KR20220045037A - 기판 처리 방법, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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

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KR20220045037A
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아리토 오가와
코타 코와
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

평탄성을 가지는 막을 형성할 수 있다.
기판 상에 금속 함유막을 형성하는 공정; 및 상기 기판에 대하여 처리 가스를 공급하여, 금속 함유막의 표면으로의 결정층 분단막의 형성 공정과 금속 함유막의 표면에서의 이상 성장 핵의 제거 공정 중 어느 일방 또는 양방을 수행하는 공정을 교호적으로 수행하여 상기 기판 상에 금속 함유막을 복수 층 형성한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 기록 매체 및 기판 처리 장치
본 개시(開示)는 반도체 장치의 제조 방법, 기록 매체 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
3차원 구조를 가지는 NAND형 플래시 메모리나 DRAM의 워드 라인으로서 예컨대 저(低)저항인 텅스텐(W)막이 이용되고 있다. 또한 이 W막과 절연막 사이에 배리어막으로서 예컨대 질화티타늄(TiN)막이 설치되는 경우가 있다(예컨대 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조). TiN막은 W막과 절연막의 밀착성을 높이는 역할을 가지고, 이 TiN막 상에 W막을 성장시키는 핵 형성막이 형성되는 경우가 있다.
1. 일본 특개 2011-66263호 공보 2. 국제공개 제2019/058608호 팸플릿
하지만 W막을 형성하는 홈[溝]의 매입(埋立) 폭이 미세하게 이루어져 있어 TiN막이 평탄하지 않으면 W막의 부피가 감소하여 W막의 저저항화가 어려워진다.
본 개시는 평탄성을 가지는 막을 형성하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 형태에 따르면, 기판 상에 금속 함유막을 형성하는 공정; 및 상기 기판에 대하여 처리 가스를 공급하여, 상기 금속 함유막의 표면으로의 결정층(結晶層) 분단막의 형성 공정과 상기 금속 함유막의 표면에서의 이상(異常) 성장 핵의 제거 공정 중 어느 일방(一方) 또는 양방(兩方)을 수행하는 공정을 교호(交互)적으로 수행하여 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 복수 층 형성하는 기술이 제공된다.
본 개시에 따르면, 평탄성을 가지는 막을 형성할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 종형(縱型) 처리로의 개략을 도시하는 종단면도(縱斷面圖).
도 2는 도 1에서의 A-A선 개략 횡단면도(橫斷面圖).
도 3은 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 도시하는 도면.
도 4는 본 개시의 제1 실시 형태에서의 성막 시퀀스를 도시하는 도면.
도 5는 본 개시의 제2 실시 형태에서의 성막 시퀀스를 도시하는 도면.
도 6은 본 개시의 제3 실시 형태에서의 성막 시퀀스를 도시하는 도면.
도 7은 본 개시의 제4 실시 형태에서의 성막 시퀀스를 도시하는 도면.
도 8은 본 개시의 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 성막 공정의 변형예를 도시하는 도면.
도 9의 (A) 및 도 9의 (B)는 본 개시의 다른 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 처리로의 개략을 도시하는 종단면도.
도 10은 비교예 및 실시예 1 내지 실시예 3에서 기판 상에 형성된 TiN막의 단면을 비교해서 도시하는 도면.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
기판 처리 장치(10)는 가열 수단(가열 기구, 가열계)으로서의 히터(207)가 설치된 처리로(202)를 구비한다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보지판(保持板)으로서의 히터 베이스(미도시)에 지지되는 것에 의해 수직으로 설치된다.
히터(207)의 내측에는 히터(207)와 동심원 형상으로 반응 용기(처리 용기)를 구성하는 아우터 튜브(203)가 배설(配設)된다. 아우터 튜브(203)는 예컨대 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색(閉塞)되고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성된다. 아우터 튜브(203)의 하방(下方)에는 아우터 튜브(203)와 동심원 형상으로 매니폴드(인렛 플랜지)(209)가 배설된다. 매니폴드(209)는 예컨대 스텐레스(SUS) 등의 금속으로 구성되고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 매니폴드(209)의 상단부와 아우터 튜브(203) 사이에는 씰 부재로서의 O링(220a)이 설치된다. 매니폴드(209)가 히터 베이스로 지지되는 것에 의해 아우터 튜브(203)는 수직으로 설치된 상태가 된다.
아우터 튜브(203)의 내측에는 반응 용기를 구성하는 이너 튜브(204)가 배설된다. 이너 튜브(204)는 예컨대 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 주로 아우터 튜브(203)와 이너 튜브(204)와 매니폴드(209)에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성된다. 처리 용기의 통중공부(筒中空部)[이너 튜브(204)의 내측]에는 처리실(201)이 형성된다.
처리실(201)은 기판으로서의 웨이퍼(200)를 후술하는 보트(217)에 의해 수평 자세로 연직 방향에 다단으로 배열한 상태에서 수용 가능하도록 구성된다.
처리실(201) 내에는 노즐(410, 420, 430, 440, 450)이 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 설치된다. 노즐(410, 420, 430, 440, 450)에는 가스 공급관(310, 320, 330, 340, 350)이 각각 접속된다. 단, 본 실시 형태의 처리로(202)는 전술한 형태에 한정되지 않는다.
가스 공급관(310, 320, 330, 340, 350)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(312, 322, 332, 342, 352)가 각각 설치된다. 또한 가스 공급관(310, 320, 330, 340, 350)에는 개폐 밸브인 밸브(314, 324, 334, 344, 354)가 각각 설치된다. 가스 공급관(310, 320, 330, 340, 350)의 밸브(314, 324, 334, 344, 354)의 하류측에는 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(510, 520, 530, 540, 550)이 각각 접속된다. 가스 공급관(510, 520, 530, 540, 550)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 MFC(512, 522, 532, 542, 552) 및 개폐 밸브인 밸브(514, 524, 534, 544, 554)가 각각 설치된다.
가스 공급관(310, 320, 330, 340, 350)의 선단부(先端部)에는 노즐(410, 420, 430, 440, 450)이 각각 연결 접속된다. 노즐(410, 420, 430, 440, 450)은 L자형의 노즐로서 구성되고, 그 수평부는 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 설치된다. 노즐(410, 420, 430, 440, 450)의 수직부는 이너 튜브(204)의 지름 방향 외향으로 돌출되고, 또한 연직 방향으로 연재되도록 형성된 채널 형상(홈 형상)의 예비실(201a)의 내부에 설치되고, 예비실(201a) 내에서 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 상방(上方)[웨이퍼(200)의 배열 방향 상방]을 향하여 설치된다.
노즐(410, 420, 430, 440, 450)은 처리실(201)의 하부 영역으로부터 처리실(201)의 상부 영역까지 연재되도록 설치되고, 웨이퍼(200)와 대향하는 위치에 각각 복수의 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)이 설치된다. 이에 의해 노즐(410, 420, 430, 440, 450)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)으로부터 각각 웨이퍼(200)에 처리 가스를 공급한다. 이 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)은 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부에 걸쳐서 복수 설치되고, 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 동일한 개구 피치로 설치된다. 단, 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)은 전술한 형태에 한정되지 않는다. 예컨대 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부를 향하여 개구 면적을 서서히 크게 해도 좋다. 이에 의해 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)으로부터 공급되는 가스의 유량을 보다 균일화하는 것이 가능해진다.
노즐(410, 420, 430, 440, 450)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)은 후술하는 보트(217)의 하부에서 상부까지의 높이의 위치에 복수 설치된다.
