KR101814243B1 - 반응관, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명은 가스 공급 효율을 높일 수 있는 구조를 제공한다. 내부에서 소정의 원료 가스를 반응시켜서 복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하는 구조이며, 상기 반응관은, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고, 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 상기 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 가지고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 영역에 위치하는, 이너 튜브를 갖는다.

Description

반응관, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법{REACTION TUBE, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS, AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 디바이스의 제조 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이며, 특히, 기판(웨이퍼) 위에 금속막을 형성하는 공정을 구비하는 반응관, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치(디바이스)를 제조하는 기판 처리 장치의 하나로서, 기판으로서의 반도체 웨이퍼를 복수매 적층하여 처리하는 뱃치식 종형 기판 처리 장치가 있다. 이 뱃치식 종형 기판 처리 장치에서는, 소정 매수의 웨이퍼가 소정의 간격(웨이퍼 적층 간격 피치)을 두고 기판 보유 지지구로서의 보트에 복수단으로 보유 지지되고, 웨이퍼를 보유 지지한 보트가 반응실을 형성하는 반응관에 반출입됨으로써 기판 처리 프로세스를 행하도록 구성되는 것이 일반적이다. 여기서, 웨이퍼 적층 간격 피치와, 웨이퍼 외측 테두리와 반응관 내벽의 거리(갭)의 비율이 큰 경우, 원료가 적극적으로 웨이퍼 위로 흐르지 않아, 원료가 불필요하게 소비되어버려, 성막 비용의 증대를 초래해버린다는 문제가 있었다. 또한, 상술한 바와 같은 문제는, 최근의 기판 직경의 증대에 수반해서 현저해지므로, 조속히 해결 수단을 강구할 필요가 있다. 이러한 문제의 해결 수단으로서 예를 들어, 특허문헌 1에 기재되어 있는 방법이 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술은, 가스의 공급 유량을 컨트롤러에 의해 유량 제어함으로써 성막 비용의 증대를 방지하는 기술이며, 상술한 장치 구성에 의한 과제에 대해서는 검토되어 있지 않다.
또한, 종형의 기판 처리 장치에서는, 가스 공급(가스 치환)이나 진공 배기를 최대한 신속하게 행할 것도 요구되고 있다.
일본 특허 공개 제2013-225660호 공보
본 발명은 가스 공급 효율을 높일 수 있는 구조를 제공한다
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 형태에 의하면, 내부에서 소정의 원료 가스를 반응시켜서 복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하는 반응관으로서, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고, 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 상기 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 가지고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 영역에 위치하는, 이너 튜브를 포함하는 구조가 제공된다.
본 발명에 따르면, 가스 공급 효율을 높이면서, 진공 배기 효율도 좋고, 처리 기판의 면내, 면간에서의 막 두께, 막질, 전기 특성의 균일성도 좋은 반응실 구조를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(101)의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 처리 로(202)의 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 제어 플로우를 도시하는 도면이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시 형태에서의 이너 튜브, 아우터 튜브를 투과한 반응관을 도시하는 도면이다. 도 4의 (b)는 도 4의 (a)에 노즐, 웨이퍼, 단열판을 설치한 경우의 반응관을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이너 튜브의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 처리 가스가 슬릿을 지나, 배기관으로부터 배출되는 모습을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 흘러 떨어지는 가스의 유속과 하부 개구의 관계를 도시하는 도면이다.
도 8은 일반적인 뱃치식 종형 기판 처리 장치를 도시하는 개략도이다.
기판 처리 장치로서의 뱃치식 종형 기판 처리 장치를 도 8을 사용하여 설명한다. 반응 로는, 반응관을 갖고, 이 반응관에 의해 형성되는 반응실(처리실) 내에 기판 보유 지지구로서의 보트(B)가 삽입된다. 보트(B)는, 복수매의 기판으로서의 반도체 웨이퍼(실리콘 웨이퍼)를 대략 수평 상태에서 간극(기판 피치 간격)(P)을 두고 복수단으로 보유 지지하도록 구성되어 있다. 또한, 반도체 웨이퍼의 주연부와 반응관의 내벽의 거리를 갭(G)으로서 나타내고 있다. 도 8에서, 가스 공급 노즐을 A, 가스의 흐름을 화살표 Y, 웨이퍼가 보유 지지되어 있는 영역(W)과 그 영역의 하부의 단열 영역(D), 가스 배기관(H)으로 나타내고 있다. 단일관 구조의 반응 로(원료 가스 가로 분출, 하방 배기, 도 8 참조)에서는, 웨이퍼 적층 간격 피치(P)와 웨이퍼 외측 테두리와 반응관 내벽의 거리 갭(G)의 비율(G/P)이 크기 때문에, 원료 가스는, 적극적으로 웨이퍼 위로 수송되지 않아, 원료 가스를 불필요하게 사용할 우려가 있다. 또한, 단일관 구조의 반응 로에서는, 복수단으로 배치된 복수의 웨이퍼 중, 상단(a)에 비해 하단(b)에 배치된 웨이퍼 위에 형성된 막이 더 모폴로지(막질)가 나쁘고, Rs(시트 저항값)가 높은 경향으로 되어 막 두께의 웨이퍼 면내 균일성이 나쁘다. 이에 반해, 원료 가스 공급 이벤트에 있어서, 반응실 내로의 원료 가스 공급과 진공 배기를 촘촘히 반복함으로써 막질이 개선되고, 복수단으로 배치된 웨이퍼의 상하 Rs값도 정렬되는 방향으로 된다. 이로부터, 다음의 메커니즘을 추정할 수 있다.
