KR101010072B1 - 반도체 처리용 성막 장치, 성막 방법 및 컴퓨터로 판독 가능한 매체 - Google Patents
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Abstract
반도체 처리용의 성막 장치는, 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 처리 용기 내에 공급하는 원료 가스 공급계와, 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스와의 혼합 가스를 처리 용기 내에 공급하는 혼합 가스 공급계를 포함한다. 혼합 가스 공급계는 도핑 가스 및 희석 가스를 혼합하여 혼합 가스를 형성하기 위해 처리 용기 외에 배치된 가스 혼합 탱크와, 상기 혼합 탱크로부터 처리 용기 내에 혼합 가스를 공급하는 혼합 가스 공급 라인과, 가스 혼합 탱크에 도핑 가스를 공급하는 도핑 가스 공급계와, 가스 혼합 탱크에 희석 가스를 공급하는 희석 가스 공급계를 포함한다.
배기 노즐, 처리 용기, 성막 장치, 압력 제어 밸브, 진공 펌프, 배기계
Description
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 종형 성막 장치(CVD 장치)를 도시하는 구성도.
도2는 처리 용기 내에 있어서의 가스의 유입 상태, 가스 혼합 탱크 내로의 가스의 유입량, 각 개폐 밸브의 개폐 상태, 가스 혼합 탱크 내 및 처리 용기 내의 압력을 도시하는 도면.
도3은 주제어부의 구성의 개략을 도시하는 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 성막 장치
4 : 처리 용기
6 : 배기구
8 : 배기 노즐
10 : 제어 밸브
12 : 진공 펌프
14 : 배기계
16 : 매니 폴드
18 : 웨이퍼 보트
20 : 시일 부재
22 : 보온통
24 : 테이블
26 : 덮개부
28 : 회전축
30 : 자성 유체 시일
32 : 시일 부재
34 : 승강 기구
36 : 아암
38 : 히터
40 : 단열
42, 44, 45 : 가스 공급계
42A, 44A, 45A : 가스 노즐계
52A, 54A, 64A, 68A, 58A, 62A : 개폐 밸브
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판 상에, 인(P)이나 붕소(B) 등의 불순물(도펀트)을 도핑한 박막을 형성하기 위한 반도체 처리용의 성막 장치 및 방 법에 관한다. 여기서, 반도체 처리라 함은, 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)나 FPD(Flat Panel Display)용의 유리 기판 등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 상기 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나 반도체 디바이스에 접속되는 배선 및 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.
반도체 집적 회로를 구성하는 반도체 디바이스의 제조에 있어서는 피처리 기판, 예를 들어 반도체 웨이퍼에 성막, 산화, 확산, 개질, 어닐, 에칭 등의 각종의 처리가 실시된다. 성막 처리의 한 종류인 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 있어서, 성막용의 원료 가스와 도핑 가스를 동시에 공급하여 퇴적막 중에 불순물을 도핑하는 경우가 있다. 일본 특허 공개 제2003-282566호 공호는 종형의 열처리 장치에 있어서 이러한 종류의 CVD 방법을 개시한다. 이 방법에서는 종형의 처리 용기 내에 다수매의 반도체 웨이퍼를 다단으로 수용한다. 다음에, 웨이퍼를 가열하면서 처리 용기 내에 성막 가스와 불순물을 포함하는 도핑 가스를 공급한다. 이에 의해, 불순물을 도핑하면서 박막을 웨이퍼 상에 퇴적한다. 예를 들어, 인 도핑의 폴리실리콘 프로세스에서는 도핑 가스로서 PH3 가스 등이 이용된다.
이러한 종류의 도핑 가스의 증기압이 높은 원료인 경우에는, 순수 도핑 가스를 저류하는 저류 탱크로부터 이 순수 도핑 가스를 유량 제어하면서 처리 용기 내로 도입할 수 있다. 그러나, 일반적으로는 이러한 종류의 도핑 가스의 증기압은 매우 낮으므로, 순수 가스 상태에서 처리 용기 내로 도입해도 확산이 충분하지 않 아 도핑량이 불균일한 분포 상태가 되어 버린다.
그래서, 일반적으로, 이러한 종류의 도핑 가스를 공급하는 경우에는, 이 도핑 가스를 N2 등의 불활성 가스에 의해 미리 예를 들어 1 ％ 정도로 희석한 상태에서 저류 봄베 내로 충전한다. 사용시에는, 이 미리 희석된 1 ％ 농도의 도핑 가스를 저류 봄베로부터 유량 제어하면서 흘러 확산 상태가 양호한 상태에서 처리 용기 내로 도입한다. 희석된 도핑 가스를 저류 봄베로부터 처리 용기 내로 도입하는 경우에는, 희석된 만큼만 단위 시간당의 가스 유량이 많아진다. 이에 의해, 비교적 대용량의 처리 용기 내에 단시간에 신속하면서 균일하게 도핑 가스를 확산할 수 있다.
