KR102065243B1 - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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야스시 후지이
츠요시 다카하시
석형 홍
가즈요시 야마자키
히데오 나카무라
유 누노시게
다카시 가미오
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 높은 생산성을 확보하면서, 높은 피복성의 막을 얻을 수 있고 또한 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스의 공급을 행할 수 있는 기술을 제공한다.
처리 용기 내에 피처리 기판을 배치하고, 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로를 통해 처리 용기 내에 캐리어 가스를 항시 공급하고, 원료 가스 유로를 통해 처리 용기 내에 원료 가스를 공급하는 단계와, 캐리어 가스와는 별개로 마련된 퍼지 가스 유로를 통해 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 원료 가스를 퍼지하는 단계와, 반응 가스 유로를 통해 처리 용기 내에 반응 가스를 공급하는 단계와, 퍼지 가스 유로를 통해 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 반응 가스를 퍼지하는 단계를 미리 정해진 사이클로 실시하고, 원료 가스를 퍼지하는 단계 및 반응 가스를 퍼지하는 단계 중 적어도 한쪽에서, 퍼지 가스의 적어도 일부로서 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급한다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 처리 용기 내에 미리 정해진 가스를 도입하여 미리 정해진 막을 성막하는 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 함)에 미리 정해진 막을 성막할 때에, 원자층 퇴적법(Atomic Layer Deposition; ALD)이 이용되는 경우가 있다. ALD에서는 진공 분위기로 된 처리 용기 내에, 웨이퍼의 표면에 흡착하는 원료 가스와, 그 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 교대로 복수회 공급하여, 웨이퍼의 표면에 반응 생성물의 원자층을 퇴적시켜 성막한다. 또한, 처리 용기 내에 있어서 웨이퍼의 표면 이외의 영역에서 원료 가스와, 반응 가스가 기상 반응하여 파티클이 발생하여 버리는 것을 막기 위해, 원료 가스와 반응 가스는 서로 간격을 두고 공급되고, 원료 가스의 공급을 행하는 시간대와 반응 가스의 공급을 행하는 시간대 사이에는, 불활성 가스를 공급함으로써 처리 용기 내의 퍼지가 행해지고, 처리 용기 내는 불활성 가스 분위기로 치환된다. 이러한 ALD를 행하는 성막 장치는, 예컨대 특허문헌 1, 2에 기재되어 있다.
즉, 특허문헌 1에는 처리 가스(원료 가스 및 반응 가스)에 대한 캐리어 가스 및 퍼지 가스인 N2(질소) 가스의 공급원과 처리 용기를 접속하는 가스 유로에, 상류단 및 하류단이 접속된 바이패스 유로를 구비한 ALD를 행하는 성막 장치에 대해서 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는 원료 가스의 공급원과 처리 용기를 접속하는 원료 가스 유로와, 그 원료 가스 유로로부터 분기된 제1 N2 가스 유로와, 원료 가스 유로 및 제1 N2 가스 유로와는 독립적으로 처리 용기에 퍼지 가스인 N2 가스를 공급하는 제2 N2 가스 유로를 구비한 ALD를 행하는 성막 장치에 대해서 기재되어 있다.
ALD에 있어서는, 전술한 바와 같이 처리 용기 내를 불활성 가스에 의해 퍼지할 필요가 있고, 또한, 원료 가스 또는 반응 가스가 공급되는 동안, 불활성 가스가 캐리어 가스로서 공급되기 때문에, ALD 처리 동안, 처리 용기 내에 미리 정해진 유량으로 불활성 가스가 연속하여 공급되게 된다.
한편, 이러한 ALD에 의해 미리 정해진 막을 성막할 때에 미리 정해진 기능을 갖는 가스로의 처리가 필요한 경우가 있다. 그와 같은 기술로서, 특허문헌 3에는, TiN막을 성막할 때에, TiCl4 가스와 NH3 가스를 퍼지를 사이에 두고 교대로 공급한 후, 막 중의 염소 가스를 이탈시키는 기능을 갖는 H2 가스를 공급하는 기술이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2016-23324호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2014-198872호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2011-6782호 공보
그런데 배선의 미세화가 진행됨으로써, ALD를 행하는 웨이퍼의 표면에는 애스펙트비가 큰 오목부가 형성되는 경향이 있고, 그와 같은 오목부가 형성되어 있는 경우라도 양호한 스텝 커버리지(피복성)를 확보할 수 있도록 ALD를 행하는 것이 요구되고 있다. 그러기 위해서는, 원료 가스의 유량을 증가시켜, 처리 용기 내에 있어서의 원료 가스의 분압을 높게 하는 것이 생각된다.
그러나, 그와 같이 원료 가스의 유량을 증가시킨 경우에, 상기 파티클의 발생을 막기 위해 퍼지를 행하는 시간을 연장시키면, 성막 처리에 요하는 시간이 길어져 생산성(스루풋)이 저하되어 버린다.
또한, ALD에 의해 미리 정해진 막을 성막할 때에, 미리 정해진 기능을 갖는 가스로의 처리를 특허문헌 3과 같이 ALD 공정 후에 행하는 경우에는, 충분한 효과를 얻고자 하면, 그 공정의 시간이 길어져 버려, 역시 생산성(스루풋)이 저하하여 버린다.
따라서, 본 발명은 원료 가스와 반응 가스를 교대로 처리 용기 내의 기판에 공급하여 ALD에 의해 성막을 행하는 데 있어서, 높은 생산성을 확보하면서, 높은 피복성의 막을 얻을 수 있고 또한 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스의 공급을 행할 수 있는 기술을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 관점은, 피처리 기판이 수용되는 처리 용기와, 피처리 기판에 미리 정해진 막을 성막하기 위한 원료 가스 및 반응 가스, 이들을 상기 처리 용기에 반송하는 캐리어 가스 및 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 처리 용기 내를 배기하고, 상기 처리 용기 내를 진공 분위기로 유지하는 배기 기구를 가지고, 상기 가스 공급 기구는, 상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 원료 가스 유로와, 상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 반응 가스 유로와, 상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속되고, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로와, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로와는 별개로 마련되고, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를, 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스와는 별개로 유량 제어하여 상기 처리 용기 내에 공급하는 퍼지 가스 유로와, 상기 미리 정해진 막에 대하여 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하는 첨가 가스 유로와, 상기 원료 가스 유로, 상기 반응 가스 유로, 상기 제1 및 제2 캐리어 가스 유로, 상기 퍼지 가스 유로 및 상기 첨가 가스 유로를 각각 독립적으로 개폐하는 개폐 밸브를 갖는 성막 장치를 이용하여 상기 미리 정해진 막을 성막하는 성막 방법으로서, 상기 처리 용기 내에 피처리 기판을 배치한 상태로, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 캐리어 가스를 항시 공급하는 제1 공정과, 상기 원료 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 원료 가스를 공급하여 상기 피처리 기판의 표면에 상기 원료 가스를 흡착하는 제2 공정과, 상기 원료 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정과, 상기 반응 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 반응 가스를 공급하여 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 반응시키는 제4 공정과, 상기 반응 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정을 포함하고, 상기 제2 공정 내지 상기 제5 공정을 미리 정해진 사이클로 실시하고, 상기 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정 및 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정 중 어느 하나, 또는 양방에서, 상기 퍼지 가스의 적어도 일부로서 상기 첨가 가스 유로를 통해 상기 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 성막 방법을 제공한다.
본 발명의 제2 관점은, 피처리 기판이 수용되는 처리 용기와, 피처리 기판에 미리 정해진 막을 성막하기 위한 원료 가스 및 반응 가스, 이들을 상기 처리 용기에 반송하는 캐리어 가스, 및 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 처리 용기 내를 배기하고, 상기 처리 용기 내를 진공 분위기로 유지하는 배기 기구와, 상기 가스 공급 기구와 상기 배기 기구를 제어하는 제어부를 가지고, 상기 가스 공급 기구는, 상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 원료 가스 유로와, 상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 반응 가스 유로와, 상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속되고, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로와, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로와는 별개로 마련되고, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를, 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스와는 별개로 유량 제어하여 상기 처리 용기 내에 공급하는 퍼지 가스 유로와, 상기 미리 정해진 막에 대하여 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하는 첨가 가스 유로와, 상기 원료 가스 유로, 상기 반응 가스 유로, 상기 제1 및 제2 캐리어 가스 유로, 상기 퍼지 가스 유로 및 상기 첨가 가스 유로를 각각 독립적으로 개폐하는 개폐 밸브를 가지고, 상기 제어부는, 상기 처리 용기 내에 피처리 기판을 배치한 상태로, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 캐리어 가스를 항시 공급하는 제1 공정과, 상기 원료 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 원료 가스를 공급하여 상기 피처리 기판의 표면에 상기 원료 가스를 흡착하는 제2 공정과, 상기 원료 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정과, 상기 반응 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 반응 가스를 공급하여 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 반응시키는 제4 공정과, 상기 반응 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정을 포함하고, 상기 제2 공정 내지 상기 제5 공정을 미리 정해진 사이클로 실시하고, 상기 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정 및 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정 중 어느 하나, 또는 양방에서, 상기 퍼지 가스의 적어도 일부로서 상기 첨가 가스 유로를 통해 상기 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 원료 가스와 반응 가스를 교대로 처리 용기 내의 기판에 공급하여 성막을 행하는 데 있어서, 항시 공급되는 캐리어 가스와는 별개의 유로에서, 별개로 유량 제어하여 퍼지 가스를 공급하고, 또한 퍼지 시에 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하기 때문에, 높은 생산성을 확보하면서, 높은 피복성의 막을 얻을 수 있고 또한 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스의 공급을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 성막 방법을 실시할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 성막 방법을 실시할 때에 공급되는 가스량의 변화를 모식적으로 나타내는 타이밍 차트이다.