즉, 원료 가스 공급 시에는, 동시에 웨이퍼 위에 부생성물이 생성된다. 단일관 구조의 반응 로에 있어서 원료 가스 공급시에 진공 배기를 사이에 넣지 않는 경우, 이 부생성물의 농도가 복수단으로 배치된 웨이퍼의 상단에서부터 하단에 걸쳐서 높아지기 때문에, 하단에서 막질이 악화되고, Rs도 높아진다. 원료 가스 공급시에 진공 배기를 사이에 두면, 상하의 모폴로지와 Rs 분포가 개선되기 때문에, 부생성물이 영향을 주고 있는 것이 분명하다.
<본 발명의 일 실시 형태>
이하에, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
먼저, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(101)의 구성에 대해서, 도 1, 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(101)의 개략 구성도이다. 도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 처리 로(202)의 측면 단면도이다. 또한, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(101)는, 예를 들어 웨이퍼 등의 기판에 산화, 확산 처리, 박막 형성 처리 등을 행하는 종형의 장치로서 구성되어 있다.
(전체 구성)
도 1에 도시한 바와 같이, 기판 처리 장치(101)는, 뱃치식 종형 열처리 장치로서 구성되어 있다. 기판 처리 장치(101)는, 내부에 처리 로(202) 등의 주요부가 설치되는 하우징(111)을 구비하고 있다. 하우징(111) 내로의 기판 반송 용기(웨이퍼 캐리어)로서는, 포드(FOUP(후프)라고도 함)(110)가 사용된다. 포드(110) 내에는, 실리콘(Si) 또는 탄화실리콘(SiC) 등으로 구성된 기판으로서의 웨이퍼(기판)(200)가, 예를 들어 25매 수납되도록 구성되어 있다. 하우징(111)의 정면측에는, 포드 스테이지(114)가 배치되어 있다. 포드(110)는, 덮개가 폐쇄된 상태에서 포드 스테이지(114) 위에 적재되도록 구성되어 있다.
하우징(111) 내의 정면측(도 1의 우측)이며 포드 스테이지(114)에 대향하는 위치에는, 포드 반송 장치(118)가 설치되어 있다. 포드 반송 장치(118)의 근방에는, 포드 적재 선반(105) 및 도시하지 않은 포드 오프너 및 웨이퍼 매수 검출기가 설치되어 있다. 포드 적재 선반(105)은, 포드 오프너의 상방에 배치되어, 포드(110)를 복수개 적재한 상태에서 보유 지지하도록 구성되어 있다. 웨이퍼 매수 검출기는, 포드 오프너에 인접하여 설치된다. 포드 반송 장치(118)는, 포드를 보유 지지한 채 승강 가능한 포드 엘리베이터(118a)와, 반송 기구로서의 포드 반송 기구(118b)로 구성되어 있다. 포드 반송 장치(118)는, 포드 엘리베이터(118a)와 포드 반송 기구(118b)의 연속 동작에 의해, 포드 스테이지(114)와 포드 적재 선반(105)과 포드 오프너의 사이에서 포드(110)를 반송하도록 구성되어 있다. 포드 오프너는, 포드(110)의 덮개를 열도록 구성되어 있다. 웨이퍼 매수 검출기는, 덮개가 열린 포드(110) 내의 웨이퍼(200)의 매수를 검지하도록 구성되어 있다.
하우징(111) 내에는, 웨이퍼 이동 탑재기(125), 기판 보유 지지구로서의 보트(217)가 설치되어 있다. 웨이퍼 이동 탑재기(125)는, 아암(핀셋)(125c)을 갖고, 도시하지 않은 구동 수단에 의해, 상하 방향으로의 승강과 수평 방향으로의 회전 동작이 가능한 구조로 되어 있다. 아암(125c)은, 예를 들어 5매의 웨이퍼를 동시에 취출할 수 있도록 구성되어 있다. 아암(125c)을 움직이게 함으로써, 포드 오프너의 위치에 놓인 포드(110) 및 보트(217) 사이에서, 웨이퍼(200)가 반송되도록 구성되어 있다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(10)의 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 도시하지 않은 공정 내 반송 장치에 의해, 웨이퍼(200)가 수직 자세로 되어 포드(110)의 웨이퍼 출납구가 상측 방향을 향하도록, 포드 스테이지(114) 위에 포드(110)가 적재된다. 그 후, 포드(110)는, 포드 스테이지(114)에 의해, 하우징(111)의 후방을 향해 세로 방향으로 90° 회전시켜진다. 그 결과, 포드(110) 내의 웨이퍼(200)는 수평 자세가 되고, 포드(110)의 웨이퍼 출납구는 하우징(111) 내의 후방을 향한다.
