KR101122964B1

KR101122964B1 - 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법과 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치

Info

Publication number: KR101122964B1
Application number: KR1020070033092A
Authority: KR
Inventors: 도시끼 다까하시; 고오헤이 후꾸시마; 고오이찌 오리또; 쥰 사또오
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2012-03-15
Also published as: US7825039B2; CN101051606A; JP4929811B2; TW200816265A; US20070234961A1; CN101051606B; TWI515763B; US20090181548A1; KR20070100125A; JP2007299776A

Abstract

반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치는 간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역과, 처리 영역으로부터 벗어난 마진 공간을 갖는 처리 용기를 포함한다. 피처리 기판을 처리할 때, 처리 가스 공급계로부터의 처리 영역에 대한 처리 가스의 공급과, 블럭 가스 공급계로부터의 마진 공간에 대한 블럭 가스의 공급을 동시에 행함으로써 마진 공간으로의 처리 가스의 유입을 억제한다.

플라즈마 처리 장치, 처리 가스 공급계, 블럭 가스, 매니폴드, 웨이퍼 보트

Description

반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법과 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치 {VERTICAL PLASMA PROCESSING APPARATUS AND METHOD, AND VERTICAL PLASMA FILM FORMATION APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESS}

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도.

도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도.

도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서의 가스 공급을 도시하는 타이밍챠트.

도4는 실험에서 사용된 하측 공간(S1)으로의 블럭 가스의 공급을 행하지 않는 장치(비교예)를 도시하는 도면.

도5는 실험에서 사용된 하측 공간(S1)으로의 블럭 가스의 공급을 행하는 장치(실시예)를 도시하는 도면.

도6은 제1 실험에 있어서 도4에 도시하는 장치에 의해 얻게 된, 웨이퍼 위치와 막 두께의 관계를 나타내는 그래프.

도7은 제1 실험에 있어서 도5에 도시하는 장치에 의해 얻게 된, 웨이퍼 위치와 막 두께의 관계를 나타내는 그래프.

도8은 제2 실험에 있어서 도5에 도시하는 장치에 의해 얻게 된, 웨이퍼 위치와 막 두께의 관계를 나타내는 그래프.

도9는 제3 실험에 있어서 도5에 도시하는 장치에 의해 얻게 된, 웨이퍼 위치와 막 두께의 관계를 나타내는 그래프.

도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도.

도11은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 성막 장치

3 : 처리 용기

5 : 처리 영역

10 : 밀봉 부재

12 : 웨이퍼 보트

16 : 테이블

20 : 회전축

25 : 승강 기구

S1 : 하측 공간

S2 : 상측 공간

[문헌 1] 일본 특허 공개 평6-45256호 공보

[문헌 2] 일본 특허 공개 평11-37341호 공보

본 출원은 2006년 4월 5일자로 출원된 일본특허출원 제2006-104730호 및 2006년 4월 19일자로 출원된 일본특허출원 제2006-116021호에 기초하며 이들로부터 우선권을 주장하고, 이들의 전체 내용이 참고로 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판 상에 실리콘 함유 절연막 등의 박막을 형성하는 종형 플라즈마 성막 장치 및 방법에 관한 것이다. 여기서, 반도체 처리라 함은, 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat ㎩nel Display)용 글래스 기판 등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 상기 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.

반도체 집적 회로를 구성하는 반도체 디바이스의 제조에 있어서는 피처리 기판, 예를 들어 반도체(예를 들어, 실리콘) 웨이퍼에 성막, 에칭, 산화, 확산, 개질, 어닐, 자연 산화막의 제거 등의 각종 처리가 실시된다. US 2003/0224618 A1은 종형의(소위, 일괄식) 열처리 장치에 있어서의 이러한 종류의 반도체 처리 방법을 개시한다. 이 방법에서는, 우선 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 카세트로부터 종형의 웨이퍼 보트 상에 탑재되어 다단으로 지지된다. 웨이퍼 카세트에는, 예를 들어 25매 의 웨이퍼를 수용할 수 있고, 웨이퍼 보트에는 30 내지 150매의 웨이퍼를 적재할 수 있다. 다음에, 웨이퍼 보트가 처리 용기의 하방으로부터 그 내부로 로드되는 동시에, 처리 용기가 기밀하게 폐쇄된다. 다음에, 처리 가스의 유량, 처리 압력, 처리 온도 등의 각종 처리 조건이 제어된 상태에서 소정의 열처리가 행해진다.

최근, 반도체 집적 회로의 한층 고집적화 및 고미세화의 요구에 수반하여, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 열이력을 경감시켜 디바이스의 특성을 향상시키는 것이 기대되고 있다. 종형의 처리 장치에 있어서도, 이러한 요구에 따른 반도체 처리 방법의 개량이 이루어지는 것이 기대되고 있다. 예를 들어, 성막 처리의 일종인 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 있어서, 원료 가스 등을 간헐적으로 공급하면서 원자 혹은 분자 레벨의 두께의 층을 1층 혹은 몇 층씩 반복하여 성막하는 방법이 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 평6-45256호 공보, 일본 특허 공개 평11-37341호 공보). 이와 같은 성막 방법은, 일반적으로는 ALD(Atomic layer Deposition)라 불리우고, 이에 의해 웨이퍼를 그 정도의 고온에 노출시키지 않아도 목적으로 하는 처리를 행하는 것이 가능해진다.

또한, WO 2004/066377(Dec. 15, 2004)(US 7,094,708 B2에 대응)은 ALD를 행하는 종형의 처리 장치에 있어서, 플라즈마의 어시스트를 이용하여 처리 온도를 더 내리기 위한 구조를 개시한다. 이 장치에 따르면, 예를 들어 실란계 가스인 디클로로실란(DCS)과 질화 가스인 NH₃를 이용하여 실리콘 질화막(SiN)을 형성하는 경우, 이하와 같은 처리가 행해진다. 즉, 처리 용기 내에 DCS와 NH₃ 가스가 퍼지 기간을 사이에 두고 교대로 간헐적으로 공급된다. NH₃ 가스를 공급할 때에 RF(고주파)가 인가됨으로써, 플라즈마가 생성되어 질화 반응이 촉진된다. 여기서, 우선, DCS가 처리 용기 내로 공급됨으로써, 웨이퍼 표면 상에 DCS가 분자 레벨에서 1층 혹은 복수층 흡착한다. 여분의 DCS는 퍼지 기간 중에 배제된다. 다음에, NH₃가 공급되어 플라즈마가 생성됨으로써, 저온에서의 질화에 의해 실리콘 질화막이 형성된다. 이와 같은 일련의 공정이 반복해서 행해져, 소정의 두께의 막이 완성된다.

본 발명은 처리 영역에 악영향을 미치지 않고, 처리 가스의 사용 효율 및 처리의 처리량을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 시점은, 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치이며,

간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역과, 상기 처리 영역으로부터 벗어난 마진 공간을 갖는 처리 용기와,

상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,

상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급계와,

상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,

상기 마진 공간에 블럭 가스를 공급하는 블럭 가스 공급계와,

상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,

상기 처리 영역과 연통하는 공간 내에 배치된 플라즈마 발생 영역을 갖는 여기 기구와, 상기 플라즈마 발생 영역은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐져 있고,

상기 처리 가스는 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고,

상기 처리 가스는 상기 처리 영역에 대해 실질적으로 수평인 가스류를 형성하도록 공급되고,

상기 배기계는 상기 처리 영역을 사이에 두고 상기 플라즈마 발생 영역에 대향하는 배기구를 갖고,

상기 블럭 가스 공급계는 상기 처리 영역에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하지 않고 상기 마진 공간에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하고,

상기 제어부는 상기 피처리 기판을 처리할 때, 상기 처리 가스 공급계로부터의 상기 처리 영역에 대한 상기 처리 가스의 공급과, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 동시에 행함으로써, 상기 마진 공간으로의 상기 처리 가스의 유입을 억제하는 것을 구비한다.