그렇기 때문에 노즐(410, 420, 430, 440, 450)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)으로부터 처리실(201) 내에 공급된 처리 가스는 보트(217)의 하부로부터 상부까지 수용된 웨이퍼(200)의 모든 영역에 공급된다. 노즐(410, 420, 430, 440, 450)은 처리실(201)의 하부 영역으로부터 상부 영역까지 연재되도록 설치되면 좋지만, 보트(217)의 천장 부근까지 연재되도록 설치되는 것이 바람직하다.
가스 공급관(310)으로부터는 처리 가스로서 금속 원소를 포함하는 원료 가스(금속 함유 가스)가 MFC(312), 밸브(314), 노즐(410)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 원료로서는 예컨대 금속 원소로서의 티타늄(Ti)을 포함하고, 할로겐계 원료(할로겐화물, 할로겐계 티타늄 원료)로서의 4염화티타늄(TiCl4)이 이용된다.
가스 공급관(320)으로부터는 처리 가스로서 실리콘 함유 가스가 MFC(322), 밸브(324), 노즐(420)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 실리콘 함유 가스로서는 예컨대 실란계 가스 또는 클로로실란계 가스를 이용할 수 있다. 실란계 가스로서는 실란(SiH4)계의 가스를 이용할 수 있다. 또한 클로로실란계 가스로서는 헥사클로로디실란(Si2Cl6)계의 가스를 이용할 수 있다. 여기서 실란계의 가스나 클로로실란계의 가스란 상기 가스의 Si, H, Cl의 수가 다른 가스를 말한다.
가스 공급관(330)으로부터는 처리 가스로서 반응 가스가 MFC(332), 밸브(334), 노즐(430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 반응 가스로서는 예컨대 질소(N)를 포함하는 N 함유 가스로서의 예컨대 암모니아(NH3) 가스를 이용할 수 있다.
가스 공급관(340)으로부터는 처리 가스로서 산소 함유 가스가 MFC(342), 밸브(344), 노즐(440)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 산소 함유 가스로서는 예컨대 산소(O2) 가스, 오존(O3) 가스, 일산화질소(NO) 가스 또는 아산화질소(N2O) 가스 등을 이용할 수 있다.
가스 공급관(350)으로부터는 처리 가스로서 할로겐 함유 가스가 MFC(352), 밸브(354), 노즐(450)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 할로겐 함유 가스는 예컨대 금속 원소를 포함하는 가스이며, 예컨대 6불화텅스텐(WF6) 가스 등이 이용된다. 할로겐 함유 가스로서는 3불화질소(NF3) 가스, 3불화염소(ClF3) 가스, 불소(F2) 가스, 불화수소(HF) 가스 등을 이용해도 좋다.
가스 공급관(510, 520, 530, 540, 550)으로부터는 불활성 가스로서 예컨대 질소(N2) 가스가 각각 MFC(512, 522, 532, 542, 552), 밸브(514, 524, 534, 544, 554), 노즐(410, 420, 430, 440, 450)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 이하, 불활성 가스로서 N2 가스를 이용하는 예에 대해서 설명하지만, 불활성 가스로서는 N2 가스 이외에 예컨대 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 크세논(Xe) 가스 등의 희(希)가스를 이용해도 좋다.
주로 가스 공급관(310, 320, 330, 340, 350), MFC(312, 322, 332, 342, 352), 밸브(314, 324, 334, 344, 354), 노즐(410, 420, 430, 440, 450)에 의해 처리 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410, 420, 430, 440, 450)만을 처리 가스 공급계라고 생각해도 좋다. 처리 가스 공급계는 단순히 가스 공급계라고 불러도 좋다. 가스 공급관(310)으로부터 원료 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(310), MFC(312), 밸브(314)에 의해 원료 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410)을 원료 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 가스 공급관(320)으로부터 실리콘 함유 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(320), MFC(322), 밸브(324)에 의해 실리콘 함유 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(420)을 실리콘 함유 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 가스 공급관(330)으로부터 반응 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(330), MFC(332), 밸브(334)에 의해 반응 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(430)을 반응 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 가스 공급관(330)으로부터 반응 가스로서 질소 함유 가스를 공급하는 경우, 반응 가스 공급계를 질소 함유 가스 공급계라고도 부를 수 있다. 또한 가스 공급관(340)으로부터 산소 함유 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(340), MFC(342), 밸브(344)에 의해 산소 함유 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(440)을 산소 함유 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 가스 공급관(350)으로부터 할로겐 함유 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(350), MFC(352), 밸브(354)에 의해 할로겐 함유 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(450)을 할로겐 함유 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 주로 가스 공급관(510, 520, 530, 540, 550), MFC(512, 522, 532, 542, 552), 밸브(514, 524, 534, 544, 554)에 의해 불활성 가스 공급계가 구성된다.
본 실시 형태에서의 가스 공급의 방법은, 이너 튜브(204)의 내벽과 복수 매의 웨이퍼(200)의 단부로 정의되는 원환(圓環) 형상의 세로로 긴 공간 내의 예비실(201a) 내에 배치한 노즐(410, 420, 430, 440, 450)을 경유해서 가스를 반송한다. 그리고 노즐(410, 420, 430, 440, 450)의 웨이퍼와 대향되는 위치에 설치된 복수의 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)으로부터 이너 튜브(204) 내에 가스를 분출시킨다. 보다 구체적으로는 노즐(410)의 가스 공급공(410a), 노즐(420)의 가스 공급공(420a), 노즐(430)의 가스 공급공(430a), 노즐(440)의 가스 공급공(440a), 노즐(450)의 가스 공급공(450a)에 의해 웨이퍼(200)의 표면과 평행 방향을 향하여 원료 가스 등을 분출시킨다.
배기공(배기구)(204a)은 이너 튜브(204)의 측벽이며 노즐(410, 420, 430, 440, 450)에 대향된 위치에 형성된 관통공이며, 예컨대 연직 방향으로 가늘고 길게 개설된 슬릿 형상의 관통공이다. 노즐(410, 420, 430, 440, 450)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 웨이퍼(200)의 표면 상을 흐른 가스는 배기공(204a)을 개재하여 이너 튜브(204)가 아우터 튜브(203) 사이에 형성된 극간으로 이루어지는 배기로(206) 내에 흐른다. 그리고 배기로(206) 내에 흐른 가스는 배기관(231) 내에 흘러 처리로(202) 외로 배출된다.
배기공(204a)은 복수의 웨이퍼(200)와 대향되는 위치에 설치되고, 가스 공급공(410a, 420a, 430a, 440a, 450a)으로부터 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 근방에 공급된 가스는 수평 방향을 향하여 흐른 뒤, 배기공(204a)을 개재하여 배기로(206) 내에 흐른다. 배기공(204a)은 슬릿 형상의 관통공으로서 구성되는 경우에 한정되지 않고, 복수 개의 공에 의해 구성되어도 좋다.