도 4는 종래의 성막 방법을 실시할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 실시형태의 실험에 있어서, 단계 S4의 NH3 가스 플로우 후의 퍼지 시의 H2 가스 유량을 변화시켜 단계 S1∼S4를 230 사이클 반복하여 TiN막을 성막하였을 때의 비저항과 막 두께를 나타내는 도면이다.
도 6은 제1 실시형태의 여러 가지 시퀀스의 실험에 있어서의 레시피 시간, 스루풋(웨이퍼/h), 비저항(μΩ·㎝), 스루풋 저하 매수를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 성막 방법을 실시할 때의 가스 공급 시퀀스의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 성막 방법을 실시할 때에 공급되는 가스량의 변화를 모식적으로 나타내는 타이밍 차트이다.
도 9는 Rough ratio를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제2 실시형태에 있어서의 H2 가스 공급의 효과를 확인하는 기초 실험에 있어서 H2 가스 유량을 변화시킨 경우의 XRF막 두께와 Rough ratio의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 제2 실시형태에 있어서의 H2 가스 공급의 효과를 확인하는 기초 실험에 있어서 H2 가스 유량과 Rough ratio 극소막 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 제2 실시형태에 있어서의 H2 가스 공급의 효과를 확인하는 기초 실험에 있어서 각 H2 유량에 있어서의 막 두께와 비저항의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 제2 실시형태의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 TiCl4 가스에 의한 TiN막의 에칭 시험에 있어서, 온도 700℃에서 TiCl4 유량을 변화시켰을 때의 각 유량에 있어서의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 TiCl4 가스에 의한 TiN막의 에칭 시험에 있어서, TiCl4 가스 유량 270 sc㎝에서 온도를 400℃, 500℃, 600℃로 변화시켰을 때의, 각 온도에 있어서의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 TiCl4 가스에 의한 TiN막의 에칭 시험에 있어서, TiCl4 가스 유량 270 sc㎝에서 온도를 625℃, 650℃, 675℃, 700℃로 변화시켰을 때의, 각 온도에 있어서의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17은 TiCl4 가스에 의한 TiN막의 에칭 시험에 있어서, 온도 700℃, TiCl4 가스 유량 270 sc㎝에서 에칭의 사이클을 100 사이클, 200 사이클, 300 사이클로 변화시켰을 때의, 각 사이클에 있어서의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 18은 TiCl4 가스에 의한 TiN막의 에칭 시험에 있어서, 온도 700℃, TiCl4 가스 유량 270 sc㎝에서, 에칭 시험 시에 H2 가스를 첨가하지 않은 경우와, 첨가한 경우의 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다.
여기서는, 성막 원료 가스(전구체 가스)로서 TiCl4를 이용하고, 반응 가스로서 NH3 가스를 이용하고, 개질 가스로서 H2 가스를 이용하여, ALD에 의해 TiN막을 형성하는 예에 대해서 설명한다.
<성막 장치>
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 장치의 일례를 나타내는 단면도이다. 성막 장치(1)는 피처리 기판인 웨이퍼(W)가 수용되는 편평한 원형상을 이루는 처리 용기(11)를 구비한다. 웨이퍼(W)로서는, 표면에 배선을 형성하기 위한 오목부가 형성되어 있다.
성막 장치(1)는 웨이퍼(W)에 대하여, 원료 가스(전구체 가스)인 TiCl4(4염화티탄) 가스와, 반응 가스인 NH3(암모니아) 가스와 캐리어 가스 및 퍼지 가스로서 이용하는 N2 가스와, 개질 가스인 H2 가스를 처리 용기(11) 내에 공급하는 가스 공급 기구(2)를 가지고 있다.
처리 용기(11)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반입출구(12)가 형성되어 있고, 이 반입출구(12)는 게이트 밸브(13)에 의해 개폐되도록 되어 있다. 또한, 처리 용기(11) 내에는, 웨이퍼(W)를 수평 상태로 배치하기 위한 배치대(21)가 마련되어 있다. 배치대(21) 내에는, 웨이퍼(W)를 미리 정해진 온도로 가열하는 히터(22)가 매설되어 있다. 또한, 배치대(21)의 주위에는, 배치대(21)를 둘러싸도록 통형의 커버 부재(23)가 마련되어 있다.
배치대(21)는 지주(24)에 지지되어 있다. 지주(24)는 배치대(21)의 바닥면 중앙으로부터 처리 용기(11)의 바닥벽에 형성된 구멍부를 관통하여 처리 용기(11)의 하방으로 연장되고, 그 하단이 승강 기구(25)에 접속되어 있다. 승강 기구(25)는 배치대(21)를, 도면 중에 실선으로 나타내는 처리 용기(11) 내의 상방측에 있어서의 처리 위치와, 도면 중에 이점 쇄선으로 나타내는 처리 용기(11) 내의 하방측에 있어서의 전달 위치 사이에서 승강시킨다.
지주(24)에 있어서의 처리 용기(11)의 하방 위치에는 플랜지(26)가 부착되어 있고, 처리 용기(11)의 바닥면과 플랜지(26) 사이에는, 처리 용기(11) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 배치대의 승강 동작에 따라 신축하는 벨로우즈(27)가 마련되어 있다.
처리 용기(11)의 바닥면 근방에는, 승강판(20a)으로부터 상방으로 돌출하도록 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 승강핀(20)이 마련되어 있다. 웨이퍼 승강핀(20)은 처리 용기(11)의 하방에 마련된 승강 기구(28)에 의해 승강판(20a)을 통해 승강 가능하게 되어 있다. 웨이퍼 승강핀(20)은 전달 위치에 있는 배치대(21)에 마련된 관통 구멍(29)에 삽입 관통되어 배치대(21)의 상면에 대하여 돌출/함몰 가능하게 되어 있다. 이와 같이 웨이퍼 승강핀(20)을 승강시킴으로써, 웨이퍼 반송 기구(도시하지 않음)와 배치대(21) 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해진다.
처리 용기(11)의 천장면은 천장판(15)에 의해 형성되어 있다. 천장면은 중앙부로부터 주연부를 향함에 따라 하강하도록 형성되어 있고, 배치대(21)가 처리 위치에 위치할 때에, 배치대(21)의 표면, 커버 부재(23)의 표면 및 그 처리 용기(11)의 천장면에 의해 둘러싸이는 편평한 원추형의 처리 공간(10)이 형성된다. 천장판(15)의 중앙부에는, 그 천장판(15)을 두께 방향으로 관통하는 2개의 가스 공급로(31, 32)가 형성되어 있고, 이들 가스 공급로(31, 32)의 하방에는 가스 공급로(31, 32)로부터 토출되는 가스를 처리 공간(10) 내에 분산시키기 위한 분산판(33)이 예컨대 수평으로 마련되어 있다.
처리 용기(11)의 상부에는, 처리 공간(10)의 측면을 둘러싸도록 원환형을 이루는 배기 덕트(17)가 마련되어 있다. 배기 덕트(17)에는, 내주면을 따라 슬릿(17a)이 형성되어 있다. 또한, 배기 덕트(17)의 하부와 커버 부재(23) 사이에는 환형 부재(16)가 형성되어 있다. 환형 부재(16)의 내주부는 커버 부재(23)에 근접하고, 환형 부재(16)의 외주부는 배기 덕트(17)의 하부에 밀착되어 있다. 커버 부재(23)와 처리 용기(11)의 천장판(15) 사이에는 간극(18)이 형성되어 있다. 배기 덕트(17)의 외벽에는 배기관(34)의 일단부가 접속되어 있고, 배기관(34)의 타단부는 배기량을 조정하여 처리 공간(10)의 진공압을 조정하기 위한 압력 제어 밸브(35)를 통해, 진공 펌프(37)에 접속되어 있다. 진공 펌프(37)를 작동시킴으로써, 처리 공간(10) 내의 가스가 간극(18) 및 슬릿(17a)을 지나 배기 덕트(17) 내의 배기 공간에 도달하고, 배기관(34)을 통해 배출된다.
가스 공급 기구(2)는, 전술한 가스 공급로(31, 32)에, 각각 일단부가 접속된 TiCl4 가스 라인(41) 및 NH3 가스 라인(61)을 가지고 있다. TiCl4 가스 라인(41)에는, 원료 가스인 TiCl4 가스가 공급되고, NH3 가스 라인(61)에는, 반응 가스인 NH3 가스가 공급된다.
TiCl4 가스 라인(41)에는 하측으로부터 순서대로 밸브(V1), 가스 저류 탱크(42), 유량 조정부(43)가 개재되고, 그 타단부에는 처리 가스인 TiCl4 가스를 공급하는 TiCl4 가스 공급원(44)이 접속되어 있다. TiCl4 가스 공급원(44)은 액체의 상태로 TiCl4를 저류하는 탱크와, 그 탱크를 히팅(가열)하여 탱크 내의 TiCl4를 기화시키고, TiCl4 가스 공급원(44)으로부터 TiCl4 가스 라인(41)에는, 이와 같이 기화된 TiCl4가 공급된다.
TiCl4 가스 라인(41)에 있어서의 밸브(V1)의 하류측에는, 제1 퍼지 가스 라인(45)의 일단부가 접속되어 있다. 제1 퍼지 가스 라인(45)에는, 하측으로부터 순서대로 밸브(V2), 가스 저류 탱크(46), 유량 조정부(47)가 개재되고, 제1 퍼지 가스 라인(45)의 타단부에는, 퍼지용의 N2 가스를 공급하는 제1 퍼지 가스 공급원(48)이 접속되어 있다.
