KR101177192B1 - 성막 장치, 성막 방법 및 기억 매체 - Google Patents

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Abstract

배치대의 배치면을 가열하면서, 진공 분위기하에서, 상기 배치대에 대향하는 처리 가스 공급부로부터 처리 가스를 기판에 공급함으로써 성막 처리를 행하는 성막 장치에 있어서, 상기 배치대를 기판이 성막 처리되는 처리 위치로 승강시키기 위한 승강 기구와, 상기 처리 위치에 있을 때의 상기 배치대를 간극을 개재하여 둘러싸고, 그 배치대와 함께, 상기 진공 용기 내를, 그 배치대보다도 상측인 상부 공간과 그 배치대보다도 하측인 하부 공간으로 구획하는 포위 부분과, 상기 상부 공간에 연통(連通)되며, 상기 상부 공간 내의 처리 분위기를 진공 배기하는 진공 배기로와, 상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지의 가스가 접촉하는 부위를, 반응물이 부착되는 온도보다도 높은 온도로 가열하는 가열 수단과, 상기 가열 수단과, 상기 하부 공간을 둘러싸는 상기 진공 용기의 하측 부분 사이에 설치된 단열부를 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.

Description

성막 장치, 성막 방법 및 기억 매체{FILM FORMING APPARATUS, FILM FORMING METHOD AND STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 기판에 대하여 진공 분위기하에서 처리 가스를 공급함으로써, 기판 상에 그 처리 가스의 반응 생성물을 성막(成膜)하는 기술에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에 있어서의 성막 수법으로서, 기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 함) 등의 표면에 진공 분위기하에서 제1 처리 가스(원료 가스)를 흡착시킨 후, 공급하는 가스를 제2 처리 가스(반응 가스)로 전환하여, 양쪽 가스의 반응에 의해 1층 또는 소수층의 원자층이나 분자층을 형성하고, 이 사이클을 복수회 행함으로써 이들 층을 적층하여, 기판 상에의 성막을 행한다고 하는 수법이 알려져 있다. 이 성막 수법은, 예컨대 ALD(Atomic Layer Deposition)나 MLD(Molecular Layer Deposition) 등이라고 불리고 있으며, 사이클수에 따라 막 두께를 고정밀도로 컨트롤할 수 있고, 막질의 면내 균일성도 양호하여, 반도체 디바이스의 박막화에 대응할 수 있는 유효한 수법이다.
이 성막 방법을 실시하기 위해서, 예컨대 일본 특허 공개 제2004-6733호 공보(특히, 0056단락, 도 8)에는, 처리 용기(진공 용기)의 좌측면으로부터 우측면을 향하여(또는 우측면으로부터 좌측면을 향하여) 2종류의 처리 가스를 교대로 흘림으로써, 처리 용기 내에 배치된 기판의 표면에 성막을 행한다고 하는 성막 장치가 기 재되어 있다. 이와 같이, 기판의 한 쪽측으로부터 다른 쪽측으로 처리 가스를 통류시키는 사이드 플로우 방식이 채용되는 경우에는, 막 두께나 막질의 가로 방향에 있어서의 치우침이 억제된다. 이 때문에, 그와 같은 성막 처리는, 예컨대 200℃ 정도의 비교적 저온의 온도 분위기하에서 행해진다.
예컨대 산화지르코늄(ZrO2) 등의 고유전체 재료를 성막하는 경우에는, 제1 처리 가스(원료 가스)로서, 예컨대 TEMAZ(테트라키스에틸메틸아미노지르코늄) 가스 등이 이용되고, 제2 처리 가스(반응 가스)로서, 오존 가스 등이 이용된다. 여기서, TEMAZ 가스와 같은 원료 가스는, 분해 온도가 높기 때문에, 예컨대 280℃ 정도의 고온에서 성막이 행해진다. 그러나, 이러한 고온 조건에서는 반응의 진행 방식이 빠르기 때문에, 한 번의 사이클로 성막되는 막 두께가 두꺼워진다고 하는 경향이 있다. 특히 사이드 플로우 방식의 경우에는, 기판의 표면에서의 가스의 이동 거리가 길기 때문에, 예컨대 가스의 공급측에서는 막 두께가 두꺼워지고, 배기측에서는 막 두께가 얇아져, 양호한 막 두께의 면내 균일성이 얻어지지 않는다고 하는 우려가 있다.
또한, 작업 처리량을 향상시키기 위해서, 예컨대 반응 가스인 오존 가스의 공급 시간을 짧게 한 경우에는, 오존 가스의 공급원으로부터 멀어짐에 따라 오존 가스의 산화력이 약해져 버린다(오존 가스가 소비된다). 이 때문에, 기판 상에 흡착된 고유전체 재료를 충분히 균일하게 산화할 수 없다고 하는 우려가 있다. 그 경우에는, 예컨대 웨이퍼 내에 작성되는 반도체 디바이스 사이에 있어서의 누설 전류 의 값이 변동되어 버릴 것이다.
이상과 같은 사이드 플로우 방식의 문제점을 해결하기 위해서, 예컨대 통상의 CVD 장치에 이용되는 가스 샤워 헤드(일본 특허 공개 제2006-299294호 공보[특히, 0021단락～0026단락) 참조]를 이용하여, 기판의 중앙부 상쪽측으로부터 처리 가스를 공급하고, 미반응의 처리 가스 및 반응 부생성물을 처리 용기의 바닥부로부터 배기한다고 하는 방법이 검토되어 있다. 이러한 가스의 공급 배기 방법에 따르면, 공급되는 처리 가스는 기판의 중앙으로부터 둘레 가장자리를 향하여 흐르기 때문에, 사이드 플로우 방식과 비교해서 가스의 이동 거리가 짧아져, 성막 후의 막 두께 내지 막질에 대해서 높은 면내 균일성이 얻어지는 것을 기대할 수 있다.
여기서, 샤워 헤드를 이용하여 처리 가스를 공급하는 상술한 방식에 의해 양호한 성막 처리를 행하기 위해서는, 기판과 샤워 헤드를 접근시켜, 기판과 샤워 헤드 사이의 처리 분위기를 좁게 하는 것이 득책이라고 지견(知見)되어 있다. 그러나, 기판을 샤워 헤드에 과도하게 근접시키면, 외부의 반송 기구와 기판의 배치대 사이에서 기판의 전달을 행할 스페이스가 없어져 버린다.
또한, 처리 분위기의 측방에 있어서 처리 용기의 측벽에 반송구가 형성되어 있으면, 처리 분위기의 중심에서 보아 주위의 환경이 기판의 면내 방향에서 비대칭이 되어, 프로세스의 면내 균일성을 저해하는 요인이 된다. 이 때문에, 상기 반송구는 처리 분위기보다도 낮은 위치에 형성하여, 기판의 처리 위치와 기판의 전달 위치 사이에서 배치대를 승강시킬 수 있는 처리 용기의 높이를 확보하는 것이 필요하다.
또한, 처리 용기의 내벽에 반응 생성물이나 반응 부생성물과 같은 반응물이 퇴적하지 않도록, 처리 가스가 접촉하는 영역을 반응물이 부착되는 온도 이상(반응물이 기화하는 온도)으로 가열할 필요가 있다. 일반적으로, CVD를 행하는 매엽(枚葉)의 처리 용기에서는, 처리 용기의 내벽의 가열 온도는 기껏 200℃ 정도였으나, Zr이나 St의 산화물과 같은 고유전체 재료를 이용하는 경우에는, 반응물이 기화하는 온도가 높기 때문에, 처리 분위기의 측벽으로부터 그 하측의 반송구를 포함하는 영역을 통해 바닥벽에 이를 때까지, 처리 용기를, 예컨대 280℃ 정도로까지 가열할 필요가 있다.
그러나, 이와 같이 처리 용기 전체를 고온으로 가열하면, 배치대를 승강시키기 위한 구동계나 기판을 반입하는 반송구의 게이트 밸브의 구동계의 그리스, 또한, 처리 용기 내를 기밀(氣密)하게 하기 위한 수지제의 시일 부재인 O링이 열화한다. 또한, 시판하는 압력계의 내열성은, 겨우 200℃ 정도까지이므로, 처리 용기 전체를 280℃ 정도까지 가열하는 경우에는, 처리 용기 내의 압력 측정에 대해서도 곤란해진다. 또한, 이미 서술한 바와 같이 배치대를 승강시킬 필요로 인해 처리 용기가 대형화되면, 처리 용기 전체를 고온으로 가열하는 데 필요로 하는 에너지가 커진다고 하는 문제도 있다.
