KR101523219B1 - 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기판 처리 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

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요시로 히로세
나오노리 아카에
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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 원료 가스를 공급하여 소정 원소 함유층을 형성하는 공정; 대기압 미만의 압력 하에 있는 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하여 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정; 및 대기압 미만의 압력 하에 있는 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하여 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정;을 이 공정들 사이에 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하여 산질화막을 형성하는 공정을 포함하고, 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 원료 가스와 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 불활성 가스 또는 수소 함유 가스의 유량을 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하여 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 불활성 가스를 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 원료 가스를 기판의 표면과 평행 방향으로 분출한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기판 처리 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, SUBSTRATE TREATMENT METHOD, SUBSTRATE TREATMENT DEVICE AND NON-TRANSITORY COMPUTER READABLE RECORDING MEDIUM}
본 발명은 기판 상에 박막을 형성하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 방법, 또한 그 공정에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
플래시 메모리는 절연막으로 둘러싸여진 전자 축적 영역[부유(浮遊) 게이트]을 구비하고, 얇은 터널 산화막을 개재한 전자를 주고받는 것에 의해 정보의 기입을 수행하는 것과 동시에 이 얇은 산화막의 절연성을 이용하여 장시간에 걸쳐서 전자를 보지하고 기억을 유지하는 것이 동작 원리다. 플래시 메모리에서는 기입, 삭제 시에 전자나 홀[정공(正孔)]이 터널 절연막을 지나서 부유 게이트에 축적되는 것에 의해 정보가 기억되지만, 미세화가 진행함에 따라 터널 절연막에서의 EOT(Equivalent Oxide Thickness: 산화막 환산 막 두께)의 박막화가 요구되고 있다. 그래서 산화막(SiO2막, 이하, 단순히 SiO막이라고도 부른다)과 비교해서 유전율이 높은 질화막(Si3N4막, 이하, 단순히 SiN막이라고도 부른다)을 터널 절연막으로서 이용하는 방법도 있지만, SiN막은 결함 밀도가 높아 그 저감이 요구되고 있다. 결함으로 알려져 있는 댕글링 본드 등의 구조 결함은 용이하게 수소와 결합하기 때문에 막 중에 수소 원자가 많은 막은 결함 밀도가 높은 막이라고도 말할 수 있으며, 수소를 포함하지 않는 고품질의 SiN막이 요구되고 있다.
종래 SiN막은 예컨대 700℃∼800℃ 부근의 온도대로 SiH2Cl2가스와 NH3가스를 이용한 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성막되었지만, CVD법으로 형성된 SiN막(CVD-SiN막)은 결함 밀도가 높고, TDS[승온 탈리법(脫離法)]에 의한 수소의 정량값으로 10의 21승(乘) 오더의 수소를 함유하기 때문에 이들의 개선이 요구된다.
또한 CVD법에서는 막 두께 균일성이나 스텝 커버리지 특성의 제약에 의해 성막 온도의 고온화를 이용한 수소 저감은 곤란하며, CVD법을 대신하는 성막 수법이 요구되고 있다.
CVD법을 대신하는 수법으로서 예로 들 수 있는 ALD(Atomic Layer Deposition)법에서는, 예컨대 SiH2Cl2가스와 NH3가스를 이용한 ALD-SiN성막의 경우, 원재료에 수소를 포함하고 있어 ALD법이 성립되는 온도 영역(∼550℃정도)에서 원재료 기인의 수소가 막 중에 잔류하기 때문에, SiH2Cl2가스와 NH3가스를 이용한 ALD-SiN성막을 대신하는 막 두께 균일성이나 스텝 커버리지 특성이 좋은 수법이 요구되고 있다.
발명자 등은 예의 연구를 거듭한 결과, 고온 영역에서 막 중의 수소 농도가 지극히 낮고 막 두께 균일성이 양호한 질화막을 형성하는 방법을 고안하였다.
하지만 이 방법으로 형성한 질화막을 플래시 메모리의 터널 절연막이나 MOS커패시터의 게이트 절연막으로서 이용한 경우, 질화막에 스트레스 전압(플래시 메모리의 기입 전압이나 MOS커패시터의 게이트 전압 등)이 인가되는 것에 의해, 질화막의 특성이 변화하여 디바이스의 동작에 영향을 주는 경우가 있었다. 예컨대 전술한 질화막을 MOS커패시터의 게이트 절연막으로서 이용한 경우, 질화막에 게이트 전압 등이 인가되는 것에 의해, 플랫 밴드 전압이 시프트되어 역치 전압이 변동되는 경우가 있었다.
본 발명의 목적은 고온 영역에서 막 중의 수소 농도가 지극히 낮아 막 두께 균일성이 양호하고 스트레스 전압에 대한 내성이 높은 절연막을 형성할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기판 처리 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 의하면,
처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정을,
그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정을 포함하고,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 상기 원료 가스와 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스의 유량을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 상기 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하여 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출[吹付]하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 의하면,
처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정을,
그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정을 포함하고,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 상기 원료 가스와 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스의 유량을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 상기 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하여 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 기판 처리 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판을 수용하는 처리 용기;
상기 처리 용기 내의 기판을 가열하는 히터;
상기 처리 용기 내에 소정 원소를 포함하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계;
상기 처리 용기 내에 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급계;
상기 처리 용기 내에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급계;
상기 처리 용기 내에 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 공급하는 불활성 가스 또는 수소 함유 가스 공급계;
상기 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정부; 및
상기 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 상기 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 처리,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 상기 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 처리, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 상기 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 처리를,
이 처리들의 사이에 상기 처리 용기 내에 상기 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 처리를 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 처리를 수행하고,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 처리에서는 상기 원료 가스와 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스의 유량을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 상기 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 처리에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하도록,
상기 히터, 상기 원료 가스 공급계, 상기 질소 함유 가스 공급계, 상기 산소 함유 가스 공급계, 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스 공급계 및 상기 압력 조정부를 제어하는 제어부;
를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 고온 영역에서 막 중의 수소 농도가 지극히 낮아 막 두께 균일성이 양호하고 스트레스 전압에 대한 내성이 높은 절연막을 형성할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법, 기판 처리 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 종형(縱型) 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종(縱)단면도로 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 형태에서의 성막 플로우를 도시하는 도면.
도 4는 본 실시 형태에 따른 산질화막의 성막 시퀀스에서의 가스 공급의 타이밍을 도시하고, 퇴적·흡착 저해 가스로서 불활성 가스를 이용하는 예를 도시하는 도면.
도 5는 본 실시 형태에 따른 산질화막의 성막 시퀀스에서의 가스 공급의 타이밍을 도시하고, 퇴적·흡착 저해 가스로서 수소 함유 가스를 이용하는 예를 도시하는 도면.
도 6은 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도.
도 7은 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착 모습을 모식적으로 도시하는 도면. 도 7의 (a)는 HCD가스의 유속이 작은 경우를 도시하는 도면, 도 7의 (b)는 HCD가스의 유속이 큰 경우를 도시하는 도면.
도 8은 제1 실시예에서의 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량의 차이에 의한 SiN막의 막 두께의 웨이퍼 중심으로부터의 거리로의 의존성을 도시하는 도면.
도 9는 제1 실시예에서의 SiN막의 웨이퍼 면내(面內) 막 두께 균일성의 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량으로의 의존성을 도시하는 도면.
도 10은 제2 실시예에서의 SiN막의 성막 온도와 SiN막 중의 수소 농도의 관계를 도시하는 도면.
도 11은 제2 실시예에서의 SiN막의 성막 온도와 SiN막의 막 밀도의 관계를 도시하는 도면.
도 12는 제3 실시예에서의 SiN막의 성막 온도와 웨이퍼 면내 막 두께 균일성의 관계를 도시하는 도면.
도 13은 제4 실시예에서의 SiON막을 이용한 평가 샘플의 C-V특성을 도시하는 도면.
도 14는 참고예에서의 SiN막을 이용한 평가 샘플의 C-V특성을 도시하는 도면.
발명자 등은 질화막에 스트레스 전압이 인가되는 것에 의해 질화막의 특성이 변화하여 디바이스의 동작에 영향을 주는 이유에 대하여 예의 연구를 거듭했다. 그 결과, 질화막 중에 존재하는 결함은 전술한 현상의 하나의 요인이라는 것이 구명되었다. 전술한 방법에 의해 형성되는 질화막은 대체로 막 중의 수소 농도, 응력이 지극히 낮아 결함이 적다는 뛰어난 특성을 가지고 있지만, 소정 크기의 응력을 지니고 있어 막 중에 이와 같은 응력에 의해 발생한 변형에 기인하는 결함이 존재하는 경우가 있다. 또한 질화막 중에는 질소의 결손에 기인하는 결함도 존재하는 경우가 있다. 이와 같은 결함은 막 중에 공급된 전하를 포착하는 트랩 사이트[트랩 준위(準位)]를 형성한다. 그렇기 때문에 전술한 질화막을 예컨대 MOS커패시터의 게이트 절연막으로서 이용한 경우, 질화막에 게이트 전압 등의 스트레스 전압이 인가되는 것에 의해 질화막 중에 전하가 공급되고, 막 중에 공급된 전하가 트랩 사이트에 포착된다. 그리고 트랩 사이트에 포착된 전하 중에 부(負)전하 또는 정(正)전하가 존재하는 경우에는 MOS커패시터의 플랫 밴드 전압이 시프트되어(공핍층으로부터 축적층으로의 변화점이 변경되어), 역치 전압이 변동되는 경우가 있다.
발명자 등은 예의 연구를 거듭한 결과, 전술한 질화막 중에 산소(O) 원자를 도입하여 산질화막으로 변화시키는 것에 의해 이와 같은 과제를 해결할 수 있다는 지견을 얻었다. 즉 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하여 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정, 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하여 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정, 및 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하여 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정을, 그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성한다. 이 경우, 상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 상기 원료 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 흐르는 상기 원료 가스의 유속을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 흐르는 불활성 가스의 유속보다도 크게 한다. 이에 의해 고온 영역에서 막 중의 수소 농도가 지극히 낮아 막 두께 균일성이 양호하고, 스트레스 전압에 대한 내성이 높은 절연막을 형성하는 것이 가능해진다.
질화층을 산질화층으로 변화시키는 것에 의해 산질화층으로 변화시키기 전의 질화층 중에 결함이 적다는 뛰어난 특성을 살리면서 산질화층 중의 결함을 더 저감시킬 수 있다. 그 결과, 결함이 적고 스트레스 전압에 대한 내성이 높은 산질화막을 형성할 수 있다. 그리고 형성한 산질화막을 예컨대 MOS커패시터의 게이트 절연막으로서 이용한 경우, 게이트 절연막 중에서의 전하의 포착을 보다 효과적으로 억제할 수 있고, 플랫 밴드 전압의 시프트 등을 보다 확실하게 회피할 수 있다.
또한 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정은 CVD반응이 발생하는 조건 하에서 수행한다. 이 때 기판 상에 1원자층 미만으로부터 수원자층 정도의 소정 원소 함유층으로서의 소정 원소층을 형성한다. 소정 원소 함유층은 소정 원소를 포함하는 원료 가스(이하, 단순히 원료 가스라고도 부른다)의 흡착층이어도 좋다. 여기서 소정 원소층이란 소정 원소에 의해 구성되는 연속적인 층 외에, 불연속적인 층이나, 이들이 중첩되어 이루어지는 박막도 포함하는 총칭이다. 또한 소정 원소에 의해 구성되는 연속적인 층을 박막이라고 부르는 경우도 있다. 또한 원료 가스의 흡착층은 원료 가스의 가스 분자의 연속적인 화학 흡착층 외에 불연속적인 화학 흡착층도 포함한다. 또한 1원자층 미만의 층이란 불연속적으로 형성되는 원자층을 의미한다. 원료 가스가 자기(自己)분해(열분해)하는 조건 하, 즉 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서는 기판 상에 소정 원소가 퇴적하는 것에 의해 소정 원소층이 형성된다. 원료 가스가 자기분해(열분해)하지 않는 조건 하, 즉 원료 가스의 열분해 반응이 발생하지 않는 조건 하에서는 기판 상에 원료 가스가 흡착하는 것에 의해 원료 가스의 흡착층이 형성된다. 또한 기판 상에 원료 가스의 흡착층을 형성하는 것보다 소정 원소층을 형성하는 것이 성막 레이트를 높게 할 수 있어 바람직하다.
또한 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정에서는 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리 용기 내에서 질소 함유 가스를 열로 활성화시키거나 열분해하여 질소를 포함하는 질화종을 생성하고, 이 질화종에 의해 소정 원소 함유층을 질화하여 질화층으로 변화시킨다(개질한다). 즉 이 질화종과 소정 원소 함유층을 반응시켜서 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시킨다. 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정은 비(非)플라즈마의 감압 분위기 하에서 수행할 수 있다. 또한 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정에서는 질소 함유 가스를 플라즈마로 활성화시켜서 이용할 수도 있다.
또한 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정에서는 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리 용기 내에서 산소 함유 가스를 열로 활성화시키거나 열분해하여 산소를 포함하는 산화종을 생성하고, 이 산화종에 의해 질화층을 산화하여 산질화층으로 변화시킨다(개질한다). 즉 이 산화종과 질화층을 반응시켜서 질화층을 산질화층으로 변화시킨다. 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정은 비(非)플라즈마의 감압 분위기 하에서 수행할 수 있다. 또한 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정에서는 산소 함유 가스를 플라즈마로 활성화시켜서 이용할 수도 있다.