그러나, 이 경우에는 저류 봄베 내에는 도핑 가스는 상술한 바와 같이 희석된 상태로 충전되어 있으므로, 단위 시간당의 가스 사용량(유출량)이 많아진다. 이로 인해, 비교적 단시간에 저류 봄베를 교환해야만 하고, 그 만큼 생산성이 저하되어 처리량이 저하된다. 특히, 웨이퍼 사이즈가 8 인치로부터 12 인치(300 ㎜)로 커짐에 따라, 소위 배치식의 처리 용기 내의 용량도 현격하게 커진다. 이에 수반하여, 높은 처리량을 유지하면서 도핑 가스의 처리 용기 내로의 도입시 균일 확산을 보다 신속하게 행할 필요성이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 반도체 처리용의 성막 장치 및 방법에 있어서, 처리 용기 내에서의 도핑 가스의 확산 속도를 높게 유지하면서 도핑 가스원의 교환 빈도를 억 제하여 생산성, 즉 처리량을 향상시키는 것이다.
본 발명의 제1 시점은 반도체 처리용의 성막 장치이며,
간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
상기 처리 용기 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계와,
상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 원료 가스 공급계와,
상기 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 상기 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스와의 혼합 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 혼합 가스 공급계와,
상기 혼합 가스 공급계를 포함하는 상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 혼합 가스 공급계는,
상기 도핑 가스 및 상기 희석 가스를 혼합하여 상기 혼합 가스를 형성하기 위해 상기 처리 용기 외에 배치된 가스 혼합 탱크와,
상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 공급하는 혼합 가스 공급 라인과,
상기 가스 혼합 탱크에 상기 도핑 가스를 공급하는 도핑 가스 공급계와,
상기 가스 혼합 탱크에 상기 희석 가스를 공급하는 희석 가스 공급계를 구비한다.
본 발명의 제2 시점은 반도체 처리용의 성막 방법이며,
처리 용기 내에 간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 가열하는 공정과,
상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 공정과,
상기 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 상기 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스를 상기 처리 용기 외에 배치된 가스 혼합 탱크에 공급하여 혼합 가스를 형성하면서, 상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 공급하는 공정을 구비한다.
본 발명의 제3 시점은 프로세서 상에서 실행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이며,
상기 프로그램 명령은 프로세서에 의해 실행될 때, 반도체 처리용의 성막 장치에,
처리 용기 내에 간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 가열하는 공정과,
상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 공정과,
상기 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 상기 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스를 상기 처리 용기 외에 배치된 가스 혼합 탱크에 공급하여 혼합 가스를 형성하면서, 상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 공급하는 공정을 실행시킨다.
본 발명의 부가의 목적 및 장점은 이어지는 상세한 설명에서 설명되고, 설명 으로부터 부분적으로 명백해질 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 이하에 특히 지적되는 수단 및 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있을 것이다.
본 명세서의 부분을 구성하고 이에 합체된 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고, 상기의 일반적인 설명 및 이하의 바람직한 실시예의 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 작용을 한다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 부여하여 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
도1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 종형 성막 장치(CVD 장치)를 도시하는 구성도이다. 도1에 도시한 바와 같이, 성막 장치(2)는 하단부가 개방된 원통체 형상으로 이루어진 종형의 처리 용기(4)를 갖는다. 처리 용기(4)는, 예를 들어 내열성이 높은 석영으로 이루어진다. 처리 용기(4)의 천정부에는 개구된 배기구(6)가 형성된다. 배기구(6)에, 예를 들어 직각으로 횡방향으로 굴곡된 배기 노즐(8)이 연결 설치된다. 배기 노즐(8)에는 도중에 압력 제어 밸브(10)나 진공 펌프(12) 등이 개재 설치된 배기계(14)가 접속된다. 배기계(14)에 의해, 처리 용기(4) 내의 분위기를 진공 배기할 수 있다.
처리 용기(4)의 하단부는, 예를 들어 스테인레스 스틸로 된 통체 형상의 매니폴드(16)에 의해 지지된다. 처리 용기(4)의 하단부와 매니폴드(16)의 상단부 사 이에는 O링 등의 시일 부재(20)가 개재되고, 이 부분의 기밀성이 유지된다. 매니폴드(16)의 하단부에는 개구부가 형성되고, 이를 적합하여 웨이퍼 보트(18)가 로드 및 언로드된다. 웨이퍼 보트(18)는 석영제이고, 반도체 웨이퍼(W)를 다단으로 소정의 피치에 의해 적재하는 보유 지지 수단으로서 기능한다. 본 실시 형태의 경우에 있어서, 웨이퍼 보트(18)에는, 예를 들어 50 내지 100매 정도의 직경이 300 ㎜의 웨이퍼(W)를 대략 등피치에 의해 다단으로 지지 가능해진다. 매니폴드(16)의 부분을 석영에 의해 처리 용기(4)측과 일체 성형할 수 있다.
