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KR102361907B1 - 성막 방법 및 기판 처리 시스템 - Google Patents

성막 방법 및 기판 처리 시스템 Download PDF

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KR102361907B1
KR102361907B1 KR1020190121915A KR20190121915A KR102361907B1 KR 102361907 B1 KR102361907 B1 KR 102361907B1 KR 1020190121915 A KR1020190121915 A KR 1020190121915A KR 20190121915 A KR20190121915 A KR 20190121915A KR 102361907 B1 KR102361907 B1 KR 102361907B1
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KR
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film
gas
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gas supply
substrate
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KR1020190121915A
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미츠히로 오카다
Original Assignee
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

오목부에 금속막을 메울 때의 패턴 도괴를 억제할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 따른 성막 방법은, 절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성된 기판에 대해, 상기 오목부 내에 금속막을 메우는 성막 방법이며, 상기 오목부 내에 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정과, 상기 오목부의 내벽 상부의 상기 절연막의 표면을 노출시키고, 상기 오목부 내의 저부에 상기 하지막을 잔존시키도록 상기 하지막을 에칭하는 공정과, 상기 오목부 내의 저부에 잔존하는 상기 하지막 위에 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정을 갖는다.

Description

성막 방법 및 기판 처리 시스템{FILM FORMING METHOD AND SUBSTRATE PROCESSING SYSTEM}
본 개시는, 성막 방법 및 기판 처리 시스템에 관한 것이다.
높은 애스펙트비의 트렌치나 홀 등의 오목부의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 텅스텐막을 메우는 것이 가능한 성막 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2015-190020호 공보
본 개시는, 오목부에 금속막을 메울 때의 패턴 도괴를 억제할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 따른 성막 방법은, 절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성된 기판에 대해, 상기 오목부 내에 금속막을 메우는 성막 방법이며, 상기 오목부 내에 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정과, 상기 오목부의 내벽 상부의 상기 절연막의 표면을 노출시키고, 상기 오목부 내의 저부에 상기 하지막을 잔존시키도록 상기 하지막을 에칭하는 공정과, 상기 오목부 내의 저부에 잔존하는 상기 하지막 위에 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정을 갖는다.
본 개시에 의하면, 오목부에 금속막을 메울 때의 패턴 도괴를 억제할 수 있다.
도 1은 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도.
도 2는 성막 방법의 일례를 나타내는 공정 단면도.
도 3은 기판 처리 시스템의 구성예를 나타내는 개략도.
도 4는 TiN막을 형성하는 장치의 구성예를 나타내는 도면,
도 5는 TiN막을 에칭하는 장치의 구성예를 나타내는 도면.
도 6은 텅스텐막을 형성하는 장치의 구성예를 나타내는 도면.
도 7은 루테늄막의 선택 성장의 실험 수순의 설명도.
도 8은 오목부 내의 저부에 존재하는 TiN막 위에 루테늄막을 선택적으로 성장시킨 상태를 나타내는 SEM 사진.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대해 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
〔성막 방법〕
일 실시 형태의 성막 방법에 대해 설명한다. 도 1은, 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시 형태의 성막 방법은, 공정 S10, 공정 S20 및 공정 S30을 이 순서로 실행함으로써, 절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성된 기판에 대해, 오목부 내에 금속막을 메우는 성막 방법이다. 공정 S10은, 절연막을 표면에 갖는 오목부 내에 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정이다. 「절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성된 기판」이란, 도 2에 도시된 바와 같이 표면에 오목부 A가 형성된 기판 F1의 오목부 A의 표면이 절연막 F2로 덮여 있는 경우와, 기판 위에 형성된 절연막의 패턴에 의해 오목부가 형성되어 있는 경우(도시되지 않음)를 포함한다. 공정 S20은, 오목부 내의 저부에 하지막을 잔존시키도록 하지막을 에칭하는 공정이다. 공정 S30은, 오목부 내의 저부에 잔존하는 하지막 위에 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정이다.
이하, 각 공정에 대해, 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는, 성막 방법의 일례를 나타내는 공정 단면도이다.
공정 S10은, 미리 준비된 절연막 F2를 표면에 갖는 오목부 A가 형성된 기판F1(도 2의 (a) 참조)에 대해, 오목부 A 내에 하지막 F3을 콘포멀하게 형성하는 공정이다(도 2의 (b) 참조). 공정 S10에서는, 오목부 A 내에 하지막 F3을 콘포멀하게 형성할 수 있으면 되고, 예를 들어 원자층 퇴적(ALD: Atomic Layer Deposition)법, 화학 기상 퇴적(CVD: ChemicalVaporDeposition)법을 이용할 수 있다. 단, 오목부 A가 높은 애스펙트비에서도 오목부 A 내에 하지막 F3을 콘포멀하게 형성할 수 있는 관점에서, ALD법을 이용하는 것이 바람직하다. 절연막 F2는, 예를 들어 SiO2막, SiN막이어도 된다. 하지막 F3은, 예를 들어 TiN막, TaN막, TiON막이어도 된다.
일 실시 형태에서는, 감압 상태에서 티타늄 함유 가스의 공급과 질소 함유 가스의 공급을 퍼지 가스의 공급을 사이에 두고 교대로 반복함으로써, 절연막 F2 위에 TiN막을 형성할 수 있다. 티타늄 함유 가스로서는, 예를 들어 TiCl4 가스, TiBr4 가스, TiI4 가스, 테트라키스에틸메틸아미노티타늄(TEMAT), 테트라키스디메틸아미노티타늄(TDMAT), 테트라키스디에틸아미노티타늄(TDEAT)을 이용할 수 있다. 질소 함유 가스로서는, 예를 들어 NH3 가스, 모노메틸 히드라진(MMH)을 이용할 수 있다. 퍼지 가스로서는, 예를 들어 N2 가스, Ar 가스 등의 불활성 가스를 이용할 수 있다. 또한, 질소 함유 가스를 플라스마화해도 된다.
공정 S20은, 오목부 A의 내벽 상부의 절연막 F2의 표면을 노출시키고, 오목부 A 내의 저부에 하지막 F3을 잔존시키도록 하지막 F3을 에칭하는 공정이다(도 2의 (c) 참조). 공정 S20에서는, 예를 들어 공급 율속 상태에서 에칭을 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 에칭 가스의 대부분이 오목부 A의 내벽 상부에서 소비되어, 오목부 A의 저부에 도달하는 에칭 가스의 양이 적어진다. 그 때문에, 오목부 A의 내벽 상부의 하지막 F3이 제거되고, 오목부 A 내의 저부에 하지막 F3이 잔존하기 쉬워진다. 또한, 공급 율속 상태란, 처리 용기 내로 공급되는 에칭 가스의 유량이 매우 적은 영역이며, 에칭 레이트가 에칭 가스의 공급량에 주로 지배되는 상태를 의미한다. 예를 들어, 에칭 가스의 공급량을 적게 하고, 처리 온도를 높게 함으로써, 공급 율속 상태를 실현할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 할로겐 함유 가스를 사용한 플라스마리스의 에칭에 의해, 오목부 A의 내벽 상부의 절연막 F2의 표면을 노출시키고, 오목부 A 내의 저부에 하지막 F3을 잔존시키도록 하지막 F3을 에칭할 수 있다. 할로겐 함유 가스로서는, 예를 들어 Cl2 가스, ClF3 가스, Br2 가스, HBr 가스, I2 가스, HI 가스, F2 가스, NF3 가스를 이용할 수 있다. 또한, 플라스마리스의 에칭 대신에, 플라스마 에칭을 이용해도 된다. 플라스마 에칭을 이용하는 경우, 예를 들어 상기 할로겐 함유 가스를 이용해도 되고, H2 가스, Ar 가스 등을 이용해도 된다.