매니폴드(209)에는 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 설치된다. 배기관(231)에는 상류측부터 순서대로 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245), APC(Auto Pressure Controller)밸브(243), 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속된다. APC 밸브(243)는 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐하는 것에 의해 처리실(201) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 수행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브의 개도(開度)를 조절하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있다. 주로 배기공(204a), 배기로(206), 배기관(231), APC 밸브(243) 및 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
매니폴드(209)의 하방에는 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구(爐口) 개체(蓋體)로서의 씰 캡(219)이 설치된다. 씰 캡(219)은 매니폴드(209)의 하단에 연직 방향 하측으로부터 당접(當接)되도록 구성된다. 씰 캡(219)은 예컨대 SUS 등의 금속으로 구성되고, 원반 형상으로 형성된다. 씰 캡(219)의 상면에는 매니폴드(209)의 하단과 당접하는 씰 부재로서의 O링(220b)이 설치된다. 씰 캡(219)에서의 처리실(201)의 반대측에는 웨이퍼(200)를 수용하는 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치된다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은 씰 캡(219)을 관통해서 보트(217)에 접속된다. 회전 기구(267)는 보트(217)를 회전시키는 것에 의해 웨이퍼(200)를 회전시키도록 구성된다. 씰 캡(219)은 아우터 튜브(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 연직 방향으로 승강되도록 구성된다. 보트 엘리베이터(115)는 씰 캡(219)을 승강시키는 것에 의해 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출하는 것이 가능하도록 구성된다. 보트 엘리베이터(115)는 보트(217) 및 보트(217)에 수용된 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외에 반송하는 반송 장치(반송 기구)로서 구성된다.
기판 지지구로서의 보트(217)는 복수 매, 예컨대 25매 내지 200매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로, 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 연직 방향에 간격을 두고 배열시키도록 구성된다. 보트(217)는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성된다. 보트(217)의 하부에는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 단열판(218)이 수평 자세로 다단(미도시)으로 지지된다. 이 구성에 의해 히터(207)로부터의 열이 씰 캡(219)측에 전달되기 어렵도록 이루어진다. 단, 본 실시 형태는 전술한 형태에 한정되지 않는다. 예컨대 보트(217)의 하부에 단열판(218)을 설치하지 않고, 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 통 형상의 부재로서 구성된 단열통을 설치해도 좋다.
도 2에 도시하는 바와 같이 이너 튜브(204) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되고, 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전량을 조정하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 되도록 구성된다. 온도 센서(263)는 노즐(410, 420, 430, 440, 450)과 마찬가지로 L자형으로 구성되고, 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 설치된다.
도 3에 도시하는 바와 같이 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(121)는 CPU(Central Processing Unit)(121a), RAM(Random Access Memory)(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는 내부 버스를 개재하여 CPU(121a)와 데이터 교환 가능하도록 구성된다. 컨트롤러(121)에는 예컨대 터치패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속된다.
기억 장치(121c)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(121c) 내에는 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법의 순서나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하도록 격납된다. 프로세스 레시피는 후술하는 반도체 장치의 제조 방법에서의 각 공정(각 스텝)을 컨트롤러(121)에 실행시켜 소정의 결과를 얻을 수 있도록 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피, 제어 프로그램 등을 총칭하여 단순히 프로그램이라고도 부른다. 본 명세서에서 프로그램이라는 단어를 사용한 경우는 프로세스 레시피 단체(單體)만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우 또는 프로세스 레시피 및 제어 프로그램의 조합을 포함하는 경우가 있다. RAM(121b)은 CPU(121a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역(work area)으로서 구성된다.
I/O 포트(121d)는 전술한 MFC(312, 322, 332, 342, 352, 512, 522, 532, 542, 552), 밸브(314, 324, 334, 344, 354, 514, 524, 534, 544, 554), 압력 센서(245), APC 밸브(243), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115) 등에 접속된다.
CPU(121a)는 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(121c)로부터 레시피 등을 판독하도록 구성된다. CPU(121a)는 판독한 레시피의 내용을 따르도록 MFC(312, 322, 332, 342, 352, 512, 522, 532, 542, 552)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(314, 324, 334, 344, 354, 514, 524, 534, 544, 554)의 개폐 동작, APC 밸브(243)의 개폐 동작 및 APC 밸브(243)에 의한 압력 센서(245)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 보트(217)로의 웨이퍼(200)의 수용 동작 등을 제어하도록 구성된다.
컨트롤러(121)는 외부 기억 장치[예컨대 자기(磁氣) 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광(光) 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리)(123)에 격납된 전술한 프로그램을 컴퓨터에 인스톨하는 것에 의해 구성할 수 있다. 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성된다. 이하, 이들을 총칭하여 단순히 기록 매체라고도 부른다. 본 명세서에서 기록 매체는 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우 또는 그 양방을 포함하는 경우가 있다. 컴퓨터로의 프로그램의 제공은 외부 기억 장치(123)를 이용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 이용하여 수행해도 좋다.
(2) 기판 처리 공정
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 웨이퍼(200) 상에 TiN막을 형성하는 공정의 일례에 대해서 도 4를 이용하여 설명한다. TiN막을 형성하는 공정은 전술한 기판 처리 장치(10)의 처리로(202)를 이용하여 실행된다. 이하의 설명에서 기판 처리 장치(10)를 구성하는 각(各) 부(部)의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
본 실시 형태에 의한 기판 처리 공정(반도체 장치의 제조 공정)에서는, (a) 웨이퍼(200) 상에 금속 함유막으로서 TiN막을 형성하는 공정; 및 (b) 웨이퍼(200)에 대하여 처리 가스를 공급하여, TiN막의 표면으로의 결정층 분단막을 형성하는 결정층 분단막의 형성 공정과 TiN막의 표면에서의 이상 성장 핵을 제거하는 이상 성장 핵의 제거 공정 중 어느 일방 또는 양방을 수행하는 공정을 교호적으로 수행하여 웨이퍼(200) 상에 TiN막을 복수 층 형성한다.
또한 결정층 분단막의 형성 공정에서는 처리 가스로서 산소 함유 가스인 O2 가스를 공급하고, 1사이클마다 O2 가스 공급 시의 압력을 다르게 하거나 또는 실리콘 함유 가스인 SiH4 가스를 공급한다.
또한 이상 성장 핵의 제거 공정에서는 처리 가스로서 할로겐 함유 가스이며 금속 원소를 포함하는 가스인 WF6 가스를 공급한다.
여기서 TiN막을 형성할 때, TiN의 결정 성장과 함께 이상 성장 핵이 성장한다. 본 실시 형태에서는 소정 막 두께의 TiN막을 형성할 때마다 TiN막 표면에 결정층 분단막을 형성하는 것에 의해 TiN막의 결정 성장을 멈출 수 있다. 이에 의해 이상 성장 핵의 성장이 멈춰서 TiN막 표면이 평탄화된다. 또한 소정 막 두께의 TiN막을 형성할 때마다 TiN막 표면에 형성된 이상 성장 핵을 제거(에칭)하는 것에 의해 TiN막 표면이 평탄화된다. 이때 TiN막의 표면도 에칭된다. 또한 TiN의 결정 성장이란 TiN의 결정립의 성장도 의미하는 경우가 있다. TiN막의 성막 과정에서는 통상적으로 복수의 결정(결정립)이 성장된다. 이 복수의 결정 중에는 이상 성장하는 핵이 형성되는 경우가 있다.
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우는 「웨이퍼 그 자체」를 의미하는 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등과의 적층체」를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 단어를 사용한 경우는 「웨이퍼 그 자체의 표면」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면」을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」이라는 단어를 사용한 경우도 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우와 같은 의미이다.
(웨이퍼 반입)
복수 매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(裝塡)(웨이퍼 차지)되면, 도 1에 도시되는 바와 같이 복수 매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서 씰 캡(219)은 O링(220)을 개재하여 반응관(203)의 하단 개구를 폐색한 상태가 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(201) 내, 즉 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이때 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(243)가 피드백 제어된다(압력 조정). 진공 펌프(246)는 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다. 또한 처리실(201) 내가 원하는 온도가 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포가 되도록 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전량이 피드백 제어된다(온도 조정). 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 계속해서 수행된다.
