KR101149383B1 - 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

실리콘 질화막의 막질의 향상을 도모할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치를 제공한다. 기판이 가열된 상태에서 수용된 처리실 안에 실리콘 함유 가스를 공급하는 실리콘 함유 가스 공급 공정과, 처리실 안에 질소 함유 가스를 공급하는 암모니아 공급 공정을 교호적으로 반복하여 실시하는 것으로 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 성막 공정을 포함하고, 상기 암모니아 공급 공정 중에, 상기 처리실의 배기 정지 상태와 배기 작동 상태와의 사이의 절환을 적어도 1회 이상 실시하여, 상기 처리실의 압력을 변동시키도록 한 반도체 장치의 제조 방법이다.

Description

반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치{METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 ALD법을 이용해서 실리콘 질화막을 성막(成膜)하는 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 ALD(Atomic Layer Deposition)법을 이용해서 기판 상에 소정의 박막을 퇴적하는 성막 공정이 있다. CVD법은, 가스 상태 원료의 기상(氣相) 반응 및 표면 반응을 이용하여, 원료 분자에 포함되는 원소를 구성 요소로 하는 박막을 기판 상에 퇴적하는 방법이다. CVD법 중에서, 박막 퇴적이 원자층 레벨로 제어되고 있는 것은 ALD법 또는 반복적(cyclic) CVD법이라고 불리고 있다. ALD법에서는, 2종류 이상의 원료를 교호적(交互的)으로 기판에 공급하는 방법이 이용되고, 그 반복 횟수(사이클수)에 의해서 막 두께가 제어되는 것이 큰 특징이다.
종래, 기판(웨이퍼)을 연직(鉛直) 방향으로 다단으로 배치한 종형(縱型)의 반도체 제조 장치(기판 처리 장치)를 이용하고, SiH2Cl2(디클로로실란, DCS)과 NH3(암모니아)을 사용하여, ALD법 또는 반복적 CVD법에 의해서 비정질 상태의 실리콘 질화막을 형성하고 있다(예컨대, 특허문헌 1참조).
기판 상으로의 실리콘 질화막의 형성은, 예컨대, DCS 공급 처리, N2 퍼지 처리, NH3 공급 처리 및 N2 퍼지 처리로 구성되어, 이들 처리를 반복(이하, 사이클 처리라고 함)하는 것에 의해서, 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 질화막이 퇴적 형성된다.
1. 일본 특허 공개 공보 특개 2003-218106호
그러나, 상기 사이클 처리를 반복하는 것에 의해서 기판 상에 형성된 실리콘 질화막에는, 다음과 같은 문제가 발생하기 쉽다.
제1 문제는, 질화 부족에 의한 실리콘 질화막의 절연성이 불량한 것이다.
제2 문제는, 실리콘 질화막 중으로의 부생성물(Byproduct)의 혼입(混入)에 의한 절연성이 불량한 것 또는 파티클(Particle)이 발생하는 것이다.
이러한 종래의 막질(膜質) 상의 문제는, NH3 공급 처리시의 질화 부족 등에 의해서 야기되는 것이지만, 사이클 처리의 시간을 짧게 하거나, 기판 온도를 낮추거나, 기판에 형성되는 실리콘 질화막 등의 패턴이 미세화되거나, 한번에 처리하는 기판 매수(枚數)를 늘리거나 하면, 보다 현저하게 나타난다.
또한 종래, 상기 문제를 개선하기 위해서, NH3 공급 처리 시에, 처리실(반응 실) 안을 일정 압력으로 제어하면서, NH3 유량의 증가와 NH3 처리 시간의 연장에 의해서 질화력(窒化力)을 강화하고자 하는 방법이 있었다. 이러한 종래 방법에서는, 기판 상의 가스 유속(가스 유량)은 좋아지나, 화학 반응이나 흡착 반응은 기판 상에 공급한 원료의 체류 시간의 길이나 농도 또는 압력에 의해서 규정[율칙(律則)]되기 때문에, 이러한 종래 방법에 의한 개선 효과가 작고, 가스 이용 효율이 대폭 나빠지고, 생산성의 향상도 거의 기대할 수 없다.
본 발명은, 실리콘 질화막의 막질의 향상을 도모할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 형태에 의하면, 기판이 가열된 상태에서 수용된 처리실 안에 실리콘 함유 가스를 공급하는 실리콘 함유 가스 공급 공정과, 상기 처리실 안에 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급 공정을 교호적으로 반복하여 실시하는 것으로 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 성막 공정을 포함하고, 상기 질소 함유 가스 공급 공정 중에, 상기 처리실 안의 배기 정지 상태와 배기 작동 상태와의 사이의 절환을 적어도 1회 이상 실시하고, 상기 처리실 안의 최대 압력이 최저 압력의 20배 이상의 압력이 되도록 상기 처리실 안의 압력을 변동시키는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 기판을 처리하는 처리실과, 상기 처리실 안에 실리콘 함유 가스를 공급하는 제1 가스 공급 수단과, 상기 처리실 안에 질소 함유 가스를 공급하는 제2 가스 공급 수단과, 상기 처리실 안의 기판을 가열하는 히터와, 상기 처리실 안의 가스를 배기하는 배기 수단과, 상기 배기 수단, 상기 제1 가스 공급 수단, 상기 제2 가스 공급 수단 및 상기 히터를 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 처리실 안으로의 실리콘 함유 가스의 공급과, 상기 처리실 안으로의 질소 함유 가스의 공급을 교호적으로 반복하여 제어해서 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 동시에, 상기 질소 함유 가스의 공급 중에 상기 처리실 안의 배기 정지와 배기 작동과의 절환을 적어도 1회 이상 실시하고, 상기 처리실 안의 최대 압력이 최저 압력의 20배 이상의 압력이 되도록 상기 처리실 안의 압력을 변동시키는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 기판 상의 실리콘 질화막의 막질을 향상할 수 있다.
도 1은 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치의 개략 구성도다.
도 2는 도 1에 도시되는 처리로의 A-A단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예, 비교예 및 종래예(從來例)의 실리콘 질화막의 성막 공정에 있어서, 처리실 안의 1사이클 중에 있어서의 압력의 추이를 도시하는 그래프이다.
도 4는 NH3 공급 공정 중에 압력을 변동시키는 것으로 퇴적 속도가 증대되는 형태를 예시하는 그래프 도면으로서, 도 4의 (a)는 횡축(橫軸)의 온도 단위를 섭씨(℃)로 한 경우, 도 4의 (b)는 횡축의 온도 단위를 화씨의 역수(K-1)로 한 경우를 각각 도시하고 있다.
도 5는 실리콘 질화막의 막 두께의 면내(面內) 균일성을 예시하는 그래프 도면으로서, 도 5의 (a)는 횡축의 온도 단위를 섭씨(℃)로 한 경우, 도 5의 (b)는 횡축의 온도 단위를 화씨의 역수(K-1)로 한 경우를 각각 도시하고 있다.
도 6은 실리콘 질화막의 굴절율을 예시하는 그래프 도면으로서, 도 6의 (a)는 횡축의 온도 단위를 섭씨(℃)로 한 경우, 도 6의 (b)는 횡축의 온도 단위를 화씨의 역수(K-1)로 한 경우를 각각 도시하고 있다.
도 7은 배기계에 각종 가스가 배기되는 형태를 도시하는 모식도로서, 도 7의 (a)는 비교예를, 도 7의 (b)는 실시예를 각각 도시하고 있다.
도 8은 처리실 안에 공급되는 NH3 가스의 유량 증가에 따른 기판 온도의 면내도(面內度) 균일성이 저하하는 형태를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치의 일 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.
