KR101745074B1

KR101745074B1 - 성막 장치

Info

Publication number: KR101745074B1
Application number: KR1020150036811A
Authority: KR
Inventors: 데츠야 사이토; 도모히로 오오타; 도시오 다카기
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2017-06-08
Also published as: JP2015175060A; TWI682055B; US20150267298A1; JP6379550B2; TW201546315A; US9885114B2; KR20150108780A

Abstract

기판에 대하여 복수 종류의 반응 가스를 순번으로 공급하고, 치환용의 가스를 공급하여 성막 처리를 실행하는 성막 장치는 기판이 탑재되도록 구성된 탑재부와, 탑재부에 대향하는 평탄한 면과, 복수의 가스 공급구를 포함하는 샤워 헤드를 포함한다. 환상 돌기부는 탑재부의 상면과 환상 돌기부 사이에 간극을 형성하도록 샤워 헤드에 마련된다. 복수의 가스 공급부는 샤워 헤드의 상방측에 형성된 천정부에 마련된다. 각각의 가스 공급부는 둘레 방향을 따라서 형성된 가스 토출구를 구비한다. 확산 공간은, 평면에서 보았을 때 확산 공간의 외연이 탑재부에 탑재된 기판의 외연보다 내측에 위치되도록 배치되어 있다.

Description

성막 장치{FILM FORMING APPARATUS}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 그 내용이 참고로 본원에 인용되는 일본 특허 출원 제 2014-055146 호를 우선권 주장한다.

본 발명은 기판에 대하여 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 순번으로 공급하여 막을 형성하는 성막 장치에 관한 것이다.

기판인 예를 들면 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라 함)에 막을 성막하는 수법으로서, 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 웨이퍼에 대하여 순번으로 공급하는 이른바 ALD(Atomic　Layer　Deposition)법이나 MLD(Multi Layer Deposition)법(이하, 이들을 종합하여 ALD법이라 칭함) 등이라 불리는 방법이 알려져 있다.

이러한 성막 방법에 있어서 웨이퍼에 반응 가스를 공급하는 여러 가지의 가스 공급 기구가 제안되어 있다. 예를 들면 특허문헌 1, 2에는, 복수 매의 플레이트를 상하에 간격을 두고 배치하는 것에 의해, 중단(中段)의 플레이트를 거쳐서 상하에 적층된 가스 확산 공간(특허문헌 1에서는 공간(11a, 11b), 특허문헌 2에서는 가스 확산 공간(50), 공간(81)이라 기재)을 구성하고, 각각의 확산 공간으로부터 최하단의 샤워 플레이트의 하면에 개구하는 다수의 가스 유로를 마련한 샤워 헤드가 기재되어 있다.

상기 타입의 샤워 헤드는, 서로 격리된 가스 확산 공간으로부터 복수 종류의 반응 가스를 각각 공급한다. 따라서, 가스 확산 공간 내에서의 반응 가스끼리의 혼합을 피하여, 샤워 헤드 내에서의 반응 생성물의 퇴적을 방지할 수 있다.

한편, 상하에 적층된 각 가스 확산 공간으로부터, 서로 섞이지 않도록 반응 가스를 공급하기 위해서는, 하단측의 가스 확산 공간을 관통하여 상단측의 가스 확산 공간으로 연통하는 가스 유로용의 도관을 다수 마련할 필요가 있다. 이것은 샤워 헤드의 구조가 매우 복잡하게 된다.

이러한 과제에 대하여, 출원인은, 공통의 가스 확산 공간에 복수 종류의 반응 가스를 전환하여 공급하는 간소한 구성의 샤워 헤드의 개발을 실행하고 있다. 공통의 가스 확산 공간을 이용하는 경우에는, 반응 생성물의 퇴적을 방지하기 위해서, 하나의 반응 가스를 공급하고 나서, 다음의 반응 가스를 공급할 때까지의 사이에, 불활성 가스 등을 공급하여 가스의 치환을 실행할 필요가 있다.

반응 가스의 치환을 실행하는 경우에는, 치환 조작에 필요로 하는 시간을 가능한 한 짧게 하는 것이 성막을 효율적으로 실행하는데 중요한 과제가 된다. 또한, 최근에는, 나노미터의 정도로 성막되는 막의 웨이퍼 면내에 있어서의 막 두께의 균일성(예를 들면 후술의 1σ% 값(표준 편차 σ를 평균값으로 나누어 백분율로 표시한 값))을 2% 정도 이내로 하는 것이 요구되는 경우가 있다. 따라서, 치환성의 양호함 뿐만 아니라 보다 면내 균일성이 양호한 성막을 실현할 수 있는 샤워 헤드의 개발이 요구되고 있다.

이들 요구에 대하여, 특허문헌 1, 2에 기재된 샤워 헤드는, 웨이퍼의 전면에 대응하는 영역에 걸쳐서 넓어지는 큰 가스 확산 공간을 구비하고 있다. 가스 확산 공간의 한쪽측에 반응 가스나 치환 가스를 전환하여 공급했다고 하여도 치환 조작에 장시간을 필요로 하게 되어 버린다.

또한, 특허문헌 1, 2에는, 각 가스 확산 공간에 반응 가스를 공급하는 가스 공급부의 기재가 있다(특허문헌 1에 대하여, 관부(10j)에 마련된 토출구(121), 특허문헌 2에 대하여, 토출구(55)를 구비한 토출 포트(56) 및 가스 토출관(83)). 그렇지만, 반응 가스나 치환 가스를 전환하여 공급하는 샤워 헤드에 있어서, 성막되는 막의 균일성을 향상시키는데 이들 가스 공급부가 구비해야만 하는 특별한 기술적 특징은 개시되어 있지 않다.

그래서, 출원인은, 특허문헌 3에 나타내는 바와 같이, 중앙으로부터 외주를 향하여 끝이 넓어지는 형상의 경사면 구조를 갖는 천정부의 중앙 영역에, 성막 대상의 웨이퍼보다 면적이 작은 샤워 헤드를 마련함으로써(특허문헌 3 중에서는 「가스 공급 노즐」이라 기재하고 있음), 치환성을 높인 성막 장치를 개발했다.

그러나, 샤워 헤드에 다수 천공설치된 가스 공급구 중, 예를 들면 샤워 헤드 내에 가스를 도입하는 가스 공급로의 바로 아래의 위치와, 이 위치로부터 멀어진 위치를 비교하면, 가스 공급로의 바로 아래에 위치하는 가스 공급구로부터 유출하는 반응 가스의 유속이 높아지는 일이 있다. 그 결과, 각 가스 공급구로부터 유출하는 가스 유속의 차이에 의해서 웨이퍼에 흡착하는 반응 가스의 양에 차이가 발생하여, 웨이퍼의 면내에서 막의 두께가 근소하게 변화할 우려가 있다. 그렇지만 상술과 같이, 1σ% 값이 약 2% 이내와 같은 높은 면내 균일성이 요구되게 되면, 이러한 근소한 막 두께의 차이도 개선할 필요가 생긴다.

일본 특허 공개 제 2002-327274 호 공보 : 단락 0032 내지 0034, 도 1, 도 3, 도 6 및 도 7 일본 특허 공개 제 2006-299294 호 공보 : 단락 0020, 0024, 도 2, 도 3 및 도 5 일본 특허 공개 제 2009-224775 호 공보 : 단락 0068 내지 0072, 도 15 내지 도 17

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 반응 가스와 치환 가스의 치환성이 높으며, 면내 균일성이 양호한 막을 성막 가능한 성막 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 진공 분위기인 처리실 내의 기판에 대하여 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 순번으로 공급하고, 하나의 반응 가스의 공급과 다음의 반응 가스의 공급 사이에 치환용의 가스를 공급하여 성막 처리를 실행하는 성막 장치가 제공된다. 성막 장치는 처리실에 마련되며, 기판이 탑재되도록 구성된 탑재부와; 탑재부에 대향하는 평탄한 면을 구비하고, 또한 복수의 가스 공급구를 포함하는 샤워 헤드와; 가스 공급구가 형성된 영역을 둘러싸고 하방측으로 돌출되도록 샤워 헤드에 마련된 환상 돌기부로서, 탑재부의 기판 탑재 영역의 외방측에서, 탑재부의 상면과 환상 돌기부 사이에 간극을 형성하도록 배치된, 환상 돌기부와; 샤워 헤드의 상방측에 형성된 천정부에 마련된 복수의 가스 공급부로서, 각 가스 공급부는 둘레 방향을 따라서 형성된 가스 토출구를 포함하며, 가스 토출구는 샤워 헤드와 천정부에 의해 둘러싸인 확산 공간에 횡방향으로 가스를 퍼지게 하도록 구성되어 있는, 복수의 가스 공급부와; 처리실을 진공배기시키도록 구성된 배기부를 포함한다. 또한, 평면에서 보았을 때 확산 공간의 외연이 탑재부에 탑재된 기판의 외연보다 내측에 위치되도록 배치되어 있다.

