KR101509453B1 - 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치 Download PDF

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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

본 발명은, 처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 공정; 상기 처리실 내에 잔류하는 상기 원료 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정; 상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정; 및 상기 처리실 내에 잔류하는 상기 반응종, 상기 산소 함유 가스, 상기 수소 함유 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정;을 이 순서대로 수행하는 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치{METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, SUBSTRATE PROCESSING METHOD, AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 기판 상에 박막을 형성하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
플래시 메모리 등의 반도체 장치(디바이스)에 이용되는 절연막을 형성하는 방법으로서 예컨대 기판을 수용한 처리 용기 내로의 원료 가스의 공급과, 가열된 대기압 미만의 압력 하에 있는 처리 용기 내로의 산소 함유 가스 및 수소 함유 가스의 공급을 교호(交互)적으로 반복하는 것에 의해, 실리콘 웨이퍼 등의 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 방법이 있다(예컨대 특허문헌 1 참조).
1. 일본 특개 2010-153776호 공보
하지만 최근의 반도체 디바이스의 미세화에 따른 저온 처리의 요구에 의해 성막 속도가 저하하여 생산성을 떨어뜨리는 것이 예상되어, 저온 하에서도 성막 속도를 향상시키고 생산성을 향상시키는 기술이 요구되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 저온 하에서도 성막 속도를 향상시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 형태에 의하면,
처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 공정;
상기 처리실 내에 잔류하는 상기 원료 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정;
상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정; 및
상기 처리실 내에 잔류하는 상기 반응종, 상기 산소 함유 가스, 상기 수소 함유 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정;
을 이 순서대로 수행하는 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 의하면,
처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 공정;
상기 처리실 내에 잔류하는 상기 원료 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정;
상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정; 및
상기 처리실 내에 잔류하는 상기 반응종, 상기 산소 함유 가스, 상기 수소 함유 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정;
을 이 순서대로 수행하는 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 포함하는 기판 처리 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판을 수용하여 처리하는 처리실;
상기 처리실 내의 기판을 제1 온도로 가열하는 제1 가열원(源);
복수 종류의 가스를 반응시키는 반응 예비실;
상기 반응 예비실 내를 상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열하는 제2 가열원;
상기 처리실 내에 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계;
상기 반응 예비실 내에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급계;
상기 반응 예비실 내에 수소 함유 가스를 공급하는 수소 함유 가스 공급계;
상기 처리실 내 및 상기 반응 예비실 내의 압력을 조정하는 압력 조정부; 및
상기 처리실 내에 수용되고 상기 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 처리와, 상기 처리실 내에 잔류하는 상기 원료 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 처리와, 상기 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 반응 예비실 내에서 상기 산소 함유 가스와 상기 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 산화층으로 변화시키는 처리와, 상기 처리실 내에 잔류하는 상기 반응종, 상기 산소 함유 가스, 상기 수소 함유 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 처리를 이 순서대로 수행하는 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해, 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하도록 상기 제1 가열원, 상기 제2 가열원, 상기 원료 가스 공급계, 상기 산소 함유 가스 공급계, 상기 수소 함유 가스 공급계 및 상기 압력 조정부를 제어하는 제어부;
를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 저온 하에서도 성막 속도를 향상시키고, 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 종형(縱型) 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종단면도(縱斷面圖)로 도시하는 도면.
도 2는 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 도 1의 A-A선 단면도로 도시하는 도면.
도 3은 본 실시 형태의 제1 성막 시퀀스에서의 가스 공급의 타이밍을 도시하는 도면.
도 4는 본 실시 형태의 제2 성막 시퀀스에서의 가스 공급의 타이밍을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SiO2막의 막 두께와 반응 예비실 내의 온도의 관계를 도시하는 그래프.
도 6은 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도.
도 7은 본 실시 형태의 변형예에서의 기판 처리 장치의 매엽식(枚葉式) 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종단면도로 도시하는 도면.
도 8은 본 실시 형태의 변형예에서의 기판 처리 장치의 매엽식 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종단면도로 도시하는 도면.
이하에 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략 구성도이며, 처리로(202) 부분을 종단면도로 도시한다. 또한 도 2는 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 종형 처리로의 개략 구성도이며, 처리로(202) 부분을 도 1의 A-A선 단면도로 도시한다. 또한 본 발명은 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에 한정되지 않고, 매엽식, Hot Wall형, Cold Wall형의 처리로를 포함하는 기판 처리 장치에도 바람직하게 적용할 수 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이 처리로(202)는 제1 가열원(제1 가열 수단)으로서의 제1 히터(207)를 포함한다. 제1 히터(207)는 원통 형상이며, 보지판(保持板)으로서의 히터 베이스(도시되지 않음)에 지지되는 것에 의해 수직으로 설치된다. 제1 히터(207)는 저항 가열형의 히터(저항 가열에 의한 열원)이며, 후술하는 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)를 제1 온도로 가열하도록 구성된다.
제1 히터(207)의 내측에는 제1 히터(207)와 동심원 형상으로 반응관으로서의 프로세스 튜브(203)가 배설(配設)된다. 프로세스 튜브(203)는 예컨대 석영(SiO2) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료에 의해 구성되고, 상단이 폐색(閉塞)되고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성된다. 프로세스 튜브(203)의 통중공부(筒中空部)에는 처리실(201)(반응실)이 형성되고, 기판으로서의 웨이퍼(200)를 후술하는 보트(217)에 의해 수평 자세로 수직 방향에 다단으로 정렬한 상태로 수용 가능하도록 구성된다. 프로세스 튜브(203)에 의해 반응 용기(처리 용기)가 형성된다.
프로세스 튜브(203) 내에는 제1 가스 도입부로서의 제1 노즐(233)과, 제2 가스 도입부로서의 제2 노즐(233a)이 프로세스 튜브(203) 하부의 측벽을 관통하도록 설치된다. 제1 노즐(233)과 제2 노즐(233a)은 각각 처리실(201)을 구성하는 프로세스 튜브(203)의 내벽과 웨이퍼(200) 사이에서의 원호 형상의 공간에 프로세스 튜브(203)의 내벽의 하부로부터 상부를 따라 웨이퍼(200)의 적재 방향 상방(上方)을 향하여 상승[立上]하도록 설치된다. 즉 제1 노즐(233), 제2 노즐(233a)은 각각 웨이퍼(200)가 배열되는 웨이퍼 배열 영역의 측방의 웨이퍼 배열 영역을 수평하게 둘러싸는 영역에 웨이퍼 배열 영역을 따르도록 설치된다. 제1 노즐(233), 제2 노즐(233a)은 각각 L자형의 롱 노즐로서 구성되고, 그 수평부는 반응관(203)의 하부 측벽을 관통하도록 설치되고, 그 수직부는 적어도 웨이퍼 배열 영역의 일단측(一端側)으로부터 타단측(他端側)을 향하여 상승하도록 설치된다. 제1 노즐(233), 제2 노즐(233a)의 측면에는 가스를 공급하는 가스 공급공(248, 248a)이 각각 설치된다. 가스 공급공(248, 248a)은 프로세스 튜브(203)의 중심을 향하도록 개구되고, 웨이퍼(200)를 향하여 가스를 공급하는 것이 가능하다. 이 가스 공급공(248, 248a)은 모두 하부로부터 상부에 걸쳐서 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 같은 개구 피치로 설치된다. 제1 노즐(233)에는 원료 가스 공급관(232)이 접속되고, 제2 노즐(233a)에는 반응 가스 공급관(232f)이 접속된다.
이와 같이 본 실시 형태에서의 가스 공급의 방법은 프로세스 튜브(203)의 내벽과 적재된 복수 매의 웨이퍼(200)의 단부(端部)로 정의되는 원호 형상의 세로로 긴 공간 내에 배치한 노즐(233, 233a)을 경유하여 가스를 반송하고, 노즐(233, 233a)에 각각 개구된 가스 공급공(248, 248a)으로부터 웨이퍼(200)의 근방에서 처음으로 프로세스 튜브(203) 내에 가스를 분출시켜서, 프로세스 튜브(203) 내에서의 가스의 주된 흐름을 웨이퍼(200)의 표면과 평행한 방향, 즉 수평 방향으로 한다. 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해, 각 웨이퍼(200)에 균일하게 가스를 공급할 수 있고, 각 웨이퍼(200)에 형성되는 박막의 막 두께를 균일하게 할 수 있는 효과가 있다. 또한 반응 후의 잔류 가스는 배기구, 즉 후술하는 배기관(231)의 방향을 향하여 흐르지만, 이 잔류 가스가 흐르는 방향은 배기구의 위치에 의해 적절히 특정되고, 수직 방향에 한정한 것은 아니다.
또한 프로세스 튜브(203)의 하방(下方)에 프로세스 튜브(203)를 지지하는 금속제의 매니폴드를 설치하고, 제1 노즐(233)과 제2 노즐(233a)을 이 금속제의 매니폴드의 측벽을 관통하도록 설치해도 좋다. 이 경우, 이 금속제의 매니폴드에 또한 후술하는 배기관(231)을 설치해도 좋다. 또한 이 경우에서도 배기관(231)을 금속제의 매니폴드가 아니라 프로세스 튜브(203)의 하부에 설치해도 좋다. 이와 같이 처리로의 노구부(爐口部)를 금속제로 하고, 이 금속제의 노구부에 노즐 등을 설치해도 좋다.
원료 가스 공급관(232)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241)(MFC) 및 개폐 밸브인 밸브(243)가 설치된다. 또한 원료 가스 공급관(232)의 밸브(243)보다 하류측에는 제1 불활성 가스 공급관(232e)이 접속된다. 이 제1 불활성 가스 공급관(232e)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241e) 및 개폐 밸브인 밸브(243e)가 설치된다. 원료 가스 공급관(232)의 선단부(先端部)에는 전술한 제1 노즐(233)이 접속된다. 주로 원료 가스 공급관(232), 매스 플로우 컨트롤러(241), 밸브(243)에 의해 원료 가스 공급계가 구성된다. 또한 제1 노즐(233)을 원료 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 주로 제1 불활성 가스 공급관(232e), 매스 플로우 컨트롤러(241e), 밸브(243e)에 의해 제1 불활성 가스 공급계가 구성된다. 제1 불활성 가스 공급계는 퍼지 가스 공급계로서도 기능한다.
원료 가스 공급관(232)으로부터는 소정 원소를 포함하는 원료 가스, 즉 소정 원소로서의 실리콘(Si)을 포함하는 원료 가스(실리콘 원료 가스)로서 예컨대 헥사클로로디실란(Si2Cl6, 약칭: HCDS) 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241), 밸브(243), 제1 노즐(233)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 즉 원료 가스 공급계는 실리콘 원료 가스 공급계로서 구성된다. 이 때 동시에 제1 불활성 가스 공급관(232e)으로부터 불활성 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241e), 밸브(243e)를 개재하여 원료 가스 공급관(232) 내에 공급되어도 좋다. 원료 가스 공급관(232) 내에 공급된 불활성 가스는 제1 노즐(233)을 개재하여 HCDS가스와 함께 처리실(201) 내에 공급된다. 또한 HCDS와 함께 상온 상압 하에서 액체 상태인 액체 원료를 이용하는 경우는 액체 원료를 기화기나 버블러 등의 기화 시스템에 의해 기화하여 원료 가스로서 공급된다.
반응 가스 공급관(232f)에는 개폐 밸브인 밸브(243f)가 설치된다. 반응 가스 공급관(232f)의 상류측에는 후술하는 반응 예비실(301)을 구성하는 반응 예비 용기(300)가 접속된다. 또한 반응 가스 공급관(232f)의 반응 예비실(301) 근방에는 그 내부의 압력, 즉 반응 예비실(301)의 2차 측(하류측)의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245b)가 설치된다. 주로 반응 가스 공급관(232f), 밸브(243f)에 의해 반응 가스 공급계가 구성된다. 또한 반응 가스 공급관(232f) 및 제2 노즐(233a)에 의해 반응 예비실(301)과 처리실(201)을 접속하고, 양 실(室)을 연통(連通)시키는 접속부로서의 배관부(연통부)가 구성되고, 이 배관부에 의해 반응 예비실(301) 내로부터 처리실(201) 내로 가스를 흘리는 유로(流路)가 형성된다.
반응 예비 용기(300)에는 또한 산소 함유 가스 공급관(232a)과 수소 함유 가스 공급관(232b)이 접속된다. 정확하게는 반응 예비 용기(300)에는 산소 함유 가스 공급관(232a)과 수소 함유 가스 공급관(232b)이 합류한 합류 배관부가 접속되고, 산소 함유 가스 공급관(232a), 수소 함유 가스 공급관(232b)보다 합류 배관부를 개재하여 반응 예비실(301) 내에 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 공급 가능하도록 구성된다.