발명의 요지
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 주목하여, 이것을 유효하게 해결하기 위해서 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 면내 균일성이 높은 막 두께 내지 양호한 막질을 달성할 수 있고, 또한, 장치의 열 열화를 억제할 수 있는 성막 장치 및 성막 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 진공 용기 내에 반송구를 통해 반입되어 그 진공 용기 내의 배치대에 전달된 기판에 대하여, 상기 배치대의 배치면을 가열하면서, 진공 분위기하에서, 상기 배치대에 대향하는 처리 가스 공급부로부터 처리 가스를 기판에 공급함으로써 그 기판에 성막 처리를 행한다고 하는 성막 장치에 있어서, 상기 배치대를, 기판이 성막 처리되는 처리 위치와, 그 처리 위치보다 하측이며, 상기 반송구로부터 진입하는 외부의 반송 기구와의 사이에서 기판이 전달되는 전달 위치 사이에서 승강시키기 위한 승강 기구와, 상기 처리 위치에 있을 때의 상기 배치대를 간극을 사이에 두고 둘러싸고, 그 배치대와 함께, 상기 진공 용기 내를, 그 배치대보다도 상측의 상부 공간과 그 배치대보다도 하측의 하부 공간으로 구획하는 포위 부분과, 상기 상부 공간에 연통(連通)되며, 상기 상부 공간 내의 처리 분위기를 진공 배기하는 진공 배기로와, 상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지의 가스가 접촉하는 부위를, 반응물이 부착되는 온도보다도 높은 온도로 가열하는 가열 수단과, 상기 가열 수단과, 상기 하부 공간을 둘러싸는 상기 진공 용기의 하측 부분 사이에 설치된 단열부를 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.
본 발명에 따르면, 처리 분위기로부터의 가스나 반응물이 하부 공간에는 유입되기 어렵기 때문에, 처리 용기의 하측 부분은, 반응물 부착 방지를 위해서 고온으로 가열하지 않아도 좋으며, 또한, 단열부에 의해 가열이 필요한 상측 부분으로부터 열적으로 분리되어 있기 때문에, 예컨대 상온으로 유지할 수 있다. 이 때문에, 예컨대 배치대를 승강시키기 위한 구동계나 반송구의 게이트 밸브의 구동계의 그리스의 열화 등을 해소할 수 있다. 또한, 압력계의 내열 한계에 기인하는 진공 용기 내의 압력 측정의 곤란성도 해소할 수 있다. 또한, 진공 용기 전체를 가열할 필요로부터 해방되기 때문에, 가열에 필요한 에너지량이 저감된다.
상기 하부 공간에 퍼지 가스를 공급하기 위한 퍼지 가스 공급로가 설치되고, 그 퍼지 가스는, 상기 배치대와 상기 포위 부분 사이의 상기 간극을 통해, 상기 상부 공간에도 유입하도록 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 예컨대, 상기 포위 부분은, 상기 처리 위치에 있을 때의 상기 배치대의 측둘레면에 근접하여 이것을 둘러싸도록 상기 진공 용기의 내벽으로부터 환상(環狀)으로 내측으로 돌출하는 환상 돌출부에 의해 구성된다.
또한, 예컨대, 상기 진공 배기로의 일부는, 상기 상부 공간의 주위를 따라 배치된 배기 덕트로서 구성되고, 그 배기 덕트에, 상기 상부 공간의 둘레 방향을 따라 그 상부 공간으로부터의 배기류가 유입되는 배기구가 형성된다.
이 경우, 바람직하게는, 상기 배기 덕트는, 상기 상부 공간을 둘러싸도록 환상으로 형성된다. 또한, 바람직하게는, 상기 배기구는, 가로 방향으로 연장되는 슬릿 형상으로 형성된다. 또한, 바람직하게는, 상기 배기 덕트에는, 진공 배기를 행하기 위한 배기관이 접속된다. 또한, 바람직하게는, 상기 배기 덕트의 하면측에, 상기 단열부로서의 단열 부재가 설치된다.
또한, 예컨대, 상기 진공 용기의 하측 부분은, 상면이 개구된 편평한 하측 용기로서 구성된다.
또한, 예컨대, 상기 하측 용기의 바로 위에서 진공 용기의 상측 부분을 구성하는 부재는, 그 하측 용기의 상단부면의 내측 쪽의 영역에, 시일 부재를 통해 접촉하고 있고, 상기 진공 용기의 상측 부분을 구성하는 부재와 상기 하측 용기의 상단부면의 외측 쪽의 영역 사이에는, 단열부를 구성하는 공기층을 형성하는 간극이 형성된다.
또한, 예컨대, 상기 가열 수단에 의해 가열되는 상기 부위의 온도는, 230℃ 이상이다.
또한, 예컨대, 상기 상부 공간에는, 상기 진공 배기로에의 통류 컨덕턴스를 작게 하여 배기류의 균일화를 도모하기 위한 부재가 설치된다.
또한, 예컨대, 상기 배치대는, 배치대 본체와, 그 배치대 본체를 덮도록 그 배치대 본체에 착탈 가능하게 장착되는 커버 부재를 갖고 있다.
본 발명은, 예컨대 이미 서술한 ALD(또는 MLD)에 의해 성막 처리하는 경우에도 적용할 수 있다. 즉, 처리 가스로서 원료 가스를 공급하여 기판에 흡착시키는 단계와, 처리 가스로서 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 공급하여 기판 상에 반응 생성물을 생성하는 단계가 교대로 행해지도록 되어 있어도 좋다. 또한, 상기 양 단계 사이에, 처리 가스로서 퍼지 가스를 공급하여 처리 분위기를 퍼지하는 단계가 행해지도록 되어 있어도 좋다.
또한, 본 발명은, CVD(Chemical Vapor Deposition)에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 진공 용기 내에서 배치대 상의 기판에 대하여 진공 분위기하에서 처리 가스를 공급하여 성막 처리를 행하는 성막 방법에 있어서, 외부의 반송 기구에 의해, 상기 진공 용기의 측벽의 반송구를 통해 전달 위치에 놓여진 배치대에 기판을 전달하는 공정과, 상기 배치대를 상기 전달 위치로부터 처리 위치까지 상승시키고, 그 배치대를 간극을 사이에 두고 둘러싸는 포위 부분과 그 배치대에 의해, 상기 진공 용기 내를 그 배치대보다도 상측의 상부 공간과 그 배치대보다도 하측의 하부 공간으로 구획하는 공정과, 상기 기판을 성막 온도까지 가열하고, 그 상측으로부터 그 기판에 대하여 처리 가스를 공급하는 공정과, 상기 상부 공간에 연통되는 진공 배기로를 통해, 상기 상부 공간 내의 처리 분위기를 진공 배기하는 공정과, 상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지의 가스가 접촉하는 부위를 가열하는 가열 수단과, 상기 하부 공간을 둘러싸는 상기 진공 용기의 하측 부분이 단열된 상태에서, 상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지의 가스가 접촉하는 부위를, 반응물이 부착되는 온도보다도 높은 온도로 가열하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법이다.
바람직하게는, 상기 처리 분위기가 상기 하부 공간으로 들어가는 것을 방지하기 위해서, 상기 하부 공간에 퍼지 가스를 공급하는 공정을 더 포함한다.
또한, 본 발명은, 컴퓨터 프로그램을 저장한 기억 매체로서, 그 컴퓨터 프로그램이, 상기한 특징을 갖는 성막 방법을 실시하도록 스텝이 짜여져 있는 것을 특징으로 하는 기억 매체이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성막 장치의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 성막 장치의 처리 용기 부분의 부분 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 성막 장치의 부분 확대 종단면도이다.
도 4는 도 1의 성막 장치의 가스 공급 경로의 개략도이다.
도 5는 도 1의 성막 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6A 및 도 6B는 도 1의 성막 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 1의 성막 장치에 의한 성막 처리에 있어서의 가스 공급 시퀀스도이다.
도 8A 및 도 8B는 도 1의 성막 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 성막 장치의 변형예를 도시하는 종단면도이다.
도 10은 도 9의 성막 장치의 확대도이다.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
이하, 본 발명의 일 실시 형태인 성막 장치(1)의 구성에 대해서, 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다. 본 실시 형태에 따른 성막 장치(1)에서는, 예컨대 제1 처리 가스로서, 스트론튬(Sr)을 함유하는 원료 가스(이하, Sr 원료라고 함) 및 티탄(Ti)을 함유하는 원료 가스(이하, Ti 원료라고 함)이 이용되고, 제2 처리 가스로서, 반응 가스인 오존 가스가 이용된다. 그리고, 성막 장치(1)는, ALD 프로세스에 의해 이들 처리 가스를 반응시켜, 기판인 웨이퍼 표면에, 고유전체 재료인 티탄산스트론튬(SrTiO3, 이하 STO라고 약기함)의 박막을 성막하도록 되어 있다.