그리고 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서 원료 가스를 기판의 측방에 설치된 노즐로부터 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐과 같은 노즐로부터 원료 가스와 함께 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 공급하는 것에 의해, 기판의 표면과 평행 방향으로 흐르는 원료 가스의 유속을, 퍼지 시에 기판의 표면과 평행 방향으로 흐르는 불활성 가스의 유속보다도 크게 한다. 즉 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 불활성 가스를 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 원료 가스를 기판의 표면과 평행 방향으로 분출한다. 이와 같이 기판의 표면과 평행 방향으로 흐르는 원료 가스의 유속을 높이는 것에 의해 기판 상으로의 소정 원소 함유층의 퇴적 또는 흡착을 저해(억제)시키면서 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성할 수 있고, 소정 원소 함유층의 퇴적 또는 흡착 중심을 기판의 에지(edge)측으로부터 센터측으로 이동시키는 것이 가능해진다. 결과적으로 고온 영역에서 막 두께 균일성이 양호한 산질화막을 형성하는 것이 가능해진다.
본 발명은 발명자 등이 얻은 이와 같은 지견에 기초하여 이루어졌다. 이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
<본 발명의 일 실시 형태>
(1) 기판 처리 장치의 구성
도 1은 본 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략 구성도이며, 처리로(202) 부분을 종단면으로 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(枚葉式), Hot Wall형, Cold Wall형의 처리로를 포함하는 기판 처리 장치에도 바람직하게 적용할 수 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이 처리로(202)는 가열 수단(가열 기구)으로서의 히터(207)를 포함한다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보지판(保持板)으로서의 히터 베이스(도시되지 않음)에 지지되는 것에 의해 수직으로 설치된다. 또한 히터(207)는 후술하는 바와 같이 가스를 열로 활성화시키는 활성화 기구로서도 기능한다.
히터(207)의 내측에는 히터(207)와 동심원 형상으로 반응 용기(처리 용기)를 구성하는 반응관(203)이 배설(配設)된다. 반응관(203)은 예컨대 석영(SiO2) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 이루어지고, 상단이 폐색(閉塞)되고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성된다. 반응관(203)의 통중공부(筒中空部)에는 처리실(201)이 형성되고, 기판으로서의 웨이퍼(200)를 후술하는 보트(217)에 의해 수평 자세로 수직 방향으로 다단으로 정렬한 상태에서 수용 가능하도록 구성된다.
처리실(201) 내에는 제1 가스 도입부로서의 제1 노즐(233a)과, 제2 가스 도입부로서의 제2 노즐(233b)이 반응관(203)의 하부 측벽을 관통하도록 설치된다. 제1 노즐(233a)에는 제1 가스 공급관(232a)이 접속된다. 또한 제2 노즐(233b)에는 제2 가스 공급관(232b) 및 제3 가스 공급관(232c)이 접속된다. 이와 같이 반응관(203)에는 2개의 노즐(233a, 233b)과, 3개의 가스 공급관(232a, 232b, 232c)이 설치되고, 처리실(201) 내에 복수 종류, 여기서는 3종류의 가스를 공급할 수 있도록 구성된다.
또한 반응관(203)의 하방에 반응관(203)을 지지하는 금속제의 매니폴드를 설치하고, 각 노즐을 이 금속제의 매니폴드의 측벽을 관통하도록 설치해도 좋다. 이 경우, 이 금속제의 매니폴드에 후술하는 배기관(231)을 더 설치해도 좋다. 또한 이 경우에서도 배기관(231)을 금속제의 매니폴드에 설치하지 않고 반응관(203)의 하부에 설치해도 좋다. 이와 같이 처리로의 노구부(爐口部)를 금속제로 하고, 이 금속제의 노구부에 노즐 등을 설치해도 좋다.
제1 가스 공급관(232a)에는 상류 방향으로부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241a, MFC) 및 개폐 밸브인 밸브(243a)가 설치된다. 또한 제1 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)보다도 하류측에는 제1 불활성 가스 공급관(232d)이 접속된다. 이 제1 불활성 가스 공급관(232d)에는 상류 방향으로부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241d) 및 개폐 밸브인 밸브(243d)가 설치된다. 또한 제1 가스 공급관(232a)의 선단부(先端部)에는 전술한 제1 노즐(233a)이 접속된다. 제1 노즐(233a)은 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200) 사이에서의 원호 형상의 공간에, 반응관(203)의 내벽의 하부로부터 상부를 따라 웨이퍼(200)의 적재 방향 상방을 향해서 상승[立上]하도록 설치된다. 즉 제1 노즐(233a)은 웨이퍼(200)가 배열되는 웨이퍼 배열 영역의 측방의, 웨이퍼 배열 영역을 수평하게 둘러싸는 영역에 웨이퍼 배열 영역을 따르도록 설치된다. 제1 노즐(233a)은 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 향해서 상승하도록 설치된다. 제1 노즐(233a)의 측면에는 가스를 공급하는 가스 공급공(248a)이 설치된다. 가스 공급공(248a)은 반응관(203)의 중심을 향하도록 개구되어 웨이퍼(200)를 향해서 가스를 공급하는 것이 가능하다. 이 가스 공급공(248a)은 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐서 복수 설치되고, 각각이 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 같은 개구 피치로 설치된다.
주로 제1 가스 공급관(232a), 매스 플로우 컨트롤러(241a), 밸브(243a)에 의해 제1 가스 공급계가 구성된다. 또한 제1 노즐(233a)을 제1 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 주로 제1 불활성 가스 공급관(232d), 매스 플로우 컨트롤러(241d), 밸브(243d)에 의해 제1 불활성 가스 공급계가 구성된다. 제1 불활성 가스 공급계는 퍼지 가스 공급계로서도 기능한다.
제2 가스 공급관(232b)에는 상류 방향으로부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241b, MFC) 및 개폐 밸브인 밸브(243b)가 설치된다. 또한 제2 가스 공급관(232b)의 밸브(243b)보다도 하류측에는 제2 불활성 가스 공급관(232e)이 접속된다. 이 제2 불활성 가스 공급관(232e)에는 상류 방향으로부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241e) 및 개폐 밸브인 밸브(243e)가 설치된다. 또한 제2 가스 공급관(232b)의 선단부에는 전술한 제2 노즐(233b)이 접속된다. 제2 노즐(233b)은 가스 분산 공간인 버퍼실(237) 내에 설치된다.
버퍼실(237)은 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200) 사이에서의 원호 형상의 공간에, 반응관(203) 내벽의 하부로부터 상부에 걸친 부분에, 웨이퍼(200)의 적재 방향을 따라 설치된다. 즉 버퍼실(237)은 웨이퍼 배열 영역의 측방의, 웨이퍼 배열 영역을 수평하게 둘러싸는 영역에 웨이퍼 배열 영역을 따르도록 설치된다. 버퍼실(237)의 웨이퍼(200)와 인접하는 벽의 단부(端部)에는 가스를 공급하는 가스 공급공(248c)이 설치된다. 가스 공급공(248c)은 반응관(203)의 중심을 향하도록 개구되어 웨이퍼(200)를 향해서 가스를 공급하는 것이 가능하다. 이 가스 공급공(248c)은 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐서 복수 설치되고, 각각이 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 같은 개구 피치로 설치된다.
제2 노즐(233b)은 버퍼실(237)의 가스 공급공(248c)이 설치된 단부와 반대측의 단부에 반응관(203)의 내벽의 하부로부터 상부를 따라 웨이퍼(200)의 적재 방향 상방을 향해서 상승하도록 설치된다. 즉 제2 노즐(233b)은 웨이퍼 배열 영역의 측방의, 웨이퍼 배열 영역을 수평하게 둘러싸는 영역에 웨이퍼 배열 영역을 따르도록 설치된다. 제2 노즐(233b)은 L자형의 롱 노즐로서 구성되고, 그 수평부는 반응관(203)의 하부 측벽을 관통하도록 설치되고, 그 수직부는 적어도 웨이퍼 배열 영역의 일단측으로부터 타단측을 향해서 상승하도록 설치된다. 제2 노즐(233b)의 측면에는 가스를 공급하는 가스 공급공(248b)이 설치된다. 가스 공급공(248b)은 버퍼실(237)의 중심을 향하도록 개구된다. 이 가스 공급공(248b)은 버퍼실(237)의 가스 공급공(248c)과 마찬가지로 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐서 복수 설치된다. 이 복수의 가스 공급공(248b)의 각각의 개구 면적은 버퍼실(237) 내와 처리실(201) 내의 차압(差壓)이 작은 경우에는 상류측(하부)으로부터 하류측(상부)까지 각각 동일한 개구 면적과 동일한 개구 피치로 하면 좋지만, 차압이 큰 경우에는 상류측으로부터 하류측을 향해서 각각 개구 면적을 크게 하거나 개구 피치를 작게 하면 좋다.
본 실시 형태에서는 제2 노즐(233b)의 가스 공급공(248b)의 각각의 개구 면적이나 개구 피치를 상류측으로부터 하류측에 걸쳐서 전술과 같이 조절하는 것에 의해, 우선 가스 공급공(248b)의 각각으로부터 유속의 차이는 있지만 유량이 거의 같은 양의 가스를 분출[吹付]시킨다. 그리고 이 가스 공급공(248b)의 각각으로부터 분출하는 가스를 일단 버퍼실(237) 내에 도입하고, 버퍼실(237) 내에서 가스의 유속 차이의 균일화를 수행한다. 즉 제2 노즐(233b)의 가스 공급공(248b)의 각각으로부터 버퍼실(237) 내에 분출한 가스는 버퍼실(237) 내에서 각 가스의 입자 속도가 완화된 후, 버퍼실(237)의 가스 공급공(248c)으로부터 처리실(201) 내에 분출한다. 이에 의해 제2 노즐(233b)의 가스 공급공(248b)의 각각으로부터 버퍼실(237) 내에 분출한 가스는 버퍼실(237)의 가스 공급공(248c)의 각각으로부터 처리실(201) 내에 분출할 때에는 균일한 유량과 유속을 가지는 가스가 된다.
주로 제2 가스 공급관(232b), 매스 플로우 컨트롤러(241b), 밸브(243b)에 의해 제2 가스 공급계가 구성된다. 또한 제2 노즐(233b) 및 버퍼실(237)을 제2 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 주로 제2 불활성 가스 공급관(232e), 매스 플로우 컨트롤러(241e), 밸브(243e)에 의해 제2 불활성 가스 공급계가 구성된다. 제2 불활성 가스 공급계는 퍼지 가스 공급계로서도 기능한다.
제3 가스 공급관(232c)에는 상류 방향으로부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241c, MFC) 및 개폐 밸브인 밸브(243c)가 설치된다. 또한 제3 가스 공급관(232c)의 밸브(243c)보다도 하류측에는 제3 불활성 가스 공급관(232f)이 접속된다. 이 제3 불활성 가스 공급관(232f)에는 상류 방향으로부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(241f) 및 개폐 밸브인 밸브(243f)가 설치된다. 또한 제3 가스 공급관(232c)의 선단부는 제2 가스 공급관(232b)의 밸브(243b)보다도 하류측에 접속된다.
주로 제3 가스 공급관(232c), 매스 플로우 컨트롤러(241c), 밸브(243c)에 의해 제3 가스 공급계가 구성된다. 또한 제2 가스 공급관(232b)의 제3 가스 공급관(232c)과의 접속부보다도 하류측, 제2 노즐(233b) 및 버퍼실(237)을 제3 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 또한 주로 제3 불활성 가스 공급관(232f), 매스 플로우 컨트롤러(241f), 밸브(243f)에 의해 제3 불활성 가스 공급계가 구성된다. 제3 불활성 가스 공급계는 퍼지 가스 공급계로서도 기능한다.
이와 같이 본 실시 형태에서의 가스 공급의 방법은 반응관(203)의 내벽과, 적재된 복수 매의 웨이퍼(200)의 단부로 정의되는 원호 형상의 세로로 긴 공간 내에 배치한 노즐(233a, 233b) 및 버퍼실(237)을 경유하여 가스를 반송하고, 노즐233a에 개구된 가스 공급공(248a) 및 버퍼실(237)에 개구된 가스 공급공(248c)으로부터 웨이퍼(200)의 근방에서 처음 반응관(203) 내에 가스를 분출시키고, 반응관(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 있어, 각 웨이퍼(200)에 형성되는 박막의 막 두께를 균일하게 할 수 있다는 효과가 있다. 또한 반응 후의 잔류 가스는 배기구, 즉 후술하는 배기관(231)의 방향을 향해서 흐르지만, 이 잔류 가스가 흐르는 방향은 배기구의 위치에 의해 적절히 특정된 것이며, 수직 방향에 한정되지 않는다.
제1 가스 공급관(232a)으로부터는 소정 원소를 포함하는 원료 가스, 즉 소정 원소로서의 실리콘(Si)을 포함하는 원료 가스(실리콘 함유 가스)로서, 예컨대 헥사클로로디실란(Si2Cl6, 약칭: HCD) 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241a), 밸브(243a), 제1 노즐(233a)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 즉 제1 가스 공급계는 원료 가스 공급계(실리콘 함유 가스 공급계)로서 구성된다. 또한 HCD와 같이 상온 상압 하에서 액체 상태인 액체 원료를 이용하는 경우에는 액체 원료를 기화기나 버블러 등의 기화 시스템에 의해 기화하여 원료 가스로서 공급한다. 이 때 동시에 제1 불활성 가스 공급관(232d)으로부터 퇴적·흡착 저해 가스로서의 불활성 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241d), 밸브(243d)를 개재하여 제1 가스 공급관(232a) 내에 공급된다. 여기서 퇴적·흡착 저해 가스란 웨이퍼(200) 표면 상으로의 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착을 저해시키기 위한 가스를 말한다. 제1 가스 공급관(232a) 내에 공급된 퇴적·흡착 저해 가스로서의 불활성 가스는 제1 노즐(233a)을 개재하여 HCD가스와 함께 처리실(201) 내에 공급된다. 또한 이 때 퇴적·흡착 저해 가스로서 불활성 가스 대신에 수소 함유 가스를 제1 가스 공급관(232a) 내에 공급해도 좋다. 이 경우, 제1 불활성 가스 공급계를 수소 함유 가스 공급계로 치환하면 좋다. 즉 이 경우, 수소 함유 가스 공급계는 수소 함유 가스 공급관(232d), 매스 플로우 컨트롤러(241d), 밸브(243d)에 의해 구성된다. 이와 같이 제1 불활성 가스 공급계는 퇴적·흡착 저해 가스 공급계로서도 구성되고, 수소 함유 가스 공급계로 치환하는 것도 가능하도록 이루어진다.