산소 함유 가스 공급관(232a)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241a) 및 개폐 밸브인 밸브(243a)가 설치된다. 또한 산소 함유 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)보다 하류측에는 불활성 가스를 공급하는 제2 불활성 가스 공급관(232c)이 접속된다. 이 제2 불활성 가스 공급관(232c)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241c) 및 개폐 밸브인 밸브(243c)가 설치된다. 산소 함유 가스 공급관(232a)의 선단부(하류단부)에는 합류 배관부를 개재하여 반응 예비실(301)이 접속된다. 주로 산소 함유 가스 공급관(232a), 매스 플로우 컨트롤러(241a), 밸브(243a)에 의해 산소 함유 가스 공급계가 구성된다. 또한 주로 제2 불활성 가스 공급관(232c), 매스 플로우 컨트롤러(241c), 밸브(243c)에 의해 제2 불활성 가스 공급계가 구성된다. 제2 불활성 가스 공급계는 퍼지 가스 공급계로서도 기능한다.
수소 함유 가스 공급관(232b)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241b) 및 개폐 밸브인 밸브(243b)가 설치된다. 또한 수소 함유 가스 공급관(232b)의 밸브(243b)보다 하류측에는 불활성 가스를 공급하는 제3 불활성 가스 공급관(232d)이 접속된다. 이 제3 불활성 가스 공급관(232d)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241d) 및 개폐 밸브인 밸브(243d)가 설치된다. 수소 함유 가스 공급관(232b)의 선단부(하류단부)에는 합류 배관부를 개재하여 반응 예비실(301)이 접속된다. 주로 수소 함유 가스 공급관(232b), 매스 플로우 컨트롤러(241b), 밸브(243b)에 의해 수소 함유 가스 공급계가 구성된다. 또한 주로 제3 불활성 가스 공급관(232d), 매스 플로우 컨트롤러(241d), 밸브(243d)에 의해 제3 불활성 가스 공급계가 구성된다. 제3 불활성 가스 공급계는 퍼지 가스 공급계로서도 기능한다.
산소 함유 가스 공급관(232a)으로부터는 산소 함유 가스, 즉 산화성 가스로서 예컨대 산소(O2) 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241a), 밸브(243a)를 개재하여 반응 예비실(301) 내에 공급된다. 즉 산소 함유 가스 공급계는 산화성 가스 공급계로서 구성된다. 이 때 동시에 제2 불활성 가스 공급관(232c)으로부터 불활성 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241c), 밸브(243c)를 개재하여 산소 함유 가스 공급관(232a) 내에 공급되어도 좋다.
수소 함유 가스 공급관(232b)으로부터는 수소 함유 가스, 즉 환원성 가스로서 예컨대 수소(H2) 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241b), 밸브(243b)를 개재하여 반응 예비실(301) 내에 공급된다. 즉 수소 함유 가스 공급계는 환원성 가스 공급계로서 구성된다. 이 때 동시에 제3 불활성 가스 공급관(232d)으로부터 불활성 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241d), 밸브(243d)를 개재하여 수소 함유 가스 공급관(232b) 내에 공급되어도 좋다.
또한 산소 함유 가스 공급관(232a)과 수소 함유 가스 공급관(232b)이 합류한 합류 배관부의 하류측의 반응 예비실(301) 근방에는 그 내부의 압력, 즉 반응 예비실(301)의 1차 측(상류측)의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245a)가 설치된다.
반응 예비 용기(300)는 예컨대 석영(SiO2) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료에 의해 구성되고, 원통 형상으로 형성된다. 반응 예비 용기(300)의 통중공부에는 반응 예비실(301)이 형성되고, 반응 예비실(301)은 그 내부에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시키도록 구성된다. 반응 예비 용기(300)에는 1개의 인렛과 1개의 아웃렛이 설치된다. 반응 예비 용기(300)의 인렛에는 전술한 산소 함유 가스 공급관(232a)과 수소 함유 가스 공급관(232b)이 합류한 합류 배관부가 접속되고, 반응 예비실(301) 내에 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 공급하는 것이 가능하도록 구성된다. 반응 예비 용기(300)의 아웃렛에는 전술한 반응 가스 공급관(232f)이 접속되고, 반응 예비실(301) 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시켜서 생성시킨 원자상(原子狀) 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종을 반응 가스 공급관(232f) 내에 공급하는 것이 가능하도록 구성된다. 반응 예비 용기(300)의 주위에는 제2 가열원(제2 가열 수단)으로서의 제2 히터(302)가 반응 예비 용기(300)의 원통 측면을 피복하도록 설치된다. 제2 히터(302)는 원통 형상이며, 마찬가지로 원통 형상인 반응 예비 용기(300)와 동심원 형상으로 설치된다. 제2 히터(302)는 저항 가열형의 히터(저항 가열에 의한 열원)이며, 반응 예비실(301) 내를 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열하도록 구성된다. 또한 제2 히터(302)는 제1 히터(207)와는 독립하여 제어 가능하도록 구성된다. 또한 제2 히터(302) 및 반응 예비 용기(300)의 주위에는 단열 부재(303)가 설치된다.
또한 전술과 같이 산소 함유 가스 공급관(232a)과 수소 함유 가스 공급관(232b)이 합류한 합류 배관부, 반응 가스 공급관(232f)의 반응 예비실(301) 근방에는 압력 센서(245a, 245b)가 각각 설치된다. 전술과 같이 압력 센서(245a)는 반응 예비실(301)의 1차 측(상류측)의 압력, 즉 반응 예비실(301)의 인렛측의 압력을 검출하도록 구성되고, 압력 센서(245b)는 반응 예비실(301)의 2차 측(하류측)의 압력, 즉 반응 예비실(301)의 아웃렛측의 압력을 검출하도록 구성된다. 또한 웨이퍼(200)에 대한 처리 중의 적어도 후술하는 산화 공정에서는 압력 센서(245a, 245b)에 의해 반응 예비실(301)의 1차 측의 압력과 반응 예비실(301)의 2차 측의 압력이 모니터되어, 반응 예비실(301) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력으로 유지되는지에 대한 여부가 감시된다. 이 때 반응 예비실(301)과 처리실(201) 사이의 배관부 내의 압력도 대기압 미만의 소정의 압력으로 유지되는지에 대한 여부가 감시된다.
또한 반응 예비실(301) 내의 압력이나 배관부 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력으로 유지되는지에 대한 여부를 감시하기 위해서는 반응 예비실(301)의 적어도 2차 측의 압력을 모니터하면 좋고, 1차 측의 압력의 모니터링은 반드시 수행하지 않아도 좋다. 이 경우, 반응 예비실(301)의 1차 측의 압력 센서(245a)를 생략해도 좋다. 단, 반응 예비실(301)의 1차 측의 압력과 2차 측의 압력의 양방(兩方)의 압력을 모니터 하는 것이 보다 확실하게 반응 예비실(301) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력으로 유지되는지에 대한 여부를 감시할 수 있고, 보다 적절한 양의 반응종을 생성하는 것이 가능해지고, 또한 안전성을 따라 높이는 것이 가능해진다.
프로세스 튜브(203)의 하부에는 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 설치된다. 프로세스 튜브(203)와 배기관(231)의 접속부에 배기구가 형성된다. 배기관(231)에는 압력 검출기(압력 조정부)로서의 압력 센서(245) 및 압력 조정기(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller)밸브(244)를 개재하여 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속된다. 또한 APC밸브(244)는 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐하는 것에 의해 처리실(201) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 수행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브 개도(開度)를 조절하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력 조정을 수행할 수 있도록 구성되는 밸브다. 주로 배기관(231), APC밸브(244), 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 또한 진공 펌프(246)를 배기계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 배기계는 진공 펌프(246)를 작동시키면서 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 APC밸브(244)의 밸브의 개도를 조절하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력이 소정의 압력(진공도)이 되도록 진공 배기할 수 있도록 구성된다.
또한 웨이퍼(200)에 대한 처리 중에는 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 APC밸브(244)의 밸브의 개도가 조절되어, 처리실(201) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력이 되도록 조정(제어)되지만, 이 때 적어도 후술하는 산화 공정에서는 반응 예비실(301) 내의 압력도 대기압 미만의 소정의 압력이 되도록 조정된다. 또한 반응 예비실(301)과 처리실(201) 사이의 배관부 내의 압력도 대기압 미만의 소정의 압력이 되도록 조정된다. 이 때 전술과 같이 압력 센서(245a, 245b)에 의해 반응 예비실(301)의 1차 측의 압력과 2차 측의 압력이 모니터 되어, 반응 예비실(301) 내의 압력이나 배관부 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력으로 유지되는지에 대한 여부가 감시된다.
여기서 반응 예비실(301) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력, 즉 3,999Pa 이하, 바람직하게는 2,666Pa 이하의 압력으로 유지되는 경우, 소정의 온도, 예컨대 450℃ 이상의 온도 하에서는 O2가스와 H2가스가 반응하여, 원자상 산소(O) 등의 H2O 비함유의 반응종을 생성하는 것이 가능해진다. 특히 반응 예비실(301) 내의 압력이 1,333Pa 이하의 압력으로 유지되는 경우, 소정의 온도, 예컨대 450℃ 이상의 온도 하에서는 O2가스와 H2가스가 적절하게 반응하여, H2O를 생성하지 않고 적절한 양의 원자상 산소(O) 등의 반응종을 생성하는 것이 가능해진다. 또한 원자상 산소(O) 등의 H2O 비함유의 반응종의 생성 효율은 같은 온도 하에서는 반응 예비실(301) 내의 압력을 1,333Pa 이하로 한 경우가 가장 높고, 반응 예비실(301) 내의 압력을 2,666Pa 이하로 한 경우가 다음으로 높고, 반응 예비실(301) 내의 압력을 3,999Pa 이하로 한 경우가 그 다음으로 높다. 즉 반응 예비실(301) 내의 압력은 3,999Pa 이하, 바람직하게는 2,666Pa 이하, 보다 바람직하게는 1,333Pa 이하로 하는 것이 좋다. 또한 이와 같은 압력 하에서는 예컨대 450℃ 이상의 열이 가해진 경우에도 O2가스와 H2가스의 반응 확률이 비교적 낮아 연쇄 반응에 이르는데 필요한 반응열에 의한 열량 공급이 이루어지지 않고, 또한 국소적인 체적 팽창에 따르는 압력 변동이 흡수되기 때문에 O2가스와 H2가스의 혼합 기체의 폭발 범위에서 제외하는 것이 가능해진다.
반대로 반응 예비실(301) 내의 압력이 3,999Pa를 넘으면, 예컨대 450℃ 이상의 열이 가해진 경우에 O2가스와 H2가스의 반응이 지나치게 진행되어 H2O가 비교적 많이 생성되어 원자상 산소(O) 등의 반응종의 생성량이 감소하고, 이 반응종을 반응의 주체로 하는 처리를 적절히 수행할 수 없게 된다. 또한 이 온도 및 압력 하에서는 H2/O2 비에 따라서는 폭발의 위험이 발생한다.
그렇기 때문에 본 실시 형태에서는 반응 예비실(301) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력, 즉 3,999Pa(30Torr) 이하의 압력으로 유지되는 경우에는 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급을 가능하게 하고, 반응 예비실(301) 내의 압력이 3,999Pa 이하의 압력으로 유지되지 않는 경우, 즉 3,999Pa를 초과한 경우에는 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급을 불가능하게 한다.
예컨대 반응 예비실(301) 내의 압력이 3,999Pa를 초과한 경우에서 밸브(243b)가 닫힘[閉]상태의 경우에는 이를 열림[開] 상태로 하지 못하도록 하고, 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급을 수행하지 못하도록 한다. 이 때 밸브(243a)가 닫힘 상태의 경우, 이를 열림 상태로 하지 못하도록 하고, 반응 예비실(301) 내로의 O2가스의 공급을 수행하지 못하도록 해도 좋다. 또한 반응 예비실(301) 내의 압력이 3,999Pa를 초과한 경우에서 밸브(243b)가 이미 열림 상태의 경우에는 이를 닫힘 상태로 하고, 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급을 정지시키는 것에 의해 웨이퍼(200)에 대한 처리를 정지시킨다. 이 때 밸브(243a)가 이미 열림 상태의 경우에는 이를 닫힘 상태로 하고, 반응 예비실(301) 내로의 O2가스의 공급을 정지시켜도 좋다. 단 이 경우, H2/O2비에 따라서는 폭발 범위에 들어갈 수 있기 때문에 O2가스의 공급 정지를 H2가스의 공급 정지보다 늦추는 등 하여 O2가스의 공급 정지의 타이밍을 적절히 조정할 필요가 있다.
한편, 반응 예비실(301) 내의 압력이 3,999Pa 이하의 압력으로 유지되는 경우는 밸브(243b)를 열림 상태로 할 수 있는 상태로 유지하고, 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급을 가능한 상태로 유지한다. 밸브(243a)에 대해서도 마찬가지로 열림 상태로 할 수 있는 상태로 유지하고, 반응 예비실(301) 내로의 O2가스의 공급을 가능한 상태로 유지한다.
이와 같이 본 실시 형태에서는 웨이퍼(200)에 대한 처리 중의 적어도 산화 공정에서는 압력 센서(245a, 245b)를 이용하여 반응 예비실(301) 내의 압력을 모니터 하는 것에 의해 반응 예비실(301) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력이 경우에만 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급, 또한 O2가스의 공급을 가능하게 하는 등 압력 센서(245a, 245b)를 인터로크의 트리거로서 사용한다. 또한 이 인터로크 제어는 후술하는 컨트롤러(280)에 의해 수행한다.