공정 S30은, 오목부 A 내의 저부에 잔존하는 하지막 F3 위에 금속막 F4를 선택적으로 성장시키는 공정이다(도 2의 (d) 참조). 공정 S30은, 예를 들어 절연막 F2에 대한 인큐베이션 타임보다도 하지막 F3에 대한 인큐베이션 타임이 짧은 가스를 공급함으로써 행해진다. 공정 S30에서는, 오목부 A 내의 저부에 잔존하는 하지막 F3 위에 금속막 F4를 선택적으로 성장시킬 수 있으면 되고, 예를 들어 ALD법, CVD법을 이용할 수 있다. 금속막 F4는, 예를 들어 텅스텐막, 루테늄막이어도 된다.
일 실시 형태에서는, 감압 상태에서 텅스텐 함유 가스의 공급과 환원 가스의 공급을 퍼지 가스의 공급을 사이에 두고 교대로 반복함으로써, 오목부 A 내의 저부에 잔존하는 하지막 F3 위에 텅스텐막을 선택적으로 성장시킬 수 있다. 텅스텐 함유 가스로서는, 예를 들어 WCl6 가스, WCl5 가스 등의 염화 텅스텐 가스, WF6 가스 등의 불화 텅스텐 가스를 이용할 수 있다. 환원 가스로서는, 예를 들어 H2 가스, B2H6 가스를 이용할 수 있다. 또한, 상기 텅스텐 함유 가스는, 어느 것도 절연막 F2에 대한 인큐베이션 타임보다도 하지막 F3에 대한 인큐베이션 타임이 짧은 가스이다. 그 때문에, 상기 텅스텐 함유 가스를 사용함으로써, 하지막 F3 위에 텅스텐막을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
또한, 일 실시 형태에서는, 루테늄 함유 가스를 사용한 열 CVD법에 의해, 오목부 A 내의 저부에 잔존하는 하지막 F3 위에 루테늄막을 선택적으로 성장시킬 수 있다. 루테늄 함유 가스로서는, 예를 들어 Ru3(CO)12를 이용할 수 있다. 또한, 상기 루테늄 함유 가스는, 절연막 F2에 대한 인큐베이션 타임보다도 하지막 F3에 대한 인큐베이션 타임이 짧은 가스이다. 그 때문에, 상기 루테늄 함유 가스를 사용함으로써, 하지막 F3 위에 루테늄막을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
이상에서 설명한 성막 방법에 의하면, 오목부 A 내에 하지막 F3을 콘포멀하게 형성하여, 오목부 A의 내벽 상부의 하지막 F3을 제거하고, 오목부 A 내의 저부에 하지막 F3을 잔존시키도록 하지막을 에칭한다. 그 후, 오목부 A 내의 저부에 잔존하는 하지막 F3 위에 금속막 F4를 선택적으로 성장시킨다. 이에 의해, 오목부 A 내에 있어서 금속막 F4를 보텀 업 성장시킬 수 있다. 그 때문에, 오목부 A 내에 보이드를 발생시키지 않고 금속막 F4를 메울 수 있다. 또한, 오목부 A 내가 금속막 F4로 메워지기 전에 오목부 A의 내벽 상부에 있어서 인접하는 패턴이 접촉하는 것을 억제할 수 있으므로, 오목부 A에 금속막 F4를 메울 때의 패턴 도괴를 억제할 수 있다.
또한, 공정 S10, 공정 S20 및 공정 S30은, 동일한 처리 용기 내에서 연속하여 행해도 되고, 별도의 처리 용기 내에서 행해도 된다. 또한, 공정 S10, 공정 S20 및 공정 S30 중 2개의 공정을 동일한 처리 용기 내에서 행하고, 나머지에 하나의 공정을 다른 처리 용기 내에서 행해도 된다. 단, 별도의 처리 용기 내에서 행하는 경우, 막 표면의 산화를 방지한다는 관점에서, 진공 반송실을 통하여 접속된 처리 용기 내에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 각 공정에서의 처리 온도가 상이한 경우에는, 처리 온도의 변경에 요하는 시간을 단축한다는 관점에서, 공정 S10, 공정 S20 및 공정 S30은 진공 반송실을 통하여 접속된 별도의 처리 용기 내에서 행하는 것이 바람직하다.
〔기판 처리 시스템〕
상기 성막 방법을 실현하는 기판 처리 시스템에 대해, 공정 S10, 공정 S20 및 공정 S30을, 진공 반송실을 통하여 접속된 별도의 처리 용기 내에서 행하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 3은, 기판 처리 시스템의 구성예를 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판 처리 시스템은, 처리 장치(101 내지 104)와, 진공 반송실(200)과, 로드 로크실(301 내지 303)과, 대기 반송실(400)과, 로드 포트(501 내지 503)와, 전체 제어부(600)를 구비한다. 단, 도 3에 도시되는 기판 처리 시스템은 일례이며, 처리 장치, 진공 반송실, 로드 로크실, 대기 반송실 및 로드 포트의 배치나 수는 도시된 예에 한정되는 것은 아니다.
처리 장치(101 내지 104)는, 각각 게이트 밸브 G11 내지 G14를 통하여 진공 반송실(200)과 접속되어 있다. 처리 장치(101 내지 104) 내는 진공 분위기로 감압되고, 그 내부에서 웨이퍼 W에 각종의 처리를 실시한다. 일 실시 형태에서는, 처리 장치(101)는 TiN막을 형성하는 장치이며, 처리 장치(102)는 TiN막을 에칭하는 장치이며, 처리 장치(103)는 텅스텐막을 형성하는 장치이다. 처리 장치(104)는, 처리 장치(101 내지 103) 중 어느 것과 동일한 장치여도 되고, 별도의 처리를 행하는 장치여도 된다.
진공 반송실(200) 내는, 진공 분위기로 감압되어 있다. 진공 반송실(200)에는, 감압 상태에서 웨이퍼 W를 반송 가능한 반송 기구(201)가 마련되어 있다. 반송 기구(201)는, 처리 장치(101 내지 104) 및 로드 로크실(301 내지 303)에 대해 웨이퍼 W를 반송한다. 반송 기구(201)는, 예를 들어 독립적으로 이동 가능한 두 반송 암(202a, 202b)을 갖는다. 단, 반송 기구(201)는 하나의 반송 암이나 셋 이상의 반송 암을 갖는 형태여도 된다.
로드 로크실(301 내지 303)은, 각각 게이트 밸브 G21 내지 G23을 통하여 진공 반송실(200)과 접속되고, 게이트 밸브 G31 내지 G33을 통하여 대기 반송실(400)과 접속되어 있다. 로드 로크실(301 내지 303)은, 그 내부를 대기 분위기와 진공 분위기로 전환 가능하다.
