KR102341628B1 - 성막 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 로딩 효과를 개선하면서, 양질의 질화막을 형성하는 것이다.
가스 급배기 유닛(2), 제1 개질 영역(R2), 질화 처리를 행하는 반응 영역(R3), 제2 개질 영역(R4)을, 회전 테이블(12)의 회전 방향 상류측에서부터 이 순서로 설치한다. 예를 들어 실리콘 질화막을 성막함에 있어서, 제1 개질 영역(R2) 및 제2 개질 영역(R4)에 공급되는 H₂ 가스는 미량의 공급량이 되도록 구성되어 있다. 이 때문에, 반응 영역에서는 NH₃ 가스에 의한 질화 처리가 H₂ 가스에 의해 저해되는 것이 억제되므로, 질화 효율이 향상되고, 로딩 효과가 개선된다. 그 결과, 로딩 효과를 개선하면서, 에칭 레이트가 낮은 양질의 질화막을 형성할 수 있다.

Description

성막 장치{FILM FORMING APPARATUS}

본 발명은, 원료 성분을 포함하는 원료 가스 및 암모니아 가스를 사용해서 기판에 원료 성분의 질화막을 성막하는 성막 장치에 관한 것이다.

반도체 제조 공정에서, 예를 들어 에칭 처리의 하드 마스크로서, 기판에 실리콘 질화막(이하, 「SiN막」이라고 약기하기도 함)을 형성하는 성막 처리가 행하여지고 있다. 이 용도의 SiN막은, 예를 들어 불산 용액에 대한 저에칭 레이트나 내플라즈마성이 요구되고 있으며, 이 때문에 높은 치밀성이 요구되고 있다. 또한, 패턴의 구조나 패턴 밀도에 따라, 기판 면내에서의 성막 속도가 변화하여, 형성되는 SiN막의 막 두께가 기판 면내에서 변화하는 로딩 효과라고 불리는 현상이 발생하고 있어, 이 로딩 효과의 개선이 요구되고 있다.

특허문헌 1에는, ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해, SiN막의 성막을 행하는 성막 장치에 대해서 기재되어 있다. 이 성막 장치에서는, 처리실 내에서, 적재대에 설치된 기판 적재 영역이 처리실 내의 제1 영역과 제2 영역을 순서대로 통과하도록, 적재대를 축선 중심으로 회전(공전)시킴으로써 성막 처리가 행하여진다. 제1 영역에서는, 제1 가스 공급부의 분사부로부터 디클로로실란(DCS) 가스가 공급되어 기판에 Si가 흡착되고, 불필요한 DCS 가스는 분사부를 둘러싸도록 설치된 배기구로부터 배기된다. 제2 영역에는, 회전 방향을 따라서 4개의 플라즈마 생성부가 설치되어 있다. 그리고, 이들 플라즈마 생성부에서는 각각 반응 가스인 질소(N₂) 가스 또는 암모니아(NH₃) 가스가 공급됨과 함께 가스가 여기되어, 반응 가스의 활성종에 의해, 기판에 흡착된 Si가 질화되어 SiN막이 형성된다.

이 ALD에 의해 치밀한 SiN막이 형성되는데, 용도에 따라서는, 예를 들어 하드 마스크로서 사용할 경우에는, 보다 한층 막의 치밀성을 높임과 함께, 막 두께의 높은 균일성이 요구된다. 이 때문에, 로딩 효과를 개선하면서, 치밀성이 높은 양질의 SiN막을 형성할 수 있는 성막 방법이 요청되고 있다.

일본 특허 제5882777호 공보

본 발명은 이러한 사정에 기초해서 이루어진 것이며, 그 목적은, 원료 성분을 포함하는 원료 가스 및 암모니아 가스를 사용해서 원료 성분의 질화막을 성막함에 있어서, 로딩 효과를 개선하면서(억제하면서), 양질의 질화막을 형성할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명의 성막 장치는,

진공 용기 내에서 회전 테이블에 배치된 기판을 당해 회전 테이블에 의해 공전시켜, 서로 회전 테이블의 주위 방향으로 이격된 영역의 각각에 원료 성분을 포함하는 원료 가스 및 반응 가스인 암모니아 가스를 공급해서 기판에 원료 성분의 질화막을 성막하는 성막 장치에 있어서,

상기 회전 테이블에 대향하여, 원료 가스를 토출하는 제1 토출부 및 당해 제1 토출부를 둘러싸는 배기구 및 당해 배기구를 둘러싸는 퍼지 가스의 제2 토출구를 구비한 원료 가스 공급부와,

상기 원료 가스 공급부에 대하여 상기 회전 테이블의 주위 방향으로 이격되어 배치된, 막의 질화를 행하기 위한 반응 영역과,

상기 반응 영역에 대하여 상기 회전 테이블의 주위 방향으로 이격되어 배치된, 수소 가스에 의해 상기 질화막을 개질하기 위한 개질 영역과,

상기 개질 영역 및 상기 반응 영역에 각각 존재하는 가스를 활성화하기 위한 제1 플라즈마 발생부 및 제2 플라즈마 발생부와,

상기 반응 영역에 암모니아 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와,

상기 진공 용기 내를 진공 배기하기 위한 배기구를 구비하고,

상기 개질 영역에 공급되는 수소 가스의 유량은, 0보다도 많고， 0.1리터/분 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 원료 성분을 포함하는 원료 가스 및 암모니아 가스를 사용해서 원료 성분의 질화막을 성막함에 있어서, 제1 개질 영역 및 제2 개질 영역에 공급되는 수소 가스가 미량이 되도록 구성되어 있다. 이 때문에, 반응 영역에서는 암모니아 가스에 의한 질화 처리가, 수소 가스에 의해 저해되는 것이 억제되므로, 질화 효율이 향상되고, 로딩 효과가 개선된다. 그 결과, 로딩 효과를 개선하면서, 에칭 레이트가 낮은 양질의 질화막을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치의 개략적인 종단 측면도이다.
도 2는 성막 장치의 횡단 평면도이다.
도 3은 성막 장치에 설치되는 가스 급배기 유닛의 하면도이다.
도 4는 에칭 레이트를 도시하는 특성도이다.
도 5는 SiN막 내의 수소 농도와 염소 농도를 도시하는 특성도이다.
도 6은 SiN막의 막 두께와 로딩 효과를 도시하는 특성도이다.
도 7은 로딩 효과를 도시하는 특성도이다.