이어서, 포드(110)는, 포드 반송 장치(118)에 의해, 포드 적재 선반(105)의 지정된 선반 위치에 자동으로 반송되어 전달되어 일시적으로 보관된 후, 포드 적재 선반(105)으로부터 포드 오프너로 이동 탑재되거나, 또는 직접 포드 오프너에 반송된다.
포드(110)가 포드 오프너로 이동 탑재되면, 포드(110)는, 포드 오프너에 의해 덮개를 열 수 있다. 그리고, 덮개가 열린 포드(110)는, 웨이퍼 매수 검출기에 의해 포드(110) 내의 웨이퍼 매수가 검지된다. 웨이퍼(200)는, 웨이퍼 이동 탑재기(125)의 아암(125c)에 의해, 웨이퍼 출납구를 통해 포드(110) 내로부터 픽업되어, 웨이퍼 이동 탑재기(125)의 반송 동작에 의해 보트(217)에 장전(차지)된다. 보트(217)에 웨이퍼(200)를 전달한 웨이퍼 이동 탑재기(125)는, 포드(110)로 복귀되어, 다음의 웨이퍼(200)를 보트(217)에 장전한다.
미리 지정된 매수의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전되면, 도시하지 않은 노구 셔터에 의해 폐쇄되어 있던 처리 로(202)의 하단부가, 노구 셔터에 의해 개방된다. 계속해서, 시일 캡(219)이 보트 엘리베이터(115)(도 2 참조)에 의해 상승됨으로써, 웨이퍼(200)군을 보유 지지한 보트(217)가 처리 로(202) 내에 반입(보트 로드)된다. 로드 후에는, 처리 로(202)에서 웨이퍼(200)에 임의의 처리가 실시된다. 관련된 처리에 대해서는 후술한다. 처리 후, 웨이퍼(200) 및 보트(217)는, 처리 로(202)로부터 반출(보트 언로드)되어, 상술한 수순과는 역의 수순으로 웨이퍼(200)가 보트(217)로부터 탈장(디스차지)되어, 하우징(111)의 외부로 반출된다.
(처리 로의 구성)
계속해서, 본 실시 형태에 따른 처리 로(202)의 구성에 대해서, 도 2를 사용하여 설명한다.
(처리실)
도 2에 도시한 바와 같이, 처리 로(202)는, 반응관으로서의 프로세스 튜브(203)를 구비하고 있다. 프로세스 튜브(203)는, 내부 반응관으로서의 이너 튜브(204)와, 그 외측에 설치된 외부 반응관으로서의 아우터 튜브(205)를 구비하고 있다. 이너 튜브(204)는, 예를 들어 석영(SiO2) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료에 의해 구성되어 있다. 이너 튜브(204)는, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 이너 튜브(204) 내의 통 중공부에는, 기판으로서의 웨이퍼(200) 위에 박막을 형성하는 처리를 행하는 처리실(201)이 형성되어 있다. 처리실(201)은, 웨이퍼(200)를 보트(217)에 의해 수평 자세로 수직 방향으로 다단으로 정렬 보유 지지한 상태에서 수용 가능하게 구성되어 있다. 아우터 튜브(205)는, 이너 튜브(204)와 동심원 형상으로 설치되어 있다. 아우터 튜브(205)는, 내경이 이너 튜브(204)의 외경보다 크고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 아우터 튜브(205)는, 예를 들어 석영 또는 탄화실리콘 등의 내열성 재료에 의해 구성되어 있다.
(히터)
프로세스 튜브(203)의 외측에는, 프로세스 튜브(203)의 측벽면을 둘러싸는 동심원 형상으로, 가열부로서의 히터(206)가 설치되어 있다. 히터(206)는 원통 형상으로 형성되어 있다. 히터(206)는, 도시하지 않은 보유 지지판으로서의 히터 베이스에 지지됨으로써 수직으로 설치되어 있다. 프로세스 튜브(203) 내(예를 들어 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(205)의 사이나, 이너 튜브(204)의 내측 등)에는, 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되어 있다. 히터(206) 및 온도 센서(263)에는, 후술하는 온도 제어부(238)가 전기적으로 접속되어 있다. 온도 제어부(238)는, 처리실(201) 내의 온도가 소정의 온도 분포가 되도록, 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(206)에 대한 통전 상태를 소정의 타이밍에서 제어하도록 구성되어 있다.
(매니폴드)
아우터 튜브(205)의 하방에는, 아우터 튜브(205)와 동심원 형상으로 매니폴드(209)가 배치되어 있다. 매니폴드(209)는, 예를 들어 스테인리스 등에 의해 구성되어 있다. 매니폴드(209)는, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 매니폴드(209)는, 이너 튜브(204)의 하단부와 아우터 튜브(205)의 하단부에 각각 걸림 결합하도록 설치되거나, 이너 튜브(204)의 하단부와 아우터 튜브(205)의 하단부를 각각 지지하도록 설치되어 있다. 또한, 매니폴드(209)와 아우터 튜브(205)의 사이에는, 시일 부재로서의 O링(220a)이 설치되어 있다. 매니폴드(209)가 도시하지 않은 히터 베이스에 지지됨으로써, 프로세스 튜브(203)는, 수직으로 설치된 상태로 되어 있다. 주로, 프로세스 튜브(203)와 매니폴드(209)에 의해 반응 용기가 형성되어 있다.