[성막 공정]
(TiCl4 가스 공급, 제1 스텝)
밸브(314)를 열고 가스 공급관(310) 내에 원료 가스인 TiCl4 가스를 흘린다. TiCl4 가스는 MFC(312)에 의해 유량 조정되어 노즐(410)의 가스 공급공(410a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 TiCl4 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(514)를 열고 가스 공급관(510) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(510) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(512)에 의해 유량 조정되어 TiCl4 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 노즐(420, 430, 440, 450) 내로의 TiCl4 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(524, 534, 544, 554)를 열고 가스 공급관(520, 530, 540, 550) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 가스 공급관(320, 330, 340, 350), 노즐(420, 430, 440, 450)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(312)로 제어하는 TiCl4 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 2.0slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532, 542, 552)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.1slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이때 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 300℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도가 될 수 있는 온도로 설정한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 TiCl4 가스와 N2 가스만이다. TiCl4 가스의 공급에 의해 웨이퍼(200)[표면의 하지막(下地膜)] 상에 Ti 함유층이 형성된다. Ti 함유층은 Cl을 포함하는 Ti층이어도 좋고, TiCl4의 흡착층이어도 좋고, 그것들의 양방을 포함해도 좋다.
(잔류 가스 제거, 제2 스텝)
TiCl4 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후이며 예컨대 0.01초 내지 10초 후에 밸브(314)를 닫고 TiCl4 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(514, 524, 534, 544, 554)는 연 상태로 하여 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
(NH3 가스 공급, 제3 스텝)
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 밸브(334)를 열고 가스 공급관(330) 내에 반응 가스로서 NH3 가스를 흘린다. NH3 가스는 MFC(332)에 의해 유량 조정되어 노즐(430)의 가스 공급공(430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 NH3 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(534)를 열고 가스 공급관(530) 내에 N2 가스를 흘린다. 가스 공급관(530) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(532)에 의해 유량 조정된다. N2 가스는 NH3 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 노즐(410, 420, 440, 450) 내로의 NH3 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(514, 524, 544, 554)를 열고 가스 공급관(510, 520, 540, 550) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 가스 공급관(310, 320, 340, 350), 노즐(410, 420, 440, 450)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(332)로 제어하는 NH3 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532, 542, 552)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.1slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. NH3 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 0.01초 내지 30초의 범위 내의 시간으로 한다. 이때의 히터(207)의 온도는 TiCl4 가스 공급 스텝과 마찬가지의 온도로 설정한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 NH3 가스와 N2 가스만이다. NH3 가스는 제1 스텝에서 웨이퍼(200) 상에 형성된 Ti 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 치환 반응 시에는 Ti 함유층에 포함되는 Ti와 NH3 가스에 포함되는 N이 결합하여 웨이퍼(200) 상에 TiN층이 형성된다.
(잔류 가스 제거, 제4 스텝)
TiN층을 형성한 후, 밸브(334)를 닫고 NH3 가스의 공급을 정지한다. 그리고 전술한 잔류 가스 제거와 마찬가지의 처리 순서에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiN층의 형성에 기여한 후의 NH3 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
(소정 횟수 실시)
상기한 제1 스텝 내지 제4 스텝을 순서대로 수행하는 사이클을 소정 횟수(n회) 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정의 두께이며, 예컨대 100Å의 두께의 TiN막을 형성한다.
[결정층 분단막 형성 공정]
(O2 가스 공급, 제5-1 스텝)
소정 막 두께의 TiN막을 형성한 후, 밸브(344)를 열고 가스 공급관(340) 내에 산소 함유 가스인 O2 가스를 흘린다. O2 가스는 MFC(342)에 의해 유량 조정되어 노즐(440)의 가스 공급공(440a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 O2 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(544)를 열고 가스 공급관(540) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(540) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(542)에 의해 유량 조정되어 O2 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 밸브(514, 524, 534, 554)를 닫고 노즐(410, 420, 430, 450)로부터의 N2 가스의 공급을 정지한다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 0.1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력이며, 본 스텝을 수행할 때마다 다른 압력으로 한다. 또한 MFC(342)로 제어하는 O2 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 10slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(542)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이때 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 성막 공정 시의 온도인 성막 온도와 같은 예컨대 300℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도를 일정하게 유지하도록 설정한다. 또한 본 공정에서의 온도를 성막 온도와 다르게 설정해도 좋다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 O2 가스이다. O2 가스의 공급에 의해 웨이퍼(200)(표면의 하지막) 상의 TiN막이 산화되어 막 중에 산소 원자가 확산되어 결정성이 변화된다. 이에 의해 TiN막의 표면에 결정층 분단막으로서의 산질화티타늄(TiNO)막이나 산화티탄(TiO)막이 형성되어 TiN막 표면이 평탄화된다.
또한 이때의 압력은 이러한 압력보다 대기압과 가까운 압력으로 조정해도 좋다. 대기압과 근접시키는 것에 의해 O2 가스 분자와 처리 대상의 막(여기서는 TiN막)과의 접촉 확률을 향상시킬 수 있고, 처리 대상의 막 표면의 산소 흡착율을 향상시키는 것이 가능해진다. 즉 산화 처리의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다.
[퍼지 공정]
(잔류 가스 제거, 제6 스텝)
O2 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후에 밸브(344)를 닫고 O2 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiNO막이나 TiO막 형성에 기여한 후의 O2 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(544)는 연 상태로 하여 밸브(514, 524, 534, 554)를 열고 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 시작한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiNO막이나 TiO막 형성으로 기여한 후의 O2 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 향상시킬 수 있다.
[소정 횟수 실시]
상기한 소정 횟수(n회)의 성막 공정, O2 가스 공급에 의한 결정층 분단막 형성 공정 및 퍼지 공정을 순서대로 수행하는 사이클을 1회 이상[소정 횟수(m회)] 수행하는 것에 의해, 웨이퍼(200) 상에 결정층 분단막으로서의 TiNO막이나 TiO막에 의해 분단된 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막이 복수 층 형성된 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 TiN막이 형성된다.
전술한 바와 같이 결정층 분단막 형성 공정(제5-1 스텝)의 O2 가스 공급 시에서의 압력은 1사이클마다 다르게 제어된다. 구체적으로는 전술한 O2 가스 공급 시에서의 압력은 사이클 수가 늘어날 때마다 높아지도록 제어된다. 또한 전술한 O2 가스 공급 시에서의 압력은 목표 막 두께가 250Å의 TiN막을 형성하는 경우에 250Å의 두께의 TiN막이 형성된 후에 수행하는 최후의 O2 가스 공급 시의 압력보다 작아지도록 제어된다. 처리실(201) 내의 압력이 높은 쪽이 TiN막 표면이 산화되기 쉽다. 그렇기 때문에 마지막 O2 가스 공급 시의 압력(예컨대 대기압과 가까운 압력)보다 작게 하고, 사이클 수가 늘어날 때마다 높아지도록 제어하는 것에 의해 TiN막 표면을 재산화한다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
가스 공급관(510 내지 550)의 각각으로부터 N2 가스를 처리실(201) 내에 공급하고 배기관(231)으로부터 배기한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 부생성물이 처리실(201) 내로부터 제거된다(애프터 퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀).