대기 반송실(400) 내는, 대기 분위기로 되어 있으며, 예를 들어 청정 공기의 다운 플로우가 형성되어 있다. 대기 반송실(400) 내에는, 웨이퍼 W의 얼라인먼트를 행하는 얼라이너(401)가 마련되어 있다. 또한, 대기 반송실(400)에는, 반송 기구(402)가 마련되어 있다. 반송 기구(402)는, 로드 로크실(301 내지 303), 얼라이너(401) 및 로드 포트(501 내지 503)의 캐리어 C에 대해 웨이퍼 W를 반송한다. 반송 기구(402)는, 예를 들어 하나의 반송 암을 갖는다. 단, 반송 기구(402)는 둘 이상의 반송 암을 갖는 형태여도 된다.
로드 포트(501 내지 503)는, 대기 반송실(400)의 긴 변의 벽면에 마련되어 있다. 로드 포트(501 내지 503)에는, 웨이퍼 W가 수용된 캐리어 C 또는 빈 캐리어 C가 적재된다. 캐리어 C로서는, 예를 들어 FOUP(Front Opening Unified Pod)를 이용할 수 있다.
전체 제어부(600)는, 기판 처리 시스템의 각 부를 제어한다. 예를 들어, 전체 제어부(600)는, 처리 장치(101 내지 104)의 동작, 반송 기구(201, 402)의 동작, 게이트 밸브 G11 내지 G14, G21 내지 G23, G31 내지 G33의 개폐, 로드 로크실(301 내지 303) 내의 분위기 전환 등을 실행한다. 전체 제어부(600)는, 예를 들어 컴퓨터여도 된다.
다음에, 처리 장치(101)의 구성예에 대해 설명한다. 처리 장치(101)는, 감압 상태의 처리 용기 내에서 ALD법 또는 CVD법에 의해 TiN막을 형성하는 제1 처리 장치의 일례이다. 도 4는, TiN막을 형성하는 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 처리 장치(101)는, 처리 용기(1)와, 적재대(2)와, 샤워 헤드(3)와, 배기부(4)와, 가스 공급 기구(5)와, 제어부(9)를 갖고 있다.
처리 용기(1)는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되고, 대략 원통형을 갖고 있다. 처리 용기(1)는, 웨이퍼 W를 수용한다. 처리 용기(1)의 측벽에는 웨이퍼 W를 반입 또는 반출하기 위한 반출입구(11)가 형성되고, 반출입구(11)는 게이트 밸브(12)에 의해 개폐된다. 처리 용기(1)의 본체 위에는, 단면이 직사각 형상을 이루는 원환형의 배기 덕트(13)가 마련되어 있다. 배기 덕트(13)에는, 내주면을 따라서 슬릿(13a)이 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 외벽에는, 배기구(13b)가 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 상면에는, 처리 용기(1)의 상부 개구를 막도록 천장벽(14)이 마련되어 있다. 배기 덕트(13)와 천장벽(14)의 사이는 시일 링(15)으로 기밀하게 밀봉되어 있다.
적재대(2)는, 처리 용기(1) 내에서 웨이퍼 W를 수평하게 지지한다. 적재대(2)는, 웨이퍼 W에 대응한 크기의 원판형으로 형성되어 있고, 지지 부재(23)에 지지되어 있다. 적재대(2)는, AlN 등의 세라믹스 재료나, 알루미늄이나 니켈 합금 등의 금속 재료로 형성되어 있고, 내부에 웨이퍼 W를 가열하기 위한 히터(21)가 매립되어 있다. 히터(21)는, 히터 전원(도시되지 않음)으로부터 급전되어 발열한다. 그리고, 적재대(2)의 상면의 근방에 마련된 열전대(도시되지 않음)의 온도 신호에 의해 히터(21)의 출력을 제어함으로써, 웨이퍼 W가 소정의 온도로 제어된다. 적재대(2)에는, 상면의 외주 영역 및 측면을 덮도록 알루미나 등의 세라믹스에 의해 형성된 커버 부재(22)가 마련되어 있다.
적재대(2)의 저면에는, 적재대(2)를 지지하는 지지 부재(23)가 마련되어 있다. 지지 부재(23)는, 적재대(2)의 저면의 중앙으로부터 처리 용기(1)의 저벽에 형성된 구멍부를 관통하여 처리 용기(1)의 하방으로 연장되고, 그 하단이 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 승강 기구(24)에 의해 적재대(2)가 지지 부재(23)를 통하여, 도 4에서 나타내는 처리 위치와, 그 하방의 이점쇄선으로 나타내는 웨이퍼 W의 반송이 가능한 반송 위치의 사이에서 승강한다. 지지 부재(23)의 처리 용기(1)의 하방에는, 플랜지부(25)가 마련되어 있고, 처리 용기(1)의 저면과 플랜지부(25) 사이에는, 처리 용기(1) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 적재대(2)의 승강 동작에 따라 신축하는 벨로우즈(26)가 마련되어 있다.
처리 용기(1)의 저면의 근방에는, 승강판(27a)으로부터 상방으로 돌출되도록 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(27)이 마련되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 처리 용기(1)의 하방에 마련된 승강 기구(28)에 의해 승강판(27a)을 통하여 승강한다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 반송 위치에 있는 적재대(2)에 마련된 관통 구멍(2a)에 삽입 관통되어 적재대(2)의 상면에 대해 돌출 함몰 가능하게 되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)을 승강시킴으로써, 반송 기구(도시되지 않음)와 적재대(2)의 사이에서 웨이퍼 W의 전달이 행해진다.
샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 샤워형으로 공급한다. 샤워 헤드(3)는, 금속에 의해 형성되어 있다. 샤워 헤드(3)는, 적재대(2)에 대향하도록 마련되어 있고, 적재대(2)와 거의 동일한 직경을 갖고 있다. 샤워 헤드(3)는, 처리 용기(1)의 천장벽(14)에 고정된 본체부(31)와, 본체부(31)의 아래에 접속된 샤워 플레이트(32)를 갖고 있다. 본체부(31)와 샤워 플레이트(32) 사이에는 가스 확산 공간(33)이 형성되어 있고, 가스 확산 공간(33)에는 처리 용기(1)의 천장벽(14) 및 본체부(31)의 중앙을 관통하도록 마련된 가스 도입 구멍(36, 37)이 연통한다. 샤워 플레이트(32)의 주연부에는 하방으로 돌출되는 환형 돌기부(34)가 형성되어 있다. 샤워 플레이트(32)의 환형 돌기부(34)의 내측의 평탄면에는, 가스 토출 구멍(35)이 형성되어 있다. 적재대(2)가 처리 위치에 존재한 상태에서는, 적재대(2)와 샤워 플레이트(32) 사이에 처리 공간(38)이 형성되고, 커버 부재(22)의 상면과 환형 돌기부(34)가 근접하여 환형 간극(39)이 형성된다.
배기부(4)는, 처리 용기(1)의 내부를 배기한다. 배기부(4)는, 배기구(13b)에 접속된 배기 배관(41)과, 배기 배관(41)에 접속된 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 기구(42)를 갖는다. 처리 시에는, 처리 용기(1) 내의 가스가 슬릿(13a)을 통하여 배기 덕트(13)에 이르고, 배기 덕트(13)로부터 배기 배관(41)을 지나 배기 기구(42)에 의해 배기된다.
가스 공급 기구(5)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 공급한다. 가스 공급 기구(5)는, TiCl4 가스 공급원(51a), N2 가스 공급원(53a), NH3 가스 공급원(55a) 및 N2 가스 공급원(57a)을 갖는다.