[1] 기판 처리 장치의 구성
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 종형 처리로(반응로, 202)를 이용한 기판 처리 장치(반도체 제조 장치)의 개략 구성도로서, 처리로(202) 부분을 종단면으로 도시하고 있다. 또한 도 2는, 도 1에 도시되는 처리로(202) 부분의 A-A단면도다. 또한, 본 발명은, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에 한정되지 않고, 매엽식(枚葉式), 콜드월(Cold Wall) 형의 처리로를 포함하는 기판 처리 장치에도 적용가능하다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 처리로(202)는 가열 수단으로서의 히터(207)를 포함한다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보지판(保持板)으로서의 히터 베이스(도시되지 않음) 상에 수직으로 설치되어 있다. 히터(207)의 내측(內側)에는, 히터(207)와 동심원 형상으로 반응관(203)이 배설(配設)되어 있다. 반응관(203)은, 예컨대 석영(SiO2) 또는 탄화 실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 이루어지고, 상단이 닫히고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성되어 있다. 반응관(203) 내부에는 처리실(반응실, 201)이 형성되어 있다. 처리실(201) 안에는, 기판으로서의 웨이퍼(200)가, 수평 자세인 동시에 수직 방향으로 다단으로 정렬한 상태로 보트(217)에 수용되도록 구성되어 있다.
반응관(203)의 하방(下方)에는, 반응관(203)의 하단 개구를 기밀하게 폐색(閉塞)가능한 노구(爐口) 덮개로서의 씰 캡(219)이 설치되어 있다. 씰 캡(219)은, 반응관(203)의 하단에 수직 방향 하측으로부터 당접(當接)된다. 씰 캡(219)은, 예컨대 스텐레스 등의 금속으로 이루어지고, 원반 형상으로 형성되어 있다. 씰 캡(219)의 상면(上面)에는, 반응관(203)의 하단과 당접하는 씰 부재로서 O링(220)이 설치되어 있다. 씰 캡(219)의 하방에는, 기판 보지구(保持具)로서의 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치되어 있다. 회전 기구(Rotation Unit, 267)의 회전축(도시되지 않음)이 씰 캡(219)을 관통하여 설치되어 있고, 보트(217)를 회전시키는 것으로 웨이퍼(200)가 회전하도록 구성되어 있다. 또한 회전 기구(267)의 회전축에 성막 가스가 들어가지 않도록, 회전 기구(267)에는, 회전축에 N2 가스를 흘려보내는 R-Unit노즐(도시되지 않음)이 설치되어 있다. 씰 캡(219)은, 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(도시되지 않음)에 의해서 수직 방향에 승강하도록 구성되어 있다. 씰 캡(219)을 승강시키는 것으로, 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출할 수 있도록 구성되어 있다.
기판 보지구로서의 보트(217)는, 예컨대 석영이나 탄화 규소 등의 내열성 재료로 이루어지고, 복수 매의 웨이퍼(200)를 수평 자세인 동시에 상하로 소정 간격을 두고 다단으로 보지할 수 있도록 되어 있다. 보트(217)의 하부에는, 예컨대 석영이나 탄화규소 등의 내열성 재료로 이루어지는 단열 부재(218)가 설치되어 있고, 히터(207)로부터의 열이 씰 캡(219) 측으로 전해지기 어렵게 구성되어 있다. 반응관(203) 안에는, 온도 검출기로서 열전대(熱電對) 등의 온도 센서(263)가 설치되어 있다. 온도 센서(263)에 의해서 검출된 온도에 기초하여 히터(207)로의 통전(通電)이 조정되어, 처리실(201) 안의 온도가 소망하는 온도 분포가 되도록 구성되어 있다. 온도 센서(263)는, 반응관(203)의 내벽을 따라 설치되어 있다.
반응관(203)의 하부에는, 원료 가스로서의 실리콘 함유 가스인 DCS(디클로로실란)를 포함하는 가스를 처리실(201) 안에 도입하는 제1 노즐(233a)과, 반응 가스로서의 질소 함유 가스(질화제)인 암모니아(NH3)를 포함하는 가스를 처리실(201) 안에 도입하는 제2 노즐(233b)이, 반응관(203)의 측벽을 관통하도록 설치되어 있다. 반응관(203) 안의 제1 노즐(233a), 제2 노즐(233b)은, 반응관(203)의 하부에서부터 상부로, 반응관(203)의 내벽을 따라 각각 설치되어 있다. 보트(217) 측방(側方)에 위치하는 제1 노즐(233a), 제2 노즐(233b)의 측면에는, 가스를 공급하는 공급공(供給孔)인 제1 가스 공급공(234a), 제2 가스 공급공(234b)이 각각 설치되어 있다. 제1 가스 공급공(234a), 제2 가스 공급공(234b)은, 적절한 개구 면적, 개구 피치로 하부에서 상부에 걸쳐 각각 형성되어 있다. 제1 노즐(233a)의 상류단(上流端)에는, DCS를 포함하는 가스를 공급하는 제1 가스 공급관(248a)의 하류단(下流端)이 접속되어 있다. 제2 노즐(233b)의 상류단에는, 암모니아를 포함하는 가스를 공급하는 제2 가스 공급관(248b)의 하류단이 접속되어 있다.
제1 가스 공급관(248a)에는, 상류측부터 순서대로, 유량 제어 수단인 매스 플로우 컨트롤러(241a)와, 개폐 밸브(V1)와, 처리실(201) 안에 공급하는 DCS를 일시적으로 축적하는 버퍼 탱크(250)와, 개폐 밸브(V2)가 설치되어 있다. 또한, 제1 가스 공급관(248a)의 개폐 밸브(V2)보다도 하류측에는, 불활성 가스로서의 질소 가스(N2)를 공급하는 제1 질소 가스 공급관(245a)의 하류단이 접속되어 있다. 제1 질소 가스 공급관(245a)에는, 상류측부터 순서대로, 유량 제어 수단인 매스 플로우 컨트롤러(241c)와, 개폐 밸브(V3)가 설치되어 있다.
또한 제2 가스 공급관(248b)에는, 상류측부터 순서대로, 유량 제어 수단인 매스 플로우 컨트롤러(241b)와, 개폐 밸브(V5)가 설치되어 있다. 제2 가스 공급관(248b)의 개폐 밸브(V5)보다도 하류측에는, 불활성 가스로서의 질소 가스(N2)를 공급하는 제2 질소 가스 공급관(245b)의 하류단이 접속되어 있다. 제2 질소 가스 공급관(245b)에는, 상류측부터 순서대로, 유량 제어 수단인 매스 플로우 컨트롤러(241d)와, 개폐 밸브(V4)가 설치되어 있다.
반응관(203)의 하부 측벽에는, 처리실(201) 안의 가스를 배기하는 배기관(231)이 접속되어 있다. 배기관(231)에는, 상류측부터, 압력 검출기로서의 압력 센서(261)와, 배기 밸브(243)와, 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 설치되어 있다. 배기 밸브(243)는, 배기관(231)의 관로(管路)를 단순히 개폐하는 개폐 밸브여도 좋지만, 본 실시 형태에서는, 배기 밸브(243)에 APC(Auto Pressure Controller) 밸브가 이용되고 있다. APC 밸브는, 밸브를 개폐해서 처리실(201) 안의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 할 수 있는 동시에, 밸브 개도(開度)를 조절하여 처리실(201) 안의 압력 조정이 가능하도록 구성되어 있는 밸브이다. 즉, 진공 펌프(246)를 작동시키면서, 압력 센서(261)에 의해서 검출된 압력에 기초하여 배기 밸브(243)의 밸브 개도를 조절하는 것에 의해서, 처리실(201) 안의 압력을 대기압보다도 낮은 일정한 압력으로 제어할 수도 있다.
제어 수단인 컨트롤러(280)는, 매스 플로우 컨트롤러(241a～241d), 개폐 밸브(V1～V5), 압력 센서(261), 배기 밸브(243), 히터(207), 온도 센서(263), 진공 펌프(246), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터 등에 접속되어 있다. 컨트롤러(280)에 의해서, 매스 플로우 컨트롤러(241a～241d)의 유량 조정, 개폐 밸브(V1～V5)의 개폐 동작, 배기 밸브(243)의 개폐 및 압력 센서(261)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 회전 기구(267)의 회전 속도 조절, 보트 엘리베이터의 승강 동작 등의 제어가 수행된다.
[2] 실리콘 질화막의 성막 방법
다음으로, 본 발명의 일 실시 형태로서, 상기 도 1에 도시되는 기판 처리 장치를 이용하여, 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 웨이퍼(200) 상에 실리콘 질화막을 성막하는 방법을 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(280)에 의해서 제어된다.
