멍(35)이 반응 가스 노즐(31, 32)의 길이 방향을 따라, 예를 들어 10㎜의 간격으로 배열되어 있다. 반응 가스 노즐(31)의 하방 영역은, TiCl4 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역(P1)으로 된다. 반응 가스 노즐(32)의 하방 영역은, 제1 처리 영역(P1)에 있어서 웨이퍼(W)에 흡착된 TiCl4 가스를 질화시키는 제2 처리 영역(P2)으로 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 진공 용기(1) 내에는 2개의 볼록 형상부(4)가 형성되어 있다. 볼록 형상부(4)는 분리 가스 노즐(41, 42)과 함께 분리 영역(D)을 구성하기 위해, 후술하는 바와 같이, 회전 테이블(2)을 향하여 돌출되도록 천장판(11)의 이면에 형성되어 있다. 또한, 볼록 형상부(4)는 정상부가 원호 형상으로 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. 도시된 바와 같이, 천장판(11)의 이면에 볼록 형상부(4)가 형성되어 있기 때문에, 진공 용기(1) 내에는, 볼록 형상부(4)의 하면인 평탄한 낮은 천장면(44)(제1 천장면)과, 이 천장면(44)의 둘레 방향 양측에 위치하는, 천장면(44)보다도 높은 천장면(45)(제2 천장면)이 존재한다. 천장면(44)은 정상부가 원호 형상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 볼록 형상부(4)에는 둘레 방향 중앙에 있어서, 반경 방향으로 신장되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(42)이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 또 하나의 볼록 형상부(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. 이들 반응 가스 노즐(31, 32)은, 천장면(45)으로부터 이격되어 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, 볼록 형상부(4)의 홈부(43)에 수용되는 분리 가스 노즐(41, 42)에는, 회전 테이블(2)을 향하여 개방되는 복수의 가스 토출 구멍(41h)(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(H)을 회전 테이블(2)에 대해 형성하고 있다. 분리 가스 노즐(42)의 토출 구멍(42h)으로부터 N2 가스가 공급되면, 이 N2 가스는, 분리 공간(H)을 통하여 공간(481) 및 공간(482)을 향하여 흐른다. 이때, 분리 공간(H)의 용적은 공간(481) 및 공간(482)의 용적보다도 작기 때문에, N2 가스에 의해 분리 공간(H)의 압력을 공간(481) 및 공간(482)의 압력에 비해 높게 할 수 있다. 즉, 공간(481) 및 공간(482)의 사이에 압력이 높은 분리 공간(H)이 형성된다. 또한, 분리 공간(H)으로부터 공간(481) 및 공간(482)으로 흘러 나오는 N2 가스가, 제1 영역(P1)으로부터의 TiCl4 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 NH3 가스에 대한 카운터 플로우로서 작용한다. 따라서, 제1 영역(P1)으로부터의 TiCl4 가스와, 제2 영역(P2)으로부터의 NH3 가스가 분리 공간(H)에 의해 분리된다. 따라서, 진공 용기(1) 내에 있어서 TiCl4 가스와 NH3 가스가 혼합되고, 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(N2 가스)의 공급량 등을 고려하여, 분리 공간(H)의 압력을 공간(481) 및 공간(482)의 압력에 비해 높게 하기에 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 형성되어 있다. 이 돌출부(5)는 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부(4)에 있어서의 회전 중심측의 부위와 연속되어 있고, 그 하면이 천장면(44)과 동일한 높이에 형성되어 있다.