(보트)
처리실(201) 내에는, 기판 보유 지지구로서의 보트(217)가 매니폴드(209)의 하단 개구의 하방측으로부터 반입되도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 복수매의 기판으로서의 웨이퍼(200)를, 수평 자세이며 서로 중심을 맞춘 상태에서, 소정의 간격으로 배열시켜서 보유 지지하도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 예를 들어 석영이나 탄화실리콘 등의 내열성 재료에 의해 구성되어 있다. 보트(217)의 하부이며, 웨이퍼 처리 영역보다 하방에는, 원판 형상을 한 단열 부재로서의 단열판(216)이 수평 자세로 다단으로 복수매 배치되어 있다. 단열판(216)은, 예를 들어 석영이나 탄화실리콘 등의 내열성 재료에 의해 구성되어 있다. 단열판(216)은, 히터(206)로부터의 열을 매니폴드(209)측에 전달하기 어렵게 하도록 구성되어 있다.
(캐리어 가스 공급계)
매니폴드(209)의 측벽에는, 캐리어 가스로서 예를 들어 질소(N2) 가스를 처리실(201) 내에 공급하는 노즐(230b) 및 노즐(230c)이 처리실(201) 내에 연통하도록 설치되어 있다. 노즐(230b) 및 노즐(230c)은, 예를 들어 석영 등에 의해 구성되어 있다. 노즐(230b) 및 노즐(230c)은, 적어도 1개씩 설치되어 있고, 프로세스 튜브(203)의 내벽과 웨이퍼(200)의 사이에서의 원호 형상의 공간에서, 프로세스 튜브(203)의 내벽을 따른 웨이퍼(200)의 적재 방향으로 연장되어 있다. 노즐(230b) 및 노즐(230c)의 측면에는, 가스를 공급하는 다수의 가스 공급 구멍이 형성되어 있다. 가스 공급 구멍은, 하부에서부터 상부에 걸쳐 각각 동일하거나, 또는, 크기에 경사를 둔 개구 면적을 갖고, 또한 동일한 개구 피치로 형성되어 있다. 노즐(230b) 및 노즐(230c)의 상류단은, 가스 공급관(232a)의 하류단에 접속되어 있다. 가스 공급관(232a)에는, 상류측부터 순서대로 캐리어 가스원(300a), 유량 제어기(유량 제어 수단)로서의 매스 플로우 컨트롤러(241a) 및 밸브(310a)가 설치되어 있다. 상기 구성에 의해, 가스 공급관(232a)을 통해 처리실(201) 내에 공급하는 캐리어 가스의 공급 유량, 처리실(201) 내의 캐리어 가스의 농도나 분압을 제어할 수 있다.
밸브(310a), 매스 플로우 컨트롤러(241a)에는, 후술하는 가스 유량 제어부(235)가 전기적으로 접속되어 있다. 가스 유량 제어부(235)는, 처리실(201) 내로의 캐리어 가스 공급의 개시나 정지, 공급 유량 등을 소정의 타이밍에서 제어하도록 구성되어 있다.
주로, 밸브(310a), 매스 플로우 컨트롤러(241a), 가스 공급관(232a), 노즐(230b)에 의해, 본 실시 형태에 따른 캐리어 가스 공급계가 구성된다. 또한, 캐리어 가스원(300a)을 포함시켜 캐리어 가스 공급계라고 생각해도 된다.
(Ti 원료 가스 공급계)
매니폴드(209)의 측벽에는, 원료 가스(금속 함유 가스)의 일례로서 예를 들어 Ti 원료(사염화티타늄(TiCl4)이나 테트라키스디메틸아미노티타늄(TDMAT, Ti[N(CH3)2]4), 테트라키스디에틸아미노티타늄(TDEAT, Ti[N(CH2CH3)2]4))을 처리실(201) 내에 공급하는 노즐(230b)이 처리실(201) 내에 연통하도록 설치되어 있다. 노즐(230b)은, 예를 들어 석영 등에 의해 구성되어 있다. 노즐(230b)은, 적어도 1개 설치되어 있고, 프로세스 튜브(203)의 내벽과 웨이퍼(200)의 사이에서의 원호 형상의 공간에서, 프로세스 튜브(203)의 내벽을 따른 웨이퍼(200)의 적재 방향으로 연장되어 있다. 노즐(230b)의 측면에는, 가스를 공급하는 다수의 가스 공급 구멍이 형성되어 있다. 가스 공급 구멍은, 하부에서부터 상부에 걸쳐 각각 동일하거나, 또는, 크기에 경사를 둔 개구 면적을 갖고, 또한 동일한 개구 피치로 형성되어 있다. 노즐(230b)의 상류단은, 가스 공급관(232b)의 하류단에 접속되어 있다. 가스 공급관(232b)에는, 상류측에서부터 순서대로 Ti 원료 가스원(300b), 유량 제어기(유량 제어 수단)로서의 매스 플로우 컨트롤러(241b) 및 밸브(310b)가 설치되어 있다. 상기 구성에 의해, 처리실(201) 내에 공급하는 Ti 원료 가스의 공급 유량, 처리실(201) 내의 Ti 원료 가스의 농도나 분압을 제어할 수 있다.
