KR101129741B1 - 반도체 처리용 성막 장치 및 그 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

반응실 내에서 제1 노즐로부터 성막 반응성 가스를 공급하여 피처리 기판 상에 박막을 형성하기 위한 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법은, 상기 반응실 내 및 상기 제1 노즐 내에 퇴적된 부생성물막을 제거하기 위해 상기 반응실 내에 상기 피처리 기판을 수납하지 않은 상태로, 상기 반응실 내에 상기 부생성물막을 에칭하는 클리닝 반응성 가스를 공급하여 활성화하면서 상기 부생성물막을 에칭하는 에칭 공정과, 상기 클리닝 반응성 가스의 공급을 정지하여 상기 반응실 내를 배기하는 배기 공정을, 이 순서로 행함으로써 클리닝 처리를 행한다. 상기 에칭 공정은 상기 반응실 내에 공급한 상기 클리닝 반응성 가스가 상기 제1 노즐 중으로 유입하는 조건을 사용한다.
성막 장치, 반응관, 배기관, 가스 분산 노즐, 플라즈마 생성부

Description

반도체 처리용 성막 장치 및 그 사용 방법{FILM FORMATION APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESS AND METHOD FOR USING SAME}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판 상에 실리콘 질화막 등의 박막을 형성하는 반도체 처리용 성막 장치 및 그 사용 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 디바이스의 제조 공정에서는, CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 처리에 의해 피처리 기판, 예를 들어 반도체 웨이퍼 상에 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등의 박막을 형성하는 처리가 행해진다. 이와 같은 성막 처리에서는, 예를 들어 이하와 같이 하여 반도체 웨이퍼 상에 박막이 형성된다.
우선, 열처리 장치의 반응관(반응실) 내를 히터에 의해 소정의 로드 온도로 가열하고, 복수매의 반도체 웨이퍼를 수용한 웨이퍼 보트를 로드한다. 다음에, 반 응관 내를 히터에 의해 소정의 처리 온도로 가열하는 동시에, 배기 포트로부터 반응관 내의 가스를 배기하고, 반응관 내를 소정의 압력으로 감압한다.
다음에, 반응관 내를 소정의 온도 및 압력으로 유지하면서 (배기를 계속하면서) 가스 공급 라인으로부터 반응관 내에 성막 가스를 공급한다. 예를 들어, CVD에서는, 반응관 내에 성막 가스가 공급되면, 성막 가스가 열반응을 일으켜 반응 생성물이 생성된다. 반응 생성물은 반도체 웨이퍼의 표면에 퇴적되어, 반도체 웨이퍼의 표면에 박막이 형성된다.
성막 처리에 의해 생성되는 반응 생성물은 반도체 웨이퍼의 표면뿐만 아니라, 예를 들어 반응관의 내면이나 각종 지그 등에도 부생성물막으로서 퇴적(부착)한다. 부생성물막이 반응관 내 등에 부착된 상태에서 성막 처리를 계속 행하면, 반응관 등을 구성하는 석영과 부생성물막의 열팽창률의 차이에 의해 발생하는 응력에 의해 석영이나 부생성물막이 부분적으로 박리된다. 이에 의해 파티클이 발생하여, 제조되는 반도체 디바이스의 수율을 저하시키는, 혹은 처리 장치의 부품을 열화시키는 원인이 된다.
이로 인해, 성막 처리를 복수회 행한 후, 반응관 내의 클리닝이 행해진다. 이 클리닝에서는, 히터에 의해 소정의 온도로 가열된 반응관 내에 클리닝 가스, 예를 들어 불소와 할로겐 함유 산성 가스의 혼합 가스가 공급된다. 반응관의 내면 등에 부착된 부생성물막은 클리닝 가스에 의해 건식 에칭되어 제거된다(예를 들어, 일본 특허 공개 평3-293726호 공보 참조). 그러나, 후술하는 바와 같이, 본 발명자들에 따르면, 종래의 이러한 종류의 성막 장치의 클리닝 처리를 포함하는 사용 방법에서는, 다운 타임이나 파티클 발생에 관한 장치의 특성의 면에서 개선의 여지가 있는 것이 발견된다.
본 발명은, 다운 타임이나 파티클 발생에 관한 장치의 특성을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 성막 장치 및 그 사용 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 시점은, 반응실 내에서 제1 노즐로부터 성막 반응성 가스를 공급하여 피처리 기판 상에 박막을 형성하기 위한 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법이며, 상기 반응실 내 및 상기 제1 노즐 내에 퇴적된 부생성물막을 제거하기 위해 상기 반응실 내에 상기 피처리 기판을 수납하지 않은 상태에서, 상기 반응실 내에 상기 부생성물막을 에칭하는 클리닝 반응성 가스를 공급하여 활성화하면서 상기 부생성물막을 에칭하는 에칭 공정과, 상기 클리닝 반응성 가스의 공급을 정지하여 상기 반응실 내를 배기하는 배기 공정을, 이 순서로 행함으로써 클리닝 처리를 행하고, 여기서 상기 에칭 공정은 상기 반응실 내에 공급한 상기 클리닝 반응성 가스가 상기 제1 노즐 중으로 유입하는 조건을 사용한다.
본 발명의 제2 시점은, 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법이며, 상기 성막 장치는 복수의 피처리 기판을 상하에 간격을 마련하여 적층한 상태로 수납하도록 구성된 반응실과, 상기 반응실 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 상기 반응실 내를 배기하는 배기계와, 상기 반응실 주위에 배치된 상기 피처리 기판을 가열하기 위한 히터와, 상기 반응실에 실란계 가스를 포함하는 제1 성막 가 스를 공급하는 제1 성막 가스 공급계와, 상기 제1 성막 가스 공급계는 상기 실란계 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍이 소정 간격을 두고 형성된 제1 가스 분산 노즐을 포함하는 것과, 상기 반응실에 질화 가스를 포함하는 제2 성막 가스를 공급하는 제2 성막 가스 공급계와, 상기 반응실 외측에 설치되고 상기 반응실 내의 처리 공간과 연통하는 플라즈마 생성 공간을 형성하는 플라즈마 생성부와, 상기 제2 성막 가스는 상기 플라즈마 생성 공간을 통해 상기 처리 공간에 공급되는 것과, 상기 제1 및 제2 성막 가스의 반응에 의해 생성된 부생성물막을 에칭하는 클리닝 반응성 가스를 공급하는 클리닝 가스 공급계를 구비하고, 상기 사용 방법은, 상기 반응실 내에 수납한 상기 피처리 기판 상에 ALD에 의해 실리콘 질화막을 형성하는 성막 처리를 행하는 공정과, 여기서 상기 반응실 내에 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 실란계 가스를 공급하는 것과, 상기 반응실 내에 상기 플라즈마 생성부에서 여기하면서 상기 제2 성막 가스를 공급하는 것을 교대로 행하는 것과, 다음에 상기 반응실 내 및 상기 제1 가스 분산 노즐 내에 퇴적된 부생성물막을 제거하기 위해 상기 반응실 내에 상기 피처리 기판을 수납하지 않은 상태에서 클리닝 처리를 행하는 공정을 구비하고, 상기 클리닝 처리는, 상기 반응실 내에 상기 클리닝 반응성 가스를 제1 유량으로 공급하는 동시에, 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 희석하는 희석 가스를 상기 제1 유량보다도 작은 제2 유량으로 공급함으로써, 상기 클리닝 반응성 가스를 상기 제1 가스 분산 노즐 중으로 유입시키면서 상기 부생성물막을 에칭하는 에칭 공정과, 상기 클리닝 반응성 가스의 공급을 정지하여 상기 반응실 내를 배기하는 배기 공정을, 이 순서로 행한다.