본 발명은 성막 대상의 기판보다 면적이 작은 확산 공간을 갖는 샤워 헤드를 이용하며, 이 샤워 헤드의 내측에 복수의 가스 공급부를 마련하고 있으므로, 반응 가스와 치환용의 가스의 치환을 단시간에 실행할 수 있다. 또한, 각 가스 공급부에는, 각각 횡방향으로 가스를 퍼지게 하도록 둘레 방향을 따라서 가스 토출구가 형성되어 있으며, 반응 가스는 흐름 방향을 변경하고 나서 샤워 헤드의 하면에 마련된 가스 공급구를 빠져나가므로, 샤워 헤드의 전면으로부터 균일하게 반응 가스가 공급되며, 기판에 성막되는 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 목적 및 특징은 첨부 도면을 참조하여 이뤄지는 실시예의 하기 설명으로부터 명료해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성막 장치의 종단면도이다.
도 2는 상기 성막 장치의 일부 확대 종단면도이다.
도 3은 상기 성막 장치에 마련되어 있는 천판 부재의 사시도이다.
도 4는 상기 천판 부재에 마련되어 있는 가스 공급부의 사시도이다.
도 5는 상기 가스 공급부의 종단면도이다.
도 6은 상기 가스 공급부의 배치 상태를 도시하는 샤워 헤드 내부의 평면도이다.
도 7은 상기 성막 장치의 작용을 도시하는 제 1 설명도이다.
도 8은 상기 성막 장치의 작용을 도시하는 제 2 설명도이다.
도 9는 참고예에 이용한 성막 장치의 일부 확대 종단면도이다.
도 10은 실험예 및 참고예에 따른 막의 비저항값을 나타내는 설명도이다.
도 11은 실험예 및 참고예에 따른 막의 막 두께를 나타내는 설명도이다.
도 12는 탑재대 온도 및 치환 가스의 통류 시간을 변화시켰을 때의 막 두께의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 13은 탑재대의 설정 온도의 변화에 대한 샤워 헤드의 온도의 경시(經時) 변화를 나타내는 설명도이다.
도 14는 복수 매의 웨이퍼를 처리했을 때의 막의 비저항의 면간 변화를 나타내는 설명도이다.
도 15a 및 도 15b는 실험예 및 참고예에 따른 샤워 헤드 내의 가스의 확산 상태를 나타내는 설명도이다.

이후, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 실시형태에 따른 성막 장치의 구성에 대하여 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 본 성막 장치는 성막 대상의 원형의 기판(원판)이며, 예를 들면 직경이 300㎜의 웨이퍼(W)의 표면에, 서로 반응하는 반응 가스인 염화 티탄(TiCl₄) 가스(원료 가스)와 암모니아(NH₃) 가스(질화 가스)를 교대로 공급하여 ALD법에 의해 질화 티탄막(TiN 막)을 성막하는 장치로 하여 구성되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이 성막 장치는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되며, 평면 형상이 대체로 원형의 진공 용기인 처리실(1)과, 이 처리실(1) 내에 마련되며, 웨이퍼(W)가 탑재되는 탑재대(탑재부)(2)와, 탑재대(2)와 대향하도록 마련되며, 탑재대(2)와의 사이에 처리 공간(313)을 형성하고, 상기 처리 공간(313)에 가스를 공급하는 가스 샤워 헤드(5)를 구비하고 있다. 처리실(1)의 측면에는, 탑재대(2)와의 사이에서 웨이퍼(W)의 수수를 실행할 때에, 외부의 진공 반송로에 마련된 웨이퍼 반송 기구를 처리실(1) 내에 진입시키기 위한 반입·반출구(11)와, 이 반입·반출구(11)를 개폐하는 게이트 밸브(12)가 마련되어 있다.

상기 반입·반출구(11)보다 상부측의 위치에는, 알루미늄 등의 금속으로 이루어지며, 종단면의 형상이 사각형의 덕트를 원환 형상으로 만곡시켜서 구성한 배기 덕트(13)가, 처리실(1)의 본체를 구성하는 측벽 상에 적층되도록 마련되어 있다. 배기 덕트(13)의 내주면에는, 둘레 방향을 따라서 연장되는 슬릿 형상의 개구부(131)가 형성되어 있다. 처리 공간(313)으로부터 유출된 가스는 이 개구부(131)를 거쳐서 배기 덕트(13) 내로 배기된다. 배기 덕트(13)의 외벽면에는 배기구(132)가 형성되어 있다. 이 배기구(132)에는 진공 펌프 등으로 이루어지는 배기부(65)가 접속되어 있다. 배기구(132)나 배기부(65)는 처리 공간(313) 내의 진공 배기를 실행하는 배기부에 상당한다.

처리실(1) 내에는, 상기 배기 덕트(13)의 내측의 위치에, 탑재대(2)가 배치되어 있다. 탑재대(2)는 웨이퍼(W)보다 큰 원판으로 이루어지며, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN), 석영 유리(SiO₂) 등의 세라믹스나 알루미늄(Al), 하스텔로이(등록 상표) 등의 금속에 의해 구성되어 있다. 탑재대(2)의 내부에는, 웨이퍼(W)를 예를 들면 약 350℃ 내지 550℃의 성막 온도로 가열하기 위한 히터(21)가 매설되어 있다. 또한 필요에 따라서, 웨이퍼(W)를 상기 탑재대(2)의 상면측의 탑재 영역 내에 고정하기 위한 도시하지 않은 정전 척을 마련하여도 좋다. 또한, 도 1 이외의 종단면도에 있어서는 히터(21)의 기재를 생략하고 있다.

이 탑재대(2)에는, 상기 탑재 영역의 외주측의 영역, 및 탑재대(2)의 측주면을 둘레 방향에 걸쳐서 덮도록 마련된 커버 부재(22)가 마련되어 있다. 커버 부재(22)는 예를 들면 알루미나 등으로 이루어지며, 상하단이 각각 개구하는 대략 원통 형상으로 형성된다. 또한, 둘레 방향에 걸쳐서 커버 부재(22)의 상단부가 내측을 향하여 수평 방향으로 굴곡되어 있다. 이 굴곡부는, 탑재대(2)의 주연부에서 고정되어 있다. 상기 굴곡부의 두께 치수는 웨이퍼(W)의 두께 치수(약 0.8㎜)보다 두꺼우며, 예를 들면 약 1㎜ 내지 5㎜의 범위 내, 바람직하게는 약 3㎜로 되어 있다.

탑재대(2)의 하면측 중앙부에는, 처리실(1)의 저면을 관통하며, 상하 방향으로 연장되는 지지 부재(23)가 접속되어 있다. 이 지지 부재(23)의 하단부는, 처리실(1)의 하방측에 수평으로 배치된 판형상의 지지대(232)를 거쳐서 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 승강 기구(24)는, 반입·반출구(11)로부터 진입해 온 웨이퍼 반송 기구와의 사이에서 웨이퍼(W)를 수수하는 수수 위치(도 1에 일점쇄선으로 표시되어 있음)와, 이 수수 위치의 상방측에서, 웨이퍼(W)에의 성막이 실행되는 처리 위치와의 사이에서 탑재대(2)를 승강시킨다.

이 지지 부재(23)가 관통하는 처리실(1)의 저면과, 지지대(232)와의 사이에는, 지지대(232)의 승강 동작에 따라서 신장 축소하는 벨로우즈(231)가 상기 지지 부재(23)를 둘레 방향의 외측으로부터 덮도록 마련되어 있다. 벨로우즈(231)는 처리실(1) 내의 분위기를 외부와 구획한다.

탑재대(2)의 하방측에는, 탑재대(2)와 웨이퍼 반송 기구 사이에서 웨이퍼(W)의 수수 시에, 웨이퍼(W)를 하면측으로부터 지지하여 들어올리는, 예를 들면 3개의 지지 핀(25)이 마련되어 있다. 지지 핀(25)은 승강 기구(26)에 접속되어 승강 가능하게 되어 있다. 탑재대(2)를 상하 방향으로 관통하는 관통 구멍(201)을 거쳐서 탑재대(2)의 상면으로부터 지지 핀(25)을 돌몰(突沒 : 튀어나오고 들어감)시키는 것에 의해서, 웨이퍼 반송 기구와의 사이에서의 웨이퍼(W)의 수수를 실행한다.