또한, 제1 퍼지 가스 라인(45)에 있어서의 밸브(V2)의 하류측에는, TiCl4 가스의 캐리어 가스로서의 N2 가스를 공급하는 제1 캐리어 가스 라인(51)의 일단부가 접속되어 있다. 제1 캐리어 가스 라인(51)에는, 하측으로부터 순서대로 밸브(V3), 유량 조정부(52)가 개재되고, 제1 캐리어 가스 라인(51)의 타단부에는 TiCl4 가스의 캐리어 가스로서의 N2 가스의 공급원인 제1 캐리어 가스 공급원(53)이 접속되어 있다. 이 제1 캐리어 가스 라인(51)에 있어서의 밸브(V3)의 하류측에는, 오리피스(54)가 형성되어 있다. 제1 캐리어 가스 라인(51)에 있어서의 밸브(V3)의 하류측의 직경은, 제1 캐리어 가스 라인(51)에 있어서의 밸브(V3)의 상류측 및 가스 라인(41, 45)의 직경보다 작기 때문에, 가스 저류 탱크(42, 46)에 의해, 가스 라인(41, 45)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되지만, 오리피스(54)에 의해 이들 가스 라인(41, 45)에 공급된 가스가, 가스 라인(51)을 역류하는 것이 억제된다.
제1 캐리어 가스 공급원(53)으로부터의 캐리어 가스는, 웨이퍼(W)의 처리 중에는 연속하여 처리 용기(11) 내에 공급되고, 퍼지를 행할 때에는 퍼지 가스로서 기능한다. 또한, 이 캐리어 가스는, TiCl4 가스가 제1 캐리어 가스 라인(51)을 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용의 가스로서도 기능한다.
NH3 가스 라인(61)은 상류측에서 2라인으로 분기된 후, 분기 라인이 합류하는 구성으로 되어 있다. 합류한 후의 NH3 가스 라인(61)에는, 하측으로부터 순서대로 가스 저류 탱크(62), 유량 조정부(63)가 개재되고, 합류한 후의 NH3 가스 라인(61)의 단부에는 NH3 가스 공급원(64)이 접속되어 있고, NH3 가스 공급원(64)으로부터 처리 용기(11) 내에 NH3 가스가 공급된다. 2개의 분기 라인에는 각각 밸브(V4, V5)가 마련되어 있다. 이와 같이 가스 저류 탱크(62)의 하류측에 있어서 분기된 유로를 형성함으로써, 컨덕턴스가 커져, 대유량의 NH3 가스를 처리 용기(11)에 공급할 수 있다.
NH3 가스 라인(61)에 있어서의 분기된 부분의 밸브(V5)의 하류측에는, 제2 퍼지 가스 라인(65)의 일단부가 접속되어 있다. 제2 퍼지 가스 라인(65)에는, 하측으로부터 순서대로 밸브(V6), 가스 저류 탱크(66), 유량 조정부(67)가 개재되고, 제2 퍼지 가스 라인(65)의 타단부에는 퍼지용의 N2 가스를 공급하는 제2 퍼지 가스 공급원(68)이 접속되어 있다.
또한, 제2 퍼지 가스 라인(65)에 있어서의 밸브(V6)의 하류측에는, NH3 가스의 캐리어 가스로서의 N2 가스를 공급하는 제2 캐리어 가스 라인(71)의 일단부가 접속되어 있다. 제2 캐리어 가스 라인(71)에는, 하측으로부터 순서대로 밸브(V7), 유량 조정부(72)가 개재되고, 제2 캐리어 가스 라인(71)의 타단부에는, NH3 가스의 캐리어 가스로서의 N2 가스의 공급원인 제2 캐리어 가스 공급원(73)이 접속되어 있다. 이 제2 캐리어 가스 라인(71)에 있어서의 밸브(V7)의 하류측에는, 오리피스(74)가 형성되어 있다. 제2 캐리어 가스 라인(71)에 있어서의 밸브(V7)의 하류측의 직경은, 제2 캐리어 가스 라인(71)에 있어서의 밸브(V7)의 상류측 및 가스 라인(61, 65)의 직경보다 작기 때문에, 가스 저류 탱크(62, 66)에 의해, 가스 라인(61, 65)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되지만, 오리피스(74)에 의해 이들 가스 라인(61, 65)에 공급된 가스가, 가스 라인(71)을 역류하는 것이 억제된다.
제2 캐리어 가스 공급원(73)으로부터의 캐리어 가스는, 웨이퍼(W)의 처리 중에는 연속하여 처리 용기(11) 내에 공급되고, 퍼지를 행할 때에는 퍼지 가스로서 기능한다. 또한, 이 캐리어 가스는 NH3 가스가 제2 캐리어 가스 라인(71)을 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용의 가스로서도 기능한다.
TiCl4 가스 라인(41)에 있어서의 제1 퍼지 가스 라인(45)의 접속부보다 하류측에는, 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스로서의 H2 가스를 공급하기 위한 H2 가스 라인(81)의 일단부가 접속되어 있다. H2 가스 라인(81)에는 하측으로부터 순서대로 밸브(V8), 가스 저류 탱크(82), 유량 조정부(83)가 개재되고, H2 가스 라인(81)의 타단부에는, H2 가스를 공급하는 H2 가스 공급원(84)이 접속되어 있다.
H2 가스 라인(81)에 있어서의 밸브(V8)의 하류측에는, H2 가스의 캐리어 가스로서의 N2 가스를 공급하는 제3 캐리어 가스 라인(91)의 일단부가 접속되어 있다. 제3 캐리어 가스 라인(91)에는, 하측으로부터 순서대로 밸브(V9), 유량 조정부(92)가 개재되고, 제3 캐리어 가스 라인(91)의 타단부에는, H2 가스의 캐리어 가스로서의 N2 가스의 공급원인 제3 캐리어 가스 공급원(93)이 접속되어 있다. 이 제3 캐리어 가스 라인(91)에 있어서의 밸브(V9)의 하류측에는, 역류 방지용의 오리피스(94)가 형성되어 있다. 또한, 이 캐리어 가스는, H2 가스가 제3 캐리어 가스 라인(91)을 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용의 가스로서도 기능한다.
또한, H2 가스 라인 및 H2 가스 공급원은, 캐리어 가스 라인 및 캐리어 가스 공급원과 함께, NH3 가스 라인(61)측에 접속되어 있어도 좋고, TiCl4 가스 라인(41)측 및 NH3 가스 라인(61)측의 양방에 접속되어 있어도 좋다.
유량 조정부(43, 47, 52, 63, 67, 72, 83, 92)는 매스플로우 컨트롤러에 의해 구성되고, 각각에 대응하는 가스 라인을 흐르는 가스의 유량을 조정·제어한다. 또한, 각 유량 조정부는 유량을 조정하는 가스의 온도에 따라 적절한 것이 이용된다. TiCl4 가스용의 유량 조정부(43)에 대해서는, 가열되어 고온이 된 TiCl4 가스의 유량을 조정할 수 있도록 설계된 것이 이용된다.
가스 저류 탱크(42, 46, 62, 66, 82)는 대응하는 가스 라인에 접속된 가스 공급원으로부터 공급된 가스를 처리 용기(11) 내에 공급하기 전에 일단 저류하는 것이고, 가스를 저류함으로써 그 안을 미리 정해진 압력으로 승압한 후에, 각 가스 저류 탱크로부터 처리 용기(11)에 각 가스를 공급한다. 이에 의해, 대유량의 가스를 안정적으로 처리 용기에 공급할 수 있다. 이들 가스 저류 탱크(42, 46, 62, 66, 82)로부터 처리 용기(11)에의 각 가스의 공급/정지는, 대응하는 밸브의 개폐에 의해 행해진다.
이와 같이, 가스 공급 기구(2)에 있어서, 제1 캐리어 가스 라인(51)은, 캐리어 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V3) 및 유량 조정부(52)를 구비하고 있고, 제1 퍼지 가스 라인(45)에는 이들 밸브(V3) 및 유량 조정부(52)와는 별개로, 퍼지 가스의 공급 제어 기기로서, 밸브(V2) 및 유량 조정부(47)가 마련되게 된다. 또한, 제2 캐리어 가스 라인(71)은 캐리어 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V7) 및 유량 조정부(72)를 구비하고 있고, 제2 퍼지 가스 라인(65)에는 이들 밸브(V7) 및 유량 조정부(72)와는 별개로, 퍼지 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V6) 및 유량 조정부(67)가 마련되게 된다.
또한, 퍼지 가스는 제1 퍼지 가스 라인(45) 및 제2 퍼지 가스 라인(65)으로부터, 각각, TiCl4 가스 라인(41) 및 NH3 가스 라인(61) 가스를 지나 처리 용기(11)에 공급되도록 구성되어 있기 때문에, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 TiCl4 가스 및 NH3 가스뿐만 아니라, TiCl4 가스 라인(41) 및 NH3 가스 라인(61)에 있어서, 밸브(V1)의 하류측에 잔류하는 TiCl4 가스와, 밸브(V4 및 V5)의 하류측에 잔류하는 NH3 가스에 대해서도 퍼지할 수 있다.
성막 장치(1)는 제어부(100)를 구비한다. 제어부(100)는 컴퓨터로 구성되어 있고, CPU를 구비한 주제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등), 출력 장치(프린터 등), 표시 장치(디스플레이 등), 기억 장치(기억 매체)를 가지고 있다. 주제어부는 예컨대, 밸브(V1∼V9)의 개폐, 유량 조정부(43, 47, 52, 63, 67, 72, 83, 92)에 의한 가스의 유량의 조정, 압력 제어 밸브(35)에 의한 처리 용기(11) 내의 압력의 조정, 히터(22)에 의한 웨이퍼(W)의 온도의 조정 등의 각 구성부의 동작을 제어한다. 이들 동작의 제어는 기억 장치에 내장된 기억 매체(하드 디스크, 광 디스크, 반도체 메모리 등)에 기억된 제어 프로그램인 처리 레시피에 의해 실행된다.
<성막 방법의 제1 실시형태>
다음에, 이상과 같이 구성되는 성막 장치(1)에 있어서의 성막 방법의 제1 실시형태에 대해서 설명한다. 이하의 처리 동작은 제어부(100)에 있어서의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여 실행된다.