(준비 공정)
복수 매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 재치된 후, 도 1에 도시되는 바와 같이, 보트(217)가 보트 엘리베이터에 의해서 들어 올려 져서 반응관(203) 안에 반입된다. 씰 캡(219)이, 그 상면의 O링(220)에 의해서 반응관(203)의 하단면(下端面)을 씰링하고, 처리실(201) 안은 기밀하게 밀폐된다. 처리실(201) 안은, 진공 펌프(246)에 의해서 진공 배기된다. 또한 처리실(201) 안은, 소망하는 온도가 되도록 온도 센서(263)의 검출 온도에 기초하여 히터(207)로의 통전이 제어된다. 이어서, 회전 기구(267)에 의해서 보트(217)를 회전 구동하는 것으로 웨이퍼(200)의 회전이 개시된다. 그 후, 다음으로 서술하는 실리콘 질화막의 성막이 수행된다.
(실리콘 질화막의 성막 공정)
본 실시 형태에서는, 실리콘 질화막을 형성하는 성막 공정은, 다음 4개의 공정을 반복하여 실시하는 사이클 처리에 의해서 이루어진다.
(1) DCS 공급 공정: 처리실(201) 안으로의 DCS를 포함하는 가스의 공급
(2) N2 퍼지 공정: 처리실(201) 안으로의 질소 가스를 공급하면서, 처리실(201) 안을 배기
(3) NH3 공급 공정: 처리실(201) 안으로의 암모니아를 포함하는 가스의 공급
(4) N2 퍼지 공정: 처리실(201) 안으로 질소 가스를 공급하면서, 처리실(201) 안을 배기
또한, 이 성막 공정의 사이클 처리의 설명에 대해서는, 후술하는 실시예의 도 3을 적절히 참조해서 설명한다. 도 3은 처리실 안의 1사이클 중에 있어서의 압력의 추이를 나타내는 것으로, t1시(시기)는 (1) DCS 공급 공정에, t2시(시기)는 (2) N2 퍼지 공정에, t3시(시기)는 (3) NH3 공급 공정에, t4시(시기)는 (4) N2 퍼지 공정에 각각 상당한다.
(1) DCS 공급 공정
제1 가스 공급관(248a)의 개폐 밸브(V2)를 열어서, 버퍼 탱크(250) 안에 미리 축적되어 있던 DCS가스를 처리실(201) 안에 일시에 도입한다. DCS가스는, 제1 가스 공급관(248a)으로부터 제1 노즐(233a)에 도입되고, 제1 노즐(233a)의 제1 가스 공급공(234a)으로부터 처리실(201) 안으로 공급된다. 또한 제2 질소 가스 공급관(245b)의 개폐 밸브(V4)를 열어서, 매스 플로우 컨트롤러(241d)에 의해서 유량 조정된 N2가스를, 제2 질소 가스 공급관(245b)으로부터 제2 가스 공급관(248b)으로 흘려보내고, 제2 노즐(233b)의 제2 가스 공급공(234b)으로부터 처리실(201) 안으로 공급한다.
이 DCS 공급 공정 중, 배기 밸브(243)는 닫힌 상태이고, 도입된 DCS가스 및 N2가스에 의해, 처리실(201) 안의 압력은 급속히 상승한다(도 3의 t1시를 참조). 처리실(201) 안에 도입된 DCS가스는, 처리실(201) 안에 균등하게 확산해서 흐르고, 보트(217) 위로 재치(載置)된 각 웨이퍼(200)에 도달하여, 각 웨이퍼(200) 상에 비정질(amorphous) SiHCl의 형성 또는 DCS의 흡착이 일어난다. 이 DCS 공급 공정에 있어서, 히터(207)의 온도는, 웨이퍼(200)의 온도가 550～700℃의 범위로서, 예컨대 630℃가 되도록 설정한다. 또한 DCS가스의 공급량은 1사이클당 예컨대 60cc～300cc, DCS 공급 공정의 시간은 예컨대 2～6초의 범위가 바람직하다. 또한 성막 공정 중, 처리실(201) 안의 압력은 예컨대 20Pa～1,330Pa의 범위로 하는 것이 바람직하다.
(2) N2 퍼지 공정
제1 가스 공급관(248a)의 개폐 밸브(V2)를 닫고, DCS의 공급을 정지한다. 또한, 제2 질소 가스 공급관(245b)의 개폐 밸브(V4)는 연 상태로 제2 가스 공급관(248b)을 통해서 N2가스를 처리실(201) 안에 공급하는 동시에, 제1 질소 가스 공급관(245a)의 개폐 밸브(V3)를 열고, 매스 플로우 컨트롤러(241c)에 의해서 유량 조정된 N2가스를, 제1 질소 가스 공급관(245a), 제1 가스 공급관(248a) 및 제1 노즐(233a)을 통해서 처리실(201) 안에 공급한다. 또한, N2퍼지 공정 중, 배기관(231)의 배기 밸브(243)를 연 상태로 하고, 진공 펌프(246)에 의해서 처리실(201) 안을 저압 (예컨대, 30Pa정도 이하)이 될 때 까지 배기한다(도 3의 t2시를 참조). 이 처리실(201) 안의 진공 배기와 처리실(201) 안으로의 N2가스의 공급에 의해, 잔류한 DCS를 처리실(201) 안 및 배관계[제1 가스 공급관(248a) 안, 제1 노즐(233a) 안 등]로부터 제거한다. 이 N2퍼지 공정의 시간은 예컨대 3초～9초의 범위가 바람직하다.
(3)NH3 공급 공정
본 실시 형태의 NH3 공급 공정에서는, 상술(上述)한 종래 기술과 같이, 처리실(201) 안의 압력을 일정 압력(예컨대 60～70Pa정도)으로 제어하는 것이 아니라, 처리실(201) 안의 압력(NH3가스의 압력)을 크게 변동시키도록 한 것을 특징으로 한다.
구체적으로는, NH3 공급 공정 중에, 처리실(201) 안의 배기 정지 상태와 배기 작동 상태와의 사이의 절환을 적어도 1회 이상 실시하고, 처리실(201) 안의 압력을 크게 변동시키도록 한다(압력 변동 범위를 예컨대 10Pa～1,330Pa로 해서 배기 정지 상태시의 비교적 높은 감압 상태와, 배기 작동 상태시의 비교적 낮은 감압 상태의 압력 차이를 크게 한다). 또는, NH3 공급 공정 중에, 예컨대 100Pa이하에서 950Pa이상으로 처리실(201) 안의 압력을 상승시키는 승압 처리와, 이 승압 처리 후, 다시 예컨대 100Pa이하로 처리실(201) 안의 압력을 하강시키는 강압(降壓) 처리를 각각 적어도 1회 이상 반복하는 압력 승강 처리를 실시하도록 한다. 또한, NH3 공급 공정에 있어서는, 처리실(201) 안의 최대 압력이, 처리실(201) 안의 최저 압력의 20배 이상의 압력이며 예컨대 20배가 되도록, 처리실(201) 안의 압력을 변동시킨다. 이 배율은 높을수록, 또는 압력 승강 처리의 횟수가 많을수록, NH3 공급 공정시의 질화부족에 의한 상술한 바와 같은 문제를 야기하기 어렵다고 생각된다. 하한 상한의 압력을 제약하는 요인은, 주로 펌프의 성능이나 배기 배관의 컨덕턴스에 의해서 결정된다. 즉, 상한 압력이 지나치게 높은 경우나, 하한 압력이 지나치게 낮은 경우, 어느 쪽의 경우든 모두, 다음 강압 처리에 시간을 요하게 되어 생산성을 악화시킬 수 있다. 처리실(201) 안의 압력은 예컨대 10Pa～1,330Pa정도가 바람직하다.
다음으로, NH3 공급 공정을, 상기의 승압 처리와 강압 처리를 각각 적어도 1회 이상 반복하는 압력 승강 처리에 따라 설명한다.