또한 웨이퍼(200)에 대한 처리 중의 적어도 산화 공정에서는 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 APC밸브(244)를 피드백 제어할 때, 압력 센서(245a, 245b)에 의해 검출된 압력 정보를 고려해도 좋다. 즉 웨이퍼(200)에 대한 처리 중의 적어도 산화 공정에서는 압력 센서(245, 245a, 245b)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 APC밸브(244)를 피드백 제어하여, 처리실(201) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력이 되도록, 또한 반응 예비실(301) 내의 압력이나 배관부 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력이 되도록 제어해도 좋다. 주로 압력 센서(245, 245a, 245b), APC밸브(244)에 의해 압력 제어부(압력 조정부)가 구성된다.
프로세스 튜브(203)의 하방에는 프로세스 튜브(203)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 개체(蓋體)로서의 씰 캡(219)이 설치된다. 씰 캡(219)은 프로세스 튜브(203)의 하단에 수직 방향 하측으로부터 당접(當接)되도록 구성된다. 씰 캡(219)은 예컨대 스텐레스 등의 금속으로 이루어지고, 원반 형상으로 형성된다. 씰 캡(219)의 상면에는 프로세스 튜브(203)의 하단과 당접하는 씰 부재로서 O링(220)이 설치된다. 씰 캡(219)의 처리실(201)과 반대측에는 후술하는 기판 보지구로서의 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치된다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은 씰 캡(219)을 관통하여 보트(217)에 접속된다. 회전 기구(267)는 보트(217)를 회전시키는 것에 의해 웨이퍼(200)를 회전시키도록 구성된다. 씰 캡(219)은 프로세스 튜브(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성된다. 보트 엘리베이터(115)는 씰 캡(219)을 승강시키는 것에 의해 보트(217)를 처리실(201) 내에 대하여 반입·반출하는 것이 가능하도록 구성된다.
기판 보지구로서의 보트(217)는 예컨대 석영이나 탄화규소 등의 내열성 재료에 의해 구성되고, 복수 매의 웨이퍼(200)를 수평 자세에서 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 정렬시켜서 다단으로 보지하도록 구성된다. 또한 보트(217)의 하부에는 예컨대 석영이나 탄화규소 등의 내열성 재료로 이루어지는 단열 부재(218)가 설치되고, 제1 히터(207)로부터의 열이 씰 캡(219)측에 전달되기 어렵도록 구성된다. 또한 단열 부재(218)는 석영이나 탄화규소 등의 내열성 재료로 이루어지는 복수 매의 단열판과, 이와 같은 단열판을 수평 자세로 다단으로 지지하는 단열판 홀더에 의해 구성해도 좋다.
도 2에 도시되는 바와 같이 프로세스 튜브(203) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치된다. 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 제1 히터(207)로의 통전 상태를 조정하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 되도록 구성된다. 온도 센서(263)는 제1 노즐(233) 및 제2 노즐(233a)과 마찬가지로 L자형으로 구성되고, 프로세스 튜브(203)의 내벽을 따라 설치된다. 또한 도 1에 도시되는 바와 같이 반응 예비실(301) 내에도 온도 검출기로서의 온도 센서(263a)가 설치된다. 온도 센서(263a)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 제2 히터(302)로의 통전 상태를 조정하는 것에 의해 반응 예비실(301) 내의 온도가 원하는 온도가 되도록 구성된다.
또한 웨이퍼(200)에 대한 처리 중에는 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 제1 히터(207)로의 통전 상태가 조정되고, 처리실(201) 내 및 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)가 제1 온도가 되도록 제어된다. 또한 온도 센서(263a)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 제2 히터(302)로의 통전 상태가 조정되고, 반응 예비실(301) 내가 제1 온도보다 높은 제2 온도가 되도록 제어된다.
도 6에 도시되는 바와 같이 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(280)는 CPU(280a)(Central Processing Unit), RAM(280b)(Random Access Memory), 기억 장치(280c), I/O 포트(280d)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(280b), 기억 장치(280c), I/O 포트(280d)는 내부 버스(280e)를 개재하여 CPU(280a)와 데이터 교환 가능하도록 구성된다. 컨트롤러(280)에는 예컨대 터치패널 등으로서 구성된 입출력 장치(281)가 접속된다.
기억 장치(280c)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(280c) 내에는 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 후술하는 기판 처리의 순서나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하도록 격납된다. 또한 프로세스 레시피는 후술하는 기판 처리 공정에서의 각 순서를 컨트롤러(280)에 실행시켜 소정의 결과를 얻을 수 있도록 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여 단순히 프로그램이라고도 부른다. 또한 본 명세서에서 프로그램이라는 단어를 이용한 경우는 프로세스 레시피 단체(單體)만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양방을 포함하는 경우가 있다. 또한 RAM(280b)는 CPU(280a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역(work area)으로서 구성된다.
I/O 포트(280d)는 전술한 매스 플로우 컨트롤러(241, 241a, 241b, 241c, 241d, 241e), 밸브(243, 243a, 243b, 243c, 243d, 243e, 243f), 압력 센서(245, 245a, 245b), APC밸브(244), 진공 펌프(246), 제1 히터(207), 제2 히터(302), 온도 센서(263, 263a), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115) 등에 접속된다.
CPU(280a)는 기억 장치(280c)로부터 제어 프로그램을 판독하여 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(281)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(280c)로부터 프로세스 레시피를 판독하도록 구성된다. 그리고 CPU(280a)는 판독한 프로세스 레시피의 내용을 따르도록, 매스 플로우 컨트롤러(241, 241a, 241b, 241c, 241d, 241e)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(243, 243a, 243b, 243c, 243d, 243e, 243f)의 개폐 동작, 압력 센서(245, 245a, 245b)에 의한 압력 모니터링, APC밸브(244)의 개폐 동작 및 APC밸브(244)에 의한 압력 센서(245)에 기초하는 압력 조정 동작, 압력 센서(245a, 245b)에 기초하는 인터로크 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 제1 히터(207)의 온도 조정 동작, 온도 센서(263a)에 기초하는 제2 히터(302)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작 등을 제어하도록 구성된다.
또한 컨트롤러(280)는 전용의 컴퓨터로서 구성되는 경우에 한정되지 않고, 범용의 컴퓨터로서 구성되어도 좋다. 예컨대 전술한 프로그램을 격납한 외부 기억 장치(282)[예컨대 자기 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기(磁氣) 디스크, CD나 DVD 등의 광(光)디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리]를 준비하고, 이와 같은 외부 기억 장치(282)를 이용하여 범용의 컴퓨터에 프로그램을 인스톨하는 것 등에 의해 본 실시 형태에 따른 컨트롤러(280)를 구성할 수 있다. 또한 컴퓨터에 프로그램을 공급하기 위한 수단은 외부 기억 장치(282)를 개재하여 공급하는 경우에 한정되지 않는다. 예컨대 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 이용하여 외부 기억 장치(282)를 개재하지 않고 프로그램을 공급해도 좋다. 또한 기억 장치(280c)나 외부 기억 장치(282)는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성된다. 이하, 이들을 총칭하여 단순히 기록 매체라고도 부른다. 또한 본 명세서에서 기록 매체라는 단어를 이용한 경우는 기억 장치(280c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(282) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양방을 포함하는 경우가 있다.
다음으로 전술한 기판 처리 장치의 처리로를 이용하여 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 기판 상에 절연막인 산화막으로서의 실리콘 산화막을 성막하는 시퀀스예에 대하여 설명한다. 또한 이하의 설명에서 기판 처리 장치를 구성하는 각(各) 부(部)의 동작은 컨트롤러(280)에 의해 제어된다.
(제1 성막 시퀀스)
도 3에 본 실시 형태의 제1 성막 시퀀스에서의 가스 공급의 타이밍 도면을 도시한다. 도 3의 상측의 도면은 처리실 내로의 가스 공급의 타이밍을 도시하고, 하측의 도면은 반응 예비실 내로의 가스 공급의 타이밍을 도시한다. 또한 도 3은 편의상, 처리실 내 및 반응 예비실 내에 공급하는 주요 물질의 공급 타이밍을 도시한다.
본 실시 형태의 제1 성막 시퀀스에서는 처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스(HCDS가스)를 공급하는 것에 의해 기판 상에 실리콘 함유층(Si함유층)을 형성하는 공정; 및 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스(O2가스)와 수소 함유 가스(H2가스)를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종[원자상 산소(O)]을 생성하고, 그 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리실 내의 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 기판 상에 형성된 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층(SiO2층)에 변화시키는 공정;을 교호적으로 반복하는 것에 의해 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막(SiO2막)을 형성한다.
이하, 이를 구체적으로 설명한다. 또한 본 실시 형태의 제1 성막 시퀀스에서는 원료 가스로서 HCDS가스를 이용하고, 산소 함유 가스로서 O2가스를 이용하고, 수소 함유 가스로서 H2가스를 이용하여, 도 3의 성막 시퀀스에 의해 기판 상에 절연막으로서 산화막인 SiO2막을 형성하는 예에 대하여 설명한다.
복수 매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(裝塡)(웨이퍼 차지)되면, 도 1에 도시되는 바와 같이 복수 매의 웨이퍼(200)를 보지한 보트(217)는 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어올려져 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서 씰 캡(219)은 O링(220)을 개재하여 프로세스 튜브(203)의 하단을 밀봉한 상태가 된다.
계속해서 처리실(201) 내가 대기압 미만의 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이 때 반응 가스 공급관(232f)의 밸브(243f)를 열어 두는 것에 의해 반응 예비실(301) 내도 대기압 미만의 원하는 압력이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 동시에 반응 예비실(301)과 처리실(201) 사이의 배관부 내[반응 가스 공급관(232f) 내 및 제2 노즐(233a) 내]도 대기압 미만의 원하는 압력이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 또한 반응 예비실(301) 내는 반응 가스 공급관(232f), 제2 노즐(233a), 처리실(201), 배기관(231)을 개재하여 진공 배기된다. 이 때 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)에 의해 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC밸브(244)가 피드백 제어된다(압력 조정). 또한 진공 펌프(246)는 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료할 때까지의 사이에는 상시 작동시킨 상태를 유지한다.
이 때 압력 센서(245a, 245b)에 의해 반응 예비실(301)의 1차 측의 압력과 2차 측의 압력이 모니터 되어, 반응 예비실(301) 내의 압력이나 배관부 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력으로 유지되는지에 대한 여부가 감시된다(압력 모니터링). 여기서 반응 예비실(301) 내의 압력이 대기압 미만의 소정의 압력, 즉 3,999Pa(30Torr) 이하의 압력으로 유지되는 경우에는 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급을 가능하게 하고, 반응 예비실(301) 내의 압력이 3,999Pa 이하의 압력으로 유지되지 않은 경우, 즉 3,999Pa를 초과한 경우에는 반응 예비실(301) 내로의 H2가스의 공급을 불가능하게 하도록 인터로크 제어가 수행된다. 또한 반응 예비실(301) 내로의 O2가스의 공급에 대해서도 마찬가지로 인터로크 제어가 수행되도록 해도 좋다. 또한 이 때 압력 센서(245, 245a, 245b)에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 APC밸브(244)를 피드백 제어해도 좋다. 이 압력 조정이나 압력 모니터링은 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료할 때까지의 사이는 계속해서 수행된다.
또한 처리실(201) 내 및 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)가 제1 온도가 되도록 제1 히터(207)에 의해 가열된다. 이 때 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포가 되도록 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 제1 히터(207)로의 통전 상태가 피드백 제어된다(온도 조정). 또한 이 때 반응 예비실(301) 내가 제1 온도보다 높은 제2 온도가 되도록 제2 히터(302)에 의해 가열된다. 이 때 반응 예비실(301) 내가 원하는 온도가 되도록 온도 센서(263a)가 검출한 온도 정보에 기초하여 제2 히터(302)로의 통전 상태가 피드백 제어된다. 또한 제1 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열과, 제2 히터(302)에 의한 반응 예비실(301) 내의 가열은 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료할 때까지의 사이는 계속해서 수행된다.
계속해서 회전 기구(267)에 의해 보트(217)가 회전되는 것에 의해 웨이퍼(200)가 회전된다. 또한 보트(217)의 회전에 의한 웨이퍼(200)의 회전은 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료할 때까지의 사이는 계속해서 수행된다. 그 후, 후술하는 4가지 스텝을 순차 실행한다.
[스텝1](실리콘 함유층 형성 공정)
원료 가스 공급관(232)의 밸브(243)를 열고, 원료 가스 공급관(232)에 HCDS가스를 흘린다. HCDS가스는 원료 가스 공급관(232)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 HCDS가스는 제1 노즐(233)의 가스 공급공(248)으로부터 가열된 감압 상태의 처리실(201) 내에서의 웨이퍼 배열 영역에 대응하는 웨이퍼 배열 영역 측방에서의 영역의 복수 개소(箇所)로부터 공급된다. 처리실(201) 내에 공급된 HCDS가스는 처리실(201) 내를 유하(流下)하여 웨이퍼 배열 영역의 하단측에 설치된 배기구를 개재하여 배기관(231)으로부터 배기된다(HCDS가스 공급).