본 실시형태에 따른 성막 방법은, 미세한 오목부를 갖는 절연막이 형성된 웨이퍼(W)의 표면에 비교적 고온에서 비저항이 낮은 TiN막을 성막하는 것이다. TiN막으로서는, 비저항이 낮은 것이 요구되고 있고, 종래, ALD에 의해 700℃ 정도의 고온에서 성막한 TiN막에 있어서 막 두께 10 ㎚이며 130 μΩ·㎝라고 하는 값이 얻어져 있었지만, 더욱 낮은 비저항이 요구되고 있다. 본 실시형태에서는, 보다 낮은 비저항을 얻을 수 있는 TiN막을 성막하는 것이다.
먼저, 밸브(V1∼V9)를 폐쇄하고, 배치대(21)를 전달 위치로 하강시킨 상태에서, 게이트 밸브(13)를 개방하여 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 진공 반송실(도시하지 않음)로부터 반입출구(12)를 통해 처리 용기(11) 내에 웨이퍼(W)를 반입하여, 승강핀(20) 상에 배치하고, 반송 장치를 후퇴시켜, 게이트 밸브(13)를 폐쇄한다. 그리고, 배치대(21)를 처리 위치까지 상승시킴으로써 웨이퍼(W)가 배치대(21) 상에 배치된다. 배치대(21)는 히터(22)에 의해 400℃∼750℃의 범위의 온도로 가열되고 있다. 그리고, 밸브(V3, V7, V9)를 개방하여 제1∼제3 캐리어 가스 공급원(53, 73, 93)으로부터 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 처리 용기(11) 내에 캐리어 N2 가스를 공급하면서 미리 정해진 감압 상태로 유지하고, 웨이퍼(W)의 온도를 400℃∼750℃의 범위, 예컨대 700℃로 제어한다[실제로는, 배치대(21)의 온도는 웨이퍼(W)의 온도보다 10℃ 정도 높음]. 이때, 밸브(V1, V2, V4, V5, V6, V8)는 폐쇄된 채이다. 한편, TiCl4 가스 공급원(44) 및 NH3 가스 공급원(64)으로부터 TiCl4 가스 및 NH3 가스가, 각각 TiCl4 가스 라인(41) 및 NH3 가스 라인(61)에 공급되지만, 밸브(V1, V4, V5)가 폐쇄되어 있음으로써, TiCl4 가스 및 NH3 가스가 저류 탱크(42 및 62)에 저류되어, 가스 저류 탱크(42 및 62) 내가 승압된다.
이 상태에서, ALD에 의한 TiN막의 성막을 개시한다. 도 2는 ALD에 의한 TiN막의 성막 시의 가스 공급 시퀀스의 일례를 나타내는 도면이고, 도 3은 ALD에 의한 TiN막의 성막 시에 공급되는 가스량의 변화를 모식적으로 나타내는 타이밍 차트이다.
도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이, ALD에 의한 TiN막의 성막에 있어서는, 최초에, 밸브(V3, V7, V9)를 개방한 상태인 채로, 제1∼제3 캐리어 가스 공급원(53, 73, 93)으로부터 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 캐리어 N2 가스를 계속해서 공급하는 상태에서, 밸브(V1)를 개방하여, 가스 저류 탱크(42)에 저류된 TiCl4 가스를 처리 용기(11)[처리 공간(10)]에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시킨다(단계 S1).
이때, 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 공급되는 캐리어 가스인 N2 가스의 유량은, 각각 200 sc㎝∼10000 sc㎝, 합계로 600 sc㎝∼30000 sc㎝으로 하는 것이 바람직하고, 예컨대, 333 sc㎝씩 합계로 1000 sc㎝으로 할 수 있다. 또한, 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]의 압력은 1∼9 Torr(113.3∼1199.7 ㎩)가 바람직하고, 예컨대 5 Torr(666.5 ㎩)로 한다.
TiCl4 가스의 유량은 50 sc㎝∼300 sc㎝이 바람직하고, 예컨대 150 sc㎝으로 할 수 있다. 단계 S1의 시간은 0.03 sec∼30 sec의 범위가 바람직하고, 예컨대 0.1 sec로 할 수 있다.
이 단계 S1과 병행하여, 제1 퍼지 가스 공급원(48) 및 제2 퍼지 가스 공급원(68)으로부터 제1 퍼지 가스 라인(45) 및 제2 퍼지 가스 공급 라인(65)에 퍼지 가스가 공급되지만, 밸브(V2 및 V6)가 폐쇄되어 있음으로써, 퍼지 가스는 가스 저류 탱크(46 및 66)에 저류되어, 가스 저류 탱크(46 및 66) 내가 승압된다.
다음에, 밸브(V3, V7, V9)를 개방한 상태인 채로, 제1∼제3 캐리어 가스 공급원(53, 73, 93)으로부터 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 캐리어 N2 가스를 동일한 유량으로 계속해서 공급하는 상태에서, 밸브(V1)를 폐쇄하여 TiCl4 가스를 정지하고, 밸브(V2, V6)를 개방하여, 가스 저류 탱크(46 및 66)에 저류된 퍼지 가스를 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]에 공급하며, 진공 펌프(37)에 의해 배기관(34)을 통해 배기하여, 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]를 퍼지한다(단계 S2).
이와 같이, 캐리어 가스와는 별도 라인에서, 또한 압력이 상승한 상태의 가스 저류 탱크(46 및 66)로부터 공급됨으로써, 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]에는 큰 유량, 예컨대 캐리어 가스의 유량보다 큰 유량으로 퍼지 가스로서의 N2 가스를 공급하여, 단시간으로 처리 용기(11) 내의 TiCl4 가스를 퍼지할 수 있다.
이때, 제1 및 제2 퍼지 가스 라인(45 및 65)을 통해 공급되는 퍼지 가스의 유량은, 각각 200 sc㎝∼10000 sc㎝, 합계로 400 sc㎝∼20000 sc㎝으로 하는 것이 바람직하고, 예컨대, 9000 sc㎝씩 합계로 18000 sc㎝으로 할 수 있다. 단계 S2의 시간은 0.03 sec∼30 sec의 범위가 바람직하고, 예컨대 0.2 sec로 할 수 있다.
이 단계 S2와 병행하여, TiCl4 가스 공급원(44)으로부터 TiCl4 가스 라인(41)에 TiCl4 가스가 공급되지만, 밸브(V1)가 폐쇄되어 있음으로써, TiCl4 가스는 가스 저류 탱크(42)에 저류되어, 가스 저류 탱크(42) 내가 승압된다.
다음에, 밸브(V3, V7, V9)를 개방한 상태인 채로, 제1∼제3 캐리어 가스 공급원(53, 73, 93)으로부터 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 캐리어 N2 가스를 동일한 유량으로 계속해서 공급하는 상태에서, 밸브(V2 및 V6)를 폐쇄하여 퍼지 가스를 정지하고, 밸브(V4 및 V5)를 개방하여, 가스 저류 탱크(62)에 저류된 NH3 가스를 처리 용기(11)[처리 공간(10)]에 공급하여, 웨이퍼(W) 표면의 TiCl4 가스와 반응시킨다(단계 S3). 이에 의해 TiN의 분자층이 형성된다.
이때 NH3 가스의 유량은, 200 sc㎝∼10000 sc㎝이 바람직하고, 예컨대 3800 sc㎝으로 할 수 있다. 단계 S3의 시간은 0.03 sec∼30 sec의 범위가 바람직하고, 예컨대 0.25 sec로 할 수 있다.
이 단계 S3과 병행하여, 제1 퍼지 가스 공급원(48) 및 제2 퍼지 가스 공급원(68)으로부터 제1 퍼지 가스 라인(45) 및 제2 퍼지 가스 공급 라인(65)에 퍼지 가스가 공급되고, H2 가스 공급원(84)으로부터 H2 가스 라인(81)에 H2 가스가 공급되지만, 밸브(V2, V6 및 V8)가 폐쇄되어 있음으로써, 퍼지 가스는 가스 저류 탱크(46 및 66)에 저류되고, H2 가스는 가스 저류 탱크(82)에 저류되어, 가스 저류 탱크(46, 66 및 82) 내가 승압된다.
다음에, 밸브(V3, V7, V9)를 개방한 상태인 채로, 제1∼제3 캐리어 가스 공급원(53, 73, 93)으로부터 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 캐리어 N2 가스를 동일한 유량으로 계속해서 공급하는 상태에서, 밸브(V4 및 V5)를 폐쇄하여 NH3 가스를 정지하고, 밸브(V2, V6 및 V8)를 개방하여, 가스 저류 탱크(46 및 66)에 저류된 퍼지 가스와, 가스 저류 탱크(82)에 저류된 H2 가스를 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]에 공급하며, 진공 펌프(37)에 의해 배기관(34)을 통해 배기하여, 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]를 퍼지한다(단계 S4).
단계 S2와 같이, 캐리어 가스와는 별도 라인에서, 또한 압력이 상승한 상태의 가스 저류 탱크(46 및 66)로부터 공급됨으로써, 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]에는 큰 유량, 예컨대 캐리어 가스의 유량보다 큰 유량으로 퍼지 가스로서의 N2 가스를 공급하여, 단시간으로 처리 용기(11) 내의 NH3 가스를 퍼지할 수 있다. 또한, 이 퍼지 시에 H2 가스를 공급함으로써, TiN의 분자층이 H2 가스에 의해 개질된다. 또한, 퍼지 시에 H2 가스에 의한 처리를 행하기 때문에, 스루풋을 저하시키지 않고 개질 처리를 행할 수 있다. 또한, H2 가스의 유량을 임의의 유량으로 공급할 수 있어, 대유량의 H2 가스를 공급함으로써 단시간의 퍼지 공정으로 H2에 의한 개질을 행하는 것이 가능해진다.