본 발명의 제3 시점은, 반도체 처리용 성막 장치이며, 복수의 피처리 기판을 상하에 간격을 마련하여 적층한 상태로 수납하도록 구성된 반응실과, 상기 반응실 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 상기 반응실 내를 배기하는 배기계와, 상기 반응실 주위에 배치된 상기 피처리 기판을 가열하기 위한 히터와, 상기 반응실에 실란계 가스를 포함하는 제1 성막 가스를 공급하는 제1 성막 가스 공급계와, 상기 제1 성막 가스 공급계는 상기 실란계 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍이 소정 간격을 두고 형성된 제1 가스 분산 노즐을 포함하는 것과, 상기 반응실에 질화 가스를 포함하는 제2 성막 가스를 공급하는 제2 성막 가스 공급계와, 상기 반응실의 외측에 설치되고 상기 반응실 내의 처리 공간과 연통하는 플라즈마 생성 공간을 형성하는 플라즈마 생성부와, 상기 제2 성막 가스는 상기 플라즈마 생성 공간을 통해 상기 처리 공간에 공급되는 것과, 상기 제1 및 제2 성막 가스의 반응에 의해 생성된 부생성물막을 에칭하는 클리닝 반응성 가스를 공급하는 클리닝 가스 공급계와, 상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 반응실 내에 수납한 상기 피처리 기판 상에 ALD에 의해 실리콘 질화막을 형성하는 성막 처리를 행하는 공정과, 여기서 상기 반응실 내에 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 실란계 가스를 공급하는 것과, 상기 반응실 내에 상기 플라즈마 생성부에서 여기하면서 상기 제2 성막 가스를 공급하는 것을 교대로 행하는 것과, 다음에 상기 반응실 내 및 상기 제1 가스 분산 노즐 내에 퇴적된 부생성물막을 제거하기 위해 상기 반응실 내에 상기 피처리 기판을 수납하지 않은 상태로 클리닝 처리를 행하는 공정을 구비하는 방법을 실행하도록 미리 설정되고, 상기 클리 닝 처리는, 상기 반응실 내에 상기 클리닝 반응성 가스를 제1 유량으로 공급하는 동시에, 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 희석하는 희석 가스를 상기 제1 유량보다도 작은 제2 유량으로 공급함으로써, 상기 클리닝 반응성 가스를 상기 제1 가스 분산 노즐 중으로 유입시키면서 상기 부생성물막을 에칭하는 에칭 공정과, 상기 클리닝 반응성 가스의 공급을 정지하여 상기 반응실 내를 배기하는 배기 공정을, 이 순서로 행한다.
본 발명의 추가 목적 및 이점들은 다음의 상세한 설명에 개시될 것이며, 일부는 상세한 설명으로부터 명백할 것이고 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수도 있다. 본 발명의 목적 및 이점들은 특별히 이후에 개시되는 수단들 및 조합들에 의해 인식되고 얻어질 수도 있다.
본 명세서에 합체되고 일부로 구성되는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 나타내고 있고, 상기한 일반적인 설명과 함께 하기되는 실시예들의 상세한 설명은 본 발명의 원리들을 설명하는 것으로 제공된다.
본 발명에 따르면, 다운 타임이나 파티클 발생에 관한 장치의 특성을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 성막 장치 및 그 사용 방법을 제공할 수 있다.
본 발명자들은 본 발명의 개발 과정에서, 반도체 처리용 성막 장치에 있어서 반응관 내의 클리닝 처리를 포함하는 종래의 장치의 사용 방법이 안게 된 문제에 대해 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 이하에 서술하는 바와 같은 지견을 얻 었다.
즉, 이러한 종류의 성막 장치에서는, 반응관 내뿐만 아니라 성막 가스를 공급하는 성막 가스 노즐(인젝터)의 내부에도 부생성물막(반응 생성물)이 부착한다. 반응관 내에 부착하는 부생성물막에 대해서는, 예를 들어 상술하는 일본 특허 출원 공개 평3-293726호 공보에 개시되는 바와 같은 종래의 성막 장치의 사용 방법에 있어서의 클리닝 처리에 의해 제거된다. 한편, 성막 가스 노즐에 대해서는, 소정 주기마다 장치로부터 떼어내어 별개로 클리닝 처리가 행해진다. 그러나, 이러한 경우, 성막 가스 노즐을 떼어내어 수작업으로 클리닝하고, 다시 조립 및 조정하는 작업이 필요하다. 또한, 성막 장치를 장기간 정지해야만 하므로, 큰 다운 타임이 발생하여 가동률이 저하된다. 한편, 다운 타임을 삭감하기 위해 성막 가스 노즐의 클리닝 처리의 주기를 길게 하면, 파티클이 발생하기 쉬워진다.
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 동일 부호를 부여하고, 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치(종형 CVD 장치)를 도시하는 단면도이다. 도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도이다. 이 성막 장치는 MLD(Molecular Layer Deposition)법을 이용하여 복수의 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막을 형성하는 뱃치(batch)식의 종형 처리 장치로서 구성된다.
도1에 도시한 바와 같이, 성막 장치(1)는 길이 방향이 수직 방향으로 향하게 된 천장이 있고 대략 원통 형상의 반응관(반응실)(2)을 갖는다. 반응관(2) 내에 복수매의 반도체 웨이퍼를 수납하여 처리하는 처리 공간(S)이 형성된다. 반응관(2)은 내열 및 내부식성이 우수한 재료, 예를 들어 석영에 의해 형성된다.
반응관(2)의 일측방에는 반응관(2) 내의 가스를 배기하기 위한 배기 공간(21)이 반응관(2)을 따라 수직 방향으로 연장하도록 형성된다. 처리 공간(S)과 배기 공간(21) 사이에는 격벽(22)이 배치되고, 격벽(21)에 처리 공간(S)에 대응하여 수직 방향을 따라 소정 간격을 두고 복수의 배기 구멍(3h)이 형성된다. 이들 배기 구멍(3h)에 의해 처리 공간(S)과 배기 공간(21)을 연통시키는 배기구가 구성된다.
배기 공간(21)의 하단부는 반응관(2)의 하부에 배치된 기밀한 배기관(4)을 통해 배기부(GE)가 접속된다. 배기부(GE)에는 밸브, 진공 배기 펌프(도1에 도시하지 않음, 도3에 부호 127로 지시) 등의 압력 조정 기구가 배치된다. 배기부(GE)에 의해 반응관(2) 내의 분위기가 배출되는 동시에, 소정의 압력(진공도)으로 설정 가능해진다.
반응관(2)의 하방에는 덮개(5)가 배치된다. 덮개(5)는 내열 및 내부식성이 우수한 재료, 예를 들어 석영에 의해 형성된다. 덮개(5)는 후술하는 보트 엘리베이터(도1에 도시하지 않음, 도3에 부호 128로 지시)에 의해 상하 이동 가능하게 구성된다. 보트 엘리베이터에 의해 덮개(5)가 상승하면, 반응관(2)의 하방측(노구 부분)이 폐쇄된다. 보트 엘리베이터에 의해 덮개(5)가 하강하면, 반응관(2)의 하방측(노구 부분)이 개방된다.
덮개(5) 상에는, 예를 들어 석영에 의해 형성되는 웨이퍼 보트(6)가 적재된다. 웨이퍼 보트(6)는 반도체 웨이퍼(W)가 수직 방향으로 소정 간격을 두고 복수매 수용할 수 있도록 복수의 지지 레벨을 갖는다. 또한, 덮개(5)의 상부에 반응관(2)의 노구 부분으로부터 반응관(2) 내의 온도가 저하되는 것을 방지하는 저온통을 배치할 수 있다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 웨이퍼 보트(6)를 회전 가능하게 적재하는 회전 테이블을 설치하고, 이 위에 웨이퍼 보트(6)를 적재해도 좋다. 이 경우, 웨이퍼 보트(6)에 수용된 반도체 웨이퍼(W)를 균일한 온도로 제어하기 쉬워진다.
반응관(2)의 주위에는 반응관(2)을 둘러싸도록, 예를 들어 저항 발열체로 이루어지는 히터(7)가 내면에 설치된 단열 커버(71)가 배치된다. 이 히터(7)에 의해 반응관(2)의 내부가 소정의 온도로 승온(가열)되어, 이 결과, 반도체 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 가열된다.