<승압 처리>
제2 가스 공급관(248b)의 개폐 밸브(V5)를 열고, 매스 플로우 컨트롤러(241b)에 의해서 유량 조정된 NH3 가스를, 제2 가스 공급관(248b), 제2 노즐(233b)을 통해서 처리실(201) 안에 공급한다. NH3 공급 공정 중에는(다음의 강압 처리에 있어서도), 개폐 밸브(V5)는 열려 있는 상태이며, NH3 가스가 처리실(201) 안에 공급된다. 또한, 제2 질소 가스 공급관(245b)의 개폐 밸브(V4)를 닫고, 제2 가스 공급관(248b), 제2 노즐(233b)을 통한 N2가스 공급을 정지하고, 한편, 제1 질소 가스 공급관(245a)의 개폐 밸브(V3)는 연 상태로 하여, 제1 가스 공급관(248a), 제1 노즐(233a)을 통해서 N2가스를 처리실(201) 안에 공급한다. 또한, NH3 공급 공정의 승압 처리 중에는, 배기관(231)의 배기 밸브(243)를 닫은 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의한 처리실(201) 안의 진공 배기를 정지한다. 따라서, 이 승압 처리에서는, NH3 가스 및 N2가스는, 이전의 N2퍼지 공정의 진공 배기에 의해서 저압이 된 처리실(201) 안에 유입하여 충만하고, 처리실(201) 안의 압력은 급속히 상승한다[도 3의 실시예에 있어서의 t3시기의 승압 시(6～11초)를 참조]. 처리실(201) 안의 압력은, 예컨대 950Pa이상 1,330Pa이하로 하는 것이 바람직하다.
처리실(201) 안에 유입한 NH3 가스는, 처리실(201) 안에 확산하고, 보트(217) 상에 재치된 각 웨이퍼(200)에 균등하게 공급된다. 이 NH3 가스의 공급에 의해, 이전의 DCS 공급 공정에서 웨이퍼(200) 상에 형성된 비정질 SiHCl, 또는 웨이퍼(200) 상에 흡착한 DCS가 질화되어, 비정질 실리콘 질화막(Si3N4막, SiN막 등)이 형성된다. 예컨대, 웨이퍼(200) 상에 형성된 비정질 SiHCl에 대해서는, 다음의 화학 반응에 의해서 Si3N4막이 생성된다.
3SiHCl + 4NH3 → Si3N4 + 3HCl + 6H2
또한 처리실(201) 안에서는, 실리콘 질화막의 생성뿐만 아니라, 부생성물 (Byproduct)도 생성된다. 예컨대, 다음 화학 반응에 의해서 NH4Cl이 생성된다.
HCl + NH3 → NH4Cl
이 NH3 공급 공정 중(승압 처리, 강압 처리 모두)에 있어서, 히터(207)의 온도는, 웨이퍼(200)의 온도가 550～700℃의 범위로서, 예컨대 630℃가 되도록 설정한다. 또한 NH3 가스의 공급량은, 예컨대 2slm～10slm의 범위가 바람직하다.
또한, NH3 공급 공정 중은, 제1 가스 공급관(248a)의 개폐 밸브(V1)를 열고, 개폐 밸브(V2)를 닫아서, 다음 DCS 공급 공정의 준비를 위해, 미리 버퍼 탱크(250) 안에 DCS가스를 저류(貯留)한다.
<강압 처리>
처리실(201) 안의 압력을 하강시키는 강압 처리에서는, 배기관(231)의 배기 밸브(243)를 열고, 진공 펌프(246)에 의한 처리실(201) 안의 진공 배기를 작동한다. 그 외의 성막 조건은, 상기 승압 처리시와 같다.
이 강압 처리 중의 진공 배기에 의해, 처리실(201) 안의 압력은 급속히 저하한다[도 3의 실시예에 있어서의 t3시기의 강압 시(11～13초)를 참조]. 처리실(201) 안의 압력은, 100Pa이하로서, 예컨대 10Pa이상 30Pa이하로 하는 것이 바람직하다.
처리실(201) 안의 진공 배기에 의해서, 화학 반응으로 발생한 NH4Cl 등의 부생성물이, 처리실(201) 안으로부터 효율적으로 배기 제거된다. 또한 강압 처리 중에도, 웨이퍼(200) 상의 실리콘 질화막의 생성이 수행된다.
이상의 승압 처리와 강압 처리를 반복하여 압력 승강 처리를 실시한다. 압력승강 처리는, 승압 처리와 강압 처리를 각각 적어도 1회 이상 수행하나, 1회째의 승압 처리와 강압 처리 후에는, 승압 처리와 강압 처리를 몇 회 반복하여 수행하여도 좋다(도 3의 실시예의 경우, 1회째의 승압 처리와 강압 처리의 후에, 예컨대 2회째의 승압 처리를 수행하고 있다). 압력 승강 처리의 시간은, 예컨대 4초～30초의 범위가 바람직하다.
또한 승압 처리에서 처리실(201) 안의 압력이 상승해서 비교적 높은 감압 상태가 된 후에, 배기 밸브(243)의 개도(開度)를 조절해서 처리실(201) 안의 압력을 비교적 높은 감압 상태의 일정 압력으로 제어하는 정압(定壓) 처리를 실시하여도, 또는 강압 처리로 처리실(201) 안의 압력이 강하하여 비교적으로 낮은 감압 상태가 된 후에, 배기 밸브(243)의 개도를 조절해서 처리실(201) 안의 압력을 비교적으로 낮은 감압 상태의 일정 압력으로 제어하는 정압 처리를 실시하도록 하여도 좋다.
(4) N2 퍼지 공정
제2 가스 공급관(248b)의 개폐 밸브(V5)를 닫고, NH3 가스의 공급을 정지한다. 또한 제2 질소 가스 공급관(245b)의 개폐 밸브(V4)를 열고, 제2 가스 공급관(248b) 및 제2노즐(233b)을 통해서 N2가스를 처리실(201) 안에 공급하는 동시에, 제1 질소 가스 공급관(245a)의 개폐 밸브(V3)는 연 상태로 하여 제1 가스 공급관(248a) 및 제1노즐(233a)을 통해서 N2가스를 처리실(201) 안에 공급한다. 또한, N2퍼지 공정 중, 배기관(231)의 배기 밸브(243)를 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해서 처리실(201) 안을 저압(예컨대, 30Pa정도 이하)이 될 때까지 배기한다(도 3의 t4시를 참조). 이 처리실(201) 안의 진공 배기와 처리실(201) 안으로의 N2가스의 공급에 의해서, 잔류한 NH3 가스를 처리실(201) 안 및 배관계[제2 가스 공급관(248b)내, 제2 노즐(233b) 안 등]로부터 제거한다. 이 N2퍼지 공정의 시간은 예컨대 3초～9초의 범위가 바람직하다.
상술한 (1) DCS 공급 공정, (2) N2 퍼지 공정, (3) NH3 공급 공정, (4) N2 퍼지 공정의 4공정을 1사이클로 하는 ALD법에 의한 성막 처리에 의해, 웨이퍼(200) 상에 1원자층에서부터 복수 원자층의 실리콘 질화막이 형성된다. 이 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해, 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께(膜厚)의 실리콘 질화막이 성막된다.
(종료 공정)
소정 막 두께의 실리콘 질화막을 성막한 후, N2가스를 처리실(201) 안에 공급하면서 처리실(201) 안의 배기를 수행하는 것으로 처리실(201) 안을 가스 퍼지한 후, 처리실(201) 안을 N2가스로 치환하여, 처리실(201) 안의 압력을 상압(常壓)으로 되돌린다.
그 후, 보트 엘리베이터에 의해서 씰 캡(219)을 하강하고, 반응관(203)의 하단을 개구하고, 성막 처리한 웨이퍼(200)를 보지(保持)한 보트(217)를 반응관(203)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부로 반출한다. 그 후, 성막 처리한 웨이퍼(200)를 보트(217)에서 꺼낸다.
[3] 본 실시 형태에 따른 효과
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 1개 또는 복수의 효과를 갖는다.
(a) 본 실시 형태에서는, NH3 공급 공정 중에, 배기관(231)의 배기 밸브(243)의 개폐 절환(切煥)에 의해서 처리실(201) 안의 배기 정지 상태와 배기 작동 상태와의 사이의 절환 동작을 적어도 1회 이상 실시하고, 처리실(201) 안의 압력을 변동시키도록 하고 있다. 그 때, 처리실(201) 안의 최대 압력이 최저 압력의 예컨대 20배가 되도록, 처리실(201) 안의 압력을 변동시킨다. 그 결과, 웨이퍼(200) 상으로의 실리콘 질화막의 퇴적 속도(성막 속도)를, 넓은 온도 범위에서 증대시킬 수 있다. 즉, NH3 공급 공정 중, 종래와 같이 처리실(201) 안의 압력을 일정 압력 (예컨대, 60～70Pa정도)으로 제어하는 것이 아니고, NH3 공급 공정 중에 배기 정지 기간을 설정하고, 처리실(201) 안의 NH3 가스의 압력(농도)을 높은 상태, 예컨대 100Pa를 넘는 상태로 함으로써, 넓은 온도 범위에서 화학 반응을 촉진시키고, 실리콘 질화막의 퇴적 속도를 향상시켜서, 생산성의 향상을 도모할 수 있다(후술하는 실시예 1, 2를 참조).
