KR100558768B1 - 성막개질장치 및 성막개질방법 - Google Patents

성막개질장치 및 성막개질방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성막장치, 성막개질장치, 성막방법 및 성막개질방법에 관한 것으로서,
성막·개질시스템은 알콜공급수단을 구비하고 반도체웨이퍼에 대하여 기화상태의 금속산화막원료와 기화상태의 알콜의 존재하의 진공분위기속에서 금속산화막을 형성하는 성막장치와, 자외선조사수단을 구비하고, 오존에 자외선을 조사하여 활성산소원자를 발생시키고 금속산화막을 진공분위기하에서 활성산소원자에 드러냄으로써 금속산화막을 개질하는 성막개질장치와, 성막장치와 성막개질장치에 공통으로 연결되고 진공상태를 유지하면서 성막장치와 성막개질장치의 사이에서 피처리체를 이동재치하는 공통이동재치실을 구비하는 것을 특징으로 한다.
재치대, 처리가스공급수단, 활성산소발생수단, 진공배기계, 자외선조사수단, 마이크로파발생수단, 샤워헤드

Description

성막개질장치 및 성막개질방법{FILM MODIFYING APPARATUS AND METHOD}
도 1은 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치의 제 1 실시형태를 나타내는 개략전체구성도.
도 2는 도 1에 나타내는 성막장치의 본체를 나타내는 구성도.
도 3은 도 1에 나타내는 성막장치의 원료공급수단 및 알콜공급수단의 변형예를 나타내는 개략도.
도 4는 도 1에 나타내는 성막장치에서의 프로세스온도와 성막속도의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 도 1에 나타내는 성막장치에서의 금속알콕시드에 대한 알콜의 첨가량과 성막속도의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 도 1에 나타내는 성막장치에서의 알콜의 첨가량을 20중량% 이상까지 다량으로 첨가했을 때의 성막속도를 나타내는 그래프.
도 7은 본원의 제 1 발명의 제 2 실시형태에 관련되는 성막장치의 본체를 나타내는 구성도.
도 8은 도 7에 나타내는 성막장치에 이용하는 알콜분해촉매의 형상을 나타내는 평면도.
도 9는 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막개질장치의 제 1 실시형태를 나타 내는 구성도.
도 10은 도 9에 나타내는 성막개질장치에서의 오존분위기속에서 자외선을 조사했을 때의 조사시간과 절연특성의 관계를 나타내는 그래프.
도 11은 도 9에 나타내는 성막개질장치에서의 오존존재하에서의 자외선조사에 의한 개질프로세스압력과 절연내압의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는 도 9에 나타내는 성막개질장치에서의 감압하에 있어서의 산화탄탈막을 자외선에 의해 개질처리했을 때의 결과를 나타내는 그래프.
도 13은 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막개질장치의 제 2 실시형태를 나타내는 구성도.
도 14는 본원의 제 2 발명의 성막개질장치의 제 3 실시형태의 주요부를 나타내는 구성도.
도 15는 도 14에 나타내는 성막개질장치의 샤워헤드를 나타내는 하면도.
도 16은 도 14에 나타내는 성막개질장치에서의 가스분사관의 개구율과 절연내압의 관계를 나타내는 그래프.
도 17은 본원의 제 2 발명의 제 4 실시형태의 성막개질장치의 주요부를 나타내는 구성도.
도 18은 도 17에 나타내는 성막개질장치의 재치대가 강하한 상태를 나타내는 도면.
도 19는 도 17에 나타내는 성막개질장치의 샤워헤드를 나타내는 단면도.
도 20은 본원의 제 2 발명의 제 5 실시형태에 관련되는 성막개질장치를 나타 내는 구성도.
도 21은 본원의 제 2 발명의 제 6 실시형태에 관련되는 성막개질장치를 나타내는 구성도.
도 22는 도 21에 나타내는 성막개질장치에서의 절연내압의 활성산소처리의 온도의존성을 나타내는 그래프.
도 23은 도 21에 나타내는 성막개질장치에서의 절연내막의 활성산소처리의 온도의존성을 나타내는 그래프.
도 24는 도 21에 나타내는 성막개질장치에서의 절연내압의 활성산소의 처리시간의존성을 나타내는 그래프.
도 25는 본원의 제 2 발명의 제 7 실시형태에 관련되는 성막개질장치를 나타내는 구성도.
도 26은 본원의 제 2 발명의 성막개질장치의 제 8 실시형태에 관련되는 성막개질장치를 나타내는 구성도.
도 27은 도 26에 나타내는 성막개질장치의 샤워헤드를 나타내는 하면도.
도 28은 도 26에 나타내는 성막개질장치(500)에서의 웨이퍼온도와 절연내압의 관계를 나타내는 그래프.
도 29는 본원의 제 3 발명에 관련되는 성막·개질시스템의 제 1 실시형태를 나타내는 개략사시도.
도 30은 도 29에 나타내는 성막·개질시스템의 수평단면도.
도 31은 도 29에 나타내는 성막·개질시스템을 피처리체의 반송경로를 따라 서 절단한 단면도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2: 성막장치 4: 장치 본체
6: 원료공급수단 10: 금속산화막원료
12: 원료탱크 14: 가열히터
20: 원료공급통로 22: 원료도입구
26: 기화기 38: 버블링관
46: 처리용기 46A: 바닥부
50: 터보분자펌프(TMP) 52: 드라이펌프(DP)
54: 진공배기계 58: 재치대
60: 다리부 62: 시일부재
70: 정전척 76: 급전부
86: 웨이퍼리프터핀 88: 샤워헤드
105: 예비실 204: 처리용기
본 발명은 예를 들면 산화탄탈과 같은 절연막에 적합한 금속산화막의 성막장치 및 성막방법에 관한 것이다. 또 본 발명은 금속산화막의 개질장치 및 개질방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체디바이스를 제조하는 데에는 반도체웨이퍼에 성막처리나 패턴에칭처리를 반복하여 실시해서 소망하는 디바이스를 제조한다. 그 중에서도 성막기술은 반도체디바이스가 고밀도화 및 고집적화하는 데에 동반하여 그 형식이 해마다 엄격해지고 있다. 예를 들면 디바이스중의 캐퍼시터의 절연막이나 게이트절연막과 같은 매우 얇은 산화막에 대하여 더한층의 박막화가 요구되고, 이와 동시에 더욱 높은 절연성이 요구되고 있다.
상기한 절연막으로서는 실리콘산화막이나 실리콘나이트라이드막 등을 이용할 수 있다. 그러나 최근 보다 절연특성이 양호한 재료로서 금속산화막, 예를 들면 산화탄탈(Ta2O5)이 이용되는 경향에 있다. 이 금속산화막은 얇아도 신뢰성이 높은 절연성을 발휘한다. 이 금속산화막의 성막후에 이 표면의 개질처리를 실시함으로써 더욱 절연성을 향상시킬 수 있는 것이 발견되고 일본국 특허 공개공보90-283022호(이하 선행문헌 1이라 한다)에 그 기술이 개시되어 있다.
이하 이 금속산화막의 형성에 대하여 산화탄탈을 예로 들어서 설명한다. 상기 선행문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이 성막용의 원료로서 탄탈의 금속알콕시드(Ta(OC2H5)5)를 이용하고, 이를 질소가스 등으로 버블링하면서 공급하여 반도체웨이퍼를 예를 들면 약 400℃의 프로세스온도로 유지하고, 이 프로세스에 의해 진공분위기하에서 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 산화탄탈막(Ta2O5)을 형성하고 있다.
그리고 필요에 따라서 더한층의 절연특성의 향상을 꾀하는 경우에는 이 반도 체웨이퍼를 오존을 포함하는 분위기속에 반입하고 대기압하에서 오존에 수은램프로부터 자외선을 조사함으로서 활성산소원자를 발생시키고, 이 활성산소원자를 이용하여 상기 산화탄탈막을 개질함으로써 한층 특성이 양호한 절연막을 얻고 있다.
반도체디바이스의 절연막의 형성에서는 상기한 바와 같이 절연막의 특성을 향상시키는 것이 중요하다. 그러나 이와 동시에 품질이 양호한 디바이스를 다량으로 제조하는 데에서 생산성, 즉 시스템효율이 높은 것이 필요하게 된다. 상기한 성막처리 및 개질공정은 실시하는 데에 상당한 시간을 요해서 시스템효율이 그다지 양호하지 않다.
성막공정에서는 산화탄탈막의 성막속도는 약 1∼2nm/분이다. 금속산화막의 성막속도를 대폭으로 향상시키는 것이 큰 과제로 되고 있다. 한편 개질공정에서는 자외선량이나 오존의 양에도 의하지만 사용에 견딜 수 있는 절연내압을 얻기 위해서는 통상 웨이퍼 한 장에 대하여 약 30분의 개질처리를 실시하지 않으면 안된다. 이 결과 시스템효율이 충분하지는 않아서 고비용이 되는 문제가 있다.
성막속도의 향상을 위한 기술로서는 성막원료인 금속알콕시드에 예를 들면 에탄올 등의 알콜류를 포함하는 공비성 유기용제를 첨가하고, 얻어진 혼합물을 기화시켜서 성막장치에 도입하여 성막을 실시하는 것이 일본국 특허 공개공보93-247650호(이하 선행문헌 2라 한다)에 개시되어 있다.
본 발명의 제 1 목적은 금속산화막의 성막속도를 향상시킬 수 있는 성막장치 및 성막방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 2 목적은 금속산화막의 절연내압을 단시간으로 향상시킬 수 있는 성막개질장치 및 성막개질방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 3 목적은 금속산화막의 성막속도를 향상하는 동시에 금속산화막의 절연내압을 단시간으로 향상시킬 수 있는 성막·개질장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 처리용기와,
상기 처리용기내에 수용된 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와,
상기 처리용기내에 기화상태의 금속산화막원료를 공급하는 원료공급수단과,
상기 처리용기내에 기화상태의 알콜을 공급하는 알콜공급수단과,
상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하는 것을 특징으로 하는 피처리체의 표면에 금속산화막을 성막하는 성막장치를 제공한다.
본 발명은 처리용기와,
상기 처리용기내에 수용된 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와,
산소, 오존 또는 N2O가스의 어느쪽인가 1종류를 함유하는 처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과,
상기 처리용기내의 분위기속에 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 발생시키는 활성산소발생수단과,
상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하는 것을 특징으로 하는 피처리체상에 성막된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 개질장치를 제공한다.
본 발명은 피처리체에 대하여 기화상태의 금속산화막원료와 기화상태의 알콜의 존재하의 진공분위기속에서 금속산화막을 형성하는 성막처리부와,
상기 금속산화막을 진공분위기하에서 활성산소원자에 드러냄으로써 개질하느 개질처리부와,
상기 성막장치와 상기 개질장치에 공통으로 연결되어 진공상태를 유지하면서 상기 성막장치와 상기 개질장치의 사이에서 상기 피처리체를 이동재치하는 공통이동재치실을 구비하는 것을 특징으로 하는 성막·개질장치를 제공한다.
본 발명은 진공상태로 이루어진 처리용기내에서 피처리체의 표면에 금속산화막을 성막하는 방법에 있어서, 금속산화막원료와 알콜을 포함하는 진공분위기속에 있어서 상기 금속산화막을 형성하도록 구성한 것을 특징으로 하는 성막방법을 제공한다.
본 발명은 피처리체의 표면에 형성된 금속산화막의 개질방법에 있어서, 진공분위기속에서 산소, 오존 또는 N2O가스를 포함하는 처리가스로부터 활성산소원자를 발생시키고, 이 활성산소원자에 의해 상기 피처리체의 표면의 금속산화막을 개질하는 것을 특징으로 하는 개질방법을 제공한다.
이하 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
우선 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치 및 성막방법에 대하여 설명한다.
본 발명자는 성막조건에 대하여 예의 연구한 결과 성막시에 알콜을 미량 첨가함으로써 성막속도를 대폭으로 개선할 수 있다는 지견을 얻음으로써 제 1 발명을 완성하기에 이르렀다.
제 1 발명은 피처리체에 금속산화막을 형성하는 성막장치에 있어서, 진공당김 가능하게 이루어진 처리용기와, 이 처리용기내에 수용되는 피처리체를 재치하는 재치대와, 상기 처리용기내에 기화상태의 금속산화막원료를 공급하는 원료공급수단과, 상기 처리용기내에 기화상태의 알콜을 공급하는 알콜공급수단과, 상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하도록 구성한 것이다.
성막프로세스시에는 원료공급수단으로부터는 금속산화막원료가 기화상태에서 공급되고 알콜공급수단으로부터는 알콜이 기화상태로 공급되며, 함께 처리용기내에 도입된다. 처리용기내는 진공배기계에 의해 소정의 압력의 진공분위기로 이루어져 있으며 재치대상의 피처리체의 표면에 금속산화막이 퇴적되어 간다. 이 때 알콜의 직접적인 작용에 의해 성막반응이 간접적으로 촉진되고, 또 알콜의 분해에 의해 수분이 발생하며, 이 수분에 따라서도 성막반응이 간접적으로 촉진되어 결과적으로 성막반응을 대폭으로 향상시켜서 성막속도를 크게 하는 것이 가능하게 된다. 이와 같이 알콜이 성막속도를 촉진하는 이유는 알콜의 분해에 의해 발생한 수분이 금속산화막원료의 분해를 촉진하여 산화막형성을 고속화하기 때문이라고 생각된다.
이 알콜은 금속산화막원료와 다른 계통의 공급수단에서 공급해도 좋고, 또한 다른 계통의 공급수단인 경우에는 알콜의 첨가량을 프로세스속에 있어서도 자유롭게 제어할 수 있다. 또 이 때의 처리온도는 250∼450℃의 범위내, 알콜의 첨가량 은 0. 1∼20중량%의 범위내로 설정하는 것이 바람직하다.
금속산화막원료로서는 금속알콕시드를 이용할 수 있다. 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치에 의해 형성되는 금속산화막은 예를 들면 산화탄탈, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화바륨, 산화스트론튬 중, 어느쪽인가 한 개를 포함한다.
또 본 발명자는 알콜의 성막촉진기능에 대하여 다시 검토한 바 성막된 막 자체가 알콜을 분해하는 알콜분해촉매로서의 기능을 발휘하여 수분의 형성을 촉진하고 있는 것을 발견해냈다.