TiCl4 가스 공급원(51a)은, 가스 공급 라인(51b)를 통하여 티타늄 함유 가스인 TiCl4 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(51b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(51c), 저류 탱크(51d) 및 밸브(51e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(51b)의 밸브(51e)의 하류측은, 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. TiCl4 가스 공급원(51a)으로부터 공급되는 TiCl4 가스는 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(51d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(51d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(51d)로부터 처리 용기(1)로의 TiCl4 가스의 공급 및 정지는, 밸브(51e)의 개폐에 의해 행해진다. 이와 같이 저류 탱크(51d)에 TiCl4 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량의 TiCl4 가스를 처리 용기(1) 내에 안정되게 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(53a)은, 가스 공급 라인(53b)을 통하여 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급함과 함께, N2 가스는 퍼지 가스로서의 기능을 갖는다. 가스 공급 라인(53b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(53c), 밸브(53e) 및 오리피스(53f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(53b)의 오리피스(53f)의 하류측은, 가스 공급 라인(51b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(53a)으로부터 공급되는 N2 가스는 웨이퍼 W의 성막 중에 연속하여 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(53a)으로부터 처리 용기(1)로의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(53e)의 개폐에 의해 행해진다. 저류 탱크(51d)에 의해 가스 공급 라인(51b)에는 비교적 큰 유량으로 TiCl4 가스가 공급되지만, 오리피스(53f)에 의해 가스 공급 라인(51b)에 공급되는 가스가 N2 가스 공급 라인(53b)으로 역류되는 것이 억제된다. 또한, 퍼지 가스 공급 라인과 캐리어 가스 공급 라인을 각각 마련해도 된다.
NH3 가스 공급원(55a)은, 가스 공급 라인(55b)을 통하여 질소 함유 가스인 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(55b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(55c), 저류 탱크(55d) 및 밸브(55e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(55b)의 밸브(55e)의 하류측은, 가스 도입 구멍(37)에 접속되어 있다. NH3 가스 공급원(55a)으로부터 공급되는 NH3 가스는 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(55d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(55d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(55d)로부터 처리 용기(1)로의 NH3 가스의 공급 및 정지는, 밸브(55e)의 개폐에 의해 행해진다. 이와 같이 저류 탱크(55d)에 NH3 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량의 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 안정되게 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(57a)은, 가스 공급 라인(57b)을 통하여 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급함과 함께, N2 가스는 퍼지 가스로서의 기능을 갖는다. 가스 공급 라인(57b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(57c), 밸브(57e) 및 오리피스(57f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(57b)의 오리피스(57f)의 하류측은, 가스 공급 라인(55b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(57a)으로부터 공급되는 N2 가스는 웨이퍼 W의 성막 중에 연속하여 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(57a)으로부터 처리 용기(1)로의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(57e)의 개폐에 의해 행해진다. 저류 탱크(55d)에 의해 가스 공급 라인(55b)에는 비교적 큰 유량으로 NH3 가스가 공급되지만, 오리피스(57f)에 의해 가스 공급 라인(55b)에 공급되는 가스가 N2 가스 공급 라인(57b)으로 역류되는 것이 억제된다. 또한, 퍼지 가스 공급 라인과 캐리어 가스 공급 라인을 각각 마련해도 된다.
제어부(9)는, 예를 들어 컴퓨터이며, CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 보조 기억 장치 등을 구비한다. CPU는, ROM또는 보조 기억 장치에 저장된 프로그램에 기초하여 동작하여, 처리 장치(101)의 동작을 제어한다. 제어부(9)는, 처리 장치(101)의 내부에 마련되어 있어도 되고, 외부에 마련되어 있어도 된다. 제어부(9)가 처리 장치(101)의 외부에 마련되어 있는 경우, 제어부(9)는, 유선 또는 무선 등의 통신 수단에 의해, 처리 장치(101)를 제어할 수 있다.
다음에, 처리 장치(102)의 구성예에 대해 설명한다. 처리 장치(102)는, 감압 상태의 처리 용기 내에서 TiN막을 에칭하는 제2 처리 장치의 일례이다. 도 5는, TiN막을 에칭하는 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 처리 장치(102)는, 처리 장치(101)에 있어서의 가스 공급 기구(5) 대신에 가스 공급 기구(5A)를 갖고 있는 점에서 처리 장치(101)와 상이하다. 또한, 그 외의 점에 대해서는 처리 장치(101)와 동일하므로, 처리 장치(101)와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
가스 공급 기구(5A)는, 처리 장치(101)에 있어서의 가스 공급 기구(5)에 대해, Cl2 가스 공급원(52a)을 더 갖고 있다. 또한, TiCl4 가스 공급원(51a), N2 가스 공급원(53a), NH3 가스 공급원(55a) 및 N2 가스 공급원(57a)의 구성은, 처리 장치(101)와 동일하다.
Cl2 가스 공급원(52a)은, 가스 공급 라인(52b)을 통하여 에칭 가스인 Cl2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(52b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(52c), 밸브(52e) 및 오리피스(54f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(52b)의 오리피스(52f)의 하류측은, 가스 공급 라인(51b)에 접속되어 있다. Cl2 가스 공급원(52a)으로부터 처리 용기(1)로의 Cl2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(52e)의 개폐에 의해 행해진다. 저류 탱크(51d)에 의해 가스 공급 라인(51b)에는 비교적 큰 유량으로 TiCl4 가스가 공급되지만, 오리피스(52f)에 의해 가스 공급 라인(51b)에 공급되는 가스가 Cl2 가스 공급 라인(52b)으로 역류되는 것이 억제된다.
다음으로, 처리 장치(103)의 구성예에 대해 설명한다. 처리 장치(103)는, 감압 상태의 처리 용기 내에서 ALD법에 의해 텅스텐막을 형성하는 제3 처리 장치의 일례이다. 도 6은, 텅스텐막을 형성하는 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 처리 장치(103)는, 처리 장치(101)에 있어서의 가스 공급 기구(5) 대신에 가스 공급 기구(6)를 갖고 있는 점에서 처리 장치(101)와 상이하다. 또한, 그 외의 점에 대해서는 처리 장치(101)와 동일하므로, 처리 장치(101)와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
가스 공급 기구(6)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 공급한다. 가스 공급 기구(6)는, WCl6 가스 공급원(61a), N2 가스 공급원(62a), N2 가스 공급원(63a), H2 가스 공급원(64a), N2 가스 공급원(66a), N2 가스 공급원(67a) 및 H2 가스 공급원(68a)을 갖는다.
WCl6 가스 공급원(61a)은, 가스 공급 라인(61b)을 통하여 WCl6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(61b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(61c), 저류 탱크(61d) 및 밸브(61e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(61b)의 밸브(61e)의 하류측은, 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. WCl6 가스 공급원(61a)으로부터 공급되는 WCl6 가스는 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(61d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(61d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(61d)으로부터 처리 용기(1)로의 WCl6 가스의 공급 및 정지는, 밸브(61e)의 개폐에 의해 행해진다. 이와 같이 저류 탱크(61d)에 WCl6 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량의 WCl6 가스를 처리 용기(1) 내에 안정되게 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(62a)은, 가스 공급 라인(62b)을 통하여 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(62b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(62c), 저류 탱크(62d) 및 밸브(62e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(62b)의 밸브(62e)의 하류측은, 가스 공급 라인(61b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(62a)으로부터 공급되는 N2 가스는 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(62d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(62d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(62d)로부터 처리 용기(1)로의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(62e)의 개폐에 의해 행해진다. 이와 같이 저류 탱크(62d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량의 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 안정되게 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(63a)은, 가스 공급 라인(63b)을 통하여 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(63b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(63c), 밸브(63e) 및 오리피스(63f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(63b)의 오리피스(63f)의 하류측은, 가스 공급 라인(61b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(63a)으로부터 공급되는 N2 가스는 웨이퍼 W의 성막 중에 연속하여 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(63a)으로부터 처리 용기(1)로의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(63e)의 개폐에 의해 행해진다. 저류 탱크(61d, 62d)에 의해 가스 공급 라인(61b, 62b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되지만, 오리피스(63f)에 의해 가스 공급 라인(61b, 62b)에 공급되는 가스가 N2 가스 공급 라인(63b)으로 역류되는 것이 억제된다.