배기 덕트(13)의 상면측에는, 원형의 개구를 막도록 원판형상의 지지판(32)이 마련되어 있다. 배기 덕트(13)와 지지판(32)과의 사이에는 처리실(1) 내를 기밀하게 유지하기 위한 O링(133)이 배치되어 있다. 지지판(32)의 하면측에는, 처리 공간(313)에 반응 가스나 치환 가스를 공급하기 위한 천판 부재(31)가 마련되어 있다. 천판 부재(31)는 볼트(323)에 의해서 지지판(32)에 지지 고정되어 있다. 상기 천판 부재(31)나 지지판(32)은 본 성막 장치의 천정부를 구성하고 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 지지판(32)의 상면측에는, 천판 부재(31)나 후술의 샤워 헤드(5)의 온도 조정을 실행하기 위해서 마련되며, 급전부(325)에 접속된 히터(324)가 마련되어 있다. 히터(324)는 지지판(32)이나 천판 부재(31)를 거쳐서 후술의 샤워 헤드(5)의 온도를 조정하기 위한 온도 조정부에 상당한다. 또한, 도 2 이외의 도면에 대해서는, 히터(324)나 급전부(325)의 기재는 생략되어 있다.

천판 부재(31)의 하면측에는 오목부가 형성되어 있다. 오목부의 중앙측의 영역은 평탄하게 되어 있다. 또한, 이 평탄한 중앙 영역의 외주측에는 평탄한 외주면이 형성되어 있으며, 상기 평탄한 외주면은 평탄한 중앙 영역으로부터 하방측으로 돌출되어 있다.

한편, 천판 부재(31)의 하방 위치에는, 상기 천판 부재(31)의 하면 전체를 덮도록 샤워 헤드(5)가 마련되어 있다. 샤워 헤드(5)는 탑재대(2)와 대향하는 평탄한 면을 구비한 예를 들면 금속제의 원판 부분과, 이 원판의 주연부에 형성되며, 하방측으로 돌출된 환상 돌기부(53)를 구비하는 동시에, 그 상면측에는 오목부가 형성되어 있다. 샤워 헤드(5)에 있어서의 상기 오목부의 외주측에는 상방측으로 돌출된 평탄한 면이 형성되어 있다.

천판 부재(31)와, 샤워 헤드(5)는 천판 부재(31)의 평탄한 하면 및 샤워 헤드(5)의 평탄한 상면을 서로 접촉시켜서 체결된다. 이들 접촉면의 내측에 형성된 오목부끼리를 대향시킴으로써, 가스를 확산시키기 위한 가스 확산 공간(50)이 구성되어 있다. 가스 확산 공간(50)의 저부에는, 그 전면에 걸쳐서 다수의 가스 공급구(511)가 천공설치되며, 웨이퍼(W)를 향하여 반응 가스를 공급할 수 있다. 이하, 샤워 헤드(5)에 있어서, 가스 확산 공간(50) 저부의 가스 공급구(511)가 형성된 영역을 가스 공급 영역(51)이라 부르고, 가스 공급구(511)가 형성되어 있지 않은, 가스 확산 공간(50)의 외방측의 영역을 주연 영역(52)이라 부른다. 또한, 도 3에는 가스 공급 영역(51)과 주연 영역(52)과의 경계를 긴 파선으로 나타내고 있다.

본 예의 샤워 헤드(5)는, 가스 확산 공간(50)의 직경(즉, 가스 공급 영역(51)의 직경)이 약 255㎜(반경 127.5㎜)로 설정되며, 가스 확산 공간(50)의 높이 치수가 약 8㎜로 설정되며, 후술의 가스 공급부(4)의 체적을 제외한 샤워 헤드(5) 내의 용적이 약 385㎤로 설정되어 있다.

직경 약 300㎜(반경 150㎜)의 웨이퍼(W)에 대하여, 가스 확산 공간(50)의 직경이 약 255㎜(반경 약 127.5㎜)의 샤워 헤드(5)를 탑재대(2) 상의 웨이퍼(W)의 중앙부의 상방 위치에 배치하면, 가스 확산 공간(50)의 외연은 웨이퍼(W)의 외연보다 내측에 위치하게 된다. 이와 같이, 하면측에서 본 가스 확산 공간(50)의 면적이 웨이퍼(W)의 면적보다 작은 샤워 헤드(5)를 이용하는 것에 의해서, 치환 가스에 의한 반응 가스의 치환을 단시간에 실행할 수 있다.

도 6은 가스 공급 영역(51) 부분을 제거한 상태에서, 샤워 헤드(5)를 하면측에서 본 평면도를 도시하고 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 가스 확산 공간(50)의 평면 형상이 원형으로 되어 있을 때, 가스 확산 공간(50)의 반경을 r, 웨이퍼(W)의 반경을 R로 하면, r/R의 값은 4/15 내지 9/10의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 가스 확산 공간(50) 내의 높이는 약 3㎜ 내지 10㎜가 바람직하다. 가스 확산 공간(50)의 내부 용적은 약 150㎤ 내지 400㎤의 범위 내인 것이 매우 적합하다. 이 가스 확산 공간(50) 내에 예를 들면 약 2L/분 내지 8.8L/분의 유량으로 상기 용적의 5배 내지 22배의 양의 치환 가스를 공급함으로써, 약 0.1초 내지 0.5초 정도로 치환 조작을 종료시킬 수 있다.

여기서, 가스 확산 공간(50)의 하면 전체에 가스 공급구(511)를 마련하는 것은 필수가 아니다. 샤워 헤드(5) 내의 가스의 치환 시간이나 웨이퍼(W)에 성막되는 막의 균일성이 목표를 만족하는 범위 내에서, 예를 들면 가스 확산 공간(50)의 하면의 중앙측 영역에만 가스 공급구(511)를 마련하는 구성으로 하여도 좋다. 또한, 샤워 헤드(5)의 하면측의 부재 내를 횡방향, 외측을 향하여 연장되는 유로의 말단을 가스 공급구(511)로 함으로써, 가스 확산 공간(50)보다 외방측에 가스 공급구(511)를 개구시켜도 좋다. 또한, 도 3에 있어서는, 편의상 가스 공급 영역(51)에 마련된 가스 공급구(511)의 일부만이 도시되어 있다.

탑재대(2) 상의 웨이퍼(W)의 상면으로부터, 가스 공급 영역(51)의 가스 공급구(511)까지의 높이 t는 약 10㎜ 내지 50㎜ 정도이며, 보다 바람직하게는 약 15㎜ 내지 20㎜ 정도로 설정된다. 이 높이가 약 50㎜보다 커지면, 가스의 치환 효율이 저하한다. 이 높이가 약 10㎜보다 작아지면, 가스 공급부(4)나 샤워 헤드(5)를 마련하는 공간이 없어지거나, 처리 공간(313) 내를 가스가 흐르기 어려워지거나 한다. 또한, 상술과 같이 샤워 헤드(5)의 하면은 평탄하게 되어 있으므로, 샤워 헤드(5)는 탑재대(2)에 탑재된 웨이퍼(W)의 상면측으로부터 등거리만큼 멀어진 위치에 배치되어 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 가스 공급구(511)가 형성된 가스 공급 영역(51)의 주위에는, 가스 공급구(511)가 형성되어 있지 않은 원환 형상의 주연 영역(52)이 마련되어 있다. 이들 가스 공급 영역(51) 및 주연 영역(52)은 하나의 부재로 구성되어 있다. 또한, 샤워 헤드(5)의 주연부측에는, 하방측으로 돌출되는 환상 돌기부(53)가 샤워 헤드(5)의 둘레 방향을 따라서 형성되어 있다.

탑재대(2)를 처리 위치까지 상승시켰을 때, 환상 돌기부(53)의 하단은 탑재대(2)에 마련된 커버 부재(22)의 상면과 대향하도록 배치된다. 샤워 헤드(5)의 하면 및 환상 돌기부(53)와, 탑재대(2)의 상면에 의해서 둘러싸인 공간은 웨이퍼(W)에 대한 성막이 실행되는 처리 공간(313)이 된다.

또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 환상 돌기부(53)의 하단과, 커버 부재(22)의 굴곡부의 상면과의 사이에는 높이 h의 간극이 형성되도록 처리 위치의 높이 위치가 설정되어 있다. 상기 배기 덕트(13)의 개구부(131)는 이 간극을 향하여 개구하고 있다. 환상 돌기부(53)의 하단과 커버 부재(22)와의 간극의 높이 h는, 예를 들면 약 0.2㎜ 내지 10.0㎜, 바람직하게는 약 3.0㎜의 범위 내로 설정된다.