본 발명의 제2 시점은, 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치에 있어서의 처리 방법이며,

상기 장치는,

상기 처리 영역과 연통하는 공간 내에 배치된 플라즈마 발생 영역을 갖는 여기 기구와,

상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐져 있고,

상기 처리 가스는 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 처리 가스는 상기 처리 영역에 대해 실질적으로 수평인 가스류를 형성하도록 공급되고,

상기 블럭 가스 공급계는 상기 처리 영역에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하지 않고 상기 마진 공간에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하는 것을 구비하고,

상기 방법은 상기 피처리 기판을 처리할 때, 상기 처리 가스 공급계로부터의 상기 처리 영역에 대한 상기 처리 가스의 공급과, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 동시에 행함으로써, 상기 마진 공간으로의 상기 처리 가스의 유입을 억제하는 공정을 구비한다.

본 발명의 제3 시점은, 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치이며,

상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,

상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위해, 상기 박막의 주원료를 제공하는 제1 처리 가스와, 상기 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스를 선택적으로 상기 처리 영역에 공급하는 처리 가스 공급계와,

상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,

상기 마진 공간에 블럭 가스를 공급하는 블럭 가스 공급계를 구비하고,

상기 제1 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽은 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 제1 및 제2 처리 가스는 상기 처리 영역에 대해 실질적으로 수평인 가스류를 형성하도록 공급되고,

상기 배기계는 상기 처리 영역을 사이에 두고 상기 플라즈마 발생 영역에 대 향하는 배기구를 갖고,

상기 장치의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 제어부는 상기 피처리 기판 상에 상기 박막을 형성하기 위해, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급과, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 복수회 반복해서 실행하고, 이때, 상기 처리 가스 공급계로부터의 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 및 제2 처리 가스의 각각의 공급과, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 동시에 행함으로써, 상기 마진 공간으로의 상기 제1 및 제2 처리 가스의 각각의 유입을 억제하는 것을 구비한다.

본 발명자들은 본 발명의 개발 과정에서 전술한 WO 2004/066377에 개시되는 종형 플라즈마 처리 장치에 있어서 발생하는 문제점에 대해 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 이하에 서술하는 지견을 얻었다.

종형 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 처리 용기 내에는, 간격을 두고 적층된 복수의 웨이퍼를 수납하는 처리 영역으로부터 벗어난 마진 공간이 존재한다. WO 2004/066377에 개시되는 장치의 경우, 이 마진 공간은 처리 영역의 하층 및 상측에 각각 위치하는 하측 공간 및 상측 공간으로 이루어진다. 하측 공간 및 상측 공간은 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 보트의 바닥판의 하측에 위치하는 공간 및 천장판의 상측에 위치하는 공간에 각각 대응한다. 처리 중, 처리 가스는 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 수평 방향으로 대략 균일하게 공급되어 배기된 다. 그러나, 그렇다고 해도 처리 가스의 일부는 하측 공간 및 상측 공간으로 유입되고 또한 체류되어 처리 반응에 기여하지 않는 상태로 배기된다.

마진 공간에 처리 가스의 일부가 체류되면, 이를 배제하기 위한 퍼지 기간(진공화 시간)을 길게 할 필요가 있다. 이는, 처리 가스의 공급 기간과 퍼지 기간을 반복하는 상술한 ALD와 같은 처리 방법에 있어서는 처리의 단위 시간당 처리량을 크게 저하시키는 원인이 된다. 또한, 마진 공간에 처리 가스가 유입되면, 비교적 고가인 처리 가스의 불필요한 소비량이 증대되어 운전 비용이 대폭으로 상승한다. 또한, 후술하는 바와 같이 마진 공간에 처리 가스가 유입되면, 처리 가스의 편류에 의해 웨이퍼에 대한 플라즈마 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성을 저하시키는 원인이 된다.

이하에, 이와 같은 지견을 기초로 하여 구성된 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙여 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.

<제1 실시 형태>

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도이다. 도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도이다.

이 성막 장치(2)는 실란계 가스인 디클로로실란(DCS) 가스를 포함하는 제1 처리 가스와, 질화 가스인 암모니아(NH₃) 가스를 포함하는 제2 처리 가스와, N₂ 가스 등의 불활성 가스로 이루어지는 퍼지 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역을 구비한다. 성막 장치(2)는 이와 같은 처리 영역 내에서 피처리 기판 상에 CVD에 의해 실리콘 질화막을 형성하도록 구성된다.

성막 장치(2)는 간격을 두고 적층된 복수의 반도체 웨이퍼(피처리 기판)를 수납하여 처리하는 처리 영역(5)을 내부에 규정하고, 하단부가 개방된 천장이 있는 원통체형의 처리 용기(4)를 갖는다. 처리 용기(4) 내에는 또한, 처리 영역(5)으로부터 벗어난 마진 공간이 존재하고, 본 실시 형태에 있어서, 마진 공간은 처리 영역(5)의 하측 및 상측에 각각 위치하는 하측 공간(S1) 및 상측 공간(S2)을 구비한다.

처리 용기(4)의 전체는, 예를 들어 석영에 의해 형성된다. 처리 용기(4) 내의 천장에는 석영제의 천장판(6)이 배치되어 밀봉된다. 처리 용기(4)의 하단부 개구에는 원통체형으로 성형된 매니폴드(8)가 O링 등의 밀봉 부재(10)를 거쳐서 연결된다. 또한, 매니폴드(8)를 별도 설치하지 않고, 전체를 원통체형의 석영제의 처리 용기로 구성할 수도 있다.

매니폴드(8)는, 예를 들어 스테인리스 스틸로 이루어지고, 처리 용기(4)의 하단부를 지지한다. 매니폴드(8)의 하단부 개구를 통해 석영제의 웨이퍼 보트(12)가 승강되고, 이에 의해 처리 용기(4)에 대해 웨이퍼 보트(12)가 로드/언로드된다. 웨이퍼 보트(12)에는 그 바닥판(12a)과 천장판(12b) 사이에 피처리 기판으로서, 복 수매의 반도체 웨이퍼(W)가 다단으로 적재된다. 예를 들어, 본 실시 형태의 경우에 있어서, 웨이퍼 보트(12)의 지주(12A)에는, 예를 들어 50 내지 100매 정도의 직경이 300 ㎜인 웨이퍼(W)가 대략 등피치로 다단으로 지지 가능해진다.

웨이퍼 보트(12)는 석영제의 보온통(14)을 거쳐서 테이블(16) 상에 적재된다. 테이블(16)은 매니폴드(8)의 하단부 개구를 개폐하는, 예를 들어 스테인리스 스틸제의 덮개(18)를 관통하는 회전축(20) 상에 지지된다. 웨이퍼 보트(12)가 이와 같이 처리 영역(5) 내의 소정 위치에 배치된 상태에 있어서, 마진 공간인 하측 공간(S1) 및 상측 공간(S2)은 웨이퍼 보트(12)의 바닥판(12a)의 하측의 공간 및 천장판(12b)의 상측의 공간에 각각 대응한다.