(웨이퍼 반출)
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 씰 캡(219)이 하강되어 반응관(203)의 하단이 개구된다. 그리고 처리 완료된 웨이퍼(200)가 보트(217)에 지지된 상태에서 반응관(203)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부에 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리 완료된 웨이퍼(200)는 보트(217)로부터 취출(取出)된다(웨이퍼 디스차지).
즉 본 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막을 형성할 때마다 TiN막 표면에 결정층 분단막의 형성을 수행한다. 이에 의해 TiN막의 표면이 산화되고 결정성이 변화되어 결정 성장이 억제되고, 그 결과, 이상 성장 핵의 형성이 억제되어 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 평탄화된 TiN막이 형성된다. 즉 TiN막의 표면에 형성되는 W막을 저저항화하는 것이 가능해진다.
(3) 본 실시 형태에 따른 효과
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 1개 또는 복수의 효과를 얻을 수 있다.
(a) 이상 성장 핵의 형성이 억제되어 평탄성을 가지는 TiN막을 형성할 수 있다.
(b) TiN막 상에 형성되는 W막의 저항률을 낮출 수 있다.
(4) 그 외의 실시 형태
다음으로 전술한 실시 형태의 다른 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명한다. 이하의 실시 형태에서는 전술한 실시 형태와 다른 점에 대해서만 구체적으로 설명한다.
(제2 실시 형태)
도 5는 제2 실시 형태에 따른 성막 시퀀스를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태는 전술한 실시 형태와 결정층 분단막 형성 공정이 다르다. 구체적으로는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 실시 형태의 결정층 분단막 형성 공정에서의 O2 가스 공급 대신에 실리콘 함유 가스인 SiH4 가스 공급을 수행한다.
[결정층 분단막 형성 공정]
(SiH4 가스 공급, 제5-2 스텝)
소정 막 두께의 TiN막을 형성한 후, 밸브(324)를 열고 가스 공급관(320) 내에 실리콘 함유 가스인 SiH4 가스를 흘린다. SiH4 가스는 MFC(322)에 의해 유량 조정되어 노즐(420)의 가스 공급공(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 SiH4 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(524)를 열고 가스 공급관(520) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(520) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(522)에 의해 유량 조정되어 SiH4 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 밸브(514, 534, 544, 554)를 닫고 노즐(410, 430, 440, 450)로부터의 N2 가스의 공급을 정지한다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 0.1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(322)로 제어하는 SiH4 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 10slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(522)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이때 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 성막 공정 시의 온도인 성막 온도와 같은 예컨대 300℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도를 일정하게 유지하도록 설정한다. 또한 본 공정에서의 온도를 성막 온도와 다르게 설정해도 좋다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 SiH4 가스이다. SiH4 가스의 공급에 의해 TiN막의 표면에 결정층 분단막으로서의 질화규화티타늄(TiSiN)막이 형성되어 TiN막 표면이 평탄화된다.
[퍼지 공정]
(잔류 가스 제거, 제6 스텝)
SiH4 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후에 밸브(324)를 닫고 SiH4 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiSiN막 형성에 기여한 후의 SiH4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(524)는 연 상태로 하여 밸브(514, 534, 544, 554)를 열고 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 시작한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiSiN막 형성으로 기여한 후의 SiH4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 향상시킬 수 있다.
[소정 횟수 실시]
상기한 소정 횟수(n회)의 성막 공정, SiH4 가스 공급에 의한 결정층 분단막 형성 공정 및 퍼지 공정을 순서대로 수행하는 사이클을 1회 이상[소정 횟수(m회)] 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 결정층 분단막으로서의 TiSiN막에 의해 분단된 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막이 복수 층 형성된 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 TiN막이 형성된다.
즉 본 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막을 형성할 때마다 TiN막 표면에 결정층 분단막의 형성을 수행한다. 이에 의해 TiN막 표면의 결정을 분단시킬 수 있고, TiN막의 결정 성장이 억제되어 그 결과, 이상 성장 핵의 형성이 억제되어 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 평탄화된 TiN막이 형성된다. 즉 TiN막의 표면에 형성되는 W막을 저저항화하는 것이 가능해진다.
(제3 실시 형태)
도 6은 제3 실시 형태에 따른 성막 시퀀스를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태는 전술한 실시 형태의 결정층 분단막 형성 공정에서의 O2 가스 공급 또는 SiH4 가스 공급 대신에 이상 성장 핵의 제거 공정인 할로겐 함유 가스이며 금속 원소를 포함하는 가스인 WF6 가스 공급을 수행한다.
[이상 성장 핵의 제거 공정]
(WF6 가스 공급, 제5-3 스텝)
소정 막 두께의 TiN막을 형성한 후, 밸브(354)를 열고 가스 공급관(350) 내에 할로겐 함유 가스로서 WF6 가스를 흘린다. WF6 가스는 MFC(352)에 의해 유량 조정되어 노즐(450)의 가스 공급공(450a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 WF6 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(554)를 열고 가스 공급관(550) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(550) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(552)에 의해 유량 조정되어 WF6 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 밸브(514, 524, 534, 544)를 닫고 노즐(410, 420, 430, 440)로부터의 N2 가스의 공급을 정지한다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 0.1Pa 내지 6,650Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(352)로 제어하는 WF6 가스의 공급 유량은 예컨대 0.01slm 내지 10slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(552)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. WF6 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 0.01초 내지 30초의 범위 내의 시간으로 한다. 이때 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 성막 공정 시의 온도인 성막 온도와 같은 예컨대 300℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도를 일정하게 유지하도록 설정한다. 또한 본 공정에서의 온도를 성막 온도와 다르게 설정해도 좋다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 WF6 가스이다. WF6 가스의 공급에 의해 웨이퍼(200) 상의 TiN막의 표면에 형성된 이상 성장 핵이 제거(에칭)되어 TiN막 표면이 평탄화된다.
[퍼지 공정]
(잔류 가스 제거, 제6 스텝)
WF6 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후에 밸브(354)를 닫고 WF6 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 이상 성장 핵의 제거에 기여한 후의 WF6 가스나 반응 부생성물인 TiWFx 등을 처리실(201) 내로부터 배출한다. 이때 밸브(554)는 연 상태로 하여 밸브(514, 524, 534, 544)를 열고 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 시작한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 이상 성장 핵의 제거에 기여한 후의 WF6 가스나 반응 부생성물인 TiWFx 등을 처리실(201) 내로부터 배출하는 효과를 높일 수 있다.
[소정 횟수 실시]
전술한 소정 횟수(n회)의 성막 공정, 이상 성장 핵의 제거 공정 및 퍼지 공정을 순서대로 수행하는 사이클을 1회 이상[소정 횟수(m회)] 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 이상 성장 핵이 제거되어, 어모퍼스[비정질(非晶質)] 형상의 TiN막에 의해 분단된 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막이 복수 층 형성된 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 TiN막이 형성된다.
즉 본 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막을 형성할 때마다 TiN막 표면에 형성된 이상 성장 핵의 제거(에칭)를 수행한다. 이에 의해 TiN막 표면에 생성된 이상 성장 핵이 제거되어 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 평탄화된 TiN막이 형성된다. 즉 TiN막의 표면에 형성되는 W막을 저저항화하는 것이 가능해진다.