반응관(2)의 하단부 근방의 측면에는 반응관(2) 내에 처리 가스[예를 들어 성막 가스, 클리닝 가스, 불활성 가스(희석용, 퍼지용 혹은 압력 제어용)]를 도입하는 가스 분산 노즐(8, 9) 및 가스 노즐(10)이 삽입 관통된다. 가스 분산 노즐(8, 9) 및 가스 노즐(10)은 매스플로우 컨트롤(MFC) 등(도시하지 않음)을 통해 처리 가스 공급부(GS)에 접속된다. 처리 가스 공급부(GS)는 이하와 같은 성막 가스, 클리닝 가스를 조제하기 위한 반응성 가스 각각의 가스원과, 불활성 가스로서 사용되는 질소(N2) 가스의 가스원을 포함한다.
즉, 본 실시 형태에 있어서, 반도체 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막(프로덕트막)을 CVD에 의해 형성기 위해, 예를 들어 실란계 가스를 포함하는 제1 성막 가스와 질화 가스를 포함하는 제2 성막 가스가 사용된다. 여기서는, 실란계 가스로서 디클로로실란(DCS : SiH2Cl2) 가스가 사용되고, 질화 가스로서 암모니아(NH3) 가스가 사용된다. 제1 및 제2 성막 가스에는 적당한 양의 캐리어 가스(N2 가스 등의 희석 가스)가 혼합되지만, 이하에서는 설명을 쉽게 하기 위해 필요한 경우에만 캐리어 가스에 대해 언급한다.
클리닝 가스로서, 실리콘 질화물을 주성분(50 % 이상을 의미함)으로 하는 부생성물막을 에칭하는, 할로겐 산성 가스나 할로겐 원소 가스와 수소 가스의 혼합 가스가 사용된다. 여기서는, 클리닝 가스로서, 클리닝 반응성 가스인 불소(F2) 가스 및 불화수소(HF) 가스와 희석 가스로서의 질소 가스와의 혼합 가스가 사용된다.
가스 분산 노즐(8)은 NH3 가스 및 N2 가스의 가스원에 접속된다. 가스 분산 노즐(9)은 DCS 가스 및 N2 가스의 가스원에 접속된다. 가스 노즐(10)은 3개의 가스 노즐(10a, 10b, 10c)로 이루어지고, 가스 노즐(10a)은 F2 가스, N2 가스의 가스원에 접속되고, 가스 노즐(10b)은 HF 가스, N2 가스의 가스원에 접속되고, 가스 노즐(10c)은 N2 가스의 가스원에 접속된다. 또한, 별도로 퍼지 가스(예를 들어, N2 가스) 전용의 가스 노즐을 설치할 수도 있다.
각 가스 분산 노즐(8, 9)은 반응관(2)의 측벽을 내측으로 관통하여 상방으로 굴곡되어 연장되는 석영관으로 이루어진다(도1 참조). 각 가스 분산 노즐(8, 9)에는, 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 또한 웨이퍼 보트(6) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 복수의 가스 분사 구멍이 소정 간격을 두고 형성된다. 가스 분사 구멍은 웨이퍼 보트(6) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 수평 방향으로 대략 균일하게 대응의 처리 가스를 각각 공급한다. 한편, 각 가스 노즐[10(10a, 10b, 10c)]은 반응관(2)의 측벽을 내측으로 관통하여 상방향으로 굴곡된 짧은 석영관으로 이루어진다(도1 참조). 이로 인해, 클리닝 가스는 가스 노즐(10)에 의해 반응관(2)의 저부로부터 반응관(2)의 상부를 향해 반응관(2) 내에 공급된다.
반응관(2)의 측벽의 일부에는 그 높이 방향을 따라 플라즈마 생성부(11)가 배치된다. 플라즈마 생성부(11)는 반응관(2)의 측벽을 상하 방향을 따라 소정의 폭으로 깎아냄으로써 형성된 상하로 가늘고 긴 개구(11b)를 갖는다. 개구(11b)는 반응관(2)의 외벽에 기밀하게 용접 접합된 석영제의 커버(11a)에 의해 덮어진다. 커버(11a)는 반응관(2)의 외측으로 돌출되도록 단면 오목부 형상을 이루고, 또한 상하로 가늘고 긴 형상을 갖는다.
이 구성에 의해, 반응관(2)의 측벽으로부터 돌출되고 또한 일측이 반응관(2) 내로 개방되는 플라즈마 생성부(11)가 형성된다. 즉, 플라즈마 생성부(11)의 내부 공간은 반응관(2) 내의 처리 공간(S)에 연통한다. 개구(11b)는 웨이퍼 보트(6)에 보유 지지되는 모든 웨이퍼(W)를 높이 방향에 있어서 커버할 수 있도록 상하 방향으로 충분히 길게 형성된다.
커버(11a)의 양 측벽의 외측면에는 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 서로 대향하도록 하여 가늘고 긴 한 쌍의 전극(12)이 배치된다. 전극(12)에는 플라즈마 발생용 고주파 전원(12a)이 급전 라인을 통해 접속된다. 전극(12)에 예를 들어 13.56 ㎒의 고주파 전압을 인가함으로써, 한 쌍의 전극(12) 사이에 플라즈마를 여기하기 위한 고주파 전계가 형성된다. 또한, 고주파 전압의 주파수는 13.56 ㎒에 한정되지 않고, 다른 주파수, 예를 들어 400 ㎑ 등을 사용해도 좋다.
제2 성막 가스의 가스 분산 노즐(8)은 웨이퍼 보트(6) 상의 최하 레벨의 웨이퍼(W)보다도 하부의 위치에서, 반응관(2)의 반경 방향 외측으로 굴곡된다. 그 후, 가스 분산 노즐(8)은 플라즈마 생성부(11) 내의 가장 안쪽[반응관(2)의 중심으로부터 가장 떨어진 부분]의 위치에서 수직으로 기립한다. 가스 분산 노즐(8)은 도2에도 도시한 바와 같이 한 쌍의 대향하는 전극(12) 사이에 끼인 영역(고주파 전계가 가장 강한 위치), 즉 주된 플라즈마가 실제로 발생하는 플라즈마 발생 영역보다도 외측으로 이격된 위치에 설치된다. 가스 분산 노즐(8)의 가스 분사 구멍으로부터 분사된 NH3 가스를 구비하는 제2 성막 가스는 플라즈마 발생 영역을 향해 분사되고, 여기서 여기(분해 혹은 활성화)되어 질소 원자를 포함하는 래디컬(N*, NH*, NH2 *, NH3 *)을 포함하는 상태에서 웨이퍼 보트(6) 상의 웨이퍼(W)에 공급된다(기호「*」는 래디컬인 것을 나타냄).
플라즈마 생성부(11)의 개구(11b)의 외측 근방, 즉 개구(11b)의 외측[반응 관(2) 내]의 한쪽측에 제1 성막 가스의 가스 분산 노즐(9)이 수직으로 기립되어 배치된다. 가스 분산 노즐(9)에 형성된 가스 분사 구멍보다 반응관(2)의 중심 방향을 향해 제1 성막 가스를 구성하기 위한 DCS 가스 및 질소 가스가 각각 분사된다.
또한, 플라즈마 생성부(11)의 개구(11b)의 외측 근방의 양측에 클리닝 가스용의 2개의 가스 노즐(10a, 10b)이 각각 배치된다. 여기서, 불소(F2) 가스는 가스 노즐(10a)로부터 공급되고, 불화수소(HF) 가스는 가스 노즐(10b)로부터 공급된다. 또한, 플라즈마 생성부(11)의 개구(11b)로부터 이격된 위치에 질소 가스를 공급하는 가스 노즐(10c)이 배치된다. 각 가스 노즐[10(10a, 10b, 10c)]은 L형으로 형성되고, 그 상단부에 상향으로 지향된 가스 공급구를 갖는다.