웨이퍼 보트(18)는 석영제의 보온통(22)을 통해 테이블(24) 상에 적재된다. 테이블(24)은 매니폴드(16)의 하단 개구부를 개폐하는 덮개부(26)를 관통하는 회전축(28)의 상단부에 지지된다. 회전축(28)의 관통부에는, 예를 들어 자성 유체 시일(30)이 개재 설치되고, 회전축(28)을 기밀하게 시일하면서 회전 가능하게 지지한다. 덮개부(26)의 주변부와 매니폴드(16)의 하단부 사이에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 시일 부재(32)가 개재 설치되고, 처리 용기(4) 내의 시일성을 보유 지지한다.
회전축(28)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(34)에 지지된 아암(36)의 선단부에 부착된다. 승강 기구(34)에 의해, 웨이퍼 보트(18) 및 덮개부(26) 등이 일체적으로 승강된다. 또, 테이블(24)을 덮개부(26)측으로 고정하여 설치하고, 웨이퍼 보트(18)를 회전시키는 일 없이 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 좋다.
처리 용기(4)의 측부에는, 이를 둘러싸도록 카본 와이어제의 히터(38)가 배 치된다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2003-209063호 공보에 기재). 히터(38)에 의해 처리 용기(4) 내의 분위기가 가열되고, 따라서 반도체 웨이퍼(W)가 가열된다. 카본 와이어 히터는 청정한 프로세스를 실현할 수 있고, 또 승강온 특성이 우수하고, 후술한 바와 같은 복수 처리를 연속하여 행하는 경우에 적합하다. 히터(38)의 외주에는 단열재(40)가 배치되어 열적 안정성이 확보된다. 매니폴드(16)에는, 각종 가스를 처리 용기(4) 내로 도입하여 공급하기 위한 각종 가스 공급계가 배치된다.
구체적으로, 매니폴드(16)에는 원료 가스 공급계(42), 환원성 가스 공급계(44) 및 혼합 가스 공급계(45)가 접속된다. 각 가스 공급계(42, 44, 45)는 가스 노즐(42A, 44A, 45A)을 각각 갖는다. 가스 노즐(42A, 44A, 45A)의 각각은, 매니폴드(16)의 측벽을 관통하는 동시에, 그 선단부가 상향하게 되도록 직각으로 굴곡된다.
원료 가스 공급계(42)는 웨이퍼(W) 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 처리 용기(4) 내로 공급한다. 환원성 가스 공급계(44)는 원료 가스의 분해를 촉진하기 위한 환원성 가스를 처리 용기(4) 내로 공급한다. 혼합 가스 공급계(45)는 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스와의 혼합 가스를 처리 용기(4) 내로 공급한다. 또한, 혼합 가스 공급계(45)에는 퍼지 가스 공급계(50)가 접속된다. 퍼지 가스 공급계(50)는 처리 용기(4) 내 불활성 가스를 퍼지 가스로서 공급한다.
본 실시 형태에 있어서, 원료 가스로서는 실란계 가스, 예를 들어 SiCl4가 이용된다. 환원성 가스로서는 수소(H2) 가스가 이용된다. 도핑 가스로서는, 예를 들어 인을 도핑하기 위해 PH3 가스가 이용된다. 희석 가스 및 퍼지 가스로서는 질소(N2) 가스가 이용된다. 희석 가스 및 퍼지 가스로서는 질소 대신에 Ar이나 He 등의 다른 불활성 가스를 이용할 수도 있다.
보다 구체적으로는, 원료 가스 공급계(42) 및 환원성 가스 공급계(44)의 가스 노즐(42A, 44A)은 도핑 가스 공급 라인(52) 및 환원성 가스 공급 라인(54)(가스 통로)을 통해, 원료 가스원(42S) 및 환원성 가스원(44S)에 접속된다. 가스 통로(52, 54) 상에는 개폐 밸브(52A, 54A)와 질량 유량 제어기와 같은 유량 제어기(52B, 54B)가 배치된다. 이에 의해, 원료 가스 및 환원성 가스가 유량 제어하면서 공급 가능해진다.