앞서 참조한 도 1은 도 3의 I-Ｉ'선을 따른 단면도이며, 천장면(45)이 형성되어 있는 영역을 도시하고 있다. 한편, 도 5는 천장면(44)이 형성되어 있는 영역을 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 부채형의 볼록 형상부(4)의 주연부[진공 용기(1)의 외측 테두리측의 부위]에는, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향하도록 L자 형으로 굴곡하는 굴곡부(46)가 형성되어 있다. 이 굴곡부(46)는 볼록 형상부(4)와 마찬가지로, 분리 영역(D)의 양측으로부터 반응 가스가 침입하는 것을 억제하여, 양쪽 반응 가스의 혼합을 억제한다. 부채형의 볼록 형상부(4)는 천장판(11)에 형성되고, 천장판(11)이 용기 본체(12)로부터 제거할 수 있게 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 내주위벽은, 분리 영역(D)에 있어서는 도 4에 도시한 바와 같이 굴곡부(46)의 외주면과 접근하여 수직면으로 형성되어 있으나, 분리 영역(D) 이외의 부위에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 예를 들어 회전 테이블(2)의 외측 단부면과 대향하는 부위로부터 바닥부(14)에 걸쳐서 외측으로 움푹 들어가 있다. 이하, 설명의 편의상, 대략 직사각형의 단면 형상을 갖는 움푹 들어간 부분을 배기 영역이라고 기재한다. 구체적으로는, 제1 처리 영역(P1)에 연통하는 배기 영역을 제1 배기 영역(E1)이라고 기재하고, 제2 처리 영역(P2)에 연통하는 영역을 제2 배기 영역(E2)이라고 기재한다. 이들 제1 배기 영역(E1) 및 제2 배기 영역(E2)의 바닥부에는, 도 1부터 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.
회전 테이블(2)과 진공 용기(1)의 바닥부(14) 사이의 공간에는, 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이 가열 수단인 히터 유닛(7)이 설치되고, 회전 테이블(2)을 개재하여 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)가, 프로세스 레시피에서 결정된 온도(예를 들어 400℃)로 가열된다. 회전 테이블(2)의 주연 부근의 하방측에는, 회전 테이블(2)의 상방 공간으로부터 배기 영역(E1, E2)에 이르기까지의 분위기와 히터 유닛(7)이 놓여져 있는 분위기를 구획하여 회전 테이블(2)의 하방 영역에의 가스의 침입을 억제하기 위해, 링 형상의 커버 부재(71)가 설치되어 있다(도 5). 이 커버 부재(71)는 회전 테이블(2)의 외측 테두리부 및 외측 테두리부보다도 외주측을 하방측으로부터 면하도록 설치된 내측 부재(71a)와, 이 내측 부재(71a)와 진공 용기(1)의 내벽면 사이에 설치된 외측 부재(71b)를 구비하고 있다. 외측 부재(71b)는, 분리 영역(D)에 있어서 볼록 형상부(4)의 외측 테두리부에 형성된 굴곡부(46)의 하방에서, 굴곡부(46)와 근접하여 설치되고, 내측 부재(71a)는 회전 테이블(2)의 외측 테두리부 하방(및 외측 테두리부보다도 약간 외측의 부분의 하방)에 있어서, 히터 유닛(7)을 전체 둘레에 걸쳐서 둘러싸고 있다.
히터 유닛(7)이 배치되어 있는 공간보다도 회전 중심 부근의 부위에 있어서의 바닥부(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 공간으로 되어 있고, 또한 바닥부(14)를 관통하는 회전축(22)의 관통 구멍의 내주면과 회전축(22)의 간극이 좁아져 있고, 이들 좁은 공간은 케이스체(20)에 연통하고 있다. 그리고 케이스체(20)에는 퍼지 가스인 N2 가스를 좁은 공간 내에 공급하여 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 설치되어 있다. 또한, 진공 용기(1)의 바닥부(14)에는, 히터 유닛(7)의 하방에 있어서 둘레 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 도시한다]. 또한, 히터 유닛(7)과 회전 테이블(2) 사이에는, 히터 유닛(7)이 설치된 영역에의 가스의 침입을 억제하기 위해, 외측 부재(71b)의 내주위벽[내측 부재(71a)의 상면]으로부터 돌출부(12a)의 상단부와의 사이를 둘레 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 있어, 천장판(11)과 코어부(21) 사이의 공간(52)에 분리 가스인 N2 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 TiCl4 가스와 제2 처리 영역(P2)에 공급되는 NH3 가스가, 중심 영역(C)을 통하여 혼합되는 것이 억제된다. 즉, 공간(50)[또는, 중심 영역(C)]은 분리 공간(H)[또는, 분리 영역(D)]과 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 들어올리기 위한 전달용의 승강 핀 및 그 승강 기구(모두 도시하지 않음)가 설치되어 있다.