H2 가스 공급원(64a)은, 가스 공급 라인(64b)을 통하여 환원 가스인 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(64b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(64c), 밸브(64e) 및 오리피스(64f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(64b)의 오리피스(64f)의 하류측은, 가스 도입 구멍(37)에 접속되어 있다. H2 가스 공급원(64a)으로부터 공급되는 H2 가스는 웨이퍼 W의 성막 중에 연속하여 처리 용기(1) 내에 공급된다. H2 가스 공급원(64a)으로부터 처리 용기(1)로의 H2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(64e)의 개폐에 의해 행해진다. 저류 탱크(66d, 68d)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되지만, 오리피스(64f)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에 공급되는 가스가 H2 가스 공급 라인(64b)으로 역류되는 것이 억제된다.
N2 가스 공급원(66a)은, 가스 공급 라인(66b)을 통하여 퍼지 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(66b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(66c), 저류 탱크(66d) 및 밸브(66e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(66b)의 밸브(66e)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(66a)으로부터 공급되는 N2 가스는 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(66d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(66d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(66d)로부터 처리 용기(1)로의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(66e)의 개폐에 의해 행해진다. 이와 같이 저류 탱크(66d)에 N2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량의 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 안정되게 공급할 수 있다.
N2 가스 공급원(67a)은, 가스 공급 라인(67b)을 통하여 캐리어 가스인 N2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(67b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(67c), 밸브(67e) 및 오리피스(67f)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(67b)의 오리피스(67f)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. N2 가스 공급원(67a)으로부터 공급되는 N2 가스는 웨이퍼 W의 성막 중에 연속하여 처리 용기(1) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(67a)으로부터 처리 용기(1)로의 N2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(67e)의 개폐에 의해 행해진다. 저류 탱크(66d, 68d)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되지만, 오리피스(67f)에 의해 가스 공급 라인(66b, 68b)에 공급되는 가스가 N2 가스 공급 라인(67b)으로 역류되는 것이 억제된다.
H2 가스 공급원(68a)은, 가스 공급 라인(68b)을 통하여 환원 가스인 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급 라인(68b)에는, 상류측으로부터 유량 제어기(68c), 저류 탱크(68d)및 밸브(68e)가 개재 설치되어 있다. 가스 공급 라인(68b)의 밸브(68e)의 하류측은, 가스 공급 라인(64b)에 접속되어 있다. H2 가스 공급원(68a)으로부터 공급되는 H2 가스는 처리 용기(1) 내에 공급되기 전에 저류 탱크(68d)에서 일단 저류되어, 저류 탱크(68d) 내에서 소정의 압력으로 승압된 후, 처리 용기(1) 내에 공급된다. 저류 탱크(68d)로부터 처리 용기(1)로의 H2 가스의 공급 및 정지는, 밸브(68e)의 개폐에 의해 행해진다. 이와 같이 저류 탱크(68d)에 H2 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 큰 유량의 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 안정되게 공급할 수 있다.
〔기판 처리 시스템의 동작〕
다음에, 기판 처리 시스템 동작의 일례에 대해, 도 3을 참조하여 설명한다.
먼저, 전체 제어부(600)는, 반송 기구(402)를 제어하여, 예를 들어 로드 포트(501)의 캐리어 C에 수용된 웨이퍼 W를 얼라이너(401)로 반송시킨다. 웨이퍼 W에는, 절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성되어 있다. 전체 제어부(600)는, 얼라이너(401)를 동작시켜 웨이퍼 W의 위치 정렬을 행한다. 계속해서, 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G31을 개방함과 함께, 반송 기구(402)를 제어하여, 얼라이너(401)의 웨이퍼 W를 로드 로크실(301)로 반송시킨다. 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G31을 폐쇄하여, 로드 로크실(301) 내를 진공 분위기로 한다. 또한, 웨이퍼 W의 위치 정렬이 불필요한 경우에는, 전체 제어부(600)는, 반송 기구(402)를 제어하여, 로드 포트(501)의 캐리어 C에 수용된 웨이퍼 W를, 얼라이너(401)로 반송시키지 않고, 로드 로크실(301)로 반송시킨다.
전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G11, G21을 개방함과 함께, 반송 기구(201)를 제어하여, 로드 로크실(301)의 웨이퍼 W를 처리 장치(101)로 반송시킨다. 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G11, G21을 폐쇄하여, 처리 장치(101)를 동작시킨다. 이에 의해, 처리 장치(101)는, 웨이퍼 W에 대해, 오목부 내에 TiN막을 콘포멀하게 형성하는 처리를 실시한다.
계속해서, 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G11, G12를 개방함과 함께, 반송 기구(201)를 제어하여, 처리 장치(101)에 의해 처리된 웨이퍼 W를 처리 장치(102)로 반송시킨다. 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G11, G12를 폐쇄하여, 처리 장치(102)을 동작시킨다. 이에 의해, 처리 장치(102)는, 웨이퍼 W에 대해, 오목부의 내벽 상부의 절연막의 표면을 노출시키고, 오목부 내의 저부에 TiN막을 잔존시키도록 TiN막을 에칭하는 처리를 실시한다.
계속해서, 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G12, G13을 개방함과 함께, 반송 기구(201)를 제어하여, 처리 장치(102)에 의해 처리된 웨이퍼 W를 처리 장치(103)로 반송시킨다. 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G12, G13을 폐쇄하여, 처리 장치(103)를 동작시킨다. 이에 의해, 처리 장치(103)는, 웨이퍼 W에 대해, 오목부 내의 저부에 잔존하는 TiN막 위에 텅스텐막을 선택적으로 성장시키는 처리를 실시한다.
계속해서, 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G13, G23을 개방함과 함께, 반송 기구(201)를 제어하여, 처리 장치(103)에서 처리된 웨이퍼 W를 로드 로크실(303)로 반송시킨다. 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G13, G23을 폐쇄하여, 로드 로크실(303) 내를 대기 분위기로 한다. 전체 제어부(600)는, 게이트 밸브 G33을 개방함과 함께, 반송 기구(402)를 제어하여, 로드 로크실(303)의 웨이퍼 W를 로드 포트(503)의 캐리어 C로 반송하여 수용시킨다.
이와 같이, 도 3에 나타내는 기판 처리 시스템에 의하면, 처리 장치(101 내지 103)에 의해 웨이퍼 W에 처리가 실시되는 동안, 웨이퍼 W가 대기에 폭로되는 일이 없다. 바꾸어 말하면, 도 3에 나타내는 기판 처리 시스템에 의하면, 진공을 깨뜨리지 않고 웨이퍼 W에 소정의 처리를 실시할 수 있다.