이때, 제1 및 제2 퍼지 가스 라인(45 및 65)을 통해 공급되는 퍼지 가스의 유량은, 각각 200 sc㎝∼10000 sc㎝, 합계로 400 sc㎝∼20000 sc㎝으로 하는 것이 바람직하고, 예컨대, 9000 sc㎝씩 합계로 18000 sc㎝으로 할 수 있다. 또한, H2 가스 라인(81)을 통해 공급되는 H2 가스의 유량은, 200 sc㎝∼10000 sc㎝으로 하는 것이 바람직하고, 예컨대, 7000 sc㎝으로 할 수 있다. 단계 S4의 시간은 0.03 sec∼30 sec의 범위가 바람직하고, 예컨대 0.3 sec로 할 수 있다.
이 단계 S4와 병행하여, NH3 가스 공급원(64)으로부터 NH3 가스 라인(61)에 NH3 가스가 공급되지만, 밸브(V4 및 V5)가 폐쇄되어 있음으로써, NH3 가스는 가스 저류 탱크(62)에 저류되어, 가스 저류 탱크(62) 내가 승압된다.
이상과 같은 단계 S1∼S4를 1 사이클 이상의 미리 정해진 사이클로 행함으로써, 미리 정해진 막 두께의 개질된 TiN막을 얻을 수 있다. 즉, 본 실시형태에서는, TiN의 분자층이 형성된 후의 퍼지 공정(단계 S4)에서, H2 가스 분위기로 어닐링되게 되기 때문에, TiN 결정립이 커져, 상기 단계 S1∼S4를 미리 정해진 사이클로 행함으로써, TiN막의 결정립을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 비저항이 낮은 TiN막을 얻을 수 있다.
이와 같이 하여, 미리 정해진 막 두께의 TiN막을 성막한 후, 처리 용기(11) 내를 퍼지 가스에 의해 퍼지하여, 배치대(21)를 전달 위치까지 하강시키고, 계속해서 게이트 밸브(13)를 개방하여, 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 반입출구(12)를 통해 처리 후의 웨이퍼(W)를 진공 반송실(도시하지 않음)에 반출한다.
종래는, 도 4에 나타내는 바와 같이, TiCl4 가스 및 NH3 가스의 캐리어 가스를 연속적으로 공급하고, 캐리어 가스를 퍼지 가스로서 이용하고 있었지만, 캐리어 가스를 처리 용기의 퍼지에 필요한 양으로 공급하지 않으면 안 되어, 캐리어 가스의 공급량이 많아져 버린다. 한편, 양호한 스텝 커버리지(피복성)를 확보하는 경우, 원료 가스인 TiCl4 가스의 공급량을 증가시켜, 처리 용기 내에 있어서의 원료 가스의 분압을 높게 하는 것이 요구되지만, 퍼지 가스로서 공급되는 캐리어 가스의 유량이 많기 때문에, TiCl4 가스의 분압을 높게 하고자 하면, TiCl4 가스의 공급량을 매우 많게 할 필요가 있어, 퍼지 시간이 길어져 스루풋, 즉 생산성이 저하하여 버린다. 또한, TiCl4 가스의 공급량을 많게 한 경우에는, 처리 용기나 배관에의 TiCl4 가스의 부착량이 많아지기 때문에, 메인터넌스 빈도도 높아진다. 또한, 특허문헌 3에 나타내는 바와 같이, H2 가스에 의한 처리를 ALD 프로세스와는 별개로 행하고 있기 때문에, 그 만큼 더욱 생산성(스루풋)이 저하하여 버린다.
이에 대하여, 본 실시형태에서는, TiCl4 가스 및 NH3 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 및 제2 캐리어 가스 라인(51 및 71)과는 별개로 제1 및 제2 퍼지 가스 라인(45 및 65)을 마련하고, 제1 및 제2 퍼지 가스 라인(45 및 65)에는 제1 및 제2 캐리어 가스 라인(51 및 71)의 밸브(V3, V7) 및 유량 조정부(52, 72)와는 별개로, 밸브(V2, V6) 및 유량 조정부(47, 67)가 마련되어 있기 때문에, 퍼지 시만 퍼지 가스의 유량을 증가시킬 수 있어, 캐리어 가스의 유량을 증가시킬 필요가 없다. 이 때문에, 원료 가스인 TiCl4 가스의 유량을 크게 증가시키는 일없이 피복성(스텝 커버리지)을 높일 수 있어, 생산성을 저하시키지 않고 90％ 이상이라고 하는 양호한 피복성(스텝 커버리지)을 얻을 수 있다. 또한, 비저항을 저하시키기 위한 H2 가스에 의한 처리를 NH3 가스 공급 후의 퍼지 시에 행하기 때문에, ALD에 영향을 끼치지 않고, 또한 H2 가스 처리에 의한 생산성(스루풋)의 저하를 거의 발생시키지 않는다. 또한, 퍼지 시에 캐리어 가스를 적게 하여 퍼지 가스 및 H2 가스를 공급할 수 있기 때문에, 대유량의 H2 가스를 공급함으로써 단시간의 퍼지 공정으로 H2에 의한 개질을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 퍼지 가스는 압력이 상승한 상태의 가스 저류 탱크(46 및 66)로부터 공급됨으로써, 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]에는 큰 유량, 예컨대 캐리어 가스의 유량보다 큰 유량으로 퍼지 가스를 공급하여, 단시간으로 처리 용기(11) 내의 TiCl4 가스 또는 NH3 가스를 퍼지할 수 있다. 이 때문에, 더욱 스루풋을 높일 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 단계 S1∼S4를 복수 사이클로 행하고, 최종 사이클의 단계 S4의 시간을 장시간화하여도 좋다. 이때의 시간은 60 sec 이하가 바람직하다. 이에 의해, 스루풋이 다소 저하하지만, H2 가스 처리의 효과를 보다 높일 수 있어, 비저항을 보다 저하시킬 수 있다.
또한, 단계 S1∼S4를 복수회 행할 때에, 미리 정해진 주기로 단계 S4의 시간을 장시간화하여도 좋다. 이 경우는, 더욱 스루풋이 저하하지만, H2 가스 처리의 효과를 더욱 높일 수 있어, 비저항을 더욱 저하시킬 수 있다.
또한, 단계 S4에 있어서, 퍼지 가스와 H2 가스를 양방 이용하였지만, H2 가스도 퍼지 가스로 기능하기 때문에, 퍼지 가스와 H2 가스의 비율은 임의적이고, 전부가 H2 가스여도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, TiCl4 가스 공급 후의 퍼지 공정인 단계 S2에 있어서도 H2 가스를 공급하도록 하여도 좋다.
다음에, 본 실시형태의 실험 결과에 대해서 설명한다.
도 5는 단계 S4의 NH3 가스 플로우 후의 퍼지 시의 H2 가스 유량을 변화시켜 단계 S1∼S4를 230 사이클 반복하여 TiN막을 성막하였을 때의 비저항과 막 두께를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, H2 가스 유량이 2000 sc㎝ 이상에서 비저항이 저하하고 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 여러 가지 시퀀스의 실험에 있어서의 레시피 시간, 스루풋, 비저항을 구하였다. 여기서는, TiCl4 가스 및 NH3 가스의 캐리어 가스인 N2 가스의 유량을 500 sc㎝씩 연속하여 공급하고, 단계 S1의 TiCl4 가스 유량을 150 sc㎝, 단계 S2 및 S4의 퍼지 가스인 N2 가스의 유량을 9000 sc㎝씩으로 하고, 단계 S3의 NH3 가스의 유량을 3800 sc㎝으로 하고, 단계 S4의 H2 가스 유량을 7000 sc㎝으로 하고, 단계 S1, S2, S3, S4의 표준의 시간을, 각각 0.1 sec, 0.2 sec, 0.25 sec, 0.3 sec로 하였다. 그리고, H2 가스를 첨가하지 않고 단계 S1∼S4를 230 사이클 반복한 경우(시퀀스 1), 단계 S4에 H2 가스를 첨가하여 단계 S1∼S4를 230 사이클 반복한 경우(시퀀스 2), 단계 S4에 H2 가스를 첨가하여 단계 S1∼S4를 229 사이클 반복하고, 최종 사이클만 단계 S4의 시간을 15 sec로 한 경우(시퀀스 3), 단계 S4에 H2 가스를 첨가하여 단계 S1∼S4를 229 사이클 반복하고, 최종 사이클만 단계 S4의 시간을 60 sec로 한 경우(시퀀스 4), 단계 S4에 H2 가스를 첨가하여 단계 S1∼S4를 46 사이클 반복하고, 47 사이클째의 단계 S4의 시간을 15 sec로 하고, 이 47 사이클을 5회 반복한 경우(시퀀스 5)에 대해서 행하였다. 결과를 도 6에 나타낸다.
도 6에서는 각 시퀀스에 있어서의 레시피 시간, 스루풋(웨이퍼/h), 비저항(μΩ·㎝), 스루풋 저하 매수를 나타내고 있다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 단계 S4에 H2 가스를 첨가한 시퀀스 2에서는, H2 가스를 첨가하지 않는 시퀀스 1에 대하여, 스루풋을 저하시키는 일없이, 비저항을 131 μΩ·㎝로부터 117 μΩ·㎝까지 저하시키는 것이 확인되었다. 또한, 최종 사이클의 단계 S4의 시간을 길게 한 시퀀스 3, 4에 대해서는, 그 시간에 따라, 스루풋은 약간 저하하지만, 비저항은 109 μΩ·㎝, 104 μΩ·㎝로 더욱 저하하는 것이 확인되었다. 또한, 주기적으로 단계 S4의 시간을 길게 한 시퀀스 5에 대해서도 비저항이 105 μΩ·㎝로 저하하였지만, 스루풋의 저하가 보였다. 단, 시퀀스 3∼5에서는 스루풋은 저하하지만, 허용 범위였다. 또한, 스텝 커버리지에 대해서는 모두 90％ 이상의 양호한 값이 얻어졌다.
<성막 방법의 제2 실시형태>
다음에, 성막 방법의 제2 실시형태에 대해서 설명한다.