(b) 본 실시 형태에서는, NH3 공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 크게 변동시킴에 따라, 웨이퍼(200) 사이 및 웨이퍼(200) 면 내에 있어서의 실리콘 질화막의 막 두께 균일성을 넓은 온도 범위에서 향상시킬 수 있다. 즉, NH3 공급 공정 중에 배기 정지 기간을 설정하고, 처리실(201) 안의 NH3 가스의 압력(농도)을 높은 상태, 예컨대 100Pa를 넘는 상태로 함으로써, 적층된 웨이퍼(200) 사이로의 NH3 의 공급을 촉진시키고, 웨이퍼(200) 사이 및 웨이퍼(200)면 내에 있어서의 실리콘 질화막의 막 두께 균일성을 넓은 온도 범위에서 향상시킬 수 있다(후술하는 실시예 1, 3을 참조).
(c) 본 실시 형태에서는, NH3 공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 크게 변동시키는 것에 의해, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 실리콘 질화막의 막질을 넓은 온도 범위에서 향상시킬 수 있다. 즉, NH3 공급 공정 중에 배기 정지 기간을 설정하고, 처리실(201) 안의 NH3 가스의 압력(농도)을 높은 상태, 예컨대 100Pa를 넘는 상태로 함으로써, 실리콘 질화막의 질화를 촉진시키고, 예컨대 실리콘 질화막의 절연성을 넓은 온도 범위에서 향상시키는 것이 가능해진다(후술하는 실시예 4를 참조).
(d) 본 실시 형태에서는, NH3 공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 크게 변동시키는 것에 의해, 화학 반응에 의해서 발생한 부생성물 (예컨대 NH4Cl 등)에 대해서도 처리실(201) 안으로부터 효율적으로 배기할 수 있다. 그리고, 처리실(201) 안에 있어서의 파티클(particle)의 양을 저감할 수 있고, 실리콘 질화막중으로의 부생성물의 혼입을 억제할 수 있고, 실리콘 질화막의 막질을 향상할 수 있다.
(e) 본 실시 형태에서는, NH3 공급 공정 중에, 배기관(231)의 배기 밸브(243)의 개폐 절환에 의해서 처리실(201) 안의 압력을 변동시키는 것으로, 배기계의 폐색을 방지할 수 있다. 즉, NH3 공급 공정의 개시 직후는 배기 밸브(243)를 닫아 두고, 처리실(201) 안이 소정 압력까지 상승하면 배기 밸브(243)를 열어서 처리실(201) 안의 압력을 저하시키도록 하는 것으로, 배기계 안에서 DCS와 NH3이 혼합해버리는 것을 방지하고, 배기계의 폐색 방지를 도모할 수 있다(후술하는 실시예 5를 참조).
(f) 본 실시 형태에 따르면, 처리실(201) 안에 공급하는 NH3의 유량을 삭감할 수 있다. NH3 공급 공정에 있어서 배기 밸브(243)를 연 상태로 하지 않고, 배기 밸브(243)를 닫아서 처리실(201) 안의 압력을 상승시키는 승압 처리를 하는 것으로, 처리실(201) 안에 공급하는 NH3의 유량을 삭감하였다고 하여도, NH3에 의한 질화처리나 웨이퍼(200) 표면으로의 NH3의 흡착을 확실하게 수행할 수 있기 때문이다. 예컨대, 상술한 도 7에 도시되는 비교예 (a)에 있어서 처리실 안에 공급하는 NH3 가스의 유량이 예컨대 10slm일 경우에, 실시예 (b)에서는 처리실 안에 공급하는 NH3 가스의 유량을 예컨대 5.5slm에까지 삭감할 수 있다. 그 결과, NH3의 낭비를 억제할 수 있고, 기판 처리 비용을 절감할 수 있다.
(g) 본 실시 형태에 따르면, 처리실(201) 안에 공급하는 NH3의 유량을 삭감하는 것으로, NH3 공급 공정에 있어서의 웨이퍼(200) 온도의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 형성되는 실리콘 질화막의 막 두께나 막질의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 8은, 처리실 안에 공급되는 NH3 가스의 유량 증가에 따른 기판 온도의 면내도 균일성이 저하하는 형태를 도시하는 모식도이다.
도 8의 (a)에 도시되는 바와 같이, 처리실 안에 배치된 웨이퍼의 에지부(B)는, NH3 노즐로부터 공급되는 NH3 가스에 의해서 국소적으로 냉각된다. 그 때문에, 에지부(B)의 온도는, 센터부(A)의 온도와 비교해서 국소적으로 저하하게 된다. 그리고, 웨이퍼를 가열하는 히터(Cascade TC)가 NH3 노즐(NH3 nozzle)과 대향하는 위치에 설치되어져 있으면, 에지부(B)의 온도는, 도 8의 (b)에 도시되는 바와 같이 웨이퍼의 회전 주기에 동기하도록 온도 진폭(ΔT)으로 진동하게 된다. 또한, 온도 진폭(ΔT)은, 도 8의 (c)에 도시되는 바와 같이 웨이퍼의 회전 속도를 올리는(예컨대 1.9rpm에서 3.0rpm으로 상승시킨다)것으로 정도(程度) 억제할 수 있지만, 도 8의 (d)에 도시되는 바와 같이 NH3 가스의 유량이 커지면(예컨대 5.5slm에서 10slm로 증가시키면) 무시할 수 없게 된다. 또한, 에지부(B)의 온도 진폭(ΔT)이 커지면, 형성되는 실리콘 질화막의 막 두께 면내 균일성이나 막질을 저하시켜버리는 요인이 될 수 있다. 예컨대, 온도진폭(ΔT)이 커지면, 에지부(B) 주변에서 헤이즈(haze)가 성장할 수 있다. 또한 온도 진폭(ΔT)이 커지면, 웨이퍼의 팽창 수축량이 커지고, 웨이퍼와 보트(Boat)의 로드(Rod)와의 마찰량 등이 증가하고, 파티클(particle)의 발생을 초래할 우려가 있다.
이에 대해 본 실시 형태에서는, 처리실(201) 안에 공급하는 NH3의 유량을 삭감할 수 있기 위해서[NH3의 유량을 삭감하였다고 해도, NH3에 의한 질화 처리나 웨이퍼(200) 표면으로의 NH3의 흡착을 확실하게 수행할 수 있기 위해서), 웨이퍼(200)의 에지부의 온도 진폭(ΔT)를 작게 할 수 있고, 상술한 과제를 해결할 수 있다.
<본 발명의 다른 실시 형태>
이상, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상술의 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 종종 변경이능하다.
예컨대, 상기 실시 형태에서는, 암모니아 가스를 논-플라즈마(non-plasma) 상태로 처리실(201) 안에 공급했으나, 예컨대, 도 1의 기판 처리 장치에 있어서, 처리실(201) 안의 제2 노즐(233b)의 근방에 고주파 전극을 설치하고, 암모니아 가스를 플라즈마 상태로 하여 처리실(201) 안의 각 웨이퍼(200)에 공급하도록 하여도 좋다. 암모니아 가스를 플라즈마화 함에 따라, 기판 온도를 저하시키거나, 암모니아 가스의 공급 시간을 단축시키거나 하는 것이 가능해진다.