혼합 가스 공급계(45)의 가스 노즐(45A)은 혼합 가스 공급 라인(가스 통로)(64)을 통해, 처리 용기(4) 외에 배치된 가스 혼합 탱크(66)에 접속된다. 가스 통로(64) 상에는 개폐 밸브(64A)가 배치된다. 가스 혼합 탱크(66)는 도핑 가스와 희석 가스를 혼합시켜 혼합 가스를 형성하기 위한 소정의 용량을 갖는다. 가스 혼합 탱크(66)의 용량은 처리 용기(4)의 용량에도 의하지만, 예를 들어 200 내지 5000 ㏄의 범위 내이다. 특히, 처리 용기(4) 내에 300 ㎜ 웨이퍼를 50 내지 100매 정도 수용하는 경우에는, 가스 혼합 탱크(66)의 용량은 600 내지 700 ㏄의 범위가 바람직하다. 가스 혼합 탱크(66)의 용량이 200 ㏄보다도 적은 경우에는, 성막시에 필요한 충분한 양의 혼합 가스를 형성할 수 없고, 또한 5000 ㏄보다도 큰 경우에는 장치 자체도 지나치게 대형화되어 버린다.
가스 혼합 탱크(66)에는 도핑 가스 공급계(46) 및 희석 가스 공급계(48)가 접속된다. 도핑 가스 공급계(46) 및 희석 가스 공급계(43)는 도핑 가스 공급 라인(58) 및 희석 가스 공급 라인(62)(가스 통로)을 통해 가스 혼합 탱크(66)에 접속된 도핑 가스원(56) 및 희석 가스원(60)을 포함한다. 도핑 가스원(56)에는 희석 가스가 들어 있지 않은 순수한 도핑 가스가 충전된다. 가스 통로(58, 62) 상에는 개폐 밸브(58A, 62A)와 질량 유량 제어기와 같은 유량 제어기(58B, 62B)가 배치된다. 이에 의해, 도핑 가스 및 희석 가스가 유량 제어하면서 공급 가능해진다. 가스 통로(58, 62)는 합류 가스 통로(합류 라인)(63)에서 합체된 후, 가스 혼합 탱크(66)에 접속된다. 그러나, 각 가스 통로(58, 62)를 각각 개별로 가스 혼합 탱크(66)로 접속해도 좋다.
혼합 가스 공급계(45)의 가스 통로(64)는 또한, 퍼지 가스 공급계(50)의 가스 통로로서도 사용된다. 즉, 가스 통로(64)는 개폐 밸브(64A)의 하류측에 있어서, 퍼지 가스 공급 라인(가스 통로)(68)을 통해, 퍼지 가스원(50S)에도 접속된다. 가스 통로(68) 상에는 개폐 밸브(68A)와 질량 유량 제어기와 같은 유량 제어기(68B)가 배치된다. 이에 의해 퍼지 가스가 유량 제어하면서 공급 가능해진다.
개폐 밸브(52A, 54A, 64A, 68A, 58A, 62A)는, 예를 들어 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 가스 공급 제어부(70)에 의해 제어되어 개폐된다. 가스 혼합 탱크(66)에는 이 내부 압력을 측정하기 위한 압력계(72)가 배치되고, 이 압력 측정치 를 리얼 타임으로 가스 공급 제어부(70)를 향해 출력한다. 가스 공급 제어부(70)는 도핑 가스와 희석 가스와의 유량비와, 압력 측정치를 기초로 하여 도핑 가스의 체적을 리얼 타임으로 연산에 의해 구할 수 있다.
또 성막 장치(2)는 가스 공급 제어부(70)를 포함하는 장치 전체의 동작을 제어하는 컴퓨터 등으로 이루어지는 주제어부(80)를 구비한다. 주제어부(80)는, 이에 부수하는 기억부에 미리 기억된 성막 처리의 처리 레시피, 예를 들어 형성되는 막의 두께나 조성에 따라서 후술하는 성막 처리를 행한다. 이 기억부에는 또, 처리 가스 유량과 막의 두께나 조성과의 관계가 미리 제어 데이터로서 기억된다. 따라서, 주제어부(80)는 이러한 기억된 처리 레시피나 제어 데이터를 기초로 하여 가스 공급 제어부(70), 배기계(14), 승강 기구(34), 히터(38) 등을 제어할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같이 구성된 성막 장치(2)를 이용하여 행할 수 있는 성막 방법에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 관한 방법에서는 원료 가스와, 환원성 가스와, 도핑 가스와 희석 가스와의 혼합 가스를 각각 간헐적으로(펄스 형상으로) 처리 용기(4) 내로 도입한다. 이에 의해, 원자층 레벨 혹은 분자층 레벨의 박막을 반복 성막함으로써, 인 도핑의 폴리실리콘막을 퇴적한다. 이러한 종류의 성막 방법은, 소위 ALD(Atomic Layer Deposition)라 불리고 있다.