따라서 처리용기내, 예를 들면 재치대의 윗쪽에 알콜분해촉매를 재치함으로써 알콜의 분해가 촉진되고 성막을 한층 촉진시키는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 알콜분해촉매로서는 주로 금속산화물을 이용할 수 있다.
본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치 및 성막방법에 의하면 다음과 같이 우수한 작용효과를 발휘할 수 있다.
금속산화막을 형성할 때에 알콜공급수단을 설치하여 금속산화막원료에 알콜을 첨가해서 반응시키도록 했기 때문에 금속산화막의 성막속도를 대폭으로 향상시킬 수 있고, 따라서 시스템효율도 향상시킬 수 있다.
이하에 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치의 제 1 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치의 제 1 실시형태를 나타내는 개략전체구성도이며, 도 2는 도 1에 나타내는 성막장치의 본체를 나타내는 구성도 이다. 여기에서는 금속산화막으로서 산화탄탈(Ta2O5)을 CVD에 의해 성막하는 경우에 대하여 설명한다.
성막장치(2)는 장치 본체(4)와, 장치 본체(4)에 원료가스로서 금속산화막원료를 기화상태로 공급하는 원료공급수단(6)과, 알콜공급수단(8)에 의해 주로 구성된다.
원료공급수단(6)은 원료로서 액상의 금속산화막원료(10), 예를 들면 Ta(OC2 H5)5와 같은 금속알콕시드를 저장하는 밀폐상태의 원료탱크(12)를 갖고 있으며, 이 탱크(12)에는 가열히터(14)를 설치하여 이 원료(10)를 흘리기 쉬운 온도, 예를 들면 20∼50℃로 가열하고 있다.
이 원료탱크(12)내의 기상부에는 가압관(16)의 선단이 상부로부터 도입되어 있다. 이 가압관(16)의 도중에는 매스플로콘트롤러(MFC)와 같은 유량제어기(18)가 설치되어 있다. 이 가압관(16)을 통하여 가압기체로서 예를 들면 He가스가 원료탱크(12)내의 기상부에 도입되게 되어 있다.
또 이 원료탱크(12)와 상기 장치 본체(4)의 천정부를 연락하도록 하여 예를 들면 스테인레스관으로 이루어지는 원료공급통로(20)가 설치되어 있다. 이 원료공급통로(20)의 원료도입구(22)는 탱크(12)내의 액체원료속에 침지시켜서 탱크(12)의 바닥부 근처에 위치되어 있다. 상기한 가압관(16)을 통하여 He가스를 원료탱크(12)내의 기상부에 도입함으로써 액상의 원료가 통로(20)내에 가압반송된다.
이 원료공급통로(20)는 장치 본체(4)를 향하여 그 도중에 액체유량제어기 (24) 및 기화기(26)가 설치되어 있다. 이 기화기(26)에서 원료가 기화되어 원료가스가 된다. 이 원료가스가 원료공급통로(20)를 거쳐서 장치 본체(4)에 도입된다.
원료탱크(12)로부터 기화기(26)까지의 원료공급통로(20)는 액유량이 통상 예를 들면 약 5mg/min으로 매우 적기 때문에 내부직경이 약 1∼2mm의 배관을 이용한다. 이에 대하여 기화기(26)보다 하류측의 통로(20)는 가스상태의 원료를 흘리기 때문에 내부직경이 큰, 예를 들면 약 10∼20mm의 배관을 이용한다. 그리고 이 기화기(26)보다도 하류측의 원료공급통로(20)에는 예를 들면 테이프히터로 이루어지는 보온용 히터(28)가 감아 돌려져 있으며 원료가스의 액화온도보다도 높고 분해온도보다도 낮은 온도, 예를 들면 150℃∼180℃의 범위내에서 원료가스를 보온하게 되어 있다.
또 상기 기화기(26)에는 기화용 가스로서 예를 들면 He가스를 유량제어기(30)에 의해 유량제어하면서 공급하게 되어 있다.
한편 알콜공급수단(8)은 액상의 첨가물(32)로서 알콜을 저장하는 밀폐상태의 알콜탱크(34)를 갖는다. 이 탱크(34)에는 가열히터(36)가 설치되어 있다. 이 가열히터(36)에서 알콜(32)을 가열함으로써 알콜의 기화를 촉진시킨다.
이 알콜탱크(34)내에는 버블링관(38)이 도입되어 그 선단을 알콜(32)내에 침지시켜서 바닥부 근처에 위치하고 있다. 그리고 이 버블링관(38)에는 유량제어기(40)가 끼워 설치되어 있으며, 버블링기체로서 예를 들면 O2가스 또는 N2가스를 유량제어하면서 공급함으로써 액상의 알콜(32)을 버블링하여 기화시키게 되어 있다.
그리고 이 알콜탱크(34)와 상기 장치 본체(4)의 천정부를 연락하도록 하여 예를 들면 스테인레스관으로 이루어지는 알콜공급통로(42)가 설치되어 있다. 이 알콜공급통로(42)의 도입구(44)는 알콜탱크(34)내의 기상부에 삽입되고 버블링에 의하여 발생하여 기화알콜을 장치 본체(4)에 공급할 수 있게 되어 있다.
첨가물로서 이용하는 알콜의 종류는 특별히 한정되지 않고 예를 들면 메틸알콜, 에틸알콜 등의 저급알콜 외에 탄소수 6 이상의 고급알콜도 이용할 수 있다. 알콜탱크(34)에 공급하는 가압기체는 O2가스나 N2가스에 한정되지 않고 예를 들면 He가스나 Ar가스 등의 비활성가스를 이용해도 좋고 알콜탱크(34)의 가열온도는 알콜의 종류에도 의하지만 예를 들면 메틸알콜인 경우에는 20∼30℃의 범위내로 설정하는 것이 바람직하다.
한편 상기 장치 본체(4)는 도 2에 나타내는 바와 같이 예를 들면 알루미늄에 의해 통체상으로 형성된 처리용기(46)를 갖고 있다. 이 처리용기(46)의 바닥부(46A)의 중심부에는 급전선삽입통과구멍(48)이 형성되는 동시에 바닥부(46A)의 주변부에는 배기구(56)가 설치되어 있다. 이 배기구(56)는 진공배기계(54)에 접속되어 있다. 이 진공배기계(54)에는 진공당김펌프, 예를 들면 터보분자펌프(TMP)(50) 및 드라이펌프(DP)(52)가 끼워 설치되어 있다. 이와 같은 구성에 의해 처리용기(46) 내부를 진공당김 가능하게 되어 있다. 이 배기구(56)는 용기바닥부(46A)에 복수개, 예를 들면 등간격으로 동일원주상에 4개 설치되어 있다. 각 배기구(56)는 진공배기계(54)에 의해 터보분자펌프(50) 및 드라이펌프(52)에 공통으로 연통되어 있다.
처리용기(46)내에는 비도전성 재료, 예를 들면 알루미나제의 원판상의 재치대(58)가 설치되어 있다. 이 재치대(58)의 하면 중앙부에는 아래쪽으로 연장되는 중공원통상의 다리부(60)가 일체적으로 형성되어 있다. 이 다리부(60)의 하단은 상기 용기바닥부(46A)의 급전선삽입통과구멍(48)의 주변부에 O링 등의 시일부재(62)를 개재시켜서 볼트(64) 등을 이용하여 기밀하게 부착고정된다. 따라서 이 다리부(60)내는 외측으로 개방되고 처리용기(46)내에 대하여 기밀상태로 되어 있다.
상기 재치대(58)에는 예를 들면 실리콘카바이트(SiC)에 의해 코팅된 카본제의 저항발열체(66)가 매립되어 있으며, 이 상면측에 재치되는 피처리체로서의 반도체웨이퍼(W)를 소망하는 온도로 가열할 수 있게 되어 있다. 이 재치대(58)의 상부는 내부에 구리 등의 도전판으로 이루어지는 척용 전극(68)을 매립한 얇은 세라믹제의 정전척(70)으로서 구성되어 있다. 재치대(58)는 정전척(70)이 발생하는 쿨롱력에 의해 그 상면에 웨이퍼(W)를 흡착지지하게 되어 있다. 또한 이 정전척(70)의 표면에 He가스 등의 백사이드가스를 흘려서 웨이퍼에 대한 열전도성을 향상시키거나 웨이퍼(W)의 이면에 대한 성막을 방지하도록 해도 좋다. 또 이 정전척(70)에 대신하여 메카니컬클램프를 이용하도록 해도 좋다.
상기 저항발열체(66)에는 절연된 급전용의 리드선(72)이 접속되고, 이 리드선(72)은 처리용기(46)내에 드러내는 일 없이 원통상의 다리부(60)내 및 급전선삽입통과구멍(48)을 통하여 밖으로 인출되고 개폐스위치(74)를 통하여 급전부(76)에 접속된다. 또 정전척(70)의 척용 전극(68)에는 절연된 급전용의 리드선(78)이 접 속되고, 이 리드선(78)도 처리용기(46)내에 드러내는 일 없이 원통상의 다리부(60)내 및 급전선삽입통과구멍(48)을 통하여 밖으로 인출되고 개폐스위치(80)를 통하여 고압직류전원(82)에 접속된다. 또한 웨이퍼를 가열하는 수단으로서 상기 저항발열체(66)에 대신하여 할로겐램프 등의 가열램프를 이용해서 가열하도록 해도 좋다.
재치대(58)의 주변부의 소정의 위치에는 복수의 리프터구멍(lifting hole)(84)이 상하방향으로 관통시켜서 설치되어 있으며, 이 리프터구멍(84)내에 상합방향으로 승강 가능하게 웨이퍼리프터핀(86)이 수용되어 있으며, 웨이퍼(W)의 반입·반출시에 도시하지 않는 승강기구에 의해 리프터핀(86)을 승강시킴으로써 웨이퍼(W)를 들어 올리거나 들어 내리게 되어 있다. 이와 같은 웨이퍼리프터핀(86)은 일반적으로는 웨이퍼둘레틀부에 대응시켜서 3개 설치된다.
또 처리용기(46)의 천정부에는 샤워헤드(88)가 일체적으로 설치된 천정판(90)이 O링 등의 시일부재(92)를 통하여 기밀하게 부착되어 있다. 이 샤워헤드(88)는 재치대(58)의 상면의 대략 전체면을 덮도록 대향시켜서 설치되고 재치대(58)와의 사이에 처리공간(S)을 형성하고 있다. 이 샤워헤드(88)는 처리용기(46)내에 성막용의 원료가스 등을 샤워상으로 도입하는 것이며 샤워헤드(88)의 하면의 분사면(94)에는 가스를 분출하기 위한 다수의 분사구멍(96)이 형성된다.
이 샤워헤드(88)내는 원료가스용 헤드공간(88A)과 알콜용 헤드공간(88B)으로 2개로 구획되어 있으며, 원료가스용 헤드공간(88A)에 연통되는 가스도입포트(98)에는 상기 기화기(26)로부터 연장되는 원료공급통로(20)를 접속하여 기화상태의 금속산화막원료를 도입하게 되어 있다. 또 알콜용 헤드공간(88B)에 연통되는 가스도입 보트(100)에는 상기 알콜공급통로(42)를 접속하여 기화상태의 알콜을 도입하게 되어 있다. 그리고 상기 분사구멍(96)은 원료가스용 헤드공간(88A)에 연통되는 원료가스용 분사구멍(96A)과 알콜용 헤드공간(88B)에 연통되는 알콜용 분사구멍(26B)의 2개의 군으로 나눠어져 있으며, 양 분사구멍(96A, 96B)으로부터 분출된 원료가스와 알콜을 처리공간(S)에서 혼합하여 이른바 포스트믹스상태로 공급하게 되어 있다. 또한 가스공급방식은 이 포스트믹스에 한정되지 않고 샤워헤드(88)내에서 양 가스를 미리 혼합시키도록 해도 좋다. 또한 도 3에 나타내는 바와 같이 처리용기(204)에 들어가기 전에 예비실(105)을 설치하고, 이 예비실(105)에 원료공급통로(20) 및 알콜공급통로(42)를 각각 접속해도 좋다. 이 예비실(105)내에서 원료가스 및 알콜을 혼합하여 혼합가스를 얻고, 이 혼합가스를 혼합가스공급통로(107)를 통하여 처리용기(46)에 도입해도 좋다.
또 샤워헤드(88)의 측벽에는 이 부분의 온도를 원료가스의 분해를 방지하기 위해 예를 들면 약 140∼170℃로 냉각하기 위한 냉각쟈켓(102)이 설치되어 있으며, 이것에 약 50∼70℃의 냉매, 예를 들면 온수를 흘리도록 되어 있다. 또한 이 샤워헤드(88)와 재치대(58)의 사이의 거리는 약 10∼30mm로 설정되어 있다.
또 처리용기(46)의 측벽에는 벽면을 냉각하기 위한 예를 들면 냉매를 흘리는 냉각쟈켓(104)이 설치되어 있으며, 이것에 예를 들면 약 50∼70℃의 온수를 냉매로서 흘리고 측면을 원료가스가 액화하지 않고, 또한 열분해하지 않는 온도, 예를 들면 140∼170℃의 범위내에 유지하게 되어 있다. 또 이 처리용기(46)의 측면의 일부에는 웨이퍼반출입구(106)가 설치되고, 여기에 진공당김 가능하게 이루어진 예를 들면 로드록실(108)과의 사이를 연통·차단하는 상기 게이트밸브(G)를 설치하고 있다. 또한 도시되어 있지 않지만 물론 퍼지용의 N2가스의 공급수단을 설치하고 있다.
다음으로 이상과 같이 구성된 성막장치(2)를 기초로 하여 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막방법에 대하여 설명한다.
우선 진공상태로 유지된 처리용기(46)내에 로드록실(108)측으로부터 웨이퍼반출입구(106)를 통하여 미처리의 반도체웨이퍼(W)를 반입하고, 이를 재치대(58)상에 재치하여 정전척(70)의 쿨롱력에 의해 흡착지지한다.
그리고 저항발열체(66)에 의해 웨이퍼(W)를 소정의 프로세스온도로 유지하는 동시에 처리용기(46)내를 진공당김하여 소정의 프로세스압력으로 유지하면서 원료가스와 알콜을 공급하여 성막을 개시한다.