도 1의 종단면도에 도시하는 바와 같이, 이 성막 장치(1)는, 진공 용기를 이 루는 처리 용기(2)와, 그 처리 용기(2) 내에 설치되며, 기판인 웨이퍼(W)를 배치하기 위한 배치대를 구성하는 스테이지(31)와, 이 스테이지(31)와 대향하도록 처리 용기(2)의 상부에 설치되며, 처리 가스 공급부를 구성하는 가스 샤워 헤드(40)를 구비하고 있다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이 스테이지(31)가 스테이지 커버(36)로 덮여 있다. 이 때문에, 상세하게는, 스테이지(31)가 배치대 본체에 해당하고, 스테이지(31)와 스테이지 커버(36)가 배치대(300)에 해당하고 있게 된다.
스테이지(31)는, 예컨대 질화알루미늄이나 석영 등으로 구성되고, 예컨대 편평한 원판 형상으로 형성되어 있다. 스테이지(31)의 내부에는, 배치대(300)의 배치면을 가열함으로써 웨이퍼(W)를 성막 온도까지 승온하기 위한, 스테이지 히터(32)가 매설되어 있다. 이 스테이지 히터(32)는, 예컨대 시트 형상의 저항 발열체로 구성되고, 전원부(68)로부터 전력이 공급됨으로써, 스테이지(31) 상에 배치된 웨이퍼(W)를, 예컨대 280℃로 가열할 수 있다. 또한, 스테이지(31) 내에는, 도시되지 않은 정전 척이 설치되어 있다. 이것에 의해, 스테이지(31) 상에 배치된 웨이퍼(W)를 정전 흡착하여 고정할 수 있도록 되어 있다.
스테이지(31)는, 기둥 형상의 지지 부재(33)에 의해, 예컨대 하면측 중앙부가 지지되어 있다. 지지 부재(33)는, 승강 기구(30)에 의해 승강되도록 구성되어 있다. 그리고, 지지 부재(33)를 승강시킴으로써, 스테이지(31)는, 웨이퍼(W)가 처리 가스에 의해 처리되는 처리 위치와, 외부의 반송 기구와의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행해지는 전달 위치 사이를, 예컨대 최장 80 ㎜ 정도 승강할 수 있도록 되어 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 지지 부재(33)는, 처리 용기(2)의 바닥면부, 상세하게는 후술하는 하측 부분을 구성하는 하측 용기(22)의 바닥면부를 관통하여, 이미 서술한 승강 기구(30)에 의해 승강되는 승강판(23)에 접속되어 있다. 승강판(23)과 하측 용기(22) 사이는, 벨로우즈(24)에 의해 기밀(氣密)하게 접합되어 있다.
또한, 스테이지(31)는, 웨이퍼(W)의 이면을 지지하여 그 웨이퍼(W)를 스테이지(31)의 배치면 상에서 승강시키기 위한, 예컨대 3개의 승강 핀(34)을 구비하고 있다. 예컨대 도 1에 도시하는 바와 같이, 스테이지(31)가 웨이퍼(W)의 처리 위치까지 이동된 상태에 있어서, 각 승강 핀(34)은, 그 편평한 두부(頭部)가 스테이지(31)의 상면에 머무르고, 그 하단부가 스테이지(31)의 바닥면으로부터 돌출한다고 하도록, 스테이지(31)를 상하 방향으로 관통한 상태로 부착된다.
스테이지(31)를 관통하는 각 승강 핀(34)의 하쪽측에는, 링 형상의 승강 부재(35)가 설치되어 있다. 스테이지(31)가 웨이퍼(W)의 전달 위치까지 강하된 상태에서, 승강 부재(35)가 승강되면, 각 승강 핀(34)이 마찬가지로 승강한다, 이것에 의해, 승강 핀(34)에 지지된 웨이퍼(W)가, 스테이지(31)의 배치면 상에서 승강된다.
스테이지(31)의 상면 및 측면은, 스테이지(31) 표면에의 반응물의 퇴적을 억제하기 위해서, 예컨대 석영제의 착탈 가능한 커버 부재(증착 실드 등이라고 불리고 있음)인 스테이지 커버(36)에 의해 덮여 있다. 그 스테이지 커버(36)의 상면 중 앙 영역에는, 웨이퍼(W)보다 약간 큰 직경을 갖는 원형의 오목부가 형성되어 있다. 이것에 의해, 스테이지 커버(36) 상의 배치면에의 웨이퍼(W)의 위치 결정을 용이하게 행할 수 있다.
여기서, 스테이지 커버(36)의 상면측에 있어서의, 승강 핀(34)에 대응하는 위치에는, 그 승강 핀(34)의 두부를 격납하기 위해서, 개구부(관통 구멍 확대부)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 도 1에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 처리 위치까지 스테이지(31)가 이동된 상태에서, 스테이지 커버(36) 상면과 각 승강 핀(34)의 두부 상면이 거의 동일면이 되어, 스테이지(31)의 상면에 평탄한 웨이퍼(W) 배치면이 형성된다. 또한, 스테이지 커버(36)의 측벽부는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 스테이지(31)의 하쪽측까지 연장되어, 스테이지(31)의 하측 영역을 측면으로부터 둘러싸는 스커트부(361)를 형성하고 있다. 이것은, 스테이지(31) 본체와 일체적으로, 스테이지(31)의 측둘레면을 구성하고 있다.
다음으로, 가스 샤워 헤드(40)에 대해서 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 샤워 헤드(40)는, 스테이지(31)와 대향하도록, 처리 용기(2)의 천장벽을 구성하는 부재로서 성막 장치(1)에 편입되어 있다. 그리고, 가스 샤워 헤드(40)와 웨이퍼(W) 사이의 공간에, 웨이퍼(W)에 대한 성막 처리를 행하기 위한 처리 분위기(10)가 형성되도록 되어 있다.
개별적인 도시는 생략되어 있으나, 가스 샤워 헤드(40)는, 예컨대 알루미늄제의 복수의 원판 부재나 환상 부재를 조합하여 형성되어 있다. 이들 부재에는, 홈부나 천공부가 미리 형성되어 있다. 그리고, 서로의 홈부나 천공부가 조합됨으로 써, 가스 샤워 헤드(40)의 내부에, 도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 공급 구멍(401～404), 가스 공급 공간(41～44), 이들을 서로 접속하는 가스 유로(46) 등이 형성되어 있다.
상세하게는, 가스 샤워 헤드(40)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 중앙 영역(40a)과, 웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부에 대향하는 둘레 가장자리 영역(40b)으로 구획되어 있다. 중앙 영역(40a)의 샤워 헤드(40)는, 각종의 원료 가스(Sr 원료, Ti 원료), 반응 가스(오존 가스) 및 퍼지 가스(Ar 가스)를 처리 분위기(10)에 공급하는 역할을 수행한다. 한편, 둘레 가장자리 영역(40b)의 샤워 헤드(40)는, 퍼지 가스만을 공급하는 역할을 수행한다.
중앙 영역(40a)의 가스 샤워 헤드(40) 내부에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 공급 구멍(401～403)에 개별적으로 각종의 가스를 공급하기 위한 가스 공급 공간(41～43)이, 상하 방향으로 분리된 상태로, 적층되어 있다.
각각의 가스 공급 공간(41～43)은, 예컨대 편평한 원통 형상의 공간이지만, 그 공간 내에는, 그 천장면으로부터 바닥면까지, 다수의 가느다란 기둥 형상 부재(45)가 줄지어 설치되어 있다. 다만, 기본적으로 수평 방향으로 연통되어 있다(분할되어 있지는 않다). 기둥 형상 부재(45)의 내부에, 다른 가스 공급 공간에 관한 가스를 위한 가스 유로(46)가 형성되어 있다. 또한, 기둥 형상 부재(45)는, 가스 샤워 헤드(40) 내를 이동하는 열의 전열성(傳熱性)을 높이는 역할도 수행한다.
가스 공급 공간(41～43) 중, 최상단의 Sr 원료 공급 공간(41)은, Sr 원료 및 퍼지 가스를 Sr 원료 공급 구멍(401)에 공급하는 역할을 수행한다. 중단(中段)의 Ti 원료 공급 공간(42)은, Ti 원료 및 퍼지 가스를 Ti 원료 공급 구멍(402)에 공급하는 역할을 수행한다. 최하단의 오존 가스 공급 공간(43)으로부터는, 오존 가스 및 퍼지 가스가 오존 가스 공급 구멍(403)에 공급되도록 되어 있다.