또한, 반응관(2) 내에는 반응관(2) 내의 온도를 측정하는, 예를 들어 열전대로 이루어지는 온도 센서(122) 및 반응관(2) 내의 압력을 측정하는 압력계(도1에 도시하지 않음, 도3에 부호 123으로 지시)가 복수개 배치된다.
또한, 성막 장치(1)는 장치 각 부의 제어를 행하는 제어부(100)를 갖는다. 도3은 제어부(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 도3에 나타낸 바와 같이, 제어부(100)에는 조작 패널(121), 온도 센서(군)(122), 압력계(군)(123), 히터 컨트롤러(124), MFC 제어부(125), 밸브 제어부(126), 진공 펌프(127), 보트 엘리베이터(128), 플라즈마 제어부(129) 등이 접속된다.
조작 패널(121)은 표시 화면과 조작 버튼을 구비하고, 조작자의 조작 지시를 제어부(100)에 전달하고, 또한 제어부(100)로부터의 다양한 정보를 표시 화면에 표 시한다. 온도 센서(군)(122)는 반응관(2), 배기관(4) 내 등의 각 부의 온도를 측정하고, 그 측정치를 제어부(100)에 통지한다. 압력계(군)(123)는 반응관(2), 배기관(4) 내 등의 각 부의 압력을 측정하고, 측정치를 제어부(100)에 통지한다.
히터 컨트롤러(124)는 히터(7)를 개별적으로 제어하기 위한 것이다. 히터 컨트롤러(124)는 제어부(100)로부터의 지시에 응답하여, 이들 히터에 통전하여 이들을 가열한다. 히터 컨트롤러(124)는 또한 이들 히터의 소비 전력을 개별적으로 측정하여 제어부(100)에 통지한다.
MFC 제어부(125)는 가스 분산 노즐(8, 9), 가스 노즐(10) 등의 각 배관에 배치된 MFC(도시하지 않음)를 제어한다. MFC 제어부(125)는 각 MFC를 흐르는 가스의 유량을 제어부(100)로부터 지시된 양으로 제어한다. MFC 제어부(125)는 또한 MFC에 실제로 흐른 가스의 유량을 측정하여 제어부(100)에 통지한다.
밸브 제어부(126)는 각 배관에 배치되고, 각 배관에 배치된 밸브의 개방도를 제어부(100)로부터 지시된 값으로 제어한다. 진공 펌프(127)는 배기관(4)에 접속되어 반응관(2) 내의 가스를 배기한다.
보트 엘리베이터(128)는 덮개(5)를 상승시킴으로써, 웨이퍼 보트(6)[반도체 웨이퍼(W)]를 반응관(2) 내에 로드한다. 보트 엘리베이터(128)는 또한 덮개(5)를 하강시킴으로써, 웨이퍼 보트(6)[반도체 웨이퍼(W)]를 반응관(2) 내로부터 언로드한다.
플라즈마 제어부(129)는 제어부(100)로부터의 지시에 응답하여 플라즈마 생성부(11)를 제어하고, 플라즈마 생성부(11) 내에 공급된 암모니아를 활성화하여 암 모니아 래디컬을 생성시킨다.
제어부(100)는 레시피 기억부(111)와, ROM(112)과, RAM(113)과, I/O 포트(114)와, CPU(115)를 포함한다. 이들은 버스(116)에 의해 서로 접속되고, 버스(116)를 통해 각 부 사이에서 정보가 전달된다.
레시피 기억부(111)에는 셋업용 레시피와 복수의 프로세스용 레시피가 기억된다. 성막 장치(1)의 제조 당초는 셋업용 레시피만이 저장된다. 셋업용 레시피는 각 성막 장치에 따른 열 모델 등을 생성할 때에 실행되는 것이다. 프로세스용 레시피는 사용자가 실제로 행하는 열처리(프로세스)마다 준비되는 레시피이다. 프로세스용 레시피는 반응관(2)에의 반도체 웨이퍼(W)의 로드로부터 처리 완료된 웨이퍼(W)를 언로드할 때까지의, 각 부의 온도의 변화, 반응관(2) 내의 압력 변화, 성막 가스의 공급의 개시 및 정지의 타이밍과 공급량 등을 규정한다.
ROM(112)은 EEPROM, 플래시 메모리, 하드 디스크 등으로 구성되고, CPU(115)의 동작 프로그램 등을 기억하는 기록 매체이다. RAM(113)은 CPU(115)의 작업 영역 등으로서 기능한다.
I/O 포트(114)는 조작 패널(121), 온도 센서(122), 압력계(123), 히터 컨트롤러(124), MFC 제어부(125), 밸브 제어부(126), 진공 펌프(127), 보트 엘리베이터(128) 등에 접속되어 데이터나 신호의 입출력을 제어한다.
CPU(Central Processing Unit)(115)는 제어부(100)의 중추를 구성한다. CPU(115)는 ROM(112)에 기억된 제어 프로그램을 실행하고, 조작 패널(121)로부터의 지시에 따라서 레시피 기억부(111)에 기억되는 레시피(프로세스용 레시피)를 따라 성막 장치(1)의 동작을 제어한다. 즉, CPU(115)는 온도 센서(군)(122), 압력계(군)(123), MFC 제어부(125) 등에 반응관(2), 배기관(4) 내의 각 부의 온도, 압력, 유량 등을 측정하게 한다. 또한, CPU(115)는 이 측정 데이터를 기초로 하여 히터 컨트롤러(124), MFC 제어부(125), 밸브 제어부(126), 진공 펌프(127) 등에 제어 신호 등을 출력하고, 상기 각 부가 프로세스용 레시피를 따르도록 제어한다.
다음에, 이상과 같이 구성된 성막 장치(1)의 사용 방법에 대해 도4를 참조하여 설명한다. 여기서는, 우선, 반응관(2) 내에서 반도체 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막을 형성하는 성막 처리를 행한다. 다음에, 반응관(2) 내 및 가스 분산 노즐(9) 내에 부착된, 실리콘 질화물을 주성분(50 % 이상을 의미함)으로 하는 부생성물막을 제거하는 클리닝 처리를 행한다. 도4는 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 처리 및 클리닝 처리의 레시피를 나타내는 타이밍차트이다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 성막 장치(1)를 구성하는 각 부의 동작은 제어부(100)[CPU(115)]에 의해 제어된다. 각 처리에 있어서의 반응관(2) 내의 온도, 압력, 가스의 유량 등은 전술한 바와 같이 제어부(100)[CPU(115)]가 히터 컨트롤러(124)[히터(7)], MFC 제어부(125)[가스 분산 노즐(8, 9), 가스 노즐(10)], 밸브 제어부(126), 진공 펌프(127) 등을 제어함으로써, 도4에 나타내는 레시피에 따른 조건이 된다.
<성막 처리>
우선, 다수매, 예를 들어 50 내지 100매의 300 ㎜ 사이즈의 웨이퍼(W)를 보유 지지한 상온의 웨이퍼 보트(6)를 소정의 온도로 설정된 반응관(2) 내에 로드하 고, 반응관(2)을 밀폐한다. 다음에, 반응관(2) 내를 진공화하여 소정의 처리 압력으로 유지하는 동시에, 웨이퍼 온도를 상승시켜 성막용 처리 온도로 안정될 때까지 대기한다. 다음에, 이하와 같이 웨이퍼(W)의 표면을 암모니아 활성종으로 처리하는 전처리 스테이지를 실행한다. 또한, 전처리 스테이지 및 이에 계속해서 교대로 반복하여 행해지는 하기의 흡착 및 질화 스테이지를 포함하는 성막 처리 중, 바람직하게는 회전 테이블에 의해 웨이퍼 보트(6)를 계속적으로 회전시킨다.
전처리 스테이지에 있어서, 우선, 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급한다. 이와 함께, 반응관(2) 내를 소정의 온도, 예를 들어 도4의 (a)에 나타낸 바와 같이 550 ℃로 설정한다. 또한, 반응관(2) 내를 배기하여 반응관(2)을 소정의 압력, 예를 들어 도4의 (b)에 나타낸 바와 같이 45 ㎩(0.34 Torr : 133 ㎩ = 1 Torr)로 설정한다. 그리고, 이 조작을 반응관(2)이 소정의 압력 및 온도로 안정될 때까지 행한다.