원료공급수단(6)에 있어서는 원료탱크(12)내에 유량제어된 He가스 등의 가압기체를 도입함으로써 이 가압기체의 압력으로 액상의 Ta(OC2H5)5로 이루어지는 금속산화막원료(10)가 액체유량제어기(24)에 의해 유량제어되면서 원료공급통로(20)내를 압송된다. 이 때의 가압기체의 공급량은 예를 들면 수 100SCCM이며, 또 액체원료의 공급량은 성막속도에도 의하지만 예를 들면 수 mg/min으로 매우 소량이다. 또 원료탱크(12)내의 원료(10)는 가열히터(14)에 의해 데워져서 그 점성이 저하하고 있기 때문에 비교적 스무드하게 공급통로(20)내를 압송할 수 있다. 압송된 액상의 원료는 기화기(26)에서 예를 들면 200∼500SCCM으로 유량제어된 He가스 등의 기화용 가스에 의해 기화되고 가스상이 되며, 또한 원료공급통로(20)를 하류측으로 흘러가서 처리용기(46)의 샤워헤드(88)에 도입된다. 이 때 하류측의 원료공급통로(20)는 보온용 히터(28)에 소정의 온도, 예를 들면 130℃로 가열되어 있기 때문에 원료가스가 재액화하는 일도, 또는 열분해하는 일도 없이 안정적으로 샤워헤드(88)까지 흘릴 수 있다. 샤워헤드(88)에 도달한 원료가스는 원료가스용 헤드공간(88A)에 일단 흘러 들고, 이에 따라 분사면(94)에 설치한 원료가스용 분사구멍(96A)으로부터 처리공간(S)에 공급되게 된다.
한편 알콜공급수단(8)에 있어서는 첨가물로서 알콜(32)을 저장한 알콜탱크(34)내에 유량제어된 N2가스 또는 O2가스 등의 버블링기체가 도입되고, 이 기체의 버블링에 의해 알콜이 기화되어 알콜공급통로(42)내를 흘러 간다. 이 때 알콜탱크(34)내의 알콜(32)은 가열히터(36)에 의해 데워져 있기 때문에 용이하게 기화할 수 있다. 또 버블링기체의 유량은 성막속도에도 의하지만 예를 들면 1∼2리터/min이며 알콜의 첨가량은 원료인 금속알콕시드에 대하여 약 0. 1∼20중량%의 범위내로 설정한다.
알콜공급통로(42)내를 흐른 가스상의 알콜은 샤워헤드(88)의 알콜용 헤드공간(88B)에 도달하고, 이에 따라 분사면(94)에 설치한 알콜용의 분사구멍(96B)으로부터 처리공간(S)에 공급되게 된다. 이 경우 알콜의 첨가량은 버블링기체의 유량제어를 실시하는 유량제어기(40)에 의해 정밀도 좋게 콘트롤할 수 있다.
이와 같이 처리공간(S)에 분출된 원료가스와 가스상의 알콜은 이 처리공간 (S)에서 혼합되어 반응하고 웨이퍼표면에 예를 들면 산화탄탈막(Ta2O5)을 퇴적하여 성막하게 된다.
이 때 첨가된 알콜의 직접적인 작용에 의해 성막반응이 촉진되고, 또 알콜의 분해에 의해 수분이 발생하며, 이 수분에 따라서도 성막반응이 촉진되어 결과적으로 성막반응을 대폭으로 향상시켜서 성막속도를 크게 하는 것이 가능하게 된다.
도 4는 본원의 제 1 발명의 제 1 실시형태에 관련되는 성막장치(2)에서의 프로세스온도와 성막속도의 관계를 나타내는 그래프이며, 실선은 알콜을 첨가한 본원의 제 1 발명에 관련되는 방법의 곡선, 파선은 알콜을 첨가하지 않은 종래방법의 곡선이다. 처리조건은 금속알콕시드에 대한 알콜의 첨가량은 2중량%이며, 알콜로서는 에탄올을 이용했다. 또 프로세스압력은 0. 2∼0. 3Torr로 설정했다. 도 4에서 명백한 바와 같이 파선으로 나타내는 종래방법의 경우에는 약 1nm/min의 성막속도인 것에 대하여 제 1 발명과 같이 알콜을 첨가하면 프로세스온도에 별로 관계 없이 약 10nm/min의 높은 성막속도를 나타내고 있으며, 약 10배의 성막속도를 달성할 수 있었다. 또 기판의 프로세스온도는 250∼450℃의 범위내로 설정한다. 프로세스온도가 250℃보다도 낮으면 성막속도가 매우 늦어지고 충분한 생산성을 바랄 수 없게 되는 불합리가 발생하고, 반대로 450℃보다도 높으면 성막속도가 지나치게 높아져서 막두께의 균일성이 현저히 저하한다. 또는 기판과 산화막의 계면에서의 열확산에 의하여 막질이 악화한다. 또한 알콜을 첨가하지 않아도 동등한 성막속도가 얻어지기 때문에 알콜첨가의 잇점이 없어진다.
또 도 5는 본원의 제 1 발명의 제 1 실시형태에서의 금속알콕시드에 대한 알콜의 첨가량과 성막속도의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 때의 처리조건은 기판의 프로세스온도가 400℃, 원료가스인 Ta(OC2H5)5의 공급량이 5mg/min, 원료가스와 알콜의 전체 유량이 2000cc, 프로세스압력이 0. 12Torr, 성막시간이 60sec, 알콜의 종류가 에탄올이다.
도 5에서 명백한 바와 같이 알콜의 첨가량을 증가할수록 성막속도가 커지고 있어서 성막속도를 일반적으로 요구되는 3nm/min 이상으로 하기 위해서는 0. 1중량% 이상의 알콜을 첨가할 필요가 있으며, 또 첨가량이 4. 0중량%보다도 커지면 성막속도가 높아지는데, 그 성막속도는 도 6에 나타내는 바와 같이 차츰 포화한다. 도 6은 알콜의 첨가량을 20중량% 이상까지 다량으로 첨가했을 때의 성막속도를 나타내는 그래프이다. 이 도 6에서 명백한 바와 같이 알콜의 첨가량이 약 10중량%인 때에 성막속도는 대략 포화하고 있다. 그리고 막질을 조사한 결과 알콜의 첨가량을 20중량%보다 크게 했을 때에 막두께의 균일성이나 막질이 갑자기 악화하고 있는 것을 알 수 있었다. 따라서 알콜의 첨가량은 0. 1∼20중량%의 범위내로 설정하는 것이 바람직하다.
버블링기체로서 N2가스나 He가스 등의 비활성가스를 이용해도 좋지만 O2가스를 이용함으로써 성막프로세스를 높은 O2분압하에서 실시할 수 있고, 그에 따라서 성막속도의 향상 및 막두께의 균일성의 향상을 한층 꾀할 수 있다.
또 알콜공급수단(8)과 원료공급수단(6)을 별개로 설치함으로써 알콜탱크(34) 등에서 알콜이 증발해도 알콜 자체의 농도는 변동하는 일은 없기 때문에 알콜과 원료의 혼합비는 항상 정밀도 좋고 일정하게 제어할 수 있어서 성막속도가 변동하는 일도 없다.
이와 같이 알콜의 첨가에 의해 성막속도를 크게 할 수 있는 이유는 성막한 Ta2O5 자체가 알콜에 대하여 촉매로서 작용하고 알콜의 분해를 촉진하여 수분의 생성을 돕고 있기 때문이다.
또 여기에서는 금속산화막으로서 산화탄탈을 성막하는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 이에 한정되지 않고 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치 및 제조방법은 다른 금속산화막, 예를 들면 산화티탄, 산화지르코늄, 산화바륨, 산화스트론튬을 형성하는 경우에도 적용할 수 있고 원료는 그들 금속의 금속알콕시드를 이용한다. 또한 상기한 금속산화막 이외에는 산화니오브, 산화하프늄, 산화이트륨, 산화납 등을 형성하는 경우에도 본 제 1 발명을 적용할 수 있다. 즉 이들 금속산화물은 그 자체가 알콜분해촉매로서 기능하는 것에서 성막속도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 성막한 막 자체가 알콜의 분해를 촉진하여 성막속도를 향상할 수 있는 것에서 금속알콕시드를 원료로 하여 성막하는 경우에는 처리용기내에 별도 알콜분해촉매를 설치하면 성막속도를 한층 향상시킬 수 있다.
도 7은 그와 같은 성막장치의 장치 본체의 한 예를 나타내는 구성도, 도 8은 도 7에 나타내는 성막장치에 이용하는 알콜분해촉매의 형상을 나타내는 평면도이다. 여기에서는 도 1에 나타내는 성막장치(2) 및 도 2에 나타내는 장치 본체(4)의 구성과 동일부분에 대해서는 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도시하는 바와 같이 이 성막장치(4’)에서는 샤워헤드(88)의 하면과 재치대(58)의 사이에 알콜분해촉매(110)를 배치하여 알콜의 분해를 적극적으로 촉진하고 수분의 생성을 돕도록 구성하고 있다.
구체적으로는 이 알콜분해촉매(110)는 도 8에도 나타내는 바와 같이 웨이퍼(W)의 직경보다도 조금 큰 링상의 지지링(112)내에 격자상, 또는 그물눈상으로 면재(114)를 종횡으로 팽팽하게 설치하여 구성된다. 그리고 이 지지링(112)을 지지로드(116)를 통하여 예를 들면 샤워헤드(88)의 하면에 고정하고 있으며 원료가스나 알콜의 분사를 방해하지 않게 되어 있다.
이와 같이 구성함으로써 알콜이 알콜분해촉매(110)로 이루어지는 면재(110)간을 지날 때에 촉매와 접촉하여 알콜의 분해가 촉진되고 보다 많은 수분이 생성되기 때문에 그 만큼 성막속도를 향상시킬 수 있다.
이와 같은 알콜분해촉매(110)로서는 금속산화물, 예를 들면 탄탈산화물 외에 산화티탄, 산화지르코늄, 산화스트론튬, 산화니오브, 산화하프늄, 산화이트륨, 산화납 등을 사용할 수 있다. 또 그 밖의 금속산화물로서는 W2O5, Mo2O5, Fe2O3, ThO3, Al2O3, V2O5, CdO, VO2, Cr2O3, MnO, BeO, SiO2, MgO 등도 촉매로서 이용할 수 있다. 나아가서는 SiO-Al2O3 등의 복합산화물, 백금 또는 TiN, AlN, TaN 등의 질화물도 촉매로서 이용할 수 있다.
또한 여기에서는 알콜분해촉매를 재치대(58)와 샤워헤드(88)의 사이에 설치 하도록 했지만, 이에 한정되지 않고 예를 들면 샤워헤드(88)의 내면의 알콜과 접촉하는 부분에 알콜분해촉매를 코팅하도록 설치해도 좋고, 또는 재치대(58)의 외주측에 예를 들면 링상으로 성형한 알콜분해촉매를 설치하는 등으로 해도 좋다.
또한 이상의 본원의 제 1 발명의 실시형태에서는 피처리체로서 반도체웨이퍼에 성막하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고 예를 들면 유리기판이나 LCD기판 등에도 성막하는 경우에도 적용할 수 있다.
다음으로 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막개질장치 및 성막개질방법에 대하여 설명한다.
본 발명자는 성막의 개질조건에 대하여 예의 연구한 결과 개질처리를 대기중은 아니고 진공중에서 실시함으로써 그 개질을 단시간으로 실시할 수 있다는 지견을 얻음으로써 본원의 제 2 발명을 완성하기에 이르렀다.
본원의 제 2 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 피처리체의 표면에 형성된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 성막개질장치에 있어서, 진공당김 가능하게 이루어진 처리용기와, 이 처리용기내에 수용되는 피처리체를 재치하는 재치대와, 오존 또는 N2O가스를 포함하는 처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과, 상기 처리용기내의 분위기속에 활성산소원자를 발생시키는 활성산소발생수단과, 상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하도록 구성한 것이다.
활성산소발생수단으로서는 오존 또는 N2O가스에 자외선을 조사하여 활성산소원자를 발생시키는 자외선조사수단, 또는 O2, 오존 또는 N2O가스에 마이크로파 또는 고주파전계를 인가하여 플라즈마를 발생시킴으로써 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 발생시키는 플라즈마생성수단, 또는 오존 또는 N2O가스분위기속에서 피처리체를 가열하여 활성산소원자를 발생시키는 가열수단을 이용할 수 있다.
이하 활성산소발생수단으로서 자외선조사수단을 이용한 경우에 대하여 설명하면, 피처리체의 표면에는 전단의 공정으로 미리 산화탄탈 등의 금속산화막이 형성되어 있으며, 이와 같은 피처리체를 처리용기내의 재치대에 재치지지하여 개질처리를 실시한다. 처리용기내는 진공배기계에 의해 소정의 진공압력하에 유지되고 처리가스공급수단으로부터 공급된 오존 또는 N2O가스는 자외선조사수단으로부터 방사된 자외선에 조사되면 활성산소원자를 발생한다. 이 경우 처리용기내는 진공상태로 이루어져 있는 것에서 발생한 활성산소원자가 소멸하기까지의 시간이 길어져서 농도가 높아지고, 그 결과 개질처리를 신속히 실시하는 것이 가능하게 된다.
이 경우 개질프로세스시의 압력은 1∼600Torr의 범위내로 설정하는 것이 바람직하고, 이 범위밖에서는 개질처리가 충분하지는 않게 되며 금속산화막의 절연내압이 저하해 버린다. 또 개질프로세스시의 피처리체의 온도는 320∼700℃의 범위내가 바람직하고 대기압에서는 300∼350℃, 대기압 이하 10Torr에서 350∼450℃, 10Torr 이하에서 400℃∼700℃까지의 범위내에서 효과가 있다.
그러나 진공도를 향상시킴으로써 700℃까지 양호한 개질효과를 얻을 수 있다. 이 때 챔버벽은 수냉되어 있으며 오존의 분해는 기판 표면에서 주로 발생하기 때문에 오존이 분해하여 개질효과가 작아지는 일은 없다.
자외선조사수단으로서는 여러 가지의 구조의 것을 이용할 수 있고, 예를 들면 수은을 봉입한 수은봉입램프에 마이크로파발생수단으로부터 발생한 마이크로파를 인가하여 자외선을 발생시키고, 이 자외선을 반사경에 의해 집광시켜서 처리가스에 조사함으로써 활성산소원자를 발생시키도록 해도 좋다. 또 다른 구조로서는 복수의 원통체상의 자외선램프를 병렬로 배열시키도록 해도 좋다.