제2 가스 공급관(232b)으로부터는 질소를 포함하는 가스(질소 함유 가스)로서 예컨대 암모니아(NH3) 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241b), 밸브(243b), 제2 노즐(233b), 버퍼실(237)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 즉 제2 가스 공급계는 질소 함유 가스 공급계로서 구성된다. 이 때 동시에 제2 불활성 가스 공급관(232e)으로부터 불활성 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241e), 밸브(243e)를 개재하여 제2 가스 공급관(232b) 내에 공급되어도 좋다.
제3 가스 공급관(232c)으로부터는 산소를 포함하는 가스(산소 함유 가스)로서 예컨대 아산화질소(N2O) 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241c), 밸브(243c), 제2 가스 공급관(232b), 제2 노즐(233b), 버퍼실(237)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 즉 제3 가스 공급계는 산소 함유 가스 공급계로서 구성된다. 이 때 동시에 제3 불활성 가스 공급관(232f)으로부터 불활성 가스가 매스 플로우 컨트롤러(241f), 밸브(243f)를 개재하여 제3 가스 공급관(232c) 내에 공급되어도 좋다.
또한 본 실시 형태에서는 NH3가스와 N2O가스를 같은 노즐로부터 처리실(201) 내[버퍼실(237) 내]에 공급하지만, 각각을 서로 다른 노즐로부터 처리실(201) 내에 공급해도 좋다. 단, 복수 종류의 가스로 노즐을 공용으로 하는 것이 노즐의 개수를 저감할 수 있어 장치 비용을 저감할 수 있고, 메인터넌스도 용이해지는 등의 이점이 있다.
버퍼실(237) 내에는 도 2에 도시하는 바와 같이 가늘고 긴 구조를 가지는 제1 전극인 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 전극인 제2 봉 형상 전극(270)이 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐 웨이퍼(200)의 적층 방향을 따라 배설된다. 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270)의 각각은 제2 노즐(233b)과 평행하게 설치된다. 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270)의 각각은 상부로부터 하부에 걸쳐 각 전극을 보호하는 보호관인 전극 보호관(275)에 의해 피복되는 것에 의해 보호된다. 이 제1 봉 형상 전극(269) 또는 제2 봉 형상 전극(270) 중 어느 일방은 정합기(272)를 개재하여 고주파 전원(273)에 접속되고, 타방은 기준 전위인 어스에 접속된다. 이 결과, 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270) 사이의 플라즈마 생성 영역(224)에 플라즈마가 생성된다. 주로 제1 봉 형상 전극(269), 제2 봉 형상 전극(270), 전극 보호관(275), 정합기(272), 고주파 전원(273)에 의해 플라즈마 발생기(플라즈마 발생부)로서의 플라즈마원(源)이 구성된다. 또한 플라즈마원은 후술하는 바와 같이 가스를 플라즈마로 활성화시키는 활성화 기구로서 기능한다.
전극 보호관(275)은 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270)의 각각을 버퍼실(237)의 분위기와 격리한 상태에서 버퍼실(237) 내에 삽입할 수 있는 구조로 이루어진다. 여기서 전극 보호관(275)의 내부는 외기[대기(大氣)]와 동일 분위기면, 전극 보호관(275)에 각각 삽입된 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270)은 히터(207)에 의한 열로 산화된다. 그렇기 때문에 전극 보호관(275)의 내부에는 질소 등의 불활성 가스를 충전하거나 또는 퍼지하고 산소 농도를 충분히 낮게 억제하여 제1 봉 형상 전극(269) 또는 제2 봉 형상 전극(270)의 산화를 방지하기 위한 불활성 가스 퍼지 기구가 설치된다.
반응관(203)에는 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 설치된다. 배기관(231)에는 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)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·진공 배기 정지를 수행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브 개도(開度)를 조절하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있도록 구성되는 개폐 밸브다. 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. 주로 배기관(231), APC밸브(244), 진공 펌프(246), 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다.
반응관(203)의 하방에는 반응관(203)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 개체(蓋體)로서의 씰 캡(219)이 설치된다. 씰 캡(219)은 반응관(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 반응관(203)의 하단과 당접하는 씰 부재로서의 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 반응관(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 지지구로서의 보트(217)는 예컨대 석영이나 탄화규소 등의 내열성 재료로 이루어지고, 복수 매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로, 또한 서로 중심을 맞춘 상태로 정렬시켜서 다단으로 지지하도록 구성된다. 또한 보트(217)의 하부에는 예컨대 석영이나 탄화규소 등의 내열성 재료로 이루어지는 단열 부재(218)가 설치되고, 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.
반응관(203) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되고, 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전 상태를 조정하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 되도록 구성된다. 온도 센서(263)는 제1 노즐(233a) 및 제2 노즐(233b)과 마찬가지로 L자형으로 구성되고, 반응관(203)의 내벽을 따라 설치된다.
도 6에 도시되는 바와 같이 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(121)는 CPU(121a, Central Processing Unit), RAM(121b, Random Access Memory), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는 내부 버스(121e)를 개재하여 CPU(121a)와 데이터 교환 가능하도록 구성된다. 컨트롤러(121)에는 예컨대 터치패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속된다.
기억 장치(121c)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(121c) 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(121)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 단체만을 포함할 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함할 경우, 또는 그 양방(兩方)을 포함하는 경우가 있다. 또한 RAM(121b)은 CPU(121a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역[work area]으로서 구성된다.
I/O 포트(121d)는 전술한 매스 플로우 컨트롤러(241a, 241b, 241c, 241d, 241e, 241f), 밸브(243a, 243b, 243c, 243d, 243e, 243f), 압력 센서(245), APC밸브(244), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115), 고주파 전원(273), 정합기(272) 등에 접속된다.
CPU(121a)는 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독하여 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(121c)로부터 프로세스 레시피를 판독하도록 구성된다. 그리고 CPU(121a)는 판독한 프로세스 레시피의 내용을 따르도록, 매스 플로우 컨트롤러(241a, 241b, 241c, 241d, 241e, 241f)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(243a, 243b, 243c, 243d, 243e, 243f)의 개폐 동작, APC밸브(244)의 개폐 동작 및 APC밸브(244)에 의한 압력 센서(245)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동·정지, 회전 기구(267)의 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 고주파 전원(273)의 전력 공급, 정합기(272)에 의한 임피던스 조정 동작 등을 제어하도록 구성된다.
또한 컨트롤러(121)는 전용의 컴퓨터로서 구성되는 경우에 한정되지 않고, 범용의 컴퓨터로서 구성되어도 좋다. 예컨대 전술한 프로그램을 격납한 외부 기억 장치(123)[예컨대 자기(磁氣) 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광(光)디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리]를 준비하고, 이와 같은 외부 기억 장치(123)를 이용하여 범용의 컴퓨터에 프로그램을 인스톨하는 것 등에 의해 본 실시 형태에 따른 컨트롤러(121)를 구성할 수 있다. 또한 컴퓨터에 프로그램을 공급하기 위한 수단은 외부 기억 장치(123)를 개재하여 공급하는 경우에 한정되지 않는다. 예컨대 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 이용하여 외부 기억 장치(123)를 개재하지 않고 프로그램을 공급해도 좋다. 또한 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성된다. 이하, 이들을 총칭하여 단순히 기록 매체라고도 부른다. 또한 본 명세서에서 기록 매체라는 단어를 이용한 경우는 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양방을 포함하는 경우가 있다.
(2) 기판 처리 공정
다음으로 전술한 기판 처리 장치의 처리로를 이용하여 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 기판 상에 절연막으로서의 산질화막을 성막하는 방법의 예에 대하여 설명한다. 또한 이하의 설명에서 기판 처리 장치를 구성하는 각(各) 부(部)의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
도 3에 본 실시 형태에서의 성막 플로우 차트를 도시하고, 도 4 및 도 5에 본 실시 형태에 따른 산질화막의 성막 시퀀스에서의 가스 공급의 타이밍 도면을 도시한다. 본 실시 형태의 성막 시퀀스에서는 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소로서의 실리콘을 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 기판 상에 소정 원소 함유층으로서의 실리콘 함유층을 형성하는 공정, 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 실리콘 함유층을 질화층으로서의 실리콘 질화층으로 변화시키는 공정, 및 대기압 미만의 압력 분위기 하에 있는 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 실리콘 질화층을 산질화층으로서의 실리콘 산질화층으로 변화시키는 공정을, 그들 사이에 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막으로서의 실리콘 산질화막을 형성한다. 그리고 실리콘 함유층을 형성하는 공정에서는 원료 가스를 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐을 개재하여 원료 가스와 함께 퇴적·흡착 저해 가스로서의 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 기판을 향해서 공급하는 것에 의해 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 불활성 가스를 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출한다.
이하, 이를 구체적으로 설명한다. 또한 본 실시 형태에서는 원료 가스로서 HCD가스를, 질소 함유 가스로서 NH3가스를, 산소 함유 가스로서 N2O가스를, 퇴적·흡착 저해 가스로서 N2가스 또는 H2가스를, 퍼지 가스로서 N2가스를 이용하여, 도 3의 성막 플로우, 도 4 및 도 5의 성막 시퀀스에 의해 웨이퍼(200) 상에 실리콘 산질화막(SiON막)을 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 지지한 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 반응관(203)의 하단을 밀봉한 상태가 된다.
처리실(201) 내가 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이 때 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)로 측정되고, 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 APC밸브(244)의 밸브의 개도가 피드백 제어된다(압력 조정). 또한 진공 펌프(246)는 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 종료할 때까지 상시 작동시킨 상태를 유지한다. 또한 처리실(201) 내가 원하는 온도가 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이 때 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포가 되도록 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전 상태가 피드백 제어된다(온도 조정). 계속해서 회전 기구(267)에 의해 보트(217) 및 웨이퍼(200)의 회전을 시작한다. 또한 회전 기구(267)에 의한 보트(217) 및 웨이퍼(200)의 회전은 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지 계속해서 수행된다.
그 후, 다음 6개의 스텝, 즉 스텝1∼6을 순차 실행한다.
[스텝1]
제1 가스 공급관(232a)의 밸브(243a), 제1 불활성 가스 공급관(232d)의 밸브(243d)를 열어 제1 가스 공급관(232a)에 HCD가스, 제1 불활성 가스 공급관(232d)에 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스를 흘린다. N2가스는 제1 불활성 가스 공급관(232d)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241d)에 의해 유량 조정된다. HCD가스는 제1 가스 공급관(232a)으로부터 흘러 매스 플로우 컨트롤러(241a)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 HCD가스는 유량 조정된 N2가스와 제1 가스 공급관(232a) 내에서 혼합되어 제1 노즐(233a)의 가스 공급공(248a)으로부터 가열된 감압 상태의 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다(HCD가스+N2가스 공급). 또한 이 때 제2 노즐(233b), 버퍼실(237) 내로의 HCD가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(243e, 243f)를 열어 제2 불활성 가스 공급관(232e), 제3 불활성 가스 공급관(232f) 내에 N2가스를 흘린다. N2가스는 제2 가스 공급관(232b), 제3 가스 공급관(232c), 제2 노즐(233b), 버퍼실(237)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 10∼1,000Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241a)로 제어하는 HCD가스의 공급 유량은 예컨대 20∼1,000sccm(0.02∼1slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 매스 플로우 컨트롤러(241d)로 제어하는 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 HCD가스의 공급 유량보다도 대유량으로, 예컨대 1,000∼20,000sccm(1∼20slm)의 범위 내의 유량으로 한다. HCD가스를 웨이퍼(200)에 노출하는 시간은 예컨대 1∼120초간의 범위 내의 시간으로 한다. 히터(207)의 온도는 전술한 압력대에서 처리실(201) 내에서 CVD반응이 발생할 수 있는 온도가 되도록 설정한다. 즉 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 온도가 되도록 히터(207)의 온도를 설정한다. 또한 웨이퍼(200)의 온도가 350℃ 미만이 되면, 웨이퍼(200) 상에서 HCD가 분해하거나 흡착하기 어려워진다. 또한 웨이퍼(200)의 온도가 950℃를 넘으면 CVD반응이 지나치게 강해져 퇴적·흡착 저해 가스의 작용이 충분히 이루어지지 않아, 막 두께 균일성의 악화를 개선하는 것이 곤란해진다. 한편, 웨이퍼(200)의 온도가 700℃ 미만의 경우, 막 두께 균일성은 비교적 양호해지고, 700℃ 이상의 고온 영역에서 막 두께 균일성의 악화가 현저해져 퇴적·흡착 저해 가스를 이용하는 본 발명이 특히 유효해진다. 또한 웨이퍼(200)의 온도가 800℃ 미만, 특히 750℃ 미만의 경우, 막 중에 들어온 수소가 잔류하기 쉬워지고, 또한 수소의 흡착 사이트가 많은(결함이 많은) 저밀도의 막이 형성된다. 이상으로부터 웨이퍼(200)의 온도는 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃로 하는 것이 좋다. 또한 웨이퍼(200)의 온도를 750∼950℃, 더욱 바람직하게 800∼950℃로 하면, 퇴적·흡착 저해 가스의 작용을 충분히 발생시킬 수 있고, 또한 막 중에 취입된 수소가 잔류하기 어려워지고(탈리하기 쉬워지고), 또한 수소의 흡착 사이트가 적은(결함이 적은) 고밀도의 막을 형성하는 것이 가능해진다. 즉 이 온도대에서는 막 중의 수소 농도가 지극히 낮고, 막 두께 균일성이 지극히 양호한 막을 형성하는 것이 가능해진다.