본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치(1)에 대해서, 도 1의 종단 측면도, 도 2의 횡단 평면도를 각각 참조하면서 설명한다. 이 성막 장치(1)는, 기판인 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라고 기재함)(W)의 표면에, ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 SiN막을 형성하는 것이다. 이 SiN막은, 예를 들어 에칭 처리의 하드 마스크가 된다. 본 명세서에서는, 실리콘 질화막에 대해서 Si 및 N의 화학양론비에 관계없이 SiN이라고 기재한다. 따라서, SiN이라는 기재에는, 예를 들어 Si₃N₄가 포함된다.

도면 중 11은 편평한 대략 원형의 진공 용기(처리 용기)이며, 측벽 및 저부를 구성하는 용기 본체(11A)와, 천장판(11B)에 의해 구성되어 있다. 도면 중 12는, 진공 용기(11) 내에 수평으로 설치되는 원형의 회전 테이블이다. 도면 중 12A는, 회전 테이블(12)의 이면 중앙을 지지하는 지지부이다. 도면 중 13은 회전 기구이며, 성막 처리 중에 있어서 지지부(12A)를 통해서 회전 테이블(12)을, 그 주위 방향으로 평면에서 보아 시계 방향으로 회전시킨다. 도 1 중 X는, 회전 테이블(12)의 회전축을 나타내고 있다.

회전 테이블(12)의 상면에는, 회전 테이블(12)의 주위 방향(회전 방향)을 따라 6개의 원형의 오목부(14)가 마련되어 있고, 각 오목부(14)에 예를 들어 12인치 웨이퍼(W)가 수납된다. 즉, 회전 테이블(12)의 회전에 의해 공전하도록, 각 웨이퍼(W)는 회전 테이블(12)에 적재된다. 도 1 중 15는 히터이며, 진공 용기(11)의 저부에 있어서 동심원 형상으로 복수 설치되어, 회전 테이블(12)에 적재된 웨이퍼(W)를 가열한다. 도 2 중 16은 진공 용기(11)의 측벽에 개구된 웨이퍼(W)의 반송구이며, 도시하지 않은 게이트 밸브에 의해 개폐 가능하게 구성된다. 웨이퍼(W)는, 도시하지 않은 기판 반송 기구에 의해, 반송구(16)를 통해서, 진공 용기(11)의 외부와 오목부(14) 내와의 사이에서 수수된다.

회전 테이블(12) 상에는, 원료 가스 공급부를 이루는 가스 급배기 유닛(2)과, 제1 개질 영역(R2)과, 반응 영역(R3)과, 제2 개질 영역(R4)이, 회전 테이블(12)의 회전 방향 하류측을 향해서, 당해 회전 방향을 따라 이 순서대로 설치되어 있다. 가스 급배기 유닛(2)은, 원료 가스를 공급하는 토출부 및 배기구 및 퍼지 가스의 토출구를 구비한 원료 가스 공급부에 상당하는 것이다. 이하, 가스 급배기 유닛(2)에 대해서, 하면도인 도 3도 참조하면서 설명한다. 가스 급배기 유닛(2)은, 평면에서 보아, 회전 테이블(12)의 중앙측으로부터 주연측을 향함에 따라서 회전 테이블(12)의 주위 방향으로 넓어지는 부채 형상으로 형성되어 있고, 가스 급배기 유닛(2)의 하면은, 회전 테이블(12)의 상면에 근접함과 함께 대향하고 있다.

가스 급배기 유닛(2)의 하면에는, 토출부를 이루는 가스 토출구(21), 배기구(22) 및 퍼지 가스 토출구(23)가 개구되어 있다. 도면 중에서의 식별을 용이하게 하기 위해서, 도 3에서는, 배기구(22) 및 퍼지 가스 토출구(23)에 다수의 도트를 첨부해서 나타내고 있다. 가스 토출구(21)는, 가스 급배기 유닛(2)의 하면의 주연보다도 내측의 부채 형상 영역(24)에 다수 배열되어 있다. 이 가스 토출구(21)는, 성막 처리 시에 있어서의 회전 테이블(12)의 회전 중에, SiN막을 형성하기 위한 Si(실리콘)를 포함하는 원료 가스인 DCS 가스를 하방으로 샤워 형상으로 토출하여, 웨이퍼(W)의 표면 전체에 공급한다. 또한, 실리콘을 포함하는 원료 가스로서는 DCS에 한정되지 않고, 예를 들어 헥사클로로디실란(HCD), 테트라클로로실란(TCS) 등을 사용해도 된다.