가스 공급 구멍(401～403)을 통과한 각종의 가스는, 스테이지(31) 상에 배치된 웨이퍼(W)의 중앙부 상측의 처리 분위기(10)에 공급된다. 이와 같이, 가스 샤워 헤드(40)는, Sr 원료, Ti 원료 및 오존 가스를 독립적으로 처리 용기(2) 내에 공급하는, 포스트 믹스 타입의 가스 공급부로서 구성되어 있다.
한편, 둘레 가장자리 영역(40b)의 가스 샤워 헤드(40) 내부에는, 이미 서술한 중앙 영역(40a)의 가스 공급 공간(41～43)을 둘러싸는 환상의 공간으로서, 퍼지 가스 공급 공간(44)이 형성되어 있다. 이 퍼지 가스 공급 공간(44)은, 퍼지 가스를 퍼지 가스 공급 구멍(404)에 공급하는 역할을 수행한다. 퍼지 가스 공급 구멍(404)을 통과한 퍼지 가스는, 스테이지(31) 상의 웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부 상측의 처리 분위기(10)에 공급된다.
여기서, 도 3에 도시하는 바와 같이, 가스 샤워 헤드(40)의 상면은, 가열 수단의 일부를 구성하는 샤워 헤드 히터(47)로 덮여 있다. 샤워 헤드 히터(47)는, 여기서는, 시트 형상의 저항 발열체 등으로 이루어지며, 전원부(68)로부터 전력을 공급받아, 가스 샤워 헤드(40) 전체를 가열할 수 있도록 되어 있다. 이 결과, 처리 가스가 통류하는 공간인 처리 분위기(10)에 대하여 노출되는 가스 샤워 헤드(40)의 하면은, 예컨대 250℃ 이상으로 가열된다. 이것에 의해, 샤워 헤드(40)의 하면에 있어서의 처리 가스의 반응물의 부착을 방지할 수 있다. 또, 도시의 편의상, 도 3 이외의 도면에 있어서는, 샤워 헤드 히터(47)의 기재가 생략되어 있다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 예컨대 가스 샤워 헤드(40)의 상면에는, 각각의 가스 공급 공간(41～44)에 각종의 가스를 공급하기 위한 가스 공급로(51～54)가 접속되어 있다. 구체적으로는, Sr 원료 공급 공간(41)은 Sr 원료 공급로(51)와 접속되고, Ti 원료 공급 공간(42)은 Ti 원료 공급로(52)와 접속되며, 오존 가스 공급 공간(43)은 오존 가스 공급로(53)와 접속되고, 퍼지 가스 공급 공간(44)은 퍼지 가스 공급로(54)와 접속되어 있다. 또한, 이들 각 가스 공급로(51～54)는, 도 4의 가스 공급 경로도에 도시하는 바와 같이, 상류측에서 각종의 가스 공급원(61～64)과 각각 접속되어 있다.
상세하게는, Sr 원료 공급로(51)는, Sr 원료 공급원(61)과 접속되어 있고, 그 공급원(61)에는, 예컨대 Sr(THD)2(스트론튬비스테트라메틸헵탄디오나이트)나 Sr(Me5Cp)2(비스펜타메틸시클로펜타디에닐스트론튬) 등의 액체 Sr 원료가 저류되어 있다. 이 Sr 원료가 공급로에 압출되고, 기화기(611)에 의해 기화되어, Sr 원료 공급로(51)에 공급되도록 되어 있다.
Ti 원료 공급로(52)는, Ti 원료 공급원(62)과 접속되어 있고, 그 공급원(62)에는, 예컨대 Ti(OiPr)2(THD)2(티타늄비스이소프로폭사이드비스테트라메틸헵탄디오나이트)나 Ti(OiPr)(티타늄테트라이소프로폭사이드) 등의 Ti 원료가 저류되어 있다. Sr 원료의 경우와 마찬가지로, 이 Ti 원료가 공급로에 압출되고, 기화기(621)에 의해 기화되어, Ti 원료 공급로(52)에 공급되도록 되어 있다.
오존 가스 공급로(53)는, 예컨대 주지의 오조나이저(ozonizer) 등에 의해 구성되는 오존 가스 공급원(63)에 접속되어 있고, 또한, 퍼지 가스 공급로(54)는, 아르곤 가스 봄베 등에 의해 구성되는 퍼지 가스 공급원(64)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 각각의 공급로(53, 54)에, 오존 가스 및 아르곤 가스가 공급되도록 되어 있다.
또한, Sr 원료 공급로(51), Ti 원료 공급로(52), 오존 가스 공급로(53)는, 각각 경로의 도중에서 분기되어, 퍼지 가스 공급원(64)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 각 가스 공급로(51～53)로부터, 각각의 처리 가스로 바꿔 퍼지 가스를 공급할 수 있다. 또한, 각 가스 공급로(51～54)와 가스 공급원(61～64) 사이에는, 밸브 및 유량계 등으로 이루어지는 유량 제어 기기군(65)이 개재되어 설치되어 있다. 이것에 의해, 후술하는 제어부(7)로부터의 지시에 기초하여, 각종의 가스의 공급량이 제어되도록 되어 있다.
다음으로, 처리 용기(2)의 구성에 대해서 설명한다. 처리 용기(2)는, 각 부의 구동계 그리스의 열화나 압력계의 내열 한계 등의 문제를 해소하기 위해서, 처리 용기(2)의 가열 범위가 가능한 한 좁아지도록 구성되어 있다. 이하, 그 구성에 대해서 상세히 설명한다.
본 실시 형태에 따른 처리 용기(2)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 편평한 주발형의 하측 용기(22) 위에, 환상으로 형성된 배기 덕트(21)를 겹쳐 쌓은 구성으로 되어 있다. 하측 용기(22)는, 특허 청구의 범위에서의 하측 부분에 해당하는 것이며, 예컨대 알루미늄 등에 의해 구성되고, 그 바닥면에는 관통 구멍(221) 이 형성되어 있으며, 이미 서술한 스테이지(31)의 지지 부재(33)가 관통하도록 되어 있다. 또한, 관통 구멍(221) 주위에는, 예컨대 4부위에, 퍼지 가스 공급로(222)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 퍼지 가스 공급원(66)으로부터 공급되는 질소 가스 등의 퍼지 가스를 하측 용기(22) 내로 들여보낼 수 있도록 되어 있다.
하측 용기(22)의 측벽부(223)에는, 도 1 중에 파선으로 나타낸 바와 같이, 외부의 반송 기구에 의해 웨이퍼(W)의 반입반출을 행하는 반송구(28)가 형성되어 있다. 그 반송구(28)는, 도시하지 않은 게이트 밸브에 의해 개폐되도록 되어 있다. 이 게이트 밸브의 구동 기구에는 그리스가 이용되고 있다. 또한, 하측 용기(22)의 측벽부(223)는, 그 상면에 후술하는 배기 덕트(21)를 겹쳐 쌓을 수 있을 만큼의 두께를 구비하고 있다. 또한, 그 측벽부(223)의 상면은 평탄하게 되어 있다.
배기 덕트(21)는, 진공 배기로의 일부를 형성하며, 예컨대 알루미늄제이고, 도 2의 종단 사시도(부분 분해 사시도)에 도시하는 바와 같이, 단면 직사각형 형상의 만곡 덕트로 형성된 환상체(環狀體)로서 구성되어 있다. 그 환상체의 내경 및 외경은, 이미 서술한 하측 용기(22)의 측벽부(223)의 내경 및 외경과 거의 동일한 사이즈로 구성되어 있다. 여기서, 배기 덕트(21)의 처리 분위기에 가까운 측의 벽면을 내벽면, 처리 분위기로부터 먼 측의 벽면을 외벽면이라고 부른다. 내벽면의 상단부에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 가로 방향으로 연장되는 슬릿 형상의 배기구인 진공 배기구(211)가, 간격을 두고 둘레 방향을 따라 복수 배열되어 있다. 또한, 배기 덕트(21)의 외벽면의, 예컨대 1부위에, 진공 배기로의 일부를 구성하는 배기관(29)이 접속되어 있다. 그리고, 예컨대 도 2에 도시하는 바와 같이, 배기 관(29)에 접속된 진공 펌프(67)를 이용하여, 배기관(29) 및 배기 덕트(21)를 통해, 진공 배기구(211)로부터의 진공 배기를 행할 수 있도록 되어 있다.