전술한 조건, 즉 CVD반응이 발생하는 조건 하에서 HCD가스를 처리실(201) 내에 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200)[표면의 하지막(下地膜)] 상에 1원자층 미만으로부터 수원자층 정도의 실리콘 함유층으로서의 실리콘층이 형성된다. 실리콘 함유층은 HCD가스의 흡착층이어도 좋다. 여기서 실리콘층이란 실리콘에 의해 구성되는 연속적인 층 외에 불연속적인 층이나, 이들이 중첩되어 이루어지는 실리콘 박막도 포함하는 총칭이다. 또한 실리콘에 의해 구성되는 연속적인 층을 실리콘 박막이라고 부르는 경우도 있다. 또한 HCD가스의 흡착층이란 HCD가스의 가스 분자의 연속적인 화학 흡착층 외에 불연속적인 화학 흡착층도 포함한다. 또한 1원자층 미만의 층이란 불연속적으로 형성되는 원자층을 의미한다. HCD가스가 자기분해(열분해)하는 조건 하, 즉 HCD의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서는 웨이퍼(200) 상에 실리콘이 퇴적하는 것에 의해 실리콘층이 형성된다. HCD가스가 자기분해(열분해)하지 않는 조건 하, 즉 HCD의 열분해 반응이 발생하지 않는 조건 하에서는 웨이퍼(200) 상에 HCD가스가 흡착하는 것에 의해 HCD가스의 흡착층이 형성된다. 웨이퍼(200) 상에 형성되는 실리콘 함유층의 두께가 수원자층을 넘으면, 후술하는 스텝3에서의 질화 및 후술하는 스텝5에서의 산화의 작용이 실리콘 함유층 전체에 전달되지 않는다. 또한 웨이퍼(200) 상에 형성 가능한 실리콘 함유층의 최소값은 1원자층 미만이다. 따라서 실리콘 함유층의 두께는 1원자층 미만으로부터 수원자층 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한 웨이퍼(200) 상에 HCD가스의 흡착층을 형성하는 것보다 웨이퍼(200) 상에 실리콘층을 형성하는 것이 성막 레이트를 높게 할 수 있어 바람직하다.
이 때 전술과 같이 HCD가스를 공급하는 제1 노즐(233a)과 같은 노즐로부터 HCD가스와 함께 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스를 대유량으로 웨이퍼(200)를 향해서 공급하는 것에 의해 HCD가스의 유속, 특히 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는[웨이퍼(200) 표면을 가로지르는] HCD가스의 유속을 빠르게 한다. 즉 HCD가스의 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로의 분출을 강하게 한다. 이에 의해 웨이퍼(200) 상으로의 실리콘의 퇴적 효율, 또는 HCD가스의 흡착 효율을 낮추고, 퇴적 또는 흡착을 억제시키면서 웨이퍼(200) 상에 실리콘 함유층을 형성할 수 있다. 이 퇴적·흡착 저해 가스의 작용에 의해 도 7에 도시하는 바와 같이 실리콘 함유층의 퇴적 또는 흡착 중심을 웨이퍼(200)의 에지측으로부터 센터측으로 이동시키는 것이 가능해지고, 또한 실리콘 함유층의 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 차이를 작게 할 수 있어, 예컨대 700℃ 이상의 고온 영역에서 흡착 반응이 열화되는 영역, 즉 실리콘 함유층의 퇴적 또는 흡착이 과잉이 되는 영역에서도 균일하게 실리콘 함유층을 형성하는 것이 가능해진다.
또한 도 7의 (a)는 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속이 작은 경우에서의 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착 모습을 모식적으로 도시하는 도면이다. 또한 도 7의 (b)는 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속이 큰 경우에서의 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착 모습을 모식적으로 도시하는 도면이다. 또한 도 7에서의 흰색 화살표는 HCD가스와 N2가스가 흐르는 방향을 도시하고, 웨이퍼(200) 상의 흰색 동그라미(○)는 웨이퍼(200) 상에 퇴적한 Si원자, 또는 웨이퍼(200) 상에 흡착한 HCD가스 분자를 도시한다. 또한 도 7에서는 편의상, 웨이퍼(200)의 좌측 반면만을 도시한다.
도 7에 도시하는 바와 같이 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 크게 하는 것에 의해, 실리콘 함유층의 두께를 전체적으로 얇게 하면서 실리콘 함유층의 퇴적 또는 흡착 중심을 웨이퍼(200)의 에지측으로부터 센터측으로 이동시키는 것이 가능해진다. 또한 실리콘 함유층의 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 차이를 작게 할 수 있어, 웨이퍼(200) 면내에 걸쳐 균일하게 실리콘 함유층을 형성하는 것이 가능해진다.
또한 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 전술과 같이 1∼20slm의 범위 내의 유량으로 하는 것이 바람직하고, HCD가스의 공급 유량보다도 대유량으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 N2가스의 공급 유량을 설정하고 N2가스의 체적 유량을 HCD가스의 체적 유량보다도 대유량으로 하는 것에 의해, 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 HCD가스를 단독으로 흘리는 경우보다 빠르게 한다. 즉 HCD가스를 단독으로 흘리는 경우보다 강하게 HCD가스를 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 분출한다. 또한 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 후술하는 스텝3 및 스텝5에서 처리실(201) 내에 공급하는 NH3가스나 N2O가스의 공급 유량보다 대유량으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 N2가스의 공급 유량을 설정하고 N2가스의 체적 유량을 NH3가스나 N2O가스의 체적 유량보다도 대유량으로 하는 것에 의해, 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 NH3가스나 N2O가스의 유속보다 빠르게 한다. 즉 NH3가스나 N2O가스를 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 HCD가스를 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 분출한다. 또한 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 후술하는 스텝2, 스텝4 및 스텝6에서 처리실(201) 내에 공급하는 퍼지 가스로서의 N2가스의 공급 유량보다도 대유량으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량을 설정하고, 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량을 퍼지 가스로서의 N2가스의 체적 유량보다도 대유량으로 하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 퍼지 가스로서의 N2가스의 유속보다 빠르게 한다. 즉 퍼지 가스로서의 N2가스를 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 HCD가스를 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 분출한다.
구체적으로는 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량은 HCD가스의 체적 유량의 10∼30배 정도로, 퍼지 가스로서의 N2가스의 체적 유량의 5∼30배 정도로 하는 것이 바람직하다. 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량을 HCD가스의 체적 유량의 10∼30배 정도로 하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 보다 충분히 높이는 것이 가능해지고, 실리콘 함유층의 퇴적 또는 흡착을 보다 충분히 억제할 수 있어, 퇴적 또는 흡착 중심을 웨이퍼(200)의 에지측으로부터 센터측으로 하는 것이 용이해진다. 또한 실리콘 함유층의 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 차이를 작게 하는 것도 용이해진다. 그 결과, 막 두께 균일성을 보다 충분히 개선할 수 있다. 또한 HCD가스의 유속이 지나치게 빨라져 실리콘 함유층의 퇴적 또는 흡착을 지나치게 억제하여 실용적인 성막 속도를 얻지 못하게 되는 것을 방지할 수 있다.
Si를 포함하는 원료로서는 HCD 외에, STC(실리콘테트라클로라이드, 즉 테트라클로로실란, SiCl4), TCS(트리클로로실란, SiHCl3), DCS(디클로로실란, SiH2Cl2), MCS(모노클로로실란, SiH3Cl), SiH4(모노실란) 등의 무기 원료뿐만 아니라, 아미노실란계의 4DMAS(테트라키스디메틸아미노실란, Si[N(CH3)2]4), 3DMAS(트리스디메틸아미노실란, Si[N(CH3)2]3H), 2DEAS(비스디에틸아미노실란, Si[N(C2H5)2]2H2), BTBAS(비스터셔리부틸아미노실란, SiH2[NH(C4H9)]2) 등의 유기 원료를 이용해도 좋다.
퇴적·흡착 저해 가스로서의 불활성 가스로서는 N2가스 외에 Ar가스, He가스, Ne가스, Xe가스 등의 희가스를 이용해도 좋다. 또한 퇴적·흡착 저해 가스로서는 수소 함유 가스를 이용해도 좋다. 수소 함유 가스로서는 예컨대 수소(H2) 가스나 중수소(D2) 가스 등을 이용할 수 있다. 도 5에 퇴적·흡착 저해 가스로서 수소 함유 가스인 H2가스를 이용한 성막 시퀀스예를 도시한다. 퇴적·흡착 저해 가스로서의 H2가스의 공급 유량은 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량과 마찬가지로 1,000∼20,000sccm(1∼20slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 예컨대 750℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상의 고온 하에서는 막 중에 취입된 수소는 잔류하기 어려워지기(탈리하기 쉬워지기) 때문에 흡착 저해 가스로서 수소 함유 가스를 이용해도 막 중의 수소 농도 저감 효과에 영향을 주지 않는다. 이 경우에서도 수소의 흡착 사이트가 적은(결함이 적은) 고밀도의 막이 형성된다. 또한 HCD가스 공급 시에 H2가스를 공급하는 것에 의해 HCD가스 중의 Cl을 인발(引拔)할 것으로 생각되고, 성막 레이트의 향상, 막 중 Cl불순물의 저감 효과가 있을 것으로 생각된다.
[스텝2]
웨이퍼(200) 상에 실리콘 함유층이 형성된 후, 제1 가스 공급관(232a)의 밸브(243a)를 닫고, HCD가스의 공급을 정지한다. 이 때 배기관(231)의 APC밸브(244)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 실리콘 함유층 형성에 기여한 후의 HCD가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이 때 밸브(243d, 243e, 243f)를 연 상태로 하여 불활성 가스로서의 N2가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. N2가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 실리콘 함유층 형성에 기여한 후의 HCD가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 더 높일 수 있다(잔류 가스 제거). 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 반응관(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.
이 때의 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 HCD가스의 공급 시와 마찬가지로 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 퍼지 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 200∼1,000sccm(0.2∼1slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 퍼지 가스로서의 N2가스의 체적 유량은 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량만큼 크게 할 필요는 없고, 그보다 소(小)유량으로 충분한 퍼지 효과를 얻을 수 있다. 반대로, 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량은 퍼지 가스로서의 N2가스의 체적 유량보다도 크게 할 필요가 있다. 즉 실리콘 함유층의 퇴적·흡착 억제 효과를 얻기 위해서는 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량을, 퍼지 효과가 충분히 얻어질 정도의 N2가스의 체적 유량보다도 대유량으로 할 필요가 있다. 따라서 퍼지에 의해 처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거할 때에는 매스 플로우 컨트롤러(241d)를 제어하여, 제1 불활성 가스 공급관(232d)으로부터 공급하는 N2가스의 공급 유량을 1∼20slm으로부터 0.2∼1slm으로 변경하여 N2가스의 체적 유량을 감소시킨다. 또한 퍼지 가스로서는 N2가스 외에 Ar가스, He가스, Ne가스, Xe가스 등의 희가스를 이용해도 좋다.
[스텝3]
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 제2 가스 공급관(232b)의 밸브(243b)를 열어 제2 가스 공급관(232b)에 NH3가스를 흘린다. NH3가스는 제2 가스 공급관(232b)으로부터 흘러 매스 플로우 컨트롤러(241b)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 NH3가스는 제2 노즐(233b)의 가스 공급공(248b)으로부터 가열된 감압 상태의 버퍼실(237) 내에 공급된다. 이 때 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270) 사이에 고주파 전력을 인가하지 않는다. 이에 의해 버퍼실(237) 내에 공급된 NH3가스는 열로 활성화되어, 버퍼실(237)의 가스 공급공(248c)으로부터 가열된 감압 상태의 처리실(201) 내로 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다(NH3가스 공급). 또한 이 때 제1 노즐(233a) 내로의 NH3가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(243d)를 열어 제1 불활성 가스 공급관(232d) 내에 N2가스를 흘린다. N2가스는 제1 가스 공급관(232a), 제1 노즐(233a)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이 때 제2 불활성 가스 공급관(232e)의 밸브(243e)를 열어 제2 불활성 가스 공급관(232e)으로부터 불활성 가스로서 N2가스를 공급해도 좋다. N2가스는 매스 플로우 컨트롤러(241e)에 의해 유량 조정되어 제2 가스 공급관(232b) 내에 공급된다. 이 경우, 제2 노즐(233b)로부터는 NH3가스와 N2가스의 혼합 가스가 공급된다. 또한 불활성 가스로서는 N2가스 외에 Ar가스, He가스, Ne가스, Xe가스 등의 희가스를 이용해도 좋다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 1∼3,000Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241b)로 제어하는 NH3가스의 공급 유량은 예컨대 100∼10,000sccm(0.1∼10slm)의 범위 내의 유량으로 한다. NH3가스를 웨이퍼(200)에 노출하는 시간은 예컨대 1∼120초간의 범위 내의 시간으로 한다. 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 350∼1,200℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 또한 이 범위 내의 온도라면 감압 분위기 하에서의 NH3가스에 의한 질화의 효과, 즉 실리콘 함유층의 질화 반응을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 웨이퍼(200)의 온도가 지나치게 낮으면 질화의 효과를 얻을 수 없다는 것도 확인하였다. 단 스루풋을 고려하면, 웨이퍼(200)의 온도가 실리콘 함유층의 질화 반응이 발생할 정도의 온도이며 스텝1의 HCD가스의 공급 시와 마찬가지의 온도대가 되도록, 즉 스텝1과 스텝3에서 처리실(201) 내의 온도를 마찬가지의 온도대로 보지하도록 히터(207)의 온도를 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 스텝1과 스텝3에서 웨이퍼(200)의 온도, 즉 처리실(201) 내의 온도가 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 일정한 온도가 되도록 히터(207)의 온도를 설정한다. 또한 스텝1∼스텝6(후술)에 걸쳐서 처리실(201) 내의 온도를 마찬가지의 온도대로 보지하도록 히터(207)의 온도를 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 스텝1∼스텝6(후술)에 걸쳐서 처리실(201) 내의 온도가 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 일정한 온도가 되도록 히터(207)의 온도를 설정한다. 또한 처리실(201) 내의 온도를 550℃ 이상으로 하는 것에 의해 감압 분위기 하에서의 NH3가스에 의한 질화력 향상 효과를 얻을 수 있다. 이 질화력 향상 효과를 보다 높일 경우, 처리실(201) 내의 온도를 600℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한 700℃ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한 NH3가스는 플라즈마로 활성화시켜서 공급하는 것보다 열로 활성화시켜서 공급하는 것이 소프트한 반응을 발생시킬 수 있어, 후술하는 질화를 소프트하게 수행할 수 있다.