우선, 성막 장치(2)가 웨이퍼를 로드하고 있지 않은 대기 상태에 있을 때에는, 처리 용기(4)는 처리 온도보다 낮은 온도로 유지된다. 한편, 다수매, 예를 들어 50매의 웨이퍼(W)를 탑재한 상온의 웨이퍼 보트(18)를 처리 용기(4) 내에 그 하방으로부터 상승시켜 로드한다. 그리고, 덮개부(26)에서 매니폴드(16)의 하단 개 구부를 폐쇄함으로써 처리 용기(4) 내를 밀폐한다.
다음에, 처리 용기(4) 내를 진공화하여 소정의 처리 압력으로 유지한다. 이와 동시에, 히터(38)로의 공급 전력을 증대시킴으로써, 웨이퍼 온도를 상승시키고 성막용의 처리 온도까지 승온시켜 안정시킨다. 다음에, 각 처리 공정을 행할 때마다 필요로 되는 소정의 처리 가스를 유량 제어하면서, 각 가스 공급계(42, 44, 45)의 가스 노즐(42A, 44A, 45A)로부터 처리 용기(4) 내로 공급한다. 상술한 바와 같이, 각종 가스의 공급은 간헐적으로(펄스 형상으로) 행하고, 이러한 각종 가스의 공급 및 공급의 정지는 가스 공급 제어부(70)에 의해 각 개폐 밸브(52A, 54A, 64A, 68A) 등을 제어함으로써 행한다.
개폐 밸브(58A, 62A)는 성막 처리가 개시되면 개방 상태가 되어 도핑 가스원(56) 및 희석 가스원(60)으로부터는 도핑 가스 및 희석 가스 즉 N2 가스가 항상 흘러 나간다. 이와 같이, 가스 혼합 탱크(66) 내에는, 미리 정해진 유량비로 도핑 가스와 희석 가스가 연속적으로 공급되고, 가스 혼합 탱크(66) 내에서 균일하게 혼합되어 혼합 가스가 형성된다.
한편, 가스 공급 탱크(66)에 도핑 가스 및 희석 가스를 연속적으로 공급하고 있는 동안에, 가스 공급 제어부(70)는 개폐 밸브(64A)를 펄스 형상으로 개폐함으로써, 혼합 가스를 처리 용기(4) 내에 펄스 형상으로 공급한다. 또, 가스 공급 제어부(70)는 개폐 밸브(64A)를 펄스 형상으로 개폐하는 데 동기하여, 개폐 밸브(52A, 54A)를 펄스 형상으로 개폐함으로써, 원료 가스 및 환원성 가스를 처리 용기(4) 내 에 펄스 형상으로 공급한다. 또한, 가스 공급 제어부(70)는 개폐 밸브(52A, 54A, 64A)를 펄스 형상으로 개폐하는 데 동기하여, 개폐 밸브(58A)를 펄스 형상으로 개폐함으로써, 펄스 가스를 혼합 가스, 원료 가스 및 환원성 가스와는 역위상으로 처리 용기(4) 내에 펄스 형상으로 공급한다.
도2는 처리 용기(4) 내에 있어서의 가스의 유입 상태, 가스 혼합 탱크(65) 내로의 가스 유입량, 각 개폐 밸브(52A, 54A, 64A, 68A)의 개폐 상태, 가스 혼합 탱크(66) 내 및 처리 용기(4) 내의 압력을 나타내는 도면이다.
우선, 성막 처리가 개시되면, 개폐 밸브(58A, 62A)가 동시에 개방되어 도핑 가스인 PH3 가스와 희석 가스인 N2 가스의 유출이 개시되고, 이러한 양쪽 가스는 가스 혼합 탱크(66) 내에서 균일하게 혼합된다[도2의 (d) 및 도2의 (e) 참조]. 이 상태에서는 개폐 밸브(64A)는 폐쇄되어 있으므로, 그 혼합 가스가 하류측으로는 흘러 가지 않는다. 그리고, 가스 혼합 탱크(66) 내에 어느 정도의 양의 혼합 가스가 저류된 이후는, 간헐적으로 이 혼합 가스가 처리 용기(4) 내로 공급된다[도2의 (b) 참조]. 이 혼합 가스의 공급에 동기시켜 처리 용기(4) 내로 원료 가스(SiCl4)나 환원성 가스(H2)도 간헐적으로 공급하여 성막 처리를 행한다[도2의 (a) 참조]. 또, 원료 가스, 환원성 가스, 혼합 가스를 함께 처리 용기(4) 내로 도입하고 있지 않을 때에는, 퍼지 가스로서 여기서는 N2 가스를 처리 용기(4) 내로 공급하고 잔류 가스를 배제한다[도2의 (c) 참조].