회전축(20)의 관통부에는, 예를 들어 자성 유체 밀봉(22)이 개재 설치되어, 회전축(20)을 기밀하게 밀봉하면서 회전 가능하게 지지한다. 덮개(18)의 주변부와 매니폴드(8)의 하단부에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 밀봉 부재(24)가 개재 설치되어 용기 내의 밀봉성을 유지한다.

회전축(20)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(25)에 지지된 아암(26)의 선단부에 설치된다. 승강 기구(25)에 의해, 웨이퍼 보트(12) 및 덮개(18) 등이 일체로 승강된다. 또한, 테이블(16)을 덮개(18)측으로 고정하여 설치하고, 웨이퍼 보트(12)를 회전시키지 않고 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 좋다.

매니폴드(8)의 측부에는 처리 용기(4) 내의 처리 영역(5)에 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 가스 공급부가 접속된다. 가스 공급부는 제2 처리 가스 공급 계(28), 제1 처리 가스 공급계(30) 및 블럭 가스 공급계(32)를 포함한다. 제1 처리 가스 공급계(30)는 실란계 가스로서 DCS(디클로로실란) 가스를 포함하는 제1 처리 가스를 공급한다. 제2 처리 가스 공급계(28)는 질화 가스로서 암모니아(NH₃) 가스를 포함하는 제2 처리 가스를 공급한다. 또한, 제1 및 제2 처리 가스 공급계(30, 28)는 퍼지 가스로서 불활성 가스, 예를 들어 N₂ 가스를 단독으로 공급할 수도 있도록 구성된다. 블럭 가스 공급계(32)는 블럭 가스(퍼지 가스로서도 사용됨)로서 불활성 가스, 예를 들어 N₂ 가스를 공급한다. 불활성 가스로서, N₂ 가스 대신에, He 가스, Ar 가스, Ne 가스 등의 다른 불활성 가스를 사용할 수 있다. 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스에는 필요에 따라서 적당한 양의 캐리어 가스가 혼합되지만, 이하에서는 설명을 용이하게 하기 위해, 캐리어 가스에 대해서는 언급하지 않는다.

구체적으로는, 제2 처리 가스 공급계(28) 및 제1 처리 가스 공급계(30)는 매니폴드(8)의 측벽을 내측으로 관통하고 상방향으로 굴곡되어 연장되는 석영관으로 이루어지는 가스 분산 노즐(34, 36)을 각각 갖는다(도1 참조). 각 가스 분산 노즐(34, 36)에는 그 길이 방향(상하 방향)을 따라서, 또한 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 복수의 가스 분사 구멍(34A, 36A)이 소정의 간격을 두고 형성된다. 한편, 블럭 가스 공급계(32)는 매니폴드(8)의 측벽을 관통하여 설치한 짧은 가스 노즐(38)을 갖는다. 가스 노즐(38)은 웨이퍼 보트(12)의 바닥판(12a)의 하측이고, 보온통(14)이나 테이블(16)이 수용되는 하측 공간(S1) 내에서 개방되는 가스 분사 구멍(38A)을 갖는다.

노즐(34, 36, 38)은 가스 공급 라인(가스 통로)(42, 44, 46)을 거쳐서 NH₃ 가스, DCS 가스 및 N₂ 가스의 가스원(28S, 30S, 32S)에 각각 접속된다. 가스 공급 라인(42, 44, 46) 상에는 개폐 밸브(42A, 44A, 46A)와 매스플로우 제어기와 같은 유량 제어기(42B, 44B, 46B)가 배치된다. 이에 의해, NH₃ 가스, DCS 가스 및 N₂ 가스가 각각 유량 제어하면서 공급 가능해진다.

처리 용기(4)의 측벽의 일부에는 그 높이 방향을 따라서 가스 여기부(50)가 배치된다. 가스 여기부(50)에 대향하는 처리 용기(4)의 반대측에는 이 내부 분위기를 진공 배기하기 위해, 처리 용기(4)의 측벽을, 예를 들어 상하 방향으로 깎아냄으로써 형성한 가늘고 긴 배기구(52)가 배치된다.

구체적으로는, 가스 여기부(50)는 처리 용기(4)의 측벽을 상하 방향을 따라서 소정의 폭으로 깎아냄으로써 형성한 상하로 가늘고 긴 개구를 갖는다. 이 개구는 가스 유로(55)를 갖는 구획판(54)에 의해 폐쇄되는 동시에, 처리 용기(4)의 외벽에 기밀하게 접합된 석영제의 커버(56)에 의해 덮인다. 커버(56)는 처리 용기(4)의 외측으로 돌출되도록 단면 오목부형으로 이루고, 또한 상하로 가늘고 긴 형상을 갖는다. 처리 용기(4), 구획판(54), 가스 여기부(50)의 커버(56)는 동일한 절연성 재료(여기서는, 석영)로 이루어지고, 용접에 의해 서로 접속된다. 구획판(54)은 처리 용기(4)에 형성된 개구의 구획벽에 고정되고, 커버(56)는 처리 용기(4)의 외측에 고정된다.

본 구성에 의해, 처리 용기(4)의 측벽으로부터 돌출되고 또한 일방측이 처리 용기(4) 내로 접속된 가스 여기부(50)가 형성된다. 즉, 가스 여기부(50)의 내부 공간은 구획판(54)의 가스 유로(55)를 거쳐서 처리 용기(4) 내의 처리 영역(5)에 연통한다. 구획판(54)은 웨이퍼 보트(12)에 유지되는 모든 웨이퍼(W)를 높이 방향에 있어서 커버할 수 있도록 상하 방향으로 충분히 길게 형성된다.

커버(56)의 양 측벽의 외측면에는 그 길이 방향(상하 방향)을 따라서 서로 대향하도록 하여 가늘고 긴 한 쌍의 전극(58)이 배치된다. 전극(58)에는 플라즈마 발생용 고주파 전원(60)이 급전 라인(62)을 거쳐서 접속된다. 전극(58)에, 예를 들어 13.56 ㎒의 고주파 전압을 인가함으로써, 한 쌍의 전극(58) 사이에 플라즈마를 여기하기 위한 고주파 전계가 형성된다. 또한, 고주파 전압의 주파수는 13.56 ㎒로 한정되지 않고, 다른 주파수, 예를 들어 400 ㎑ 등을 이용해도 좋다.

제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34)은 웨이퍼 보트(12) 상의 최하 레벨의 웨이퍼(W)보다도 하방의 위치에서 처리 용기(4)의 반경 방향 외측으로 굴곡되어 구획판(54)을 관통한다. 그 후, 가스 분산 노즐(34)은 가스 여기부(50) 내의 가장 내측[처리 용기(4)의 중심으로부터 가장 떨어진 부분]의 위치에서 수직으로 기립한다. 가스 분산 노즐(34)은, 도2에도 도시한 바와 같이 한 쌍의 대향하는 전극(58) 사이에 있는 영역(고주파 전계가 가장 강한 위치), 즉 주된 플라즈마가 실제로 발생하는 플라즈마 발생 영역(PS)보다도 외측으로 이격된 위치에 설치된다. 가스 분산 노즐(34)의 가스 분사 구멍(34A)으로부터 분사된 NH₃ 가스를 포함하는 제2 처리 가스는 플라즈마 발생 영역(P3)을 향해 분사되고, 여기에서 여기(분해 혹은 활성화)되고, 그 상태에서 구획판(54)의 가스 유로(55)를 거쳐서 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)에 공급된다.