반응관(2) 내가 소정의 압력 및 온도로 안정되면, 도4의 (h)에 나타낸 바와 같이 전극(12) 사이에 고주파 전력을 인가[RF : ON]한다. 이와 함께, 가스 분산 노즐(8)로부터 암모니아 가스를 소정량, 예를 들어 도4의 (e)에 나타낸 바와 같이 5 slm(standard liter per minute)을 한 쌍의 전극(12) 사이[플라즈마 생성부(11) 내]에 공급한다. 한 쌍의 전극(12) 사이에 공급된 암모니아 가스는 플라즈마 여기(활성화)시켜 암모니아 래디컬을 생성한다. 이와 같이 생성된 래디컬이 플라즈마 생성부(11)로부터 반응관(2) 내에 공급된다. 또한, 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급한다(플 로우 공정).
전처리 스테이지에 있어서, 암모니아 래디컬에 의해 웨이퍼(W)의 표면을 전처리할 때, 웨이퍼(W)의 표면에 존재하는 -OH기의 일부와 -H기의 일부가 -NH2기로 치환된다. 이로 인해, 이 후에 행해지는 흡착 스테이지를 개시할 때, 웨이퍼(W)의 표면에는 -NH2기가 존재한다. 이 상태에서 DCS가 공급되면, 웨이퍼(W)의 표면의 -NH2기와 열적으로 활성화된 DCS가 반응하여 웨이퍼(W)의 표면에 있어서의 Si의 흡착이 촉진된다.
암모니아 가스를 소정 시간 공급 후, 암모니아 가스의 공급을 정지하는 동시에, 고주파 전력의 인가를 정지한다. 또한, 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 반응관(2) 내를 배기하는 동시에, 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이 소정량의 질소 가스를 반응관(2) 내에 공급하고, 이에 의해 반응관(2) 내의 가스를 반응관(2) 밖으로 배출한다(퍼지 공정).
또한, 성막 시퀸스 상, 성막 처리 중, 반응관(2) 내의 온도를 변화시키지 않는 것이 바람직하다. 이로 인해, 본 실시 형태에서는 상기 전처리, 흡착, 및 질화 스테이지에 걸쳐서 반응관(2) 내의 온도를 550 ℃로 설정한다. 또한, 반응관(2) 내의 배기도 상기 전처리, 흡착 및 질화 스테이지에 걸쳐서 계속한다.
다음에, 흡착 스테이지에 있어서, 우선 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급하면서, 반응관(2) 내를 소정의 온도, 예를 들어, 도4의 (a)에 나타낸 바와 같이 550 ℃로 설정한다. 또한, 반응관(2) 내를 배기하고, 반응관(2)을 소정의 압력, 예를 들어 도4의 (b)에 나타낸 바와 같이 600 ㎩(4.6 Torr)로 설정한다. 그리고, 이 조작을 반응관(2)이 소정의 압력 및 온도로 안정될 때까지 행한다.
반응관(2) 내가 소정의 압력 및 온도로 안정되면, 가스 분산 노즐(9)로부터 DCS 가스를 소정량, 예를 들어 도4의 (d)에 나타낸 바와 같이 2 slm과, 도4의 (c)에 나타내는 바와 같이 소정량의 질화 가스를 반응관(2) 내에 공급한다(플로우 공정). 반응관(2) 내에 공급된 DCS는 반응관(2) 내에서 가열되어 활성화하고, 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 -NH2기와 반응하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 Si를 포함하는 흡착층을 형성한다.
DCS 가스를 소정 시간 공급 후, 가스 분산 노즐(9)로부터의 DCS 가스의 공급과 질소 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 반응관(2) 내를 배기하는 동시에, 도4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 소정량의 질소 가스를 반응관(2) 내에 공급하고, 이에 의해 반응관(2) 내의 가스를 반응관(2) 밖으로 배출한다(퍼지 공정).
다음에, 질화 스테이지에 있어서, 우선 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급하면서, 반응관(2) 내를 소정의 온도, 예를 들어 도4의 (a)에 나타낸 바와 같이 550 ℃로 설정한다. 또한, 반응관(2) 내를 배기하고, 반응관(2)을 소정의 압력, 예를 들어 도4의 (b)에 나타낸 바와 같이 45 ㎩(0.34 Torr)로 설정한다. 그리고, 이 조작을 반응관(2)이 소정의 압력 및 온도로 안정될 때까지 행한다.
반응관(2) 내가 소정의 압력 및 온도로 안정되면, 도4의 (h)에 나타낸 바와 같이 전극(12) 사이에 고주파 전력을 인가(RF : ON)한다. 이와 함께, 가스 분산 노즐(8)로부터 암모니아 가스를 소정량, 예를 들어 도4의 (e)에 나타낸 바와 같이 5 slm을 한 쌍의 전극(12) 사이[플라즈마 생성부(11) 내]에 공급한다. 한 쌍의 전극(12) 사이에 공급된 암모니아 가스는 플라즈마 여기(활성화)되어, 질소 원자를 포함하는 래디컬(N*, NH*, NH3 *, NH3 *)을 생성한다. 이와 같이 생성된 질소 원자를 포함하는 래디컬이 플라즈마 생성부(11)로부터 반응관(2) 내에 공급된다. 또한, 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급한다(플로우 공정).
이들 래디컬은 플라즈마 생성부(11)의 개구(11b)로부터 반응관(2)의 중심을 향해 유출되고, 웨이퍼(W) 상호간에 층류 상태에서 공급된다. 웨이퍼(W) 상에 질소 원자를 포함하는 래디컬이 공급되면, 웨이퍼(W) 상의 흡착층의 Si와 반응하고, 이에 의해 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화물의 박막이 형성된다.
암모니아 가스를 소정 시간 공급 후, 가스 분산 노즐(8)로부터의 암모니아 가스의 공급을 정지하는 동시에, 고주파 전력의 인가를 정지한다. 또한, 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 반응관(2) 내를 배기하는 동시에, 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이 소정량의 질소 가스를 반응관(2) 내에 공급하고, 이에 의해 반응관(2) 내의 가스를 반응관(2) 밖으로 배출한다(퍼지 공정).
이 실시 형태에 관한 성막 방법에서는, 흡착 및 질화 스테이지를 이 순서로 교대로 포함하는 사이클을 소정 횟수 반복하는 CVD의 일종인 MLD(Molecular Layer Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition)를 사용한다. 각 사이클에 있어서, 웨이퍼(W)에 DCS를 공급하여 흡착층을 형성하고, 다음에 질소 원자를 포함하는 래디컬을 공급하여 흡착층을 질화함으로써 실리콘 질화막을 형성한다. 이에 의해, 효율적이고 또한 고품질의 상태로 실리콘 질화막을 형성할 수 있다.
웨이퍼(W) 상에 원하는 두께의 실리콘 질화막이 형성되면, 웨이퍼(W)를 언로드한다. 구체적으로는, 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급하여 반응관(2) 내의 압력을 상압으로 복귀시키는 동시에, 반응관(2) 내를 소정 온도로 유지한다. 그리고, 보트 엘리베이터(25)에 의해 덮개(18)를 하강시킴으로써, 웨이퍼(W)와 함께 웨이퍼 보트(6)가 반응관(2)으로부터 언로드된다.
<클리닝 처리>
이상과 같은 성막 처리를 복수회 행하면, 성막 처리에 의해 생성되는 실리콘 질화물이 반도체 웨이퍼(W)의 표면뿐만 아니라, 반응관(2) 내 및 가스 분산 노즐(9) 내 등에도 부생성물막으로서 퇴적(부착)한다. 이로 인해, 성막 처리를 소정 횟수 행한 후, 반응관(2) 내 및 가스 분산 노즐(9) 내 등에 부착된 실리콘 질화물을 주성분으로 하는 부생성물막을 제거하기 위한 클리닝 처리를 행한다.