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, 후술하는 성막 방법을 제어부(100)의 제어하에 성막 장치에 실시시키는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은 후술하는 성막 방법을 실행하도록 스텝 군이 짜여져 있고, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 매체(102)에 기억되고, 소정의 판독 장치에 의해 기억부(101)에 읽어들여지고, 제어부(100) 내에 인스톨된다.
(성막 방법)
이어서, 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법에 대해, 도 6을 참조하면서 설명한다. 이하의 설명에서는, 상술한 성막 장치를 사용하는 경우를 예로 든다.
우선, 스텝 S100(도 6)에 있어서 웨이퍼(W)가 회전 테이블(2)에 적재된다. 구체적으로는, 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하고, 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 정지하였을 때에 오목부(24)의 바닥면의 관통 구멍을 통해 진공 용기(1)의 바닥부측으로부터 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 폐쇄하고, 진공 펌프(640)에 의해 도달 가능 진공도에까지 진공 용기(1) 내를 배기한 후, 스텝 S110에서, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터 N2 가스를 소정의 유량으로 공급하고, 분리 가스 공급관(51) 및 퍼지 가스 공급관(72, 72)으로부터도 N2 가스를 소정의 유량으로 공급한다. 이에 따라, 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 20rpm의 회전 속도로 회전시키면서 히터 유닛(7)에 의해 웨이퍼(W)를, 예를 들어 400℃로 가열한다.
이 후, 스텝 S120에 있어서, 반응 가스 노즐(31)(도 2 및 도 3)로부터 TiCl4 가스를 공급하고, 반응 가스 노즐(33)로부터 O2 가스 또는 O3 가스 등의 산화 가스를 공급한다. 반응 가스 노즐(32)로부터는, 반응 가스 노즐(33)과 마찬가지로 O2 가스 또는 O3 가스 등의 산화 가스를 공급해도 되고, 어느 쪽의 가스도 공급하지 않는 상태이어도 된다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, 반응 가스 노즐(33) 내를 정압으로 하는 정도의 N2 가스를 공급해도 된다. 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는, 제1 처리 영역(P1), 분리 영역(D)[분리 공간(H)], 제2 처리 영역(P2) 및 분리 영역(D)[분리 공간(H)]을 이 순서대로 통과해 간다(도 3 참조). 먼저, 제1 처리 영역(P1)에 있어서, 반응 가스 노즐(31)로부터의 TiCl4 가스가 웨이퍼(W)에 흡착한다. 이어서, 웨이퍼(W)가, N2 가스 분위기로 되어 있는 분리 공간(H)[분리 영역(D)]을 통하여 제2 처리 영역(P2)에 이르면, 웨이퍼(W)에 흡착한 TiCl4 가스가, 반응 가스 노즐(33)로부터의 산화 가스와 반응하고, 웨이퍼(W)에 TiO2막이 성막된다. 그리고, 웨이퍼(W)는, 분리 영역(D)[N2 가스 분위기의 분리 공간(H)]에 이른다. 회전 테이블(2)을 복수회 회전시키고, 이 사이클을 복수회 반복한다.
이 동안에, 반응 가스 노즐(31)로부터의 TiCl4 가스와, 반응 가스 노즐(33)로부터의 산화 가스의 공급이, 소정의 시간 행해졌는지의 여부가 판정된다(스텝 S130). 소정의 시간은, TiO2막이 연속막으로서 성막되는 시간으로 설정된다. 예를 들어, TiO2막은 2㎚ 이하로 충분히 연속막으로서 성막 가능하므로, 막 두께가 2㎚ 이하이며, 연속막으로 되는 적절한 시간으로 설정해도 된다. TiO2막은, TiN막의 기초막이며, 일반적으로는 제조의 주목적으로 하는 막은 아니므로, 연속막을 확실하게 성막할 수 있는 범위에서, 얇으면 얇을수록 바람직하다. 따라서, TiO2막의 막 두께는, 예를 들어 0.1∼2㎚의 범위 내의 적절한 값으로 설정해도 된다. 목표로 하는 막 두께가 정해지면, 회전 테이블(2)의 회전 속도, TiCl4 가스 및 산화 가스의 유량, 기판 온도 등의 조건을 고려하면서, TiO2의 연속막을 성막하는 공정의 공정 시간을 적절하게 정할 수 있다. 예를 들어, 이와 같이 하여 TiO2막을 성막하는 소정의 시간을 설정할 수 있다.