이 때 제1 불활성 가스 공급관(232e)의 밸브(243e)를 열고, 제1 불활성 가스 공급관(232e)으로부터 불활성 가스로서 N2가스를 공급해도 좋다. N2가스는 매스 플로우 컨트롤러(241e)에 의해 유량 조정되어 원료 가스 공급관(232) 내에 공급된다. 유량 조정된 N2가스는 원료 가스 공급관(232) 내에서 유량 조정된 HCDS가스와 혼합되어 제1 노즐(233)의 가스 공급공(248)으로부터 가열된 감압 상태의 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
또한 이 때 제2 노즐(233a) 내로의 HCDS가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(243c, 243d)를 열고, 제2 불활성 가스 공급관(232c), 제3 불활성 가스 공급관(232d) 내에 N2가스를 흘려도 좋다. N2가스는 산소 함유 가스 공급관(232a), 수소 함유 가스 공급관(232b), 반응 가스 공급관(232f), 제2 노즐(233a)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 1∼1,333Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241)로 제어하는 HCDS가스의 공급 유량은 예컨대 10∼2,000sccm(0.01∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 매스 플로우 컨트롤러(241e, 241c, 241d)로 제어하는 N2가스의 공급 유량은 각각 예컨대 100∼2,000sccm(0.1∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. HCDS가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간, 즉 가스 공급 시간(조사 시간)은 예컨대 1∼120초의 범위 내의 시간으로 한다. 제1 히터(207)의 온도는 전술한 압력대에서 처리실(201) 내로 CVD반응이 발생할 수 있는 온도가 되도록 설정한다. 즉 웨이퍼(200)의 온도가 제1 온도, 예컨대 100∼450℃의 범위 내의 온도가 되도록 제1 히터(207)의 온도를 설정한다. 또한 웨이퍼(200)의 온도가 100℃ 미만이 되면, 웨이퍼(200) 상에서 HCDS가스가 분해 및 흡착하기 어려워진다. 또한 최근의 반도체 디바이스의 미세화에 따라 웨이퍼(200)의 온도를 450℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이하의 온도로 하는 저온 처리의 요구가 있다. 따라서 웨이퍼(200)의 온도는 100℃ 이상 450℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이상 400℃ 이하의 범위 내의 온도로 하는 것이 좋다.
전술한 조건, 즉 CVD반응이 발생하는 조건 하에서 HCDS가스를 처리실(201) 내에 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200)[표면의 하지막(下地膜)] 상에 예컨대 1원자층 미만으로부터 수원자층 정도의 두께의 실리콘 함유층이 형성된다. 실리콘 함유층은 HCDS가스의 흡착층이어도 좋고, 실리콘층(Si층)이어도 좋고, 그 양방을 포함해도 좋다. 단, 실리콘 함유층은 실리콘(Si) 및 염소(Cl)를 포함하는 층인 것이 바람직하다.
여기서 실리콘층이란 실리콘(Si)에 의해 구성되는 연속적인 층 외에 불연속적인 층이나, 이들이 중첩되어 이루어지는 실리콘 박막도 포함하는 총칭이다. 또한 Si에 의해 구성되는 연속적인 층을 실리콘 박막이라고 부르는 경우도 있다. 또한 실리콘층을 구성하는 Si는 Cl과의 결합이 완전히 끊이지 않은 것도 포함한다.
또한 HCDS가스의 흡착층은 HCDS가스의 가스 분자의 연속적인 화학 흡착층 외에 불연속적인 화학 흡착층도 포함한다. 즉 HCDS가스의 흡착층은 HCDS분자로 구성되는 1분자층, 또는 1분자층 미만의 두께의 화학 흡착층을 포함한다. 또한 HCDS가스의 흡착층을 구성하는 HCDS(Si2Cl6)분자는 Si와 Cl의 결합이 일부 끊긴 것(SixCly분자)도 포함한다. 즉 HCDS가스의 흡착층은 Si2Cl6분자 및/또는 SixCly분자가 연속적인 화학 흡착층이나 불연속적인 화학 흡착층을 포함한다.
또한 1원자층 미만의 두께의 층이란 불연속적으로 형성되는 원자층을 의미하고, 1원자층의 두께의 층이란 연속적으로 형성되는 원자층을 의미한다. 또한 1분자층 미만의 두께의 층이란 불연속적으로 형성되는 분자층을 의미하고, 1분자층의 두께의 층이란 연속적으로 형성되는 분자층을 의미한다.
HCDS가스가 자기분해(自己分解)(열분해)하는 조건 하, 즉 HCDS의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서는 웨이퍼(200) 상에 Si가 퇴적하는 것에 의해 실리콘층이 형성된다. HCDS가스가 자기분해(열분해)하지 않는 조건 하, 즉 HCDS의 열분해 반응이 발생하지 않는 조건 하에서는 웨이퍼(200) 상에 HCDS가스가 흡착하는 것에 의해 HCDS가스의 흡착층이 형성된다. 또한 웨이퍼(200) 상에 HCDS가스의 흡착층을 형성하는 것보다 웨이퍼(200) 상에 실리콘층을 형성하는 것이 성막 레이트를 높게 할 수 있어 바람직하다.
웨이퍼(200) 상에 형성되는 실리콘 함유층의 두께가 수원자층을 초과하면, 후술하는 스텝3에서의 산화의 작용이 실리콘 함유층 전체에 전달되지 않는다. 또한 웨이퍼(200) 상에 형성 가능한 실리콘 함유층의 두께의 최소값은 1원자층 미만이다. 따라서 실리콘 함유층의 두께는 1원자층 미만에서 수원자층 정도로 하는 것이 바람직하다.
또한 실리콘 함유층의 두께를 1원자층 이하, 즉 1원자층 또는 1원자층 미만으로 하는 것에 의해 후술하는 스텝3에서의 산화 반응의 작용을 상대적으로 높일 수 있어, 스텝3의 산화 반응에 요하는 시간을 단축할 수 있다. 스텝1의 실리콘 함유층 형성에 요하는 시간도 단축할 수 있다. 결과적으로 1사이클당의 처리 시간을 단축할 수 있어, 토탈에서의 처리 시간을 단축하는 것도 가능해진다. 즉 성막 레이트를 높게 하는 것도 가능해진다. 또한 실리콘 함유층의 두께를 1원자층 이하로 하는 것에 의해 막 두께 균일성의 제어성을 높이는 것도 가능해진다.
실리콘을 포함하는 원료로서는 HCDS 외에 모노클로로실란(SiH3Cl, 약칭: MCS), 테트라클로로실란, 즉 실리콘테트라클로라이드(SiCl4, 약칭: STC), 트리클로로실란(SiHCl3, 약칭: TCS), 디클로로실란(SiH2Cl2, 약칭: DCS) 등의 클로로실란계나, 트리실란(Si3H8, 약칭: TS), 디실란(Si2H6, 약칭: DS), 모노실란(SiH4, 약칭: MS) 등의 무기 원료나, 아미노실란계의 테트라키스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]4, 약칭: 4DMAS), 트리스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]3H, 약칭: 3DMAS), 비스디에틸아미노실란(Si[N(C2H5)2]2H2, 약칭: 2DEAS), 비스터셔리부틸아미노실란(SiH2[NH(C4H9)]2, 약칭: BTBAS) 등의 유기 원료를 이용할 수 있다. 불활성 가스로서는 N2가스 외에 Ar, He, Ne, Xe 등의 희(希)가스를 이용해도 좋다.
[스텝2](퍼지 공정)
웨이퍼(200) 상에 실리콘 함유층이 형성된 후, 원료 가스 공급관(232)의 밸브(243)를 닫고, HCDS가스의 공급을 정지한다. 이 때 배기관(231)의 APC밸브(244)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 잔류한 HCDS가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이 때 밸브(243c, 243d, 243e)를 열고, 불활성 가스로서의 N2가스를 처리실(201) 내에 공급한다. N2가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 HCDS가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 더 높일 수 있다(잔류 가스 제거).
이 때의 제1 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 HCDS가스의 공급 시와 마찬가지로 100∼450℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 각 불활성 가스 공급계로부터 공급하는 퍼지 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 각각 예컨대 100∼2,000sccm(0.1∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 퍼지 가스로서는 N2가스 외에 Ar, He, Ne, Xe 등의 희가스를 이용해도 좋다.
또한 이 때 처리실(201) 내에 잔류하는 가스를 완전히 배제하지 않아도 좋고, 처리실(201) 내를 완전히 퍼지하지 않아도 좋다. 처리실(201) 내에 잔류하는 가스가 미량이면, 그 후에 수행되는 스텝3에서 악영향이 발생하지 않는다. 이 때 처리실(201) 내에 공급하는 N2가스의 유량도 대유량으로 할 필요는 없고, 예컨대 프로세스 튜브(203)[처리실(201)]의 용적과 같은 정도의 양을 공급하는 것에 의해 스텝3에서 악영향이 발생하지 않을 정도의 퍼지를 수행할 수 있다. 이와 같이 처리실(201) 내를 완전히 퍼지하지 않는 것에 의해 퍼지 시간을 단축하여 스루풋을 향상시킬 수 있다. 또한 N2가스의 소비도 필요 최소한으로 억제하는 것이 가능해진다.
[스텝3](산화 공정)
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 산소 함유 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)를 열고, 산소 함유 가스 공급관(232a)에 O2가스를 흘린다. O2가스는 산소 함유 가스 공급관(232a)으로부터 흘러 매스 플로우 컨트롤러(241a)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 O2가스는 제2 온도로 가열된 감압 상태의 반응 예비실(301) 내에 공급된다. 이 때 동시에 수소 함유 가스 공급관(232b)의 밸브(243b)를 열고, 수소 함유 가스 공급관(232b)에 H2가스를 흘린다. H2가스는 수소 함유 가스 공급관(232b)으로부터 흘러 매스 플로우 컨트롤러(241b)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 H2가스는 제2 온도로 가열된 감압 상태의 반응 예비실(301) 내에 공급된다. 또한 O2가스와 H2가스는 제2 온도로 가열된 감압 상태의 반응 예비실(301) 내로 혼합된다(O2가스+H2가스 공급).
이 때 제2 불활성 가스 공급관(232c)의 밸브(243c)를 열고, 제2 불활성 가스 공급관(232c)으로부터 불활성 가스로서 N2가스를 공급해도 좋다. N2가스는 매스 플로우 컨트롤러(241c)에 의해 유량 조정되고, 산소 함유 가스 공급관(232a) 내에 공급된다. 이 경우, 산소 함유 가스 공급관(232a)으로부터는 O2가스와 N2가스의 혼합 가스가 공급된다. 또한 이 때 제3 불활성 가스 공급관(232d)의 밸브(243d)를 열고, 제3 불활성 가스 공급관(232d)으로부터 불활성 가스로서 N2가스를 공급해도 좋다. N2가스는 매스 플로우 컨트롤러(241d)에 의해 유량 조정되어 수소 함유 가스 공급관(232b) 내에 공급된다. 이 경우, 수소 함유 가스 공급관(232b)으로부터는 H2가스와 N2가스의 혼합 가스가 공급된다. 또한 불활성 가스로서는 N2가스 외에 Ar, He, Ne, Xe 등의 희가스를 이용해도 좋다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 반응 예비실(301) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 1∼3,999Pa, 바람직하게는 1∼2,666Pa, 보다 바람직하게는 1∼1,333Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 또한 반응 예비실(301)과 처리실(201) 사이의 배관부 내의 압력도, 대기압 미만, 예컨대 1∼3,999Pa, 바람직하게는 1∼2,666Pa, 보다 바람직하게는 1∼1,333Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241a)로 제어하는 O2가스의 공급 유량은 예컨대 100∼10,000sccm(0.1∼10slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 매스 플로우 컨트롤러(241b)로 제어하는 H2가스의 공급 유량은 예컨대 100∼10,000sccm(0.1∼10slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 N2가스를 공급하는 경우, 매스 플로우 컨트롤러(241c, 241d)로 제어하는 N2가스의 공급 유량은 각각 예컨대 100∼2,000sccm(0.1∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 제2 히터(302)의 온도는 반응 예비실(301) 내의 온도가 제2 온도, 예컨대 450∼1,200℃, 바람직하게는 550∼1,100℃, 보다 바람직하게는 600∼1,000℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 또한 제2 온도는 제1 온도보다 높은 온도가 되도록 설정한다.
또한 이 때 H2가스 농도[H2/(H2+O2)]는 예컨대 5∼50%, 바람직하게는 10∼33%의 범위 내의 농도로 한다. 즉 예컨대 O2가스 비율이 H2가스 비율 이상이 될 수 있는 조건, 바람직하게는 O2가스 비율이 H2가스 비율보다 커질 수 있는 조건, 즉 산소 리치를 조건으로 한다. 또한 H2가스 농도는 O2가스의 공급 유량에 대한 H2가스의 공급 유량의 비율(H2/O2유량비)을 조정하는 것에 의해 제어할 수 있다. 예컨대 H2가스 농도[H2/(H2+O2)]를 5∼50%의 범위 내의 농도가 되도록 제어하는 경우에는 H2/O2유량비를 0.05∼1의 범위 내의 유량비가 되도록 조정하면 좋다.