(제4 실시 형태)
도 7은 제4 실시 형태에 따른 성막 시퀀스를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태는 전술한 제3 실시 형태에서의 이상 성장 핵의 제거 공정 후에 전술한 결정층 분단막 형성 공정을 수행한다. 즉 이상 성장 핵의 제거 공정과 결정층 분단막 형성 공정의 양방을 수행한다. 구체적으로는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 제3 실시 형태에서의 이상 성장 핵의 제거 공정인 WF6 가스 공급을 수행한 후에 전술한 제2 실시 형태의 결정층 분단막 형성 공정인 O2 가스 공급 또는 제3 실시 형태의 결정층 분단막 형성 공정인 SiH4 가스 공급을 수행한다.
[소정 횟수 실시]
상기한 소정 횟수(n회)의 성막 공정, 이상 성장 핵의 제거 공정, 결정층 분단막 형성 공정 및 퍼지 공정을 순서대로 수행하는 사이클을 1회 이상[소정 횟수(m회)] 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 이상 성장 핵이 제거되어, 결정층 분단막에 의해 분단된 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막이 복수 층 형성된 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 TiN막이 형성된다.
즉 본 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께(예컨대 100Å)의 TiN막을 형성할 때마다 이상 성장 핵의 제거와 결정층 분단막의 형성을 수행한다. 이에 의해 TiN막 표면에 생성된 이상 성장 핵이 제거된 후에 TiN막 표면의 결정 성장이 억제되고, 이상 성장 핵의 형성이 억제되어 소정 막 두께(예컨대 250Å)의 평탄화된 TiN막이 형성된다. 즉 TiN막의 표면에 형성되는 W막을 저저항화하는 것이 가능해진다.
(변형예)
다음으로 본 개시의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 성막 공정의 변형예를 도 8을 이용하여 설명한다.
본 변형예는 전술한 실시 형태에서의 성막 시퀀스와 성막 공정이 다르다. 구체적으로는 전술한 실시 형태의 성막 공정에서의 제1 스텝에서 TiCl4 가스 공급 중에 SiH4 가스 공급을 수행한다.
[성막 공정]
(TiCl4 가스 공급, 제1 스텝)
전술한 실시 형태의 성막 공정의 제1 스텝에서의 TiCl4 가스 공급과 마찬가지의 처리 순서에 의해 TiCl4 가스를 처리실(201) 내에 공급한다. 이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 TiCl4 가스와 N2 가스만이며, TiCl4 가스의 공급에 의해 웨이퍼(200)(표면의 하지막) 상에 Ti 함유층이 형성된다.
(SiH4 가스 공급)
TiCl4 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후이며 예컨대 0.01초 내지 5초 후에 밸브(324)를 열고 가스 공급관(320) 내에 환원 가스이며 실리콘 함유 가스인 SiH4 가스를 흘린다. SiH4 가스는 MFC(322)에 의해 유량 조정되어 노즐(420)의 가스 공급공(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 동시에 밸브(524)를 열고 가스 공급관(520) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(520) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(522)에 의해 유량 조정되어 SiH4 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 노즐(430, 440, 450) 내로의 TiCl4 가스와 SiH4 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(534, 544, 554)를 열고 가스 공급관(530, 540, 550) 내에 N2 가스를 흘린다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 TiCl4가스와 SiH4 가스와 N2 가스가 동시에 공급된다. 즉 적어도 TiCl4 가스와 SiH4 가스는 동시에 공급되는 타이밍을 가진다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 130Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. 처리실(201) 내의 압력이 130Pa보다 낮으면, SiH4 가스에 포함되는 Si가 Ti 함유층에 진입하여, 성막되는 TiN막에 포함되는 막 중의 Si 함유율이 높아져서 TiSiN막이 되어버릴 가능성이 있다. 처리실(201) 내의 압력이 3,990Pa보다 높은 경우도 마찬가지로 SiH4 가스에 포함되는 Si가 Ti 함유층에 진입하여, 성막되는 TiN막에 포함되는 막 중의 Si 함유율이 높아져서 TiSiN막이 되어버릴 가능성이 있다. 이와 같이 처리실(201) 내의 압력은 지나치게 낮거나 지나치게 높아도 성막되는 막의 원소 조성이 변화된다. MFC(322)로 제어하는 SiH4 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 5slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532, 542, 552)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.01slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 이때 히터(207)의 온도는 TiCl4 가스 공급 스텝과 마찬가지의 온도로 설정한다.
TiCl4 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후이며 예컨대 0.01초 내지 10초 후에 가스 공급관(310)의 밸브(314)를 닫고 TiCl4가스의 공급을 정지한다. 이때 노즐(410) 내로의 SiH4 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(514)를 연 상태로 하여 가스 공급관(510, 530, 540, 550) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 가스 공급관(310, 330, 340, 350), 노즐(410, 430, 440, 450)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 SiH4 가스와 N2 가스가 공급된다.
(잔류 가스 제거, 제2 스텝)
SiH4 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후이며 예컨대 0.01초 내지 60초 후에 밸브(324)를 닫고 SiH4 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스와 SiH4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(514, 524, 534, 544, 554)는 연 상태로 하여 N2 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스와 SiH4 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다. 여기서 성장 저해 요인인 HCl이 SiH4와 반응하여 4염화규소(SiCl4)와 H2로서 처리실(201) 내로부터 배출된다.
(NH3 가스 공급, 제3 스텝)
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 전술한 실시 형태의 성막 공정에서의 제3 스텝과 마찬가지의 처리 순서로 NH3 가스를 처리실(201) 내에 공급한다.
(잔류 가스 제거, 제4 스텝)
NH3 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후에 밸브(334)를 닫고 NH3 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 전술한 실시 형태의 성막 공정에서의 제4 스텝과 마찬가지의 처리 순서에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiN층의 형성에 기여한 후의 NH3 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
(소정 횟수 실시)
전술한 제1 스텝 내지 제4 스텝을 순서대로 수행하는 사이클을 소정 횟수(n회) 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정의 두께이며, 예컨대 100Å의 두께의 TiN막을 형성한다.
그리고 본 변형예에서도 전술한 실시 형태와 마찬가지로 결정층 분단막 형성 공정과 이상 성장 핵의 제거 공정 중 어느 하나 또는 양방을 수행하는 공정을 수행하는 것에 의해, 도 4 내지 도 7에 도시하는 성막 시퀀스와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기 실시 형태에서는 TiN막의 형성 공정을 예에 설명했지만, TiN막 이외의 금속막에도 적용할 수 있다. 예컨대 금속 원소로서는 W, Ta, Ru, Mo, Zr, Hf, Al, Si, Ge, Ga 등 또는 이들 원소와 동족의 원소나 천이(遷移) 금속이 있다. 이들 원소 단체의 막이나, 이들 금속과 질소의 화합물막(질화막), 이들 금속과 산소의 화합물막(산화막) 등에도 적용하는 것이 가능하다. 또한 이러한 막을 형성할 때는 전술한 할로겐 함유 가스나, 할로겐 원소, 아미노기(基), 시클로펜탄기, 산소(O) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스를 이용할 수 있다.
또한 상기 실시 형태에서는 결정층 분단막 형성 공정에서 이용하는 산소 함유 가스로서 O2 가스를 이용하는 경우를 이용하여 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않고, O3 가스, NO 가스, N2O 가스 등의 산소 함유 가스를 이용하는 경우에 적용 가능하다. 또한 산소 함유 가스를 이용하는 결정층 분단막 형성 공정에서는 산소 원자를 TiN막 중에 확산시킬 필요가 있기 때문에, 수소 원자를 포함하는 수증기(H2O)보다 O2 가스, O3 가스, NO 가스, N2O 가스 등의 산소 함유 가스가 바람직하다.