또한, 배기 덕트(21)의 외벽면의 하면측 및 상면측에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 가열 수단을 구성하는 덕트 히터(214)가 설치되어 있다. 덕트 히터(214)는, 시트 형상의 저항 발열체 등으로 이루어지며, 전원부(68)로부터 공급되는 전력에 의해, 예컨대 배기 덕트(21) 전체를 230℃로 가열하도록 되어 있다. 이것에 의해, 배기 덕트(21) 내에의 반응물의 부착이 방지될 수 있다. 또, 도시의 편의상, 도 3 이외의 도면에 있어서는, 덕트 히터(214)의 기재가 생략되어 있다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 배기 덕트(21)의 강도 유지용 지주(213)가, 예컨대 서로 둘레 방향으로 인접하는 진공 배기구(211)들 사이에 위치하도록, 배기 덕트(21) 내에 줄지어 설치되어 있다. 또한, 배기 덕트(21)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 상면측으로부터 외벽면 및 하면측에 걸쳐, 단열부를 이루는 단열 부재(212)에 의해 덮여 있다.
여기서, 하측 용기(22)와 배기 덕트(21)의 적층 부분의 구조에 대해서 설명한다. 하측 용기(22)의 상단부면의 내측에는, 전체 둘레에 걸쳐, 그 상면이 수평한 돌기부(224)가 형성되어 있다. 한편, 배기 덕트(21)의 내벽면측의 하단부에는, 예컨대 배기 덕트(21)와 일체적으로, 예컨대 알루미늄으로 이루어지는 중간 링체(252)가 설치되어 있다. 그리고, 돌기부(224)의 상면에 형성된 홈 내에 삽입된 수지제의 시일 부재인 O링(253)을 통해, 돌기부(224)와 중간 링체(252)가 기밀하게 접합되어 있다. 또, 도시의 편의상, 도 1 이외의 도면에 있어서는, O링(253)의 기재가 생략되어 있다.
배기 덕트(21)와 하측 용기(22)가 이와 같이 기밀하게 접합된 상태에 있어서, 단열 부재(212)의 하면과 하측 용기(22)의 상면에 있어서의 돌기부(224)의 외측 사이에는, 간극(254)이 형성되어 있다. 이 간극(254)의 외측 쪽에, 배기 덕트(21)를 지지하기 위한 복수의 지지 부재(251)가, 둘레 방향으로 간격을 두고 설치되어 있다. 이 간극(254)은, 대기에 연통되는 공기층이며, 이 공기층과 단열 부재(212)가 단열부를 구성하고 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 처리 용기(2)의 상측 부분의 일부를 이루는 배기 덕트(21)는, 단열부를 개재하여, 하측 용기(22) 위에 겹쳐 쌓여져 있다. 바꿔 말하면, 배기 덕트(21)와 하측 용기(22)는, 서로 단열된 상태에서 대략 일체로 되어, 처리 용기(2)를 구성하고 있다. 그리고, 배기 덕트(21)의 내벽면에 형성된 복수의 진공 배기구(211)는, 가스 샤워 헤드(40)와 스테이지(31) 사이에 형성된 처리 분위기(10)를 포함하는 상부 공간에 개구되어 있기 때문에, 그 진공 배기구(211)로부터 처리 분위기(10)의 진공 배기를 행할 수 있다.
또한, 처리 용기(2)의 내부에는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 하측 용기(22) 내의 공간인 하부 공간을, 처리 분위기(10)를 포함하는 배치대(300)보다도 상부인 상부 공간으로부터 구획하기 위해서, 환상 돌출부인 내측 블록(26)이 설치되어 있다. 이 내측 블록(26)은, 예컨대 알루미늄에 의해 형성된 링 형상 부재이며, 하측 용기(22)의 측벽부(223) 내벽면과 스테이지(31)의 측둘레면 사이의 공간에 장전할 수 있는 사이즈로 형성되어 있다.
내측 블록(26)에는, 그 상면 외주부에, 외측으로 확대되는 돌기 가장자리(262)가 더 형성되어 있다. 그 돌기 가장자리(262)가 이미 서술한 중간 링체(252)에 걸림으로써, 하측 용기(22)의 내벽면으로부터 환상으로 돌출한 상태로, 내측 블록(26)의 전체가 고정되어 있다. 또한, 내측 블록(26)의 고정 높이 위치는, 반송구(28)의 상단보다도 높은 위치, 즉, 외부의 반송 기구와의 웨이퍼(W)의 전달 위치보다도 높은 위치로 설정되어 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 내측 블록(26)의 상면에는, 예컨대 동심원 형상으로 2개의 시스 히터(263)가 가열 수단으로서 매설되어 있다. 그 시스 히터(263)는, 전원부(68)로부터 공급되는 전력에 의해, 예컨대 내측 블록(26)을 230℃로 가열한다. 이것에 의해, 내측 블록(26)의 표면에의 반응물의 부착이 방지된다.
여기서, 내측 블록(26)의 돌기 가장자리(262)와 중간 링체(252) 사이에는, 이들이 실온일 때에는, 직경 방향으로 약간의 간극이 형성되어 있다. 그러나, 내측 블록(26)이 스테이지(31)로부터의 열복사에 의해 가열되었을 때에는, 내측 블록(26)의 열팽창에 의해, 돌기 가장자리(262)와 중간 링체(252)는 직경 방향으로 밀접하게 된다. 이것에 의해, 내측 블록(26)의 열이 배기 덕트(21)측으로 효과적으로 빠져나가, 내측 블록(26)의 과가열이 방지된다. 또한, 내측 블록(26)은, 표면에의 반응물의 퇴적을 억제하기 위해서, 도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 석영제의 블록 커버(261)에 의해 덮여 있다.
여기서, 스테이지(31)와 블록 커버(261)의 위치 관계에 대해서, 상세히 설명한다. 스테이지(31)가 처리 위치에 있을 때, 그 스테이지(31)를 덮는 스테이지 커 버(36)의 측면[스커트부(361)의 측면]과 상기 블록 커버(261)의 측면 사이의 간극은, 예컨대 2 ㎜이다. 이것에 의해, 처리 분위기의 가스가 하부 공간으로 확산되기 어려운 상태로 되어 있다. 이 상태가, 상부 공간과 하부 공간이 구획된 상태이다. 내측 블록(26)과 석영제의 블록 커버(261)가, 간극을 사이에 두고 배치대를 둘러싸는 포위 부분을 구성하고 있다.
또한, 배기 덕트(21)의 내벽면에 형성된 진공 배기구(211)와 처리 분위기(10) 사이에는, 배플 링(baffle ring; 27)이 배치되어 있다. 배플 링(27)은, 통류 컨덕턴스를 작게 함으로써, 처리 분위기(10)에서 보아 처리 용기(2)의 둘레 방향에 있어서의 배기의 균일화를 도모하기 위한 부재이다. 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 배플 링(27)은, 단면이 역 L자 형상으로 형성된 링 부재이며, 가스 샤워 헤드(40)의 둘레 가장자리부 바닥면에 고정되어 있다. 이것에 의해, 처리 분위기(10)의 주위에는, 가스 샤워 헤드(40)의 둘레 가장자리부로부터 하측으로 연장되는 환상의 돌출 가장자리부(271)[배플 링(27)]가 배치되게 된다. 이 때문에, 처리 분위기(10)로부터 배기되는 가스는, 이 돌출 가장자리부(271)와 내측 블록(26) 사이에 형성된 좁은 링 형상의 공간(11)을 통과하고 나서, 배기구(211)를 향하여 상승하게 된다. 즉, 처리 분위기로부터의 배기류는, 돌출 가장자리부(271)의 하측의 좁은 영역을 통해 굴곡된다. 이 때문에, 배기류의 통류 컨덕턴스는 한층 작아진다.
이상의 성막 장치(1)는, 이미 서술한 각 히터(214, 263, 32, 47)에 의한 가열 동작, 가스 공급원(61～63)으로부터의 가스 공급, 스테이지(31)의 승강 동작 등을 제어하는 제어부(7)를 구비하고 있다. 제어부(7)는, 예컨대 도시하지 않은 CPU 와 프로그램을 구비한 컴퓨터로 이루어진다. 그 프로그램에는, 성막 장치(1)에 의해 웨이퍼(W)에의 성막 처리를 행하는 데 필요한 제어, 예컨대 이미 서술한 각 히터(214, 263, 32, 47)의 가열 제어(온도 제어)나 가스 공급원(61～63)으로부터의 각종 가스 공급의 중단 내지 공급량에 관한 제어나 스테이지(31)의 승강 동작 제어 등에 대한 스텝(명령)군이 짜여져 있다. 이러한 프로그램은, 예컨대 하드 디스크, 컴팩트 디스크, 마그넷 광디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되어 있고, 그것으로부터 제어부(7)에 인스톨되는 것이 일반적이다.