커버(56)의 외측에는 이를 덮도록, 예를 들어 석영으로 이루어지는 절연 보호 커버(64)가 설치된다. 절연 보호 커버(64)의 내측이며 전극(58)과 대향하는 부분에는 냉매 통로로 이루어지는 냉각 기구(도시하지 않음)가 배치된다. 냉매 통로에 냉매로서, 예를 들어 냉각된 질소 가스를 흐르게 함으로서 전극(58)이 냉각된다. 또한, 절연 보호 커버(64)의 외측에는 이것을 덮어 고주파의 누설을 방지하기 위해 실드(도시하지 않음)가 배치된다.

가스 여기부(50)의 구획판(54)의 외측 근방, 즉 구획판(54)의 외측[처리 용기(4) 내]에 제1 처리 가스의 가스 분산 노즐(36)이 수직으로 기립하여 배치된다. 가스 분산 노즐(36)에 형성된 가스 분사 구멍(36A)으로부터 처리 용기(4)의 중심 방향을 향해 DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스가 분사된다. 가스 분사 구멍(36A)은 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)의 각 사이에 배치되어, 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 수평 방향에 대략 균일하게 제1 처리 가스(DCS를 포함함)를 공급한다.

구획판(54)에는 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)을 연통시키는 가스 유로(55)가 형성된다. 가스 유로(55)는 다수의 원형의 가스 확산 구멍(55A)으로 이루어진다. 가스 확산 구멍(55A)은 구획판(54)의 길이 방향(상하 방향)을 따라서, 또한 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 소정의 간격을 두고 하나의 수직열을 따라서 배열된다. 가스 확산 구멍(55A)은 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)의 피치와 동일 피치로 웨이퍼(W)의 각 사이에 위치하도록 형성된다. 가스 확산 구멍(55A)은 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 수평 방향으로 대략 균일하게, 플라즈마에 의해 활성화된 제2 처리 가스(NH₃ 포함함)를 통과시킨다.

구획판(54)에 의해, 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5) 사이의 가스류 컨덕턴스가 낮아진다. 이로 인해, 처리 영역(5)에 대해 압력에 관한 악영향을 미치지 않고, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 높게 설정할 수 있다. 이에 의해, 플라즈마의 발생 효율을 향상시킬 수 있는 동시에, 가스 여기부(50)를 구획하는 벽면이 플라즈마 이온에 의해 스패터되는 것을 억제할 수 있다.

한편, 가스 여기부(50)에 대향시켜 마련한 배기구(52)에는 이것을 덮도록 석영으로 이루어지는 단면 역ㄷ자형으로 성형된 배기구 커버 부재(66)가 용접에 의해 설치된다. 배기 커버 부재(66)는 처리 용기(4)의 측벽을 따라서 상방으로 연장되고, 처리 용기(4)의 상방에 가스 출구(68)가 형성된다. 가스 출구(68)에는 진공 펌프 등을 배치한 진공 배기계(GE)가 접속된다. 진공 배기계(GE)는 가스 출구(68)에 연결된 배기 통로(84)를 갖고, 그 상류측으로부터 차례로 밸브 유닛(개방도 조정용 밸브)(86), 진공 펌프(88), 불필요 물질을 제거하는 제해 유닛(89)이 배치된다.

처리 용기(4)를 포위하도록 처리 용기(4) 내의 분위기 및 웨이퍼(W)를 가열 하는 히터(70)가 배치된다. 처리 용기(4) 내의 배기구(52)의 근방에는 히터(70)를 제어하기 위한 열전대(도시하지 않음)가 배치된다.

또한, 성막 장치(2)는 장치 전체의 동작을 제어하는 컴퓨터 등으로 이루어지는 주제어부(48)를 구비한다. 주제어부(48)는 이것에 부수되는 기억부에 미리 기억된 성막 처리의 처리 레시피, 예를 들어 형성되는 막의 막 두께나 조성에 따라서 후술하는 성막 처리를 행한다. 이 기억부에는 또한, 처리 가스 유량과 막의 막 두께나 조성과의 관계가 미리 제어 데이터로서 기억된다. 따라서, 주제어부(48)는 이들의 기억된 처리 레시피나 제어 데이터를 기초로 하여 승강 기구(25), 가스 공급계(28, 30, 32), 배기계(GE)[밸브 유닛(86)을 포함함], 가스 여기부(50), 히터(70) 등을 제어할 수 있다.

다음에, 도1에 도시하는 장치를 이용하여 행해지는 성막 방법[소위, ALD(Atomic Layer Deposition) 성막]에 대해 설명한다. 개략적으로는, 이 성막 방법에서는 웨이퍼(W)를 수납한 처리 영역(5) 내에 실란계 가스인 디클로로실란(DCS) 가스를 포함하는 제1 처리 가스와, 질화 가스인 암모니아(NH₃) 가스를 포함하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급하고, CVD에 의해 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막을 형성한다.

우선, 복수매, 예를 들어 50 내지 100매의 300 ㎜ 사이즈의 웨이퍼(W)를 보유 지지한 상온의 웨이퍼 보트(12)를 소정의 온도로 설정된 처리 용기(4) 내에 로드한다. 다음에, 처리 용기(8) 내를 진공 배기하여 소정의 처리 압력으로 유지하 는 동시에, 웨이퍼 온도를 상승시켜 성막용 처리 온도로 안정될 때까지 대기한다. 다음에, DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스와 NH₃ 가스를 포함하는 제2 처리 가스를 각각 유량 제어하면서 가스 분산 노즐(36, 34)로부터 간헐적으로 공급한다. 또한 N₂ 가스로 이루어지는 블럭 가스 혹은 퍼지 가스를 가스 노즐(38)로부터 후술의 형태로 공급한다.

구체적으로는, DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스는 가스 분산 노즐(36)의 가스 분사 구멍(36A)으로부터 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 공급된다. 이 동안에, DCS 가스의 분자 혹은, 그 분해에 의해 발생한 분해 생성물의 분자 혹은 원자가 웨이퍼 상에 흡착된다.

한편, NH₃ 가스를 포함하는 제2 처리 가스는 가스 분산 노즐(34)의 가스 분사 구멍(34A)으로부터 구획판(54)을 향해 수평인 가스류를 형성하도록 공급된다. 제2 처리 가스는 한 쌍의 전극(58) 사이의 플라즈마 발생 영역(PS)을 통과할 때에 선택적으로 여기되어 일부가 플라즈마화된다. 이때, 예를 들어 N*, NH*, NH₂*, NH₃* 등의 라디칼(활성종)이 생성된다(기호 「*」는 라디칼인 것을 나타냄). 이들 라디칼은 가스 여기부(50)의 구획판(54)의 가스 유로(55)로부터 처리 용기(4)의 중심을 향해 유출되고, 웨이퍼(W) 상호간에 층류 상태로 공급된다.