도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이 가스 확산 공간(50) 내에 있어서의 샤워 헤드(5)의 상면측에는, 원주 형상으로 형성된 복수 개의 전열 부재(54)가 상방측을 향하여 돌출되도록 마련되어 있다. 각 전열 부재(54)에는, 상하 방향으로 전열 부재(54)를 관통하는 나사 구멍이 형성되어 있다. 또한, 천판 부재(31)측에도 각 전열 부재(54)에 대응하는 위치에 나사 구멍이 형성된다. 각 나사 구멍에 나사(541)를 나사 결합시키는 것에 의해서, 천판 부재(31)에 대하여 샤워 헤드(5)가 체결된다.

샤워 헤드(5)를 천판 부재(31)에 체결한 상태에서 각 전열 부재(54)의 상단은 천판 부재(31)의 저면에 접하고 있다. 그 결과, 히터(324)로부터 공급되며, 지지판(32)이나 천판 부재(31)를 거쳐서 전열하는 열이, 전열 부재(54)나 나사(541)를 통하여 샤워 헤드(5)의 하면까지 전달되기 쉽게 되어 있다. 이러한 관점에 있어서, 각 전열 부재(54)는, 샤워 헤드(5)와 천판 부재(31), 지지판(32)과의 사이의 전열을 촉진하기 위해서 이들 샤워 헤드(5) 및 천판 부재(31) 사이를 연결하는 전열 부재에 상당하고 있다.

도 3 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 본 예의 샤워 헤드(5)에 있어서, 전열 부재(54)는 가스 확산 공간(50)의 중심을 2중의 환상으로 둘러싸고, 각 환의 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 합계 12개의 전열 부재(54)가 마련되어 있다. 이들 중에 4개의 전열 부재가 중앙부측에 그리고 8개의 전열 부재가 환에 마련되어 있다. 또한, 샤워 헤드(5)에 마련되는 전열 부재(54)의 수나 배치 위치는 이 예에 한정되는 것이 아니며, 샤워 헤드(5)의 온도 조정의 필요에 따라서 적절히 변경하여도 좋다.

또한, 도 3 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 가스 확산 공간(50) 내에는 9개의 가스 공급부(4)가 마련되어 있다. 1개의 가스 공급부(4)는 오목부의 중앙부에 마련되고, 8개의 가스 공급부(4)는 이 중앙부를 원환상으로 등간격으로 둘러싸도록 마련되어 있다. 8개의 가스 공급부(4)로 이루어지는 원환의 직경은 바람직한 범위가 약 150㎜ 이하이며, 본 예에서는 약 100㎜이다. 또한, 가스 확산 공간(50)의 내측 벽면으로부터 상기 원환까지의 거리 d는 약 50㎜ 내지 100㎜의 범위 내의 값으로 설정되어 있다. 여기서, 가스 확산 공간(50) 내에 마련되는 가스 공급부(4)의 개수는 9개의 경우로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 적어도 2개, 바람직하게는 3개 이상의 가스 공급부(4)가 샤워 헤드(5)의 중심을 둘러싸는 환상의 서로 멀어진 위치에 마련되어 있으면, 단시간에 샤워 헤드(5) 내에 균일하게 가스를 공급할 수 있다. 또한, 복수의 가스 공급부(4)가 마련되는 환의 형상은 원환으로 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 사각 환상으로 배치하여도 좋다.

도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 각 가스 공급부(4)는 천판 부재(31)에 체결되는 대좌부(43)와, 이 대좌부(43)의 하면측에 마련된 중공인 헤드부(41)를 구비한다. 천판 부재(31)의 하면에는, 상기 대좌부(43)가 삽입되는 오목부가 형성되어 있다. 대좌부(43)를 이 오목부 내에 끼워맞춤했을 때, 헤드부(41)가 천판 부재(31)의 하면으로부터 가스 확산 공간(50) 내로 돌출된 상태가 된다.

대좌부(43)에는 나사 구멍(431)이 형성되어 있다. 상기 나사 구멍(431), 및 천판 부재(31) 측의 상기 오목부 내에 형성된 나사 구멍에 나사(435)를 나사 결합시키는 것에 의해서, 천판 부재(31)에 대하여 대좌부(43)가 체결된다.

여기서, 대좌부(43)와 천판 부재(31)와의 사이의 공간에 반응 가스가 침입하여 막이 성막된다. 대좌부(43) 및 천판 부재(31)가 서로 고착되면, 가스 공급부(4)를 분리할 때 등에 파티클이 발생하는 원인이 된다. 그래서, 본 예의 대좌부(43)는 이들 파티클의 발생을 억제할 수 있는 구성으로 되어 있다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 대좌부(43)는 천판 부재(31) 측의 오목부보다 한 사이즈 작게 형성되어 있으며, 대좌부(43)의 외주면과 천판 부재(31) 측의 오목부의 내주면과의 사이에는 예를 들면, 약 0.1㎜ 내지 1㎜ 정도의 간극(314)이 형성된다. 또한, 대좌부(43)에 있어서의 나사 구멍(431)의 상단부에는, 상부측을 향하여 돌출되는 편평한 링형상의 돌출부(432)가 돌출되어 있다. 대좌부(43)는 이 돌출부(432)의 상면측의 접촉면을 거쳐서 천판 부재(31)와 접촉한다. 대좌부(43)의 상면과, 천판 부재(31) 측의 오목부의 하면과의 사이에도 측면측과 동일한 정도의 간극(314)이 형성된다.

또한, 대좌부(43)에는, 대좌부(43)를 상하 방향으로 관통하도록, 천판 부재(31)에 형성되어 있는 후술의 가스 공급로(312)에 연통하는 가스로(434)가 형성되어 있다. 가스로(434)의 상단측의 개구부의 주위에는, 가스 공급로(312)와 가스로(434)를 기밀하게 접속하는 패킹 부재인 O링(433)이 마련되어 있다.

그 결과, 대좌부(43)는 상기 돌출부(432)의 상면측 및 O링(433)을 통해서만 천판 부재(31)와의 접촉으로 한정된다. 그 이외의 부분에서, 대좌부(43)와 천판 부재(31)와의 사이에 비교적 큰 간극(314)이 형성되게 된다. 따라서, 대좌부(43)와 천판 부재(31)에 반응 가스 및 클리닝 가스가 진입하여, 막이 형성되어도, 대좌부(43)와 천판 부재(31)가 서로 고착되기 어려워진다. 따라서, 가스 공급부(4)의 분리시 등에 파티클의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 천판 부재(31)에 접촉하는 부분이 돌출부(432)의 상면측의 접촉면, 및 O링(433)으로 한정되며, 이들 접촉 부분은 반응 가스가 진입하는 위치로부터 먼 대좌부(43)의 상면측에 마련되어 있다. 이 때문에, 돌출부(432)의 O링(433)과 천판 부재(31) 사이 또는 접촉면과 O링(433)의 사이의 공간에 반응 가스가 진입하기 어렵다. 공간에 반응 가스가 진입했다고 하여도 그 면적이 작기 때문에, 가스 공급부(4)의 분리 등에 있어서 파티클의 발생을 억제할 수 있다.

헤드부(41)는 가스로(434)의 하단측의 개구부를 대좌부(43)의 하면측에서 덮도록 마련되며, 예를 들면 직경이 약 8㎜ 내지 20㎜의 범위 내의 예를 들면 20㎜의 편평한 원통 형상의 커버이다. 헤드부(41)의 측면에는, 둘레 방향을 따라서 일정한 간격을 두고 마련된 복수의 가스 토출구(42)가 형성되어 있다. 각 헤드부(41)에 대하여 가스 토출구(42)는 예를 들면 3개 이상 마련하는 것이 바람직하며, 본 예에서는 12개 마련되어 있다. 또한, 헤드부(41)의 하면에는 가스 토출구(42)가 마련되어 있지 않다. 따라서, 헤드부(41) 내에 유입한 가스는 각 가스 토출구(42)로부터 횡방향을 향하여 균일하게 퍼지도록 토출된다.

상술한 바와 같이, 가스 공급부(4)는 둘레 방향을 향하여 균일하게 가스를 퍼지게 할 수 있도록 구성되어 있다 가스 공급부(4)의 가스 토출구(42)로부터 토출된 가스가 샤워 헤드(5) 내에 충분히 퍼지고 나서 가스 공급구(511)를 거쳐서 처리 공간(313)에 가스가 공급되는 것에 의해서, 탑재대(2) 상의 웨이퍼(W)의 표면에 균일하게 가스가 공급된다.