또한 상기 실시 형태에서는 결정 분단막 형성 공정의 처리로서 산소 함유 가스를 이용한 산화 처리에 대해서 설명했지만 이에 한정되지 않는다. 예컨대 질소 함유 가스를 이용하여 질화 처리를 수행하는 것에 의해서도 결정을 분단시킬 수 있다. 질소 함유 가스로서는 예컨대 암모니아(NH3) 가스, 질소(N2) 가스와 수소(H2) 가스 등을 이용할 수 있다. 또한 이들 가스의 활성종이어도 좋다.
또한 상기 실시 형태에서는 결정층 분단막 형성 공정에서 이용하는 실리콘 함유 가스로서 SiH4 가스를 이용하는 경우를 이용하여 설명했지만 본 개시는 이에 한정되지 않고, 실란계 가스 또는 헥사클로로디실란(Si2Cl6) 가스 등의 클로로실란계의 가스를 이용하는 경우에 적용 가능하다.
또한 상기 실시 형태에서는 이상 성장 핵의 제거 공정에서 이용하는 할로겐 함유 가스로서 할로겐 원소와 금속 원소를 포함하는 가스로서 WF6 가스를 이용하는 경우를 이용하여 설명했지만 본 개시는 이에 한정되지 않고, 금속 원소를 포함하지 않는 할로겐 함유 가스를 이용하는 경우에도 적용 가능하다. 금속 원소를 포함하지 않는 할로겐 함유 가스로서는 예컨대 NF3 가스, ClF3 가스, F2 가스, HF 가스 등이 있다. 또한 할로겐 원소는 Cl, F, Br 등이며, 금속 원소는 W, Ti, Ta, Mo, Zr, Hf, Al, Si, Ge, Ga 등이 있다. 이들 원소를 포함하는 가스에 적용 가능하다. 또한 할로겐 함유 가스에는 산소(O) 원소를 더 포함하는 가스이어도 좋다. 예컨대 MoO2Cl2, MoOCl4 등이 있다.
또한 전술한 실시 형태에서는 한 번에 복수 매의 기판을 처리하는 뱃치(batch)식의 종형 장치인 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 예에 대해서 설명했지만 본 개시는 이에 한정되지 않고, 한 번에 1매 또는 여러 매의 기판을 처리하는 매엽식(枚葉式)의 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
예컨대 도 9의 (A)에 도시하는 처리로(302)를 구비한 기판 처리 장치를 이용하여 막을 형성하는 경우에도 본 개시는 바람직하게 적용할 수 있다. 처리로(302)는, 처리실(301)을 형성하는 처리 용기(303)와, 처리실(301) 내에 가스를 샤워 형상으로 공급하는 샤워 헤드(303s)와, 1매 또는 여러 매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로 지지하는 지지대(317)와, 지지대(317)를 하방으로부터 지지하는 회전축(355)과, 지지대(317)에 설치된 히터(307)를 구비한다. 샤워 헤드(303s)의 인렛(가스 도입구)에는, 전술한 원료 가스를 공급하는 가스 공급 포트(332a)와, 전술한 반응 가스를 공급하는 가스 공급 포트(332b)와, 전술한 산소 함유 가스, 실리콘 함유 가스 또는 할로겐 함유 가스를 공급하는 가스 공급 포트(332c)가 접속된다. 가스 공급 포트(332a)에는 전술한 실시 형태의 원료 가스 공급계와 마찬가지의 원료 가스 공급계가 접속된다. 가스 공급 포트(332b)에는 전술한 실시 형태의 반응 가스 공급계와 마찬가지의 반응 가스 공급계가 접속된다. 가스 공급 포트(332c)에는 전술한 산소 함유 가스, 실리콘 함유 가스 또는 할로겐 함유 가스 공급계와 마찬가지의 가스 공급계가 접속된다. 샤워 헤드(303s)의 아웃렛(가스 배출구)에는 처리실(301) 내에 가스를 샤워 형상으로 공급하는 가스 분산판이 설치된다. 처리 용기(303)에는 처리실(301) 내를 배기하는 배기 포트(331)가 설치된다. 배기 포트(331)에는 전술한 실시 형태의 배기계와 마찬가지의 배기계가 접속된다.
또한 예컨대 도 9의 (B)에 도시하는 처리로(402)를 구비한 기판 처리 장치를 이용하여 막을 형성하는 경우에도 본 개시는 바람직하게 적용할 수 있다. 처리로(402)는, 처리실(401)을 형성하는 처리 용기(403)와, 1매 또는 여러 매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로 지지하는 지지대(417)와, 지지대(417)를 하방으로부터 지지하는 회전축(455)과, 처리 용기(403)의 웨이퍼(200)를 향하여 광 조사를 수행하는 램프 히터(407)와, 램프 히터(407)의 광을 투과시키는 석영 창(403w)을 구비한다. 처리 용기(403)에는, 전술한 원료 가스를 공급하는 가스 공급 포트(432a)와, 전술한 반응 가스를 공급하는 가스 공급 포트(432b)와, 전술한 산소 함유 가스, 실리콘 함유 가스 또는 할로겐 함유 가스를 공급하는 가스 공급 포트(432c)가 접속된다. 가스 공급 포트(432a)에는 전술한 실시 형태의 원료 가스 공급계와 마찬가지의 원료 가스 공급계가 접속된다. 가스 공급 포트(432b)에는 전술한 실시 형태의 반응 가스 공급계와 마찬가지의 반응 가스 공급계가 접속된다. 가스 공급 포트(432c)에는 전술한 실시 형태의 산소 함유 가스, 실리콘 함유 가스 또는 할로겐 함유 가스 공급계와 마찬가지의 가스 공급계가 접속된다. 처리 용기(403)에는 처리실(401) 내를 배기하는 배기 포트(431)가 설치된다. 배기 포트(431)에는 전술한 실시 형태의 배기계와 마찬가지의 배기계가 접속된다.
이러한 기판 처리 장치를 이용하는 경우에도 전술한 실시 형태와 마찬가지의 시퀀스, 처리 조건으로 성막을 수행할 수 있다.
이들 각종 박막의 형성에 이용되는 프로세스 레시피(처리 순서나 처리 조건 등이 기재된 프로그램)는 기판 처리의 내용(형성하는 박막의 막종, 조성비, 막질, 막 두께, 처리 순서 처리 조건 등)에 따라 각각 개별로 준비하는(복수 준비하는) 것이 바람직하다. 그리고 기판 처리를 시작할 때, 기판 처리의 내용에 따라 복수의 프로세스 레시피 중으로부터 적절한 프로세스 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 기판 처리의 내용에 따라서 개별로 준비된 복수의 프로세스 레시피를 전기 통신 회선이나 상기 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체[외부 기억 장치(123)]를 개재하여 기판 처리 장치가 구비하는 기억 장치(121c) 내에 미리 격납(인스톨)해두는 것이 바람직하다. 그리고 기판 처리를 시작할 때, 기판 처리 장치가 구비하는 CPU(121a)가 기억 장치(121c) 내에 격납된 복수의 프로세스 레시피 중으로부터 기판 처리의 내용에 따라 적절한 프로세스 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하는 것에 의해 1대(臺)의 기판 처리 장치로 다양한 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 박막을 범용적으로 또한 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한 오퍼레이터의 조작 부담(처리 순서나 처리 조건 등의 입력 부담 등)을 저감할 수 있고, 조작 실수를 회피하면서 기판 처리를 신속히 시작할 수 있게 된다.