상기 각종의 가스의 처리 용기(4) 내로의 공급과 공급 정지는, 도2의 (f) 내 지 도2의 (h)에 도시하도록 각 개폐 밸브(52A, 54A, 64A, 68A)의 개폐 제어에 의해 행한다. 이 경우, 도2의 (i)에 도시한 바와 같이 가스 혼합 탱크(66) 내의 압력은 대략 압력(P1)과 압력(P2) 사이를 반복하게 된다. 또한, 처리 용기(4) 내의 압력도, 대략 압력(F3)과 압력(P4) 사이를 반복하게 된다.
이 때 원료 가스 등의 1회의 공급 기간(T1)은, 예를 들어 1 내지 180 sec 정도의 범위 내이다. N2 가스에 의한 퍼지 기간(T2)은, 예를 들어 1 내지 180 sec 정도의 범위 내이다. 성막 온도는, 예를 들어 300 내지 650 ℃ 정도의 범위 내이다. 성막 압력은, 예를 들어 26.6 내지 1333 Pa 정도의 범위 내이다. SiCl4 가스의 유량은, 예를 들어 200 내지 5000 sccm 정도의 범위 내이다. N2 가스의 유량은, 예를 들어 200 내지 5000 sccm 정도의 범위 내이다. 도핑 가스인 PH3 가스의 유량은, 예를 들어 0.1 내지 1000 sccm 정도의 범위 내이다. 희석 가스인 N2 가스의 유량은, 예를 들어 1 내지 5000 sccm 정도의 범위 내이다.
이 때, 가스 공급 제어부(70)는 주제어부(80)로부터 받은 처리 레시피에 따라서, 각 개폐 밸브(52A, 54A, 64A, 68A)를 조작(가스 공급의 펄스 폭을 설정)한다. 이 경우, 각 가스의 공급과 공급 정지의 타이밍은, 각 기간(T1, T2)을 타이머에 의해 계측함으로써 구할 수 있다.
이에 대신에, 각 가스의 공급과 공급 정지의 타이밍은 가스 혼합 탱크(66) 내의 압력을 압력계(72)에서 모니터하고, 이 압력 변화를 기초로 하여 구할 수 있 다. 예를 들어, 가스 혼합 탱크(66)가 소정의 압력(P1)에 도달한 시점에서 개폐 밸브(64A)를 개방하여 혼합 가스의 공급을 개시한다. 이 때, 이 개시 압력(P1)과 미리 정해진 1 펄스에서의 혼합 가스의 공급량을 기초로 하여, 공급을 정지해야 할 종료 압력을 즉시 계산한다. 그리고, 혼합 가스의 공급을 계속하여 가스 혼합 탱크(66) 내가 종료 압력[이 예에서는 압력(P2)]에 도달한 시점에서 개폐 밸브(64A)를 폐쇄하여 혼합 가스의 공급을 정지한다. 이 경우, 다른 개폐 밸브(S2A, 54A, 68A)는 개폐 밸브(64A)의 조작과 동기하여 조작한다.
게다가, 각 가스의 공급과 공급 정지의 타이밍을 가스 혼합 탱크(66) 내의 압력 변화를 기초로 하여 구하는 경우, 가스 혼합 탱크(66)가 소정의 압력(P1)에 도달한 시점에서 개폐 밸브(64A)를 소정 시간만큼 개방하도록 설정할 수 있다. 이 경우도, 다른 개폐 밸브(52A, 54A, 68A)는 개폐 밸브(64A)의 조작과 동기하여 조작한다.
상술한 실시 형태에 관한 방법은, 상술한 바와 같이 처리 프로그램을 기초로 하여 주제어부(80)의 제어하에서 실행된다. 도3은 주제어부(80)의 구성의 개략을 도시하는 블록도이다. 주제어부(80)는 CPU(210)를 갖고, 여기에 기억부(212), 입력부(214), 출력부(216) 등이 접속된다. 기억부(212)에는 처리 프로그램이나 프로세스 레시피가 기억된다. 입력부(214)는 사용자와 대화하기 위한 입력 장치, 예를 들어 키보드나 포인팅 장치 및 기억 매체의 드라이브 등을 포함한다. 출력부(216)는 처리 장치의 각 기기를 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 도3은 또, 컴퓨터 착탈 가능한 기억 매체(218)도 병행하여 도시한다.