본 실시형태에 따른 성막 방법은 로직 등에 적용되는 저온 성막 프로세스에 의해 미세 패턴으로 2 ㎚ 이하, 더욱 1 ㎚ 이하의 매우 얇은 TiN막을 높은 피복성뿐만 아니라 높은 연속성으로 성막하는 것이다.
먼저, 제1 실시형태와 마찬가지로, 밸브(V1∼V9)를 폐쇄하고, 배치대(21)를 전달 위치로 하강시킨 상태에서, 게이트 밸브(13)를 개방하여 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 진공 반송실(도시하지 않음)로부터 반입출구(12)를 통해 처리 용기(11) 내에 웨이퍼(W)를 반입하여, 승강핀(20) 상에 배치하고, 반송 장치를 후퇴시켜, 게이트 밸브(13)를 폐쇄한다. 그리고, 배치대(21)를 처리 위치까지 상승시킴으로써 웨이퍼(W)가 배치대(21) 상에 배치된다. 본 실시형태에서는, 배치대(21)는 히터(22)에 의해 400℃∼500℃의 범위의 온도로 가열된다. 그리고, 밸브(V3, V7, V9)를 개방하여 제1∼제3 캐리어 가스 공급원(53, 73, 93)으로부터 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 처리 용기(11) 내에 캐리어 N2 가스를 공급하면서 미리 정해진 감압 상태로 유지하고, 웨이퍼(W)의 온도를 400℃∼500℃의 범위, 예컨대 450℃로 제어한다. 그리고, 제1 실시형태와 마찬가지로, 가스 저류 탱크(42 및 62) 내의 승압을 행한다.
이 상태에서, 예컨대 도 7의 가스 공급 시퀀스 및 도 8의 타이밍 차트에 나타내는 바와 같이 ALD에 의해 TiN막을 성막한다.
본 실시형태에서는, 제1 실시형태의 단계 S1∼S4에 대응하여 단계 S11∼S14를 행한다. 단계 S11∼S14 중, 단계 S11, S13, S14는 기본적으로 제1 실시형태의 단계 S1, S3, S4와 동일하게 행해지지만, 단계 S12의 TiCl4 가스의 퍼지 단계에서는, 퍼지 가스 외에 H2 가스를 공급한다. 즉, 본 실시형태에서는, TiCl4 가스의 퍼지 공정인 단계 S12 및 NH3 가스의 퍼지 공정인 단계 S14의 양방에서 H2 가스의 공급을 행한다.
단계 S12 및 S14의 H2 가스의 유량은, 200 sc㎝∼30000 sc㎝으로 하는 것이 바람직하고, 예컨대, 7000 sc㎝으로 할 수 있다.
TiCl4 가스, NH3 가스, 캐리어 가스, 퍼지 가스의 유량은 제1 실시형태와 동일하고, 단계 S11∼S14의 시간도, 제1 실시형태의 단계 S1∼S4와 동일하다.
이상과 같은 단계 S11∼S14를 1 사이클 이상의 미리 정해진 사이클로 행함으로써, 미리 정해진 막 두께의 개질된 TiN막을 얻을 수 있다.
로직에 이용되는 TiN막은, 저온 성막으로 2 ㎚ 이하, 더욱 1 ㎚ 이하의 매우 얇은 TiN막을, 높은 피복성뿐만 아니라 높은 연속성으로 성막하는 것이 요구되고 있다. 그러나, 성막 원료로서 TiCl4 가스를 이용하여 TiN막을 성막하는 경우, TiCl4끼리 전기적으로 반발하기 때문에, 하지(下地)에 있어서 본래 흡착하여야 하는 곳에 TiCl4가 흡착되지 않아, 막의 연속성을 높이는 것이 곤란해진다. 이에 대하여, H2 가스를 첨가함으로써, 이하의 (1), (2) 식의 반응에 의해 TiCl4가 환원됨으로써, 1가의 이온인 (TiCl3)+ 또는 2가의 이온인 (TiCl2)++가 된다.
2TiCl4 + H2 → 2(TiCl3)+ + 2HCl……(1)
TiCl4 + H2 → (TiCl2)++ + 2HCl……(2)
이 (TiCl3)+ 및 (TiCl2)++는 이온화함으로써 활성화되어 있기 때문에, TiCl4에 비해서 하지에 대한 흡착력은 높아지고, 연속성이 높은 TiN막을 얻을 수 있다.
본 실시형태에 있어서도, TiCl4 가스 및 NH3 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 및 제2 캐리어 가스 라인(51 및 71)과는 별개로 제1 및 제2 퍼지 가스 라인(45 및 65)을 마련하고, 제1 및 제2 퍼지 가스 라인(45 및 65)에는, 제1 및 제2 캐리어 가스 라인(51 및 71)의 밸브(V3, V7) 및 유량 조정부(52, 72)와는 별개로, 밸브(V2, V6) 및 유량 조정부(47, 67)가 마련되어 있기 때문에, 퍼지 시만 퍼지 가스의 유량을 증가시킬 수 있어, 캐리어 가스의 유량을 증가시킬 필요가 없다. 이 때문에, 원료 가스인 TiCl4 가스의 유량을 크게 증가시키는 일없이 피복성(스텝 커버리지)을 높일 수 있어, 생산성을 저하시키지 않고 90％ 이상이라고 하는 양호한 피복성(스텝 커버리지)을 얻을 수 있다. 또한, 막의 연속성을 높이기 위한 H2 가스에 의한 처리를 TiCl4 가스 공급 후 및 NH3 가스 공급 후의 퍼지 시에 행하기 때문에, ALD에 영향을 끼치지 않고, 또한 H2 가스 처리에 의한 생산성(스루풋)의 저하를 거의 발생시키는 일이 없다. 또한, 퍼지 시에 캐리어 가스를 적게 하여 퍼지 가스 및 H2 가스를 공급할 수 있기 때문에, 대유량의 H2 가스를 공급함으로써 단시간의 퍼지 공정으로 H2에 의한 개질을 행하는 것이 가능해진다.
물론, 본 실시형태에 있어서도, 퍼지 가스는 압력이 상승한 상태의 가스 저류 탱크(46 및 66)로부터 공급됨으로써, 처리 용기(11) 내[처리 공간(10)]에는 큰 유량, 예컨대 캐리어 가스의 유량보다 큰 유량으로 퍼지 가스를 공급하여, 단시간으로 처리 용기(11) 내의 TiCl4 가스 또는 NH3 가스를 퍼지할 수 있다. 이 때문에, 더욱 스루풋을 높일 수 있다.
또한, 상기 예에서는, TiCl4 가스 공급 후의 퍼지 공정 및 NH3 가스 공급 후의 퍼지 공정의 양방에 있어서 H2 가스를 공급하였지만, 본 실시형태에서는 TiCl4 가스 공급 후의 퍼지 공정에만 H2 가스를 공급하여도 좋다.
다음에, 본 실시형태의 실험 결과에 대해서 설명한다.
최초에, H2 가스 공급의 효과를 확인하는 기초 실험을 행하였다. 여기서는, 성막 온도를 460℃로 하여, 연속적으로 공급하는 캐리어 가스의 N2 가스를 퍼지 가스로서 이용하여, TiCl4 가스와 NH3 가스의 ALD에 의해 TiN막의 성막을 행할 때에, H2를 연속적으로 공급하여 H2 가스의 효과를 확인하였다. 또한, 여기서는, TiCl4 가스 공급 시간을 0.05 sec, TiCl4 가스의 퍼지 시간을 0.2 sec, NH3 가스 공급 시간을 0.3 sec, NH3 가스의 퍼지 시간을 0.3 sec로 하였다.
막의 연속성은 Rough Ratio를 이용하여 파악하였다. Rough Ratio는 분광 엘립소메트리에 의해, 도 9에 나타내는 밀도가 다른 Bulk층 및 Roughness층의 2층의 막 두께를 측정하고, 전체의 막 두께(Roughness층 + bulk층)에 대한 밀도가 작은 Roughness층의 막 두께의 비율을 나타내는 것이다.
H2 가스 유량을 변화시켜 Rough Ratio 극소막 두께를 구한 결과를 도 10 및 도 11에 나타낸다. 도 10은 횡축에 XRF막 두께를 취하고, 종축에 Rough Ratio를 취하여, 이들의 관계를 나타낸 도면이다. Rough Ratio는 0에서부터 핵 생성이 시작된 시점에서 증가하여 극대치가 되고, 거기에서부터 서서히 저하하는 부분에서 막의 연속성이 증가한다. Rough Ratio가 극소치가 된 막 두께인 Rough Ratio 극소막 두께가, 연속성의 정도를 나타내는 하나의 지표이다. 도 11은 H2 가스 유량과 Rough Ratio 극소막 두께의 관계를 나타내는 도면이고, 종축은 H2 가스를 공급하지 않는 경우를 기준으로 하여 Rough Ratio 극소막 두께의 변화량으로서 나타내고 있다. 이들 도면에 나타내는 바와 같이, H2 가스의 유량이 증가함에 따라, Rough Ratio 극소막 두께가 감소하여, 막의 연속성이 개선되는 것이 확인되었다.
도 12는 각 H2 유량에 있어서의 막 두께와 비저항의 관계를 나타내는 도면이지만, H2 가스의 공급량을 증가시킴으로써, 비저항도 저하하는 것이 확인되었다.
다음에, 성막 온도를 460℃로 하여, 연속적으로 공급하는 캐리어 가스인 N2 가스를 퍼지 가스로서 이용하고, TiCl4 가스와 NH3 가스의 ALD에 의해 H2 가스를 첨가하지 않고 TiN막을 성막한 경우(샘플 1), 연속적으로 공급하는 캐리어 가스인 N2 외에, 퍼지 시에 퍼지 가스인 N2를 공급하고, TiCl4 가스와 NH3 가스의 ALD에 의해 H2 가스를 첨가하지 않고 TiN막을 성막한 경우(샘플 2), 연속적으로 공급하는 캐리어 가스인 N2 외에, 퍼지 시에 퍼지 가스인 N2를 공급하고, 퍼지 시에 H2 가스를 공급하여 TiCl4 가스와 NH3 가스의 ALD에 의해 TiN막을 성막한 경우(샘플 3)에 대해서, Rough Ratio 극소막 두께를 구하였다. 또한, 여기서는, TiCl4 가스 공급 시간을 0.05 sec, TiCl4 가스의 퍼지 시간을 0.2 sec, NH3 가스 공급 시간을 0.3 sec, NH3 가스의 퍼지 시간을 0.3 sec로 하였다.