이하, 처리 장치(101 내지 103)의 동작(공정 S10, S20, S30)에 대해, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
(처리 장치(101)의 동작)
도 4를 참조하여, 처리 장치(101)의 동작에 대해 설명한다. 먼저, 밸브(51e, 53e, 55e, 57e)가 폐쇄된 상태에서, 게이트 밸브(12)를 개방하여 반송 기구(도시되지 않음)에 의해 웨이퍼 W를 처리 용기(1) 내로 반송하고, 반송 위치에 있는 적재대(2)에 적재한다. 반송 기구를 처리 용기(1) 내로부터 퇴피시킨 후, 게이트 밸브(12)를 폐쇄한다. 적재대(2)의 히터(21)에 의해 웨이퍼 W를 소정의 온도로 가열함과 함께 적재대(2)를 처리 위치까지 상승시켜, 처리 공간(38)을 형성한다. 또한, 배기 기구(42)의 압력 제어 밸브(도시되지 않음)에 의해 처리 용기(1) 내를 소정의 압력으로 조정한다.
이어서, 밸브(53e, 57e)를 개방하여, N2 가스 공급원(53a, 57a)으로부터 각각 가스 공급 라인(53b, 57b)에 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, TiCl4 가스 공급원(51a)으로부터 TiCl4 가스를 가스 공급 라인(51b)에 공급하고, NH3 가스 공급원(55a)으로부터 NH3 가스를 가스 공급 라인(55b)에 공급한다. 이 때, 밸브(51e, 55e)가 폐쇄되어 있으므로, TiCl4 가스 및 NH3 가스는, 저류 탱크(51d, 55d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(51d, 55d) 내가 승압한다.
다음에, 밸브(51e)를 개방하여, 저류 탱크(51d)에 저류된 TiCl4 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼 W의 표면에 흡착시킨다.
밸브(51e)를 개방하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(51e)를 폐쇄함으로써, 처리 용기(1) 내로의 TiCl4 가스의 공급을 정지한다. 이 때, 처리 용기(1) 내에는 캐리어 가스가 공급되기 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 TiCl4 가스가 배기 배관(41)으로 배출되고, 처리 용기(1) 내가 TiCl4 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다. 한편, 밸브(51e)가 폐쇄된 것에 의해, TiCl4 가스 공급원(51a)으로부터 가스 공급 라인(51b)에 공급되는 TiCl4 가스가 저류 탱크(51d)에 저류되어, 저류 탱크(51d) 내가 승압한다.
밸브(51e)를 폐쇄하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(55e)를 개방한다. 이에 의해, 저류 탱크(55d)에 저류된 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼 W의 표면에 흡착된 TiCl4 가스를 환원한다.
밸브(55e)를 개방하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(55e)를 폐쇄함으로써, 처리 용기(1) 내로의 NH3 가스의 공급을 정지한다. 이 때, 처리 용기(1) 내에는 캐리어 가스가 공급되기 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 NH3 가스가 배기 배관(41)으로 배출되고, 처리 용기(1) 내가 NH3 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다. 한편, 밸브(55e)가 폐쇄된 것에 의해, NH3 가스 공급원(55a)으로부터 가스 공급 라인(55b)에 공급되는 NH3 가스가 저류 탱크(55d)에 저류되어, 저류 탱크(55d) 내가 승압한다.
상기 사이클을 1회 실시함으로써, TiN막의 표면에 얇은 TiN 단위막을 형성한다. 그리고, 상기 사이클을 복수회 반복함으로써 원하는 막 두께의 TiN막을 형성한다. 그 후, 처리 용기(1) 내로의 반입시와는 역의 수순으로 웨이퍼 W를 처리 용기(1)로부터 반출한다.
또한, 처리 장치(101)를 사용하여 오목부 내에 TiN막을 콘포멀하게 형성하는 경우의 바람직한 성막 조건의 일례는 이하와 같다.
<성막 조건>
웨이퍼 온도: 460 내지 650℃
처리 용기 내 압력: 3 내지 5Torr(400 내지 667Pa)
TiCl4 가스 유량: 150 내지 300sccm
NH3 가스 유량: 3800 내지 7000sccm
캐리어 가스(N2 가스) 유량: 1000 내지 6000sccm
또한, 처리 장치(101)에 고주파 전원을 마련하고, TDMAT 및 Ar의 혼합 가스의 공급과 NH3, Ar 및 H2의 혼합 가스의 공급을 퍼지 가스의 공급을 사이에 두고 교대로 반복함으로써, 오목부 내에 TiN막을 콘포멀하게 형성해도 된다. 이 때, NH3, Ar 및 H2의 혼합 가스는 플라스마화하는 것이 바람직하다. 이 경우의 바람직한 성막 조건의 일례는 이하와 같다.
<성막 조건>
웨이퍼 온도: 200 내지 400℃
처리 용기 내 압력: 1 내지 5Torr(133 내지 667Pa)
TDMAT/Ar 유량: 50 내지 200sccm/1000 내지 6000sccm
NH3/Ar/H2 유량: 500 내지 1500sccm/500 내지 5000sccm/500 내지 5000sccm
고주파 전력: 300 내지 1500W
(처리 장치(102)의 동작)
도 5를 참조하여, 처리 장치(102)의 동작에 대해 설명한다. 먼저, 밸브(51e, 52e, 53e, 55e, 57e)가 폐쇄된 상태에서, 게이트 밸브(12)를 개방하여 반송 기구(도시되지 않음)에 의해 웨이퍼 W를 처리 용기(1) 내로 반송하고, 반송 위치에 있는 적재대(2)에 적재한다. 반송 기구를 처리 용기(1) 내로부터 퇴피시킨 후, 게이트 밸브(12)를 폐쇄한다. 적재대(2)의 히터(21)에 의해 웨이퍼 W를 소정의 온도로 가열함과 함께 적재대(2)를 처리 위치까지 상승시켜, 처리 공간(38)을 형성한다. 또한, 배기 기구(42)의 압력 제어 밸브(도시되지 않음)에 의해 처리 용기(1) 내를 소정의 압력으로 조정한다.
이어서, 밸브(53e, 57e)를 개방하여, N2 가스 공급원(53a, 57a)으로부터 각각 가스 공급 라인(53b, 57b)에 소정의 유량의 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 밸브(52e)를 개방하여, Cl2 가스 공급원(52a)으로부터 Cl2 가스를 가스 공급 라인(52b)에 공급한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내에 Cl2 가스가 공급되므로, TiN막이 에칭된다. 이 때, 오목부의 내벽 상부의 TiN막이 제거되고, 오목부 내의 저부에 TiN막이 잔존하도록 TiN막을 에칭한다.
밸브(52e)를 개방하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(52e)를 폐쇄함으로써, 처리 용기(1) 내로의 Cl2 가스의 공급을 정지한다. 이 때, 처리 용기(1) 내에는 캐리어 가스가 공급되기 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 Cl2 가스가 배기 배관(41)으로 배출되고, 처리 용기(1) 내가 Cl2 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다.
밸브(52e)를 폐쇄하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(53e, 57e)를 폐쇄함으로써, 처리 용기(1) 내로의 캐리어 가스의 공급을 정지한다. 그 후, 처리 용기(1) 내로의 반입시와는 역의 수순으로 웨이퍼 W를 처리 용기(1)로부터 반출한다.
또한, 처리 장치(102)를 사용하여 오목부의 내벽 상부의 절연막의 표면을 노출시키고, 오목부 내의 저부에 TiN막을 잔존시키도록 TiN막을 에칭하는 경우의 바람직한 에칭 조건은 이하와 같다.