또 활성산소원자를 발생시키기 위해 자외선에 대신하여 플라즈마를 이용하는 경우에는 예를 들면 O2가스, 오존 및 N2O가스내, 적어도 한 개를 포함하는 처리가스에 마이크로파 또는 고주파전계를 인가함으로써 활성산소원자를 발생시킨다.
또 다른 장치예로서는 처리가스공급수단의 샤워헤드로서 다수의 분사구멍을 갖는 복수의 가스분사관을 예를 들면 격자상으로 조합하여 구성되는 것을 이용해도 좋다. 이 경우에는 가스분사관이 격자상으로 배열되어 있는 것에서 많은 자외선이 이 석영제의 샤워헤드를 통과하는 일 없이 피처리체측에 직접 조사되게 된다. 따라서 자외선이 그 만큼 샤워헤드내의 오존 등에 흡수되지 않고 완료되어 개질효율을 향상시킬 수 있다.
이 경우 가스분사관의 재치대상에 대한 투영면적은 피처리체의 표면의 면적의 20%보다도 작게 설정하는 것이 바람직하다.
또 다른 장치예로서는 처리가스공급수단의 일부로서 피처리체를 덮을 수 있도록 하단부가 개방된 용기상의 덮개체를 설치하고, 이 일측에 분사구멍을 갖는 도입헤더부를 형성하고, 타측에 배출구를 갖는 배출헤더부를 형성한다. 그리고 개질 시에는 피처리체를 위로부터 덮은 상태로 이 덮개체내에 수평방향으로 흐르는 가스액을 형성한다.
이에 따르면 피처리체의 표면 근처에서 활성인 산소원자를 고농도로 발생시킬 수 있기 때문에 개질효율을 대폭으로 향상시킬 수 있다.
또 피처리체의 반입 및 반출을 가능하게 하기 위해 덮개체와 재치대는 상대적으로 상하방향으로 접근 및 이간 가능하게 되도록 해 둔다.
또한 다른 장치예로서는 피처리체의 표면에 형성된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 성막개질장치에 있어서, 진공당김 가능하게 이루어진 처리용기와, 이 처리용기내에 수용되는 피처리체를 재치하는 재치대와, 오존 또는 N2O가스를 포함하는처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과, 상기 피처리체를 가열하기 위한 가열수단과, 상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하고, 상기 가열수단은 상기 피처리체를 400℃∼850℃의 범위내로 가열하도록 한다.
이에 따르면 자외선을 조사하는 일 없이 오존 또는 N2O가스를 공급하면서 피처리체를 소정의 온도로 유지함으로써 피처리체의 표면에서 오존 또는 N2O가스를 분해하여 활성산소원자를 발생시켜서 성막을 개질할 수 있다.
이 경우 개질의 프로세스온도는 400℃∼850℃의 범위로 설정하고, 특히 450℃∼500℃의 범위가 바람직하다. 이 경우의 가열수단으로서는 예를 들면 재치대의 아래쪽으로부터 가열램프를 이용하여 가열하는 것이 좋다. 또 처리용기의 측벽 근처에서 기상반응에 의해 오존이 분해하는 것을 억제하기 위해 처리용기의 측벽에 냉각쟈켓을 설치하고, 이 온도를 오존의 열분해온도 이하로 냉각하는 것이 바람직하다.
본원의 제 2 발명에서 개질의 대상이 되는 금속산화막으로서는 산화탄탈, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화바륨, 산화스트론튬 등을 이용할 수 있다.
상기 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막의 성막개질장치 및 그 성막개질방법에 따르면 다음과 같이 우수한 작용효과를 발휘할 수 있다.
피처리체에 형성되어 있는 금속산화막을 개질할 때에 활성산소원자를 진공분위기속에서 피처리체에 작용시키도록 했기 때문에 활성산소원자의 수명을 연장하여 이 밀도를 높게 할 수 있고 금속산화막을 신속히, 또한 단시간에 절연내압이 높은 절연막으로 개질하여 시스템효율을 향상시킬 수 있다.
이하에 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막의 성막개질장치 및 성막개질방법의 한 실시형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 9는 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막개질장치의 제 1 실시형태를 나타내는 구성도이다. 여기에서는 피처리체로서 반도체웨이퍼를 이용하여 이 표면에 형성된 산화탄탈(Ta2O5)의 금속산화막을 개질하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도시하는 바와 같이 이 성막개질장치(200)는 예를 들면 알루미늄에 의해 통체상으로 성형된 처리용기(204)를 갖고 있다. 이 처리용기(204)의 바닥부(204A)의 주변부에는 복수의 배기구(206)가 설치되어 있고, 이 배기구(206)에는 진공펌프, 예를 들면 터보분자펌프(208) 및 드라이펌프(210)를 끼워 설치한 진공배기계(212) 가 접속되어 있으며, 용기 내부를 진공당김 가능하게 하고 있다.
처리용기(204)내에는 비도전성 재료, 예를 들면 알루미나제의 원판상의 재치대(214)가 설치되고, 이 재치대(214)의 하면 중앙부는 용기 바닥부(204A)를 상하로 관통하여 설치된 중공의 회전축(216)의 선단에 지지고정되어 있다. 이 회전축(216)의 용기 바닥부와의 관통부에는 자성유체시일(218)을 끼워 설치하고 있으며, 이를 기밀하게 회전 가능하게 지지하여 상기 재치대(214)를 필요에 따라서 회전할 수 있게 되어 있다. 또한 이 회전축(216)은 도시하지 않는 회전모터 등으로부터의 구동력에 의해 회전 가능하게 이루어져 있다.
상기 재치대(214)에는 재치대가열수단으로서 예를 들면 SiC에 의해 코팅된 카본제의 저항발열체(220)가 매립되어 있으며, 이 상면측에 재치되는 피처리체로서의 반도체웨이퍼(W)를 소망하는 온도로 가열할 수 있게 되어 있다. 이 재치대(214)의 상부는 내부에 구리 등의 도전판으로 이루어지는 척용 전극(222)을 매립한 얇은 세라믹제의 정전척(224)으로서 구성되어 있으며, 이 정전척(224)이 발생하는 쿨롱력에 의해 이 상면에 웨이퍼(W)를 흡착지지하게 되어 있다. 이 정전척(224)의 표면에 He가스 등의 백사이드가스를 흘려서 웨이퍼에 대한 열전도성을 향상시키도록 해도 좋다.
상기 저항발열체(220)에는 절연된 급전용의 리드선(226)이 접속되고, 이 리드선(226)은 처리용기(204)내에 드러내어지는 일 없이 중공의 회전축(216)내를 지나서 밖으로 인출되고 개폐스위치(228)를 통하여 급전부(230)에 접속된다. 또 정전척(224)의 척용 전극(222)에는 절연된 급전용의 리드선(232)이 접속되고, 이 리 드선(232)도 처리용기(204)내에 드러내어지는 일 없이 중공의 회전축(216)내를 지나서 밖으로 인출되고 개폐스위치(234)를 통하여 고압직류전원(236)에 접속된다. 또한 웨이퍼를 가열하는 수단으로서 상기 저항발열체(220)에 대신하여 할로겐램프 등의 가열램프를 이용해서 가열하도록 해도 좋다.
재치대(214)의 주변부의 소정의 위치에는 복수의 리프터구멍(238)이 상하방향으로 관통하여 설치되어 있으며, 이 리프터구멍(238)에 대응시켜서 상하방향으로 승강 가능하게 웨이퍼리프터핀(wafer lifting pin)(240)이 배치되어 있다. 그리고 이 웨이퍼리프터핀(240)은 용기바닥부(204A)를 관통하여 상하운동 가능하게 이루어진 핀승강로드(241)에 의하여 일체적으로 승강이동 가능하게 이루어져 있다. 또 이 로드(241)의 관통부에는 금속성의 신축벨로우즈(242)가 설치되어 있으며, 로드(241)가 기밀성을 유지하면서 상하운동하는 것을 허용하고 있다. 이와 같이 핀(240)을 승강시킴으로써 웨이퍼(W)를 들어 올리거나 들어 내리게 되어 있다. 이와 같은 웨이퍼리프터핀(240)은 일반적으로는 웨이퍼둘레틀부에 대응시켜서 3개 설치된다.
또 처리용기(204)의 천정부에는 후술하는 자외선에 대하여 투명한 내열재료, 예를 들면 용융석영으로 이루어지는 얇은 용기상의 샤워헤드(244)가 설치되어 있으며, 이 하면에는 이 샤워헤드(244)내에 도입된 처리가스를 처리공간(S)을 향하여 분출하는 다수의 분사구멍(246)이 설치되어 있다. 이 샤워헤드(244)의 가스도입구(248)는 용기측벽을 기밀하게 관통하여 외부를 향하게 하고 있으며, 이것에 처리가스공급수단(247)의 가스도입관(258)이 접속되어 있다.
이 가스도입관(258)에는 매스플로콘트롤러(250)를 통하여 널리 알려진 오존발생기(252)가 접속되어 있으며, 여기에서 발생한 오존을 상기 샤워헤드(244)를 향하여 처리가스로서 송출하게 되어 있다. 오존을 발생하기 위해 이 오존발생기(252)에는 산소가스만이 아니라 발생효율을 향상시키기 위한 첨가가스, 예를 들면 N2가스나 N2가스와 H2가스의 혼합가스 등을 미량 첨가하게 되어 있다. 또한 처리가스로서 오존에 대신하여 N2O가스를 이용하도록 해도 좋다. 또 이 샤워헤드(244)와 재치대(214)의 사이의 거리(L1)는 웨이퍼의 반입반출시의 스페이스를 확보하기 위해 약 50mm로 설정된다. 처리시에는 웨이퍼위치를 상하시킴으로써 거리를 샤워헤드 근처에 접근시킬 수 있다. 이 때 거리는 1∼50mm의 범위에서 가변이 된다.
한편 처리용기(204)의 천정부에는 웨이퍼직경보다도 크게 설정된 원형의 개구(254)가 형성되어 있으며, 이 개구(254)에는 자외선에 대하여 투명한 재료, 예를 들면 석영에 의해 형성된 원형의 투과창(256)이 천정부와의 사이에서 O링 등의 시일부재(259)를 통하여 고정틀(260)에 의해 기밀하게 부착되어 있다. 이 투과창(256)은 대기압에 대하여 견딜 수 있도록 두께가 예를 들면 약 20mm로 설정되어 있다.
그리고 이 투과창(256)의 윗쪽에는 처리용기(204)내를 향하여 자외선(UV)을 방사하기 위한 자외선조사수단(262)이 설치되어 있으며, 이것으로부터 방출되는 자외선(UV)에 의해 활성산소원자를 발생시키게 되어 있다. 구체적으로는 이 자외선조사수단(262)에는 수은을 봉입한 대략 구형의 수은봉입램프(264)와, 이 램프(264) 에 조사하는 마이크로파를 발생하는 마이크로파발생수단(266)과, 상기 램프(264)의 상측을 덮어서 처리용기(204)내를 향하여 자외선을 반사하는 반사경(268)에 의해 주로 구성되어 있다.
상기 마이크로파발생수단(266)은 예를 들면 2. 45㎓의 마이크로파를 발생하는 것이다. 이 마이크로파발생수단(266)과 상기 수은봉입램프(264)의 사이는 도파관(270)에 의해 접속되어 있으며, 발생한 마이크로파를 이 도파관(270)을 통하여 램프(264)까지 전파하여 램프(264)에 조사해서 자외선을 발생시키게 되어 있다. 이 수은봉입램프(264)는 자외선을 발생하는 통상의 냉음극관과 달리 큰 전력을 도입하여 다량의 자외선을 발생할 수 있는 것이다. 상기 반사경(268)은 예를 들면 알루미늄판을 돔상으로 성형함으로써 구성되어 있으며, 이 곡률은 반사경(268)에 의해 자외선의 반사광이 재치대(214)의 표면에 대략 균등하게 반사되도록 설정되어 있다. 또한 상기 수은봉입램프(264)에 대신하여 활성산소원자의 발생효율이 높은 180nm 이하의 파장의 자외선을 다량으로 방출하는 엑시머램프를 이용해도 좋다.
또 처리용기(204)의 측벽에는 벽면을 냉각하기 위해 예를 들면 냉매를 흘리는 냉각쟈켓(272)이 설치되어 있으며, 이것에 예를 들면 20℃ 정도의 냉수를 냉매로서 흘리게 되어 있다. 그리고 이 용기측벽의 일부에는 웨이퍼반출입구(274)가 설치되고, 여기에 진공당김 가능하게 이루어진 예를 들면 로드록실(276)과의 사이를 연통·차단하는 게이트밸브(G)를 설치하고 있다. 또한 도시되어 있지 않지만 처리용기(204)에는 물론 퍼지용의 N2가스공급수단이 설치되어 있다. 이는 이후 설 명하는 각 처리용기도 똑같다.
다음으로 이상과 같이 구성된 성막개질장치(200)를 기초로 하여 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막의 성막개질방법에 대하여 설명한다.
성막개질장치(200)를 이용하여 개질처리를 실시하기 전에 반도체웨이퍼(W)의 표면에는 전단의 공정에서 미리 산화탄탈 등의 금속산화막이 형성되어 있다. 이 금속산화막은 예를 들면 집적회로의 캐퍼시턴스나 게이트절연막 등으로서 이용된다.
우선 상기한 바와 같이 금속산화막이 형성되어 있는 미처리의 반도체웨이퍼(W)를 진공상태로 유지된 처리용기(204)내에 로드록실(276)측으로부터 웨이퍼반출입구(274)를 통하여 도입하고, 이를 재치대(214)에 재치하여 정전척(224)의 쿨롱력에 의해 흡착지지한다.
그리고 저항발열체(220)에 의해 웨이퍼(W)를 소정의 프로세스온도로 유지하는 동시에 처리용기(204)내를 진공당김하여 소정의 프로세스압력으로 유지하면서 처리가스로서 오존(O3)을 공급하여 개질처리를 개시한다. 이 때 웨이퍼위치는 상하기구에 의해 소정의 위치에 설정한다.