상기 라디칼은 웨이퍼(W)의 표면에 부착되어 있는 DCS 가스의 분자 등과 반응하고, 이에 의해 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막이 형성된다. 또한, 이것과는 반 대로 웨이퍼(W)의 표면에 라디칼이 부착되어 있는 장소에 DCS 가스가 흘러 온 경우에도, 동일한 반응이 생겨 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막이 형성된다.

또한, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 각각이 처리 영역(5)에 대해 공급되는 동시에, 가스 노즐(38)의 가스 분사 구멍(36A)으로부터 마진 공간인 하측 공간(S1)으로, 불활성 가스로 이루어지는 블럭 가스가 공급된다. 이에 의해, 하측 공간(S1)으로의 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 유입이 억제되어, 처리의 단위 시간당 처리량, 처리 가스의 사용 효율, 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성의 향상을 도모할 수 있다.

즉, 하측 공간(S1)에 대해 블럭 가스를 공급함으로써, 하측 공간(S1)으로의 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 유입이 억제되는 동시에, 유입한 처리 가스도 빠르게 배출된다. 이로 인해, 처리 가스의 배출에 필요한 시간이 단축되어 처리량이 향상된다. 또한, 블럭 가스에 의해 하측 공간(S1)으로의 처리 가스의 유입이 억제되므로, 비교적 고인인 처리 가스의 불필요한 소비량이 감소한다. 따라서, 처리 가스의 사용 효율이 개선되어 운전 비용이 저하된다. 또한, 하측 공간(S1)으로의 처리 가스의 유입이 억제됨으로써, 처리 가스가 웨이퍼 표면에 대해 보다 균등하게 흐르게 된다. 이에 의해, 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성이 향상된다.

도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서의 가스 공급을 도시하는 타이밍 차트이다. 본 실시 형태에 있어서, 블럭 가스는 퍼지 가스로서의 기능도 겸하고 있고, 이하에 서술하는 다양한 형태로 공급할 수 있다. 도3에 있어 서, (A), (B)는 처리 영역(5)에 대한 제1 처리 가스(도3에서는 DCS로 표시) 및 제2 처리 가스(도3에서는 NH₃으로 표시)의 공급 형태를 나타내고, (C1) 내지 (C6)은 하측 공간(S1)에 대한 블럭 가스(도3에서는 N₂로 표시)의 공급 형태가 다른 6개의 예를 나타낸다.

도3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서는, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)을 교대로 반복한다. 즉, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)으로 이루어지는 사이클을 다수회 반복하고, 사이클마다 형성되는 실리콘 질화막의 박막을 적층함으로써 최종적인 두께의 실리콘 질화막을 얻을 수 있다. 이하에서는, 우선 블럭 가스의 공급 형태의 제1 예(C1)를 채용한 경우의 처리에 대해 설명한다.

제1 공정(T1)에서는 처리 영역(5)에 대한 제1 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(5)에 대한 제2 처리 가스의 공급을 정지한다. 제2 공정(T2)에서는 처리 영역(5)에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지한다. 제3 공정(T3)에서는 처리 영역(5)에 대한 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(5)에 대한 제1 처리 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제3 공정(T3)에서는 RF 전원(60)을 온으로 하여 가스 여기부(50)에서 제2 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 제2 처리 가스를 여기한 상태에서 처리 영역(5)에 공급한다. 제4 공정(T4)에서는 처리 영역(5)에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지한다. 제1 예(C1)에 있어서, 하측 공간(S1)에 대한 블럭 가스의 공급은 제1 공정으로부터 제4 공정에 걸쳐서 연속 적으로 또한 동일 유량으로 계속된다. 또한, 바람직하게는 제1 공정으로부터 제4 공정에 걸쳐서, 처리 영역(5)은 배기 통로(84)를 거쳐서 진공 배기계(GE)에 의해 계속적으로 진공 배기된다.

제2 및 제4 공정(T2, T4)은 처리 용기(4) 내에 잔류하는 가스를 배제하는 퍼지 공정으로서 사용된다. 여기서, 퍼지라 함은, N₂ 가스 등의 불활성 가스를 흐르게 하면서 처리 용기(4) 내를 진공 배기하는 것[제1 예(C1)의 경우에 상당함], 혹은 모든 가스의 공급을 정지하여 처리 용기(4) 내를 진공 배기함으로써, 처리 용기(4) 내의 잔류 가스를 제거하는 것을 의미한다. 또한, 제2 및 제4 공정(T2, T4)의 전반은 진공 배기만을 행하고, 후반은 진공 배기와 불활성 가스 공급을 더불어 행하도록 해도 좋다. 또한, 제1 및 제3 공정(T1, T3)에 있어서, 제1 및 제2 처리 가스를 공급할 때에는 처리 용기(4) 내의 진공 배기를 정지할 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 처리 가스의 공급을, 처리 용기(4) 내를 진공 배기하면서 행하는 경우에는 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)의 전체에 걸쳐서 처리 용기(4) 내의 진공 배기를 계속시킬 수 있다.

제1 공정(T1)은 약 1 내지 120초, 예를 들어 약 5초, 제2 공정(T2)은 약 1 내지 30초, 예를 들어 약 5초, 제3 공정(T3)은 약 1 내지 120초, 예를 들어 약 10초, 제4 공정(T4)은 약 1 내지 30초, 예를 들어 약 5초로 설정된다. 또한, 통상, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)의 1 사이클에 의해 형성되는 막 두께는 0.05 내지 0.11 ㎚ 정도이다. 따라서, 목표 막 두께가, 예를 들어 50 ㎚이면, 상기 사이클을 500회 정도 반복하게 된다. 단, 이들 시간이나 두께는 단순히 일 예를 나타낸 것에 지나지 않고, 이 수치로 한정되지 않는다.

또한, 하측 공간(S1)에 대해 블럭 가스를 공급함으로써, 하측 공간(S1)으로의 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 유입이 억제되는 동시에, 유입된 처리 가스도 빠르게 배출된다. 예를 들어, 성막 처리에 있어서, 상술한 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)으로 이루어지는 사이클을 500회 행한다고 가정하면, 1 사이클에서 가스 치환 조작을 몇 초, 예를 들어 2초 단축화할 수 있으면, 전체에서 1000초(＝ 2 × 500)도 성막 시간을 단축화하여 처리량을 향상시킬 수 있다.

DCS 가스의 유량은 50 내지 2000 sccm의 범위 내, 예를 들어 1000 sccm(1 slm : standard liter per minute)이다. NH₃ 가스의 유량은 100 내지 5000 sccm의 범위 내, 예를 들어 3000 sccm이다. N₂ 가스의 유량은 10 내지 30000 sccm의 범위 내, 예를 들어 5000 sccm이다. 처리 온도는 통상의 CVD 처리보다도 낮은 온도이고, 구체적으로는 250 내지 700 ℃의 범위 내, 바람직하게는 350 내지 600 ℃의 범위 내이다. 처리 온도가 250 ℃보다도 낮으면, 반응이 생기지 않아 막이 거의 퇴적되지 않는다. 처리 온도가 700 ℃보다도 높으면, 막질이 떨어지는 CVD에 의한 퇴적막이 형성되는 동시에, 이미 형성되어 있는 금속막 등에 열적 손상을 부여하게 된다.