상술한 실시 형태에 관한 방법은, 프로세서 상에서 실행하기 위한 프로그램 명령으로서 컴퓨터로 판독 가능한 기억 매체에 기록하여 각종 반도체 처리 장치에 적용할 수 있다. 혹은, 이러한 종류의 프로그램 명령은 통신 매체에 의해 전송하여 각종 반도체 처리 장치에 적용할 수 있다. 기억 매체는, 예를 들어 자기 디스크{가요성 디스크, 하드 디스크[일예는 기억부(212)에 포함되는 하드 디스크] 등}, 광 디스크(CD, DVD 등), 마그네트 광 디스크(MO 등), 반도체 메모리 등이다. 반도체 처리 장치의 동작을 제어하는 컴퓨터는 기억 매체에 기억된 프로그램 명령을 판독하고, 이를 프로세서 상에서 실행함으로써, 상술의 방법을 실행한다.
상술의 실용 형태에 따르면, 도핑 가스원(56)으로서 희석 가스의 혼합되어 있지 않은 순수한 도핑 가스를 충전한 봄베를 이용한다. 이 봄베로부터 흘러 나온 순수한 도핑 가스를 가스 혼합 탱크(66) 내에서 희석 가스와 균일하게 혼합시켜 대용량의 혼합 가스를 형성한다. 그리고, 이 혼합 가스를 처리 용기(4) 내로 공급한다. 이에 의해, 도핑 가스의 확산 속도가 올라 처리 용기(4) 내로 도핑 가스를 신속하면서 단시간에 균일하게 확산시키는 것이 가능해진다. 또, 도핑 가스원(56)의 봄베는 순수한 도핑 가스를 충전하고 있으므로, 이 교환 빈도가 적게 완료되고, 생산성, 즉 처리량을 높게 유지하는 것이 가능해진다. 또, 도핑 가스원(56)에 순수한 가스가 아니라도, 어느 정도 이상, 예를 들어 농도 10 ％ 이상의 농도가 높은 도핑 가스를 충전한 경우라도 소정의 효과를 얻을 수 있다.
상술한 실시 형태에서는 인 도핑의 폴리실리콘막의 성막 방법을 예시하지만, 본 발명은 다른 불순물을 도핑하는 경우, 혹은 다른 막 종류를 성막하는 경우라도 적용할 수 있다. 예를 들어 원료 가스로서 디클로로실란(SiH2Cl2)과 암모니아(NH3)를 이용하고, 도핑 가스로서 BCl3 가스 등을 이용하여 SiBN 등을 성막하는 경우라도, 본 발명을 적용할 수 있다. 또, 희석 가스는 부활성 가스에 한정되지 않으며, 도핑 가스와 동시에 사용해도 문제가 없는 가스라면 좋다(바람직하게는 성막 처리에 사용되는 가스). 예를 들어 상술의 SiBN 등을 성막하는 경우는 희석 가스로서 성막용의 원료 가스인 디클로로실란을 사용할 수 있다. 또, 도1에 도시한 장치의 경우, 희석 가스로서 성막용의 원료 가스인 SiCl4를 사용할 수 있다.
열 처리 장치의 처리 용기(4)로서는, 도1에 도시한 바와 같은 단일관 구조의 것으로 한정되지 않으며, 예를 들어 2중관 구조의 것이라도 좋다. 피처리 기판으로서는 반도체 웨이퍼로 한정되지 않으며, LCD 기판 및 유리 기판 등의 다른 기판이라도 좋다.
부가의 장점 및 수정이 당 기술 분야의 숙련자들에게 즉시 수행될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 그의 광범위한 태양에서 본원에 도시되고 설명된 상세한 설명 및 대표적인 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 다양한 수정이 첨부된 청구범위 및 이들의 등가물에 의해 정의되는 바와 같은 일반적인 발명의 개념의 사상 또는 범주로부터 일탈하지 않고 수행될 수 있다.
본 발명은 반도체 처리용의 성막 장치 및 방법에 있어서, 처리 용기 내에서의 도핑 가스의 확산 속도를 높게 유지하면서 도핑 가스원의 교환 빈도를 억제하여 생산성, 즉 처리량을 향상시킬 수 있다.