샘플 1에서는, TiCl4 가스의 유량을 50 sc㎝, NH3 가스의 유량을 2700 sc㎝으로 하고, 캐리어 가스인 N2 가스의 유량을 각각 3000 sc㎝으로 하였다. 샘플 2에서는, TiCl4 가스의 유량을 140 sc㎝, NH3 가스의 유량을 7000 sc㎝으로 하고, 캐리어 가스인 N2 가스의 유량을 각각 3000 sc㎝으로 하고, 퍼지 가스인 N2 가스의 유량을 각각 9000 sc㎝으로 하였다. 샘플 3에서는, H2 가스의 유량을 10000 sc㎝으로 한 것 외에는 샘플 2와 동일하게 하였다.
그 결과를 도 13에 나타낸다. 캐리어 가스를 퍼지 가스로서 이용하고, H2 가스를 첨가하지 않는 샘플 1 및 캐리어 가스와는 별개로 퍼지 가스를 이용하고, H2 가스를 첨가하지 않는 샘플 2는, Rough Ratio 극소막 두께가 각각 2.13 ㎚, 1.88 ㎚였던 데 대하여, 퍼지 시에 H2 가스를 첨가한 샘플 3에서는 Rough Ratio 극소막 두께가 1.8 ㎚로 더욱 감소하였다. 이에 의해, 본 실시형태에 있어서, 막의 연속성이 개선된 것이 확인되었다.
<제3 실시형태>
다음에, 성막 방법의 제3 실시형태에 대해서 설명한다.
본 실시형태에 따른 성막 방법은, H2 가스의 첨가에 의해, TiCl4 가스에 의한 TiN막 자신의 에칭을 억제하여, 막 두께 균일성을 도모하는 것이다.
비저항이 낮은 TiN막을 얻는 것을 목적으로 하여, 예컨대 700℃ 정도의 고온에서 TiN막을 성막하는 것이 요구되는 경우가 있지만, 이러한 고온에서는, 고스텝 커버리지를 얻기 위해, Ti 원료인 TiCl4 가스의 유량을 50∼270 sc㎝, 예컨대 270 sc㎝으로 비교적 대유량으로 할 필요가 있다.
그러나, 대유량으로 TiCl4 가스를 공급하면, TiN막의 막 두께는 중앙부에서 얇아져, 막 두께 면내 균일성이 악화하는 현상이 보였다. 이 원인을 검토한 결과, TiCl4 가스는 에칭성이 높은 가스로, 상기와 같은 대유량으로 TiCl4 가스를 공급함으로써, TiCl4 가스에 의해 성막된 TiN막 자신의 에칭이 진행되어, 그 에칭 효과가 웨이퍼(W)의 중앙부에 있어서 커지기 때문인 것이 판명되었다.
실제로, 도 1의 장치를 이용하여, 온도: 700℃, 압력: 5 Torr(666 ㎩), TiCl4 가스 유량: 50 sc㎝, NH3 가스 유량: 3500 sc㎝의 조건으로 TiN막을 성막 후, 700℃에서 TiCl4 가스의 유량을 50 sc㎝, 80 sc㎝, 180 sc㎝, 270 sc㎝으로 변화시키고, TiCl4 가스 공급 0.05 sec, 퍼지(N2 가스 유량: 각 라인 7000 sc㎝) 0.8 sec의 사이클을 300 사이클 반복하여 TiN막을 에칭하였다. 그 결과를 도 14에 나타낸다. 도 14는 각 TiCl4 유량에 있어서의, 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, TiCl4 가스의 유량이 증대함에 따라, 에칭량이 증가하며, 중심부가 많이 에칭되는 것이 확인되었다. 이것으로부터, TiCl4 가스 유량을 대유량화하였을 때의 막 두께 면내 균일성의 악화는, TiCl4 가스의 에칭의 영향이라고 생각된다.
다음에, 동일한 조건으로 TiN막을 성막 후, 에칭 시의 TiCl4 가스의 유량을 270 sc㎝으로 고정하고, 온도를 400℃, 500℃, 600℃, 700℃로 변화시켜, 동일한 에칭 사이클을 300 사이클 행하여 에칭량을 확인하였다. 도 15는 그때의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면으로부터, 700℃일 때의 에칭이 현저하며, 600℃까지는 에칭은 생기지 않고, 오히려 막이 증가하고 있는 것이 확인되었다.
다음에, 장치 구성을 일부 변경한 것 외에는 동일한 조건으로 TiN막을 성막 후, 에칭 시의 TiCl4 가스의 유량을 270 sc㎝로 고정하고, 온도를 625℃, 650℃, 675℃, 700℃로 변화시켜, 동일한 에칭 사이클을 300 사이클 행하여 에칭량을 확인하였다. 도 16은 그때의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면으로부터, TiCl4 가스에 의한 에칭의 영향은 625℃으로부터 생기고, 온도가 상승함에 따라 증대하는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 16의 경우와 동일한 장치를 이용하여, 동일한 조건으로 TiN막을 성막한 후, 온도: 700℃, TiCl4 가스의 유량: 270 sc㎝으로 하여, 전술한 에칭의 사이클을 100 사이클, 200 사이클, 300 사이클로 변화시켰을 때의 에칭량을 확인하였다. 도 17은 그때의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면으로부터, TiCl4 가스의 에칭의 영향은 사이클수가 적은 경우는 작지만, 사이클수가 증가함에 따라 커지는 것을 알 수 있다.
본 실시형태에서는, 이러한 TiCl4 가스 유량의 증대에 따른 에칭 작용을 H2 가스 첨가에 의해 억제한다.
이것을 확인한 실험 결과에 대해서 설명한다.
여기서는, 도 16의 경우와 동일한 장치를 이용하여, 동일한 조건으로 TiN막을 성막한 후, 온도: 700℃, TiCl4 가스의 유량: 270 sc㎝이며, TiCl4 가스 공급 0.05 sec, 퍼지(N2 가스 유량: 각 라인 7000 sc㎝) 0.8 sec의 사이클을 300 사이클 반복하여 TiN막을 에칭한 경우(TiN막 성막 시 H2 첨가 없음)와, 퍼지 시에, N2 가스(유량: 각 라인 7000 sc㎝)에, 더욱 H2 가스(유량: 7000 sc㎝)를 첨가한 것 이외에는 동일한 조건으로 성막한 TiN막을, 온도: 700℃, TiCl4 가스의 유량: 270 sc㎝이며, TiCl4 가스 공급 0.05 sec, 퍼지(N2 가스 유량: 각 라인 7000 sc㎝) 0.85 sec의 사이클을 300 사이클 반복하여 TiN막을 에칭한 경우(TiN막 성막 시 H2 첨가 있음)에 대해서, 에칭량을 확인하였다. 도 18은 그때의 웨이퍼 직경 방향의 위치와 TiN막의 에칭량의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면으로부터, TiN막 성막 시에 H2 가스를 첨가함으로써, TiN막의 에칭을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
이상의 실험 결과를 근거로 하여, 본 실시형태에서는, 바람직하게는, 온도: 625℃ 이상, TiCl4 가스 유량: 50∼270 sc㎝의 조건에서, 제1 실시형태 또는 제2 실시형태와 동일한 시퀀스로 H2 가스를 첨가하여 TiN막을 성막한다.
구체적으로는, 먼저, 제1 및 제2 실시형태와 마찬가지로, 밸브(V1∼V9)를 폐쇄하고, 배치대(21)를 전달 위치로 하강시킨 상태에서, 게이트 밸브(13)를 개방하여 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 진공 반송실(도시하지 않음)로부터 반입출구(12)를 통해 처리 용기(11) 내에 웨이퍼(W)를 반입하여, 승강핀(20) 상에 배치하고, 반송 장치를 후퇴시켜, 게이트 밸브(13)를 폐쇄한다. 그리고, 배치대(21)를 처리 위치까지 상승시킴으로써 웨이퍼(W)가 배치대(21) 상에 배치된다. 본 실시형태에서는, 배치대(21)는 히터(22)에 의해 625℃∼740℃의 범위로 가열된다. 그리고, 밸브(V3, V7, V9)를 개방하여 제1∼제3 캐리어 가스 공급원(53, 73, 93)으로부터 제1∼제3 캐리어 가스 라인(51, 71, 91)을 통해 처리 용기(11) 내에 캐리어 N2 가스를 공급하면서 미리 정해진 감압 상태로 유지하고, 웨이퍼(W)의 온도를 625℃∼740℃의 범위, 예컨대 700℃로 제어한다. 그리고, 제1 및 제2 실시형태와 마찬가지로, 가스 저류 탱크(42 및 62) 내의 승압을 행한다.
이 상태에서, 예컨대, 제1 실시형태에 있어서의 도 2의 가스 공급 시퀀스 및 도 3의 타이밍 차트, 또는 제2 실시형태에 있어서의 도 7의 가스 공급 시퀀스 및 도 8의 타이밍 차트에 나타내는 바와 같이 ALD에 의해 TiN막을 성막한다. 즉, 본 실시형태에서는, TiCl4 가스의 공급, TiCl4 가스의 퍼지, NH3 가스의 공급, NH3 가스의 퍼지를 반복하여 미리 정해진 막 두께의 TiN막을 성막하는데, 이때에, NH3 가스 공급 후의 퍼지 단계에서만 H2 가스의 공급을 행하여도 좋고, TiCl4 가스 공급 후 및 NH3 가스 공급 후의 양방의 퍼지 단계에서 H2 가스를 공급하여도 좋다.