처리 압력[처리 영역(5)의 압력]은 0.2 내지 1 Torr[27 내지 133 ㎩(1 Torr ＝ 133.3 ㎩)]의 범위 내로 설정된다. 이에 의해, 플라즈마 성막에 의한 막 두께 의 면내 균일성 및 면간 균일성을 높게 할 수 있다. 처리 압력이 1.0 Torr을 초과하면 활성종의 상실이 급격하게 많아진다. 한편, 처리 압력이 0.2 Torr보다도 작은 경우에는 성막 레이트가 실용 레벨 이하가 된다.

이에 대해, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력[가스 여기부(50)의 압력]은, 예를 들어 0.7 내지 5.0 Torr(93 내지 667 ㎩)의 범위 내로 설정된다. 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 비교적 높게 유지함으로써, 플라즈마 발생 효율을 향상시켜 플라즈마 밀도를 높게 할 수 있다. 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력이 5.0 Torr을 초과하면, 플라즈마의 착화가 급격히 악화된다. 한편, 상기 압력이 0.7 Torr보다도 작은 경우에는 플라즈마의 발생 효율이 급격히 저하된다.

도3은 또한, 제1 예(C1)와는 다른, 블럭 가스의 공급 형태의 제2 예(C2) 내지 제6 예(C6)를 나타낸다. 단, 블럭 가스의 공급 형태는 이들 공급 형태로 한정되지 않고, 그 밖에 다양한 공급 형태로 할 수 있다.

제2 예(C2)의 경우, 제2 및 제4 공정(T2, T4)의 각각의 후반의 부분(Lt)에 있어서, 블럭 가스의 공급을 완전히 정지한다. 이에 의해, 처리 용기(4) 내의 잔류 가스의 배기가 촉진된다. 제3 예(C3)의 경우, 제2 및 제4 공정(T2, T4)의 각각에 있어서 블럭 가스의 공급을 완전히 정지한다. 이 경우, 블럭 가스의 공급을 정지하는 만큼 블럭 가스의 사용량을 억제할 수 있다. 제4 예(C4)의 경우, 제1 및 제2 처리 가스의 공급량의 대소에 대응시켜, 제1 처리 가스의 공급일 때에는 블럭 가스의 공급량을 작게 하고, 제2 처리 가스의 공급일 때에는 블럭 가스의 공급량을 크게 한다. 또한, 제2 및 제4 공정(T2, T4)의 각각에 있어서 블럭 가스의 공급을 완전히 정지한다. 제5 예(C5)의 경우, 제4 예(C4)와는 반대로, 제1 처리 가스의 공급일 때에는 블럭 가스의 공급량을 크게 하고, 제2 처리 가스의 공급일 때에는 블럭 가스의 공급량을 작게 한다. 제6 예(C6)의 경우, 1 사이클의 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)에 있어서, 블럭 가스의 공급량을 제2 처리 가스의 공급 시가 피크가 되도록 스텝형으로 변화시킨다.

이들 변형예에 의해서도, 하측 공간(S1)으로의 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 유입이 억제되어 처리의 단위 시간당 처리량, 처리 가스의 사용 효율, 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성의 향상을 도모할 수 있다.

<제1 실험>

도4에 도시하는 하측 공간(S1)으로의 블럭 가스의 공급을 행하지 않는 장치(비교예)와, 도5에 도시하는 하측 공간(S1)으로의 블럭 가스의 공급을 행하는 장치(실시예)를 사용하여 비교 실험을 행하였다. 또한, 도4 및 도5에 있어서, 구획판(54)의 기재는 생략하고 있다. 피처리 기판으로서, 직경이 200 ㎜의 사이즈인 웨이퍼를 이용하였다. DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스의 유량은 100 sccm, NH₃ 가스를 포함하는 제2 처리 가스의 유량은 500 sccm으로 설정하였다. 도5의 장치에 있어서, 블럭 가스의 공급 형태는 도3의 제1 예(C1)에 나타낸 바와 같은 연속 공급으로 하였다. 블럭 가스로서의 N₂의 유량은 1 slm으로 설정하였다. 이와 같은 조건 하에서, 도3에 도시하는 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)으로 이루어지는 사이클을 500회 반복하여 성막 처리를 행하였다.

도6 및 도7은 제1 실험에 있어서, 도4 및 도5에 도시하는 장치에 의해 각각 얻게 된, 웨이퍼 위치와 막 두께의 관계를 나타내는 그래프이다. 도6 및 도7에 있어서, 횡축은 웨이퍼의 면 내에 있어서의 위치(㎜), 종축은 막 두께(㎚)를 나타낸다. 또한, 도6 및 도7에 있어서 나타내는 No.5, No.31, No.57은 웨이퍼 보트(12) 중에 전부 61매 수용된 웨이퍼의 하방으로부터 차례로 번호를 붙였을 때의 웨이퍼 번호를 나타낸다. 도6에 나타낸 바와 같이, 비교예의 경우, 3매의 웨이퍼에 대한 막 두께의 면내 균일성은 각각 ±4.22 ％ 내지 ±3.88 ％ 및 ±4.54 ％였다. 이에 대해, 도7에 나타낸 바와 같이, 실시예의 경우, 3매의 웨이퍼에 대한 막 두께의 면내 균일성은 각각 ±3.60 ％ 내지 ±2.76 ％ 및 ±2.79 ％였다. 따라서, 웨이퍼의 높이 위치에 관계없이, 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

도4 및 도5는 이때의 가스의 흐름도 개략적으로 도시한다. 도4에 도시한 바와 같이, 비교예의 경우, 가스 분산 노즐(34, 36)로부터 공급되는 처리 가스는 대부분이 웨이퍼(W)를 향해 수평 방향으로 흘러가지만, 일부의 가스는 화살표 110A, 110B로 나타낸 바와 같이 하측 공간(S1)이나 상측 공간(S2)으로 유입된다. 이로 인해, 처리의 단위 시간당 처리량, 처리 가스의 사용 효율, 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성을 저하시키는 원인이 된다. 이 경우, 특히 상측 공간(S2)의 용량보다도 하측 공간(S2)의 용량의 쪽이 훨씬 크기 때문에, 이 하측 공간(S2)으로 유입되는 처리 가스의 영향이 커진다.

이에 대해, 도5에 도시한 바와 같이, 실시예의 경우, 블럭 가스 노즐(38)로 부터 화살표 112A로 나타낸 바와 같이 하측 공간(S1)으로 블럭 가스를 직접 공급한다. 이에 의해, 하측 공간(S1)으로 처리 가스가 유입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 상기한 각 문제점을 대폭으로 개선하는 것이 가능해진다. 또한, 상측 공간(S2)으로 블럭 가스를 공급하기 위한 노즐 구조에 대해서는 후술한다.

<제2, 제3 실험>

도5에 도시하는 장치(실시예)에 있어서, 블럭 가스의 다른 공급 형태를 사용하여 실험을 행하였다. 제2, 제3 실험의 조건은 블럭 가스의 공급 형태가 다른 점을 제외하고 제1 실험과 동일하게 하였다. 제2 실험에서는 도3의 제4 예(C4)에 나타내는 공급 형태를 사용하여, 블럭 가스로서의 N₂의 유량은, DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스의 공급 시(제1 공정)에는 0.2 slm, NH₃ 가스를 포함하는 제2 처리 가스의 공급 시(제3 공정)에는 1 slm으로 설정하였다. 제3 실험에서는 도3의 제5 예(C5)에 나타내는 공급 형태를 사용하여, 블럭 가스로서의 N₂의 유량은, DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스의 공급 시(제1 공정)에는 1 slm, NH₃ 가스를 포함하는 제2 처리 가스의 공급 시(제3 공정)에는 0.2 slm으로 설정하였다.