전술한 조건으로 NH3가스를 처리실(201) 내에 공급하는 것에 의해, NH3가스는 가열된 감압 분위기 하에서 비(非)플라즈마로 열적으로 활성화되거나 또는 열분해하여 질소를 포함하는 질화종이 생성된다. 이 때 처리실(201) 내에는 HCD가스는 흘리지 않기 때문에 NH3가스는 기상(氣相) 반응을 일으키지 않고, NH3가스가 열적으로 활성화되거나, 또는 열분해하는 것에 의해 얻어진 질화종은 스텝1에서 웨이퍼(200) 상에 형성된 실리콘 함유층의 적어도 일부와 반응한다. 이에 의해 실리콘 함유층에 대하여 질화 처리가 수행되고, 이 질화 처리에 의해 실리콘 함유층은 실리콘 질화층(Si3N4층, 이하, 단순히 SiN층이라고도 부른다)으로 변화한다(개질된다).
또한 이 때 NH3가스를 플라즈마로 활성화시켜서 흘릴 수도 있다. NH3가스를 플라즈마로 활성화시켜서 흘리는 것에 의해 보다 에너지가 높은 질화종을 생성할 수 있고, 이 질화종에 의해 질화 처리를 수행하는 것에 의해 디바이스 특성이 향상하는 등의 효과도 예상된다. NH3가스를 플라즈마로 활성화시키는 경우, 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270) 사이에 고주파 전원(273)으로부터 정합기(272)를 개재하여 고주파 전력을 인가하는 것에 의해 버퍼실(237) 내에 공급된 NH3가스는 플라즈마 여기(勵起)되어 활성종으로서 가스 공급공(248c)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이 때 고주파 전원(273)으로부터 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270) 사이에 인가하는 고주파 전력은 예컨대 50∼1,000W의 범위 내의 전력이 되도록 설정한다. 그 외의 처리 조건은 전술한 처리 조건과 마찬가지로 한다. 또한 전술한 온도대에서는 NH3가스는 열로 충분히 활성화되어 충분한 양의 질화종이 생성된다. 따라서 NH3가스를 비(非)플라즈마로 열적으로 활성화시켜도 충분한 질화력을 얻을 수 있다. 또한 NH3가스는 열로 활성화시켜서 공급하는 것이 소프트한 반응을 발생시킬 수 있어, 전술한 질화 처리를 소프트하게 수행할 수 있다.
질소 함유 가스로서는 NH3가스 외에 디아진(N2H2) 가스, 히드라진(N2H4) 가스, N3H8가스나 아민계의 가스 등을 이용해도 좋다.
[스텝4]
실리콘 함유층을 실리콘 질화층으로 변화시킨 후, 제2 가스 공급관(232b)의 밸브(243b)를 닫고 NH3가스의 공급을 정지한다. 이 때 배기관(231)의 APC밸브(244)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응, 또는 실리콘 질화층의 형성에 기여한 후의 NH3가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이 때 밸브(243d, 243e, 243f)를 연 상태로 하는 것에 의해 불활성 가스로서의 N2가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. N2가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응, 또는 실리콘 질화층 형성에 기여한 후의 NH3가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 더욱 높일 수 있다(잔류 가스 제거). 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 스텝5에서 악영향이 발생하지 않는다. 이 때 처리실(201) 내에 공급하는 N2가스의 유량도 대유량으로 할 필요는 없고, 예컨대 반응관(203)[처리실(201)]의 용적과 같은 정도의 양을 공급하는 것에 의해 스텝5에서 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.
이 때의 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 NH3가스의 공급 시와 마찬가지로 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 퍼지 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 200∼1,000sccm(0.2∼1slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 전술과 같이 퍼지 가스로서의 N2가스의 체적 유량은 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량만큼 크게 할 필요는 없고, 그보다 소유량으로 충분한 퍼지 효과를 얻을 수 있다. 퍼지 가스로서는 N2가스 외에 Ar가스, He가스, Ne가스, Xe가스 등의 희가스를 이용해도 좋다.
[스텝5]
전술한 스텝1∼스텝4에 의해 형성되는 실리콘 질화층은 막 중의 수소 농도가 지극히 낮고 막 응력도 지극히 낮아 막 두께 균일성이 양호하며 결함이 적다는 뛰어난 특성을 가지지만, 소정 크기의 응력을 가지기 때문에 이 실리콘 질화층 중에는 이와 같은 응력에 의해 발생한 변형에 기인하는 결함이 존재하는 경우가 있다. 또한 실리콘 질화층 중에는 질소의 결손에 기인하는 결함도 존재하는 경우가 있다. 이와 같은 결함은 전술한 바와 같이 전하를 포착하는 트랩 사이트를 형성한다. 그래서 본 스텝에서는 후술하는 바와 같이 산화력이 약한 N2O가스를 이용하여 실리콘 질화층에 대하여 산화 처리를 수행하는 것에 의해, 결함이 적다는 이 실리콘 질화층의 뛰어난 특성을 살리면서 실리콘 질화층 중의 결함을 더 감소시킨다.
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 제3 가스 공급관(232c)의 밸브(243c)를 열어 제3 가스 공급관(232c)에 N2O가스를 흘린다. N2O가스는 제3 가스 공급관(232c)으로부터 흘러 매스 플로우 컨트롤러(241c)에 의해 유량 조정된다. 유량 조정된 N2O가스는 제2 가스 공급관(232b)을 경유하여 제2 노즐(233b)의 가스 공급공(248b)으로부터 가열된 감압 상태의 버퍼실(237) 내에 공급된다. 이 때 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270) 사이에 고주파 전력을 인가하지 않는다. 이에 의해 버퍼실(237) 내에 공급된 N2O가스는 열로 활성화되어 버퍼실(237)의 가스 공급공(248c)으로부터 가열된 감압 상태의 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다(N2O가스 공급). 또한 이 때 제1 노즐(233a) 내로의 N2O가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(243d)를 열어 제1 불활성 가스 공급관(232d) 내에 N2가스를 흘린다. N2가스는 제1 가스 공급관(232a), 제1 노즐(233a)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이 때 제3 불활성 가스 공급관(232f)의 밸브(243f)를 열어 제3 불활성 가스 공급관(232f)으로부터 불활성 가스로서 N2가스를 공급해도 좋다. N2가스는 매스 플로우 컨트롤러(241f)에 의해 유량 조정되어 제3 가스 공급관(232c) 내에 공급된다. 이 경우, 제2 노즐(233b)로부터는 N2O가스와 N2가스의 혼합 가스가 공급된다. 또한 불활성 가스로서는 N2가스 외에 Ar가스, He가스, Ne가스, Xe가스 등의 희가스를 이용해도 좋다.
이 때 APC밸브(244)를 적절히 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 대기압 미만, 예컨대 1∼1,000Pa의 범위 내의 압력으로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241c)로 제어하는 N2O가스의 공급 유량은 예컨대 1,000∼10,000sccm(1∼10slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 N2O가스를 웨이퍼(200)에 노출하는 시간은 예컨대 1∼120초간의 범위 내의 시간으로 한다. 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 350∼1,000℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 단 스루풋을 고려하면, 웨이퍼(200)의 온도가 스텝1의 HCD가스의 공급 시 및 스텝3의 NH3가스의 공급 시와 마찬가지의 온도대가 되도록, 즉 스텝1, 스텝3 및 스텝5에서 처리실(201) 내의 온도를 마찬가지의 온도대로 보지하도록 히터(207)의 온도를 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 스텝1, 스텝3 및 스텝5에서 웨이퍼(200)의 온도, 즉 처리실(201) 내의 온도가 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 일정한 온도가 되도록 히터(207)의 온도를 설정한다. 또한 스텝1∼스텝6(후술)에 걸쳐서 처리실(201) 내의 온도를 마찬가지의 온도대로 보지하도록 히터(207)의 온도를 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 스텝1∼스텝6(후술)에 걸쳐서 처리실(201) 내의 온도가 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 일정한 온도가 되도록 히터(207)의 온도를 설정한다. 또한 감압 분위기 하에서의 N2O가스에 의한 산화 효과를 얻기 위해서는 처리실(201) 내의 온도를 350℃ 이상으로 할 필요가 있지만, 처리실(201) 내의 온도는 400℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 450℃ 이상으로 하는 것이 더 바람직하다.
전술한 조건으로 N2O가스를 처리실(201) 내에 공급하는 것에 의해 N2O가스는 가열된 감압 분위기 하에서 비(非)플라즈마로 열적으로 활성화되거나 또는 열분해하여 산소를 포함하는 산화종이 생성된다. 이 때 처리실(201) 내에는 HCD가스는 흘리지 않기 때문에 N2O가스는 기상 반응을 일으키지 않고, N2O가스가 열적으로 활성화되거나 또는 열분해하는 것에 의해 얻어진 산화종은 스텝3에서 웨이퍼(200) 상에 형성된 실리콘 질화층의 적어도 일부와 반응한다. 이에 의해 실리콘 질화층에 대하여 산화 처리가 수행되고, 이 산화 처리에 의해 실리콘 질화층은 실리콘 산질화층(이하, SiON층이라고도 부른다)으로 변화한다(개질된다). 이에 의해 실리콘 질화층 중(즉 실리콘 산질화층 중)의 결함을 더 감소시킬 수 있다. 즉 실리콘 질화층 중에 존재하는 질소 결손이나 변형 기인의 결함에 산소(O) 원자를 공급하는 것에 의해 실리콘 질화층 중의 결함을 더 감소시킬 수 있다. 또한 산소 함유 가스로서, O2가스 등에 비해서 비교적 산화력이 약한 아산화질소(N2O) 가스를 이용하는 것에 의해 실리콘 질화층 중의 질소를 남기면서 실리콘 질화층을 실리콘 산질화층으로 변화시킬 수 있다. 즉 산화력이 약한 N2O가스를 이용하는 것에 의해 질소 결손의 새로운 발생을 회피하면서 보다 효과적으로 결함을 감소시킬 수 있다. 이 때 N2O가스에 의한 실리콘 질화층의 산화 반응은 포화시키지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한 실리콘 질화층의 산화 반응을 불포화로 하기 위해서는 스텝5에서의 처리 조건을 전술한 처리 조건으로 하면 좋다.
또한 이 때 N2O가스를 플라즈마로 활성화시켜서 흘릴 수도 있다. N2O가스를 플라즈마로 활성화시켜서 흘리는 것에 의해 보다 에너지가 높은 산화종을 생성할 수 있고, 이 산화종에 의해 산화 처리를 수행하는 것에 의해 디바이스 특성이 향상하는 등의 효과도 예상된다. 예컨대 N2O가스를 플라즈마로 활성화시키는 경우, 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270) 사이에 고주파 전원(273)으로부터 정합기(272)를 개재하여 고주파 전력을 인가하는 것에 의해 버퍼실(237) 내에 공급된 N2O가스는 플라즈마 여기되어 활성종으로서 가스 공급공(248c)으로부터 처리실(201) 내로 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이 때 고주파 전원(273)으로부터 제1 봉 형상 전극(269) 및 제2 봉 형상 전극(270) 사이에 인가하는 고주파 전력은 예컨대 50∼1,000W의 범위 내의 전력이 되도록 설정한다. 그 외의 처리 조건은 전술한 처리 조건과 마찬가지로 한다. 또한 전술한 온도대에서 N2O가스는 열로 활성화되어 충분히 반응하고 충분한 양의 산화종이 생성된다. 따라서 N2O가스를 비(非)플라즈마로 열적으로 활성화시켜도 충분한 산화력을 얻을 수 있다. 또한 N2O가스는 열로 활성화시켜서 공급하는 것이 소프트한 반응을 발생시킬 수 있어, 전술한 산화 처리를 소프트하게 수행할 수 있다.
산소 함유 가스, 즉 산화성 가스로서는 N2O가스 외에 예컨대 일산화질소(NO) 가스나 이산화질소(NO2) 가스 등의 산화질소계의 가스를 이용해도 좋다. 즉 산소 함유 가스로서는 O2가스 등에 비해서 산화력이 약하고 산소와 함께 질소를 함유하는 가스(질소 및 산소를 포함하는 가스)를 이용할 수 있다. 이와 같은 가스를 이용하면, 실리콘 질화층 중의 질소를 남기면서 실리콘 질화층을 실리콘 산질화층으로 변화시킬 수 있다.
[스텝6]
실리콘 질화층을 실리콘 산질화층으로 변화시킨 후, 제3 가스 공급관(232c)의 밸브(243c)를 닫고 N2O가스의 공급을 정지한다. 이 때 배기관(231)의 APC밸브(244)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응, 또는 실리콘 산질화층의 형성에 기여한 후의 N2O가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이 때 밸브(243d, 243e, 243f)를 연 상태로 하는 것에 의해 불활성 가스로서의 N2가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. N2가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응, 또는 실리콘 산질화층 형성에 기여한 후의 N2O가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 더 높일 수 있다(잔류 가스 제거). 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 반응관(203)[처리실(201)]의 용적과 마찬가지의 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.