전술한 조건으로 O2가스 및 H2가스를 반응 예비실(301) 내에 공급하는 것에 의해 O2가스 및 H2가스는 가열된 감압 분위기 하에서 논 플라즈마로 열적으로 활성화되어 반응하고, 이로 인해 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종(산화종)이 생성된다(반응종 생성). 그리고 반응 예비실(301) 내에서 생성된 이 반응종은 미반응의 O2가스나 H2가스 등과 함께 반응 가스 공급관(232f), 제2 노즐(233a)을 개재하여 가열된 감압 상태의 처리실(201) 내에서의 웨이퍼 배열 영역에 대응하는 웨이퍼 배열 영역 측방에서의 영역의 복수 개소로부터 공급된다. 처리실(201) 내에 공급된 반응종이나 미반응의 O2가스나 H2가스 등은 처리실(201) 내를 흘러내려서[流下] 웨이퍼 배열 영역의 하단측에 설치된 배기구를 개재하여 배기관(231)으로부터 배기된다(반응종 공급).
또한 이 때 제1 노즐(233) 내로의 O2가스 및 H2가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(243e)를 열고, 제1 불활성 가스 공급관(232e) 내에 N2가스를 흘려도 좋다. N2가스는 원료 가스 공급관(232), 제1 노즐(233)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 1∼1,333Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241e)로 제어하는 N2가스의 공급 유량은 예컨대 100∼2,000sccm(0.1∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종을 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간, 즉 반응종 공급 시간(조사 시간)은 예컨대 1∼120초간의 범위 내의 시간으로 한다. 제1 히터(207)의 온도는 처리실(201) 내 및 웨이퍼(200)의 온도가 HCDS가스의 공급 시와 마찬가지의 온도대, 즉 제1 온도, 예컨대 100∼450℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 또한 제1 온도는 제2 온도보다 낮은 온도로 한다. 스루풋을 고려하면, 이와 같이 스텝1과 스텝3에서 웨이퍼(200)의 온도를 마찬가지의 온도대로 보지하도록 제1 히터(207)의 온도를 설정하는 것이 바람직하다. 또한 스텝1∼스텝4(후술)에 걸쳐서 웨이퍼(200)의 온도를 마찬가지의 온도대로 보지하도록 제1 히터(207)의 온도를 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 스텝1∼스텝4(후술)에 걸쳐서 웨이퍼(200)의 온도가 제1 온도, 예컨대 100∼450℃의 범위 내의 일정 온도가 되도록 제1 히터(207)의 온도를 설정한다.
이와 같은 조건 하의 처리실(201) 내에 반응 예비실(301) 내로 생성된 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종이나 미반응의 O2가스나 H2가스를 공급하는 것에 의해 주로 이 반응종이 웨이퍼(200) 상에 형성된 실리콘 함유층의 적어도 일부와 반응한다. 즉 주로 이 반응종의 작용에 의해 실리콘 함유층에 대하여 산화 처리가 수행되고, 이 산화 처리에 의해 실리콘 함유층은 실리콘 산화층(SiO2층, 이하, 단순히 SiO층이라고도 부른다)으로 변화한다(개질된다).
또한 처리실(201) 내에 공급된 미반응의 O2가스나 H2가스의 적어도 일부는 가열된 감압 분위기 하의 처리실(201) 내에서 열적으로 활성화되어 반응하고, 처리실(201) 내에서도 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종이 생성된다. 그리고 처리실(201) 내에서 생성된 이 반응종도 실리콘 함유층에 대한 산화 처리에 기여한다. 단, 본 실시 형태의 처리실(201) 내와 같은 비교적 낮은 온도대(100∼450℃)로 생성할 수 있는 반응종의 양은 소량으로 한정된다.
또한 이 산화 공정에서는 O2가스와 H2가스를 플라즈마로 활성화시키지 않고 열로 활성화시켜서 반응시키고, 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 주로 이 반응종의 작용에 의해 실리콘 함유층을 열산화하도록 하고, 이에 의해 소프트한 반응을 발생시킬 수 있어, 전술한 산화 처리를 소프트하게 수행할 수 있다.
산소 함유 가스, 즉 산화성 가스로서는 산소(O2) 가스 외에 오존(O3) 가스나 일산화질소(NO) 가스나 아산화질소(N2O) 가스 등을 이용해도 좋다. 수소 함유 가스, 즉 환원성 가스로서는 수소(H2) 가스 외에 중수소(D2) 가스나 암모니아(NH3) 가스나 메탄(CH4) 가스 등을 이용해도 좋다. 즉 산소 함유 가스로서는 O2가스, O3가스, NO가스 및 N2O가스에 의해 이루어지는 군(群)으로부터 선택되는 적어도 하나의 가스를 이용할 수 있고, 수소 함유 가스로서는 H2가스, D2가스, NH3가스 및 CH4가스에 의해 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가스를 이용할 수 있다.
[스텝4](퍼지 공정)
실리콘 함유층을 실리콘 산화층으로 변화시킨 후, 산소 함유 가스 공급관(232a), 수소 함유 가스 공급관(232b)의 밸브(243a, 243b)를 닫고, 반응 예비실(301) 내로의 O2가스, H2가스의 공급을 정지하고, 처리실(201) 내로의 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종의 공급을 정지한다. 이 때 배기관(231)의 APC밸브(244)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 잔류한 반응종이나 가스나 반응 부생성물을 반응 예비실(301) 내나 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이 때 밸브(243c, 243d)를 열고, 제2 불활성 가스 공급관(232c), 제3 불활성 가스 공급관(232d)의 각각으로부터 불활성 가스로서의 N2가스를 반응 예비실(301)을 개재하여 처리실(201) 내로 공급하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. 또한 밸브(243e)를 열고, 제1 불활성 가스 공급관(232e)으로부터도 불활성 가스로서의 N2가스를 처리실(201) 내에 공급하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. N2가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 반응 예비실(301) 내나 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어, 반응 예비실(301) 내나 처리실(201) 내에 잔류하는 반응종이나 가스를 배제하는 효과를 더 높일 수 있다(잔류 가스 제거).
이 때의 제1 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 HCDS가스의 공급 시와 마찬가지로 100∼450℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 각 불활성 가스 공급계로부터 공급하는 퍼지 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 각각 예컨대 100∼2,000sccm(0.1∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 퍼지 가스로서는 N2가스 외에 Ar, He, Ne, Xe 등의 희가스를 이용해도 좋다.
또한 이 때 처리실(201) 내에 잔류하는 가스를 완전히 배제하지 않아도 좋고, 처리실(201) 내를 완전히 퍼지하지 않아도 좋다. 처리실(201) 내에 잔류하는 가스가 미량이면, 그 후에 수행되는 스텝1에서 악영향이 발생하지 않는다. 이 때 처리실(201) 내에 공급하는 N2가스의 유량도 대유량으로 할 필요는 없고, 예컨대 프로세스 튜브(203)[처리실(201)]의 용적과 같은 정도의 양을 공급하는 것에 의해 스텝1에서 악영향이 발생하지 않을 정도의 퍼지를 수행할 수 있다. 이와 같이 처리실(201) 내를 완전히 퍼지하지 않는 것에 의해 퍼지 시간을 단축하여, 스루풋을 향상시킬 수 있다. 또한 N2가스의 소비도 필요 최소한으로 억제하는 것이 가능해진다.
전술한 스텝1∼스텝4를 1사이클로 하고, 이 사이클을 소정 횟수, 바람직하게는 복수 회 실시하는 것에 의해, 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막(SiO2막, 이하, 단순히 SiO막이라고도 부른다)을 성막할 수 있다. 실리콘 산화막의 막 두께는 예컨대 2∼20nm의 범위 내의 막 두께로 한다.
소정 막 두께의 실리콘 산화막을 성막하는 처리가 종료되면, 밸브(243e, 243c, 243d)를 연 상태를 유지하고, 제1 불활성 가스 공급관(232e), 제2 불활성 가스 공급관(232c), 제3 불활성 가스 공급관(232d)의 각각으로부터 불활성 가스로서의 N2가스의 처리실(201) 내로의 공급을 계속하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. N2가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스가 처리실(201) 내로부터 제거된다(퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되어, 처리실(201) 내의 압력이 상압에 복귀된다(대기압 복귀).
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 씰 캡(219)이 하강되어 프로세스 튜브(203)의 하단이 개구되는 것과 함께, 처리 완료된 웨이퍼(200)가 보트(217)에 보지된 상태에서 프로세스 튜브(203)의 하단으로부터 프로세스 튜브(203)의 외부에 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리 완료된 웨이퍼(200)는 보트(217)에 의해 취출된다(웨이퍼 디스차지). 이와 같이 하여 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 일련의 처리가 종료된다.
또한 웨이퍼를 배치한 450℃ 이상, 바람직하게는 550℃ 이상의 고온 영역의 감압 분위기 하에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하여 수행하는 산화 공정에서는 O2가스와 H2가스의 감압 분위기 하에서의 직접 반응에 의해 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종(산화종)을 많이 생성시킬 수 있어, 높은 산화력을 기대할 수 있다. 하지만 본 실시 형태에서는 웨이퍼(200)의 온도를 예컨대 450℃ 이하의 저온으로 유지하도록 하고, 산화 공정도 이와 같은 저온의 감압 분위기 하에서 수행되지만, 같은 온도대에서는 상기 반응에 필요한 열 에너지가 부족하기 때문에, 이와 같은 저온의 감압 분위기 하에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하는 경우, 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종(산화종)을 생성할 수 없거나, 또는 생성할 수 있었다고 해도 그 생성량은 소량으로 한정된다.
이에 대하여 본 실시 형태의 산화 공정에서는 제1 온도(예컨대 100∼450℃)보다 높은 제2 온도(예컨대 450∼1,200℃)로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실(301) 내에서 미리 O2가스와 H2가스를 반응시켜서 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종(산화종)을 대량으로 생성하고, 그 대량으로 생성한 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리실(201) 내의 제1 온도(예컨대 100∼450℃)로 가열된 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 형성된 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키도록 한다.
이와 같이 본 실시 형태의 산화 공정에 의하면, 반응 예비실(301) 내의 온도(제2 온도)를 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 온도(제1 온도)보다 높은 온도로 하였기 때문에, O2가스와 H2가스를 반응시켜서 얻어지는 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종의 발생량을 비교적 저온인 제1 온도로 설정된 웨이퍼(200)를 수용한 처리실(201) 내에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하는 경우에 얻어지는 반응종의 발생량보다 많게 할 수 있다. 또한 이로 인해 반응종의 웨이퍼(200)로의 공급량을 제1 온도로 설정된 웨이퍼(200)를 수용한 처리실(201) 내에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하는 경우에서의 반응종의 웨이퍼(200)로의 공급량보다 많게 할 수 있다. 즉 웨이퍼(200)의 온도를 비교적 저온인 제1 온도로 유지한 상태에서 같은 온도로 유지한 웨이퍼(200)를 수용한 처리실(201) 내에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하는 경우보다 처리실(201) 내에서의 반응종의 농도를 높일 수가 있어, 다량의 반응종을 웨이퍼(200)에 주는 것이 가능해진다.
또한 본 실시 형태의 산화 공정에 의하면, 반응 예비실(301) 내의 온도(제2 온도)를 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 온도(제1 온도)보다 높은 온도로 하였기 때문에 O2가스와 H2가스를 반응시켜서 얻어지는 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종의 발생량을 비교적 고온인 제2 온도로 설정된 웨이퍼(200)를 수용한 처리실(201) 내에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하는 경우에 얻어지는 반응종의 발생량과 동등하게 할 수 있다. 또한 이로 인해 반응종의 웨이퍼(200)로의 공급량을 제2 온도로 설정된 웨이퍼(200)를 수용한 처리실(201) 내에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하는 경우에서의 반응종의 웨이퍼(200)로의 공급량과 동등하게 할 수 있다. 즉 웨이퍼(200)의 온도를 비교적 저온인 제1 온도로 유지한 상태에서 비교적 고온인 제2 온도로 유지한 웨이퍼(200)를 수용한 처리실(201) 내에 직접 O2가스와 H2가스를 공급하는 경우와 동등한 양의 반응종을 웨이퍼(200)에 주는 것이 가능해진다.