이 부채 형상 영역(24)에서는, 회전 테이블(12)의 중앙측으로부터 회전 테이블(12)의 주연측을 향해서, 3개의 구역(24A, 24B, 24C)이 설정되어 있다. 각각의 구역(24A), 구역(24B), 구역(24C)에 설치되는 가스 토출구(21)의 각각에 독립해서 DCS 가스를 공급할 수 있도록, 가스 급배기 유닛(2)에는 서로 구획된 도시하지 않은 가스 유로가 설치되어 있다. 서로 구획된 가스 유로의 각 상류측은, 각각, 밸브 및 매스 플로우 컨트롤러에 의해 구성되는 가스 공급 기기를 구비한 배관을 통해서 DCS 가스의 공급원에 접속되어 있다. 또한, 가스 공급 기기, 배관 및 DCS 가스의 공급원은 도시를 생략한다.

배기구(22) 및 퍼지 가스 토출구(23)는, 부채 형상 영역(24)을 둘러쌈과 함께 회전 테이블(12)의 상면을 향하도록, 가스 급배기 유닛(2)의 하면의 주연에 환상으로 개구되어 있고, 퍼지 가스 토출구(23)가 배기구(22)의 외측에 위치하고 있다. 회전 테이블(12) 상에서의 배기구(22)의 내측의 영역은, 웨이퍼(W)의 표면에의 DCS의 흡착이 행하여지는 흡착 영역(R1)을 구성한다. 배기구(22)에는 도시하지 않은 배기 장치가 접속되고, 퍼지 가스 토출구(23)에는 도시하지 않은 퍼지 가스 예를 들어 Ar(아르곤) 가스의 공급원이 접속되어 있다.

성막 처리 중에 있어서, 가스 토출구(21)로부터의 원료 가스의 토출, 배기구(22)로부터의 배기 및 퍼지 가스 토출구(23)로부터의 퍼지 가스의 토출이 모두 행하여진다. 그에 의해, 회전 테이블(12)을 향해서 토출된 원료 가스 및 퍼지 가스는, 회전 테이블(12)의 상면을 배기구(22)를 향하게 해서, 당해 배기구(22)로부터 배기된다. 이렇게 퍼지 가스의 토출 및 배기가 행해짐으로써, 흡착 영역(R1)의 분위기는 외부의 분위기로부터 분리되어, 당해 흡착 영역(R1)에 한정적으로 원료 가스를 공급할 수 있다. 즉, 흡착 영역(R1)에 공급되는 DCS 가스와, 후술하는 바와 같이 플라즈마 형성 유닛(3B)에 의해 흡착 영역(R1)의 외부에 공급되는 가스 및 가스의 활성종이 혼합되는 것을 억제할 수 있으므로, 웨이퍼(W)에 ALD에 의한 성막 처리를 행할 수 있다. 또한, 이 퍼지 가스는 그와 같이 분위기를 분리하는 역할 이외에도, 웨이퍼(W)에 과잉으로 흡착된 DCS 가스를 당해 웨이퍼(W)로부터 제거하는 역할도 갖는다.

제1 개질 영역(R2), 반응 영역(R3) 및 제2 개질 영역(R4)에는, 각각의 영역에 존재하는 가스를 활성화하기 위한 제1 플라즈마 형성 유닛(3A), 제2 플라즈마 형성 유닛(3B), 제3 플라즈마 형성 유닛(3C)이 설치되어 있다. 제1 플라즈마 형성 유닛(3A)은 제1 플라즈마 발생부, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)은 반응 가스용 플라즈마 발생부, 제3 플라즈마 형성 유닛(3C)은 제2 플라즈마 발생부를 각각 이루는 것이다.

제2 플라즈마 형성 유닛(3B)에 대해서 설명한다. 플라즈마 형성 유닛(3B)은, 반응 가스를 회전 테이블(12) 상에 공급함과 함께, 이 가스에 마이크로파를 공급하여, 회전 테이블(12) 상에 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 형성 유닛(3B)은, 상기 마이크로파를 공급하기 위한 안테나(31)를 구비하고 있고, 당해 안테나(31)는, 유전체판(32)과 금속제의 도파관(33)을 포함한다.

유전체판(32)은, 평면에서 보아 회전 테이블(12)의 중앙측으로부터 주연측을 향함에 따라서 넓어지는 대략 부채 형상으로 형성되어 있다. 진공 용기(11)의 천장판(11B)에는 상기 유전체판(32)의 형상에 대응하도록, 대략 부채 형상의 관통구가 형성되어 있고, 당해 관통구의 하단부의 내주면은 관통구의 중심부측으로 약간 돌출되어, 지지부(34)를 형성하고 있다. 상기 유전체판(32)은 이 관통구를 상측으로부터 막아, 회전 테이블(12)에 대향하도록 설치되어 있고, 유전체판(32)의 주연은 지지부(34)에 지지되어 있다.

도파관(33)은 유전체판(32) 상에 설치되어 있고, 회전 테이블(12)의 직경 방향을 따라서 연장되는 내부 공간(35)을 구비한다. 도면 중 36은, 도파관(33)의 하부측을 구성하는 슬롯판이며, 유전체판(32)에 접하도록 설치되고, 복수의 슬롯 구멍(36A)을 갖고 있다. 또한, 도 2에서, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)에서는, 슬롯(36A)을 생략하고 있다. 도파관(33)의 회전 테이블(12)의 중앙측의 단부는 막혀 있으며, 회전 테이블(12)의 주연측의 단부에는, 마이크로파 발생기(37)가 접속되어 있다. 마이크로파 발생기(37)는, 예를 들어 약 2.45GHz의 마이크로파를 도파관(33)에 공급한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)의 하방측에는, 반응 가스인 암모니아(NH₃) 가스를 각각 공급하는 반응 가스 인젝터(411, 412)가 설치되어 있다. 예를 들어 반응 가스 인젝터(411, 412)의 한쪽은, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)의 회전 방향 하류측 근방에 설치되고, 다른 쪽은 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)의 회전 방향 상류측 근방에 설치되어 있다. 이들 반응 가스 인젝터(411, 412)는, 예를 들어 선단측이 폐쇄된 가늘고 긴 관상체로 구성되고, 진공 용기(11)의 측벽으로부터 중앙부 영역을 향해서 수평으로 신장되어, 회전 테이블(12) 상의 웨이퍼(W)의 통과 영역과 교차하도록, 진공 용기(11)의 측벽에 각각 설치되어 있다. 또한, 반응 가스 인젝터(411, 412)에는, 그 길이 방향을 따라서 가스의 토출구(40)가 각각 형성되어 있다.