TiO2막은, 오염을 제거하는 기능이 있고, 웨이퍼(W) 상의 오염물도 제거하는 기능이 있다고 생각된다. 이에 의해, TiN막이 처음부터 연속막으로서 성막하기 쉬운 표면 상태를 웨이퍼(W) 상에 형성할 수 있다.
또한, 웨이퍼(W)의 표면에는, 처음부터 TiO2막 이외의 다른 기초막이 형성되어 있어도 된다. 예를 들어, 웨이퍼(W)가 실리콘 기판인 경우에는, 웨이퍼(W)의 표면에는 자연 산화막의 SiO2막이 형성되어 있는 것이 일반적이다. 그와 같은 경우에는, 웨이퍼(W)의 표면 상에 처음부터 형성되어 있는 기초막 상에 TiO2막을 형성하면 된다. 웨이퍼(W)에 형성되어 있는 기초막이 TiN막의 성막에 바람직하지 않은 막종의 경우이어도, 그 기초막 상에 TiO2의 연속막을 성막함으로써, TiN의 연속막을 성막하기 쉬운 표면 상태로 할 수 있다.
스텝 S130에서, 소정의 시간이 경과하고 있지 않다고 판정된 경우에는 스텝 S120으로 복귀되어 TiO2막의 성막 프로세스를 계속한다. 한편, 소정의 시간이 경과한 경우에는, 스텝 S140으로 진행한다.
스텝 S140에서는, 회전 테이블(2)을 회전시킨 채로, 반응 가스 노즐(32, 33)로부터의 산화 가스의 공급을 정지하고, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터는 N2 가스를 계속적으로 공급한다. 또한, 필요에 따라, 반응 가스 노즐(31)로부터의 TiCl4 가스의 공급도 정지한다. 이어서 행하는 TiN막의 성막 공정에서도, TiCl4 가스의 공급을 행하므로, TiCl4 가스는 연속해서 공급하고 있어도 되고, TiO2막이 성막된 단계에서 일단 공급을 정지하도록 해도 된다.
이후, 스텝 S150에 있어서, 반응 가스 노즐(31)(도 2 및 도 3)로부터 TiCl4 가스를 공급함과 함께, 반응 가스 노즐(32)로부터 NH3 가스를 공급한다. 반응 가스 노즐(33)은 반응 가스 노즐(33)과 마찬가지로 NH3 가스를 공급해도 되고, 어느 쪽의 가스도 공급하지 않는 상태이어도 된다. 또는, 반응 가스 노즐(33)을 정압으로 하는 정도로 N2 가스를 공급해도 된다. 반응 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)는, 제1 처리 영역(P1), 분리 영역(D)[분리 공간(H)], 제2 처리 영역(P2) 및 분리 영역(D)[분리 공간(H)]을 이 순서대로 통과해 간다(도 3 참조). 먼저, 제1 처리 영역(P1)에 있어서, 반응 가스 노즐(31)로부터의 TiCl4 가스가 웨이퍼(W)에 흡착한다. 이어서, 웨이퍼(W)가, N2 가스 분위기로 되어 있는 분리 공간(H)[분리 영역(D)]을 통하여 제2 처리 영역(P2)에 이르면, 웨이퍼(W)에 흡착한 TiCl4 가스가, 반응 가스 노즐(32)로부터의 NH3 가스와 반응하고, 웨이퍼(W) 상에 TiN막이 성막된다. 또한, 부생성물로서 NH4Cl이 생성되고, 이것이 기상 중에 방출되어, 분리 가스 등과 함께 배기된다. 그리고, 웨이퍼(W)는, 분리 영역(D)[N2 가스 분위기의 분리 공간(H)]에 이른다.