밸브(310b), 매스 플로우 컨트롤러(241b)에는, 후술하는 가스 유량 제어부(235)가 전기적으로 접속되어 있다. 가스 유량 제어부(235)는, 처리실(201) 내로의 Ti 원료 가스 공급의 개시나 정지, 공급 유량 등을 소정의 타이밍에서 제어하도록 구성되어 있다.
주로, 밸브(310b), 매스 플로우 컨트롤러(241b), 가스 공급관(232b), 노즐(230b)에 의해, 본 실시 형태에 따른 Ti 원료 가스 공급계가 구성된다. 또한, Ti 원료 가스원(300b)을 포함시켜 Ti 원료 가스 공급계라고 생각해도 된다.
(질화 원료 가스 공급계)
매니폴드(209)의 측벽에는, 개질 원료(반응 가스 또는 리액턴트)의 일례로서 예를 들어 질화 원료인 암모니아(NH3), 질소(N2), 아산화질소(N2O), 모노메틸히드라진(CH6N2) 등의 가스를 처리실(201) 내에 공급하는 노즐(230c)이 처리실(201) 내에 연통하도록 설치되어 있다. 노즐(230c)은, 예를 들어 석영 등에 의해 구성되어 있다. 노즐(230c)은, 적어도 1개 설치되어 있고, 프로세스 튜브(203)의 내벽과 웨이퍼(200)의 사이에서의 원호 형상의 공간에서, 프로세스 튜브(203)의 내벽을 따른 웨이퍼(200)의 적재 방향으로 연장되어 있다. 노즐(230c)의 측면에는, 가스를 공급하는 다수의 가스 공급 구멍이 형성되어 있다. 가스 공급 구멍은, 하부에서부터 상부에 걸쳐 각각 동일하거나, 또는, 크기에 경사를 둔 개구 면적을 갖고, 또한 동일한 개구 피치로 형성되어 있다. 노즐(230c)의 상류단은, 가스 공급관(232c)의 하류단에 접속되어 있다. 가스 공급관(232c)에는, 상류측에서부터 순서대로 불활성 가스원(300c), 유량 제어기(유량 제어 수단)로서의 매스 플로우 컨트롤러(241c) 및 밸브(310c)가 설치되어 있다. 상기 구성에 의해, 처리실(201) 내에 공급하는 질소 가스의 공급 유량, 처리실(201) 내의 질소 가스의 농도나 분압을 제어할 수 있다.
밸브(310c), 매스 플로우 컨트롤러(241c)에는, 후술하는 가스 유량 제어부(235)가 전기적으로 접속되어 있다. 가스 유량 제어부(235)는, 처리실(201) 내로의 불활성 가스 공급의 개시나 정지, 공급 유량 등을 소정의 타이밍에서 제어하도록 구성되어 있다.
주로, 밸브(310c), 매스 플로우 컨트롤러(241c), 가스 공급관(232c), 노즐(230c)에 의해, 본 실시 형태에 따른 질화 원료 가스 공급계가 구성된다. 또한, 질소 원료 가스원(300c)을 포함시켜 질소 원료 가스 공급계라고 생각해도 된다.
그리고, 주로, Ti 원료 가스 공급계, 질화 원료 가스 공급계 및 캐리어 가스 공급계에 의해, 본 실시 형태에 따른 가스 공급계가 구성된다.
(배기계)
매니폴드(209)의 측벽에는, 처리실(201) 내를 배기하는 배기관(231)이 설치되어 있다. 배기관(231)은 매니폴드(209)의 측면부를 관통하고 있고, 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(205)의 간극에 의해 형성되는 통 형상 공간(250)의 하단부에 연통하고 있다. 배기관(231)의 하류측(매니폴드(209)와의 접속측과 반대측)에는, 상류측에서부터 순서대로 압력 검출기로서의 압력 센서(245), 압력 조정 장치로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(242), 진공 펌프(246)가 설치되어 있다.
압력 센서(245) 및 APC 밸브(242)에는, 후술하는 압력 제어부(236)가 전기적으로 접속되어 있다. 압력 제어부(236)는, 압력 센서(245)에 의해 검지한 압력 정보에 기초하여, 처리실(201) 내의 압력이 소정의 타이밍에서 소정의 압력(진공도)이 되도록, APC 밸브(242)의 개방도를 제어하도록 구성되어 있다. 또한, APC 밸브(242)는, 밸브를 개폐하여 처리실(201) 내의 진공 배기·진공 배기 정지를 할 수 있고, 또한 밸브 개방도를 조절하여 압력 조정 가능하게 되어 있는 개폐 밸브이다.
주로, 배기관(231), 압력 센서(245), APC 밸브(242)에 의해, 본 실시 형태에 따른 배기계가 구성된다. 또한, 진공 펌프(246)를 배기계에 포함시켜 생각해도 되고, 나아가, 트랩 장치나 제해 장치를 배기계에 포함시켜 생각해도 된다.
(시일 캡)
매니폴드(209)의 하단 개구에는, 반응 용기를 기밀하게 폐색하는 것이 가능한 노구 덮개로서의 시일 캡(219)이 설치되어 있다. 시일 캡(219)은, 예를 들어 스테인리스 등의 금속에 의해 구성되어 있고, 원반 형상으로 형성되어 있다. 시일 캡(219)의 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 접합하는 시일 부재로서의 O링(220b)이 설치되어 있다. 시일 캡(219)은, 매니폴드(209)의 하단에, 반응 용기의 수직 방향 하측으로부터 접촉하도록 구성되어 있다.