또한, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)은, 유전체판(32)의 하면측에 반응 가스인 암모니아(NH₃) 가스를 각각 공급하는 가스 토출구(42)를 구비하고 있다. 가스 토출구(42)는, 상기의 유전체판(32)의 지지부(34)에, 예를 들어 진공 용기(11)의 주위 방향을 따라 복수 형성되어 있고, 회전 테이블(12)의 주연측으로부터 중앙측을 향해서 각각 반응 가스를 토출하도록 구성되어 있다. 반응 가스 인젝터(411, 412), 가스 토출구(42)는, 반응 가스 공급부를 구성하고 있다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들어 반응 가스 인젝터(411, 412)는, 가스 공급 기기(43)를 구비한 배관계를 통해서 NH₃ 가스 공급원(45)에 각각 접속되고, 가스 토출구(42)는, 가스 공급 기기(44)를 구비한 배관계를 통해서 NH₃ 가스 공급원(45)에 각각 접속되어 있다. 이들 가스 공급 기기(43, 44)는, 가스 공급원(45)으로부터 반응 가스 인젝터(411, 412) 및 가스 토출구(42)에의 NH₃ 가스의 급단 및 유량을 각각 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 반응 가스 인젝터(411, 412), 가스 토출구(42)는, 도시하지 않은 Ar 가스의 공급원에도 각각 접속되어 있다.

반응 영역(R3)에 공급되는 NH₃ 가스의 유량이 너무 적어지면, 후술하는 질화 처리의 진행이 느려지고, 성막 속도가 작아진다. 또한 NH₃ 가스의 공급량을 너무 많게 해도, 그 양에 알맞는 성막 속도를 얻을 수 없게 되어, 비용의 관점에서 득책이 아니다. 또한, NH₃ 가스의 공급량을 너무 많게 하면, 제1 개질 영역(R2), 제2 개질 영역(R4)으로 확산하는 NH₃ 가스의 양이 많아져, 막의 개질 효과가 낮아져버린다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 예를 들어 반응 영역(R3)에 공급되는 NH₃ 가스의 유량은, 0.05리터/분 내지 4.0리터/분이 바람직하다.

제1 플라즈마 형성 유닛(3A) 및 제3 플라즈마 형성 유닛(3C)에 대해서는, 가스 토출구(42)가 설치되어 있지 않은 것 이외는, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)과 마찬가지로 구성되어 있다.

진공 용기(11) 내에는, 반응 영역(R3)에 면하는, 회전 테이블(12)의 외측에 배기구가 설치되어 있다. 이 예에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들어 반응 영역(R3)에서의 회전 테이블(12)의 외측의 주위 방향의 거의 중앙이며, 진공 용기(11)의 저부에 배기구(51)가 개구되어 있다. 이 배기구(51)에는 배기 장치(52)가 접속되어 있다. 이 배기구(51)는, 예를 들어 진공 용기(11)의 용기 본체(11A)에 위를 향해서 개구되도록 형성되고, 배기구(51)의 개구부는, 회전 테이블(12)의 하방측에 위치하고 있다. 배기 장치(52)에 의한 배기구(51)로부터의 배기량은 조정 가능하며, 이 배기량에 따른 압력의 진공 분위기가 진공 용기(11) 내에 형성된다.

제1 개질 영역(R2), 제2 개질 영역(R4)에서는, 제1 플라즈마 형성 유닛(3A), 제3 플라즈마 형성 유닛(3C)에 의해, 각각의 개질 영역(R2, R4)에 존재하는 미량의 H₂ 가스가 활성화된다. 이 예에서는, 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)에 공급되는 미량의 H₂ 가스는, 반응 영역(R3)에 공급된 NH₃ 가스가 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)에 의해 여기되어 생성되는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이 성막 장치(1)에는, 컴퓨터로 이루어지는 제어부(10)가 설치되어 있고, 제어부(10)에는 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램에 대해서는, 성막 장치(1)의 각 부에 제어 신호를 송신해서 각 부의 동작을 제어하여, 후술하는 성막 처리가 실행되도록 스텝 군이 짜여져 있다. 구체적으로는, 회전 기구(13)에 의한 회전 테이블(12)의 회전수, 각 가스 공급 기기에 의한 각 가스의 유량 및 급단, 배기 장치(52)에 의한 배기량, 마이크로파 발생기(37)로부터의 안테나(31)에의 마이크로파의 급단, 히터(15)에의 급전 등이, 프로그램에 의해 제어된다. 히터(15)에의 급전의 제어는, 즉 웨이퍼(W)의 온도의 제어이며, 배기 장치(52)에 의한 배기량의 제어는, 즉 진공 용기(11) 내의 압력의 제어이다. 이 프로그램은, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체로부터 제어부(10)에 인스톨된다.