또한 예컨대, 원료 가스인 실리콘 함유 가스로서는, DCS가스 이외에, 헥사 클로로실란(Si2Cl6, 약칭: HCD), 테트라클로로실란(SiCl4, 약칭: TCS)가스, 모노실란(SiH4)가스 등의 무기 원료뿐만 아니라, 아미노 실란계의 테트라키스디메틸아미노실란[(Si(N(CH3)2)4, 약칭: 4DMAS)]가스, 트리스디메틸아미노실란[(Si(N(CH3)2)3H, 약칭: 3DMAS)]가스, 비스디에틸아미노실란[(Si(N(C2H5)2)2H2, 약칭: 2DEAS)]가스, 비스터셔리부틸아미노실란[(SiH2(NH(C4H9))2, 약칭: BTBAS)]가스 등의 유기 원료 중 하나, 또는 이 중 어느 하나를 포함하는 혼합 가스를 이용하여도 좋다. 반응 가스인 질소 함유 가스(질화제)로서는, NH3 가스 이외에, N2O가스, NO2가스 등의 다른 질소 함유 가스, 또는 이들의 어느 하나를 포함하는 혼합 가스를 이용하여도 좋다. 불활성 가스로서는, N2가스 이외에, Ar가스, He가스, Ne가스, Xe가스 등의 희가스를 이용하여도 좋다.
[실시예]
다음으로, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
(실시예1)
도 1에 도시되는 상기 실시 형태의 기판 처리 장치를 사용하여, ALD법을 이용해서 웨이퍼 상에 실리콘 질화막의 성막을 수행하였다. 실리콘 질화막의 성막 공정은, 상기 실시 형태와 마찬가지로, (1) DCS 공급 공정, (2) N2퍼지 공정, (3) NH3공급 공정, (4) N2퍼지 공정의 4공정을 1사이클로 하여, 이 사이클을 복수 회 반복하는 사이클 처리로 실시하였다.
도 3에, 처리실(201) 안의 1사이클 중에 있어서의 압력의 추이를 나타내다.
도 3에 있어서, t1시(시기)는 (1) DCS 공급 공정에, t2시(시기)는 (2) N2퍼지 공정에, t3시(시기)는 (3) NH3공급 공정에, t4시(시기)는 (4) N2퍼지 공정에, 각각 상당한다.
실시예에서는, 도 3에 실선으로 도시한 바와 같이, NH3 공급 공정(t3시)에 있어서, 1회째의 승압 처리(6초～11초까지의 5초간)와, 강압 처리(11초～13초까지의 2초간)과, 2회째의 승압 처리(13초～18초까지의 5초간)를 순차적으로 수행하였다. 또한 실시예와 비교하기 위해서, 종래예에서는, 도 3에 파선으로 도시한 바와 같이, NH3 공급 공정에 있어서, 배기관(231)의 배기 밸브(243)의 개도를 제어해서 처리실(201) 안의 압력을 일정 압력으로 제어하였다. 또한 비교예에서는, 도 3에 1점 쇄선으로 도시한 바와 같이, NH3 공급 공정에 있어서, 배기관(231)의 배기 밸브(243)를 닫은 채의 배기 정지 상태로 하였다.
표 1에, 실시예, 종래예 및 비교예에 있어서, t1시기의 DCS 가스의 공급량, t3시기의 NH3 가스의 공급 유량, 각 시기(t1～t4)에서의 N2가스의 공급 유량 및 시기(t1～t4)를 통해서의 R-Unit노즐로부터의 N2가스의 공급 유량을 나타낸다. 또한 표 2에, 실시예, 종래예 및 비교예에 있어서의 각 시기(t1～t4)에서의, 개폐 밸브(V1～V5) 및 배기 밸브(243)의 개폐 제어 상태를 나타낸다. 또한 표 3에는, 표 2에 「표 3(별기)」라고 기재된, 실시예에 있어서의 시기(t3)에서의 개폐 밸브(V1～V5) 및 배기 밸브(243)의 개폐 제어 상태를 나타낸다
Figure 112010057344479-pat00001
Figure 112010057344479-pat00002
Figure 112010057344479-pat00003
표 2, 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예, 종래예 및 비교예에 있어서의 밸브의 개폐 제어의 차이는, t3시의 NH3 공급 공정만이며, 그 외의 DCS 공급 공정, N2퍼지 공정의 밸브의 개폐 제어는 완전히 동일하다. 또한 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예, 종래예 및 비교예에 있어서의 가스의 공급 유량 또는 공급량은, t3시기의 NH3 가스의 공급 유량이 다를 뿐, 그 외에는 동일하다.
표 4에, 실시예, 종래예 및 비교예에 있어서의 실리콘 질화막의 성막 결과를 나타낸다. 또한 표 4에 나타낸 바와 같이, 기판(웨이퍼)의 온도는, 성막 공정 중에는 500℃～650℃ 동안 일정한 온도로 유지하고, 1사이클 시간은 21초[(도 3, 표 2에 나타낸 바와 같이, t1(2초), t2(4초), t3(12초), t4(3초)로 합계 21초)], 727사이클 반복하였다.
Figure 112010057344479-pat00004
표 4에 나타낸 바와 같이, NH3 공급 공정에 있어서 배기 정지 상태인 채로 하고, 처리실 안의 NH3 가스의 압력을 상승시키는 것뿐인 비교예에서는, 기판면 내의 막 두께 균일성이 종래예보다도 저하하였다. 한편, NH3 공급 공정에 있어서 처리실(201) 안의 압력을 크게 승강 변동시킨 실시예에서는, NH3 가스가 처리실(201) 안에 균등하게 공급되어서 기판면 내의 막 두께 균일성이 개선되고, 또한, 실리콘 질화막의 퇴적 속도도 증가하였다. 실리콘 질화막의 퇴적 속도는, 종래예와 비교하여 13%향상되는 개선 효과를 얻었다. 또한 화학 반응에 의해서 발생한 부생성물에 대해서도 효율적으로 배기할 수 있는 것으로 생각되며, 부생성물 및 이물질의 증가 경향을 개선해서 기판 처리 장치의 메인터넌스(maintenance) 주기를, 예컨대 2배 이상으로 개선하는 것이 가능해진다.
이 실시예의 결과로부터, 승압 처리와 강압 처리를 반복하는 압력 승강 처리가 유효하며, 압력 승강 처리에 의한 처리실(201) 안의 압력 변동의 횟수가 많을수록, 또한 압력 변동의 폭이 클수록 개선 효과가 큰 것을 추측할 수 있다.
(실시예 2)
도 1에 도시되는 상기 실시 형태의 기판 처리 장치를 사용하여, ALD법을 이용해서 웨이퍼 상에 실리콘 질화막의 성막을 수행하였다. 실리콘 질화막의 성막 공정은, 상기 실시 형태와 마찬가지로, (1) DCS 공급 공정, (2) N2퍼지 공정, (3) NH3공급 공정, (4) N2퍼지 공정의 4공정을 1사이클로 하여, 이 사이클을 복수 회 반복하는 사이클 처리로 실시하였다.
도 4는, NH3 공급 공정 중에 압력을 변동시키는 것으로 실리콘 질화막의 퇴적 속도가 증대하는 형태를 예시하는 그래프 도면으로서, 도 4의 (a)는 횡축(橫軸)의 온도 단위를 섭씨(℃)로 한 경우를, 도 4의 (b)는 횡축의 온도 단위를 화씨의 역수(K-1)로 한 경우를 각각 도시하고 있다. 도 4의 (a) 및 (b)의 종축은, 실리콘 질화막을 성막할 때의 퇴적 속도 비율, 즉 비교예[NH3공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 변동시키지 않고 실리콘 질화막을 성막한 경우]에 대한 퇴적 속도의 비율을 나타내고 있다. 종축(縱軸)의 값이 클수록, 종래예에 대하여 큰 퇴적 속도를 얻을 수 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 도면 중에서, 실시예[NH3공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 변동시켜서 실리콘 질화막을 성막한 경우]의 퇴적 속도비는 ■표시로, 종래예의 퇴적 속도비는 ◆표시로 나타내고 있다.