이 동안에, 반응 가스 노즐(31)로부터의 TiCl4 가스와, 반응 가스 노즐(32)로부터의 NH3 가스의 공급이, 소정의 시간 행해졌는지의 여부가 판정된다(스텝 S160). 소정의 시간은, 목표로 하는 TiN막의 막 두께에 기초하여 정해져도 된다. 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 방법은, 다양한 막 두께의 TiN막의 성막에 적용할 수 있고, 막 두께의 상한은 없지만, 8㎚ 이하의 막 두께의 TiN막을 성막하는 경우에 특히 그 효과를 크게 발휘할 수 있다. 즉, 종래의 성막 방법에서는, TiN막은, 처음에는 웨이퍼(W) 상에 섬 형상으로 이산적으로 성막되고, 시간이 경과하고 나서 섬이 연결되어 연속막이 형성되어 간다고 하는 수순을 따라가기 때문에, 8㎚ 이하의 매우 얇은 TiN막을 성막하는 경우에는, 섬이 충분히 연속적으로 연결되지 않고, 핀 홀이 발생하기 쉽다. 또한, 섬 형상의 성막이 이루어져 있는 개시 단계에서는, 성막 공정을 개시해도 실제의 TiN막의 퇴적이 곧바로 개시되지는 않고, 성막 지연 시간(이하, 「인큐베이션 타임」이라고 칭해도 되는 것으로 함)이 발생해 버린다.
그러나, TiO2막을 기초막으로서 성막하고, 계속해서 TiN막을 성막함으로써, 섬 형상의 TiN막이 발생하지 않고, 성막 개시 시부터 TiN막의 연속막의 퇴적이 개시된다. 따라서, TiN막은, 기초막인 TiO2막보다 두꺼운 막 두께로 설정되면, 어떠한 막 두께로 설정되어도 된다. 즉, TiN막의 막 두께 상한은 특별히 없고, 10㎚ 이상의 막 두께로 설정되어도 되고, 1㎚ 이상 8㎚ 이하, 예를 들어 1∼4㎚의 범위의 매우 얇은 막 두께로 설정되어도 된다.
소정의 시간이 경과하지 않은 경우(스텝 S160:아니오)에는, TiN막의 성막(스텝 S150)이 계속되고, 경과한 경우(스텝 S160:예)에는, 다음 스텝 S170으로 진행한다.
스텝 S170에서는, 회전 테이블(2)의 회전과 반응 가스 노즐(32)로부터의 NH3 가스의 공급은 계속되고, 반응 가스 노즐(31)로부터의 TiCl4 가스의 공급이 정지된다. 이에 의해, 웨이퍼(W)는, N2 가스(분리 가스)와 NH3 가스에 순서대로 노출되는 것으로 된다. 성막된 TiN막 중에는, 미반응의 TiCl4이나, TiCl4의 분해에 의해 발생한 염소(Cl)가 잔존하고 있을 가능성이 있다. 미반응의 TiCl4이 NH3 가스와 반응하여 TiN이 생성되고, 또한 잔존하고 있는 Cl가 NH3 가스에 의해 NH4Cl으로 되어 막 중으로부터 탈리된다. 이로 인해, 성막된 TiN막 중의 불순물이 저감되어, TiN막의 막질이 향상되고, 따라서 저항률을 저하시킬 수 있다.
스텝 S170의 개시 후, 반응 가스 노즐(32)로부터의 NH3 가스의 공급이 소정의 시간 행해졌는지의 여부가 판정된다(스텝 S180). 여기서의 소정의 시간도, 또한 TiN막의 막질 향상과 스루풋을 고려하여, 적절한 시간으로 설정할 수 있다.
소정의 시간이 경과하고 있지 않은 경우(스텝 S180:아니오)에는, 스텝 S170이 계속되고, 경과한 경우(스텝 S180:예)에는, 다음 스텝 S190으로 진행한다.