이하, 성막 장치(1)에 의한 처리에 대해서 설명한다. 우선, 웨이퍼(W)를 6매, 기판 반송 기구에 의해 회전 테이블(12)의 각 오목부(14)에 반송하고, 웨이퍼(W)의 반송구(16)에 설치되는 게이트 밸브를 폐쇄하여, 진공 용기(11) 내를 기밀하게 한다. 오목부(14)에 적재된 웨이퍼(W)는, 히터(15)에 의해 소정의 온도로 가열된다. 그리고, 배기구(51)로부터의 배기에 의해, 진공 용기(11) 내를 소정의 압력의 진공 분위기로 설정함과 함께, 회전 테이블(12)을 예를 들어 10rpm 내지 30rpm으로 회전한다. 먼저 어떤 웨이퍼(W)에 대하여 주목하면, 흡착 영역(R1)에서 공급된 DCS 가스가 당해 웨이퍼(W)에 흡착된다.

한편, 반응 영역(R3)에서는, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)에서, 반응 가스 인젝터(411, 412), 가스 토출구(42)로부터, NH₃ 가스를 예를 들어 합계 1.0리터/분의 유량으로 토출함과 함께, Ar 가스를 합계 1.0리터/분의 유량으로 토출하고, 마이크로파 발생기(37)로부터 마이크로파를 공급한다. 도파관(33)에 공급된 마이크로파는, 슬롯 판(36)의 슬롯 구멍(36A)을 통과해서 유전체판(32)에 이르고, 이 유전체판(32)의 하방으로 토출된 NH₃ 가스에 공급되어, 유전체판(32)의 하방에 NH₃ 가스가 활성화(여기)된다. 이렇게 해서, NH₃ 가스가 활성화됨으로써, N(질소)을 포함하는 라디칼 등의 활성종이 생성한다.

반응 영역(R3)에서는, NH₃ 가스는, 반응 가스 인젝터(411, 412) 및 가스 토출구(42)로부터 토출되므로, NH₃ 가스는 반응 영역(R3) 내에 골고루 공급된다. 그리고, 반응 영역(R3)에서 NH₃ 가스의 플라즈마화에 의해 생성한 N을 포함하는 활성종이나, NH₃ 이온의 대부분은, 반응 영역(R3)에서, 회전 테이블(12)의 외측에 설치된 배기구(51)를 향해서 흘러 나간다. 이 예에서는, 처리 용기(11) 내에서, 흡착 영역(R1)의 외측, 제1 개질 영역(R2), 반응 영역(R3) 및 제2 개질 영역(R4)으로 이루어지는 넓은 영역의 분위기는, 반응 영역(R3)의 외측에 설치된 공통의 배기구(51)로부터 배기된다.

회전 테이블(12)의 회전에 의해, 각 웨이퍼(W)가 반응 영역(R3)을 통과하고, 플라즈마를 구성하는, N을 포함하는 라디칼 등의 활성종이 각 웨이퍼(W)의 표면에 공급된다. 그에 의해, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착되어 있는 DCS가 분해되어 실리콘 질화물이 생성되고, 질화층(질화막)이 형성된다. 또한, 제1 개질 영역(R2) 및 제2 개질 영역(R4)에서는, 마이크로파 발생기(37)로부터 마이크로파를 공급함으로써, 미량의 H₂ 가스가 플라즈마화된다.

가스 급배기 유닛(2)에서는, 가스 토출구(21)로부터 DCS 가스, 퍼지 가스 토출구(23)로부터 Ar 가스가 각각 소정의 유량으로 토출됨과 함께, 배기구(22)로부터 배기가 행하여진다. 또한, 반응 영역(R3), 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)에서는, 계속해서 NH₃ 가스 또는 H₂ 가스의 플라즈마가 형성된다.

이렇게 각 가스의 공급 및 플라즈마의 형성이 행하여지는 한편, 진공 용기(11) 내의 압력이 소정의 압력 예를 들어 66.5Pa(0.5Torr) 내지 665Pa(5Torr)으로 유지되도록, 배기구(51)에 접속된 도시하지 않은 배기관에 설치된 압력 조정부에 의해 압력 제어가 행하여진다. 이 압력 제어를 행하기 위해서 사용되는 압력계는, 예를 들어 상기 배기관에 설치된다.

전체의 장치의 작용에 대해서 정리해서 설명하면, 회전 테이블(12)의 회전에 의해, 웨이퍼(W)가 흡착 영역(R1)에 위치하고, 실리콘을 포함하는 원료 가스로서 DCS 가스가 질화막의 표면에 공급되어 흡착된다. 계속해서 회전 테이블(12)이 회전하여, 웨이퍼(W)가 흡착 영역(R1)의 외측을 향해서 이동하고, 웨이퍼(W)의 표면에 퍼지 가스가 공급되어, 흡착된 잉여의 DCS 가스가 제거된다. 또한, 회전 테이블(12)의 회전에 의해, 반응 영역(R3)에 이르면 플라즈마에 포함되는 NH₃ 가스의 활성종이 웨이퍼(W)에 공급되어 DCS 가스와 반응하여, 질화막 상에 SiN의 층이 섬 형상으로 형성된다.

이렇게 해서, 웨이퍼(W)는, 흡착 영역(R1), 제1 개질 영역(R2), 반응 영역(R3), 제2 개질 영역(R4)을 순서대로 반복해서 이동하여, 당해 웨이퍼(W)에서 보면, DCS 가스의 공급, 미량의 H₂ 가스의 활성종의 공급, NH₃ 가스의 활성종, 미량의 H₂ 가스의 활성종의 공급이 순서대로 반복된다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 표면에 각 섬 형상의 SiN의 층이 개질되면서, 확산하듯이 성장한다. 그 후에도, 회전 테이블(12)의 회전이 계속되어 웨이퍼(W) 표면에 SiN이 퇴적되고, 박층이 성장해서 SiN막이 된다.