<에칭 조건>
웨이퍼 온도: 100 내지 300℃
처리 용기 내 압력: 0.5 내지 5Torr(67 내지 667Pa)
Cl2 가스 유량: 30 내지 1000sccm
캐리어 가스(N2 가스): 1000 내지 6000sccm
또한, 가스 공급 기구(5A)로서 ClF3 가스 공급원을 마련하고, 처리 용기(1) 내에 ClF3 가스를 공급함으로써, 오목부의 내벽 상부의 절연막의 표면을 노출시키고, 오목부 내의 저부에 TiN막을 잔존시키도록 TiN막을 에칭해도 된다. 이 경우의 바람직한 에칭 조건의 일례는 이하와 같다.
<에칭 조건>
웨이퍼 온도: 100 내지 200℃
처리 용기 내 압력: 0.5 내지 5Torr(67 내지 667Pa)
ClF3 가스 유량: 5 내지 500sccm
캐리어 가스(N2 가스): 1000 내지 6000sccm
(처리 장치(103)의 동작)
도 6을 참조하여, 처리 장치(103)의 동작에 대해 설명한다. 먼저, 밸브(61e 내지 64e, 66e 내지 68e)가 폐쇄된 상태에서, 게이트 밸브(12)를 개방하여 반송 기구(도시되지 않음)에 의해 웨이퍼 W를 처리 용기(1) 내로 반송하고, 반송 위치에 있는 적재대(2)에 적재한다. 반송 기구를 처리 용기(1) 내로부터 퇴피시킨 후, 게이트 밸브(12)를 폐쇄한다. 적재대(2)의 히터(21)에 의해 웨이퍼 W를 소정의 온도로 가열함과 함께 적재대(2)를 처리 위치까지 상승시켜, 처리 공간(38)을 형성한다. 또한, 배기 기구(42)의 압력 제어 밸브(도시되지 않음)에 의해 처리 용기(1) 내를 소정의 압력으로 조정한다.
이어서, 밸브(63e, 67e)를 개방하여, N2 가스 공급원(63a, 67a)으로부터 각각 가스 공급 라인(63b, 67b)에 캐리어 가스(N2 가스)를 공급한다. 또한, 밸브(64e)를 개방하여, H2 가스 공급원(64a)으로부터 가스 공급 라인(64b)에 H2 가스를 공급한다. 또한, WCl6 가스 공급원(61a) 및 H2 가스 공급원(68a)으로부터 각각 WCl6 가스 및 H2 가스를 가스 공급 라인(61b, 68b)에 공급한다. 이 때, 밸브(61e, 68e)가 폐쇄되어 있으므로, WCl6 가스 및 H2 가스는, 저류 탱크(61d, 68d)에 각각 저류되어, 저류 탱크(61d, 68d) 내가 승압한다.
이어서, 밸브(61e)를 개방하여, 저류 탱크(61d)에 저류된 WCl6 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼 W의 표면에 흡착시킨다. 또한, 처리 용기(1) 내로의 WCl6 가스의 공급에 병행하여, N2 가스 공급원(62a, 66a)으로부터 가스 공급 라인(62b, 66b)에 각각 퍼지 가스(N2 가스)를 공급한다. 이 때, 밸브(62e, 66e)가 폐쇄된 것에 의해, 퍼지 가스는 저류 탱크(62d, 66d)에 저류되어, 저류 탱크(62d, 66d) 내가 승압한다.
밸브(61e)를 개방하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(61e)를 폐쇄함과 함께 밸브(62e, 66e)를 개방한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내로의 WCl6 가스의 공급을 정지함과 함께 저류 탱크(62d, 66d)에 각각 저류된 퍼지 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 이 때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(62d, 66d)로부터 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 WCl6 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 WCl6 가스 분위기로부터 H2 가스와 N2 가스를 포함하는 분위기로 단시간에 치환된다. 한편, 밸브(61e)가 폐쇄된 것에 의해, WCl6 가스 공급원(61a)으로부터 가스 공급 라인(61b)에 공급되는 WCl6 가스가 저류 탱크(61d)에 저류되어, 저류 탱크(61d) 내가 승압한다.
밸브(62e, 66e)를 개방하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(62e, 66e)를 폐쇄함과 함께 밸브(68e)를 개방한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내로의 퍼지 가스의 공급을 정지함과 함께 저류 탱크(68d)에 저류된 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, 웨이퍼 W의 표면에 흡착된 WCl6 가스를 환원한다. 이 때, 밸브(62e, 66e)가 폐쇄된 것에 의해, N2 가스 공급원(62a, 66a)으로부터 가스 공급 라인(62b, 66b)에 각각 공급되는 퍼지 가스가 저류 탱크(62d, 66d)에 저류되어, 저류 탱크(62d, 66d) 내가 승압한다.
밸브(68e)를 개방하고 나서 소정의 시간이 경과된 후, 밸브(68e)를 폐쇄함과 함께 밸브(62e, 66e)를 개방한다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내로의 H2 가스의 공급을 정지함과 함께 저류 탱크(62d, 66d)에 각각 저류된 퍼지 가스를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 이 때, 압력이 상승한 상태의 저류 탱크(62d, 66d)로부터 공급되므로, 처리 용기(1) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 유량으로 퍼지 가스가 공급된다. 그 때문에, 처리 용기(1) 내에 잔류하는 H2 가스가 빠르게 배기 배관(41)으로 배출되어, 처리 용기(1) 내가 H2 가스 분위기로부터 H2 가스와 N2 가스를 포함하는 분위기로 단시간에 치환된다. 한편, 밸브(68e)가 폐쇄된 것에 의해, H2 가스 공급원(68a)으로부터 가스 공급 라인(68b)에 공급되는 H2 가스가 저류 탱크(68d)에 저류되어, 저류 탱크(68d) 내가 승압한다.
상기 사이클을 1회 실시함으로써, TiN막의 표면에 얇은 텅스텐 단위막을 형성한다. 그리고, 상기 사이클을 복수회 반복함으로써 원하는 막 두께의 텅스텐막을 성막한다. 이 때, 오목부의 내벽 상부의 TiN막이 제거되고, 오목부 내의 저부에 TiN막이 잔존하고 있으므로, 오목부 내의 저부에 잔존하는 TiN막 위에 텅스텐막이 선택적으로 성장한다. 이에 의해, 오목부 내에 있어서 텅스텐막을 보텀 업 성장시킬 수 있다. 그 때문에, 오목부 내에 보이드를 발생시키지 않고 금속막을 메울 수 있다. 또한, 오목부 내가 금속막으로 메워지기 전에 오목부의 내벽 상부에 있어서 인접하는 패턴이 접촉하는 것을 억제할 수 있으므로, 오목부에 금속막을 메울 때의 패턴 도괴를 억제할 수 있다. 오목부에 텅스텐막을 메운 후, 처리 용기(1) 내로의 반입시와는 역의 수순으로 웨이퍼 W를 처리 용기(1)로부터 반출한다.
또한, 처리 장치(103)를 사용하여 오목부 내의 저부에 잔존하는 TiN막 위에 텅스텐막을 선택적으로 성장시키는 경우의 바람직한 성막 조건은 이하와 같다.