이때의 H2 가스의 유량은, 200 sc㎝∼30000 sc㎝으로 하는 것이 바람직하고, 예컨대, 7000 sc㎝으로 할 수 있다.
TiCl4 가스, NH3 가스, 캐리어 가스, 퍼지 가스의 유량은 제1 실시형태 및 제2 실시형태와 동일하고, 이들 공정의 시간도 제1 실시형태 및 제2 실시형태의 단계 S1∼S4 및 단계 S11∼S14와 동일하다.
본 실시형태에서는, 이상과 같은 공정에 의해, 성막 온도가 높고, TiCl4 가스 유량이 대유량인 경우라도, 퍼지 시에, H2 가스를 공급하여 TiCl4 가스의 에칭 작용을 억제하기 때문에, 높은 생산성을 확보하면서, 높은 피복성의 막을 얻을 수 있고 또한 TiN막의 막 두께를 균일하게 할 수 있다.
<다른 적용>
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 일없이, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능하다.
예컨대, 상기 실시형태에서는, 원료 가스로서 TiCl4 가스를 이용하고, 반응 가스로서 NH3 가스를 이용하여 TiN막을 성막하는 경우에 대해서 설명하였지만, Ti 원료 가스 및 반응 가스는 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 실시형태에서는, Ti 원료 가스 및 반응 가스로서의 질화 가스에 의해 TiN막을 성막하는 경우에 대해서 설명하였지만, 성막하는 막은, 원료 가스와 반응 가스에 의해 막 형성되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예컨대 WN막, W막, TiON막, SiN막, SiO2막 등, 여러 가지 막의 성막에 적용할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 캐리어 가스나 퍼지 가스로서 이용하는 불활성 가스로서 N2 가스를 이용한 예에 대해서 나타내었지만, N2 가스에 한정되지 않고, Ar 가스나 He 가스와 같은 희가스 등, 다른 불활성 가스를 이용하여도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, TiN막에 대하여 비저항을 저하시키는 기능, 막의 연속성을 개선하는 기능을 갖는 첨가 가스로서 H2 가스를 이용한 예를 나타내었지만, 이에 한정되지 않고, 막에 대하여 미리 정해진 기능을 끼치는 첨가 가스이면 좋고, H2 가스에 한정되지 않고, O2 가스, NH3 가스, BCl3 가스, SiH4 가스, SiH2Cl2 가스 등, 여러 가지 가스를 이용할 수 있다.
1; 성막 장치 2; 가스 공급 기구
10; 처리 공간 11; 처리 용기
17; 배기 덕트 21; 배치대
34; 배기관 37; 진공 펌프
41; TiCl4 가스 라인 42, 46, 62, 66, 82; 가스 저류 탱크
44; TiCl4 가스 공급원 45, 65; 퍼지 가스 라인
48, 68; 퍼지 가스 공급원 51, 71, 91; 캐리어 가스 라인
53, 73; 캐리어 가스 공급원 61; NH3 가스 라인
64; NH3 가스 공급원 81; H2 가스 라인
84; H2 가스 공급원 100; 제어부
V1∼V9; 밸브 W; 반도체 웨이퍼

Claims (13)

  1. 피처리 기판이 수용되는 처리 용기와,
    피처리 기판에 미리 정해진 막을 성막하기 위한 원료 가스 및 반응 가스, 이들을 상기 처리 용기에 반송하는 캐리어 가스 및 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 처리 용기 내를 배기하고, 상기 처리 용기 내를 진공 분위기로 유지하는 배기 기구
    를 가지며,
    상기 가스 공급 기구는, 상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 원료 가스 유로와,
    상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 반응 가스 유로와,
    상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속되고, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로와,
    상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로는 별개로 마련되고, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를, 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스와는 별개로 유량 제어하여 상기 처리 용기 내에 공급하는 퍼지 가스 유로와,
    상기 미리 정해진 막에 대하여 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하는 첨가 가스 유로와,
    상기 원료 가스 유로, 상기 반응 가스 유로, 상기 제1 및 제2 캐리어 가스 유로, 상기 퍼지 가스 유로 및 상기 첨가 가스 유로를 각각 독립적으로 개폐하는 개폐 밸브
    를 갖는 성막 장치를 이용하여 상기 미리 정해진 막을 성막하는 성막 방법으로서,
    상기 처리 용기 내에 피처리 기판을 배치한 상태로,
    상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 캐리어 가스를 항시 공급하는 제1 공정과,
    상기 원료 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 원료 가스를 공급하여 상기 피처리 기판의 표면에 상기 원료 가스를 흡착하는 제2 공정과,
    상기 원료 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정과,
    상기 반응 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 반응 가스를 공급하여 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 반응시키는 제4 공정과,
    상기 반응 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정
    을 포함하고, 상기 제2 공정 내지 상기 제5 공정을 미리 정해진 사이클로 실시하고,
    상기 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정 및 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정 중 어느 하나, 또는 양방에서, 상기 퍼지 가스의 적어도 일부로서 상기 첨가 가스 유로를 통해 상기 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하고,
    상기 퍼지 가스 유로에, 상기 퍼지 가스를 저류하는 가스 저류부를 가지며, 상기 가스 저류부에 상기 퍼지 가스가 저류되어 상기 가스 저류부 내가 승압된 후, 상기 퍼지 가스 유로에 마련된 상기 밸브가 개방되어 상기 퍼지 가스가 상기 처리 용기에 공급되는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 가스 유로는, 상기 원료 가스 유로에 접속된 제1 퍼지 가스 유로와, 상기 반응 가스 유로에 접속된 제2 퍼지 가스 유로를 가지며, 상기 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정 및 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정 시에, 상기 제1 퍼지 가스 유로 및 상기 제2 퍼지 가스 유로를 통해 상기 퍼지 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 원료 가스는 TiCl4 가스이고, 상기 반응 가스는 NH3 가스이고, 상기 미리 정해진 막은 TiN막인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 첨가 가스는 H2 가스인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  6. 제5항에 있어서, 성막 시의 온도가 400℃∼750℃이고, 상기 첨가 가스로서의 H2 가스를, 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정 시에 공급하고, 상기 H2 가스는 상기 TiN막의 비저항을 저하시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 공정 내지 상기 제5 공정을 복수 사이클 반복하고, 최종 사이클의 상기 제5 공정의 시간을 장시간화하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 공정 내지 상기 제5 공정을 복수 사이클 반복하고, 상기 제5 공정을 주기적으로 장시간화하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  9. 제5항에 있어서, 성막 시의 온도가 400℃∼500℃이고, 상기 첨가 가스로서의 H2 가스를, 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정 및 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정의 양방 시에 공급하고, 상기 H2 가스는 상기 TiN막의 연속성을 개선하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 첨가 가스로서의 H2 가스는, 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정 시에만, 또는 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정 및 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정의 양방 시에 공급하고, 상기 H2 가스는 TiCl4의 에칭 작용을 억제하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  11. 제10항에 있어서, 성막 시의 온도가 625℃∼740℃의 범위인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  12. 제10항에 있어서, TiCl4 가스의 유량이 50 sc㎝∼270 sc㎝의 범위인 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  13. 피처리 기판이 수용되는 처리 용기와,
    피처리 기판에 미리 정해진 막을 성막하기 위한 원료 가스 및 반응 가스, 이들을 상기 처리 용기에 반송하는 캐리어 가스 및 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 처리 용기 내를 배기하고, 상기 처리 용기 내를 진공 분위기로 유지하는 배기 기구와,
    상기 가스 공급 기구와 상기 배기 기구를 제어하는 제어부
    를 가지며,
    상기 가스 공급 기구는, 상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 원료 가스 유로와,
    상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 반응 가스 유로와,
    상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속되고, 상기 원료 가스와 상기 반응 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로와,
    상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로와는 별개로 마련되고, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 퍼지 가스를, 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스와는 별개로 유량 제어하여 상기 처리 용기 내에 공급하는 퍼지 가스 유로와,
    상기 미리 정해진 막에 대하여 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하는 첨가 가스 유로와,
    상기 원료 가스 유로, 상기 반응 가스 유로, 상기 제1 및 제2 캐리어 가스 유로, 상기 퍼지 가스 유로 및 상기 첨가 가스 유로를 각각 독립적으로 개폐하는 개폐 밸브
    를 가지며,
    상기 제어부는,
    상기 처리 용기 내에 피처리 기판을 배치한 상태로,
    상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 캐리어 가스를 항시 공급하는 제1 공정과,
    상기 원료 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 원료 가스를 공급하여 상기 피처리 기판의 표면에 상기 원료 가스를 흡착하는 제2 공정과,
    상기 원료 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정과,
    상기 반응 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 상기 반응 가스를 공급하여 상기 원료 가스와 상기 반응 가스를 반응시키는 제4 공정과,
    상기 반응 가스의 공급을 정지하고, 상기 퍼지 가스 유로를 통해 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 공급하여 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정
    을 포함하고, 상기 제2 공정 내지 상기 제5 공정을 미리 정해진 사이클로 실시하고,
    상기 원료 가스를 퍼지하는 제3 공정 및 상기 반응 가스를 퍼지하는 제5 공정 중 어느 하나, 또는 양방에서, 상기 퍼지 가스의 적어도 일부로서 상기 첨가 가스 유로를 통해 상기 미리 정해진 기능을 갖는 첨가 가스를 공급하도록 제어하고,
    상기 퍼지 가스 유로에, 상기 퍼지 가스를 저류하는 가스 저류부를 가지며, 상기 가스 저류부에 상기 퍼지 가스가 저류되어 상기 가스 저류부 내가 승압된 후, 상기 퍼지 가스 유로에 마련된 상기 밸브가 개방되어 상기 퍼지 가스가 상기 처리 용기에 공급되는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
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