즉, SiN막의 막 두께가 상승하여, 원하는 막 두께의 SiN막이 형성되면, 예를 들어 가스 급배기 유닛(2)에서의 각 가스의 토출 및 배기가 정지한다. 또한, 제2 플라즈마 형성 유닛(3B)에서의 NH₃ 가스의 공급 및 전력의 공급과, 제1 및 제3 플라즈마 형성 유닛(3A, 3C)에서의 전력의 공급이 각각 정지하고 성막 처리가 종료된다. 성막 처리 후의 웨이퍼(W)는, 기판 반송 기구에 의해 성막 장치(1)로부터 반출된다.

상기 성막 장치(1)에 의하면, 원료 성분을 포함하는 원료 가스 및 암모니아 가스를 사용해서 원료 성분의 질화막을 성막함에 있어서, 제1 개질 영역(R2) 및 제2 개질 영역(R4)에 공급되는 H₂ 가스는 미량의 공급량이 되도록 구성되어 있다. 후술하는 평가 시험으로부터, H₂ 가스가 미량의 공급량일 경우에는, H₂ 가스의 공급량이 많은 경우에 비해, SiN막 내의 수소 농도가 낮아지고, 염소 농도가 높아지는 것으로 확인되어 있다. 이로부터, 미량의 H₂ 가스에 마이크로파가 공급됨으로써, SiN막 내의 미 결합손에 H가 결합하는 작용, SiN막 내의 Cl을 제거하는 작용이 효율적으로 진행되어, 막이 치밀화해서 에칭 레이트가 저하된다고 추정된다. 또한 반응 영역(R3)에서는 NH₃ 가스가 H₂ 가스에 의해 희석되는 것이 억제되므로, N의 활성종(N 라디칼)의 질화 저해가 억제되어, 질화 처리가 효율적으로 진행된다. 이렇게 질화 저해가 억제되는 것에 기인하여, 후술하는 평가 시험으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 로딩 효과가 개선된다.

본 발명의 메커니즘에 대해서는, 다음과 같이 추정된다. 가령 제1 개질 영역(R2) 및 제2 개질 영역(R4)에 H₂ 가스를 공급하는 시스템에서는, 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)에서는, H₂ 가스의 활성화에 의해 H₂ 라디칼이 생성하고, 반응 영역(R3)을 향해서 유출되어 간다. 한편, 반응 영역(R3)에는, NH₃ 이온과, NH₃ 가스의 활성화에 의해 얻어진 고에너지이면서 또한 저수명의 NH₃ 라디칼이 존재하는데, 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)으로부터의 H₂ 라디칼이, NH₃ 라디칼이나 NH₃ 이온과 충돌하여, 저에너지이면서 또한 장수명의 NH₃ 라디칼의 비율이 증가한다. 이 저에너지이면서 또한 장수명의 NH₃ 라디칼은, NH₃ 이온이나 고에너지이면서 또한 저수명의 NH₃ 라디칼에 비해 반응성(질화력)이 약하기 때문에, 에칭 레이트나 로딩 효과가 저하되어버린다.

이에 반해, 본 발명에서는, 제1 개질 영역(R2) 및 제2 개질 영역(R4)에 공급되는 H₂ 가스는 미량의 공급량이므로, 생성한 H₂ 라디칼은 개질 처리에 소비된다. 따라서, 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)에서는 개질 작용이 진행되고, 반응 영역(R3)에서는, NH₃ 이온과, NH₃ 가스의 활성화에 의해 얻어진 고에너지이면서 또한 저수명의 NH₃ 라디칼이 효율적으로 활용된다. 그리고, 예를 들어 NH₃ 이온과, 고에너지이면서 또한 저수명의 NH₃ 라디칼과, 저에너지이면서 또한 장수명의 NH₃ 라디칼에 의해 반응이 진행된다. 이에 의해, 막이 치밀화해서 에칭 레이트가 저하됨과 함께, 질화 처리가 효율적으로 진행되어, 로딩 효과가 개선된다.

여기에서 말하는 로딩 효과란, 패턴이 형성된 웨이퍼에 SiN막을 성막했을 때의 막 두께의 면내 균일성의 지표이며, 로딩 효과가 개선한다는 것은, 막 두께의 면내 균일성, 예를 들어 웨이퍼의 중앙부의 막 두께의 감소가 개선된다는 것이다. 이 예에서는, 로딩 효과를, 다음의 (1)식의 값 중에서 가장 큰 값을 지표값으로서 사용해서 평가하고 있다.

{{(베어 막 두께)-(패턴 막 두께)}/(베어 막 두께)}×100… (1)

베어 막 두께란, 패턴이 형성되어 있지 않은 베어 웨이퍼에 SiN막을 성막했을 때의 막 두께, 패턴 막 두께란, 표면적이 베어 웨이퍼의 3배의 패턴을 형성한 패턴 웨이퍼에 대하여, 베어 웨이퍼와 마찬가지의 성막 조건에서 SiN막을 성막했을 때의 막 두께이다. 각각의 막 두께를, 회전 테이블(12)의 주위 방향(X 방향)의 웨이퍼(W)의 직경 상의 다수 위치에서 측정하고, 막 두께의 각 측정 위치에서, (1)식에 의해 구한다. 로딩 효과의 지표값이 작을수록, 베어 웨이퍼와의 막 두께의 차가 작고, 로딩 효과가 개선되게 된다.