처리가스공급수단(247)의 오존발생기(252)에는 산소와 첨가가스로서 약간의 양의 예를 들면 N2가스를 공급함으로써 오존이 발생되고 오존을 성분주체로 하는 오존과 산소와 N2가스의 혼합가스가 처리가스로서 유량제어되면서 가스도입관(258)을 통하여 샤워헤드(244)내에 도입되고 다수의 분사구멍(246)으로부터 처리공간(S)을 향하여 분출된다. 미량의 첨가가스를 첨가하는 이유는 상기한 바와 같이 오존발생기(252)에 의해 오존발생효율을 높이기 위함이다.
한편 이와 동시에 자외선조사수단(262)의 마이크로파발생수단(266)으로부터는 2. 45㎓의 마이크로파가 발생되고 있으며, 이 마이크로파는 도파관(270)을 통하여 전파된 후에 수은봉입램프(264)를 향하여 조사된다. 이 마이크로파의 조사에 의해 수은봉입램프(264)로부터는 다량의 자외선(UV)이 방출된다. 이 자외선(UV)은 직접 또는 돔상의 반사경(268)에서 반사된 후에 석영제의 투과창(256)을 투과하여 소정의 진공압으로 유지된 처리용기(204)내에 들어가고, 또한 석영제의 샤워헤드(244)를 투과하여 처리공간(S)에 있어서의 오존을 주체성분으로 하는 처리가스속에 부어진다. 샤워헤드내의 압력은 처리실보다 높지만 감압상태이다.
여기에서 오존은 자외선의 조사에 의해 여기되어 다량의 활성산소원자(278)를 발생하고, 이 활성산소원자(278)가 앞서의 웨이퍼표면에 형성되어 있는 금속산화막에 작용하여 이를 거의 완전히 산화하고 개질을 실시하게 된다. 이 경우 처리용기(204)는 진공상태로 유지되고 있는 것에서 발생한 활성산소원자(278)가 다른 가스원자 또는 가스분자와 충돌하는 것이 매우 적어져서, 그 만큼 종래장치와 같이 대기압하에서 처리를 실시한 경우와 비교하여 활성산소원자(278)의 밀도가 향상하여 개질처리를 신속히 실시할 수 있다. 이 개질처리에 의하여 금속산화막의 절연성을 신속하고, 또한 대폭으로 향상시키는 것이 가능하게 된다.
자외선조사수단(262)의 돔상의 반사경(268)은 이로부터의 반사광을 재치대(214)의 표면상에 대략 균등하게 분포시키는 적정한 곡률로 설정되어 있기 때문에 발생한 자외선(UV)을 낭비 없이 활성산소원자(278)의 발생을 위해 사용할 수 있다.
또 개질처리중에 있어서는 회전축(216)에 지지된 재치대(214)는 이 위에 재치된 웨이퍼(W)를 일체적으로 회전하고 있기 때문에 웨이퍼면상에 있어서의 개질얼룩의 발생을 없앨 수 있고 금속산화막의 앞면을 대략 균등하게 개질할 수 있다.
개질중에 있어서의 용기의 압력은 1∼600Torr의 범위내로 설정한다. 이 범위밖의 압력에서는 개질의 진행이 늦거나, 또는 충분하지 않아서 금속산화막의 절연내압이 저하해 버린다. 또 개질프로세스시의 웨이퍼온도는 320∼700℃의 범위내로 설정한다. 웨이퍼온도가 320℃보다도 작은 경우는 절연내압이 충분하지 않고, 또 700℃ 이상에서는 산화물질이 결정화하기 때문에 개질의 효과가 없어진다.
여기에서 사용한 수은봉입램프(264)는 큰 전력을 투입할 수 있는 것에서 가스의 활성화에 기여할 수 있는 파장 185nm, 254nm를 주체로 하는 자외선을 다량으로 방출할 수 있고, 그 만큼 개질의 신속화를 꾀하는 것이 가능하다. 또 이 수은봉입램프(264)에 대신하여 가스의 활성화에 더욱 기여할 수 있는 파장 180nm이하의 자외선을 다량으로 방출하는 엑시머램프를 이용하면 한층 개질의 신속화를 기대할 수 있다.
첨가가스로서는 상기한 N2가스에 한정되지 않고 N2가스와 H2가스의 혼합기체이어도 좋다. 또 샤워헤드(44)에 공급하는 처리가스는 오존에 대신하여 N2O가스를 공급해도 완전히 똑같은 작용효과를 발생시킬 수 있다.
여기에서 개질에 관한 널리 알려진 실험결과에 대하여 그래프를 이용하여 상 세하게 설명한다. 도 10은 성막개질장치(200)에서 오존분위기속에서 자외선을 조사했을 때의 조사시간과 절연특성(리크전류)의 관계를 나타내는 그래프이며 개질시의 프로세스압력은 760Torr이다. 여기에서는 금속산화막을 게이트절연막으로서 이용하고 있다.
이에 따르면 개질시간을 0분에서 10분, 60분으로 크게 할수록 리크전류가 적어져서 인가게이트전압에 대한 내압이 차츰 높아지고 있으며, 특성이 차츰 개선되어 가는 것을 나타내고 있다. 따라서 오존존재하에 있어서의 자외선조사에 의한 개질처리가 매우 유효한 것이 판명된다.
도 11은 성막개질장치(200)에서의 오존존재하에서의 자외선조사에 의한 개질프로세스압력과 절연내압의 관계를 나타내는 그래프이며, 이 때의 개질시간은 5분이다. 도면중 실선으로 나타내는 바와 같이 프로세스압력이 1. 0∼600Torr의 범위내에서는 기준으로 하는 절연내압 2. 0V를 윗돌아서 양호한 특성을 나타내고 있으며, 특히 10. 0Torr의 압력을 중심으로 하는 약 5. 0∼200Torr의 범위내에 있어서의 특성이 가장 양호한 것이 판명된다. 또한 도면중 일점쇄선은 개질처리 없는 경우의 특성을 나타내고 있다. 이 결과 대기압에서의 처리에 비교하여 진공하에서는 보다 단시간으로 개질을 실시할 수 있다.
또 대기압처리에서는 샤워헤드와 웨이퍼의 거리를 짧게 하여 생성한 활성산소의 수명이 짧아도 웨이퍼(W)의 표면에 활성산소를 도달시키지 않으면 안된다. 이 때문에 웨이퍼(W)의 반입 및 반출시에 로봇아암이 이동하기 위한 클리어런스를 샤워헤드 및 재치대의 사이에 확보하기 어렵다. 이 결과 재치대를 상하시켜서 이 클리어런스를 확보할 필요가 있다. 이에 대하여 진공중에서는 샤워헤드와 웨이퍼의 거리를 길게 해도 대기압과 똑같은 효과를 얻을 수 있다. 이 이유는 진공중에서는 생성한 활성산소원자의 수명이 길어지기 때문에 충분한 양의 활성산소원자가 웨이퍼(W)의 표면에 공급되기 때문이다. 이와 같이 본원의 제 2 발명에 관련되는 성막개질장치(200)에서는 샤워헤드(244)와 웨이퍼(W)의 거리(L1)를, 웨이퍼(W)의 반입 및 반출시에 로봇아암이 이동하기 때문에 충분히 길게 할 수 있으므로 재치대(214)의 상하시키는 상하기구를 생략하는 것이 가능해진다.
또 도 12는 성막개질장치(200)에서의 감압하에 있어서의 산화탄탈막을 자외선에 의해 개질처리했을 때의 결과를 나타내고, 3분처리와 10분처리의 경우를 나타내고 있으며, 아울러서 대기압하에 있어서의 10분과 60분의 처리결과도 기재하고 있다. 처리조건은, 온도는 400℃, 압력은 1Torr이다. 도 12에서 명백한 바와 같이 대기압하에 있어서 60분간 처리한 경우의 특성은 감압하에서 10분간 처리한 본 발명의 경우와 대략 같은 특성곡선을 나타내고 있다. 따라서 종래의 대기압처리에 비교하여 본 발명에 따르면 약 1/6의 단시간처리에 의해 종래와 똑같은 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기 본원 제 2 발명의 제 1 실시형태에서는 자외선조사수단으로서 마이크로파의 조사에 의해 자외선을 방출하는 수은봉입램프를 이용했지만, 이에 대신하여 마이크로파를 이용하는 일 없이 자외선을 방출하는 통상의 자외선램프를 이용하도록 해도 좋다. 도 13은 이와 같은 성막개질장치(200B)를 나타내는 구성도이며 도 9에 나타내는 구성부분과 동일부분에 대해서는 동일부호를 붙여서 설명을 생략 한다. 즉 이 구성에 있어서는 자외선조사수단(262)은 복수의 원통체상의 자외선램프(280)를 갖고 있으며, 여기에서는 7개의 자외선램프(280)를 석영제의 투과창(256)의 외측에 재치대(214)의 재치면에 대향시켜서 평행하게 되도록 배열하고 있다. 램프(280)의 수는 단순히 한 예를 나타낸 것에 지나지 않고 필요로 하는 자외선강도를 얻기 위해 적절히 증가된다. 이와 같은 자외선램프로서는 예를 들면 약 20W의 작은 전력으로 많은 자외선을 방출하는 것이 가능한 냉음극관을 이용할 수 있다. 또 이 자외선램프(280)의 형상은 원통체상의 직관형상에 한정되지 않고 해당 직관형상의 램프를 예를 들면 U자상, W상, 또는 S자상으로 굴곡변형시킨 램프도 사용할 수 있다.
이 복수의 자외선램프(280)의 전체는 광주리체(case)(282)에 의해 덮어져 있으며, 그 내측에는 램프보다 윗쪽을 향하는 자외선을 아래쪽을 향하여 반사하기 위한 반사경(284)이 설치되어 있다.
이와 같이 구성된 본원의 제 2 발명의 제 2 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200B)도 도 9에 나타내는 제 1 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200)와 똑같은 작용효과를 발휘하고 자외선램프(280)로부터 방사된 자외선(UV)이 투과창(256) 및 샤워헤드(244)를 투과하여 처리공간(S)에 조사되면 여기에 존재하는 오존 등의 처리가스가 활성화되어 활성산소원자(278)를 발생한다. 그리고 이 활성산소원자(278)가 반도체웨이퍼(W)의 표면에 형성되어 있는 금속산화막에 작용하여 이를 완전히 산화해서 개질하게 된다.
특히 도 13에 나타내는 제 2 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200B)에 있 어서는 도 9에 나타내는 성막개질장치(200)와 비교하여 마이크로파발생수단을 이용하고 있지 않기 때문에 구조를 간략화할 수 있고 비용도 그 만큼 억제할 수 있다.
상기 도 9 및 도 13에 나타내는 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서는 샤워헤드(244)는 원판상의 용기내에 오존을 도입하는 구조로 되어 있다. 그러나 샤워헤드(244)내의 오존의 압력이 어느 정도 높은 경우에는 자외선(UV)이 이 샤워헤드(244)내의 오존에 흡수되어 웨이퍼표면에 충분히 도달할 수 없었거나, 또는 샤워헤드(244)내에서 생성된 활성인 산소원자가 소멸하지 않고 웨이퍼표면에 도달하는 것이 적어지는 경우도 있다.
그래서 도 14 및 도 15에 나타내는 바와 같이 샤워헤드(244)를 예를 들면 격자상으로 설치한 복수의 가스분사관에 의해 구성하도록 해도 좋다. 도 14는 본원의 제 2 발명의 성막개질장치의 제 3 실시형태의 주요부를 나타내는 구성도, 도 15는 도 14에 나타내는 성막개질장치의 샤워헤드를 나타내는 하면도이다. 또한 이 변형예에 있어서, 앞서의 실시형태와 동일부분에 대해서는 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다. 또 이 실시형태에 있어서는 주요부만을 기재하고 있으며, 여기에서 설명하는 부분 이외의 다른 부분에 대해서는 도 9 또는 도 13에 나타내는 구성과 똑같이 형성되어 있다.
도 14에 나타내는 바와 같이 제 3 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200C)에서는 자외선램프(280)로서 예를 들면 저압수은램프가 이용되고 있으며, 이것으로부터 발생하는 예를 들면 파장이 254nm의 자외선의 90% 이상을 투과시키는 투과창(256)의 윗쪽에 상기 램프(280)가 설치된다.
그리고 이 투과창(256)의 바로 아래에 투과창(256)의 재료와 같이 자외선을 90% 이상 투과시키는 석영으로 이루어지는 샤워헤드(244)가 설치된다. 구체적으로는 도 15에 나타내는 바와 같이 이 샤워헤드(244)는 웨이퍼(W)의 직경보다도 큰 링상으로 이루어진 관직경이 굵은 분배링관(310)과, 이 분배링관(310)간에 종횡으로 격자상으로 설치하여 접속한 복수의 가스분사관(312)에 의해 구성된다. 이 예에서는 이 링관(310) 및 가스분사관(312)의 내부직경은 각각 16mm와 4. 35mm이며, 각 가스분사관의 하면측에는 직경이 예를 들면 약 0. 3∼0. 5mm의 다수의 분사구멍(46)이 등피치로 형성되어 있으며 오존함유의 처리가스를 분출할 수 있게 되어 있다.
이 경우 각 가스분사관(312)의 재치대(14)상의 웨이퍼(W)에 대한 투영면적은 웨이퍼표면의 면적의 20%보다도 작게 설정하는 것이 바람직하고, 가스분사관(312)의 격자간의 공간부(314)에 보다 많은 자외선(UV)이 통과하여 직접 웨이퍼면에 조사하게 되어 있다.
이상과 같이 구성한 경우에는 이 샤워헤드(244)에 도입된 오존함유의 처리가스는 우선 링상의 분배링관(310)을 따라서 돌아 들어가서 각 가스분사관(312)에 유입한다. 그리고 이 처리가스는 가스분사관(312)에 설치한 다수의 분사구멍(246)으로부터 처리용기(204)내에 공급되게 되고 웨이퍼면에 대하여 균일하게 오존가스를 공급할 수 있다.
또 격자상의 각 가스분사관(312)의 사이는 공간부(314)로서 형성되기 때문에 많은 자외선(UV)이 이 공간부(314)를 통과함으로써 샤워헤드(244)내의 오존과 간섭 하는 일 없이 많은 자외선(UV)이 웨이퍼표면에 직접 조사하게 되고, 따라서 웨이퍼표면상에 있어서의 활성종류의 양이 그 만큼 많아져서 개질을 보다 효율적으로 실시할 수 있다. 특히 각 가스분사관(312)의 투영면적을 웨이퍼표면의 20%보다도 작게, 즉 공간부(314)의 면적비인 개구도를 80% 이상으로 함으로써 양호한 개질처리를 실시하여 특성이 양호한 절연막 등을 얻을 수 있다.