다음으로, 상술한 실시 형태에 따른 성막 장치(1)의 작용에 대해서 설명한다. 먼저, 반송구(28)의 게이트 밸브가 개방되고, 외부의 반송 기구가 반송구(28)로부터 진입하여, 처리 용기(2) 내에 웨이퍼(W)가 반입된다. 계속해서, 승강 핀(34)을 통해, 전달 위치에 있는 스테이지(31) 상에, 웨이퍼(W)가 배치된다. 도시하지 않은 정전 척에 의해, 웨이퍼(W)는 스테이지(31) 상에 흡착 고정된다. 이 때, 도 3에 도시하는 바와 같이, 가열 수단을 구성하는 히터(214, 263)에 의해, 배기 덕트(21) 및 내측 블록(26)의 표면이, 예컨대 각각 230℃까지 가열된다. 또한, 히터(47)에 의해, 가스 샤워 헤드(40)의 표면이, 예컨대 250℃까지 가열된다. 계속해서, 반송구(28)의 게이트 밸브가 폐쇄되고, 처리 용기(2) 내가 기밀한 상태로 된 후, 진공 펌프(67)에 의해 배기 덕트(21)를 통해 처리 용기(2) 내를 진공 상태로 한다.
이 때, 이미 서술한 바와 같이, 내측 블록(26)은 웨이퍼(W)의 전달 위치보다도 높은 위치에 고정되어 있다. 이 때문에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 스테이 지(31)를 웨이퍼(W)의 전달 위치까지 강하시킨 상태에 있어서는, 하측 용기(22) 내의 공간은 처리 분위기(10)와 연통된(구획되어 있지 않은) 상태로 되어 있다. 이 때문에, 상술한 진공 배기 공정에서는, 하측 용기(22) 내를 포함하는 처리 용기(2) 내 전체가 진공 배기된다.
처리 용기(2) 내가 소정의 압력까지 진공 배기되면, 진공 배기를 계속한 채, 웨이퍼(W)가 배치된 스테이지(31)가 처리 위치까지 상승시켜진다. 본 실시 형태에 따른 성막 장치(1)는, 처리 위치에 대해서, 가스 샤워 헤드(40)의 하면과 웨이퍼(W)의 상면 사이의 거리 「h」가 변경 가능하다. 구체적으로는, 도 6A에 도시하는 바와 같이 「h=40 ㎜」인 가장 낮은(거리 「h」가 긴) 처리 위치로부터, 도 6B에 도시하는 바와 같이 「h=8 ㎜」가 되는 가장 높은(거리 「h」가 짧은) 처리 위치까지, 처리 위치를 상하 방향으로 자유롭게 변경할 수 있다. 「h=40 ㎜」에서의 처리 분위기(10)의 체적을 V1으로 하고, 링 형상 공간(11)의 체적을 V2로 한 경우, V1＜V2로 되어 있다. 이 경우, 처리 분위기(10)의 가스를 신속하게 배기 덕트(21)에 보낼 수 있어, 가스의 치환 시간을 짧게 할 수 있다.
여기서, 가스 샤워 헤드(40)의 하면과 웨이퍼(W)의 상면 사이의 거리 「h」와 성막 처리의 관계에 대해서 간단히 설명한다. 도 6B에 도시하는 바와 같이 거리 「h」를 짧게 한 경우, 처리 분위기(10)의 용적은 작아져, 각 원료 가스의 사용량을 억제할 수 있다. 또한, 그 처리 분위기(10)를 퍼지하는 시간도 단축되어, 성막 처리 전체에 필요로 하는 시간도 짧게 할 수 있다. 한편, 각 원료 가스 공급 구멍(401, 402)과 웨이퍼(W) 사이의 거리가 지나치게 짧아지면, 이들 공급 구멍(401, 402)의 형상(패턴)이 성막되는 막에 전사되어 버려, 막 두께의 불균일이 발생해 버린다고 하는 문제가 있다.
그래서, 본 실시 형태에 따른 성막 장치(1)에서는, 성막 조건을 지정한 레시피에 따라 최적의 처리 위치를 미리 기억해 두고, 그 성막 처리에 있어서 선택된 레시피에 규정되어 있는 처리 위치까지 스테이지(31)를 상승시키도록 구성되어 있다.
이상과 같은 동작 제어에 의해, 도 5에 도시한 전달 위치로부터, 도 6A 또는 도 6B의 처리 위치까지, 스테이지(31)가 상승된다. 이것에 의해, 스테이지 커버(36)의 측둘레면, 또는 그 측둘레면으로부터 연장된 스커트부(361)가 내측 블록(26)에 둘러싸인 상태가 되고, 스테이지(31)의 상측의 상부 공간[처리 분위기(10)를 포함함]과 하측 용기(22) 내의 공간인 하부 공간이, 스테이지(31) 및 내측 블록(26)에 의해 서로 구획된 상태가 된다.
이렇게 해서 상부 공간과 하부 공간이 구획되면, 퍼지 가스 공급로(222)로부터, 하측 용기(22) 내로의 퍼지 가스 도입이 개시된다. 그리고, 스테이지 히터(32)에 의해, 웨이퍼(W)의 온도가, 예컨대 280℃까지 가열된다. 그 후, STO의 성막 처리가 개시된다. 또, 도 5, 도 6, 도 8의 각 도면에 있어서는, 도시의 편의상, 스테이지 히터(32)의 기재는 생략하고 있다. 또한, 이하에서는, 웨이퍼(W)의 처리 위치는 도 6A에 도시하는 위치라고 하여, 설명이 이루어진다.
ALD 프로세스에 의한 STO의 성막 처리는, 도 7에 도시하는 가스 공급 시퀀스에 기초하여 실행된다. 도 7의 (a)～도 7의 (c)에 나타낸 희게 남겨 둔 칼럼은 각 가스 공급로(51～53)의 처리 가스(Sr 원료, Ti 원료, 오존 가스)의 유량을 나타내고 있다. 한편, 도 7의 (a)～도 7의 (d)의 사선의 음영으로 칠한 칼럼은, 각 가스 공급로(51～54)의 퍼지 가스의 공급량을 나타내고 있다.
또한, 도 8A 및 도 8B는, 이 시퀀스의 실행 중의 성막 장치(1) 내의 각 가스의 흐름을 모식적으로 도시하고 있다. 또 도시의 편의상, 도 8A 및 도 8에서는, 중앙 영역(40a)에 가스를 공급하는 각 가스 공급 공간(41～43)이나 가스 공급 구멍(401～403)이, 총괄적으로 처리 가스 공급 기구(48)로서 파선으로 나타나고, 둘레 가장자리 영역(40b)에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로(54)나 퍼지 가스 공급 구멍(404) 등이, 총괄적으로 퍼지 가스 공급 기구(49)로서 파선으로 나타나 있다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이, Sr 원료의 공급과, Ti 원료의 공급이 동시에 행해진다(원료 가스 공급 공정). 또한, 도 7의 (c) 및 도 7의 (d)에 도시하는 바와 같이, 원료 가스의 역류를 방지하기 위해서, 오존 가스 공급로(53)와 퍼지 가스 공급로(54)로부터는 소량의 퍼지 가스가 흐른다. 이 때, 처리 용기(2) 내에서는, 도 8A에 도시하는 바와 같이, 가스 샤워 헤드(40)의 중앙 영역(40a)으로부터 Sr 원료와 Ti 원료가 상이한 공급 구멍(401, 402)으로부터 따로따로 공급되고, 처리 분위기(10) 내에서 혼합되어(포스트 믹스), 스테이지(31) 상의 웨이퍼(W)의 중앙부에 도달한다. 처리 분위기(10)의 주위에는, 배기 덕트(21)에 형성된 진공 배기구(211)가 그 처리 분위기(10)를 둘러싸도록 배치되어 있기 때문에, 웨이퍼(W) 중앙부에 도달한 원료 가스는, 이들 진공 배기구(211)를 향하여 웨이 퍼(W)의 중앙부로부터 둘레 가장자리부로 흘러 간다. 이와 같이 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 둘레 가장자리부를 향하여 원료 가스가 흐름으로써, 원료 가스의 이동 거리가 짧아져, 각 원료 가스의 분자를 웨이퍼(W)의 직경 방향으로 균일하게 흡착시킬 수 있다.