우선, 히터(7)에 의해 반응관(2) 내를 소정의 로드 온도로 유지하고, 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급한다. 다음에, 앞의 처리에서 사용한 웨이퍼 보트(6)를, 웨이퍼(W)를 탑재하고 있지 않은 빈 상태에서 덮개(5) 상에 적재하 고, 보트 엘리베이터(128)에 의해 덮개(5)를 상승시켜, 웨이퍼 보트(6)를 반응관(2) 내에 로드하는 동시에, 반응관(2)을 밀폐한다.
다음에, 도4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급하는 동시에, 히터(7)에 의해 반응관(2) 내를 소정의 온도, 예를 들어 도4의 (a)에 나타낸 바와 같이 300 ℃로 설정한다. 또한, 반응관(2) 내의 가스를 배출하고, 반응관(2)을 소정의 압력, 예를 들어 도4의 (b)에게 나타낸 바와 같이 20000 ㎩(150 Torr)로 설정한다. 다음에, 클리닝 반응성 가스인 소정량의 불소 가스 및 불화수소 가스를 가스 노즐(10a, 10b)로부터 반응관(2) 내에 공급하는 동시에, 희석 가스인 소정량의 질소 가스를 다른 노즐(8, 9, 10c)로부터 반응관(2) 내에 공급한다(플로우 공정).
도5는 클리닝 처리의 플로우 공정에서 각 가스 노즐로부터 공급되는 가스의 종류 및 유량을 나타내는 도면이다. 즉, 플로우 공정에 있어서, 불소 가스는 가스 노즐(10a)로부터 1 slm 공급한다. 불화수소 가스는 가스 노즐(10b)로부터 1 slm 공급한다. 질소 가스는 가스 분산 노즐(8)로부터 0.5 slm, 가스 분산 노즐(9)로부터 0.5 slm, 가스 노즐(10c)로부터 4.5 slm, 합계 5.5 slm 공급한다. 이 플로우 공정시, 배기부(GE)에 의해 반응관(2) 내를 계속적으로 배기함으로써 상기한 압력을 유지한다.
클리닝 가스가 반응관(2) 내에 도입되면, 클리닝 가스가 가열되어 클리닝 가스 중의 불소가 활성화, 즉 반응성을 갖는 자유로운 원자를 다수 가진 상태가 된다. 이 활성화된 불소가 반응관(2) 내에 부착된 부생성물막에 접촉(반응)함으로 써, 부생성물막이 에칭된다.
또한, 각 노즐로부터 공급되는 가스의 반응관(2)에 있어서의 분압을 결정하는 원자가 되는 유량에 관하여, 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스의 유량이 다른 노즐(8, 10a, 10b, 10c)로부터의 가스의 유량에 비해 작게 되어 있으므로, 활성화된 불소가 가스 분산 노즐(9)의 관 내에 우선적으로 유입한다. 이 활성화된 불소가 가스 분산 노즐(9) 내에 부착된 부생성물막에 접촉(반응)함으로써, 부생성물막이 에칭된다. 단, 가스 분산 노즐(9)로부터 미량의 질소 가스가 공급되고 있음으로써, 활성화된 불소를 가스 분산 노즐(9)의 안쪽 깊이까지 도달시키지 않고, 부생성물막이 부착되기 쉬운 가스 분산 노즐(9)의 가스 분사 구멍의 근방에만 머무를 수 있다.
이와 같이, 반응관(2) 내에 부착된 부생성물막과 함께 가스 분산 노즐(9) 내에 부착된 부생성물막을 에칭 제거할 수 있으므로, 가스 분산 노즐(9)을 소정 주기마다 장치로부터 떼어내어 별개로 클리닝 처리를 행할 필요가 없다. 이로 인해, 성막 장치(1)의 다운 타임이 감소하여 효율적으로 성막 장치(1)를 사용하는 것이 가능해진다. 또한, 반응관(2) 내와 같은 단주기로 가스 분산 노즐(9) 내의 클리닝 처리를 확실하게 행할 수 있으므로, 결과적으로 파티클 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
이 플로우 공정(에칭 공정)에 있어서, 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스의 유량은 반응관(2) 내에 공급되는 가스의 전체 유량에 대해 1/15 내지 1/200으로 설정되는 것이 바람직하다. 가스 노즐(10a)로부터 불소 가스 및 가스 노즐(10b)로 부터 불화수소 가스를 공급하는 동시에, 다른 모든 노즐(8, 9, 10c)로부터 희석 가스로서 질소 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 여기서, 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스의 유량은 모든 노즐(8, 9, 10a, 10b, 10c)로부터 공급되는 가스의 유량의 각각보다도 크지 않은 것이 바람직하다. 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스의 유량은 가스 노즐(10a)로부터의 불소 가스 및 가스 노즐(10b)로부터의 불화수소 가스의 각각의 유량보다도 작은 것이 바람직하다.
환언하면, 플로우 공정(에칭 공정)에 있어서, 반응관(2) 내를 전체압 6650 내지 66500 ㎩(50 내지 500 Torr)로 설정하는 동시에, 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스는 상기 전체압에 대해 1/15 내지 1/200의 분압이 되도록 공급하는 것이 바람직하다. 여기서 가스 분산 노즐(9)로부터의 질소 가스의 분압은 모든 노즐(8, 9, 10a, 10b, 10c)로부터 공급되는 가스의 분압의 각각보다도 크지 않은 것이 바람직하다. 또한, 가스 노즐(10a)로부터 불소 가스 및 가스 노즐(10b)로부터 불화수소 가스의 각각은 상기 전체압에 대해 1/3 내지 1/15의 분압이 되도록 공급하는 것이 바람직하다.
이와 같은 조건을 만족함으로써, 활성화된 불소를 가스 분산 노즐(9)의 안쪽 깊숙이까지 도달시키지 않고, 부생성물막이 부착되기 쉬운 가스 분산 노즐(9)의 가스 분사 구멍의 근방에만 머무르면서, 가스 분산 노즐(9)의 클리닝 처리를 행할 수 있다.
반응관(2) 내에 클리닝 가스가 공급된 후 소정 시간이 경과하면, 가스 노즐(10a, 10b)로부터의 불소 및 불화수소 가스의 공급을 정지하는 동시에, 가스 노 즐(10c) 등으로부터의 질소 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 반응관(2) 내를 배기하는 동시에, 도4의 (c)에 나타내는 바와 같이 소정량의 질소 가스를 반응관(2) 내에 공급하고, 이에 의해 반응관(2) 내의 가스를 반응관(2) 밖으로 배출한다(퍼지 공정).
클리닝 처리가 종료되면, 가스 분산 노즐(9)로부터 반응관(2) 내에 소정량의 질소 가스를 공급하여, 반응관(2) 내의 압력을 상압으로 복귀시키는 동시에, 히터(7)에 의해 반응관(2) 내를 소정 온도로 유지한다. 그리고, 보트 엘리베이터(128)에 의해 덮개(5)를 하강시키고, 웨이퍼 보트(6)를 언로드하는 동시에 반응관(2)을 개방한다. 다음에, 새로운 로트의 반도체 웨이퍼(W)가 수용된 웨이퍼 보트(6)를 덮개(5) 상에 적재하여 전술한 바와 같은 형태로 다시 성막 처리를 행한다.