또 개질시에 재치대(314)를 회전하면 웨이퍼면내에 걸쳐서 균일한 개질처리를 실시할 수 있다.
도 16은 이 제 3 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200C)에서의 가스분사관의 개구율(100-투영면적의 %)과 절연내압의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 때의 Ta2O5의 막두께는 10nm이다. 도 16에서 명백한 바와 같이 개구율을 80% 이하(투영면적은 20%보다 작음)로 함으로써 절연내압은 1. 8볼트 이상이 된다. 이 결과에서 성막개질장치(200C)에 의해 양질의 절연막을 형성할 수 있는 것이 판명되었다.
또 제 3 실시형태의 성막개질장치(200C)를 이용하여 처리시의 웨이퍼온도를 400℃로 하고, 처리압력을 1Torr로 하며, 150g/m3의 오존농도로 처리를 실시한 바, 도 12에 나타내는 감압하 10분처리의 전류-전압특성을 얻는 데에 5분 이하의 처리로 완료되어 효율적으로 처리를 실시할 수 있었다. 또한 이와 같은 처리는 처리시의 진공도가 1∼500Torr의 범위내에서 실시해도 똑같은 현저한 막질개선효과를 얻을 수 있었다.
또한 제 3 실시형태에서는 복수의 가스분사관(312)을 격자상으로 편성한 경 우를 예로 들어서 설명했지만, 일정한 넓이의 공간부(314)를 확보할 수 있다면 이들 가스분사관의 형상 및 배열은 한정되지 않고, 예를 들면 직선상으로 병렬로 배치해도 좋고, 또는 동심원상 또는 소용돌이상으로 배열하도록 해도 좋다.
도 9, 도 13 및 도 14 및 도 15에 나타내는 제 1에서 제 3 실시형태의 성막개질장치(200, 200B, 200C)에 있어서는, 처리용기(204)내의 전체영역에 오존 또는 N2O가스를 공급하는 구조인데, 도 17∼도 19에 나타내는 바와 같이 오존을 국부적으로 공급하도록 해도 좋다. 도 17은 본원의 제 2 발명의 제 4 실시형태의 성막개질장치(200D)의 주요부를 나타내는 구성도, 도 18은 도 17에 나타내는 성막개질장치(200D)의 재치대(214)가 강하한 상태를 나타내는 도면, 도 19는 도 17에 나타내는 성막개질장치(200D)의 샤워헤드(244)를 나타내는 단면도이다.
또한 이 제 4 실시형태에 있어서는, 도 9, 도 13, 도 14에 나타내는 실시형태와 동일부분에는 동일부호를 붙이고 설명을 생략한다. 또 이 실시형태에 있어서는 주요부만을 기재하고 있으며, 여기에서 설명하는 부분 이외의 다른 부분에 대해서는 도 9, 도 13, 도 14에 나타내는 구성과 똑같이 형성되어 있다.
도시하는 바와 같이 이 샤워헤드(244)는 재치대(214)의 상면을 덮을 수 있도록 하단부가 개방된 원형용기상의 덮개체(316)를 갖고 있다. 이 덮개체(316)는 웨이퍼(W)의 직경도 조금 크고 재치대(314)의 직경보다도 약간 작게 설정되고 전체가 자외선투과성의 석영에 의해 구성되어 있다. 이 덮개체(316)의 일측에는 횡방향을 향한 다수의 분사구멍(246)을 갖는 도입헤더부(318)가 원호상으로 형성되고, 이것 에 가스도입관(258)이 접속된다. 또 덮개체(316)의 타측에는 배출구(320)를 갖는 배출헤더부(322)가 설치되어 있으며 덮개체(316)내에 수평방향으로 흐르는 가스류를 형성할 수 있게 되어 있다. 상기 배출구(320)는 상기 덮개체(316)의 둘레방향을 따라서 원호상으로 형성된 슬릿형상을 하고 있으며, 상기한 바와 같은 균일한 수평가스류를 형성하게 되어 있다. 또 이 배출헤더부(322)의 외주에는 처리용기(204)내에 개방된 개구(324)가 형성된다.
또 이 재치대(214)는 웨이퍼(W)의 반입반출을 실시하기 위해 도시하지 않는 승강기구에 의해 처리용기내의 진공을 유지하면서 약간의 거리만큼 승강이동 가능하게 이루어져 있으며, 덮개체(316)에 대하여 접근 및 이간 가능하게 하고 있다. 도 18은 재치대(214)를 강하한 상태를 나타내고 있다. 처리용기(204)내의 진공을 유지하기 위해 재치대(214)의 주위에 예를 들면 벨로우즈(326)를 설치하고 있다. 또한 재치대(214)에 대신하여 덮개체(316)를 승강이동 가능하게 해도 좋다.
이 제 4 실시형태에 있어서는 도 17에 나타내는 상태에 있어서, 도입헤더부(318)에 도입된 오존함유의 처리가스는 여기에 설치한 분사구멍(246)으로부터 덮개체(316)내에 유입하고, 이 속을 수평방향을 향하는 가스류가 되어 반대측의 배출헤더부(312)에 유입한다. 이 유입한 가스는 진공당김되어 있는 처리용기(204)내에 개구(324)를 통하여 유출하게 된다.
이 경우 덮개체(316)내라는 좁은 공간내에서, 또한 웨이퍼(W)의 표면에 가까운 부분에서 활성인 산소원자를 고농도로 발생시킬 수 있기 때문에 개질처리를 효율적으로 실시할 수 있을 뿐만 아니라 특성이 더욱 양호한 개질막을 얻을 수 있다. 덮개체(316)의 하단부는 재치대(214)의 상면둘레틀부에 접하거나, 또는 접하지 않고 매우 접근시킨 상태로 설치한다. 이 경우에도 개질시에 재치대(214)를 회전하도록 하면 웨이퍼면내의 개질처리를 한층 균일화시킬 수 있다. 또한 재치대(214)를 둘레틀부와 중심부로 2분할하여 덮개체(316)와 맞닿는 링상의 둘레틀부를 링상의 고정재치대로 함으로써 웨이퍼(W)를 회전하면서 덮개체(316)의 하단부를 고정재치대에 접한 상태로 처리가 가능하며, 또한 개구(324) 이외로부터의 가스누설을 억제할 수 있기 때문에 덮개체(316)내의 활성산소농도를 한층 향상시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의해 처리시의 진공도가 1∼500Torr의 범위내에서 현저한 막질개선효과를 얻을 수 있었다.
또 처리시의 웨이퍼온도를 400℃로 하고, 처리압력을 1Torr로 하며, 150g/m3의 오존농도에서 처리를 실시한 바, 도 12에 나타내는 감압하 10분처리의 전류-전압특성을 얻는 데에 4분 이하의 처리로 완료되어 효율적인 처리를 실시할 수 있었다.
이상 설명한 제 1∼제 4 실시형태에 있어서는 자외선조사수단(262)을 구성하는 자외선램프(280)를 처리용기(204)의 외측에 배치했지만, 이에 한정되지 않고 처리용기(204)의 내측에 배치하도록 해도 좋다. 도 20은 이와 같은 제 5 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200E)를 나타내는 구성도이며, 도 13에 나타내는 구성부분과 동일구성부분에 대해서는 동일부호를 붙이고 있다. 즉 이 성막개질장치(200E)에 있어서는 자외선조사수단(262)을 구성하는 자외선램프(280)를 샤워헤드(244)의 바로 아래에 병렬적으로 배치하고 있으며 처리용기(204)내에 설치하고 있다. 따라서 도 13에 나타내는 구성에 있어서 필요하게 된 석영제의 투과창(256)은 불필요하게 된다. 또 샤워헤드(244)를 부착하고 있는 용기천정부에는 반사경(284)이 설치되어 있으며 램프(280)보다 윗쪽을 향하는 자외선을 아래쪽으로 반사시켜서 효율적으로 자외선을 이용하게 되어 있다.
이와 같이 구성된 제 5 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200E)도 도 13에 나타내는 성막개질장치(200B)와 똑같은 작용효과를 발휘하며, 자외선램프(280)로부터 방사된 자외선(UV)은 처리공간(S)에 존재하는 오존 등의 처리가스에 조사되어 활성산소원자(278)를 발생한다. 그리고 이 활성산소원자(278)가 반도체웨이퍼(W)의 표면에 형성되어 있는 금속산화막에 작용하여 이를 대략 완전히 산화하고, 개질하도록 되어 있다.
이 제 5 실시형태의 성막개질장치(200E)에 있어서는 자외선램프(280)를 처리용기(204)내에 수용한 결과, 이 램프(280)와 웨이퍼(W)의 사이를 매우 접근시킬 수 있고 따라서 그 만큼 램프(280)로부터 방사되는 자외선을 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 개질속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한 도 13에 나타내는 제 2 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200B)와 비교하여 램프로부터의 빛이 석영창에서 흡수되어 약해지는 일이 없다. 또 샤워헤드(244)를 저항발열체(220)를 구비한 재치대(214)로부터 떼어낼 수 있기 때문에 웨이퍼(W)의 열에 의한 오존 또는 N2O가스의 분해를 억제할 수 있다.
또 이 제 5 실시형태에서는 반사경(284)을 용기천정부에 설치했지만, 이를 설치하지 않은 경우에는 샤워헤드(244)의 구성재료를 자외선에 대해서 투명한 석영에 대신하여 통상의 스테인레스스틸이나 표면의 알루마이트처리된 알루미늄알루마이트를 이용하도록 해도 좋다. 이에 의하면 제작이 비교적 어려운 석영제의 샤워헤드를 이용한 경우보다도 비용의 상승을 억제할 수 있다.
이상의 각 제 1∼제 5 실시형태에 있어서는, 활성산소원자를 발생하기 위해 오존이나 N2O가스에 자외선을 조사하도록 하고 있지만, 이에 대신하여 플라즈마에 의해 산소나 N2O가스를 여기시켜 활성산소원자를 발생시키도록 해도 좋다. 도 21은 이와 같은 본원의 제 2 발명의 제 6 실시형태에 관련되는 성막개질장치(400)를 나타내는 구성도이고, 도 9에 나타내는 제 1 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200)의 구성부분과 동일부분에 대해서는 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다.
이 제 6 실시형태의 특징은 앞서의 제 1∼제 5 실시형태에서 이용하고 있던 자외선조사수단(262)에 대신하여 플라즈마생성수단(286)을 이용하고 있는 점이다. 즉 이 플라즈마생성수단(286)은 예를 들면 석영 등에 의해 구성된 플라즈마발생용기(288)를 갖고 있으며 이 플라즈마발생용기(288)는 공중원통체상으로 성형되어 그 아래쪽이 로트상으로 확대되어 있다. 그리고 이 플라즈마발생용기(288)는 처리용기(204)의 천정부(204B)의 중심부에 상하방향으로 관통하도록 하여 구 개구부를 재치면을 향하게 하여 설치되어 있다. 플라즈마발생용기(288)의 관통부 및 천정부(204B)의 사이에는 시일부재(290)가 설치되어 양자의 사이에 기밀성을 갖게 하고 있다. 따라서 플라즈마발생용기(288)는 처리용기(204)내와 연통하고, 처리공간의 일부를 구성하게 된다.
이 플라즈마발생용기(288)의 천정부에는 처리가스도입노즐(292)이 설치되고, 이 노즐(202)에는 도중에 매스플로콘트롤러(294)가 끼워 설치된 가스공급관(296)이 접속되어 유량제어하면서 처리가스를 플라즈마발생용기(288)내에 도입할 수 있게 되어 있다. 여기에서 이용하는 처리가스로서는 제 1∼제 5 실시형태에서 이용된 오존, N2O가스는 물론, 산소가스도 이용할 수 있고, 또 마찬가지로 N2O가스나 N2가스와 H2가스의 혼합가스도 첨가가스로서 미량 첨가하도록 해도 좋다.
그리고 플라즈마발생용기(288)의 상부는 도전성재료로 이루어지는 마이크로파받음부(298)에 의해 덮여 있으며 이 받음부(298)는 도파관(300)을 통하여 예를 들면 2. 45㎓의 마이크로파를 작용시킴으로써 활성산소원자를 발생시키게 되어 있다.
이 구성에 있어서도 제 1 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200)와 똑같은 작용효과가 발생한다. 즉 처리가스도입노즐(292)로부터 플라즈마발생용기(288)내에 도입된 처리가스에 마이크로파발생기(302)에서 발생한 2. 45㎓의 마이크로파를 직접 조사함으로써 플라즈마가 발생하고, 이 플라즈마의 에너지에 의해 활성산소원자(278)를 발생시킨다. 이 발생한 활성산소원자(278)는 플라즈마발생용기(288)내를 흘러 내려서 확대된 플라즈마발생용기(288)의 하단으로부터 웨이퍼표면상에 전체에 걸쳐 부어지고, 웨이퍼표면에 형성되어 있는 금속산화막을 신속히 또한 단시 간에 거의 완전히 산화하고 이것을 개질하게 된다.
이 때의 개질프로세스의 압력은 플라즈마의 발생효율과 활성산소원자(278)의 발생효율을 고려하면 0. 1∼5. 0Torr의 범위가 바람직하며, 또 웨이퍼의 프로세스온도는 320∼700℃의 범위가 바람직하다. 특히 고온이 될수록 그 효과는 커진다.
도 22는 제 6 실시형태에 관련되는 성막개질장치(400)에서의 절연내압의 활성산소처리의 온도의존성을 나타내는 그래프이고, 횡축에는 절대온도의 역수, 종축에는 실효전계강도를 취하고 있다. 이 때의 개질프로세스압력은 1.0Torr이고, 개질시간은 10분이다. 도 22에서 명백한 바와 같이 개질시의 프로세스온도를 올릴수록 절연내압이 양호하게 되어 있으며 특히 절연내압을 하한의 실효전계강도 12. 5MV/cm이상으로 하는 데에는 프로세스온도를 320℃ 이상으로 설정하는 것이 좋다. 다만, 개질프로세스온도는 금속산화막의 성막온도 이하로 설정할 필요가 있으므로 그 상한은 700℃이다.