상술한 실시 형태에서는, 반응 영역(R3)에서 NH₃ 가스가 분해해서 얻어진 미량의 H₂ 가스를 개질에 이용하고 있기 때문에, 이미 설명한 바와 같이 개질 효과가 높고, 로딩 효과를 개선할 수 있어, 유리한 구성이라고 할 수 있다. 반응 영역(R3)에서 NH₃ 가스가 분해해서 제1 개질 영역(R2) 및 제2 개질 영역(R4)으로 유출된 H₂ 가스의 유량은 미량이라고 추측되지만, H 라디칼의 생성 효율이 높아, 그 결과 높은 개질 효과를 얻기 위해서는, 0.1리터/분 이하이면 된다고 파악하고 있다.

상술한 예에서는, 개질 영역으로서 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)을 배치하고 있지만, 개질 영역은, 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4) 중 어느 한쪽이어도 된다. 또한 상술한 예에서는, 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)은, 회전 테이블(12)의 회전 방향에 있어서, 반응 영역(R3)의 상류측 및 하류측에 각각 배치되어 있지만, 반응 영역(R3)의 상류측에 배치해도 되고(주위 방향으로 영역(R1, R2, R4, R3)의 배치가 됨), 반응 영역(R3)의 하류측에 배치해도 된다(주위 방향으로 영역(R1, R3, R2, R4)의 배치가 됨). 또한, 본 발명의 성막 장치(1)는, 예를 들어 원료 성분이 텅스텐인 질화막의 성막에 적용할 수 있다.

(평가 시험 1)

도 1에 도시하는 성막 장치(1)에 있어서, 원료 가스로서 DCS 가스를 사용하고, 반응 가스 인젝터(411, 412) 및 가스 토출구(42)로부터 NH₃ 가스 및 Ar 가스를 토출하고, H₂ 가스는 공급하지 않고 SiN막을 성막하였다(실시예). 반응 가스 인젝터(411, 412)로부터의 합계 NH₃ 가스 유량은 0.6리터/분, 합계 Ar 가스 유량은 0.75리터/분, 가스 토출구(42)로부터의 NH₃ 가스의 공급량은 0.4리터/분, Ar 가스 유량은 0.25리터/분이다. 이 SiN막에 대해서, 불산 용액을 사용해서 습식 에칭을 행하고, 이때의 에칭 레이트에 대해서 평가하였다. SiN막의 성막 조건은, 회전 테이블(12)의 온도: 450℃, 회전 테이블(12)의 회전수: 30rpm, 프로세스 압력: 266Pa로 하였다. 또한, 제1 개질 영역(R2) 및 제2 개질 영역(R4)에, 각각 H₂ 가스를 4.25리터/분의 유량으로 공급하고, 그 밖에는 실시예와 마찬가지의 조건에서 SiN막을 성막한 경우(비교예)에 대해서도, 마찬가지로 에칭 레이트를 평가하였다.

이 결과를 도 4에 도시한다. 종축은 습식 에칭 레이트(WER)이며, 실시예의 SiN막 및 비교예의 SiN막과 함께, 열산화막에 대해서도 나타내고 있다. 에칭 레이트는, 열산화막을 동일 조건에서 불산 용액을 사용해서 습식 에칭했을 때의 에칭 레이트를 1로 하고, 이것에 대한 상대값으로 나타내고 있다.

도 4에 의해, 열산화막에 비하여 실시예의 SiN막, 비교예의 SiN막은 에칭 레이트가 현저하게 낮고, 특히 실시예의 SiN막은 에칭 레이트가 매우 낮은 것으로 확인되었다. 이에 의해, H₂ 가스를 공급하는 비교예에 비하여 H₂ 가스를 공급하지 않는 실시예에서는, SiN막의 개질 반응이 효율적으로 진행되어, 치밀성이 향상되는 것으로 이해된다.

(평가 시험 2)

실시예의 SiN막 및 비교예의 SiN막에 대해서, 2차 이온 질량 분석법(SINS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의해, 막 내의 수소 농도와, 염소 농도를 분석하였다. 그 결과를 도 5에 도시한다. 도 5의 (a)는 수소 농도, 도 5의 (b)는 염소 농도이다. 도 5 중 횡축은 막의 깊이, 종축은 수소 농도(atoms/cc) 또는 염소 농도(atoms/cc)이며, 도 5의 (a), 도 5의 (b) 모두, 실시예(H₂ 없음)의 데이터를 실선으로, 비교예(H₂ 있음)의 데이터를 점선으로 각각 나타낸다.

그 결과, 도 5의 (a)로부터, 막 내의 수소 농도는, 실시예의 SiN막이 비교예에 비해서 더 크고, 도 5의 (b)로부터, 막 내의 염소 농도는, 실시예의 SiN막이 비교예에 비해 더 작아지는 것으로 확인되었다.

(평가 시험 3)

실시예의 SiN막 및 비교예의 SiN막에 대해서, 이미 설명한 방법으로 (1)식을 사용해서 로딩 효과를 구하였다. 실시예의 SiN막의 결과를 도 6의 (a)에, 비교예의 SiN막의 결과를 도 6의 (b)에 각각 나타낸다. 도 6의 (a), 도 6의 (b) 중 좌측 종축은 SiN막의 막 두께, 우측 종축은 로딩 효과, 횡축은 웨이퍼(W)의 X 방향의 직경 상의 위치를 각각 나타낸다. 0은 웨이퍼(W)의 중심, -150, 150은 각각 웨이퍼(W)의 X 방향의 외측 에지이다. 도 6의 (a), 도 6의 (b)에는, ○에 의해 패턴 웨이퍼의 막 두께, □에 의해 베어 웨이퍼의 막 두께, △에 의해 로딩 효과를 각각 플롯하고 있다.