스텝 S190에 있어서는, 스텝 S150의 시간과 스텝 S170의 시간의 총계 시간이 소정의 시간에 도달하였는지가 판정된다. 소정의 시간에 도달하고 있지 않은 경우에는(스텝 S190:아니오), 스텝 S150으로 복귀되고, TiN이 더 성막된다. 소정의 시간에 도달한 경우에는(스텝 S190:예), TiCl4 가스 및 NH3 가스의 공급을 정지하고, 성막을 종료한다.
(실시예)
이어서, 상술한 성막 방법의 효과를 확인하기 위해 행한 실시예에 대해 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 설명의 편의상, 회전 테이블(2)을 회전시키면서 TiCl4 가스와 산화 가스를 공급하는 스텝(S120)을 「TiO2 성막 스텝」이라고 하고, 회전 테이블(2)을 회전시키면서 TiCl4 가스와 NH3 가스를 공급하는 스텝(S170)을 「TiN 성막 스텝」이라고 한다. 또한, TiO2 성막 스텝과 TiN 성막 스텝에 있어서의 웨이퍼(W)의 온도는 동일하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 관한 성막 방법의 실시 결과를, 비교예의 실시 결과와 함께 나타낸 도면이다.
실시예에 있어서는, 기초막으로서, 본 실시예에 관한 TiO2막의 성막 외에, SiO2막, SiN막, HfO2막을 기초막으로서 성막하고, 그 후에 성막한 기초막 상에 TiN막을 성막하고, 그 막 두께를, 사이클수를 단위로서 측정하였다. 또한, 사이클수라 함은, 회전 테이블(2)이 1회전하고, 이론적으로 1원자층이 성막되는 사이클의 수이며, 회전 테이블(2)의 회전수와 동의이다.
도 7에 있어서, 횡축이 사이클수[cyc], 종축이 형광 X선 분석(XRF)에 의한 막 두께[㎚]를 나타내고 있다. 또한, 도 7 중, TiO2막을 기초로 한 경우의 TiN막의 사이클 경과 막 두께가 특성선 A, HfO2막을 기초로 한 경우의 TiN막의 사이클 경과 막 두께가 특성선 B, SiO2막 및 SiN막을 기초로 한 경우의 TiN막의 사이클 경과 막 두께가 특성선 C(양자는 겹쳐져 있기 때문에, 1개의 기호로 나타내고 있음)로 나타내어져 있다.
도 7에 나타내어지는 바와 같이, 특성선 A로 나타내어지는 TiO2막을 기초막으로 한 경우에는, 성막의 개시와 동시에 막 두께가 상승하고, 인큐베이션 타임이 없는 특성을 나타내고 있다.
한편, 특성선 B로 나타내어지는 HfO2막을 기초로 한 경우의 TiN막의 막 두께에 대해서는, 성막을 개시하고 나서 20사이클 경과 후에 막 두께가 증가하고 있으므로, 20사이클에 상당하는 인큐베이션 타임이 있게 된다. 마찬가지로, 특성선 C로 나타내어지는 SiO2막 및 SiN막을 기초로 한 경우의 TiN막의 막 두께에 대해서는, 성막을 개시하고 나서 30사이클 경과 후에 막 두께가 증가하고 있으므로, 30사이클에 상당하는 인큐베이션 타임이 있다. 또한, 인큐베이션 타임은, 특성선 C 쪽이 크기 때문에, SiO2막 및 SiN막을 기초로 한 경우의 TiN막 쪽이, HfO2막을 기초로 한 경우의 TiN막보다도 섬 형상으로 될 확률이 많다.
이와 같이, TiO2막 이외의 막을 기초막으로 한 경우에는, 인큐베이션 타임이 존재하고, 이와 같은 상태이면, 섬 형상으로 성막이 개시되어 있는 것을 의미하므로, 8㎚ 이하의 매우 얇은 막 두께에서는, 핀 홀이 발생할 우려가 있다.