또 도 23에 제 6 실시형태에 관련되는 성막개질장치(400)에서의 절연내막의 활성산소처리의 온도의존성을 보다 상세하게 구한 결과를 나타낸다. 여기에서는 처리압력을 대기압의 760Torr로부터 0. 1Torr까지 여러가지로 변경하고 있다. 도 23에서 명백한 바와 같이 기판의 온도, 즉 프로세스압력을 높게할수록 대기압의 경우는 절연내압이 가장 개선되는 피크값이 존재한 후에 프로세스온도가 700℃를 넘으면 급격히 특성이 악화하고 있다. 그리고 처리온도가 높아짐에 따라서 절연내압이 가장 개선되는 진공도도 차례로 낮아지고 있다. 예를 들면 절연내압이 가장 개선되는 처리시간은 프로세스압력이 760Torr인 때는 약 300℃, 500∼50Torr인 때는 약 400℃, 10∼1Torr인 때는 약 500℃, 0. 5∼0. 1Torr의 때는 약 600℃이다.
또 도 23에 의하면 진공도가 약 1Torr, 또는 그 이하이면 처리온도가 500℃∼700℃의 범위에서 높은 절연특성을 나타내고, 양호한 특성인 것이 판명되었다.
도 24는 제 6 실시형태에 관련되는 성막개질장치(400)에서의 절연내압의 활성산소의 처리시간의존성을 나타내는 그래프이고, 첨가가스를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우를 비교하고 있다. 도 24로부터 명백한 바와 같이 첨가가스를 첨가하지 않는 경우(곡선B)와 비교하여 첨가가스를 첨가한 경우(곡선A)의 쪽이 단시간이고 신속히 개질처리를 실시할 수 있음이 판명되었다. 이것은 첨가가스의 존재에 의해 활성산소원자의 농도가 높아진 것에 의한 것이라고 생각된다. 이 첨가가스는 여기에서는 N2가스와 H2가스의 혼합가스이며 H2가스의 비는 97용량% 대 3 용량%이며 O2를 1∼2리터 공급하고 있다.
이 제 6 실시형태에 있어서는 플라즈마를 발생시키기 위해 마이크로파를 이용하고 있으므로 제 1∼제 5 실시형태와 비교하여 오존을 이용할 필요가 없다. 따라서 가스의 방해의 염려가 없으며 오존발생 등의 장치가 필요하지 않게 되어 대폭으로 비용감소하는 것이 가능해 진다. 또 플라즈마를 발생시키는 마이크로파도 2. 45㎓로 한정되지 않으며 물론 다른 고주파의 마이크로파를 이용해도 좋다.
또 상기 제 6 실시형태에서는 플라즈마를 발생시킬 때에 있어서, 마이크로파를 이용하도록 했지만, 이에 대신하여 고주파를 이용하도록 해도 좋다. 도 25는 이와 같은 본원의 제 2 발명의 제 7 실시형태에 관련되는 성막개질장치(400B)를 나 타내는 구성도를 나타내고 있으며 도 21에 나타내는 제 6 실시형태에 관련되는 성막개질장치(400)의 구성부분과 동일부분에 대해서는 동일부호를 붙이고 있다. 즉 이 제 7 실시형태에 관련되는 성막개질장치(400B)에 있어서는 플라즈마발생수단(286)의 플라즈마발생용기(288)에 고주파코일(304)을 감아 돌려서 설치하고, 이 코일(304)에 매칭회로(306)를 통해서 예를 들면 13. 56㎒의 고주파전원(308)이 접속되어 있으며 처리 가스에 이 고주파전계를 인가함으로써 플라즈마를 발생시키도록 되어 있다.
이 제 6 실시형태에 있어서도 앞서의 도 9에 나타내는 저 1 실시형태와 똑같은 작용효과가 발생한다. 즉 플라즈마처리용기(288)내에 도입된 처리가스에 고주파전원(308)으로부터의 예를 들면 13. 56㎒의 고주파전계를 인가함으로서 플라즈마가 발생하고 이 플라즈마의 에너지에 의해 활성산소원자(278)를 생기게 한다. 이 활성산소원자(278)는 플라즈마발생용기(288)내를 흘러 내려서 웨이퍼표면의 금속산화막을 신속히 또한 단시간에 거의 완전히 개질하게 된다.
이 때의 프로세스압력 및 웨이퍼온도는 도 21에 나타내는 제 6 실시형태의 경우와 똑같은 조건이다. 특히 제 7 실기형태에 있어서는 플라즈마발생용에 고주파를 이용하여 마이크로파와 똑같은 효과가 얻어진다.
이상의 제 1∼제 7 실시형태에서는 개질처리를 실시할 때에, 자외선(UV) 또는 플라즈마를 이용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 웨이퍼온도를 400℃이상으로 설정하면 자외선이나 플라즈마를 이용하는 일 없이 오존을 웨이퍼표면에서 열분해함으로써 생성되는 활발한 산소원자에 의해서 산화탄탈막의 절연성을 효율 좋게 개 선하는 것이 가능하다.
도 26은 이와 같은 개질처리를 실시하는 본원의 제 2 발명의 성막개질장치의 제 8 실시형태의 관련되는 성막개질장치(500)를 나타내는 구성도, 도 27은 도 26에 나타내는 성막개질장치(500)의 샤워헤드를 나타내는 하면도, 도 28은 제 8 실시형태에 관련되는 성막개질장치(500)에서의 웨이퍼온도와 절연내압의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한 제 8 실시형태에 있어서, 앞서의 제 1 ∼제 7 실시형태와 동일부분에 대해서는 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다. 이 제 8 실시형태에 있어서는 주요부만을 기재하고 있으며 여기에서 설명하는 부분 이외의 다른 부분에 대해서는 앞의 제 1∼제 7 실시형태와 똑같이 구성되어 있다.
이 제 8 실시형태에 있어서는 가열수단으로서 복수의, 예를 들면 할로겐램프로 이루어지는 가열램프(330)를 이용하고 있으며, 이 가열램프(330)를 처리용기(204)의 바닥부에 설치한 석영제의 투과창(256)의 아래쪽에 배치하고 있다.
또 여기에서 이용하는 재치대(332)는 앞의 제 1∼제 7 실시형태에서 이용한 저항발열체(220)를 내장한 두꺼운 재치대(214)와는 달리, 매우 얇게 형성된, 예를 들면 SiC로 코트된 카본제의 재치대를 이용하고 있고, 처리용기(204)의 바닥부로부터 직립한 복수의 석영제의 지주(134)에 의해 지지되어 있다.
또 처리용기(204)내에 설치되는 샤워헤드(244)는 그 주변부에 설치한 분배링관(336)과, 4개의 접속관(338)을 통해서 중앙부에 설치한 공중원판상의 원판헤드부(340)로 이루어지며 이 헤드부(340)의 하면에 다수의 분출구멍(246)을 설치하여 처리가스를 처리용기(204)내에 공급할 수 있도록 되어 있다.
또 웨이퍼(W)와 샤워헤드(244)의 하면의 사이의 거리(L1)는 가능한 한 작게 하고, 예를 들면 10㎜로 설정하며 기상반응이 생기는 것을 억제하여 주로 표면반응에 의해 오존의 분해를 촉진하도록 되어 있다. 또 처리용기(204)의 측벽에는 이를 콜드월(cold wall)로 하기 위한 냉각자켓(272)이 배치되어 있다.
이상과 같이 구성된 제 8 실시형태에 관련되는 성막개질장치(500)에서는 샤워헤드(244)에 도입된 오존함유의 처리가스는 분배링관(336)으로부터 접속관(338)을 통해서 원반헤드부(340)로 유입하고, 이것으로부터 다수의 분사구멍(246)을 통해서 처리용기(204)내의 웨이퍼상에 균일하게 공급되게 된다.
한편 가열램프(330)로부터 방사된 열선은 투과창(256)을 투과하여 재치대(332)의 이면에 닿아서 이를 가열하고, 재치되어 있는 웨이퍼(W)를 간접적으로 소정의 온도로 가열하게 된다.
이 경우 웨이퍼온도를 400℃∼850℃의 범위내로 설정함으로써 자외선을 이용하는 일 없이 오존을 웨이퍼표면에서 열분해하여 활성한 산소원자를 생성할 수 있으며 웨이퍼표면을 개질하여 산화탄탈막의 절연성을 개선할 수 있다.
특히 웨이퍼(W)와 샤워헤드(244)의 사이의 거리(L1)가 크면 헤드(244)로부터 방출된 오존이 도중에서 기상반응에 의해 분해하여 발생한 활성산소가 웨이퍼면에 도달하기 전에 소멸하는 경우가 많아지지만, 이 제 8 실시형태와 같이 웨이퍼표면과 샤워헤드(244)의 하면을 예를 들면 10㎜까지 접근시킴으로써 가열된 웨이퍼표면에서 주로 오존의 분해가 생겨서 매우 고농도의 활성산소원자를 얻을 수 있고, 따라서 발생한 활성산소원자를 효율적으로 웨이퍼표면에 작용시켜 효율 좋게 개질처 리를 실시할 수 있으며, 또한 막질의 특성도 개선할 수 있다.
또 이 제 8 실시형태에서는 처리용기(204)의 측벽을 냉각자켓(272)에 의해 냉각하고, 오존의 열분해온도 예를들면 300℃이하로 유지하고 있으므로, 웨이퍼표면 이외에 유출하는 오존의 열분해를 억제하여 웨이퍼표면상만으로 오존의 분해를 촉진할 수 있어서 한층 개질효율 등을 향상시킬 수 있다.
또한 처리가스로서 오존을 함유시켰지만 이에 대신하여 N2O를 이용하도록 해도 좋다.
도 28에 나타내는 그래프로부터 명백한 바와 같이 두께 10㎚의 Ta2O5막을 형성한 바, 절연내압은 웨이퍼온도가 475℃를 피크로 하여 450℃∼500℃의 범위에서 가장 바람직하고 400℃ 이하가 되면 절연내압이 1. 8볼트 이하가 되어 특성이 악화한다. 또 온도가 800℃정도까지는 특성이 양호한 절연막을 얻을 수 있다.
또 처리시의 웨이퍼온도를 400℃로 하고 처리압력을 1Torr로 하며 150g/㎥의 오존온도로 처리를 실시한 바, 도 12에 나타내는 감압하 10분처리의 전류-전압특성을 얻는 것에 4분이하의 처리로 완료되어 효율적인 처리를 실시할 수 있었다.
또한 이 본원의 제 2 발명의 제 8 실시형태에 있어서, 샤워헤드구조로서 다른 구조, 예를 들면 도 9에 나타내는 제 1 실시형태와 동일한 구조를 이용해도 좋다. 또는 가열램프를 이용하는 일 없이 제 2 실시형태와 같이 저항발열체(220)가 내장된 재치대(214)를 이용해도 좋다.
이상의 각 제 1∼8 실시형태에 있어서는 개질대상의 금속산화막으로서 웨이 퍼표면에 형성된 산화탄탈을 개질하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고 다른 금속산화막 예를 들면 산화티탄, 산화지르코늄, 산화바륨, 산화스트론튬을 개질하는 경우에도 적용할 수 있다. 또한 상기한 금속산화막 이외에는 산화니오브, 산화하프늄, 산화이트륨, 산화납 등을 형성하는 경우에는 본 발명을 적용할 수 있다.
또 제 1∼8 실시형태에서는 피처리체로서 반도체웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않으며 예를 들면 유리기판이나 LCD기판으로 형성되어 있는 금속산화막을 개질하는 경우에도 적용할 수 있다.
이상 설명한 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치 및 방법 및 제 2 발명에 관련되는 성막의 성막개질장치 및 성막개질방법은 서로 조합시키는 것이 가능하다. 즉 제 1 발명에 관련되는 성막장치에서 피처리체상에 형성된 성막에 대하여 제 2 발명에 관련되는 성막장치에서 개질처리를 실시할 수 있다.
도 29는 본원의 제 3 발명에 관련되는 구성ㆍ개질시스템의 제 1 실시형태를 나타내는 개략사시도이고, 도 30은 도 29에 나타내는 성막ㆍ개질시스템의 수평단면도, 도 31은 도 29에 나타내는 성막ㆍ개질시스템을 피처리체의 반송경로에 따라 절단했을 때의 단면도이다.
도 29에 나타내는 바와 같이 성막ㆍ개질시스템(600)은 성막장치(602)와, 성막개질장치(604)와, 이들 2개의 장치(602) 및 (604)의 사이를 공통으로 연결하는 공통이동재치실(606)로 주로 구성되어 있다. 또한 이 실시형태에서는 웨이퍼의 반입ㆍ반추효율을 향상시키기 위해 복수의 반도체웨이퍼를 수용가능한 카세트(C)를 수용하여 진공당김 가능하게 이루어져 상기 공통이동재치실(606)에 연결된 카세트수용실(608A, 608B)을 갖고 있으며 이른바 클러스터툴화되어 있다.
성막장치(604)는 도 1에 나타내는 본원의 제 1 발명에 관련되는 성막장치(2)와 똑같은 구성으로 이루어지고, 피처리체 예를 들면 반도체웨이퍼에 대해서 기화상태의 금속산화막원료와 기화상태의 알콜의 존재하의 진공분위기속에서 금속산화막을 형성하는 것이다. 성막장치(602)는 물론 도 7에 나타내는 성막장치(2)이어도 좋다.
성막개질장치(604)는 성막장치(602)에서 피처리체상에 성막된 금속산화막을 진공분위기하에서 활성산소원자에 드러냄으로써 개질하는 것이다. 이 성막개질장치(604)는 상기 도 9에 나타내는 본원의 제 2 발명의 제 1 실시형태에 관련되는 성막개질장치(200)와 똑같은 구성으로 이루어진다. 성막개질장치(604)는 상기 본원의 제 2 발명의 제 2∼제 9 실시형태에 관련되는 성막개질장치이어도 좋다.
공통이동재치실(606)은 상기한 대로 성막장치(602) 및 성막개질장치(604)를 공통으로 연결하는 것이며, 구체적으로는 다음과 같다. 우선 도 30에 나타내는 대로 공통이동재치실(606)의 일측면부에는 각각 게이트밸브(G1, G2)를 통하여 제 1 카세트수용실(608A) 및 제 2 카세트수용실(608B)이 각각 접속되어 있다. 이들 양 카세트수용실(608A, 608B)은 이 시스템 전체의 웨이퍼반출입포트를 구성하는 것이며, 도 31에 나타내는 대로 각각 승강 자유로운 카세트스테이지(610)를 구비하고 있다.