이 때의 히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 N2O가스의 공급 시와 마찬가지로 350∼950℃, 바람직하게는 700∼950℃, 보다 바람직하게는 750∼950℃, 더욱 바람직하게는 800∼950℃의 범위 내의 온도가 되도록 설정한다. 퍼지 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 200∼1,000sccm(0.2∼1slm)의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 전술과 같이 퍼지 가스로서의 N2가스의 체적 유량은 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 체적 유량만큼 크게 할 필요는 없고, 그보다 소유량으로 충분한 퍼지 효과를 얻을 수 있다. 퍼지 가스로서는 N2가스 외에 Ar가스, He가스, Ne가스, Xe가스 등의 희가스를 이용해도 좋다.
전술한 스텝1∼스텝6을 1사이클로 하고, 이 사이클을 적어도 1회, 바람직하게는 복수 회 실시하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 실리콘 산질화막(SiON막)을 성막할 수 있다.
(퍼지 및 대기압 복귀)
소정 막 두께의 실리콘 산질화막이 성막되면, 밸브(243d, 243e, 243f)를 열어 제1 불활성 가스 공급관(232d), 제2 불활성 가스 공급관(232e), 제3 불활성 가스 공급관(232f)의 각각으로부터 불활성 가스로서의 N2가스를 처리실(201) 내로 공급하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. N2가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 반응 부생성물이 처리실(201) 내로부터 제거된다(퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스에 치환되어 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀).
(보트 언로드 및 웨이퍼 디스차지)
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 씰 캡(219)이 하강되고 반응관(203)의 하단이 개구되는 것과 함께, 처리 완료된 웨이퍼(200)가 보트(217)에 보지된 상태에서 반응관(203)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부로 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리 완료된 웨이퍼(200)는 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
(3) 본 실시 형태에 따른 효과
본 실시 형태에 의하면, 이하에 나타내는 1개 또는 복수의 효과를 갖는다.
본 실시 형태의 스텝1에 의하면, 제1 노즐(233a)로부터 HCD가스와 함께 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스를 전술과 같은 대유량으로 처리실(201) 내에 공급하는 것에 의해 HCD가스의 유속, 특히 제1 노즐(233a)의 가스 공급공(248a)으로부터 웨이퍼(200)를 향해서 분출되고, 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는[웨이퍼(200) 표면을 가로지르는] HCD가스의 유속을 빠르게 한다. 이에 의해 웨이퍼(200) 상으로의 실리콘의 퇴적 효율, 또는 HCD가스의 흡착 효율을 저감할 수 있어, 실리콘의 퇴적, 또는 HCD가스의 흡착을 억제시키면서 웨이퍼(200) 상에 실리콘 함유층을 형성할 수 있다. 이 퇴적·흡착 저해 가스의 작용에 의해 실리콘 함유층의 퇴적 또는 흡착 중심을 웨이퍼(200)의 에지측으로부터 센터측으로 이동시키는 것이 가능해지고, 또한 실리콘 함유층의 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 차이를 작게 할 수 있어, 예컨대 700℃ 이상의 고온 영역에서 흡착 반응이 결렬되는 영역, 즉 실리콘 함유층의 퇴적 또는 흡착이 과잉이 되는 영역에서도 균일하게 실리콘 함유층을 형성하는 것이 가능해진다. 그 결과, 실리콘 산질화막의 면내 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시 형태의 스텝3에서는 가열된 감압 분위기 하에서 NH3가스를 활성화하거나 또는 열분해하여 얻은 질화종을 이용하여 실리콘 함유층을 실리콘 질화층으로 변화시키는 것에 의해, 질화종이 가지는 에너지가 Si-H결합뿐만 아니라 Si-H결합보다 높은 결합 에너지를 가지는 N-H결합도 괴리시키는 것에 의해 H(수소)가 제거되고 H2 등으로서 배출된다. 수소와의 결합이 분리된 Si나 N은 각각 N, Si와 결부되고 새로운 Si-N결합을 형성한다. 본 실시 형태의 스텝1∼스텝4에 의해 형성한 실리콘 질화층은 막 중 수소 농도가 CVD-SiN층보다도 1자리수 적어 지극히 양질의 막이 된다는 것을 확인하였다.
또한 본 실시 형태의 스텝1∼스텝4에 의해 실리콘 질화층을 형성하면, 웨이퍼 면내에서의 막 두께 균일성은 일반적인 CVD법에 의해 실리콘 질화층을 형성하는 경우보다도 양호한 것이 된다는 것을 확인하였다. 또한 일반적인 CVD법이란 무기 원료인 DCS와 NH3을 동시에 공급하여 CVD법에 의해 실리콘 질화층을 형성하는 방법을 가리킨다. 또한 본 실시 형태의 스텝1∼스텝4에 의해 형성한 실리콘 질화층 중의 수소 등의 불순물의 농도는 일반적인 CVD법에 의해 형성한 실리콘 질화층보다도 지극히 낮아진다는 것을 확인하였다. 또한 본 실시 형태의 스텝1∼스텝4에 의해 형성한 실리콘 질화층 중의 수소 농도는 유기계 실리콘 원료를 이용하여 CVD법에 의해 형성한 실리콘 질화층보다도 지극히 낮아진다는 것을 확인하였다. 또한 본 실시 형태의 스텝1∼스텝4에 의하면, 유기계 실리콘 원료를 이용한 경우에서도 웨이퍼 면내에서의 층 두께 균일성, 층 중의 수소 농도가 양호한 것이 된다는 것을 확인하였다.
또한 본 실시 형태의 스텝5에서는 스텝1∼스텝4에 의해 형성한 실리콘 질화층에 산소 함유 가스를 공급하고, 실리콘 질화층을 실리콘 산질화층으로 변화시킨다. 실리콘 질화층 중에 산소가 도입되는 것에 의해 실리콘 질화층 중의 결함을 감소시킬 수 있다. 스텝1∼스텝4에 의해 형성되는 실리콘 질화층은 대체로 결함이 적다는 뛰어난 특성을 가지지만, 스텝5를 더 실시하는 것에 의해 실리콘 질화층 중의 질소 결손이나 변형 기인의 결함에 대하여 산소가 공급되어 결함을 더 감소시킬 수 있다. 그 결과, 결함(즉 전하의 트랩 사이트)이 적고 스트레스 전압에 대한 내성이 높은 실리콘 산질화막을 얻을 수 있다. 또한 EOT가 동등해도 실제 막 두께가 두꺼운 절연막이 형성 가능해진다. 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 얻어진 실리콘 산질화막을 예컨대 MOS커패시터의 게이트 절연막으로서 이용한 경우, 게이트 절연막 중에서의 전하의 포착을 보다 효과적으로 억제할 수 있어, 플랫 밴드 전압의 시프트, 역치 전압의 변화를 보다 확실하게 회피할 수 있다.
또한 본 실시 형태의 스텝5에서는 산소 함유 가스로서, O2가스 등에 비해서 비교적 산화력이 약한 산화질소계의 가스인 아산화질소(N2O) 가스를 이용한다. 이에 의해 실리콘 질화층 중의 질소를 남기면서 실리콘 질화층을 실리콘 산질화층으로 변화시킬 수 있다. 즉 산화력이 약한 N2O가스를 이용하는 것에 의해 질소 결손의 새로운 발생을 회피하면서 보다 효과적으로 결함을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 실리콘 산질화막의 스트레스 전압에 대한 내성을 더 높일 수 있다.
또한 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의하면, 수소 농도가 지극히 낮은 실리콘 산질화막(이하, 수소 프리 SiON막이라고도 부른다)을 형성할 수 있고, 이 수소 프리 SiON막을 SAC(Self Align Contact)로서 사용하면, NBTI(Negative Bias Temperature Instability) 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 이 수소 프리 SiON막을 게이트 절연막으로서 사용하면, 절연 파괴 내성을 높이는 것이 가능해진다. Si-H결합은 Si-N결합이나 Si-O결합에 비해서 결합력이 약한 본드이며, 정공(正孔)-전자의 재결합에 의해 탈리할 확률이 높다. 수소가 제거된 Si-미결합수(댕글링 본드)는 전하 트랩이 되어 전류 전도에 기여하여 절연 파괴 내성을 약하게 한다. 이로 인해 막 중 수소(특히 Si-H결합)가 없는(지극히 적은) 수소 프리 SiON막을 게이트 절연막으로서 이용하는 것에 의해 높은 절연 파괴 내성을 얻을 수 있다.
또한 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의하면, 응력이 지극히 낮는 실리콘 산질화막(이하, 응력 프리 SiON막이라고도 부른다)을 형성할 수 있고, 이 응력 프리 SiON막을 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 이용하면 다음과 같은 이점이 있다. 즉 STI의 형성에서는 SiN막을 마스크로 Si에칭이 수행되지만, SiN막의 응력이 높아 웨이퍼 상에 직접 성막하면 웨이퍼(채널부)에 결함이 생기는 등 데미지를 주기 때문에 통상은 웨이퍼 상에 10nm정도의 희생 산화막을 형성하고 나서 SiN막을 형성한다. 이에 대하여 응력 프리 SiON막을 STI 공정에서 이용하면, 웨이퍼 상에 응력 프리 SiON막을 직접 성막해도 웨이퍼(채널부)로의 데미지가 발생하지 않기 때문에 희생 산화막을 형성할 필요가 없고, 희생 산화막을 성막하는 공정과 희생 산화막을 제거하는 공정의 2개의 공정을 삭감할 수 있다. 또한 통상, 마스크 가공 후의 SiN막은 웨이퍼 이면(裏面)에만 응력이 크게 가해지는 상태가 되어 웨이퍼가 전체적으로 변형되지만, 응력 프리 SiON막을 마스크로서 이용하면 마스크 가공 후에서의 웨이퍼의 변형이 없어지고 연마의 부근이 균일해져 보다 효율적으로 연마가 가능해진다.
<본 발명의 다른 실시 형태>
전술한 실시 형태에서는 퇴적·흡착 저해 가스의 작용에 의해, 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 높임으로써 웨이퍼(200) 상으로의 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착을 억제하여 막 두께 균일성을 향상시키는 예에 대하여 설명하였지만, HCD가스의 유속을 높이는 방법은 이에 한정되지 않는다.
예컨대 반응관(203) 내부의 유동(流動) 저항을 웨이퍼(200) 사이의 유동 저항과 같은 수준으로 하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 높일 수 있다. 예컨대 반응관(203) 상부나 하부의 공간을 더미 웨이퍼나 단열판 등으로 충전하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 높이고, 웨이퍼(200) 상으로의 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착을 억제하여 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 예컨대 HCD가스를 공급하는 제1 노즐(233a)과 웨이퍼(200) 사이의 컨덕턴스를 웨이퍼(200) 사이의 컨덕턴스와 같은 수준으로 하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 높일 수 있다. 예컨대 제1 노즐(233a)의 지름을 크게 하거나, 또한 반응관(203)의 지름을 작게 하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 높이고, 웨이퍼(200) 상으로의 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착을 억제하여 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 예컨대 HCD가스의 공급과 배기를 반복하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 높일 수 있다. 예컨대 반응관(203) 내의 웨이퍼 배열 영역과 제1 노즐(233a) 내[버퍼실(237) 내]의 압력 차이를 크게 하는 것에 의해 웨이퍼(200) 표면과 평행 방향으로 흐르는 HCD가스의 유속을 높이고, 웨이퍼(200) 상으로의 실리콘의 퇴적 또는 HCD가스의 흡착을 억제하여 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 전술한 실시 형태에서는 스텝1∼스텝6을 이 순서대로 수행하여 이를 1사이클로 하고, 이 사이클을 적어도 1회, 바람직하게는 복수 회 실시하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 실리콘 산질화막을 성막하는 예에 대하여 설명하였지만, 스텝1, 스텝3 및 스텝5는 서로 순서를 바꿔도 좋다. 즉 스텝3, 스텝4, 스텝1, 스텝2, 스텝5, 스텝6을 이 순서대로 수행하여 이를 1사이클로 하고, 이 사이클을 적어도 1회, 바람직하게는 복수 회 실시하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 실리콘 산질화막을 성막할 수 있다. 또한 예컨대 스텝5, 스텝6, 스텝1, 스텝2, 스텝3, 스텝4를 이 순서대로 수행하여 이를 1사이클로 하고, 이 사이클을 적어도 1회, 바람직하게는 복수 회 실시하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 실리콘 산질화막을 성막할 수 있다. 또한 예컨대 스텝5, 스텝6, 스텝3, 스텝4, 스텝1, 스텝2를 이 순서대로 수행하여 이를 1사이클로 하고, 이 사이클을 적어도 1회, 바람직하게는 복수 회 실시하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정 막 두께의 실리콘 산질화막을 성막할 수 있다.
또한 전술한 실시 형태에서는 기판 상에 산질화막으로서 반도체 원소인 실리콘(Si)을 포함하는 실리콘 산질화막(SiON막)을 형성하는 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 기판 상에 산질화막으로서 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 알루미늄(Al) 등의 금속 원소를 포함하는 금속 산질화막을 형성하는 경우에도 적용할 수 있다. 이 경우, 원료 가스 및 퇴적·흡착 저해 가스 공급에 의한 기판 상으로의 금속 원소 함유층의 형성(스텝1)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝2)와, 질소 함유 가스 공급에 의한 금속 원소 함유층의 금속 질화층으로의 변환(스텝3)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝4)와, 산소 함유 가스 공급에 의한 금속 질화층의 금속 산질화층으로의 변환(스텝5)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝6)를 1사이클로 하고, 이 사이클을 소정 횟수 실시하는 것에 의해 기판 상에 소정 막 두께의 금속 산질화막을 형성한다.