(회전 기구)
시일 캡(219)의 하방(즉 처리실(201)측과는 반대측)에는, 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(254)가 설치되어 있다. 회전 기구(254)가 구비하는 회전축(255)은 시일 캡(219)을 관통하도록 설치되어 있다. 회전축(255)의 상단부는, 보트(217)를 하방으로부터 지지하고 있다. 회전 기구(254)를 작동시킴으로써, 보트(217) 및 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내에서 회전시키는 것이 가능하게 구성되어 있다. 또한, 회전축(255)이 처리 가스에 의해 영향을 받기 어려워지도록, 회전축(255)의 근방에 불활성 가스를 흘려서, 처리 가스로부터 보호하도록 하고 있다.
(보트 엘리베이터)
시일 캡(219)은, 프로세스 튜브(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해, 수직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)를 작동시킴으로써, 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반출입(보트 로드 또는 보트 언로드)시키는 것이 가능하게 구성되어 있다.
회전 기구(254) 및 보트 엘리베이터(115)에는, 구동 제어부(237)가 전기적으로 접속되어 있다. 구동 제어부(237)는, 회전 기구(254) 및 보트 엘리베이터(115)가 소정의 동작을 하도록 소정의 타이밍에서 제어하도록 구성되어 있다.
(컨트롤러)
상술한 가스 유량 제어부(235), 압력 제어부(236), 구동 제어부(237) 및 온도 제어부(238)는, 기판 처리 장치(101) 전체를 제어하는 주 제어부(239)에 전기적으로 접속되어 있다. 주로, 가스 유량 제어부(235), 압력 제어부(236), 구동 제어부(237), 온도 제어부(238) 및 주 제어부(239)에 의해, 본 실시 형태에 따른 제어부로서의 컨트롤러(240)가 구성되어 있다.
컨트롤러(240)는, 기판 처리 장치(101)의 전체 동작을 제어하는 제어부(제어 수단)의 일례이며, 매스 플로우 컨트롤러(241a, 241b, 241c)의 유량 조정, 밸브(310a, 310b, 310c)의 개폐 동작, APC 밸브(242)의 개폐 및 압력 센서(245)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(206)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동·정지, 보트 회전 기구(254)의 회전 속도 조절, 보트 엘리베이터(115)의 승강 동작 등을 각각 제어하도록 되어 있다.
이하에 본 발명의 반응관에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
<반도체 장치의 제조 방법>
이어서, 상술한 기판 처리 장치의 처리 로(202)를 사용하여, 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 대규모 집적 회로(Large Scale Integration; LSI)를 제조할 때 등에, 기판 위에 절연막을 성막하는 방법의 예에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(240)에 의해 제어된다.
[제1 실시 형태]
본 실시 형태에서는, 금속막으로서 질화티타늄막을 기판 위에 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저 원료 가스와 반응 가스를 교대로 공급하여 기판 위에 질화티타늄막을 형성한다.
본 실시 형태에서는, 티타늄(Ti) 함유 원료로서, TiCl4, 질화 가스로서 NH3을 사용하는 예에 대하여 설명한다. 또한, 이 예에서는, 제1 가스 공급계에 의해 티타늄 함유 가스 공급계(제1 원소 함유 가스 공급계)가 구성되고, 제2 가스 공급계에 의해 질소 함유 가스 공급계(제2 원소 함유 가스 공급계)가 구성된다.
도 3은, 본 실시 형태에서의 제어 플로우의 일례를 나타낸다.
먼저, 복수매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 복수매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져서 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서, 시일 캡(219)은, O링(220b)을 개재하여 반응관(203)의 하단을 시일한 상태로 된다. 또한, 성막 프로세스에서는, 컨트롤러(240)가 기판 처리 장치(101)를 하기와 같이 제어한다. 즉, 히터(206)를 제어하여 처리실(201) 내를 예를 들어 300℃ 내지 550℃의 범위의 온도이며, 바람직하게는 450℃ 이하, 보다 바람직하게는 450℃로 유지한다. 그 후, 복수매의 웨이퍼(200)를 보트(217)에 장전하여, 보트(217)를 처리실(201)에 반입한다. 그 후, 보트(217)를 보트 구동 기구(254)에 의해 회전시켜, 웨이퍼(200)를 회전시킨다. 그 후, 진공 펌프(246)를 작동시킴과 함께 APC 밸브(242)를 개방하여 처리실(201) 내를 진공화하고, 웨이퍼(200)의 온도가 450℃에 달하여 온도 등이 안정되면, 처리실(201) 내의 온도를 450℃로 유지한 상태에서 후술하는 스텝을 순차 실행한다.
(스텝 11)
스텝 11에서는, TiCl4를 흘린다. TiCl4는 상온에서 액체이며, 처리실(201)에 공급하기 위해서는, 가열하여 기화시키고 나서 공급하는 방법, 도시하지 않은 기화기를 사용하여 캐리어 가스라고 불리는 He(헬륨), Ne(네온), Ar(아르곤), N2(질소) 등의 불활성 가스를 TiCl4 용기 중에 통과시켜, 기화하고 있는 분을 그 캐리어 가스와 함께 처리실(201)에 공급하는 방법 등이 있는데, 예로서 후자의 케이스로 설명한다.