<실험>
도1 및 도2에 도시하는 성막 장치(1)를 사용하여 성막 처리 및 클리닝 처리를 실행하고, 반응관(2) 및 가스 분산 노즐(9) 내에 부착된 부생성물막의 제거 상태를 검사하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, 도4에 나타내는 성막 처리를 행하여 반도체 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막을 형성하고, 여기서 실리콘 질화물 등의 반응 생성물이 반응관(2) 내에 1 ㎛의 두께의 부생성물막으로서 퇴적하였다. 다음에, 도4에 나타내는 클리닝 처리를 행하여 반응관(2) 및 가스 분산 노즐(9) 내의 부생성물막의 제거를 행하였다. 클리닝 처리 후, 반응관(2)의 벽면의 표면 상태, 가스 노즐(10a, 10b)의 표면 상태 및 가스 분산 노즐(9)의 가스 분출구 근방의 내 면 상태를 마이크로스코프로 촬영한 사진에 의해 검사하였다. 이 결과, 반응관(2) 및 가스 분산 노즐(9)에 부착된 부생성물막이 충분히 제거된 것이 관찰되었다. 또한, 가스 노즐(10a, 10b)의 표면의 열화는 관찰되지 않았다. 이로 인해, 상기 실시 형태에 관한 방법은 반응관(2) 및 가스 분산 노즐(9) 내에 부착된 부생성물막을 확실하게 제거할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
<귀결 및 변경예>
이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태에 따르면, 반응관(2) 내에 부착된 부생성물막과 함께 가스 분산 노즐(9) 내에 부착된 부생성물막을 에칭 제거할 수 있으므로, 가스 분산 노즐(2)을 소정 주기마다 장치로부터 떼어내어 별개로 클리닝 처리를 행할 필요가 없다. 이로 인해, 성막 장치(1)의 다운 타임이 감소하여 효율적으로 성막 장치(1)를 사용하는 것이 가능해진다. 또한, 반응관(2) 내와 같은 단주기로 가스 분산 노즐(9) 내의 클리닝 처리를 확실하게 행할 수 있으므로, 결과적으로 파티클 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
상기 실시 형태에서는, 가스 분산 노즐(9)로부터 질소 가스의 유량을 모든 노즐(8, 9, 10a, 10b, 10c)의 각각으로부터 공급되는 가스의 유량 중에서 가장 작게 함으로써, 가스 분산 노즐(9) 중에 활성화된 불소를 유입시킨다. 그러나 가스 분산 노즐(2) 중에 활성화된 불소를 유입시킬 수 있으면, 다른 설정 조건을 사용하여 클리닝 처리를 행해도 좋다.
상기 실시 형태에서는, 에칭 공정에 있어서 가스 분산 노즐(9) 중에만 활성화된 불소를 유입시킨다. 그러나, 다른 노즐, 예를 들어 가스 분산 노즐(8)에 활 성화된 불소를 유입시켜도 좋다.
상기 실시 형태에서는, MLD 혹은 ALD법을 이용하여 실리콘 질화막을 형성하지만, 예를 들어 열CVD법을 이용하여 실리콘 질화막을 형성해도 좋다. 도6은 상기 실시 형태의 변형예에 관한 성막 장치(종형 CVD 장치)를 도시하는 단면도이다. 이 성막 장치에서는, 플라즈마 어시스트를 사용하지 않고, 또한 2개의 성막 가스(실란계 가스와 질화 가스)를 펄스 형상으로 교대가 아닌 동시에 공급함으로써, 통상의 CVD로 실리콘 질화막을 형성한다. 이와 같은 장치에 있어서도, 실란계 가스를 공급하는 가스 분산 노즐(9) 중에 활성화된 불소를 유입시키는 조건에서, 반응관(2) 내의 클리닝 처리를 행한다. 이에 의해, 도6에 도시하는 장치에 있어서도, 도1에 도시하는 장치와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 뱃치식의 횡형 성막 장치나 낱장식의 성막 장치에 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.
상기 실시 형태에서는, 플라즈마 생성부(11)를 구비하는 성막 장치(1)가 예시되지만, 본 발명은 예를 들어 촉매, UV, 열, 자력 등의 다른 매체를 이용하는 가스 여기부를 구비하는 성막 장치에도 적용 가능하다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 성막 장치(1)는 실리콘 질화막을 형성하도록 구성되지만, 본 발명은 실리콘 산화막, 실리콘 산질화막, 폴리실리콘막 등의 다른 박막을 형성하는 성막 장치에도 적용 가능하다.
상기 실시 형태에서는, 실리콘 질화물을 주성분(50 % 이상을 의미함)으로 하는 부생성물막을 에칭하는 클리닝 가스로서, 불소 가스와 불화수소 가스를 포함하는 가스가 예시된다. 그러나, 클리닝 가스는 성막 처리에 의해 부착된 부생성물막 을 제거 가능한 가스이면 다른 가스라도 좋고, 예를 들어 불소 가스와 수소 가스를 포함하는 가스를 사용할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, DCS 가스 등의 처리 가스 공급시에 희석 가스로서 질소 가스를 공급하는 경우가 예시된다. 이 점에 관하여, 처리 가스 공급시에 질소 가스를 공급하지 않아도 좋다. 단, 질소 가스를 희석 가스로서 포함시킴으로써 처리 시간의 설정 등이 용이해지므로, 희석 가스를 포함시키는 것이 바람직하다. 희석 가스로서는, 불활성 가스인 것이 바람직하고, 질소 가스의 이외에, 예를 들어 헬륨 가스(He), 네온 가스(Ne), 아르곤 가스(Ar), 크세논 가스(Xe)를 적용할 수 있다.
추가적인 이점 및 변경들은 당 업계의 숙련자들에게 용이하게 발생할 것이다. 따라서, 보다 넓은 관점에서의 본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 특정 설명 및 대표적인 실시예들에 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구항들 및 그와 균등한 것에 의해 정의된 바와 같은 일반적인 본 발명의 개념의 사상 또는 범주를 벗어나지 않는 한 다양한 변경들이 이루어질 수도 있다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 장치(종형 CVD 장치)를 도시하는 단면도.
도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도.
도3은 도1에 도시하는 장치의 제어부의 구성을 도시하는 도면.
도4는 본 발명의 실시 형태에 관한 성막 처리 및 클리닝 처리의 레시피를 나타내는 타이밍차트.
도5는 클리닝 처리의 플로우 공정에서 각 가스 노즐로부터 공급되는 가스의 종류 및 유량을 나타내는 도면.