그 결과, 실시예의 SiN막은, 비교예의 SiN막에 비하여, 패턴 웨이퍼의 막 두께의 면내 균일성이 양호한 것, 비교예의 패턴 웨이퍼는, 웨이퍼의 중앙측의 막 두께가 주연측보다도 작아지는 것으로 확인되었다. 또한, 실시예의 SiN막의 로딩 효과의 최댓값은 3.8％, 비교예의 SiN막의 로딩 효과의 최댓값은 10.3％이며, 실시예의 SiN막은 로딩 효과의 수치가 비교적 작아, 로딩 효과가 개선되는 것으로 확인되었다.

(평가 시험 4)

제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)에 공급되는 H₂ 가스의 공급량을 바꾸어서 SiN막을 성막하고, 각각의 SiN막의 로딩 효과를 평가하였다. H₂ 가스는, 토탈 공급량을, 0, 0.5리터/분, 2.14리터/분, 4.24리터/분으로 바꾸어서 SiN막을 성막하였다. 기타 성막 조건은 실시예와 마찬가지이다. 로딩 효과는 이미 설명한 방법으로 (1)식을 사용해서 평가하고, 그 최댓값을 구하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7 중 종축은 로딩 효과, 횡축은 H₂ 가스의 공급량이다.

그 결과, H₂ 가스의 공급량이 0일 때는, 로딩 효과의 최댓값은 3.8％인데, H₂ 가스의 공급량이 0.5리터/분이 되면 로딩 효과가 9％가 되고, H₂ 가스의 공급량이 0.5리터/분 이상이면 로딩 효과는 10％ 이상으로 거의 보합 상태가 되는 것으로 확인되었다. 또한, 제1 및 제2 개질 영역(R2, R4)에 공급되는 H₂ 가스의 유량 각각은, 0보다도 많고， 0.1리터/분 이하이면, H₂ 가스를 공급하지 않는 조건에서 얻어지는 막의 로딩 효과의 최댓값의 1.5배 이하의 로딩 효과가 얻어질 것으로 추측된다.

W : 웨이퍼 R1 : 흡착 영역
R2 : 제1 개질 영역 R3 : 반응 영역
R4 : 제2 개질 영역 1 : 성막 장치
11 : 진공 용기 12 : 회전 테이블
2 : 급배기 유닛 3A : 제1 플라즈마 형성 유닛
3B : 제2 플라즈마 형성 유닛 3C : 제3 플라즈마 형성 유닛
411, 412 : 반응 가스 인젝터 42 : 가스 토출구
51 : 배기구

Claims (5)

1. 진공 용기 내에서 회전 테이블에 배치된 기판을 당해 회전 테이블에 의해 공전시켜, 서로 회전 테이블의 주위 방향으로 이격된 영역의 각각에 원료 성분을 포함하는 원료 가스 및 반응 가스인 암모니아 가스를 공급해서 기판에 원료 성분의 질화막을 성막하는 성막 장치에 있어서,
   상기 회전 테이블에 대향하여, 원료 가스를 토출하는 제1 토출부 및 당해 제1 토출부를 둘러싸는 제1 배기구 및 당해 제1 배기구를 둘러싸는 퍼지 가스의 제2 토출구를 포함하는 원료 가스 공급부와,
   상기 원료 가스 공급부에 대하여 상기 회전 테이블의 주위 방향으로 이격되어 배치된 반응 영역과,
   상기 반응 영역에 대하여 상기 회전 테이블의 주위 방향으로 이격되어 배치된 개질 영역과,
   상기 개질 영역에 존재하는 가스를 활성화하기 위한 제1 플라즈마 발생부로서, 상기 개질 영역 내의 제1 플라즈마 발생부의 하면측에 가스를 공급하는 가스 토출구를 구비하지 않는, 제1 플라즈마 발생부와,
   상기 반응 영역에 존재하는 가스를 활성화하기 위한 제2 플라즈마 발생부와,
   상기 제2 플라즈마 발생부와 접속되고, 상기 반응 영역에 암모니아 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와,
   상기 진공 용기 내를 진공 배기하기 위한 제2 배기구와,
   컨트롤러를 포함하고,
   상기 컨트롤러는,
   상기 반응 영역에 있어서, 수소 가스를 상기 진공 용기에 토출하지 않고, 상기 반응 가스 공급부를 사용해 암모니아 가스를 상기 반응 영역 내의 상기 기판에 공급하며, 상기 반응 영역에 공급된 상기 암모니아 가스를 상기 제2 플라즈마 발생부를 사용해 여기시켜 질소와 수소를 포함하는 활성종을 생성하면서, 질소를 포함하는 생성된 활성종을 사용해 상기 기판에 질화막을 형성하도록 하고,
   상기 개질 영역에 있어서, 상기 반응 영역에서 생성된 상기 수소 가스를 사용해 질화막을 개질하도록 하며,
   상기 개질 영역에 공급되는 수소 가스의 유량은, 0보다도 많고， 0.1리터/분 이하인 성막 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 배기구는, 상기 개질 영역의 분위기와 상기 반응 영역의 분위기를 동시에 배기하는 위치에 설치되는, 성막 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 배기구는, 평면에서 보아 상기 반응 영역에 면하는 위치로서 상기 회전 테이블의 외측에 설치되어 있는, 성막 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는, 상기 반응 영역에 공급되는 암모니아 가스의 유량이 0.05리터/분 내지 4.0리터/분이 되도록 하는, 성막 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 개질 영역은, 상기 회전 테이블의 주위 방향으로 서로 이격되어 배치된 제1 개질 영역 및 제2 개질 영역을 포함하고,
   상기 제1 플라즈마 발생부는, 상기 제1 개질 영역 및 제2 개질 영역에 각각 대응해서 설치되어 있는, 성막 장치.

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