공통이동재치실(606) 및 양 카세트수용실(608A, 608B)은 각각 기밀구조로 구 성되고 양 카세트수용실(609A, 609B)에는 외부의 작업실분위기와의 사이를 개폐하여 대기개방 가능하게 각각 게이트도어(G3, G4)가 설치된다.
도 30에 나타내는 바와 같이 공통이동재치실(606)내에는 이동재치용 아암기구(612)가 설치되어 있다. 이동재치용 아암기구(612)는 굴절신장 및 선회 가능하게 이루어진 다관절아암으로 이루어지고, 양 카세트수용실(608A, 608B)과 성막장치(602) 및 성막개질장치(604)의 사이 및 성막장치(602)와 성막개질장치(604)의 사이에서 웨이퍼를 이동재치하는 것이다. 그 때문에 아암기구(612)의 웨이퍼지지부인 아암선단에는 웨이퍼(W)를 흡착지지하기 위한 흡인구멍(612A)이 형성되어 있으며, 이 흡인구멍(612A)은 도시하지 않는 배관을 통하여 진공펌프에 접속되어 있다.
또 이 공통이동재치실(606)내에는 반도체웨이퍼(W)의 중심 및 오리엔테이션플랫을 위치맞춤하기 위한 회전스테이지(614)가 설치되어 있으며, 도시하지 않는 발광부와 수광부에 의해 위치맞춤수단을 구성하고 있다.
그리고 이 공통이동재치실(606)에는 게이트밸브(G9, G10)가 설치되어 있다. 게이트밸브(G9)는 성막장치(602)의 처리용기(4)(도 2 참조)의 측벽에 설치된 웨이퍼반출입구(106)에 연결되어 있다. 한편 게이트밸브(G10)는 성막개질장치(604)의 처리용기(204)(도 9 참조)의 측벽에 설치된 웨이퍼반출입구(274)에 연결되어 있다.
이상 설명한 상기 공통이동재치실(606), 카세트수용실(608A, 608B)에는 각각의 내부에 비활성가스, 예를 들면 N2가스를 퍼지하는 N2가스공급계(616) 및 실내의 분위기를 진공당김하기 위한 진공배기계(618)가 각각 접속되어 있으며 독립하여 제 어 가능하게 이루어져 있다.
이상과 같은 구성으로 이루어지는 본원의 제 3 발명에 관련되는 성막·개질시스템(600)에 따르면, 미처리의 웨이퍼(W)를 예를 들면 25장 수용한 카세트(C)가 제 1 카세트수용실(608A)내의 카세트스테이지(610)상에 재치되고, 계속해서 게이트도어(G3)를 닫고 이 실내를 N2가스의 비활성가스분위기로 한다.
다음으로 게이트밸브(G1)를 열고 카세트(C)내의 웨이퍼(W)가 공통이동재치실(606)내의 이동재치용 아암기구(612)에 진공흡착되고 미리 비활성가스분위기로 되어 있는 공통이동재치실(606)내에 웨이퍼를 반입한다. 그리고 이 웨이퍼(W)를 회전스테이지(614)상에 재치함으로써 웨이퍼(W)의 올리훌라맞춤 및 중심위치맞춤을 실시한다.
그리고 공통이동재치실(606)내를 예를 들면 약 0. 1∼0. 2Torr의 진공도로 감압하고 웨이퍼(W)를 성막을 위해 게이트밸브(G9)를 통하여 성막장치(602)에 도입한다. 이 성막장치(602)에서는 상기한 본원의 제 1 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명한 것과 똑같이 웨이퍼(W)의 표면상에 금속산화막이 성막된다.
예를 들면 Ta2O5 등의 금속산화막이 성막처리된 웨이퍼(W)는 이동재치용 아암기구(612)에 의해 성막장치(602)로부터 미리 진공상태로 유지된 공통이동재치실(606)내로 꺼내어지고, 다음으로 게이트밸브(G10)를 통하여 미리 진공상태로 이루어져 있는 성막개질장치(604)내에 도입되며, 여기에서 상기한 제 2 발명의 제 1 실시형태와 똑같은 순서에 따라서 금속산화막의 개질처리를 실시한다.
이 개질처리중에 있어서는 다음의 미처리의 웨이퍼(W)가 성막장치(602)에 도입되고 성막처리도 아울러서 실시되고 있다.
이와 같이 하여 성막개질장치(604)에 있어서, 웨이퍼(W)의 표면의 금속산화막의 개질조작이 종료되었다면, 이 처리완료의 웨이퍼(W)는 이동재치용 아암기구(612)에 의해 성막개질장치(604)로부터 꺼내어지고 게이트밸브(G10)를 닫은 후에 공통이동재치실(606)내에 N2가스를 퍼지하여 압력조정을 실시한다.
압력조정후는 이 처리완료의 웨이퍼(W)를 게이트밸브(G2)를 통하여 처리완료웨이퍼를 수용하는 제 2 카세트수용실(608B)내의 카세트(C)에 수용하고 재치하게 된다.
이와 같이 공통이동재치실(606)에 의해 성막장치(602)와 성막개질장치(604)를 연결하도록 하여 성막완료의 웨이퍼(W)를 진공분위기속을 통하여 그대로 성막개질장치(604)내에 이동재치하는 것으로 했기 때문에, 이 이동재치시에 압력조정시간이 거의 필요하게 되는 일은 없다. 따라서 성막처리로부터 개질처리로 스무드하게 이행할 수 있고, 그 만큼 성막·개질을 위한 처리시간을 짧게 하여 시스템효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또 본 실시형태에서는 상기한 바와 같이 성막공정 자체 및 개질공정 자체도 각각 처리시간을 대폭으로 단축할 수 있기 때문에 이들과 어울려서 성막·개질공정 전체에 요하는 시간을 대폭으로 짧게 할 수 있어서 시스템효율을 대폭으로 향상시키는 것이 가능하게 된다.
이상 제 1 발명에 관련되는 성막장치 및 제 2 발명에 관련되는 성막개질장치를 조합한 예에 대하여 설명했지만, 제 1 발명 및 제 2 발명은 서로 독립하여 실시 가능한 것은 말할 필요도 없다. 즉 제 1 발명에 따라서 성막이 실시된 피처리체에 대하여 개질처리를 실시하지 않는 경우나 제 2 발명과 다른 개질처리를 실시하는 경우도 본원의 제 1 발명의 범위내이다. 또 제 1 발명과 다른 방법으로 성막된 피처리체에 대하여 제 2 발명에 따라서 개질처리를 실시하는 경우도 본원의 제 2 발명의 범위내이다.

Claims (34)

  1. 피처리체상에 성막된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 개질장치에 있어서,
    처리용기와,
    상기 처리용기내에 수용된 상기 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와,
    산소, 오존 또는 N2O가스의 어느 한 종류를 함유하는 처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 처리용기내의 분위기속에 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 생기게 하는 활성산소발생수단과,
    상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하고,
    상기 활성산소발생수단이 상기 처리용기내의 분위기속에 자외선을 조사하여 활성산소원자를 생기게 하는 자외선조사수단인 것과,
    상기 처리가스공급수단이 상기 자외선조사수단과 상기 재치대의 사이에 배치된 샤워헤드를 가지며, 상기 샤워헤드는 분사구멍을 갖는 복수의 가스분사관을 조합시켜 이루어지는 것과,
    상기 복수의 가스분사관은 격자상으로 조합되어 이루어지고, 상기 복수의 가스분사관의 상기 재치대상에 대한 투영면적이 상기 피처리체의 표면의 면적의 20%보다도 작은 것을 특징으로 하는 개질장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재치대를 가열하기 위한 재치대가열수단을 갖는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자외선조사수단이 수은을 봉입한 수은봉입램프와, 이 수은봉입램프에 마이크로파를 인가하여 자외선을 발생시키기 위한 마이크로파발생수단과, 발생한 자외선을 상기 피처리체를 향하여 집광시켜서 균등하게 조사하는 반사경을 구비하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자외선조사수단이 상기 재치대의 표면에 대향하도록 서로 실질적으로 평행하게 배열된 복수의 자외선램프로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 피처리체상에 성막된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 개질장치에 있어서,
    처리용기와,
    상기 처리용기내에 수용된 상기 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와,
    산소, 오존 또는 N2O가스의 어느 한 종류를 함유하는 처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 처리용기내의 분위기속에 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 생기게 하는 활성산소발생수단과,
    상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하고,
    상기 활성산소발생수단이 상기 처리용기내의 분위기속에 마이크로파 또는 고주파전계를 인가하여 플라즈마를 생기게 함으로써 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 생기게 하는 플라즈마생성수단인 것을 특징으로 하는 개질장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리가스공급수단이 상기 플라즈마생성수단과 상기 재치대의 사이에 배치된 샤워헤드를 갖고, 상기 샤워헤드는 분사구멍을 갖는 복수의 가스분사관을 조합시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 가스분사관은 격자상으로 조합되어 있는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 가스분사관의 재치대상에 대한 투영면적이 상기 피처리체의 표면의 면적의 20%보다도 작은 것을 특징으로 하는 개질장치
  13. 피처리체상에 성막된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 개질장치에 있어서,
    처리용기와,
    상기 처리용기내에 수용된 상기 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와,
    산소, 오존 또는 N2O가스의 어느 한 종류를 함유하는 처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 처리용기내의 분위기속에 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 생기게 하는 활성산소발생수단과,
    상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하고,
    상기 처리가스공급수단은 상기 재치대의 상면을 덮을 수 있도록 하단부가 개방된 용기상의 덮개를 가지며, 상기 덮개의 일측에는 다수의 분사구멍을 갖는 도입헤드부가 형성되고, 다른측에는 배출구를 갖는 배출헤더부가 형성되며, 상기 덮개내에 수평방향으로 흐르는 가스류를 형성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 덮개 및 상기 재치대는 상대적으로 상하방향으로 접근 및 이간 가능하게 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  15. 피처리체상에 성막된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 개질장치에 있어서,
    처리용기와,
    상기 처리용기내에 수용된 상기 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와,
    산소, 오존 또는 N2O가스의 어느 한 종류를 함유하는 처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 처리용기내의 분위기속에 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 생기게 하는 활성산소발생수단과,
    상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하고,
    상기 활성산소발생수단이 상기 피처리체를 가열하기 위한 가열수단이며 상기 가열수단이 상기 피처리체를 400℃∼850℃의 범위내로 가열하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 가열수단이 상기 재치대의 아래쪽에 설치한 복수의 가열램프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  17. 제 15 항에 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 처리용기의 측벽에 해당 측벽을 오존의 열분해온도보다도 낮은 온도로 냉각하는 냉각자켓이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  18. 피처리체상에 성막된 금속산화막을 개질하는 금속산화막의 개질장치에 있어서,
    처리용기와,
    상기 처리용기내에 수용된 상기 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와,
    산소, 오존 또는 N2O가스의 어느 한 종류를 함유하는 처리가스를 상기 처리용기내에 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 처리용기내의 분위기속에 상기 처리가스로부터 활성산소원자를 생기게 하는 활성산소발생수단과,
    상기 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하고,
    상기 피처리체의 표면에 금속산화막을 성막하는 성막처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    성막처리부가 다른 처리용기와, 상기 다른 처리용기내에 수용된 피처리체가 그 표면상에 재치되는 재치대와, 상기 다른 처리용기내에 기화상태의 금속산화막원료를 공급하는 원료공급수단과, 상기 다른 처리용기내에 기화상태의 알콜을 공급하는 알콜공급수단과, 상기 다른 처리용기내를 진공당김하는 진공배기계를 구비하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 성막처리부는 상기 처리용기와는 다른 처리용기를 구비하고, 상기 처리용기와 상기 다른 처리용기는 공통의 공통이동재치실에 접속되는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  21. 피처리체의 표면에 형성된 금속산화막의 개질방법에 있어서, 진공분위기속에서 산소, 오존 또는 N2O가스를 포함하는 처리가스로부터 활성산소원자를 발생시키고, 이 활성산소원자에 의해 상기 피처리체의 표면의 금속산화막을 개질하며, 여기에서 상기 피처리체의 온도가 320~700℃의 범위내에 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 개질방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    자외선을 조사함으로써 처리가스로부터 활성산소원자가 발생되는 것을 특징으로 하는 개질방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    마이크로파 또는 고주파전계를 인가함으로써 플라즈마를 생성시키고, 이 플라즈마에 의해 처리가스로부터 활성산소원자를 발생시키고, 이 활성산소원자에 의해 상기 피처리체의 표면의 금속산화막을 개질하는 것을 특징으로 하는 개질방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 처리가스속에 적어도 N2가스를 포함하는 첨가가스가 혼입되어 있는 것을 특징으로 하는 개질방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 진공분위기의 압력이 1∼600Torr의 범위내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 개질방법.
  26. 삭제
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속산화막이 산화탄탈, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화바륨, 산화스트론튬, 산화니오브, 산화하프늄, 산화이트륨 및 산화납으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 개질방법.
  28. 피처리체의 표면에 형성된 금속산화막의 개질방법에 있어서, 진공분위기속에서 산소, 오존 또는 N2O가스를 포함하는 처리가스로부터 활성산소원자를 발생시키고, 이 활성산소원자에 의해 상기 피처리체의 표면의 금속산화막을 개질하고, 여기에서 상기 금속산화막이 산화탄탈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질방법.
  29. 제 15 항에 있어서,
    상기 처리가스공급수단이 상기 재치대의 위쪽에 배치된 복수의 분사구멍을 갖는 샤워헤드를 갖는 개질장치.
  30. 제 16 항에 있어서,
    상기 가열램프는 할로겐램프인 것을 특징으로 하는 개질장치.
  31. 제 15 항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 석영으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  32. 제 15 항에 있어서,
    상기 재치대는 SiC로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  33. 제 15 항에 있어서,
    상기 피처리체의 표면에 금속산화막을 성막하는 성막처리부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 개질장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 성막처리부는 상기 처리용기와는 다른 처리용기를 구비하고, 상기 처리용기와 상기 다른 처리용기는 공통의 공통이동재치실에 접속되는 것을 특징으로 하는 개질장치.
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