가스 공급관(232b)에 TiCl4를, 가스 공급관(232b)과 접속되어 있는 캐리어 가스 공급관(232a)에 캐리어 가스(N2)를 흘린다. 가스 공급관(232b)의 밸브(310b), 노즐(230b)에 접속되는 캐리어 가스 공급관(232a)의 밸브(310a), 및 배기관(231)의 APC 밸브(242) 각각을 모두 개방한다. 캐리어 가스는, 캐리어 가스 공급관(232a)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241a)에 의해 유량 조정된다. TiCl4는, 가스 공급관(232b)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241b)에 의해 유량 조정되며, 도시하지 않은 기화기에 의해 기화되어, 유량 조정된 캐리어 가스를 혼합하여, 노즐(230b)의 가스 공급 구멍으로부터 처리실(201) 내에 공급되면서 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, APC 밸브(242)를 적정하게 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 20 내지 50Pa의 범위로, 예를 들어 30Pa로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241b)로 제어하는 TiCl4의 공급량은 1.0 내지 2.0g/min이다. TiCl4에 웨이퍼(200)를 노출하는 시간은 3 내지 10초간이다. 이때 히터(206)의 온도는, 웨이퍼의 온도가 300℃ 내지 550℃의 범위이며, 예를 들어 450℃가 되도록 설정되어 있다.
이때, 처리실(201) 내에 흘리고 있는 가스는, TiCl4와 N2, Ar 등의 불활성 가스만이며, NH3은 존재하지 않는다. 따라서, TiCl4는 기상 반응을 일으키지 않고, 웨이퍼(200)의 표면이나 하지막과 표면 반응(화학 흡착)하여, 원료(TiCl4)의 흡착층 또는 Ti층(이하, Ti 함유층)을 형성한다. TiCl4의 흡착층이란, 원료 분자의 연속적인 흡착층 외에, 불연속인 흡착층도 포함한다. Ti층이란, Ti에 의해 구성되는 연속적인 층 외에, 이들이 겹쳐서 생긴 Ti박막도 포함한다. 또한, Ti에 의해 구성되는 연속적인 층을 Ti박막이라고 하는 경우도 있다.
동시에, 가스 공급관(232c)의 도중에 연결되어 있는 캐리어 가스 공급관(232a)으로부터, 밸브(310a)를 개방하여 불활성 가스를 흘리면, NH3측으로 TiCl4가 돌아 들어가는 것을 방지할 수 있다.
(스텝 12)
가스 공급관(232b)의 밸브(310b)를 폐쇄하여 처리실로의 TiCl4의 공급을 정지한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(242)는 개방한 상태로 두고, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 20Pa 이하가 될 때까지 배기하고, 잔류 TiCl4를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 N2 등의 불활성 가스를 처리실(201) 내에 공급하면, 더욱 잔류 TiCl4를 배제하는 효과가 높아진다.
(스텝 13)
스텝 13에서는, NH3을 흘린다. 가스 공급관(232c)에 NH3을, 가스 공급관(232c)과 접속되는 캐리어 가스 공급관(232a)에 캐리어 가스(N2)를 흘린다. 가스 공급관(232c)의 밸브(310c), 캐리어 가스 공급관(232a)의 밸브(310a), 및 배기관(231)의 APC 밸브(242) 각각을 모두 개방한다. 캐리어 가스는, 캐리어 가스 공급관(232a)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241a)에 의해 유량 조정된다. NH3은, 가스 공급관(232c)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241c)에 의해 유량 조정되고, 유량 조정된 캐리어 가스를 혼합하여, 노즐(230c)의 가스 공급 구멍으로부터 처리실(201) 내에 공급되면서 배기관(231)으로부터 배기된다. NH3을 흘릴 때는, APC 밸브(242)를 적정하게 조절하여 처리실(201) 내 압력을 50 내지 1000Pa의 범위로, 예를 들어 60Pa로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241c)로 제어하는 NH3의 공급 유량은 1 내지 10slm이다. NH3에 웨이퍼(200)를 노출하는 시간은 10 내지 30초간이다. 이때의 히터(206)의 온도는, 300℃ 내지 550℃의 범위의 소정의 온도이며, 예를 들어 450℃가 되도록 설정되어 있다.
동시에, 가스 공급관(232b)의 도중에 연결되어 있는 캐리어 가스 공급관(232a)으로부터, 개폐 밸브(310a)를 개방하여 불활성 가스를 흘리면, TiCl4측으로 NH3이 돌아 들어가는 것을 방지할 수 있다.
NH3의 공급에 의해, 웨이퍼(200) 위에 화학 흡착된 Ti 함유층과 NH3이 표면 반응(화학 흡착)하여, 웨이퍼(200) 위에 질화티타늄막이 형성된다.