도8 및 도9는 각각, 제2, 제3 실험에 있어서 도5에 도시하는 장치에 의해 얻게 된, 웨이퍼 위치와 막 두께의 관계를 나타내는 그래프이다. 도8 및 도9에 있어서, 횡축은 웨이퍼 면 내에 있어서의 위치(㎜), 종축은 막 두께(㎚)를 나타낸다. 또한, 도8 및 도9에 있어서 나타내는 No.5, No.31, No.57은 웨이퍼 보트(12) 중에 전부 61매 수용된 웨이퍼의 하방으로부터 차례로 번호를 붙였을 때의 웨이퍼 번호 를 나타낸다. 도8 및 도9에 나타낸 바와 같이, 블럭 가스의 공급 형태에 따라서 막 두께의 면내 균일성이나 면간 균일성이 크게 변동하였다. 따라서, 블럭 가스의 공급량을 변화시킴으로써, 막 두께의 면내 균일성이나 면간 균일성을 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

<제2 실시 형태>

도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도이다. 도10에 도시하는 장치는 블럭 가스 공급계(32)에 관한 구성을 제외하고는, 도1에 도시하는 장치와 동일한 구성을 갖는다. 도10에 도시하는 장치에 있어서, 블럭 가스 공급계(32)는 매니폴드(8)의 측벽을 내측으로 관통하고 상방향으로 굴곡되어 연장되는 석영관으로 이루어지는 가스 노즐(38X)을 갖는다. 가스 노즐(38X)은 그 선단부가 웨이퍼 보트(12)의 천장판(12b)을 넘어 처리 용기(4) 내의 천장 근방까지 연장된다. 가스 노즐(38X)에는 마진 공간인 상측 공간(S2)에 대향하도록 웨이퍼 보트(12)의 천장판(12b)보다도 상측의 위치에 가스 분사 구멍(38B)이 형성된다. 본 실시 형태에 있어서도, 블럭 가스의 공급 형태는 도3의 제1 예(C1) 내지 제6 예(C6)에 나타내는 것으로부터 선택할 수 있다.

<제3 실시 형태>

도11은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도이다. 도11에 도시하는 장치는 블럭 가스 공급계(32)에 관한 구성을 제외하고는, 도1에 도시하는 장치와 동일한 구성을 갖는다. 도11에 도시하는 장치에 있어서도, 도10에 도시하는 장치와 마찬가지로 블럭 가스 공급계(32)는 매니폴드(8)의 측벽을 내측으로 관통하고 상방향으로 굴곡되어 연장되는 석영관으로 이루어지는 가스 노즐(38Y)을 갖는다. 가스 노즐(38Y)은 그 선단부가 웨이퍼 보트(12)의 천장판(12b)을 넘어 처리 용기(4) 내의 천장 근방까지 연장된다. 가스 노즐(38Y)에는 마진 공간인 하측 공간(S1) 및 상측 공간(S2)에 각각 대향하도록 웨이퍼 보트(12)의 바닥판(12a)보다도 하측의 위치 및 천장판(12b)보다도 상측의 위치에 각각 가스 분사 구멍(38A, 38B)이 형성된다. 본 실시 형태에 있어서도, 블럭 가스의 공급 형태는 도3의 제1 예(C1) 내지 제6 예(C6)에 나타내는 것으로부터 선택할 수 있다.

제3 실시 형태에 따르면, 하측 공간(S1) 및 상측 공간(S2)의 양쪽에 블럭 가스를 공급함으로써, 이들 양쪽 공간으로의 처리 가스의 유입을 억제할 수 있다. 따라서, 처리의 단위 시간당 처리량, 처리 가스의 사용 효율, 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성의 향상을 한층 도모할 수 있다. 또한, 제3 실시 형태의 경우, 2개의 블럭 가스 노즐을 각각 하측 공간(S1) 및 상측 공간(S2)에 전용의 것으로서 배치하고, 각각의 노즐로부터 블럭 가스를 공급하도록 구성할 수도 있다.

<변형예>

상기 실시 형태에 있어서, 박막의 주원료를 제공하는 제1 처리 가스(DCS를 포함함)는 플라즈마화되지 않고, 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스(NH₃를 포함함)가 플라즈마화된다. 그러나, CVD의 타입에 따라서는, 박막의 주원료를 제공 하는 가스만이 플라즈마화되는 경우나, 박막의 주원료를 제공하는 가스와 이것과 반응하는 가스의 양자가 플라즈마화되는 경우가 있다.

제1 처리 가스 중의 실란계 가스로서 DCS 가스가 예시된다. 이 점에 관한 것으로, 실란계 가스로서는, 디클로로실란(DCS), 헥사클로로디실란(HCD), 모노실란(SiH₄), 디실란(Si₂H₆), 헥사메틸디실라잔(HMDS), 테트라클로로실란(TCS), 디시릴아민(DSA), 트리시릴아민(TSA), 비스타샬부틸아미노실란(BTBAS)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 가스를 이용할 수 있다.

제2 처리 가스 중의 질화 가스로서는, 암모니아(NH₃) 가스, 질소(N₂) 가스를 이용할 수 있다. 또한, 본 발명을 실리콘 산질화막의 형성에 적용하는 경우에는, 질화 가스 대신에, 일산화이질소(N₂O), 일산화질소(NO)와 같은 산질화 가스를 이용할 수 있다. 또한, 본 발명을 실리콘 산화막의 형성에 적용하는 경우에는, 질화 가스 대신에, 산소(O₂), 오존(O₃)과 같은 산화 가스를 이용할 수 있다.

또한, 상기 각 가스에 부가하여, 불순물 원소 도입을 위한 BCl₃ 가스나 탄소의 도입을 위한 에틸렌 등의 불순물 가스를 첨가하도록 해도 좋다. 또한, 성막 처리로서는, 상술한 바와 같은 ALD 처리로 한정되지 않고, 다른 성막 처리, 예를 들어 플라즈마 CVD 처리에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 상술한 플라즈마 성막 처리 이외의 플라즈마 처리, 예를 들어 플라즈마 에칭 처리, 플라즈마 산화 확산 처리, 플라즈마 개질 처리 등에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 상 술한 반도체 웨이퍼 이외의 피처리 기판, 예를 들어 글래스 기판, 세라믹 기판 등에도 적용할 수 있다.