이와 같이 본 실시 형태에 의하면, 웨이퍼(200)에 대하여 저온 처리하는 경우에 웨이퍼 온도를 각종 프로세스에서의 제약 온도 이하의 저온(본 실시 형태에서는 예컨대 450℃ 이하)으로 유지한 상태에서 웨이퍼(200)에 대하여 고온 처리하는 경우에 얻어지는 반응종과 동등한 농도의 반응종을 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 것이 가능해진다. 이에 의해 웨이퍼(200)에 대한 저온 처리에서 산화 공정에서의 반응종에 의한 산화력을 높이는 것이 가능해지고, 고온 처리와 마찬가지로 산화 공정을 수행하는 것이 가능해진다. 또한 산화 공정에서의 반응종에 의한 산화력을 높이는 것에 의해 산화 시간을 단축하는 것도 가능해지고, 이에 의해 성막 레이트를 향상시키고 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한 본 실시 형태에 의하면, 산화제로서 O3가스나 플라즈마에 의해 여기된 O2가스를 이용하지 않기 때문에 고가인 오조나이저나 플라즈마 생성 유닛 등을 기판 처리 장치에 설치할 필요가 없고, 큰 폭의 비용 절감을 도모하는 것이 가능해진다. 또한 본 실시 형태에서 이용하는 산화제는 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종이며, 이 반응종을 생성하기 위해서는 적어도 반응 예비 용기(300)와 제2 히터(302)와 압력 센서(245b)를 설치하면 좋고, 저비용으로 반응종 생성 유닛을 기판 처리 장치에 설치하는 것이 가능해진다.
또한 본 실시 형태에서 산화제로서 이용하는 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종은 450℃ 이상의 온도대, 즉 적어도 450∼1,200℃의 온도대로 발생시킨 경우, 그 산화력은 같은 온도대에서의 O3가스의 산화력이나 플라즈마에 의해 여기된 O2가스의 산화력을 상회하는 것을 확인하였다. 즉 본 실시 형태에 의하면, 웨이퍼(200)의 온도(제1 온도)를 100∼450℃와 같은 낮은 온도로 한 경우에서도 제2 온도를 450℃ 이상의 온도로 하는 것에 의해 같은 온도대에서의 O3가스의 산화력이나 플라즈마에 의해 여기된 O2가스의 산화력을 상회하는 산화력을 가지고 산화를 수행하는 것이 가능해진다.
즉 본 실시 형태에 의하면, 산화제로서 O3가스나 플라즈마에 의해 여기된 O2가스를 이용하는 경우보다 저비용으로 높은 산화력을 얻는 것이 가능해지고, 산화 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 또한 이로 인해 산화제로서 O3가스나 플라즈마에 의해 여기된 O2가스를 이용하는 경우보다, 성막 레이트를 향상시킬 수 있어, 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한 본 실시 형태에 의하면, 웨이퍼(200)에 대한 처리 중에는 반응 예비실(301) 내의 압력이나 처리실(201) 내의 압력뿐만 아니라, 반응 예비실(301)과 처리실(201) 사이의 배관부 내의 압력도 대기압 미만의 압력으로 유지한다. 이에 의해 반응 예비실(301) 내에서 생성된 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종의 실활(失活)을 억제하면서 처리실(201) 내에 도입하는 것이 가능해진다.
또한 이 반응종이 가지는 에너지는 산화 처리의 대상인 실리콘 함유층 중에 포함되는 Si-N, Si-Cl, Si-H, Si-C의 결합 에너지보다 높기 때문에, 이 반응종의 에너지를 산화 처리 대상인 실리콘 함유층에 주는 것에 의해 실리콘 함유층 중에 포함되는 Si-N, Si-Cl, Si-H, Si-C 결합은 분리된다. Si와의 결합이 분리된 N, Cl, H, C는 실리콘 함유층 중으로부터 제거되어, N2, Cl2, H2, HCl, CO2 등으로서 배출된다. 또한 N, Cl, H, C와의 결합이 분리되는 것에 의해 남은 Si의 결합수는 반응종에 포함되는 O와 결부되어 Si-O결합이 형성된다. 이와 같이 하여 실리콘 함유층은 산화되어, 실리콘 산화층이 형성된다. 즉 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의하면, 막 중 질소, 염소, 수소, 탄소 농도가 지극히 낮은 양질의 실리콘 산화막을 얻을 수 있다.
(제2 성막 시퀀스)
제1 성막 시퀀스에 의해 웨이퍼(200) 상에 SiO2막을 성막한 후, 성막 후의 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내로부터 취출(取出)하지 않고, 그 처리실(201) 내에서 인시츄로 웨이퍼(200) 상에 형성된 SiO2막의 막질의 개질을 목적으로 한 어닐링 처리를 수행하는 것도 가능하다. 이 어닐링에 의한 개질 처리에 의해 SiO2막의 막 중 불순물을 더 제거하는 것이 가능해지고, 막 중 불순물 농도를 한층 더 저감하는 것이 가능해진다.
제2 성막 시퀀스는 웨이퍼(200) 상으로의 SiO2막의 형성과, 웨이퍼(200) 상에 형성된 SiO2막의 어닐링에 의한 개질을 동일 처리실 내에서 연속적으로 수행하는 방법의 일 예다.
도 4에 본 실시 형태의 제2 성막 시퀀스에서의 가스 공급의 타이밍 도면을 도시한다. 도 4의 상측의 도면은 처리실 내로의 가스 공급의 타이밍을 도시하고, 하측의 도면은 반응 예비실 내로의 가스 공급의 타이밍을 도시한다. 또한 도 4는 편의상, 처리실 내 및 반응 예비실 내로 공급하는 주요 물질의 공급 타이밍을 도시한다.
본 실시 형태의 제2 성막 시퀀스에서는 처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스(HCDS가스)를 공급하는 것에 의해 기판 상에 실리콘 함유층(Si함유층)을 형성하는 공정과, 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스(O2가스)와 수소 함유 가스(H2가스)를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종[원자상 산소(O)]을 생성하고, 그 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리실 내의 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 기판 상에 형성된 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층(SiO2층)으로 변화시키는 공정을 교호적으로 반복하는 것에 의해 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막(SiO2막)을 형성한다. 그리고 그 후, 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스(O2가스)와 수소 함유 가스(H2가스)를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종[원자상 산소(O)]을 생성하고, 그 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리실 내의 제1 온도 또는 제3 온도로 가열된 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 기판 상에 형성된 소정 막 두께의 실리콘 산화막(SiO2막)을 개질한다. 또한 제3 온도는 제1 온도보다 높고 제2 온도보다 낮은 온도다.
이하, 이를 구체적으로 설명한다. 또한 본 실시 형태의 제2 성막 시퀀스에서는 제1 성막 시퀀스와 마찬가지로 원료 가스로서 HCDS가스를 이용하고, 산소 함유 가스로서 O2가스를 이용하고, 수소 함유 가스로서 H2가스를 이용하여, 도 4의 성막 시퀀스에 의해 기판 상에 절연막으로서 산화막인 SiO2막을 형성하는 예에 대하여 설명한다.
웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 SiO2막을 성막하여 처리실(201) 내를 불활성 가스로 퍼지할 때까지의 처리는 제1 성막 시퀀스와 마찬가지로 수행한다. 그 후, 산소 함유 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)를 열고, 산소 함유 가스 공급관(232a)에 O2가스를 흘린다. O2가스는 산소 함유 가스 공급관(232a)으로부터 흘러 매스 플로우 컨트롤러(241a)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 O2가스는 제2 온도로 가열된 감압 상태의 반응 예비실(301) 내에 공급된다. 이 때 동시에 수소 함유 가스 공급관(232b)의 밸브(243b)를 열고, 수소 함유 가스 공급관(232b)에 H2가스를 흘린다. H2가스는 수소 함유 가스 공급관(232b)으로부터 흘러 매스 플로우 컨트롤러(241b)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 H2가스는 제2 온도로 가열된 감압 상태의 반응 예비실(301) 내에 공급된다. 또한 O2가스와 H2가스는 제2 온도로 가열된 감압 상태의 반응 예비실(301) 내에서 혼합된다(O2가스+H2가스 공급).
이 때 제2 불활성 가스 공급관(232c)의 밸브(243c)를 열고, 제2 불활성 가스 공급관(232c)으로부터 불활성 가스로서 N2가스를 공급해도 좋다. 또한 제3 불활성 가스 공급관(232d)의 밸브(243d)를 열고, 제3 불활성 가스 공급관(232d)으로부터 불활성 가스로서 N2가스를 공급해도 좋다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 반응 예비실(301) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 1∼3,999Pa, 바람직하게는 1∼2,666Pa, 보다 바람직하게는 1∼1,333Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 또한 반응 예비실(301)과 처리실(201) 사이의 배관부 내의 압력도, 대기압 미만, 예컨대 1∼3,999Pa, 바람직하게는 1∼2,666Pa, 보다 바람직하게는 1∼1,333Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241a)로 제어하는 O2가스의 공급 유량은 예컨대 100∼10,000sccm(0.1∼10slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 매스 플로우 컨트롤러(241b)로 제어하는 H2가스의 공급 유량은 예컨대 100∼10,000sccm(0.1∼10slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 N2가스를 공급하는 경우, 매스 플로우 컨트롤러(241c, 241d)로 제어하는 N2가스의 공급 유량은 각각 예컨대 100∼2,000sccm(0.1∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 제2 히터(302)의 온도는 반응 예비실(301) 내의 온도가 제2 온도, 예컨대 450∼1,200℃, 바람직하게는 550∼1,100℃, 보다 바람직하게는 600∼1,000℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 또한 제2 온도는 제1 온도보다 높은 온도가 되도록 설정한다.
또한 H2가스 농도[H2/(H2+O2)]는 예컨대 5∼50%, 바람직하게는 10∼33%의 범위 내의 농도로 한다. 즉 예컨대 O2가스 비율이 H2가스 비율 이상이 될 수 있는 조건, 바람직하게는 O2가스 비율이 H2가스 비율보다 커질 수 있는 조건, 즉 산소 리치를 조건으로 한다. 또한 H2가스 농도는 O2가스의 공급 유량에 대한 H2가스의 공급 유량의 비율(H2/O2유량비)을 조정하는 것에 의해 제어할 수 있다는 것은 전술한 바와 같다.
전술한 조건으로 O2가스 및 H2가스를 반응 예비실(301) 내에 공급하는 것에 의해 O2가스 및 H2가스는 가열된 감압 분위기 하에서 논 플라즈마로 열적으로 활성화되어 반응하고, 이로 인해 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종이 생성된다(반응종 생성). 그리고 반응 예비실(301) 내로 생성된 이 반응종은 미반응의 O2가스나 H2가스 등과 함께 반응 가스 공급관(232f), 제2 노즐(233a)을 개재하여 가열된 감압 상태의 처리실(201) 내에서의 웨이퍼 배열 영역에 대응하는 웨이퍼 배열 영역 측방에서의 영역의 복수 개소로부터 공급된다. 처리실(201) 내에 공급된 반응종이나 미반응의 O2가스나 H2가스 등은 처리실(201) 내를 유하하여 웨이퍼 배열 영역의 하단측에 설치된 배기구를 개재하여 배기관(231)으로부터 배기된다(반응종 공급).
또한 이 때 제1 노즐(233) 내로의 O2가스 및 H2가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(243e)를 열고, 제1 불활성 가스 공급관(232e) 내에 N2가스를 흘려도 좋다. N2가스는 원료 가스 공급관(232), 제1 노즐(233)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 1∼1,333Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241e)로 제어하는 N2가스의 공급 유량은 예컨대 100∼2,000sccm(0.1∼2slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종을 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간, 즉 반응종 공급 시간(조사 시간)은 예컨대 1∼600분간의 범위 내의 시간으로 한다. 즉 어닐링에 의한 개질 처리에서 웨이퍼(200)에 대하여 반응종을 공급하는 시간은 SiO2막을 성막할 때의 산화 공정에서 웨이퍼(200)에 대하여 반응종을 공급하는 시간보다 길게 한다. 제1 히터(207)의 온도는 처리실(201) 내 및 웨이퍼(200)의 온도가 SiO2막의 성막 시와 마찬가지의 온도대, 즉 제1 온도, 예컨대 100∼450℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 또한 어닐링에 의한 개질 처리에서는 웨이퍼(200)의 온도를 SiO2막의 성막 시의 웨이퍼 온도보다 높은 제3 온도, 예컨대 450∼700℃, 바람직하게는 450∼600℃가 되도록 설정하는 것도 가능하다. 단, 제1 온도 및 제3 온도는 제2 온도보다 낮은 온도로 한다. 또한 스루풋을 고려하면, SiO2막의 성막 시와 개질 처리 시에 웨이퍼(200)의 온도를 마찬가지의 온도대로 보지하도록 제1 히터(207)의 온도를 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, SiO2막의 성막에서 개질 처리에 걸쳐서 웨이퍼(200)의 온도가 제1 온도, 예컨대 100∼450℃의 범위 내의 일정한 온도가 되도록 제1 히터(207)의 온도를 설정한다.
이와 같은 조건 하의 처리실(201) 내에 반응 예비실(301) 내로 생성된 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종이나 미반응의 O2가스나 H2가스를 공급하는 것에 의해, 주로 이 반응종의 작용에 의해 SiO2막에 대하여 개질 처리가 수행된다.
또한 처리실(201) 내에 공급된 미반응의 O2가스나 H2가스의 적어도 일부는 가열된 감압 분위기 하의 처리실(201) 내에서 열적으로 활성화되어서 반응하여, 처리실(201) 내에서도 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종이 생성된다. 그리고 처리실(201) 내에서 생성된 이 반응종도 SiO2막에 대한 개질 처리에 기여한다. 단, 본 실시 형태의 처리실(201) 내와 같은 비교적 낮은 온도대(100∼450℃)로 생성할 수 있는 반응종의 양은 소량으로 한정된다.