예컨대 기판 상에 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 산질화막으로서 티타늄 산질화막(TiON막)을 형성하는 경우, 원료 가스 및 퇴적·흡착 저해 가스 공급에 의한 기판 상으로의 티타늄 함유층의 형성(스텝1)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝2)와, 질소 함유 가스 공급에 의한 티타늄 함유층의 티타늄 질화층으로의 변환(스텝3)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝4)와, 산소 함유 가스 공급에 의한 티타늄 질화층의 티타늄 산질화층으로의 변환(스텝5)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝6)를 1사이클로 하고, 이 사이클을 소정 횟수 실시하는 것에 의해 기판 상에 소정 막 두께의 티타늄 산질화막을 형성한다. 원료 가스로서는 예컨대 TiCl4(4염화티타늄) 가스나 TDMAT(Tetrakis(dimethylamino)titanium: Ti[N(CH3)2]4) 가스를 이용할 수 있다. 질소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지로 예컨대 NH3가스를 이용할 수 있다. 산소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지로 예컨대 N2O가스를 이용할 수 있다. 이 경우, 전술한 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 제1 가스 공급계(원료 가스 공급계)를 티타늄 함유 가스 공급계로서 구성한다. 또한 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 조건으로 한다. 또한 TiON막은 도전성의 금속 산질화막이다.
또한 예컨대 기판 상에 탄탈(Ta)을 포함하는 금속 산질화막으로서 탄탈 산질화막(TaON막)을 형성하는 경우, 원료 가스 및 퇴적·흡착 저해 가스 공급에 의한 기판 상으로의 탄탈 함유층의 형성(스텝1)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝2)와, 질소 함유 가스 공급에 의한 탄탈 함유층의 탄탈 질화층으로의 변환(스텝3)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝4)와, 산소 함유 가스 공급에 의한 탄탈 질화층의 탄탈 산질화층으로의 변환(스텝5)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝6)를 1사이클로 하고, 이 사이클을 소정 횟수 실시하는 것에 의해 기판 상에 소정 막 두께의 탄탈 산질화막을 형성한다. 원료 가스로서는 예컨대 PET[Penta ethoxy tantalum: Ta(OC2H5)5] 가스를 이용할 수 있다. 질소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지로 예컨대 NH3가스를 이용할 수 있다. 산소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지로 예컨대 N2O가스를 이용할 수 있다. 이 경우, 전술한 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 제1 가스 공급계(원료 가스 공급계)를 탄탈 함유 가스 공급계로서 구성한다. 또한 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 조건으로 한다. 또한 TaON막은 도전성의 금속 산질화막이다.
또한 예컨대 기판 상에 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 산질화막으로서 알루미늄 산질화막(AlON막)을 형성하는 경우, 원료 가스 및 퇴적·흡착 저해 가스 공급에 의한 기판 상으로의 알루미늄 함유층의 형성(스텝1)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝2)와, 질소 함유 가스 공급에 의한 알루미늄 함유층의 알루미늄 질화층으로의 변환(스텝3)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝4)와, 산소 함유 가스 공급에 의한 알루미늄 질화층의 알루미늄 산질화층으로의 변환(스텝5)과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거(스텝6)를 1사이클로 하고, 이 사이클을 소정 횟수 실시하는 것에 의해 기판 상에 소정 막 두께의 알루미늄 산질화막을 형성한다. 원료 가스로서는 예컨대 TMA[Trimethyl-aluminium: Al(CH3)3] 가스를 이용할 수 있다. 질소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지로 예컨대 NH3가스를 이용할 수 있다. 산소 함유 가스로서는 전술한 실시 형태와 마찬가지로 예컨대 N2O가스를 이용할 수 있다. 이 경우, 전술한 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 제1 가스 공급계(원료 가스 공급계)를 알루미늄 함유 가스 공급계로서 구성한다. 또한 처리 조건은 예컨대 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 조건으로 한다. 또한 AlON막은 절연성의 금속 산질화막이다.
이와 같이 본 실시 형태의 성막 시퀀스는 TiON막이나 TaON막 등의 도전성 금속 산질화막을 형성하는 공정이나, AlON막 등의 절연성 금속 산질화막을 형성하는 공정에도 적용할 수 있다. 즉 본 실시 형태의 성막 시퀀스는 소정 원소가 반도체 원소인 경우뿐만 아니라 금속 원소인 경우에도 적용할 수 있다. 이와 같이 본 발명을 금속 산질화막의 형성에 적용한 경우에서도 본 발명을 실리콘 산질화막의 형성에 적용한 경우와 마찬가지인 효과를 얻을 수 있다.
또한 전술한 실시 형태에서는 한 번에 복수 매의 기판을 처리하는 뱃치식의 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 예에 대하여 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 한 번에 1매 또는 여러 매의 기판을 처리하는 매엽식의 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
또한 전술한 실시 형태나 변형예나 응용예 등은 적절히 조합하여 이용할 수 있다.
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]
(제1 실시예)
다음으로 제1 실시예에 대하여 설명한다. 전술한 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 스텝1∼스텝4를 1사이클로 하고, 이 사이클을 반복하는 것에 의해 웨이퍼 상에 SiN막을 형성하고 막 두께 및 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 측정하였다. 성막 온도(웨이퍼 온도)는 막 두께 균일성의 악화가 현저해진다는 것이 판명된 800∼950℃의 범위 내의 온도로 하였다. 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 2∼8slm 내에서 3종류로 변화시켰다. 3종류의 N2가스의 공급 유량은 어떠한 유량값을 기준으로, 즉 1로서 비율로 나타내면, (A) 2.5, (B) 5.0, (C) 7.5가 되고, 이하, 각각을 유량 조건(A), 유량 조건(B), 유량 조건(C)이라고 칭하기로 한다. 그 이외의 성막 조건(각 스텝에서의 처리 조건)은 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 조건으로 하였다. 그 결과를 도 8 및 도 9에 도시한다.
도 8은 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량의 차이에 의한 SiN막의 막 두께의 웨이퍼 중심으로부터의 거리로의 의존성을 도시하는 도면이다. 도 8의 횡축(橫軸)은 웨이퍼 면내에서의 웨이퍼 중심으로부터의 거리[임의 단위(a.u.)], 즉 웨이퍼 중심으로부터 웨이퍼 에지 방향(반지름 방향)으로 향하는 위치를 도시한다. 횡축의 0이 웨이퍼 중심 위치를 도시하고, 100이 웨이퍼 에지 위치를 도시한다. 도 8의 종축은 SiN막의 막 두께(a.u.)를 도시한다. 또한 막 두께는 웨이퍼 중심에서의 막 두께값을 기준으로, 즉 1로 한 비율로 도시한다. 도 8의 흰색 동그라미(○), 흰색 삼각형(△), 검정색 동그라미(●)는 각각 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 유량을 유량 조건(A), 유량 조건(B), 유량 조건(C)로 한 경우의 막 두께를 나타낸다.
도 8에 의해 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량이 커질수록 웨이퍼 외주에서의 막 두께가 감소하여 웨이퍼 중심 방향으로 막 두께가 두꺼운 부분이 이동한다는 것을 알 수 있다. 또한 SiN막의 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 막 두께 차이를 작게 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉 N2가스의 공급 유량을 대유량으로 할수록 실리콘의 퇴적 중심 또는 HCD가스의 흡착 중심을 웨이퍼의 에지측으로부터 센터측으로 이동시킬 수 있어 균일하게 실리콘 함유층을 형성하는 것이 가능해지고, 그 결과, 균일하게 SiN막을 형성할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 9는 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성의 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량으로의 의존성을 도시하는 도면이다. 도 9의 횡축은 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량(a.u.)을 도시한다. 또한 N2가스의 공급 유량은 전술과 같이 어떠한 유량값을 기준으로, 즉 1로 한 비율로 도시한다. 도 9의 종축은 웨이퍼 면내 막 두께 균일성(a.u.)을 도시한다. 또한 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량을 유량 조건(A)으로 하였을 때의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 기준으로, 즉 1로 한 비율로 도시한다. 도 9의 검정색 동그라미(●)는 왼쪽부터 순서대로 각각 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량을 유량 조건(A), 유량 조건(B), 유량 조건(C)로 하였을 때의 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 도시한다. 또한 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 웨이퍼 면내에서의 막 두께 분포의 편차의 정도를 나타내고, 그 값이 작을수록 웨이퍼 면내에서의 막 두께 균일성이 양호하다는 것을 나타낸다.
도 9에 의해 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량이 커질수록 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성이 향상한다는 것을 알 수 있다. 또한 퇴적·흡착 저해 가스(N2)의 공급 유량이 유량 조건(A), 유량 조건(B), 유량 조건(C) 중 어느 경우에서도 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 10%정도 이하가 되고, 유량 조건(C)에 이르러서는 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 5%정도 이하가 되고, 막 두께 균일성의 악화가 현저해진다는 것이 판명된 800∼950℃의 고온 영역에서도 웨이퍼 면내 막 두께 균일성이 지극히 양호한 SiN막을 형성할 수 있다는 것이 판명되었다.
또한 본 실시예와 동등한 조건으로, 전술한 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 스텝1∼스텝6을 1사이클로 하고 이 사이클을 반복하는 것에 의해 웨이퍼 상에 형성한 SiON막에 대해서도 본 실시예의 SiN막과 동등한 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
(제2 실시예)
다음으로 제2 실시예에 대하여 설명한다. 전술한 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 스텝1∼스텝4를 1사이클로 하고 이 사이클을 반복하는 것에 의해 웨이퍼 상에 SiN막을 형성하고, 형성된 SiN막의 수소 농도와 막 밀도를 측정하였다. 성막 온도(웨이퍼 온도)는 600℃∼900℃ 내에서 3종류로 변화시켰다. 퇴적·흡착 저해 가스로서의 N2가스의 공급 유량은 2∼8slm의 범위 내의 하나의 유량으로 하였다. 그 이외의 성막 조건(각 스텝에서의 처리 조건)은 전술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 조건으로 하였다. 또한 SiN막의 수소 농도는 TDS(Thermal Desorption Spectroscopy, 승온 탈리법)에 의해 측정하고, 막 밀도는 XRR(X-ray Reflection, X선 반사율 측정법)에 의해 측정하였다. 그 결과를 도 10 및 도 11에 도시한다.
도 10은 본 실시예에서의 SiN막의 성막 온도와 SiN막 중의 수소 농도(TDS에 의한 탈리 수소량)의 관계를 도시하는 도면이다. 도 10의 횡축은 성막 온도(웨이퍼 온도)(℃)를 도시하고, 종축은 SiN막 중의 수소 농도(수소 적산수)(atoms/cm3)를 도시한다. 도 10의 검정색 동그라미(●)는 각각 성막 온도를 600℃, 800℃, 900℃로 하였을 때의 SiN막 중의 수소 농도를 도시한다. 또한 도 10의 흰색 동그라미(○)는 700℃∼800℃의 온도대에서 SiH2Cl2가스와 NH3가스를 이용하여 통상의 CVD법에 의해 성막한 SiN막(CVD-SiN막)의 수소 농도를 비교예로서 도시한다.
도 10에 의해 본 실시예에서의 SiN막 중의 수소 농도는 성막 온도가 높아질수록 저감하고, 적어도 700℃∼800℃ 이상의 온도대에서는 비교예에서의 CVD-SiN막 중의 수소 농도보다도 낮아진다는 것을 알 수 있다. 또한 비교예에서의 CVD-SiN막 중의 수소 농도는 10의 21승 오더(1.0×1021atoms/cm3)인 것에 대해, 본 실시예에서의 SiN막 중의 수소 농도는 10의 20승 오더(900℃에서 1.0×1020atoms/cm3)이며, 비교예에서의 CVD-SiN막 중의 수소 농도보다도 1자리수 낮게 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 실시예에서의 SiN막의 성막 온도와 SiN막의 막 밀도의 관계를 도시하는 도면이다. 도 11의 횡축은 성막 온도(웨이퍼 온도)(℃)를 도시하고, 종축은 SiN막의 막 밀도(Density)(a.u.)를 도시한다. 도 11의 검정색 동그라미(●)는 각각 성막 온도를 600℃, 800℃, 900℃로 하였을 때의 SiN막의 막 밀도를 도시한다. 또한 도 11의 흰색 동그라미(○)는 700℃∼800℃의 온도대에서 SiH2Cl2가스와 NH3가스를 이용하여 통상의 CVD법에 의해 성막한 SiN막(CVD-SiN막)의 막 밀도를 비교예로서 도시한다.
도 11에 의해 본 실시예에서의 SiN막의 막 밀도는 성막 온도가 높아질수록 높아지고, 적어도 700℃∼800℃ 이상의 온도대에서는 비교예에서의 CVD-SiN막의 막 밀도보다 높아진다는 것을 알 수 있다.
또한 본 실시예와 동등한 조건으로, 전술한 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 스텝1∼스텝6을 1사이클로 하고 이 사이클을 반복하는 것에 의해 웨이퍼 상에 형성한 SiON막에 대해서도 본 실시예의 SiN막과 동등한 수소 농도 및 막 밀도를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
(제3 실시예)
다음으로 제3 실시예에 대하여 설명한다. 퇴적·흡착 저해 가스를 사용한 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스 및 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하지 않는 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해, 웨이퍼 상에 SiN막을 각각 형성하고 각각의 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 측정하였다. SiN막의 형성은 전술한 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 스텝1∼스텝4를 1사이클로 하고 이 사이클을 반복하는 것에 의해 수행하였다. 퇴적·흡착 저해 가스를 사용한 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 성막 온도는 800∼900℃ 내에서 변화시켰다. 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하지 않는 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 성막 온도는 600∼900℃ 내에서 변화시켰다. 그 이외의 성막 조건(각 스텝에서의 처리 조건)은 전술한 실시 형태에 기재된 조건 범위 내의 조건으로 하였다.