<성막 조건>
웨이퍼 온도: 450 내지 650℃
처리 용기 내 압력: 15 내지 40Torr(2.0 내지 5.3kPa)
WCl6 가스 유량: 3 내지 30sccm
H2 가스 유량: 1000 내지 9000sccm
캐리어 가스(N2 가스) 유량: 1000 내지 8000sccm
또한, 가스 공급 기구(6)로서 Ru3(CO)12 가스 공급 기구를 마련하고, Ru3(CO)12가스를 사용한 열 CVD법에 의해, 오목부 내의 저부에 잔존하는 TiN막 위에 루테늄막을 선택적으로 성장시켜도 된다. 또한, Ru3(CO)12 가스 공급 기구는, 예를 들어 고체형의 Ru3(CO)12를 수용하여 가열 가능한 원료 용기와, 원료 용기 내에 캐리어 가스로서의 CO 가스를 공급 가능한 캐리어 가스 공급 배관을 갖는다. 이 경우의 바람직한 성막 조건의 일례는 이하와 같다.
<성막 조건>
웨이퍼 온도: 100 내지 250℃
처리 용기 내 압력: 1 내지 100mTorr(0.13 내지 13.3Pa)
Ru3(CO)12 가스 유량: 1 내지 5sccm
CO 가스 유량: 300 내지 700sccm
(실험예)
다음에, 실험예에 대해 설명한다. 도 7은, 루테늄막의 선택 성장의 실험 수순의 설명도이다.
실험예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(1001) 위에 TiN막(1002) 및 라인형으로 패터닝된 SiO2막(1003)이 적층된 시료에 대해, 열 CVD법에 의해 루테늄(Ru)막을 20nm의 두께로 성막했다. 또한, 제작한 시료의 단면을 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)에 의해 관찰했다.
도 8은, 오목부 내의 저부에 존재하는 TiN막 위에 루테늄막을 선택적으로 성장시킨 상태를 나타내는 SEM 사진이다. 도 8에 도시된 바와 같이, TiN막의 표면에 루테늄막이 성막되어 있는 것에 비해, SiO2막의 표면에는 루테늄막이 성막되지 않은 것을 알 수 있다. 이와 같은 점에서, 오목부 내의 저부에 TiN막을 잔존시킴으로써, 오목부 내에 루테늄막을 보텀 업 성장시킬 수 있다고 할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그의 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 반도체 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼여도 되고, GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체 웨이퍼여도 된다. 또한, 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 액정 표시 장치 등의 FPD(플랫 패널 디스플레이)에 사용하는 유리 기판이나, 세라믹 기판 등이어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 웨이퍼를 1매씩 처리하는 매엽식 장치를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 한번에 복수의 웨이퍼에 대해 처리를 행하는 뱃치식 장치여도 된다.

Claims (10)

  1. 절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성된 기판에 대해, 상기 오목부 내에 금속막을 메우는 성막 방법이며,
    상기 오목부 내에 상기 오목부의 내벽 상부에 있어서 인접하는 패턴이 접촉하지 않도록 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정과,
    상기 오목부의 내벽 상부의 상기 절연막의 표면을 노출시키고, 상기 오목부 내의 저부에 상기 하지막을 잔존시키도록 상기 하지막을 에칭하는 공정과,
    상기 오목부 내의 저부에 잔존하는 상기 하지막 위에 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정
    을 포함하고,
    상기 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정은, 티타늄 함유 가스를 사용한 ALD법에 의해 행해지고,
    상기 금속막이 선택적으로 성장되는 공정은, 상기 절연막에 대한 인큐베이션 타임보다도 상기 하지막에 대한 인큐베이션 타임이 짧은 가스를 공급함으로써 행해지고,
    상기 금속막은 텅스텐 또는 루테늄인,
    성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하지막을 에칭하는 공정은, 공급 율속 상태에서 행해지는,
    성막 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정과, 상기 하지막을 에칭하는 공정과, 상기 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정은, 동일한 처리 용기 내에서 연속하여 행해지는,
    성막 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정과, 상기 하지막을 에칭하는 공정과, 상기 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정은, 진공 반송실을 통하여 접속된 별도의 처리 용기 내에서 행해지는,
    성막 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하지막을 에칭하는 공정은, 할로겐 함유 가스를 사용한 에칭에 의해 행해지는,
    성막 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정은, 텅스텐 함유 가스 또는 루테늄 함유 가스를 사용한 CVD법 또는 ALD법에 의해 행해지는,
    성막 방법.
  9. 절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성된 기판에 대해, 상기 오목부 내에 금속막을 메우는 성막 방법을 실행하는 기판 처리 시스템이며,
    감압 상태에서 기판을 반송 가능한 반송 기구를 내부에 갖는 진공 반송실과,
    상기 진공 반송실에 접속된 제1 처리 장치, 제2 처리 장치 및 제3 처리 장치와,
    제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 반송 기구에 의해 상기 기판을 상기 제1 처리 장치로 반송하고, 상기 제1 처리 장치에 있어서 상기 오목부 내에 상기 오목부의 내벽 상부에 있어서 인접하는 패턴이 접촉하지 않도록 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정과,
    상기 반송 기구에 의해 상기 기판을 상기 제1 처리 장치로부터 상기 진공 반송실을 통하여 상기 제2 처리 장치로 반송하고, 상기 오목부의 내벽 상부의 상기 절연막의 표면을 노출시키고, 상기 오목부 내의 저부에 상기 하지막을 잔존시키도록 상기 하지막을 에칭하는 공정과,
    상기 반송 기구에 의해 상기 기판을 상기 제2 처리 장치로부터 상기 진공 반송실을 통하여 상기 제3 처리 장치로 반송하고, 상기 오목부 내의 저부에 잔존하는 상기 하지막 위에 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정
    을 이 순서로 실행하도록, 상기 진공 반송실, 상기 제1 처리 장치, 상기 제2 처리 장치 및 상기 제3 처리 장치를 제어하고,
    상기 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정은, 티타늄 함유 가스를 사용한 ALD법에 의해 행해지고,
    상기 금속막이 선택적으로 성장되는 공정은, 상기 절연막에 대한 인큐베이션 타임보다도 상기 하지막에 대한 인큐베이션 타임이 짧은 가스를 공급함으로써 행해지고,
    상기 금속막은 텅스텐 또는 루테늄인,
    기판 처리 시스템.
  10. 절연막을 표면에 갖는 오목부가 형성된 기판에 대해, 상기 오목부 내에 금속막을 메우는 성막 방법을 실행하는 기판 처리 시스템이며,
    처리 장치와,
    제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 처리 장치에 기판을 반송하고, 상기 처리 장치에 있어서,
    상기 오목부 내에 상기 오목부의 내벽 상부에 있어서 인접하는 패턴이 접촉하지 않도록 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정과,
    상기 오목부의 내벽 상부의 상기 절연막의 표면을 노출시키고, 상기 오목부 내의 저부에 상기 하지막을 잔존시키도록 상기 하지막을 에칭하는 공정과,
    상기 오목부 내의 저부에 잔존하는 상기 하지막 위에 금속막을 선택적으로 성장시키는 공정
    을 이 순서로 연속하여 실행하도록, 상기 처리 장치를 제어하고,
    상기 하지막을 콘포멀하게 형성하는 공정은, 티타늄 함유 가스를 사용한 ALD법에 의해 행해지고,
    상기 금속막이 선택적으로 성장되는 공정은, 상기 절연막에 대한 인큐베이션 타임보다도 상기 하지막에 대한 인큐베이션 타임이 짧은 가스를 공급함으로써 행해지고,
    상기 금속막은 텅스텐 또는 루테늄인,
    기판 처리 시스템.
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