또한 이 개질 처리에서는 O2가스와 H2가스를 플라즈마로 활성화시키지 않고 열로 활성화시켜서 반응시키고, 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 주로 이 반응종의 작용에 의해 SiO2막을 개질 처리하도록 하고, 이에 의해 소프트한 반응을 발생시킬 수 있어, 전술한 개질 처리를 소프트하게 수행할 수 있다.
SiO2막에 대한 어닐링 처리에서는 전술과 같이 주로 반응 예비실 내에서 생성된 원자상 산소(O) 등의 산소를 포함하는 반응종의 작용에 의해 SiO2막의 개질 처리가 수행된다. 그리고 이 개질 처리에 의해 SiO2막의 막 중 불순물이 제거된다. 이 개질 처리에 의하면, 통상의 개질 처리로서 수행되는 O2어닐링이나 N2어닐링에 비해 저온으로 큰 폭의 막 중 불순물 제거 효과를 얻을 수 있다. 또한 웨이퍼 온도를 각종 프로세스에서의 제약 온도 이하의 저온(본 실시 형태에서는 예컨대 450℃ 이하)으로 유지한 상태에서 웨이퍼(200)에 대하여 고온 처리하는 경우에 얻어지는 반응종과 동등한 농도의 반응종을 개질 대상인 절연막에 대하여 공급하는 것이 가능해지고, 이에 의해 웨이퍼(200)에 대한 저온 처리에서 반응종에 의한 반응성을 높이는 것이 가능해지고, 고온 처리와 마찬가지로 개질 대상인 절연막의 막질을 개선하는 것이 가능해진다. 또한 개질 처리에서의 반응종에 의한 반응성을 높이는 것에 의해 개질 시간을 단축하는 것도 가능해지고, 이에 의해 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한 이 개질 처리에는 SiO2막의 성막의 하지가 되는 막의 자연 산화막을 감소시키는(환원하는) 효과가 있는 것도 확인하였다.
또한 이 반응종이 가지는 에너지는 SiO2막의 막 중에 포함되는 Si-N, Si-Cl, Si-H, Si-C의 결합 에너지보다 높기 때문에 이 반응종의 에너지를 어닐링 처리 대상인 SiO2막에 주는 것에 의해 SiO2막 중에 포함되는 Si-N, Si-Cl, Si-H, Si-C결합이 분리된다. Si와의 결합이 분리된 N, H, Cl, C는 막 중으로부터 제거되어, N2, H2, Cl2, HCl, CO2등으로서 배출된다. 또한 N, H, Cl, C와의 결합이 분리되는 것에 의해 남은 Si의 결합수는 반응종에 포함되는 O와 결부되어 Si-O결합이 형성된다. 또한 이 때 SiO2막은 치밀화된다. 이와 같이 하여 SiO2막의 개질 처리가 수행된다. 즉 이 어닐링 처리에 의하면, 막 중 질소, 수소, 염소, 탄소 농도가 지극히 낮은 양질의 SiO2막을 얻을 수 있다.
개질 처리 종료 후, 제1 성막 시퀀스의 SiO2막 형성후와 마찬가지로 처리실(201) 내의 퍼지, 대기압 복귀, 보트 언로드, 웨이퍼 디스차지가 수행된다. 이와 같이 하여 웨이퍼(200) 상에 SiO2막을 형성하고, 그 후, 인시츄에서 연속해서 웨이퍼(200) 상에 형성된 SiO2막을 어닐링에 의해 개질하는 일련의 처리가 종료된다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 갖가지 변경이 가능하다.
예컨대 전술한 실시 형태에서는 실리콘을 포함하는 실리콘 산화막을 형성하는 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo) 등의 금속 원소를 포함하는 막을 형성하는 경우에도 적용할 수 있다. 예컨대 본 발명은 지르코늄 산화막(ZrO2막), 지르코늄 실리케이트막(ZrSiO막), 지르코늄 알루미네이트막(ZrAlO막), 하프늄 산화막(HfO2막), 하프늄 실리케이트막(HfSiO막), 하프늄 알루미네이트막(HfAlO막), 티타늄 산화막(TiO2막), 알루미늄 산화막(Al2O3막), 니오브 산화막(Nb2O5막), 탄탈 산화막(Ta2O5막), 몰리브덴 산화막(MoO2막) 등이나, 이들을 조합하거나 혼합시킨 금속 산화막(량 유전율 절연막)을 형성하는 경우에도 적용할 수 있다.
예컨대 Zr을 포함하는 막으로서 ZrO2막을 형성하는 경우에는 Zr을 포함하는 원료로서 테트라키스에틸메틸아미노지르코늄(Zr[N(C2H5)(CH3)]4, 약칭: TEMAZ), 테트라키스디메틸아미노지르코늄(Zr[N(CH3)2]4, 약칭: TDMAZ), 테트라키스디에틸아미노지르코늄(Zr[N(C2H5)2]4, 약칭: TDEAZ) 등의 유기 원료나, 테트라클로로지르코늄, 즉 지르코늄테트라클로라이드(ZrCl4) 등의 무기 원료를 이용할 수 있다. 산소 함유 가스, 수소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 때의 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
또한 예컨대 Hf를 포함하는 막으로서 HfO2막을 형성하는 경우에는 Hf를 포함하는 원료로서 테트라키스에틸메틸아미노하프늄(Hf[N(C2H5)(CH3)]4, 약칭: TEMAH), 테트라키스디메틸아미노하프늄(Hf[N(CH3)2]4, 약칭: TDMAH), 테트라키스디에틸아미노하프늄(Hf[N(C2H5)2]4, 약칭: TDEAH) 등의 유기 원료나, 테트라클로로하프늄, 즉 하프늄테트라클로라이드(HfCl4) 등의 무기 원료를 이용할 수 있다. 산소 함유 가스, 수소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 때의 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
또한 예컨대 Ti를 포함하는 막으로서 TiO2막을 형성하는 경우에는 Ti를 포함하는 원료로서 테트라키스에틸메틸아미노티타늄(Ti[N(C2H5)(CH3)]4, 약칭: TEMAT), 테트라키스디메틸아미노티타늄(Ti[N(CH3)2]4, 약칭: TDMAT), 테트라키스디에틸아미노티타늄(Ti[N(C2H5)2]4, 약칭: TDEAT) 등의 유기 원료나, 테트라클로로티타늄, 즉 티타늄테트라클로라이드(TiCl4) 등의 무기 원료를 이용할 수 있다. 산소 함유 가스, 수소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 때의 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
또한 예컨대 Al을 포함하는 막으로서 Al2O3막을 형성하는 경우에는 Al을 포함하는 원료로서 트리메틸알루미늄(Al(CH3)3, 약칭: TMA) 등의 유기 원료나, 트리클로로알루미늄, 즉 알루미늄트리클로라이드(AlCl3), 트리플루오로알루미늄, 즉 알루미늄트리플로라이드(AlF3) 등의 무기 원료를 이용할 수 있다. 산소 함유 가스, 수소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 때의 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
또한 예컨대 Nb를 포함하는 막으로서 Nb2O5막을 형성하는 경우에는 Nb를 포함하는 원료로서 펜타클로로니오브, 즉 니오븀펜타클로라이드(NbCl5), 펜타플루오로니오브, 즉 니오븀펜타플로라이드(NbF5) 등을 이용할 수 있다. 산소 함유 가스, 수소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 때의 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
또한 예컨대 Ta를 포함하는 막으로서 Ta2O5막을 형성하는 경우에는 Ta를 포함하는 원료로서 펜타클로로탄탈, 즉 탄탈펜타클로라이드(TaCl5), 펜타플루오로탄탈, 즉 탄탈펜타플로라이드(TaF5), 펜타에톡시탄탈[Ta(OC2H5)5, 약칭: PET], 트리스디에틸아미노터셔리부틸이미노탄탈(Ta[NC(CH3)3][N(C2H5)2]3, 약칭: TBTDET) 등을 이용할 수 있다. 산소 함유 가스, 수소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 때의 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
또한 예컨대 Mo를 포함하는 막으로서 MoO2막을 형성하는 경우에는 원료로서 펜타클로로몰리브덴, 즉 몰리브덴펜타클로라이드(MoCl5), 펜타플루오로몰리브덴, 즉 몰리브덴펜타플로라이드(MoF5) 등을 이용할 수 있다. 산소 함유 가스, 수소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다. 또한 이 때의 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
즉 본 발명에 의하면, 종래보다 저온, 예컨대 450℃ 이하로, 높은 성막 레이트로 양질의 금속 산화막을 형성하는 것도 가능해진다.
또한 전술한 실시 형태의 제2 성막 시퀀스에서의 어닐링 처리에 의한 각종 절연막의 불순물 제거 효과에 주목하면, 실리콘 산화막의 개질에 본 발명을 적용한 경우, 막 중 불순물 중에서도 특히 H농도 및 Cl농도를 저감할 수 있는 것에 대해, 금속 산화막의 개질에 본 발명을 적용한 경우에는 막 중 불순물 중에서도 특히 H농도, Cl농도, C농도 및 N농도를 저감할 수 있다는 것을 확인하였다.
또한 예컨대 전술한 실시 형태에서는 제2 온도를 제1 온도보다 높은 온도로 하는(제2 온도 > 제1 온도) 예에 대하여 설명하였지만, 제2 온도를 제1 온도와 마찬가지로 하는(제2 온도 = 제1 온도) 것도 가능하다. 즉 반응 예비실 내의 온도를 처리실 내의 온도와 마찬가지로 하는 것도 가능하다. 특히 온도 제약이 없는 프로세스에서 유효하고, 그 중에서도 특히 제1 온도를 450℃ 이상의 온도(산소 함유 가스와 수소 함유 가스가 반응하여, 원자상 산소(O) 등의 반응종을 생성하는 것이 가능해지는 온도)로 할 수 있는 경우에 유효하다.
예컨대 이 경우, 반응 예비실 내의 온도와 처리실 내의 온도를 모두 제1 온도로 하고, 제1 온도로 가열된 감압 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스의 반응을 시작하고, 제1 온도로 가열된 감압 하에 있는 처리실 내에서 그 반응을 진행시키도록 할 수 있고, 그 온도에서 얻어진 원자상 산소의 농도를 최대로 하는 것이 가능해진다. 이 경우, 산소 함유 가스와 수소 함유 가스의 반응을 처리실 내에서 시작하는 것이 아니라 반응 예비실 내에서 시작하게 되어, 반응 예비실은 산소 함유 가스와 수소 함유 가스의 반응 지체 시간을 조정하는 버퍼로서의 역할을 담당하게 된다. 이 경우, 제1 온도로서는 예컨대 450∼600℃가 예시된다.
이와 같이 제2 온도를 제1 온도와 마찬가지로 해도 저온 영역에서의 산소 함유 가스와 수소 함유 가스의 반응 지체를 개선하는 것이 가능해진다. 즉 제2 온도를 제1 온도보다 높은 온도로(제2 온도 > 제1 온도) 할뿐만 아니라, 제2 온도를 제1 온도와 마찬가지로(제2 온도 = 제1 온도) 해도, 즉 제2 온도를 제1 온도 이상의 온도로 하는(제2 온도
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제1 온도) 것에 의해 저온 영역에서의 산소 함유 가스와 수소 함유 가스의 반응 지체를 개선하는 것이 가능해진다.
또한 전술한 실시 형태에서는 한번에 복수 매의 기판을 처리하는 뱃치(batch)식의 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 한번에 1매 또는 수 매의 기판을 처리하는 매엽식의 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
예컨대 도 7에 도시하는 바와 같이 제1 가열원은 저항 가열 히터가 아니라 램프 히터이며, 램프에 의한 웨이퍼로의 광 조사(照射), 즉 웨이퍼의 광 흡수에 의한 에너지로 웨이퍼를 가열하는 매엽식 콜드 월형의 처리로를 포함하는 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 경우에도 본 발명은 바람직하게 적용할 수 있다. 본 변형예의 처리로(402)는 처리실(401)을 형성하는 처리 용기(403)와, 제1 가열원으로서의 램프(404)와, 램프(404)의 광을 투과시키는 석영창(406)과, 1매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로 지지하는 서셉터(407)를 구비하는 지지대(405)를 포함한다. 또한 본 변형예의 처리로(402)에서는 반응 예비실(301)과 처리실(401)을 접속하는 배관부를 없애고, 반응 예비실(301)과 처리실(401)을 직결(直結)한다. 또한 도 7에서 도 1 및 도 2로 설명한 요소와 실질적으로 동일한 요소에는 동일한 부호를 첨부하고, 그 설명을 생략한다.