한편, 본 실시예에 관한 성막 방법에서는, 인큐베이션 타임은 없으므로, 섬 형상으로 성막이 개시되는 것은 아니고, 처음부터 연속막으로서 성막이 개시되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 8㎚ 이하의 매우 얇은 막을 성막하는 경우에도, 핀 홀이 없는 연속막으로서 TiN막을 성막할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태 및 실시예에 있어서, 반응 가스 노즐(31)로부터 공급되는 가스(티탄 함유 가스)로서는, TiCl4 가스로 한정되지 않고, 예를 들어 티탄을 포함하는 유기 소스 등을 사용해도 된다. 또한, 반응 가스 노즐(33)로부터 공급되는 가스(질화 가스, 질소 함유 가스)로서는, 암모니아 가스로 한정되지 않고, 예를 들어 모노메틸히드라진 등을 사용해도 된다.
본 발명에 따르면, 성막 개시 시의 시간 지연을 발생시키는 일 없이 TiN의 연속막을 성막할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 실시예에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태 및 실시예로 제한되는 일은 없고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이, 상술한 실시 형태 및 실시예에 다양한 변형 및 치환을 추가할 수 있다.

Claims (12)

  1. 실리콘 기판 상에 TiN의 연속막을 성막하는 성막 방법이며,
    상기 실리콘 기판 상에 TiO2의 연속막을 성막하는 공정과,
    상기 TiO2의 연속막 상에, 상기 TiO2의 연속막보다도 두꺼운 TiN의 연속막을 성막하는 공정을 가지되,
    상기 실리콘 기판 상에는, TiO2막과 상이한 기초막이 형성되고,
    상기 TiO2의 연속막을 성막하는 공정은, 상기 기초막 상에 행해지며,
    상기 기초막은, SiO2막이고,
    SiO2막인 상기 기초막은 상기 실리콘 기판의 표면 상에 형성된 자연 산화막인, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 TiN의 연속막을 성막하는 공정은, 8㎚ 이하의 상기 TiN의 연속막을 성막하는 공정인, 성막 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 TiN의 연속막을 성막하는 공정은, 4㎚ 이하의 상기 TiN의 연속막을 성막하는 공정인, 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TiO2의 연속막을 성막하는 공정은, 2㎚ 이하의 상기 TiO2의 연속막을 성막하는 공정인, 성막 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 TiO2의 연속막을 성막하는 공정과, 상기 TiN의 연속막을 성막하는 공정은, ALD법에 의해 행해지는, 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판을 처리실 내의 회전 테이블 상에 적재하는 공정을 더 갖고,
    상기 회전 테이블의 회전 방향을 따라 제1 처리 영역과 제2 처리 영역이 서로 이격되어 형성됨과 함께, 상기 제1 처리 영역에 제1 가스 노즐, 상기 제2 처리 영역에 적어도 1개의 제2 가스 노즐이 각각 설치되고,
    상기 TiO2의 연속막을 성막하는 공정은, 상기 제1 가스 노즐로부터 Ti 함유 가스, 상기 적어도 1개의 제2 가스 노즐로부터 산화 가스를 각각 공급하면서 상기 회전 테이블을 회전시켜 상기 기판을 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 순차 통과시킴으로써 행해지고,
    상기 TiN의 연속막을 성막하는 공정은, 상기 제1 가스 노즐로부터 상기 Ti 함유 가스, 상기 적어도 1개의 제2 가스 노즐로부터 질화 가스를 각각 공급하면서 상기 회전 테이블을 회전시켜 상기 기판을 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역을 순차 통과시킴으로써 행해지는, 성막 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 Ti 함유 가스는, TiCl4 가스인, 성막 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 질화 가스는, NH3 가스인, 성막 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 제2 가스 노즐은, 복수의 가스 노즐을 포함하고,
    상기 산화 가스와 상기 질화 가스는, 상이한 가스 노즐로부터 공급되는, 성막 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 회전 테이블의 회전 방향에 있어서의 상기 제1 처리 영역과 상기 제2 처리 영역 사이에는, 불활성 가스를 공급하는 제1 및 제2 분리 영역이 형성되고,
    상기 TiO2의 연속막을 성막하는 공정 및 상기 TiN의 연속막을 성막하는 공정에 있어서, 상기 회전 테이블을 회전시킴으로써, 상기 기판은 상기 제1 처리 영역, 상기 제1 분리 영역, 상기 제2 처리 영역, 상기 제2 분리 영역을 순차 통과하는, 성막 방법.
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