또한 본 개시는 예컨대 기존의 기판 처리 장치의 프로세스 레시피를 변경하는 것으로도 실현된다. 프로세스 레시피를 변경하는 경우에는 본 개시에 따른 프로세스 레시피를 전기 통신 회선이나 상기 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체를 개재하여 기존의 기판 처리 장치에 인스톨하거나, 또한 기존의 기판 처리 장치의 입출력 장치를 조작하여 그 프로세스 레시피 자체를 본 개시에 따른 프로세스 레시피로 변경하는 것도 가능하다.
또한 본 개시는 예컨대 3차원 구조를 가지는 NAND형 플래시 메모리나 DRAM 등의 워드 라인 부분에 이용할 수 있다.
이상, 본 개시의 다양한 전형적인 실시 형태를 설명했지만 본 개시는 그러한 실시 형태에 한정되지 않고, 적절히 조합해서도 이용할 수 있다.
(4) 실시예
도 10의 비교예는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 도 4의 성막 공정에 의해 웨이퍼(200) 상에 250Å의 두께의 TiN막을 형성한 경우의 웨이퍼의 단면을 도시한다. 도 10의 실시예 1은 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 도 4의 성막 시퀀스(100Å의 두께의 TiN막을 형성할 때마다 O2 가스 공급)에 의해 웨이퍼(200) 상에 250Å의 TiN막을 형성한 경우의 웨이퍼의 단면을 도시한다. 도 10의 실시예 2는 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 도 5의 성막 시퀀스(100Å의 두께의 TiN막을 형성할 때마다 SiH4 가스 공급)에 의해 웨이퍼 상에 250Å의 TiN막을 형성한 경우의 웨이퍼의 단면을 도시한다. 도 10의 실시예 3은 전술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 전술한 도 6의 성막 시퀀스(100Å의 두께의 TiN막을 형성할 때마다 WF6 가스 공급)에 의해 웨이퍼 상에 250Å의 TiN막을 형성한 경우의 웨이퍼의 단면을 도시한다.
그리고 비교예 및 실시예 1 내지 실시예 3에 각각 형성된 TiN막의 단면을 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 관측했다. 도 10에 도시하는 바와 같이 비교예에서의 TiN막의 표면에는 이상 성장 핵이 확인되었다. 이 비교예에서의 TiN막의 제곱 평균 거칠기(Rms)는 1.62nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 25.7nm이었다. 한편, 실시예 1에서의 TiN막의 표면은 평탄화된 것이 확인되었다. 이 TiN막은 3층의 TiN막이 적층되고, TiN막 간에는 각각 결정 분단막이 형성되는 것이 확인되었다. 이 실시예 1에서의 TiN막의 제곱 평균 거칠기(Rms)는 0.91nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 9.79nm이었다. 또한 실시예 2에서의 TiN막의 표면은 평탄화된 것이 확인되었다. 이 TiN막은 3층의 TiN막이 적층되고, TiN막 간에는 각각 결정 분단막이 형성되는 것이 확인되었다. 이 실시예 2에서의 TiN막의 제곱 평균 거칠기(Rms)는 0.80nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 9.56nm이었다. 또한 실시예 3에서의 TiN막의 표면은 평탄화된 것이 확인되었다. 이 TiN막은 어모퍼스(비정질) 형상의 TiN막에 의해 분단된 3층의 TiN막이 적층되는 것이 확인되었다. 이 실시예 3에서의 TiN막의 제곱 평균 거칠기(Rms)는 1.00nm, 최대 높이 차이(Rmax)는 11.3nm이었다.
즉 웨이퍼(200) 상에 TiN막의 성막 공정을 수행하여 100Å의 두께의 TiN막을 형성할 때마다 웨이퍼(200) 상에 결정층 분단막의 형성 공정과 이상 성장 핵의 제거 공정 중 어느 하나 또는 양방을 하는 것에 의해 250Å의 두께의 평탄성을 가지는 TiN막을 형성하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
10: 기판 처리 장치 121: 컨트롤러
200: 웨이퍼(기판) 201: 처리실

Claims (16)

  1. (a) 기판 상에 금속 함유막을 형성하는 공정; 및
    (b) 상기 기판에 대하여 처리 가스를 공급하여, 상기 금속 함유막의 표면으로의 결정층(結晶層) 분단막의 형성 공정과 상기 금속 함유막의 표면에서의 이상(異常) 성장 핵의 제거 공정 중 어느 일방(一方) 또는 양방(兩方)을 수행하는 공정
    을 교호(交互)적으로 수행하여 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 복수 층 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (b)에서는 1사이클마다 상기 처리 가스 공급 시에서의 상기 기판이 존재하는 공간의 압력을 다르게 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    (b)에서는 상기 처리 가스 공급 시에서의 상기 기판이 존재하는 공간의 압력을 사이클 수가 늘어날 때마다 높게 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    (b)에서는 상기 결정층 분단막의 형성 공정과 상기 이상 성장 핵의 제거 공정의 양방을 수행하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    (b)에서는 상기 이상 성장 핵의 제거 공정을 수행한 후에 상기 결정층 분단막의 형성 공정을 수행하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    (b)에서는 상기 이상 성장 핵의 제거 공정과 상기 결정층 분단막의 형성 공정을 반복 수행하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    (a)에서는 상기 기판에 대하여 금속과 할로겐을 포함하는 가스의 공급과 환원 가스의 공급을 소정 횟수 수행하거나 또는 상기 기판에 대하여 금속과 할로겐을 포함하는 가스의 공급과 실란계 가스의 공급과 환원 가스의 공급을 소정 횟수 수행하는 것에 의해 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정층 분단막의 형성 공정에서는 상기 처리 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스는 산소, 오존, 일산화질소 또는 아산화질소 가스인 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정층 분단막의 형성 공정에서는 상기 처리 가스로서 실리콘 함유 가스를 공급하는 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 함유 가스는 실란계 가스인 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 함유 가스는 클로로실란계의 가스인 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이상 성장 핵의 제거 공정에서는 상기 처리 가스로서 할로겐 함유 가스를 공급하는 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 할로겐 함유 가스는 3불화질소, 6불화텅스텐, 3불화염소, 불소, 불화수소 가스 중 적어도 어느 하나인 반도체 장치의 제조 방법.
  15. (a) 기판 처리 장치의 처리실 내의 기판 상에 금속 함유막을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 기판에 대하여 처리 가스를 공급하여, 상기 금속 함유막의 표면으로의 결정층 분단막을 형성하는 단계와 상기 금속 함유막의 표면에서의 이상 성장 핵을 제거하는 단계 중 어느 일방 또는 양방을 수행하는 단계
    를 교호적으로 수행하여 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 복수 층 형성하는 순서를 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  16. 기판을 수용하는 처리실;
    상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계;
    상기 처리실 내를 배기하는 배기계; 및
    상기 가스 공급계, 상기 배기계를 제어하여, 상기 기판 상에 처리 가스를 공급해서 금속 함유막을 형성하는 처리와, 상기 기판에 대하여 상기 처리 가스를 공급해서 상기 금속 함유막의 표면으로의 결정층 분단막의 형성과 상기 금속 함유막의 표면에서의 이상 성장 핵의 제거 중 어느 일방 또는 양방을 수행하는 처리를 교호적으로 수행하여 상기 기판 상에 상기 금속 함유막을 복수 층 형성하도록 제어하는 것이 가능하도록 구성되는 제어부
    를 포함하는 기판 처리 장치.
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