또한 예컨대 도 8에 도시하는 바와 같이 샤워 헤드에 반응 예비실을 설치한 기판 처리 장치, 즉 샤워 헤드부에 반응 예비실의 기능을 갖게 한 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 경우에도 본 발명은 바람직하게 적용할 수 있다. 본 변형예에 따른 처리로(402)는 처리실(401)을 형성하는 처리 용기(403)와, 처리실(401) 내에 가스를 샤워 형상으로 공급하는 샤워 헤드(409)와, 1매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로 지지하는 서셉터(407)를 구비하는 지지대(405)와, 지지대(405)에 설치된 제1 가열원으로서의 저항 가열 히터(408)를 포함한다. 샤워 헤드(409)는 내부에 반응 예비실(301)이 형성된 반응 예비 용기(300)와, 반응 예비 용기(300)의 원통 측면 및 상면을 둘러싸도록 설치된 제2 히터(302a, 302b, 302c)와, 반응 예비 용기(300) 및 제2 히터(302a, 302b, 302c)의 주위에 설치된 단열 부재(303)를 포함한다. 샤워 헤드(409)의 인렛에는 산소 함유 가스 공급관(232a)과 수소 함유 가스 공급관(232b)이 합류한 합류 배관부가 접속되고, 아웃렛에는 처리실(401) 내에 가스를 샤워 형상으로 공급하는 가스 분산판(304)이 설치된다. 또한 도 8에서 도 1 및 도 2로 설명한 요소와 실질적으로 동일한 요소에는 동일한 부호를 첨부하고, 그 설명을 생략한다.
도 7에 도시하는 변형예에 의하면, 고온으로 가열된 반응 예비실(301)을 이용하는 것에 의해 원자상 산소(O) 등의 반응종의 발생량을 높이고, 반응종의 농도를 현저하게 높일 수 있다. 그렇기 때문에 광조사에 의해 웨이퍼를 가열할 수 있는 콜드 월형의 챔버를 이용하는 경우에도 저온 처리에서 고온 처리와 마찬가지로 막질을 개선하는 것이 가능해지고, 또한 고온 처리와 마찬가지로 성막 속도를 향상시키는 것도 가능해진다. 또한 도 7 및 도 8에 도시하는 변형예에 의하면, 반응 예비실(301)과 처리실(201)(401)을 접속하는 배관부를 없애고, 반응 예비실(301)과 처리실(201)(401)을 직결하였기 때문에 반응 예비실(301) 내에서 생성된 원자상 산소(O) 등의 반응종이 배관부 내로 실활하는 것을 회피할 수 있다. 또한 배관부를 없앴기 때문에 배관부 내의 압력 모니터링이나 배관부 내의 압력 조정이 불필요해져, 기판 처리 장치의 구성이나 압력 제어 동작을 간소화하는 것도 가능해진다.
또한 본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 전술한 실시 형태의 각 요소나 각 변형예나 각 응용예 등을 필요에 따라 임의로 또한 적절하게 조합해도 좋다.
또한 본 발명은 예컨대 기존의 기판 처리 장치의 프로세스 레시피를 변경하는 것에 의해서도 실현된다. 프로세스 레시피를 변경하는 경우에는 본 발명에 따른 프로세스 레시피를 전기 통신 회선이나 상기 프로세스 레시피를 기록한 기록 매체를 개재하여 기존의 기판 처리 장치에 인스톨하거나, 또한 기존의 기판 처리 장치의 입출력 장치를 조작하여 그 프로세스 레시피 자체를 본 발명에 따른 프로세스 레시피로 변경하는 것도 가능하다.
[실시예]
전술한 실시 형태의 제1 시퀀스에 의해 SiO2막을 형성하고, 그 막 두께와, 반응 예비실 내의 온도(제2 온도)의 관계를 평가하였다. 실리콘 함유 가스로서는 HCDS가스를 이용하고, 산소 함유 가스로서는 O2가스를 이용하고, 수소 함유 가스로서는 H2가스를 이용하였다. 반응 예비실 내의 온도는 상온에서 750℃의 범위 내의 온도로 하였다. 그 이외의 성막 조건(각 스텝에서의 처리 조건)은 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 조건으로 하였다. 그 결과를 도 5에 도시한다.
도 5는 본 실시예에 따른 SiO2막의 막 두께와 반응 예비실 내의 온도의 관계를 도시하는 그래프다. 도 5의 횡축은 반응 예비실 내의 온도(℃)를 나타내고, 종축은 SiO2막의 막 두께[임의 단위(a.u.)]를 나타낸다. 도 5에 의하면, 반응 예비실 내의 온도(제2 온도)를 높이는 것에 의해 SiO2막의 막 두께가 두꺼워진다는 것을 알 수 있다. 특히 반응 예비실 내의 온도(제2 온도)를 450℃ 이상의 온도로 하는 것에 의해 성막 레이트를 크게 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉 반응 예비실 내의 온도(제2 온도)를 450℃ 이상의 범위 내의 온도로 하는 것에 의해 웨이퍼로의 반응종의 공급량을 증대시켜, 웨이퍼 온도(제1 온도)를 저온(예컨대 450℃ 이하)으로 유지한 상태에서 성막 레이트를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
이하에 본 발명의 바람직한 형태에 대하여 부기(附記)한다.
(부기1)
본 발명의 일 형태에 의하면,
처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 공정; 및
상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정;
을 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
(부기2)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 반응종은 H2O 비함유의 반응종이다.
(부기3)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 반응종은 원자상 산소다.
(부기4)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 제1 온도를 100℃ 이상 600℃ 이하로 하고, 상기 제2 온도를 450℃ 이상 1,200℃ 이하로 한다.
(부기5)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 제1 온도를 100℃ 이상 450℃ 이하로 하고, 상기 제2 온도를 450℃ 이상 1,200℃ 이하로 한다.
(부기6)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 실리콘 함유층을 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 반응 예비실 내의 압력을 1Pa 이상 3,999Pa 이하로 하고, 상기 처리실 내의 압력을 1Pa 이상 1,333Pa 이하로 한다.
(부기7)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 반응 예비실은 상기 처리실에 직결한다.
(부기8)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 반응종은 샤워 헤드를 개재하여 상기 기판에 대하여 공급되고, 상기 반응 예비실은 상기 샤워 헤드 내에 설치된다.
(부기9)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 실리콘 함유층을 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 반응 예비실 내에 각 가스를 산소 함유 가스의 유량이 수소 함유 가스의 유량보다 커질 수 있는 조건에서 공급한다.
(부기10)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 실리콘 함유층을 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 반응 예비실 내에 각 가스를 산소 함유 가스 리치를 조건으로 공급한다.
(부기11)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 실리콘 함유층은 실리콘층이다.
(부기12)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 실리콘 함유층은 실리콘이 상기 기판 상에 퇴적하는 것에 의해 형성되는 층이다.
(부기13)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 실리콘 함유층은 상기 원료 가스의 흡착층이다.
(부기14)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 실리콘 함유층은 상기 원료 가스가 상기 기판 상에 흡착하는 것에 의해 형성되는 층이다.
(부기15)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도, 또는 상기 제1 온도보다 높고 상기 제2 온도보다 낮은 제3 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해, 상기 기판 상에 형성된 소정 막 두께의 상기 실리콘 산화막을 개질하는 공정을 더 포함한다.
(부기16)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 산소 함유 가스는 산소 가스, 오존 가스, 일산화질소 가스 및 아산화질소 가스에 의해 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가스이며, 상기 수소 함유 가스는 수소 가스, 중수소 가스, 암모니아 가스 및 메탄가스에 의해 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가스다.
(부기17)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는, 상기 산소 함유 가스는 산소 가스이며, 상기 수소 함유 가스는 수소 가스다.
(부기18)
본 발명의 다른 형태에 의하면,
처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 공정; 및
상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정;
을 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 포함하는 기판 처리 방법이 제공된다.
(부기19)
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판을 수용하여 처리하는 처리실;
상기 처리실 내의 기판을 제1 온도로 가열하는 제1 가열원;
복수 종류의 가스를 반응시키는 반응 예비실;
상기 반응 예비실 내를 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열하는 제2 가열원;
상기 처리실 내에 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계;
상기 반응 예비실 내에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급계;
상기 반응 예비실 내에 수소 함유 가스를 공급하는 수소 함유 가스 공급계;
상기 처리실 내 및 상기 반응 예비실 내의 압력을 조정하는 압력 조정부; 및
상기 처리실 내에 수용되고 상기 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 처리와, 상기 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 산화층으로 변화시키는 처리를 교호적으로 반복하는 것에 의해, 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하도록 상기 제1 가열원, 상기 제2 가열원, 상기 원료 가스 공급계, 상기 산소 함유 가스 공급계, 상기 수소 함유 가스 공급계 및 상기 압력 조정부를 제어하는 제어부;
를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.
(부기20)
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판 처리 장치의 처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 순서; 및
상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 순서;
를 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 순서를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 제공된다.
(부기21)
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판 처리 장치의 처리실 내에 수용되고, 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 순서; 및
상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 순서;
를 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 순서를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.
200: 웨이퍼 201: 처리실
202: 처리로 203: 프로세스 튜브
207: 제1의 히터 231: 배기관
232: 원료 가스 공급관 232a: 산소 함유 가스 공급관
232b: 수소 함유 가스 공급관 232f: 반응 가스 공급관
244: APC밸브 245: 압력 센서
245a: 압력 센서 245b: 압력 센서
246: 진공 펌프 263: 온도 센서
263a: 온도 센서 280: 컨트롤러
300: 반응 예비 용기 301: 반응 예비실
302: 제2의 히터

Claims (15)

  1. 처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 공정;
    상기 처리실 내에 잔류하는 상기 원료 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정;
    상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정; 및
    상기 처리실 내에 잔류하는 상기 반응종, 상기 산소 함유 가스, 상기 수소 함유 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 공정;
    을 이 순서대로 수행하는 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응종은 H2O 비함유의 반응종인 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응종은 원자상(原子狀) 산소인 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도를 100℃ 이상 600℃ 이하로 하고, 상기 제2 온도를 450℃ 이상 1,200℃ 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도를 100℃ 이상 450℃ 이하로 하고, 상기 제2 온도를 450℃ 이상 1,200℃ 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 함유층을 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 반응 예비실 내의 압력을 1Pa 이상 3,999Pa 이하로 하고, 상기 처리실 내의 압력을 1Pa 이상 1,333Pa 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응 예비실은 상기 처리실에 직결(直結)하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반응종은 샤워 헤드를 개재하여 상기 기판에 대하여 공급되고, 상기 반응 예비실은 상기 샤워 헤드 내에 설치되는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 기판을 수용하여 처리하는 처리실;
    상기 처리실 내의 기판을 제1 온도로 가열하는 제1 가열원(源);
    복수 종류의 가스를 반응시키는 반응 예비실;
    상기 반응 예비실 내를 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열하는 제2 가열원;
    상기 처리실 내에 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계;
    상기 반응 예비실 내에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급계;
    상기 반응 예비실 내에 수소 함유 가스를 공급하는 수소 함유 가스 공급계;
    상기 처리실 내 및 상기 반응 예비실 내의 압력을 조정하는 압력 조정부; 및
    상기 처리실 내에 수용되고 상기 제1 온도로 가열된 기판에 대하여 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 처리와, 상기 처리실 내에 잔류하는 상기 원료 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 처리와, 상기 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 반응 예비실 내에서 상기 산소 함유 가스와 상기 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 산화층으로 변화시키는 처리와, 상기 처리실 내에 잔류하는 상기 반응종, 상기 산소 함유 가스, 상기 수소 함유 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 처리를 이 순서대로 수행하는 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해, 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하도록 상기 제1 가열원, 상기 제2 가열원, 상기 원료 가스 공급계, 상기 산소 함유 가스 공급계, 상기 수소 함유 가스 공급계 및 상기 압력 조정부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  11. 처리실 내에 수용되고 제1 온도로 가열된 기판에 대하여, 실리콘을 포함하는 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 실리콘 함유층을 형성하는 순서;
    상기 처리실 내에 잔류하는 상기 원료 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 순서;
    상기 제1 온도 이상의 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 반응 예비실 내에서 산소 함유 가스와 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 형성된 상기 실리콘 함유층을 산화하여 실리콘 산화층으로 변화시키는 순서; 및
    상기 처리실 내에 잔류하는 상기 반응종, 상기 산소 함유 가스, 상기 수소 함유 가스를 상기 처리실 내로부터 배제하는 순서;
    를 이 순서대로 수행하는 사이클을 복수 회 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 실리콘 산화막을 형성하는 순서를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 함유층을 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 반응 예비실 내에 각 가스를 상기 산소 함유 가스의 유량이 상기 수소 함유 가스의 유량보다 커질 수 있는 조건으로 공급하는 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 함유층을 실리콘 산화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 반응 예비실 내에 각 가스를 산소 함유 가스 리치인 조건으로 공급하는 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도로 가열된 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 반응 예비실 내에서 상기 산소 함유 가스와 상기 수소 함유 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 반응시켜서 산소를 포함하는 반응종을 생성하고, 상기 반응종을 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리실 내의 상기 제1 온도, 또는 상기 제1 온도보다 높고 상기 제2 온도보다 낮은 제3 온도로 가열된 상기 기판에 대하여 공급하는 것에 의해, 상기 기판 상에 형성된 소정 막 두께의 상기 실리콘 산화막을 개질하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 함유층은 1원자층 미만 내지 수원자층의 두께의 실리콘층인 반도체 장치의 제조 방법.
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