또한, 링 형상 공간(11)의 입구(내측)에는, 이미 서술한 바와 같이, 처리 분위기(10)로부터 진공 배기구(211)까지의 공간의 통류 컨덕턴스를 작게 하기 위한 배플 링(27)이 설치되어 있다. 이 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이, 배기 덕트(21)의 1부위에 설치된 배기관(29)을 통해 각 진공 배기구(211)로부터의 진공 배기를 행하는 경우라도, 처리 분위기(10)에 대한 흡인력이 처리 용기(2)[진공 배기구(211)]의 둘레 방향에 있어서 균일화된다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 둘레 가장자리부를 향하여 흘러 가는 원료 가스의 흐름이, 한 방향으로 치우치지 않고서, 웨이퍼(W)의 둘레 방향으로 균일화된다. 이것에 의해, 각 원료 가스의 분자가 웨이퍼(W)의 둘레 방향으로 균일하게 흡착하여, 전체로서 면 내에서 균일한 흡착층이 형성된다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 장치(1)에서는, 각 원료 가스(제1 처리 가스)가 처리 분위기(10)에 공급될 때에, 스테이지(31) 및 내측 블록(26)이 처리 분위기(10)를 포함하는 상부 공간과 하측 용기(22) 내부의 하부 공간을 구획하고 있다. 이것에 의해, 원료 가스가 하측 용기(22) 내의 하부 공간으로 유입되는 것이 억제되어, 하부 공간에 반응 부착물이 형성되는 것이 방지된다. 특히, 하측 용기(22)측에는 퍼지 가스 공급로(222)로부터 퍼지 가스가 공급되고, 처리 분위 기(10)측에서는 진공 배기구(211)를 통한 진공 배기가 행해지고 있기 때문에, 도 8A에 도시하는 바와 같이, 스테이지(31)와 내측 블록(26) 사이의 간극에는, 하측 용기(22)로부터 진공 배기구(211)로 흐르는 퍼지 가스의 흐름이 형성된다. 이것에 의해, 원료 가스의 하측 용기(22)측으로의 유입을 저지하는 효과가 한층 높아지고 있다. 여기서, 스테이지(31)와 내측 블록(26) 사이의 간극을 흐르는 퍼지 가스는, 페클레수(peclet number) 「Pe」가 「Pe≥20」이 되도록, 퍼지 가스 공급로(222)로부터의 공급량이 조정된다. 이것에 의해, 역확산에 의한 원료 가스의 하측 용기(22)측으로의 유입을 효과적으로 방지할 수 있다. 여기서, Pe=Vs·Ls/D이다. Vs는 스테이지(31)와 내측 블록(26) 사이의 간극을 흐르는 퍼지 가스의 유속, Ls는 상기 간극의 길이, D는 원료 가스의 확산 상수이다.
한편, 원료 가스가 흐르는 통류 공간[처리 분위기(10), 배플 링(27)과 내측 블록(26) 사이의 링 형상 공간(11), 배기 덕트(21) 내의 공간]을 구성하는 부재에는, 그 통류 공간에 노출되는 부위를 가열하기 위한 각종 히터(214, 263, 32, 47)가 설치되어 있다. 이들 히터에 의해, 그 통류 공간에 노출되는 부위가, 반응물이 부착되는 온도보다도 높은 온도로 가열된다. 이것에 의해, 반응 부착물의 형성을 방지할 수 있다. 통류 공간에 노출되는 부위의 온도로서는, 적어도 200℃ 이상, 바람직하게는 230℃ 이상, 더 바람직하게는 250℃ 이상이다.
이렇게 해서, 소정 시간이 경과하여, 웨이퍼(W) 상에 원료 가스의 흡착층이 형성되면, 원료 가스의 공급이 정지된다. 도 7의 (a), 도 7의 (b) 및 도 7의 (d)에 도시하는 바와 같이, Sr 원료 공급로(51), Ti 원료 공급로(52) 및 퍼지 가스 공급 로(54)로부터 퍼지 가스가 공급되어, 처리 분위기(10) 및 처리 가스 공급 기구(48) 내부에 잔존하는 원료 가스가 퍼지된다(원료 가스 퍼지 공정). 또한, 도 7의 (c)에 도시하는 바와 같이, 오존 가스 공급로(53)로부터는 소량의 퍼지 가스가 흐르고 있다. 이 때, 처리 용기(2) 내에서는, 도 8B에 도시하는 바와 같이, 가스 샤워 헤드(40)의 중앙 영역(40a)과 둘레 가장자리 영역(40b)으로부터 동시에 퍼지 가스가 공급되기 때문에, 예컨대 이들 영역 중 어느 한쪽으로부터만 퍼지 가스가 공급되는 경우와 비교해서, 퍼지 가스량이 많아진다. 이것에 의해, 짧은 시간에 원료 가스의 퍼지를 끝낼 수 있다. 또한, 이 기간 중에 있어서도, 스테이지(31) 및 내측 블록(26)에 의해 처리 분위기(10)와 하측 용기(22) 내의 하부 공간이 구획되고, 또한, 스테이지(31)와 내측 블록(26) 사이의 간극에 퍼지 가스가 흐르고 있기 때문에, 배기되는 원료 가스가 하측 용기(22)측으로 유입되는 일은 거의 없다.
처리 분위기(10) 내의 퍼지가 종료되어도, 도 7의 (a), 도 7의 (b), 도 7의 (d)에 도시하는 바와 같이, Sr 원료 공급로(51), Ti 원료 공급로(52), 퍼지 가스 공급로(54)로부터는 소량의 퍼지가 계속된다[이것에 의해, 후에 공급되는 오존 가스의 처리 가스 공급 기구(48) 내로의 진입이 방지된다]. 계속해서, 도 7의 (c)에 도시하는 바와 같이, 오존 가스 공급로(53)로부터 오존 가스의 공급이 행해진다(오존 가스 공급 공정). 이 때, 처리 용기(2) 내에서는, 도 8A에 도시하는 바와 같이, 이미 서술한 원료 가스 공급의 경우와 거의 동일한 거동으로, 오존 가스가 처리 분위기(10) 내에 공급된다. 그리고, 웨이퍼(W)의 표면에 이미 흡착되어 있는 흡착층의 원료 가스와 오존 가스가, 스테이지 히터(32)로부터의 열에너지에 의해 반응하 여, STO의 분자층이 형성된다.
소정 시간만큼 오존 가스가 공급되면, 오존 가스의 공급이 정지되고, 도 7의 (c) 및 도 7의 (d)에 도시하는 바와 같이, 오존 가스 공급로(53) 및 퍼지 가스 공급로(54)로부터 퍼지 가스가 공급되어, 처리 분위기(10) 및 처리 가스 공급 기구(48) 내부에 잔존하는 오존 가스가 퍼지된다(오존 가스 퍼지 공정). 또한, 도 7의 (a) 및 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이, Sr 원료 공급로(51) 및 Ti 원료 공급로(52)로부터는, 소량의 퍼지 가스가 계속해서 흐른다. 이 때, 처리 용기(2) 내에서는, 이미 서술한 도 8B와 거의 동일한 경로로 퍼지 가스가 흘러, 비교적 단시간에 처리 분위기(10) 내에 잔존하는 오존 가스를 배제할 수 있다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 이상에 설명한 4개의 공정을 1사이클로 하여, 그 사이클을 미리 정해진 횟수, 예컨대 100회 반복함으로써, STO의 분자층을 다층화하여 소정의 막 두께를 갖는 STO막의 성막이 완료된다. 상기한 바와 같이, 원료 가스 공급 공정, 원료 가스 퍼지 공정, 오존 가스 공급 공정, 오존 가스 퍼지 공정의 각 공정에 있어서, 대유량으로 가스를 흘리는 가스 유로 이외의 가스 유로로부터, 반드시 소유량의 퍼지 가스가 흐르는 것이 유효하다.
본 실시 형태에 따른 성막 장치(1)에 따르면, 이하의 효과가 있다.
처리 위치의 배치대(300)를 둘러싸도록 내측 블록(26)을 설치함으로써, 처리 분위기를 포함하는 상부 공간과 그것보다도 하측인 하부 공간으로 구획할 수 있어, 처리 분위기로부터의 가스가 하부 공간으로 유입되기 어려워진다. 그리고 또한 하부 공간에 퍼지 가스를 공급함으로써, 내측 블록(26)과 배치대(300) 사이의 간극으 로부터 처리 분위기의 가스가 하부 공간으로 확산되는 것이, 보다 한층 억제되고 있다. 이 때문에, 하측 용기(22)를 부착물 방지를 위해 고온으로 가열하지 않아도 된다. 그리고, 하측 용기(22)와 배기 덕트(21) 사이를 단열하고, 또한, 내측 블록(26)과 하측 용기(22)와의 접합부의 접합 면적을 작게 하여, 하측 용기(22)를 열적으로 분리함으로써, 하측 용기(22)는, 예컨대 상온으로 유지할 수 있다(적어도, 상부 공간의 노출 부위와 같이, 고온으로는 되지 않는다).
게이트 밸브에 의해 개폐되는 반송구(28)는, 말하자면 이 「차가운」 하측 용기(22)에 설치되어 있다. 이 때문에, 반송구(28)의 게이트 밸브의 구동계나 배치대(33)를 승강시키기 위한 구동계에 있어서의 그리스의 열적 열화의 우려가 해소된다. 또한, 도시는 되어 있지 않으나, 처리 용기(2) 내의 압력을 측정하는 압력계도 하측 용기(2)에 설치되어 있다. 이 때문에, 압력계의 내열 한계의 문제도 해소되어, 압력 측정에 지장을 주는 일이 없다. 또한, 처리 용기(2) 전체를 가열하지 않아도 되기 때문에, 가열에 필요한 에너지량이 삭감되는 것도 이점이다.