도 4에 의하면, NH3 공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 변동시킨 실시예(■표시)에서는, 압력을 변동시키지 않는 종래예(◆표시)와 비교하여, 넓은 온도 범위 (550℃, 600℃, 650℃)에서 실리콘 질화막의 퇴적 속도가 증대하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, NH3 공급 공정 중에 압력을 변동시키는 것으로, 실리콘 질화막의 퇴적 속도를 넓은 온도 범위에서 증대할 수 있는 것을 알 수 있다. 이는, 처리실 (201) 안에 공급된 NH3의 압력을 변동시키는 것에 의해서, 웨이퍼 표면에 공급된 NH3에 의한 질화처리나, 웨이퍼 표면으로의 NH3의 흡착 등이, 종래예에 비해서 효율화되었기 때문으로 생각된다. 또한, 도 4에 의하면, 웨이퍼의 온도가 저온일 경우(예컨대 550℃)에는, 보다 큰 퇴적 속도 비율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 3)
도 1에 도시되는 상기 실시 형태의 기판 처리 장치를 사용하여, ALD법을 이용해서 웨이퍼 상에 실리콘 질화막의 성막을 수행하였다. 실리콘 질화막의 성막 공정은, 상기 실시 형태와 마찬가지로, (1) DCS 공급 공정, (2) N2퍼지 공정, (3) NH3공급 공정, (4) N2퍼지 공정의 4공정을 1사이클로 하여, 이 사이클을 복수 회 반복하는 사이클 처리로 실시하였다.
도 5는, NH3 공급 공정 중에 압력을 변동시키는 것으로 실리콘 질화막의 막 두께의 면내 균일성이 향상하는 형태를 예시하는 그래프 도면이며, 도 5의 (a)는 횡축의 온도 단위를 섭씨(℃)로 한 경우를, 도 5의 (b)는 횡축의 온도 단위를 화씨의 역수(K-1)로 한 경우를 각각 도시하고 있다. 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)의 종축은, 형성한 실리콘 질화막의 막 두께의 면내 균일성(%)을 나타내고 있다. 종축의 값이 작을 수록, 면내 균일성이 좋은 것을 나타내고 있다. 또한, 도면 중에의, 실시예(NH3공급 공정 중에 처리실 안의 압력을 변동시켜서 실리콘 질화막을 성막한 경우)의 면내 균일성은 ■표시로, 종래예[NH3공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 변동시키지 않고 실리콘 질화막을 성막한 경우]의 면내 균일성은 ◆표시로 나타내고 있다.
도 5에 의하면, NH3 공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 변동시킨 실시예에서는, 압력을 변동시키지 않는 종래예에 대하여, 넓은 온도 범위(550℃, 600℃, 650℃)에서 막 두께의 면내 균일성이 넓은 온도 범위에서 향상할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, NH3 공급 공정 중에 압력을 변동시키는 것으로, 실리콘 질화막의 막 두께의 면내 균일성을 향상할 수 있는 것을 알 수 있다. 이는, 처리실(201) 안에 공급된 NH3을 압력 변동시키는 것에 의해서, 웨이퍼 표면에 있어서의 NH3에 의한 질화 처리나 NH3의 흡착량의 면내 균일성이, 종래예에 비하여 향상되었기 때문으로 생각된다. 또한, 도 5에 따르면, 웨이퍼의 온도가 저온일 경우(예컨대 550℃)에는, 막 두께의 면내 균일성이 향상하기 쉬운 것을 알 수 있다.
(실시예 4)
도 1에 도시하는 상기 실시 형태의 기판 처리 장치를 사용하고, ALD법을 이용해서 웨이퍼 상에 실리콘 질화막의 성막을 수행하였다. 실리콘 질화막의 성막 공정은, 상기 실시 형태와 마찬가지로, (1) DCS 공급 공정, (2) N2퍼지 공정, (3) NH3공급 공정, (4) N2퍼지 공정의 4공정을 1사이클로 하여, 이 사이클을 복수 회 반복하는 사이클 처리로 실시하였다.
도 6은, 실리콘 질화막의 굴절율을 예시하는 그래프 도면이며, 도 6의 (a)는 횡축의 온도 단위를 섭씨(℃)로 한 경우를, 도 6의(b)은 횡축의 온도 단위를 화씨의 역수(K-1)로 한 경우를 각각 나타내고 있다. 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)의 종축은, 형성한 실리콘 질화막의 굴절율(Reflective Index)을 나타내고 있다. 이상적인 화학량론(化學量論) 조성을 갖는 실리콘 질화막의 굴절율은 2이기 때문에, 도면 중에, 하방(下方)으로 갈수록 조성이 화학량론 조성에 가깝고, 막질을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 도면 중에서, 실시예[NH3공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 변동시켜서 실리콘 질화막을 성막한 경우]의 면내 굴절율은 ■표시로, 종래예(NH3공급 공정 중에 처리실 안의 압력을 변동시키지 않고 실리콘 질화막을 성막한 경우)의 면내 굴절율은 ◆표시로 나타내고 있다.
도 6에 의하면, NH3 공급 공정 중에 처리실(201) 안의 압력을 변동시킨 실시예에서는, 압력을 변동시키지 않는 종래예와 비교하여, 넓은 온도 범위(550℃, 600℃)에서 2.0에 보다 가까운 굴절율을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, NH3 공급 공정 중에 압력을 변동시키는 것으로, 실리콘 질화막의 질화를 확실히 수행할 수 있고, 화학량론 조성에 가까운 조성을 갖는 고품질의(예컨대 절연율이 큰) 실리콘 질화막을 넓은 온도 범위에서 성막할 수 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 5)
도 7은, 처리실 안에서 배기계에 의해서 각종 가스가 배기되는 형태를 도시하는 모식도이다. 도 7의 (a)는, NH3 공급 공정 중에, 배기관의 배기 밸브(Main Valve: MV)를 연 상태로 배기를 계속하고, 처리실 안의 압력을 변동시키지 않도록 한 경우를 도시하고 있다(비교예). 도 7의 (b)는, NH3 공급 공정 중에, 배기관의 배기 밸브(MV)의 개폐 절환에 의해서 처리실 안의 압력을 변동시키는 경우를 도시하고 있다(실시예). 실시예에서는, NH3 공급 공정의 개시 직후는 배기 밸브(MV)를 닫아 두고, 처리실 안의 압력이 소정의 압력까지 상승하면 배기 밸브(MV)를 열어서 처리실 안의 압력을 저하시키고, 그 후, 다시 배기 밸브(MV)를 닫아서 처리실 안의 압력을 상승시키도록 하고 있다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 종래예(a) 및 실시예(b)의 모두에서, N2퍼지 공정(t2)을 개시하기 위해서 배기 밸브(MV)를 열면, 처리실 안에 체류하고 있는 DCS가스가 배기관 안 및 진공 펌프(Pump) 안에 유입한다. DCS가스가 적어도 처리실 안에서 배기되면, 처리실 안에 NH3 가스를 소정의 유량으로 공급하는 NH3 공급 공정(t3)을 개시한다. 단, NH3 공급 공정(t3)을 개시하는 타이밍에 따라서는, 만일 처리실 안으로부터의 DCS의 배기가 완료되어 있었다고 하여도, 배기관 안 및 진공 펌프 안에는 소정량의 DCS가 잔류하고 있는 경우가 있다. 또한, NH3 가스의 유량은, 종래예에서는 예컨대 10slm, 실시예에서는 예컨대 5.5slm으로 할 수 있다.
종래예[도 7의 (a)]에서는, 배기 밸브(MV)가 열린 채의 상태로 NH3 공급 공정(t3)을 수행한다. 그 때문에, 배기관 안 및 진공 펌프 안으로의 NH3 가스의 유입이, NH3 공급 공정(t3)의 개시 직후부터 개시된다. 그 결과, NH3 공급 공정(t3)을 개시하는 타이밍에 따라서는, 배기관 안 및 진공 펌프 안에 잔류하고 있는 DCS와, 배기관안 및 진공 펌프 안에 유입한 NH3이 혼합하기 쉬워지고, 배기관 안 및 진공 펌프 안에서의 실리콘 질화막이나 부생성물(예컨대 NH4Cl 등)의 퇴적이 생기기 쉬워진다. 즉, 종래예에서는, 배기관 안 및 진공 펌프 안에 NH3이 유입하는 타이밍이 비교적 빠르기 때문에, 배기관 안 및 진공 펌프 안에서의 DCS의 배기가 완료되기 전에 NH3이 유입하기 쉽고, 이에 의해서 배기계의 폐색이 생기기 쉬워진다.