도6은 상기 실시 형태의 변형예에 관한 성막 장치(종형 CVD 장치)를 도시하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 성막 장치
2 : 반응관(반응실)
4 : 배기관
5 : 덮개
6 : 웨이퍼 보트
8 : 가스 분산 노즐
11 : 플라즈마 생성부
12 : 전극
21 : 배기 공간
22 : 격벽

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 반응실 내에서 제1 노즐로부터 성막 반응성 가스를 공급하여 피처리 기판 상에 박막을 형성하기 위한 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법이며,
    상기 반응실 내 및 상기 제1 노즐 내에 퇴적된 부생성물막을 제거하기 위해 상기 반응실 내에 상기 피처리 기판을 수납하지 않은 상태에서,
    상기 반응실 내에 상기 부생성물막을 에칭하는 클리닝 반응성 가스를 공급하여 활성화하면서 상기 부생성물막을 에칭하는 에칭 공정과,
    상기 클리닝 반응성 가스의 공급을 정지하여 상기 반응실 내를 배기하는 배기 공정을, 이 순서로 행함으로써 클리닝 처리를 행하고,
    여기서 상기 에칭 공정은 상기 반응실 내에 공급한 상기 클리닝 반응성 가스가 상기 제1 노즐 중으로 유입하는 조건을 사용하고,
    상기 에칭 공정은 상기 반응실 내에 상기 클리닝 반응성 가스를 제1 유량으로 공급하는 동시에, 상기 제1 노즐로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 희석하는 희석 가스를 상기 제1 유량보다도 작은 제2 유량으로 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 유량은 상기 에칭 공정에 있어서 상기 반응실 내 에 공급되는 가스의 전체 유량에 대해 1/15 내지 1/200으로 설정되는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 클리닝 반응성 가스는 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스를 구비하고, 상기 에칭 공정은 상기 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스의 각각을 상기 제2 유량보다도 큰 유량으로 상기 반응실 내에 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 반응실 내에 수납한 상기 피처리 기판 상에 CVD에 의해 실리콘 질화막을 형성하는 성막 처리를 행하는 공정을 더 구비하고, 여기서 상기 반응실 내에 상기 제1 노즐로부터 상기 성막 반응성 가스를 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 노즐을 포함하는 상기 반응실 내에 연통하는 복수의 노즐을 구비하고, 상기 에칭 공정은 상기 복수의 노즐 중 적어도 하나로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 공급하고, 상기 적어도 하나의 노즐 이외의 모든 노즐로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 희석하는 희석 가스를 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 에칭 공정은 상기 제1 노즐 이외의 상기 복수의 노즐 중 하나로부터 상기 제2 유량보다도 충분히 큰 제3 유량으로 상기 희석 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 에칭 공정은 상기 반응실 내를 전체압 6650 내지 66500 ㎩(50 내지 500 Torr)로 설정하는 동시에, 상기 제1 노즐로부터 상기 희석 가스를 상기 전체압에 대해 1/15 내지 1/200의 제1 분압이 되도록 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 클리닝 반응성 가스는 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스를 구비하고, 상기 에칭 공정은 상기 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스의 각각을 상기 전체압에 대해 1/3 내지 1/15의 분압이 되도록 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 노즐을 포함하는 상기 반응실 내에 연통하는 복수의 노즐을 구비하고, 상기 제1 분압은 상기 에칭 공정에 있어서 상기 복수의 노즐로부터 공급되는 가스의 다른 분압의 각각보다도 크지 않은 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  11. 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법이며,
    상기 성막 장치는,
    복수의 피처리 기판을 상하에 간격을 마련하여 적층한 상태로 수납하도록 구성된 반응실과,
    상기 반응실 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
    상기 반응실 내를 배기하는 배기계와,
    상기 반응실 주위에 배치된 상기 피처리 기판을 가열하기 위한 히터와,
    상기 반응실에 실란계 가스를 포함하는 제1 성막 가스를 공급하는 제1 성막 가스 공급계와, 상기 제1 성막 가스 공급계는 상기 실란계 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍이 소정 간격을 두고 형성된 제1 가스 분산 노즐을 포함하는 것과,
    상기 반응실에 질화 가스를 포함하는 제2 성막 가스를 공급하는 제2 성막 가스 공급계와,
    상기 반응실의 외측에 설치되고, 상기 반응실 내의 처리 공간과 연통하는 플라즈마 생성 공간을 형성하는 플라즈마 생성부와, 상기 제2 성막 가스는 상기 플라즈마 생성 공간을 통해 상기 처리 공간에 공급되는 것과,
    상기 제1 및 제2 성막 가스의 반응에 의해 생성된 부생성물막을 에칭하는 클리닝 반응성 가스를 공급하는 클리닝 가스 공급계를 구비하고,
    상기 사용 방법은,
    상기 반응실 내에 수납한 상기 피처리 기판 상에 ALD(atomic layer deposition)에 의해 실리콘 질화막을 형성하는 성막 처리를 행하는 공정과, 여기서 상기 반응실 내에 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 실란계 가스를 공급하는 것과, 상기 반응실 내에 상기 플라즈마 생성부에서 여기하면서 상기 제2 성막 가스를 공급하는 것을 교대로 행하는 것과,
    다음에, 상기 반응실 내 및 상기 제1 가스 분산 노즐 내에 퇴적된 부생성물막을 제거하기 위해, 상기 반응실 내에 상기 피처리 기판을 수납하지 않은 상태로 클리닝 처리를 행하는 공정을 구비하고,
    상기 클리닝 처리는,
    상기 반응실 내에 상기 클리닝 반응성 가스를 제1 유량으로 공급하는 동시에, 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 희석하는 희석 가스를 상기 제1 유량보다도 작은 제2 유량으로 공급함으로써, 상기 클리닝 반응성 가스를 제1 가스 분산 노즐 중으로 유입시키면서 상기 부생성물막을 에칭하는 에칭 공정과,
    상기 클리닝 반응성 가스의 공급을 정지하여 상기 반응실 내를 배기하는 배기 공정을, 이 순서로 행하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 희석 가스는 불활성 가스인 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2 유량은 상기 에칭 공정에 있어서 상기 반응실 내에 공급되는 가스의 전체 유량에 대해 1/15 내지 1/200으로 설정되는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 클리닝 반응성 가스는 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스를 구비하고, 상기 에칭 공정은 상기 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스의 각각을 상기 제2 유량보다도 큰 유량으로 상기 반응실 내에 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스는 각각 불소 가스 및 불화수소 가스인 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 가스 분산 노즐을 포함하는 상기 반응실 내에 연통하는 복수의 노즐을 구비하고, 상기 에칭 공정은 상기 복수의 노즐 중 적어도 하나로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 공급하고, 상기 적어도 하나의 노즐 이외의 모든 노즐로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 희석하는 희석 가스를 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 에칭 공정은 상기 제1 가스 분산 노즐 이외의 상기 복수의 노즐 중 하나로부터 상기 제2 유량보다도 충분히 큰 제3 유량으로 상기 희석 가스를 상기 반응실 내에 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 에칭 공정은 상기 반응실 내를 전체압 6650 내지 66500 ㎩(50 내지 500 Torr)로 설정하는 동시에, 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 희석 가스를 상기 전체압에 대해 1/15 내지 1/200의 제1 분압이 되도록 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 클리닝 반응성 가스는 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스를 구비하고, 상기 에칭 공정은 상기 제1 및 제2 클리닝 반응성 가스의 각각을 상기 전체압에 대해 1/3 내지 1/15의 분압이 되도록 공급하는 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법.
  20. 반도체 처리용 성막 장치이며,
    복수의 피처리 기판을 상하에 간격을 마련하여 적층한 상태로 수납하도록 구성된 반응실과,
    상기 반응실 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
    상기 반응실 내를 배기하는 배기계와,
    상기 반응실 주위에 배치된 상기 피처리 기판을 가열하기 위한 히터와,
    상기 반응실에 실란계 가스를 포함하는 제1 성막 가스를 공급하는 제1 성막 가스 공급계와, 상기 제1 성막 가스 공급계는 상기 실란계 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍이 소정 간격을 두고 형성된 제1 가스 분산 노즐을 포함하는 것과,
    상기 반응실에 질화 가스를 포함하는 제2 성막 가스를 공급하는 제2 성막 가스 공급계와,
    상기 반응실의 외측에 설치되고, 상기 반응실 내의 처리 공간과 연통하는 플 라즈마 생성 공간을 형성하는 플라즈마 생성부와, 상기 제2 성막 가스는 상기 플라즈마 생성 공간을 통해 상기 처리 공간에 공급되는 것과,
    상기 제1 및 제2 성막 가스의 반응에 의해 생성된 부생성물막을 에칭하는 클리닝 반응성 가스를 공급하는 클리닝 가스 공급계와,
    상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 반응실 내에 수납한 상기 피처리 기판 상에 ALD(atomic layer deposition)에 의해 실리콘 질화막을 형성하는 성막 처리를 행하는 공정과, 여기서 상기 반응실 내에 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 실란계 가스를 공급하는 것과, 상기 반응실 내에 상기 플라즈마 생성부에서 여기하면서 상기 제2 성막 가스를 공급하는 것을 교대로 행하는 것과,
    다음에, 상기 반응실 내 및 상기 제1 가스 분산 노즐 내에 퇴적된 부생성물막을 제거하기 위해, 상기 반응실 내에 상기 피처리 기판을 수납하지 않은 상태로 클리닝 처리를 행하는 공정을 구비하는 방법을 실행하도록 미리 설정되고,
    상기 클리닝 처리는,
    상기 반응실 내에 상기 클리닝 반응성 가스를 제1 유량으로 공급하는 동시에, 상기 제1 가스 분산 노즐로부터 상기 클리닝 반응성 가스를 희석하는 희석 가스를 상기 제1 유량보다도 작은 제2 유량으로 공급함으로써, 상기 클리닝 반응성 가스를 상기 제1 가스 분산 노즐 중으로 유입시키면서 상기 부생성물막을 에칭하는 에칭 공정과,
    상기 클리닝 반응성 가스의 공급을 정지하여 상기 반응실 내를 배기하는 배기 공정을, 이 순서로 행하는 반도체 처리용 성막 장치.
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