또한, 가스 샤워 헤드(40)로부터 웨이퍼(W)에 가스를 공급하고, 처리 분위기를 둘러싸는 진공 배기구(211)로부터 진공 배기하고 있기 때문에, ALD에 있어서의 처리 가스의 전환 시에 대유량으로 퍼지 가스를 흘려도, 신속하게 배기할 수 있다. 이 때문에, ALD의 처리 가스의 전환 사이클을 빠르게 할 수 있어, 작업 처리량의 향상을 도모할 수 있다.
상술한 성막 장치(1)에서는, Sr 원료와 Ti 원료를 제1 처리 가스(원료 가스)로 하고, 오존 가스를 제2 처리 가스(반응 가스)로 하여, STO의 박막을 성막하는 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 성막 장치(1)로 성막 가능한 박막의 종류는 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, TEMAZ를 원료 가스, 오존 가스나 수증기를 반응 가스로 하여, 산화지르코늄의 박막을 성막하는 프로세스에 적용할 수도 있다. 또한, 성막 장치(1)에 적용 가능한 프로세스의 종류도, ALD나 MLD에 한정되지 않는다. 원료 가스와 반응 가스를 연속 공급하는 통상 타입의 CVD 프로세스에도, 본 발명의 성막 장치를 적용할 수 있다.
또, 상술한 실시 형태에서는, 처리 용기(2)의 내벽으로부터 환상으로 돌출하도록 내측 블록(26)이 설치되고, 그 내측 블록(26)의 내측에 스테이지(31)의 측둘레면을 대략 내접시킴으로써, 처리 분위기(10)와 하측 용기(22) 내부가 구획되어 있다. 그러나, 내측 블록(26)을 설치하지 않고, 이들 양 공간을 구획하도록 해도 좋다. 예컨대, 도 9에 도시한 성막 장치(1')에 있어서는, 하측 용기(22)의 측벽부(223)의 직경을 작게 하고, 그 측벽부(223)를 스테이지(31)의 측둘레면에 근접시켜, 「포위 부분」을 구성시키고 있다. 이러한 형태라도, 처리 분위기(10)와 하측 용기(22) 내부의 공간이 구획된다. 도 10의 확대도에 도시하는 바와 같이, 이 경우에는, 하측 용기(22)의 상면이 가스에 노출되는 부위가 된다. 따라서, 이러한 부위가, 예컨대 석영제의 커버 부재(225)로 덮여지고, 그 커버 부재(225)의 하면측에, 가열 수단인 히터(226)가 설치되어 있다. 이것에 의해, 하측 용기(22)의 상면에 반응물이 부착되는 것이 방지된다.

Claims (19)

  1. 진공 용기 내에 반송구를 통해 반입되어 그 진공 용기 내의 배치대에 전달된 기판에 대하여, 상기 배치대의 배치면을 가열하면서, 진공 분위기하에서, 상기 배치대에 대향하는 처리 가스 공급부로부터 처리 가스를 기판에 공급함으로써 그 기판에 성막(成膜) 처리를 행하는 성막 장치에 있어서,
    상기 배치대를, 기판이 성막 처리되는 처리 위치와, 그 처리 위치보다 하측이며, 상기 반송구로부터 진입하는 외부의 반송 기구와의 사이에서 기판이 전달되는 전달 위치 사이에서 승강시키기 위한 승강 기구와,
    상기 처리 위치에 있을 때의 상기 배치대를 간극을 개재하여 둘러싸고, 그 배치대와 함께, 상기 진공 용기 내를, 그 배치대보다도 상측의 상부 공간과 그 배치대보다도 하측의 하부 공간으로 구획하는 포위 부분과,
    상기 상부 공간에 연통(連通)되며, 상기 상부 공간 내의 처리 분위기를 진공 배기하는 진공 배기로와,
    상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지의 가스가 접촉하는 부위를, 반응물이 부착되는 온도보다도 높은 온도로 가열하는 가열 수단과,
    상기 가열 수단과, 상기 하부 공간을 둘러싸는 상기 진공 용기의 하측 부분 사이에 설치된 단열부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 공간에 퍼지 가스를 공급하기 위한 퍼지 가스 공급로가 설치되고,
    그 퍼지 가스는, 상기 배치대와 상기 포위 부분 사이의 상기 간극을 통해, 상기 상부 공간으로도 유입되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 포위 부분은, 상기 처리 위치에 있을 때의 상기 배치대의 측둘레면에 근접하여 이것을 둘러싸도록 상기 진공 용기의 내벽으로부터 환상(環狀)으로 내측으로 돌출하는 환상 돌출부에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진공 배기로의 일부는, 상기 상부 공간의 주위를 따라 배치된 배기 덕트로서 구성되어 있고,
    그 배기 덕트에, 상기 상부 공간의 둘레 방향을 따라 그 상부 공간으로부터의 배기류가 유입되는 배기구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배기 덕트는, 상기 상부 공간을 둘러싸도록 환상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 배기구는, 가로 방향으로 연장되는 슬릿 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  7. 삭제
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 배기 덕트의 하면측에, 상기 단열부로서의 단열 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 진공 용기의 하측 부분은, 상면이 개구된 편평한 하측 용기로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하측 용기의 바로 위에서 진공 용기의 상측 부분을 구성하는 부재는, 그 하측 용기의 상단부면의 내측 쪽의 영역에, 시일 부재를 통해 접촉하고 있고,
    상기 진공 용기의 상측 부분을 구성하는 부재와 상기 하측 용기의 상단부면의 외측 쪽의 영역 사이에는, 단열부를 구성하는 공기층을 형성하는 간극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열 수단에 의해 가열되는 상기 부위의 온도는 230℃ 이상인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  12. 제1항, 제4항, 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 공간에는, 상기 진공 용기의 둘레 방향에 있어서의 배기류의 균일화를 도모하기 위한 배플 링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배치대는, 배치대 본체와, 그 배치대 본체를 덮도록 그 배치대 본체에 착탈 가능하게 장착되는 커버 부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    처리 가스로서 원료 가스를 공급하여 기판에 흡착시키는 단계와,
    처리 가스로서 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 공급하여 기판 상에 반응 생성물을 생성하는 단계
    가 교대로 행해지도록 되어 있고,
    상기 양 단계 사이에, 처리 가스로서 퍼지 가스를 공급하여 처리 분위기를 퍼지하는 단계가 행해지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  15. 진공 용기 내에서 배치대 상의 기판에 대하여 진공 분위기하에서 처리 가스를 공급하여 성막 처리를 행하는 성막 방법에 있어서,
    외부의 반송 기구에 의해, 상기 진공 용기의 측벽의 반송구를 통해 전달 위치에 놓여진 배치대에 기판을 전달하는 공정과,
    상기 배치대를 상기 전달 위치로부터 처리 위치까지 상승시키고, 그 배치대를 간극을 개재하여 둘러싸는 포위 부분과 그 배치대에 의해, 상기 진공 용기 내를 그 배치대보다도 상측인 상부 공간과 그 배치대보다도 하측인 하부 공간으로 구획하는 공정과,
    상기 기판을 성막 온도까지 가열하고, 그 상측으로부터 그 기판에 대하여 처리 가스를 공급하는 공정과,
    상기 상부 공간에 연통되는 진공 배기로를 통해, 상기 상부 공간 내의 처리 분위기를 진공 배기하는 공정과,
    상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지의 가스가 접촉하는 부위를 가열하는 가열 수단과, 상기 하부 공간을 둘러싸는 상기 진공 용기의 하측 부분이 단열된 상태에서, 상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지 의 가스가 접촉하는 부위를, 반응물이 부착되는 온도보다도 높은 온도로 가열하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 처리 분위기가 상기 하부 공간으로 들어가는 것을 방지하기 위해서, 상기 하부 공간에 퍼지 가스를 공급하는 공정
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 상부 공간으로부터 상기 진공 배기로에 이르기까지의 가스가 접촉하는 부위는, 230℃ 이상으로 가열되는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 처리 분위기를 진공 배기하는 공정은, 상기 상부 공간의 주위를 따라 배치된 배기 덕트를 통해 행해지는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  19. 컴퓨터 프로그램을 저장한 기억 매체에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 제15항 또는 제16항에 기재된 성막 방법을 실시하도록 스텝이 짜여져 있는 것을 특징으로 하는 기억 매체.
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