또한, 가스의 토출 방향은 가스 공급부(4)의 설치 각도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 따라서, 가스의 흐름을 제어함으로써 웨이퍼의 막 두께의 소망의 분포를 얻을 수 있다.

가스 공급부(4)가 마련된 천판 부재(31)에는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 각 가스 공급부(4)에 가스를 공급하기 위한 가스 공급로(312)가 형성되어 있다. 이들 가스 공급로(312)는 천판 부재(31)와 지지판(32)의 하면과의 사이에 형성된 가스 확산부(311)에 접속되어 있다.

지지판(32)에는, 상기 가스 확산부(311)에 암모니아 가스 및 치환용의 질소 가스를 공급하기 위한 암모니아 공급로(321), 및 가스 확산부(311)에 염화 티탄 가스 및 치환용의 질소 가스를 공급하기 위한 염화 티탄 공급로(322)가 형성되어 있다. 암모니아 공급로(321) 및 염화 티탄 공급로(322)는, 배관을 거쳐서 암모니아 가스 공급부(62) 및 염화 티탄 가스 공급부(64)에 접속되어 있다. 각 배관은 질소 가스 공급부(61 또는 63)에 분기 및 접속되어 있다. 각 배관에는, 가스 공급을 허용 및 차단하는 개폐 밸브(602)와, 가스 공급량의 조정을 실행하는 유량 조정부(601)가 마련되어 있다. 또한, 도시의 편의상 도 1에 있어서는 질소 가스 공급부(61, 63)를 각각 도시했지만, 이들은 공통의 질소 공급원을 이용하여도 좋다.

이상에 설명한 구성을 구비한 성막 장치는 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이 제어부(7)와 접속되어 있다. 제어부(7)는 예를 들면 도시하지 않은 CPU와 기억부를 구비한 컴퓨터를 포함한다. 기억부에는 성막 장치의 작용, 즉 탑재대(2) 상에 탑재된 웨이퍼(W)를 처리 위치까지 상승시켜, 처리 공간(313) 내에 미리 결정된 순번으로 반응 가스 및 치환용의 가스를 공급하여 TiN의 성막을 실행하고, 성막이 실행된 웨이퍼(W)를 반출할 때까지의 제어에 대한 스텝(명령)군이 조합된 프로그램이 기록되어 있다. 이 프로그램은, 예를 들면 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 마그넷 옵티컬 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되며, 그곳에서 컴퓨터에 인스톨된다.

계속해서, 본 성막 장치의 작용에 대하여 도 7 및 도 8을 참조하면서 설명한다. 우선, 미리 처리실(1) 내를 진공 분위기로 감압한 후, 탑재대(2)를 수수 위치까지 강하시킨다. 그리고, 게이트 밸브(12)를 개방하여, 반입·반출구(11)와 접속된 진공 반송실에 마련된 웨이퍼 반송 기구의 반송 아암을 진입시켜, 지지 핀(25)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 수수를 실행한다. 그 후, 지지 핀(25)을 강하시켜, 히터(21)에 의해서 상술의 성막 온도로 가열된 탑재대(2) 상에 웨이퍼(W)를 탑재한다.

이어서, 게이트 밸브(12)를 폐쇄하고, 탑재대(2)를 처리 위치까지 상승시킨다. 다음에, 처리실(1) 내의 압력 조정을 실행한 후, 염화 티탄 가스 공급부(64)로부터 염화 티탄 가스를 공급한다(도 7). 공급된 염화 티탄 가스는 염화 티탄 공급로(322)→가스 확산부(311)→가스 공급로(312)를 거쳐서 각 가스 공급부(4)에 유입한다.

가스 공급부(4) 내에 유입한 염화 티탄 가스는 가스 토출구(42)를 거쳐서 샤워 헤드(5)의 가스 확산 공간(50) 내에 유입되며, 또한 가스 공급 영역(51)에 형성된 가스 공급구(511)를 거쳐서 처리 공간(313) 내에 공급된다.

가스 공급구(511)로부터 공급된 염화 티탄 가스는 처리 공간(313) 내를 강하하여, 탑재대(2) 상의 웨이퍼(W)에 도달한다. 염화 티탄 가스의 일부는 웨이퍼(W)에 흡착한다. 남는 염화 티탄 가스는 일부가 웨이퍼(W)의 표면에 흡착하면서 웨이퍼(W)의 표면을 따라서 직경 방향으로 방사상으로 퍼진다.

처리 공간(313) 내를 흐른 후에 환상 돌기부(53)의 하단과 커버 부재(22)와의 사이의 간극에 도달한 염화 티탄 가스는 상기 간극으로부터 상기 처리 공간(313)의 외부로 유출된 후, 배기 덕트(13)를 거쳐서 외부로 배출된다.

상술의 가스 흐름에 있어서, 샤워 헤드(5)의 주연부에 환상 돌기부(53)가 마련되며, 탑재대(2)(커버 부재(22))와 환상 돌기부(53)와의 사이의 간극의 높이가 적절히 설정되어 있는 것에 의해, 처리 공간(313)으로부터 배기 덕트(13)를 향하여 가스가 흐를 때의 압력 손실이 조정된다. 그 결과, 웨이퍼(W)에 흡착하는데 충분한 시간만큼 각 반응 가스를 처리 공간(313)에 체류시킨 후, 상기 간극이 형성되어 있는 둘레 방향 외측을 향하여 반응 가스를 균등하게 배출할 수 있다.

다음에, 염화 티탄 가스의 공급을 정지하는 동시에, 질소 가스 공급부(63)로부터 치환용의 가스인 질소 가스를 공급한다(도 7). 질소 가스는 염화 티탄 가스와 동일한 경로를 통과하여 처리 공간(313) 내에 공급된다. 상기 경로 및 처리 공간(313) 내에 존재하는 염화 티탄 가스가 질소 가스로 치환된다.

이렇게 하여, 소정 시간 질소 가스의 공급을 실행하고, 가스의 치환을 실행하면, 질소 가스의 공급을 정지하고, 암모니아 가스 공급부(62)로부터 암모니아 가스를 공급한다(도 8). 공급된 암모니아 가스는 암모니아 공급로(321)→가스 확산부(311)→가스 공급로(312)를 거쳐서 각 가스 공급부(4)로 유입한다. 그리고, 가스 공급부(4)로부터 샤워 헤드(5) 내에 토출된 암모니아 가스는 염화 티탄의 경우와 동일한 흐름을 형성하며, 처리 공간(313) 내에 공급된다.

처리 공간(313) 내를 흐르는 암모니아 가스가 웨이퍼(W)의 표면에 도달하면, 먼저 웨이퍼(W)에 흡착되어 있는 염화 티탄 가스의 성분을 질화하여 질화 티탄이 형성된다. 그 후, 가스 공급로(312)에 공급되는 가스를 질소 가스 공급부(61)로부터의 치환용의 질소 가스로 전환하고, 암모니아 가스의 공급 경로 및 처리 공간(313) 내에 존재하는 암모니아 가스를 질소 가스로 치환한다(도 8).

이와 같이 하여, 염화 티탄 가스→질소 가스→암모니아 가스→질소 가스의 순번으로 반응 가스(염화 티탄 가스 및 암모니아 가스)와 치환용의 가스(질소 가스)를 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 표면에 질화 티탄(TiN)의 분자층이 적층된다. 따라서, 질화 티탄의 막이 웨이퍼(W)의 표면에 성막된다.

이후에, 이들 반응 가스나 치환용의 가스의 공급시에 있어서의 가스 공급부(4) 및 샤워 헤드(5)의 작용을 설명한다. 우선, 가스 공급로(312)로부터 가스 공급부(4)에 공급된 가스는, 헤드부(41)의 둘레 방향을 따라서 간격을 두고 마련된 복수의 가스 토출구(42)로부터, 횡방향으로 퍼지도록 샤워 헤드(5) 내의 공간에 토출된다. 가스 토출구(42)로부터 토출된 가스는 샤워 헤드(5) 내에서 하방측을 향하여 흐름을 변경하여, 가스 확산 공간(50)에 도달한다. 가스 확산 공간(50)에 도달한 가스는, 각 가스 공급구(511)를 거쳐서, 처리 공간(313) 내에 균일하게 공급된다(도 6 내지 도 8 참조).