추가적인 이점 및 변형이 해당 기술분야에서 숙련된 자에게는 바로 일어날 수 있을 것이다. 따라서, 넓은 의미에서 본 발명은 본 명세서에서 도시되고 설명된 세부 사항 및 대표적인 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 다양한 변경이 첨부된 청구범위 및 이들의 등가물에 의해서 한정되는 일반적인 발명 개념의 기술 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 이뤄질 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 처리 영역에 악영향을 미치지 않고, 처리 가스의 사용 효율 및 처리의 단위 시간당 처리량을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리의 면내 균일성 및/또는 면간 균일성을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Claims

반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치이며,

간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역과, 상기 처리 영역으로부터 벗어난 마진 공간을 갖는 처리 용기와,

상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,

상기 처리 영역과 연통하는 공간 내에 배치된 플라즈마 발생 영역을 갖는 여기 기구와,

상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급계와,

상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,

상기 마진 공간에 블럭 가스를 공급하는 블럭 가스 공급계와,

상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐져 있고,

상기 처리 가스는 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 처리 가스는 상기 처리 영역에 대해 수평인 가스류를 형성하도록 공급되고,

상기 배기계는 상기 처리 영역을 사이에 두고 상기 플라즈마 발생 영역에 대향하는 배기구를 갖고,

상기 블럭 가스 공급계는 상기 처리 영역에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하지 않고 상기 마진 공간에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하고,

상기 제어부는 상기 피처리 기판을 처리할 때, 상기 처리 가스 공급계로부터의 상기 처리 영역에 대한 상기 처리 가스의 공급과, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 동시에 행함으로써 상기 마진 공간으로의 상기 처리 가스의 유입을 억제하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 마진 공간은 상기 처리 영역의 하측 및 상측에 각각 위치하는 하측 공간 및 상측 공간의 한쪽을 구비하고, 상기 블럭 가스 공급계는 상기 마진 공간으로 개방되는 공급구를 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 마진 공간은 상기 처리 영역의 하측 및 상측에 각각 위치하는 하측 공간 및 상측 공간을 구비하고, 상기 블럭 가스 공급계는 상기 하측 공간 및 상기 상측 공간으로 각각 개방되는 하측 공급구 및 상측 공급구를 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제3항에 있어서, 상기 지지 부재는 바닥판과 천장판 사이에서 상기 피처리 기판을 지지하도록 구성되고, 상기 하측 공급구는 상기 바닥판의 하측에서 개방되고, 상기 상측 공급구는 상기 천장판의 상측에서 개방되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 배기구는 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 배치되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제5항에 있어서, 상기 제어부는 상기 피처리 기판을 처리할 때, 상기 처리 가스 공급계로부터의 상기 처리 영역에 대한 상기 처리 가스의 공급과, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급과, 상기 배기구로부터의 상기 처리 용기 내의 배기를 동시에 행하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제3항에 있어서, 상기 하측 공급구 및 상기 상측 공급구는 상기 처리 용기를 상하 방향으로 연장되는 공통의 노즐에 형성되고, 상기 노즐은 상기 처리 영역에 대응하는 위치에 개구를 갖고 있지 않은 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 처리 영역과 상기 플라즈마 발생 영역 사이에 배치된 절연성의 표면을 갖는 구획판을 더 구비하고, 상기 구획판은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 배치된 가스 유로를 갖는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
제8항에 있어서, 상기 가스 유로는 상기 복수의 피처리 기판에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 상기 처리 영역에 걸쳐서 상하 방향으로 배열된 복수의 가스 확산 구멍을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치에 있어서의 처리 방법이며,

상기 장치는,

간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역과, 상기 처리 영역으로부터 벗어난 마진 공간을 갖는 처리 용기와,

상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,

상기 처리 영역과 연통하는 공간 내에 배치된 플라즈마 발생 영역을 갖는 여기 기구와,

상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급계와,

상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,

상기 마진 공간에 블럭 가스를 공급하는 블럭 가스 공급계를 구비하고,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐져 있고,

상기 처리 가스는 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 처리 가스는 상기 처리 영역에 대해 수평인 가스류를 형성하도록 공급되고,

상기 배기계는 상기 처리 영역을 사이에 두고 상기 플라즈마 발생 영역에 대향하는 배기구를 갖고,

상기 블럭 가스 공급계는 상기 처리 영역에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하지 않고 상기 마진 공간에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하고,

상기 방법은 상기 피처리 기판을 처리할 때, 상기 처리 가스 공급계로부터의 상기 처리 영역에 대한 상기 처리 가스의 공급과, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 동시에 행함으로써, 상기 마진 공간으로의 상기 처리 가스의 유입을 억제하는 공정을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치에 있어서의 처리 방법.
반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치이며,

간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역과, 상기 처리 영역으로부터 벗어난 마진 공간을 갖는 처리 용기와,

상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,

상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,

상기 처리 영역과 연통하는 공간 내에 배치된 플라즈마 발생 영역을 갖는 여기 기구와,

상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위해, 상기 박막의 주원료를 제공하는 제1 처리 가스와, 상기 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스를 선택적으로 상기 처리 영역에 공급하는 처리 가스 공급계와,

상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,

상기 마진 공간에 블럭 가스를 공급하는 블럭 가스 공급계와,

상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,

상기 플라즈마 발생 영역은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐져 있고,

상기 제1 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽은 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 제1 및 제2 처리 가스는 상기 처리 영역에 대해 수평인 가스류를 형성하도록 공급되고,

상기 배기계는 상기 처리 영역을 사이에 두고 상기 플라즈마 발생 영역에 대향하는 배기구를 갖고,

상기 블럭 가스 공급계는 상기 처리 영역에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하지 않고 상기 마진 공간에 직접적으로 상기 블럭 가스를 공급하고,

상기 제어부는 상기 피처리 기판 상에 상기 박막을 형성하기 위해, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급과, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 복수회 반복하여 실행하고, 이때 상기 처리 가스 공급계로부터의 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 및 제2 처리 가스의 각각의 공급과, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 동시에 행함으로써, 상기 마진 공간으로의 상기 제1 및 제2 처리 가스의 각각의 유입을 억제하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제11항에 있어서, 상기 마진 공간은 상기 처리 영역의 하측 및 상측에 각각 위치하는 하측 공간 및 상측 공간의 한쪽을 구비하고, 상기 블럭 가스 공급계는 상기 마진 공간으로 개방되는 공급구를 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제11항에 있어서, 상기 마진 공간은 상기 처리 영역의 하측 및 상측에 각각 위치하는 하측 공간 및 상측 공간을 구비하고, 상기 블럭 가스 공급계는 상기 하측 공간 및 상기 상측 공간으로 각각 개방되는 하측 공급구 및 상측 공급구를 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제13항에 있어서, 상기 지지 부재는 바닥판과 천장판 사이에서 상기 피처리 기판을 지지하도록 구성되고, 상기 하측 공급구는 상기 바닥판의 하측에서 개방되고, 상기 상측 공급구는 상기 천장판의 상측에서 개방되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제11항에 있어서, 상기 처리 영역과 상기 플라즈마 발생 영역 사이에 배치된 절연성의 표면을 갖는 구획판을 더 구비하고, 상기 구획판은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 배치된 가스 유로를 갖는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제11항에 있어서, 상기 배기구는 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 배치되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제16항에 있어서, 상기 제어부는 상기 피처리 기판 상에 상기 박막을 형성하기 위해,

상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급을 행하는 제1 공정과,

상기 처리 영역에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제2 공정과,

상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급하는 제3 공정과,

상기 처리 영역에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지하는 제4 공정을 교대로 실행하고, 또한 상기 제1 공정으로부터 제4 공정에 걸쳐서 상기 배기구로부터의 상기 처리 용기 내의 배기를 계속하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제17항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 공정으로부터 제4 공정에 걸쳐서 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 계속하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제17항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2 및 제4 공정의 각각에 있어서, 상기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 정지하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
제17항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2 및 제4 공정의 각각에 있어서, 상 기 블럭 가스 공급계로부터의 상기 마진 공간에 대한 상기 블럭 가스의 공급을 행하는 전반기와 공급을 정지하는 후반기를 마련하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.