그 결과를 도 12에 도시한다. 도 12는 웨이퍼 면내 막 두께 균일성과 성막 온도(웨이퍼 온도)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 12의 횡축은 성막 온도(℃)를 도시하고, 종축은 웨이퍼 면내 막 두께 균일성[임의 단위(a.u.)]을 도시한다. 또한 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하지 않는 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 성막 온도를 900℃로서 성막한 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 기준으로, 즉 1로 한 비율로 나타낸다. 도 12의 검정색 동그라미(●)는 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하지 않는 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 성막한 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 나타낸다. 또한 흰색 동그라미(○)는 퇴적·흡착 저해 가스를 사용한 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 성막한 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 나타낸다. 또한 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 웨이퍼 면내에서의 막 두께 분포의 편차의 정도를 나타내고, 그 값이 작을수록 웨이퍼 면내에서의 막 두께 균일성이 양호하다는 것을 나타낸다.
도 12에 의해, 퇴적·흡착 저해 가스를 사용한 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 형성된 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하지 않는 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 형성된 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성보다도 양호한 것이 된다는 것을 알 수 있다. 특히, 성막 온도를 800∼900℃로 한 경우에서는 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 형성된 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성은 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하지 않는 경우의 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 형성된 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 균일성의 1/2 이하가 된다는 것을 알 수 있다. 즉 본 실시 형태의 성막 시퀀스에 의해 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하여 SiN막을 형성하는 것에 의해 고온 영역에서 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 대폭 개선하는 것이 가능해진다는 것을 알 수 있다.
또한 본 실시예와 동등한 조건으로, 전술한 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 스텝1∼스텝6을 1사이클로 하고 이 사이클을 반복하는 것에 의해 웨이퍼 상에 형성한 SiON막에 대해서도 본 실시예의 SiN막과 동등한 웨이퍼 면내 막 두께 균일성을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 본 실시예의 SiN막과 마찬가지로 퇴적·흡착 저해 가스를 사용하여 SiON막을 형성하는 것에 의해 고온 영역에서 웨이퍼 면내 막 두께 균일성이 대폭 개선된다는 것을 확인하였다.
(제4 실시예)
다음으로 제4 실시예를 참고예와 함께 설명한다. MOS커패시터의 게이트 절연막으로서, 전술한 실시 형태의 성막 시퀀스에서의 스텝1∼스텝6을 1사이클로 하고 이 사이클을 반복하는 것에 의해 웨이퍼(P형의 실리콘 웨이퍼) 상에 SiON막을 형성하고, 또한 도전성 막으로 이루어지는 게이트 전극을 SiON막 상에 형성하여 평가 샘플을 작성하였다. 그리고 SiON막에 대한 전기적 스트레스로서 게이트 전극과 웨이퍼 사이에 바이어스 전압Vs를 소정 시간 인가한 후, C-V(용량-게이트 전압) 특성을 측정하였다. 또한 SiON막을 형성할 때의 웨이퍼 온도는 900℃로 하였다. 전기적 스트레스로서의 바이어스 전압Vs는 -5V로 하고, 인가 시간은 0초∼500초의 범위 내로 하였다.
참고예에서는 MOS커패시터의 게이트 절연막으로서, HCD가스 공급에 의한 웨이퍼(P형의 실리콘 웨이퍼) 상으로의 실리콘 함유층의 형성과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거와, NH3가스 공급에 의한 실리콘 함유층의 실리콘 질화층으로의 변환과, 퍼지에 의한 잔류 가스의 제거를 1사이클로 하고 이 사이클을 소정 횟수 실시하는 것에 의해 웨이퍼 상에 SiN막을 형성하고, 또한 도전성막으로 이루어지는 게이트 전극을 SiN막 상에 형성하여 평가 샘플을 작성하였다. 그리고 SiN막에 대한 전기적 스트레스로서 게이트 전극과 웨이퍼 사이에 바이어스 전압Vs를 소정 시간 인가한 후, C-V(용량-게이트 전압) 특성을 측정하였다. 또한 SiN막을 형성할 때의 웨이퍼 온도는 800℃로 하였다. 전기적 스트레스로서의 바이어스 전압Vs는 -5V로 하고, 인가 시간은 0초∼500초의 범위 내로 하였다.
또한 각 평가 샘플에 추가되는 스트레스를 일정하게 하기 위해서 각 평가 샘플에서의 게이트 절연막(SiON막, SiN막)의 EOT는 같은 값이 되도록 설정하였다. 구체적으로는 실시예에 따른 평가 샘플에서의 SiON막의 EOT를 4.3nm로 하고, 참고예에 따른 평가 샘플에서의 SiN막의 EOT를 4.4nm로 하였다.
도 13은 실시예에 따른 평가 샘플의 C-V특성을 도시하는 그래프이며, 도 14는 참고예에 따른 평가 샘플의 C-V특성을 도시하는 그래프다. 도 13 및 도 14의 횡축은 C-V특성을 측정할 때에 게이트 전극에 인가한 게이트 전압Vg(V)을 도시하고, 종축은 정전 용량C(F/cm2)를 도시한다. 도 13 및 도 14의 ○표시, □표시, ◇표시, △표시, ■표시, ◆표시, ▲표시는 각각 바이어스 전압Vs의 인가 시간을 0초(인가 없음), 1초, 5초, 10초, 50초, 100초, 500초로 한 경우의 측정 결과를 도시한다.
도 13 및 도 14를 비교하면, 실시예에 따른 평가 샘플(도 13)에서는 스트레스 전압의 유무나 인가 시간과 관계없이 공핍층으로부터 축적층으로의 변화점(게이트 전압값)이 변동하지 않는다는 것, 즉 플랫 밴드 전압이 시프트하지 않는다는 것을 알 수 있다. 이는 실시예에 따른 SiON막에서는 막 중의 결함(전하의 트랩 사이트)이 적어, 막 중에서의 전하의 포착이 억제되기 때문이라고 생각된다. 이에 대하여 참고예에 따른 평가 샘플(도 14)에서는 스트레스 전압Vs가 인가되는 것에 의해 공핍층으로부터 축적층으로의 변화점(게이트 전압값)이 변동한다는 것, 즉 플랫 밴드 전압이 시프트한다는 것을 알 수 있다. 이는 참고예에 따른 SiN막에서는 막 중의 결함(전하의 트랩 사이트)이 비교적 많아, 막 중에서의 전하의 포착량이 많기 때문이라고 생각된다.
<본 발명의 바람직한 형태>
이하, 본 발명의 바람직한 형태를 부기(附記)한다.
(부기1)
본 발명의 일 형태에 의하면,
처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정을,
그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정을 포함하고,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 상기 원료 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
(부기2)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 산소 함유 가스에 의한 상기질화층의 산화 반응을 포화시키지 않고 상기 질화층을 산화한다.
(부기3)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 산소 함유 가스는 산화질소계의 가스를 포함한다.
(부기4)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 산소 함유 가스는 N2O가스, NO가스 및 NO2가스 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
(부기5)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 산소 함유 가스는 N2O가스를 포함한다.
(부기6)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 350℃ 이상 950℃ 이하로 한다.
(부기7)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 700℃ 이상 950℃ 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
(부기8)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 750℃ 이상 950℃ 이하로 한다.
(부기9)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 800℃ 이상 950℃ 이하로 한다.
(부기10)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 노즐에는 상기 노즐 내에 상기 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급관이 접속되고, 상기 원료 가스 공급관에는 상기 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 상기 기판을 향해서 공급하는 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스를 상기 원료 가스 공급관 내에 공급하는 공급관이 접속된다.
(부기11)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 원소는 반도체 원소 및 금속 원소 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
(부기12)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 원소는 반도체 원소를 포함한다.
(부기13)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 원소는 금속 원소를 포함한다.
(부기14)
부기1의 반도체 장치의 제조 방법으로서, 바람직하게는 상기 소정 원소는 실리콘을 포함한다.
(부기15)
본 발명의 다른 형태에 의하면,
처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정을,
그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정을 포함하고,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 상기 원료 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 기판 처리 방법이 제공된다.
(부기16)
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판을 수용하는 처리 용기;
상기 처리 용기 내의 기판을 가열하는 히터;
상기 처리 용기 내에 소정 원소를 포함하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계;
상기 처리 용기 내에 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급계;
상기 처리 용기 내에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급계;
상기 처리 용기 내에 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 공급하는 불활성 가스 또는 수소 함유 가스 공급계;
상기 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정부; 및
상기 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 상기 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 처리,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 상기 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 처리, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 상기 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 처리를,
그들 사이에 상기 처리 용기 내에 상기 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 처리를 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 처리를 수행하고,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 처리에서는 상기 원료 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스를 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 처리에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하도록,
상기 히터, 상기 원료 가스 공급계, 상기 질소 함유 가스 공급계, 상기 산소 함유 가스 공급계, 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스 공급계 및 상기 압력 조정부를 제어하는 제어부;
를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.
(부기17)
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판 처리 장치의 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 순서,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 순서, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 순서를,
그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 순서를 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 순서를 컴퓨터에 실행시켜,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 순서에서는 상기 원료 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 순서에서 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 프로그램이 제공된다.
(부기18)
본 발명의 또 다른 형태에 의하면,
기판 처리 장치의 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 순서,
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 순서, 및
대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 순서를,
그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 순서를 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 순서를 컴퓨터에 실행시켜,
상기 소정 원소 함유층을 형성하는 순서에서는 상기 원료 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 그 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 순서에서 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.
121: 컨트롤러(제어부) 200: 웨이퍼(기판)
201: 처리실 202: 처리로
203: 반응관 207: 히터
231: 배기관 244: APC밸브(압력 조정부)

Claims (20)

  1. 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정,
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정, 및
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정을,
    그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 상기 원료 가스와 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스의 유량을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 상기 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하여 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출[吹付]하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질화층을 상기 산질화층으로 변화시키는 공정에서는 상기 산소 함유 가스에 의한 상기질화층의 산화 반응을 포화시키지 않고 상기 질화층을 산화하는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소 함유 가스는 산화질소계의 가스를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산소 함유 가스는 N2O가스, NO가스 및 NO2가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산소 함유 가스는 N2O가스를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 350℃ 이상 950℃ 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 700℃ 이상 950℃ 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 750℃ 이상 950℃ 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정에서의 상기 기판의 온도를 800℃ 이상 950℃ 이하로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 공정,
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 공정, 및
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정을,
    그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정을 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는 상기 원료 가스와 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스의 유량을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 상기 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하여 상기 기판을 향해서 공급하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 기판 처리 방법.
  11. 기판을 수용하는 처리 용기;
    상기 처리 용기 내의 기판을 가열하는 히터;
    상기 처리 용기 내에 소정 원소를 포함하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계;
    상기 처리 용기 내에 질소 함유 가스를 공급하는 질소 함유 가스 공급계;
    상기 처리 용기 내에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급계;
    상기 처리 용기 내에 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 공급하는 불활성 가스 또는 수소 함유 가스 공급계;
    상기 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정부; 및
    상기 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 상기 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 처리,
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 상기 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 처리, 및
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 상기 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 처리를,
    그들 사이에 상기 처리 용기 내에 상기 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 처리를 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 처리를 수행하고,
    상기 소정 원소 함유층을 형성하는 처리에서는 상기 원료 가스와 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스의 유량을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 상기 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 처리에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하도록,
    상기 히터, 상기 원료 가스 공급계, 상기 질소 함유 가스 공급계, 상기 산소 함유 가스 공급계, 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스 공급계 및 상기 압력 조정부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  12. 처리 용기 내의 가열된 기판에 대하여 소정 원소를 포함하는 원료 가스의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서 상기 원료 가스를 공급하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 순서;
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 질소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 소정 원소 함유층을 질화층으로 변화시키는 순서; 및
    대기압 미만의 압력 하에 있는 상기 처리 용기 내의 가열된 상기 기판에 대하여 산소 함유 가스를 공급하는 것에 의해 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 순서;
    를 그들 사이에 상기 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하여 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 처리를 개재하여 교호적으로 반복하는 것에 의해 상기 기판 상에 소정 막 두께의 산질화막을 형성하는 순서를 컴퓨터에 실행시키고,
    상기 소정 원소 함유층을 형성하는 순서에서는 상기 원료 가스와 상기 불활성 가스 또는 수소 함유 가스를 상기 기판의 측방에 설치된 노즐을 개재하여 상기 기판을 향해서 공급하고, 그 때, 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스의 유량을 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 공급하는 상기 불활성 가스의 유량의 5배 내지 30배로 하는 것에 의해, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 순서에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 노즐에는 상기 노즐 내에 상기 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급관이 접속되고, 상기 원료 가스 공급관에는 상기 노즐을 개재하여 상기 원료 가스와 함께 상기 기판을 향해서 공급하는 상기 불활성 가스 또는 상기 수소 함유 가스를 상기 원료 가스 공급관 내에 공급하는 공급관이 접속되는 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 또한 상기 소정 원소 함유층을 상기 질화층으로 변화시키는 공정에서 상기 질소 함유 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게, 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 반도체 장치의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 또한 상기 소정 원소 함유층을 상기 질화층으로 변화시키는 공정에서 상기 질소 함유 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 또한 상기 질화층을 산질화층으로 변화시키는 공정에서 상기 산소 함유 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게, 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 반도체 장치의 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것에 의해, 상기 기판 상으로의 상기 소정 원소 함유층의 퇴적 또는 흡착을 저해시키면서 상기 기판 상에 소정 원소 함유층을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 소정 원소 함유층을 형성하는 공정에서는, 상기 처리 용기 내를 퍼지하는 공정에서 상기 불활성 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것보다 강하게 상기 원료 가스를 상기 기판의 표면과 평행 방향으로 분출하는 것에 의해, 상기 기판 상으로의 상기 소정 원소 함유층의 퇴적 또는 흡착을 저해시키면서 상기 기판 상에 상기 소정 원소 함유층을 형성하고, 그 때, 상기 소정 원소 함유층의 퇴적 중심 또는 흡착 중심을 에지측으로부터 센터측으로 이동시키는 반도체 장치의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 산질화막은 게이트 절연막으로서 형성되는 반도체 장치의 제조 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 산질화막은 MOS커패시터의 게이트 절연막으로서 형성되는 반도체 장치의 제조 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 산질화막 상에 게이트 전극을 형성하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
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