가스 공급부(4)로부터 토출된 가스의 유속이 샤워 헤드(5)의 내부에서 충분히 저하된다. 저하된 유속을 갖는 가스가 다수의 가스 공급구(511)를 거쳐서 분산된다. 따라서, 각 가스 공급구(511)로부터 토출되는 반응 가스(염화 티탄 가스 또는 암모니아 가스)의 유속이 작아진다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 표면에 도달할 때의 반응 가스의 유속이 낮아져, 막 두께의 면내 균일성이 향상된다.

한편, 치환용의 가스(질소 가스)의 공급시에는, 하면측에서 본 가스 확산 공간(50)의 면적이 웨이퍼(W)의 면적보다 작은 소형의 샤워 헤드(5)를 이용하는 것에 의해, 샤워 헤드(5) 내의 용적이 작으므로 가스를 치환하는 조작에 필요로 하는 시간이 짧다.

또한, ALD에 이용되는 반응 가스는 각각 다른 유동성을 갖고 있다. 예를 들면 염화 티탄은 좁은 유로에도 퍼지기 쉬운 특징을 갖고 있는 한편, 암모니아 가스는 염화 티탄에 비해 퍼지기 어렵다. 이때, 탑재대(2) 상의 웨이퍼(W)에 대향하는 샤워 헤드(5)의 하면이 평탄하게 되어 있으며, 웨이퍼(W)의 상면으로부터 샤워 헤드(5)의 하면까지의 거리가 일정하게 되어 있으므로, 반응 가스는 그 유동성의 차이에 의하지 않으며, 높이 치수가 균일한 처리 공간(313) 내에 균일하게 퍼질 수 있다. 그 결과, 웨이퍼(W)에 성막되는 막의 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

또한, 샤워 헤드(5)의 하면은 지지판(32)의 상면측에 마련된 히터(324)에 의해 가열되어 있을 뿐만 아니라, 탑재대(2)에 마련된 히터(21)에 의해서 가열되어 있는 웨이퍼(W)측으로부터의 복사에 의해도 온도가 상승한다. 따라서, 웨이퍼(W) 표면에 있어서의 반응 가스끼리의 반응은 히터(21)에 의한 가열 뿐만 아니라 샤워 헤드(5)의 온도 상태의 영향도 받는다.

이때 상술과 같이, 웨이퍼(W)의 상면과 샤워 헤드(5)의 하면과의 거리가 일정하게 되어 있는 것에 의해, 웨이퍼(W)가 샤워 헤드(5)측으로부터 받는 열의 영향이 웨이퍼(W)의 면내에서 균일하게 된다. 따라서, 막의 특성(예를 들면 후술의 비저항)을 웨이퍼(W)의 면내에서 균일하게 하는 효과가 발휘된다. 또한, 상술과 같이, 전열을 촉진하기 위한 전열 부재(54)가 샤워 헤드(5)의 가스 확산 공간(50) 내에 분산되는 것에 의해, 샤워 헤드(5)의 하면의 온도 분포가 더욱 균일하게 된다. 따라서, 웨이퍼(W)에 주는 열의 영향을 웨이퍼(W)의 면내에서 균일화할 수 있다.

이렇게 하여 염화 티탄 가스의 공급과 암모니아 가스의 공급을 예를 들면 수십회 내지 수백회 반복하여, 소망의 막 두께의 질화 티탄의 막을 성막하면, 치환용의 질소 가스를 공급하여 최후의 암모니아 가스를 배출한 후, 탑재대(2)를 수수 위치까지 강하시킨다. 그리고, 게이트 밸브(12)를 개방하고 반송 아암을 진입시켜, 반입시와는 역의 수순으로 지지 핀(25)으로부터 반송 아암에 웨이퍼(W)를 수수한다. 다음에, 성막 후의 웨이퍼(W)를 반출시킨 후, 다음의 웨이퍼(W)의 반입을 기다린다.

본 실시형태에 따른 성막 장치에 의하면 이하의 효과가 있다. 성막 대상의 웨이퍼(W)보다 면적이 작은 가스 확산 공간(50)을 갖는 샤워 헤드(5)를 이용하고, 이 샤워 헤드(5)의 내측에 복수의 가스 공급부(4)를 마련하고 있으므로, 반응 가스와 치환용의 가스의 치환을 단시간에 실행할 수 있다. 또한, 각 가스 공급부(4)에는, 각각 횡방향으로 가스를 퍼지게 하도록 둘레 방향을 따라서 가스 토출구(42)가 형성되어 있다. 반응 가스는 흐름 방향을 변경하고 나서 샤워 헤드(5)의 하면에 마련된 가스 공급구(511)를 빠져나간다. 따라서, 샤워 헤드의 전체 면으로부터 균일하게 반응 가스가 공급되어, 웨이퍼(W)에 성막되는 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

샤워 헤드(5) 내에 있어서의 가스 공급부(4)의 배치는, 도 5에 도시한 바와 같이 하나의 가스 공급부(4)가 중앙에 마련되고 복수의 가스 공급부(4)가 중앙의 가스 공급부(4)의 주위에 원환상으로 배치되는 예로 한정되지 않는다. 예를 들면 격자 형상으로 가스 공급부(4)를 배치하여도 좋다.

또한, 샤워 헤드(5)의 하면으로부터 각 가스 공급부(4)의 하단부를 관통시켜, 이들 가스 공급부(4)에 의해서 샤워 헤드(5)를 지지하는 구조로 함으로써, 가스 확산 공간(50)의 높이 치수를 더욱 작게 한다. 따라서, 반응 가스의 치환성을 향상시킬 수 있다.

이 외에, 가스 공급부(4)의 헤드부(41)에 마련된 가스 토출구(42)의 구성은 도 4에 예시한 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 헤드부(41)의 측면의 둘레 방향으로 연장되는 하나의 슬릿을 형성하여도 좋고, 이 슬릿을 그물눈 형상의 부재로 덮은 구성으로 하여도 좋다. 또한, 가스 공급부(4)에 헤드부(41)를 마련하는 것도 필수의 요건은 아니다. 예를 들면, 가스 공급로(312)로부터 토출되는 가스가 선회류를 형성하면서 샤워 헤드(5) 내에 토출되도록 나선 형상의 유로 등에 의해 가스 공급로(312)를 형성하여도 좋다. 이 경우에 있어서 선회류를 형성하면서 토출된 가스는 샤워 헤드(5) 내에 횡방향으로 퍼진다. 가스의 유속이 저하된 후, 가스 공급구(512)로부터 처리 공간(313)으로 가스가 균일하게 공급된다.

또한, 본 발명의 성막 장치에서는, 상술의 TiN 막의 성막 이외에, 금속 원소, 예를 들면 주기표의 제 3 주기의 원소인 Al, Si 등, 주기표의 제 4 주기의 원소인 Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge 등, 주기표의 제 5 주기의 원소인 Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag 등, 주기표의 제 6 주기의 원소인 Ba, Hf, Ta, W, Re, lr, Pt 등의 원소를 포함한 막을 성막하여도 좋다. 이들 금속 원소의 유기 금속 화합물이나 무기 금속 화합물을 반응 가스(원료 가스)로 이용할 수 있다. 웨이퍼(W) 표면에 흡착시키는 금속 원료로서는, TiCl₄ 이외에, 예를 들면 BTBAS(비스터셔리부틸아미노실란(Bis tertiarybutylamino Silane)), DCS(디클로로실란(dichlorosilane)), HCD(헥사클로로디실란(hexachlorodisilane)), TMA(트리메틸 알루미늄(Trimethyl Aluminum)), 3DMAS(트리스디메틸아미노실란(Tris dimethylaminosilane)) 등을 들 수 있다.

또한, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 원료 가스를 반응시켜서, 소망의 막을 얻는 반응에는, 예를 들면 O₂, O₃, H₂O 등을 이용한 산화 반응, H₂, HCOOH, CH₃COOH 등의 유기산, CH₃OH, C₂H₅OH 등의 알코올류 등을 이용한 환원 반응, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₂H₂ 등을 이용한 탄화 반응, NH₃, NH₂NH₂, N₂ 등을 이용한 질화 반응 등의 각종 반응을 이용하여도 좋다.