Claims (20)
- 반도체 처리용의 성막 장치에 있어서,간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 용기와,상기 처리 용기 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,상기 처리 용기 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계와,상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 원료 가스 공급계와,상기 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 상기 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스와의 혼합 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 혼합 가스 공급계와,상기 혼합 가스 공급계를 포함하는 상기 장치의 동작을 억제하는 제어부를 구비하고, 상기 혼합 가스 공급계는,상기 도핑 가스 및 상기 희석 가스를 혼합하여 상기 혼합 가스를 형성하기 위해 상기 처리 용기 외에 배치된 가스 혼합 탱크와,상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 공급하는 혼합 가스 공급 라인과,상기 가스 혼합 탱크에 상기 도핑 가스를 공급하는 도핑 가스 공급계와,상기 가스 혼합 탱크에 상기 희석 가스를 공급하는 희석 가스 공급계를 구비하고,상기 혼합 가스 공급계는 상기 혼합 가스 공급 라인에 배치된 제1 개폐 밸브와 상기 가스 혼합 탱크 내의 압력을 측정하는 압력계를 더 구비하고,상기 제어부는, 상기 도핑 가스 공급계 및 상기 희석 가스 공급계로부터 상기 가스 혼합 탱크에 상기 도핑 가스 및 상기 희석 가스가 연속적으로 공급되어 있는 동안, 상기 압력계에 의한 측정치를 기초로 하여 상기 제1 개폐 밸브를 펄스 형상으로 개폐하는 반도체 처리용의 성막 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합 가스 공급계는 상기 도핑 가스 공급계 및 상기 희석 가스 공급계로부터의 상기 도핑 가스 및 상기 희석 가스를 합류시켜 상기 가스 혼합 탱크에 공급하는 합류 라인을 구비하는 반도체 처리용의 성막 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 가스 혼합 탱크의 용량은 200 내지 5000 ㏄의 범위 내인 반도체 처리용의 성막 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 원료 가스 공급계는 상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 원료 가스 공급 라인과, 상기 원료 가스 공급 라인에 배치된 제2 개폐 밸브를 구비하고, 상기 제어부는 상기 제1 개폐 밸브를 펄스 형상으로 개폐하는 데 동기하여, 상기 제2 개폐 밸브를 펄스 형상으로 개폐하는 반도체 처리용의 성막 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 장치는 퍼지 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 퍼지 가스 공급계를 더 구비하고, 상기 퍼지 가스 공급계는 상기 퍼지 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 퍼지 가스 공급 라인과, 상기 퍼지 가스 공급 라인에 배치된 제3 개폐 밸브를 구비하고, 상기 제어부는 상기 제1 제2 개폐 밸브를 펄스 형 상으로 개폐하는 데 동기하여, 상기 제3 개폐 밸브를 펄스 형상으로 역위상으로 개폐하는 반도체 처리용의 성막 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 퍼지 가스 라인은 상기 제1 개폐 밸브의 하류에서 상기 혼합 가스 공급 라인에 접속되는 반도체 처리용의 성막 장치.
- 반도체 처리용의 성막 방법에 있어서,처리 용기 내에 간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 가열하는 공정과,상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 공정과,상기 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 상기 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스를 상기 처리 용기 외에 배치된 가스 혼합 탱크에 공급하여 혼합 가스를 형성하면서, 상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 공급하는 공정과,상기 가스 혼합 탱크에 상기 도핑 가스 및 상기 희석 가스를 연속적으로 공급하고 있는 동안에, 상기 가스 혼합 탱크 내의 압력을 측정하는 압력계에 의한 측정치를 기초로 하여 상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 펄스 형상으로 공급하는 공정을 구비하는, 반도체 처리용의 성막 방법.
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- 제11항에 있어서, 상기 혼합 가스를 펄스 형상으로 공급하는 데 동기하여, 상기 원료 가스를 펄스 형상으로 공급하는 공정을 구비하는 반도체 처리용의 성막 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 혼합 가스 및 상기 원료 가스를 펄스 형상으로 공급하는 데 역위상으로 동기하여, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 펄스 형상으로 공급하는 공정을 구비하는 반도체 처리용의 성막 방법.
- 프로세서 상에서 실행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이며,상기 프로그램 명령은 프로세서에 의해 실행될 때, 반도체 처리용의 성막 장치에,처리 용기 내에 간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 가열하는 공정과,상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 공정과,상기 박막 중에 불순물을 도입하기 위한 도핑 가스와 상기 도핑 가스를 희석하기 위한 희석 가스를 상기 처리 용기 외에 배치된 가스 혼합 탱크에 공급하여 혼합 가스를 형성하면서, 상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 공급하는 공정과,상기 가스 혼합 탱크에 상기 도핑 가스 및 상기 희석 가스를 연속적으로 공급하고 있을 동안에, 상기 가스 혼합 탱크 내의 압력을 측정하는 압력계에 의한 측정치를 기초로 하여 상기 가스 혼합 탱크로부터 상기 처리 용기 내에 상기 혼합 가스를 펄스 형상으로 공급하는 공정을 실행시키는, 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
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- 제16항에 있어서, 상기 프로그램 명령은 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 성막 장치에,상기 혼합 가스를 펄스 형상으로 공급하는 데 동기하여, 상기 원료 가스를 펄스 형상으로 공급하는 공정을 실행시키는 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
- 제19항에 있어서, 상기 프로그램 명령은 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 성막 장치에,상기 혼합 가스 및 상기 원료 가스를 펄스 형상으로 공급하는 데 역위상으로 동기하여, 상기 처리 용기 내에 퍼지 가스를 펄스 형상으로 공급하는 공정을 실행시키는 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
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