이에 대하여 실시예[도7의 (b)]에서는, NH3 공급 공정(t3)의 개시 직후는 배기 밸브를 닫아 두고, 처리실 안의 압력이 소정의 압력까지 상승하면 배기 밸브(MV)를 연다. 그 때문에, 배기관 안 및 진공 펌프 안으로의 NH3의 유입이, NH3 공급 공정(t3)의 개시 직후에는 개시되지 않고, 소정 시간 경과하고 나서 개시된다. 그 결과, 배기관 안 및 진공 펌프 안에서의 DCS와 NH3과의 혼합이 보다 확실하게 회피된다. 즉, 실시예에서는, NH3 공급 공정(t3)을 개시하는 타이밍이 빨라도, 배기관 안 및 진공 펌프 안에 실제로 NH3이 유입하는 타이밍이 비교적 늦기 때문에, 배기관 안 및 진공 펌프 안에서 DCS의 배기를, NH3의 유입 개시 전에 확실하게 완료시킬 수 있다. 이에 따라 배기계의 폐색을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 기판 처리 장치의 메인터넌스 주기를 연장시킬 수 있다.
(본 발명의 바람직한 형태)
이하, 본 발명의 바람직한 형태에 대해서 부기(付記)한다.
본 발명의 제1 형태는, 기판이 가열된 상태에서 수용된 처리실 안에 실리콘 함유 가스를 공급하는 실리콘 함유 가스 공급 공정과, 상기 처리실 안에 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급 공정을 교호적으로 반복하여 실시하는 것으로 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 성막 공정을 포함하고, 상기 질소 함유 가스 공급 공정 중에, 상기 처리실 안의 배기 정지 상태와 배기 작동 상태와의 사이의 절환을 적어도 1회 이상 실시하고, 상기 처리실 안의 최대 압력이 최저 압력의 20배 이상의 압력이 되도록 상기 처리실 안의 압력을 변동시키는 반도체 장치의 제조 방법이다. 이 배율이 높을수록 또는 압력 승강 처리의 횟수가 많을수록, NH3 공급 공정 때의 질화 부족에 의한 전술한 바와 같은 문제를 일으키기 어렵다고 생각된다. 하한 상한의 압력을 제약하는 요인은, 주로 펌프의 성능이나 배기 배관의 컨덕턴스(conductance)에 의해서 결정된다. 즉, 상한 압력이 지나치게 높은 경우나, 하한 압력이 지나치게 낮은 경우 모두 다음 강압 처리에 시간을 필요로 하게 되어 생산성을 악화시킨다. 상기 처리실 안의 압력은, 예컨대 10Pa～1,330Pa정도가 바람직하다.
본 발명의 제2 형태는, 기판을 처리하는 처리실과, 상기 처리실 안에 실리콘 함유 가스를 공급하는 제1 가스 공급 수단과, 상기 처리실 안에 질소 함유 가스를 공급하는 제2 가스 공급 수단과, 상기 처리실 안의 기판을 가열하는 히터와, 상기 처리실 안의 가스를 배기하는 배기 수단과, 상기 배기 수단, 상기 제1 가스 공급 수단, 상기 제2 가스 공급 수단 및 상기 히터를 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 처리실 안으로의 실리콘 함유 가스의 공급과, 상기 처리실 안으로의 질소 함유 가스의 공급을 교호적으로 반복하여 제어해서 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 동시에, 상기 질소 함유 가스의 공급 중에 상기 처리실 안의 배기 정지와 배기 작동과의 절환을 적어도 1회 이상 실시하고, 상기 처리실 안의 최대 압력이 최저 압력의 20배 이상의 압력이 되도록 상기 처리실 안의 압력을 변동시키는 기판 처리 장치다.
본 발명의 제3 형태는, 기판이 가열된 상태에서 수용된 처리실 안에 디클로로실란을 포함하는 가스를 공급하는 디클로로실란 공급 공정과, 상기 처리실 안에 암모니아를 포함하는 가스를 공급하는 암모니아 공급 공정을 교호적으로 반복하여 실시하는 것으로 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 성막 공정을 포함하고, 상기 암모니아 공급 공정 중에, 상기 처리실의 배기 정지 상태와 배기 작동 상태와의 사이의 절환을 적어도 1회 이상 실시하고, 상기 처리실의 압력을 변동시키도록 한 반도체 장치의 제조 방법이다.
상기 처리실의 압력의 변동 범위는, 예컨대, 10Pa～1,330Pa로 한다.
본 발명의 제4 형태는, 기판이 가열된 상태에서 수용된 처리실 안에 디클로로실란을 포함하는 가스를 공급하는 디클로로실란 공급 공정과, 상기 처리실 안에 암모니아를 포함하는 가스를 공급하는 암모니아 공급 공정을 교호적으로 반복하여 실시하는 것으로 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 성막 공정을 포함하고,
상기 암모니아 공급 공정 중에, 100Pa이하에서 950Pa이상으로 상기 처리실의 압력을 상승시키는 승압 처리와, 상기 승압 처리 후, 다시 100Pa이하로 상기 처리실의 압력을 하강시키는 강압 처리를 각각 적어도 1회 이상 반복하는 압력 승강 처리를 실시하도록 한 반도체 장치의 제조 방법이다.
본 발명의 제5 형태는, 상개 제3 또는 상기 제4 형태의 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 성막 공정에 있어서, 상기 기판의 온도를 630℃이하로 해서 상기 실리콘 질화막의 퇴적 속도를 2Å/min이상, 상기 실리콘 질화막의 막 두께의 면내 균일성을 1.5% 이내로 하는 반도체 장치의 제조 방법이다.
본 발명의 제6 형태는, 기판을 처리하는 처리실과, 상기 처리실에 디클로로실란을 포함하는 가스를 공급하는 제1 가스 공급 수단과, 상기 처리실에 암모니아를 포함하는 가스를 공급하는 제2 가스 공급 수단과, 상기 처리실 안의 기판을 가열하는 히터와, 상기 처리실 안의 가스를 배기하는 배기 수단과, 상기 처리실 안으로의 디클로로실란을 포함하는 가스의 공급과, 암모니아를 포함하는 가스의 공급을 교호적으로 반복하여 제어해서 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 동시에, 상기 암모니아를 포함하는 가스의 공급 중에 상기 처리실 안의 배기 정지와 배기 작동과의 절환을 적어도 1회 이상 실시하도록, 상기 배기 수단, 상기 제1 가스 공급 수단, 상기 제2 가스 공급 수단 및 상기 히터를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 기판 처리 장치이다.
200: 웨이퍼(기판) 201: 처리실
202: 처리로 203: 반응관
207: 히터 217: 보트
231: 배기관 233a: 제1노즐
233b: 제2노즐 243: 배기 밸브
246: 진공 펌프 248a: 제1 가스 공급관
248b: 제2 가스 공급관 263: 온도 센서
280: 컨트롤러

Claims (2)

  1. 기판이 가열된 상태에서 수용된 처리실 안에 실리콘 함유 가스를 공급하는 실리콘 함유 가스 공급 공정 및 상기 처리실 안에 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급 공정을 교호적(交互的)으로 반복하여 실시하는 것으로 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 성막 공정을 포함하고,
    상기 질소 함유 가스 공급 공정 중에, 상기 처리실 안의 배기 정지 상태와 배기 작동 상태와의 사이의 절환(切煥)을 적어도 1회 이상 실시하고, 상기 처리실 안의 최대 압력이 최저 압력의 20배 이상의 압력이 되도록 상기 처리실 안의 압력을 변동시키는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 기판을 처리하는 처리실;
    상기 처리실 안에 실리콘 함유 가스를 공급하는 제1 가스 공급 수단;
    상기 처리실 안에 질소 함유 가스를 공급하는 제2 가스 공급 수단;
    상기 처리실 안의 기판을 가열하는 히터;
    상기 처리실 안의 가스를 배기하는 배기 수단;
    상기 배기 수단, 상기 제1 가스 공급 수단, 상기 제2 가스 공급 수단 및 상기 히터를 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 처리실 안으로의 실리콘 함유 가스의 공급과 상기 처리실 안으로의 질소 함유 가스의 공급을 교호적으로 반복하여 제어해서 상기 기판 상에 실리콘 질화막을 형성하는 동시에, 상기 질소 함유 가스의 공급 중에 상기 처리실 안의 배기 정지와 배기 작동의 절환을 적어도 1회 이상 실시하고, 상기 처리실 안의 최대 압력이 최저 압력의 20배 이상의 압력이 되도록 상기 처리실 안의 압력을 변동시키는 기판 처리 장치.
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