또한, 반응 가스로서, 3종류의 반응 가스나 4종류의 반응 가스를 이용하여도 좋다. 예를 들면 3종류의 반응 가스를 이용하는 경우의 예로서는, 티탄스트론튬 산화물(SrTiO₃)을 성막하는 경우가 있다. 예를 들면 Sr 원료인 Sr(THD)₂(스트론튬 테트라메틸헵탄디오네이트(Strontium tetramethylheptanedionate))와, Ti 원료인 Ti(OiPr)₂(THD)₂(티타늄 비스 이소프로폭사이드비스테트라메틸헵탄디오네이트(titanium bis isoproxide bis tetramethylheptanedionate))와, 이들 산화 가스인 오존 가스가 이용된다. 이 경우에는, Sr 원료 가스→치환용의 가스→산화 가스→치환용의 가스→Ti 원료 가스→치환용의 가스→산화 가스→치환용의 가스의 순서로 가스가 전환된다. 또한, 성막 처리를 실행하는 기판으로서 원형의 웨이퍼(W)에 대해 설명했지만, 예를 들면 직사각형의 유리 기판(LCD용 기판)에 대하여 본 발명을 적용하여도 좋다.

[실험예]

(실험 1)

상이한 성막 장치를 이용하여 웨이퍼(W)에 염화 티탄 가스와 암모니아 가스를 교대로 공급하여, ALD법에 의해 성막한 TiN 막의 특성을 조사했다.

A. 실험 조건

(실험예 1-1)

도 1 내지 도 6을 이용하여 설명한 구성을 구비하는 성막 장치에 의해, 반응 가스 및 치환용의 가스를, 염화 티탄 가스→질소 가스→암모니아 가스→질소 가스의 순서로 공급하는 182 사이클을 실행하여, 성막된 TiN 막의 비저항(시트 저항) 및 막 두께를 측정했다. 웨이퍼(W)의 가열 온도는 440℃로 설정했다.

(참고예 1-1)

도 9에 도시하는 성막 장치를 이용하여, 실험예 1-1과 동일한 조건으로 TiN 막을 성막했다. 이후에, 도 9의 성막 장치에 대하여 설명한다. 중앙측으로부터 외주측을 향하여 끝이 넓어지는 형상의 경사면(310)이 형성된 천판 부재(31a)의 중앙부에, 직경이 200㎜인 샤워 헤드(5a)를 마련한다. 또한, 각각 가스 토출구(42)를 구비한 8개의 가스 공급부(4a)를 도 6에 도시한 예와 샤워 헤드(5a) 내측에 배치했다. 중앙부의 가스 공급부(4a)의 직경은 15㎜이며, 원환상으로 배치된 가스 공급부(4a)의 직경은 10㎜이다. 또한, 8개의 가스 공급부(4a)로 이루어지는 원환의 직경은 100㎜이다. 샤워 헤드(5a)의 저면측에 형성된 가스 공급구(511)에서 뿐만 아니라 측면에 형성된 가스 공급구(521)를 거쳐서 처리 공간(313) 내에 가스가 공급된다. 또한, 도 9에 있어서 도 1 내지 도 6에 도시한 성막 장치와 공통의 구성 요소에는, 이들 도면에서 이용한 것과 동일한 도면부호를 부여하고 있다.

B. 실험 결과

도 10에 웨이퍼(W) 면내에 있어서의 정규화된 비저항의 분포를 도시한다. 도 11에 정규화된 막 두께의 분포를 도시한다. 도 10 및 도 11에서, 횡축은 웨이퍼(W)의 직경 방향의 위치를 나타내며, 종축은 각 위치에 있어서의 비저항 또는 막 두께의 측정 결과를 정규화한 값을 나타내고 있다. 도 10 및 도 11에서, 실선이 실험예 1-1의 결과를 나타내고, 파선이 참고예 1-1의 결과를 나타내고 있다. 정규화 데이터는, 비저항 및 막 두께의 각 값의 측정 결과에서, 웨이퍼(W) 면내에 있어서의 이들 값의 평균값을 빼는 것에 의해 구했다.

도 10에 도시되는 바와 같이, 웨이퍼(W)에 성막된 TiN 막의 비저항은 실험예 1-1에서 웨이퍼(W)의 중앙부측이 높고 웨이퍼(W)의 주연부측이 낮으며, 비저항의 면내 균일성은 참고예 1-1에 비해 실험예 1-1에서 향상되어 있다. 또한, 「(표준 편차(σ)/(평균값 Ave)×100」으로 나타나는 유니포미티(uniformity)의 값으로 비교하면, 참고예 1-1은 5.3[%]인데 반하여, 실험예 1-1은 2.6[%]이 되어, 실험예 1-1에서 면내 균일성이 향상된 것을 의미한다.

또한, 도 11에 도시하는 바와 같이, 막 두께의 비교에 의하면, 웨이퍼(W)의 중앙부의 주위의 막 두께가 두껍고, 웨이퍼(W)의 외주측의 막 두께가 얇게 되어, 참고예 1-1에 비해 실험예 1-1은 막 두께의 관점에서도 면내 균일성이 향상되어 있다. 또한, 상술의 유니포미티의 값으로 비교하면, 참고예 1-1은 1.2[%]인데 비하여, 실험예 1-1은 1.6[%]이다. 면내 균일성의 값으로서는 2% 이하로 동등하지만, 면내에서 막 두께의 증감이 적고 실험예 1-1에서 디바이스 특성에 영향이 나오기 어렵다는 평가 결과를 얻고 있다.

도 9에 도시한 참고예에 따른 성막 장치에 비하여, 실험예에 따른 성막 장치를 이용하는 것에 의해서, 비저항이나 막 두께의 면내 균일성이 향상된 이유는, 경사면(310)을 구비하는 천판 부재(31a)를 이용하는 경우보다, 평탄한 하면을 갖는 천판 부재를 이용하는 경우가, 반응 가스의 유동 상태나 웨이퍼(W)의 가열 상태의 균일성이 개선된 결과가 아닌지 고려할 수 있다.

(실험 2)

실험 1의 실험예, 참고예에 따른 성막 장치에 있어서의 샤워 헤드(5, 5a)의 치환성을 비교했다.

A. 실험 조건

상술의 실험예 1-1에서, 염화 티탄 가스와 암모니아 가스 사이에 공급되는 치환용의 질소 가스의 공급 시간은 0.5초이다. 또한, 상술의 참고예 1-1에서는, 실험예 1-1과 동일한 유량의 질소 가스가 0.3초 공급되어 있다.

(비교예 2－1)

질소 가스의 공급 시간을 0.3초로 한 점 이외는 실험예 1-1과 동일한 조건으로 성막을 실행했다.

B. 실험 결과

도 12에 실험예 1-1, 참고예 1-1, 및 비교예 2-1에서 성막된 TiN 막의 막 두께의 분포를 도시한다. 횡축은 웨이퍼(W)의 직경 방향의 위치를 나타내고, 종축은 각 위치에 있어서의 막 두께를 나타내고 있다. 도 12에 있어서, 실험예 1-1은 실선, 참고예 1-1은 파선, 비교예 2-1은 일점쇄선으로 나타내고 있다.

도 12에 나타낸 비교예 2-1의 결과에 의하면, 질소 가스의 공급 시간을 참고예 1-1과 동일한 0.3초까지 짧게 하면, 웨이퍼(W)에 형성되는 TiN 막의 막 두께가 급격하게 증대했다. 이것은, 도 9의 샤워 헤드(5a)와 비교하여 가스 확산 공간(50)의 용적이 큰 샤워 헤드(5)(도 2)에서는, 질소 가스의 공급 시간이 짧으면, 반응 가스의 치환이 충분하지 않으며, 이것은 처리 공간(313) 내에서 CVD(Chemical　Vapor　Deposition) 반응이 진행되어 버렸기 때문이라고 생각할 수 있다.

한편, 실험예 1-1의 경우에서와 같이, 질소 가스의 공급 시간을 0.5초까지 길게 하면, 참고예 1-1과 동일한 정도의 평균 막 두께를 갖는 TiN 막을 성막 가능한 ALD 반응 실현할 수 있는 것이 확인되고 있다. 질소 가스의 공급 시간을 0.5초까지 길게 함으로써, 1매의 웨이퍼(W)에 성막을 실행하는데 필요한 시간은 길어진다. 그러나, 장치의 가동에 문제는 없기 때문에, 충분히 실용적인 시간이라고 평가하고 있다.

(실험 3)

도 1 내지 도 6에 도시하는 성막 장치를 이용하여 다수 매의 웨이퍼(W)를 처리할 때의 열이력의 영향을 조사했다.

A. 실험 조건

(예비 실험 3-1)

웨이퍼(W)가 탑재되는 탑재대(2) 측에 마련된 히터(21)의 온도를 변화시켰을 때의 샤워 헤드(5)의 하면의 온도 변화를 조사했다. 천판 부재(31) 측의 히터(324)의 온도는 175℃로 고정했다.

(실험예 3-1)

실험예 1-1과 동일한 조건으로 1000매의 웨이퍼(W)를 처리했을 때의 면간의 비저항의 변화를 조사했다.

B. 실험 결과

도 13에 예비 실험 3-1의 결과를 나타낸다. 도 13에서, 횡축은 시간, 종축은 샤워 헤드(5)의 하면의 복수 개소의 온도를 측정한 결과 중, 온도가 최고가 된 개소의 온도를 나타내고 있다. 또한, 도 13에는 히터(21)의 설정 온도를 그 설정 기간과 함께 병기하고 있다.

도 13에 나타낸 결과에 의하면, 탑재대(2)측 히터(21)의 설정 온도를 550℃까지 상승시켰을 경우라도, 샤워 헤드(5)의 하면의 온도는 TiN 막의 이상값이 관찰되는 200℃ 이하로 억제할 수 있었다.

도 14에는 실험예 1-1과 동일한 조건에서 1000매의 웨이퍼(W)를 처리했을 때의 TiN 막의 비저항의 변화를 나타내고 있다. 도 14에서, 횡축은 웨이퍼(W)의 처리 매수, 좌측의 종축은 면내에 있어서의 비저항의 평균값, 우측의 종축은 비저항의 1σ% 값을 나타내고 있다. 도 14에서, 비저항의 평균값은 검은색 동그라미로 도시하고, 1σ% 값은 흰색 동그라미로 도시하고 있다.

도 14의 결과에 따르면, 비저항의 평균값은 처리 매수의 증가와 함께 서서히 증가하는 경향이 보인다. 이것은, 웨이퍼(W)의 처리 매수의 증가에 따라서 열이력에 의해 샤워 헤드(5)의 온도가 상승하여, 성막이 진행되는 속도가 상승한 결과라고 고려된다. 한편, 면내 균일성을 나타내는 1σ% 값은 거의 일정한 값으로 추이하고 있다. 이것은, 하면이 평탄한 샤워 헤드(5)를 이용하는 것에 의해, 웨이퍼(W)의 처리 매수의 증가(샤워 헤드(5)의 온도 상승)에 상관없이, 각 웨이퍼(W)의 면내에서 균일한 성막 처리를 안정되게 실행할 수 있는 것을 나타내고 있다고 말할 수 있다.

(실험 4)

가스 공급부(4, 4a)의 직경의 차이가 가스의 확산 상태에 미치는 영향을 시뮬레이션했다.

A. 실험 조건

(실험예 4-1)

도 1 및 도 2에 도시하는 샤워 헤드(5)에 있어서, 가스 확산 공간(50) 내의 가스의 확산 상태를 시뮬레이션했다. 가스 공급부(4)의 직경은 약 19㎜로 했다.

(참고예 4-1)

도 9에 도시하는 샤워 헤드(5a)에 있어서 샤워 헤드(5a) 내의 가스의 확산 상태를 시뮬레이션했다. 중심부의 가스 공급부(4a)를 둘러싸는 가스 공급부(4a)의 직경은 약 8㎜로 했다.

도 15a에 실험예 4-1의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 15b에 참고예 4-1의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도면 중의 파선의 화살표는, 샤워 헤드(5, 5a)(가스 확산 공간(50)) 내에 있어서, 각 가스 공급부(4, 4a)로부터 토출된 가스가 도달한 위치를 도시하고 있다.

도 15a 및 도 15b에 도시한 시뮬레이션 결과에 의하면, 직경이 큰 가스 공급부(4)가 샤워 헤드(5) 내에 의해 균일하게 가스를 분산시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 가스 공급부(4, 4a) 부근의 가스의 흐름을 실험한 다른 시뮬레이션 결과에 의하면, 직경이 큰 가스 공급부(4)의 쪽이, 가스 공급부(4)로부터 공급된 가스가 횡방향을 흐르는 벡터가 크고, 가스 확산 공간(50) 내의 보다 넓은 영역에 균일하게 가스를 공급하는 능력을 구비하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 샤워 헤드(5)(가스 확산 공간(50)) 내에 균일하게 가스를 확산시킬 수 있는 결과, 성막 대상의 웨이퍼(W)의 표면에도 균일하게 반응 가스를 공급하여, 면내 균일성이 높은 막 두께를 갖는 TiN 막을 성막할 수 있다고 고려할 수 있다.

본 발명을 실시예를 참조하여 도시 및 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 한정된 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변경이 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 이뤄질 수 있다.

1 : 처리 용기
2 : 탑재대
5, 5a : 샤워 헤드
7 : 제어부
31 : 천판 부재
41 : 헤드부
42 : 가스 토출구
43 : 대좌부
50 : 확산 공간
53 : 환상 돌기부
54 : 전열 부재
313 : 처리 공간
432 : 돌출부
433 : O링
511 : 가스 공급구
W : 웨이퍼

Claims

진공 분위기인 처리실 내의 기판에 대하여 서로 반응하는 복수 종류의 반응 가스를 순번으로 공급하고, 하나의 반응 가스의 공급과 다음의 반응 가스의 공급 사이에 치환용의 가스를 공급하여 성막 처리를 실행하는 성막 장치에 있어서,
상기 처리실에 마련되며, 기판이 탑재되도록 구성된 탑재부와;
상기 탑재부에 대향하는 평탄한 면을 구비하고, 또한 복수의 가스 공급구를 포함하는 샤워 헤드와;
상기 가스 공급구가 형성된 영역을 둘러싸고 하방측으로 돌출되도록 상기 샤워 헤드에 마련된 환상 돌기부로서, 상기 탑재부의 기판 탑재 영역의 외방측에서, 상기 탑재부의 상면과 상기 환상 돌기부 사이에 간극을 형성하도록 배치된, 상기 환상 돌기부와;
상기 샤워 헤드의 상방측에 형성된 천정부에 마련된 복수의 가스 공급부로서, 각각의 가스 공급부는 둘레 방향을 따라서 형성된 가스 토출구를 포함하며, 상기 가스 토출구는 상기 샤워 헤드와 상기 천정부에 의해 둘러싸인 확산 공간에 횡방향으로 가스를 퍼지게 하도록 구성되어 있는, 상기 복수의 가스 공급부와;
상기 처리실을 진공배기시키도록 구성된 배기부를 포함하며,
각각의 가스 공급부는,
가스로가 형성된 대좌부로서, 상기 가스로는 패킹 부재를 거쳐서 상기 천정부에 형성된 가스 공급로와 연통되며, 상기 대좌부는 상기 천정부에 나사 고정되는, 상기 대좌부와,
상기 가스로로부터 유입한 가스가 확산하는 공간을 형성하고, 그 측주면에 상기 가스 토출구가 형성된 헤드부를 구비하며,
상기 대좌부는 상기 패킹 부재와, 상기 천정부와 접촉하는 돌출부를 거쳐서 상기 천정부와 접촉하며, 다른 영역에 있어서는 상기 대좌부와 상기 천정부 사이에 간극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
성막 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가스 토출구는, 평면에서 보았을 때 상기 샤워 헤드의 중앙부측과 주연부측을 향하여 가스가 퍼지게 하는 위치에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
성막 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 가스 공급부는 상기 샤워 헤드의 중심을 둘러싸는 원환상의 서로 멀어진 3개 이상의 위치에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
성막 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 천정부를 거쳐서 상기 샤워 헤드의 온도를 조정하기 위한 온도 조정부와,
상기 확산 공간 내에 마련되며, 상기 샤워 헤드와 상기 천정부와의 사이의 전열을 촉진하기 위해서 상기 샤워 헤드와 상기 천정부를 연결하는 전열 부재를 더 구비하며,
상기 샤워 헤드와 상기 천정부는 별개의 부재인 것을 특징으로 하는
성막 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 샤워 헤드의 면은 상기 가스 공급구가 형성되는 내측 영역과, 그 외측 영역을 포함하며, 상기 내측 영역 및 상기 외측 영역은 서로 동일 평면인 것을 특징으로 하는
성막 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 확산 공간은, 평면에서 보았을 때 상기 확산 공간의 외연이 상기 탑재부에 탑재된 기판의 외연보다 내측에 위치되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는
성막 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 기판이 원판이고, 상기 확산 공간을 평면에서 보았을 때 원형이며, 상기 확산 공간의 반경 대 상기 원판의 반경의 비가 4/15 내지 9/10의 범위 내인 것을 특징으로 하는
성막 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 가스 공급부는, 그 측주면에 상기 가스 토출구가 형성되며, 직경이 8㎜ 내지 20㎜인 범위의 원통 형상의 헤드부를 구비하는 것을 특징으로 하는
성막 장치.