(스텝 14)
스텝 14에서는, 가스 공급관(232c)의 밸브(310c)를 폐쇄하여, NH3의 공급을 멈춘다. 또한, 배기관(231)의 APC 밸브(242)는 개방한 상태로 두고, 진공 펌프(246)에 의해, 처리실(201)을 20Pa 이하로 배기하여, 잔류 NH3을 처리실(201)로부터 배제한다. 또한, 이 때에는, N2 등의 불활성 가스를, NH3 공급 라인인 가스 공급관(232c) 및 TiCl4 공급 라인인 가스 공급관(232b)으로부터 각각 처리실(201)에 공급하여 퍼지하면, 잔류 NH3을 배제하는 효과가 더욱 높아진다.
상기 스텝 11 내지 14를 1 사이클로 하여, 적어도 1회 이상 행함으로써 웨이퍼(200) 위에 소정 막 두께의 질화티타늄막을 성막한다. 이 경우, 각 사이클 중에서, 상기와 같이, 스텝 11에서의 Ti 함유 원료 가스에 의해 구성되는 분위기와, 스텝 13에서의 질화 가스에 의해 구성되는 분위기 각각의 분위기가 처리실(201) 내에서 혼합되지 않도록 처리하는 것에 유의한다.
또한, 질화티타늄막의 막 두께는, 사이클 수를 제어하여, 1 내지 5nm 정도로 조정하면 된다. 이때에 형성되는 질화티타늄막은, 표면이 매끄러운 모양(스무드)이며 또한 치밀한 연속막으로 된다.
또한, 질화티타늄막을 형성한 후, 이 질화티타늄막에 대하여 질소 함유 가스, 수소 함유 가스, 불활성 가스 등을 사용해서 어닐 처리를 행해도 된다.
이하에, 질소 함유 가스로서 NH3을 사용한 어닐 처리에 대하여 설명한다.
질화티타늄막이 형성된 웨이퍼(200)를 NH3의 분위기에 노출시킴으로써 질화티타늄막의 개질을 행한다. 구체적으로는, 가스 공급관(232c)에 NH3을, 가스 공급관(232c)과 접속되는 캐리어 가스 공급관(232a)에 캐리어 가스(N2)를 흘린다. 가스 공급관(232c)의 밸브(310c), 가스 공급관(232c)과 접속되는 캐리어 가스 공급관(232a)의 밸브(310a), 및 배기관(231)의 APC 밸브(242)를 모두 개방한다. 캐리어 가스는, 캐리어 가스 공급관(232a)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241a)에 의해 유량 조정된다. NH3은, 가스 공급관(232c)으로부터 흘러, 매스 플로우 컨트롤러(241c)에 의해 유량 조정되고, 유량 조정된 캐리어 가스를 혼합하여, 노즐(230c)의 가스 공급 구멍으로부터 처리실(201) 내에 공급되면서 배기관(231)으로부터 배기된다.
NH3을 흘릴 때는, APC 밸브(242)를 적정하게 조절하여 처리실(201) 내 압력을 50 내지 1000Pa의 범위로, 예를 들어 150Pa로 유지한다. 매스 플로우 컨트롤러(241c)로 제어하는 NH3의 공급 유량은 1 내지 91slm이다. NH3에 웨이퍼(200)를 노출하는 시간은 1 내지 10분간이다. 이때의 히터(206)의 온도는, 300 내지 550℃의 범위의 소정의 온도이며, 예를 들어 450℃가 되도록 설정되어 있다. 이렇게 어닐시의 온도를 성막 시의 온도와 동일한 온도로 설정하면, 보다 처리 시간이 단축되어 스루풋이 향상된다. 동시에, 가스 공급관(232b)의 도중에 연결되어 있는 캐리어 가스 공급관(232a)으로부터, 개폐 밸브(310a)를 개방하여 불활성 가스를 흘리면, TiCl4측으로 NH3이 돌아 들어가는 것을 방지할 수 있다.
NH3의 공급에 의해, 막 중에 잔류하는 염소(Cl)를 효율적으로 제거하여, 막의 고품질화를 도모할 수 있다는 효과가 있다. NH3을 사용한 경우에는, NH3의 H와 Cl이 결합하여, HCl이 되어 제거되는 것이라 생각된다.
또한 교대 공급법에 의해 질화티타늄막을 형성한 후, 이 질화티타늄막에 대하여 질소 함유 가스, 수소 함유 가스, 불활성 가스 등을 사용해서 플라즈마 처리를 행해도 된다. 예를 들어 질소 함유 가스로서 NH3을 플라즈마로 활성화(플라즈마 여기)시켜서 흘림으로써, 보다 에너지가 높은 반응물을 생성할 수 있고, 이 반응물에 의해 개질 처리를 행함으로써, 디바이스 특성이 향상되는 등의 효과도 생각할 수 있다. 또한, NH3은 열로 활성화시켜서 공급하는 것이, 소프트한 반응을 발생시킬 수 있어, 상술한 개질 처리를 소프트하게 행할 수 있다.
또한, 상술한 어닐 처리와 플라즈마 처리는 동시에 행해도 된다. 즉, 상술한 어닐시의 온도로 히터(206)를 설정하면서, 예를 들어 NH3을 플라즈마로 활성화시켜서 흘림으로써, 질화티타늄막에 대하여 처리를 행한다. 단, 어닐시의 온도로 히터(206)를 유지하여, 열 에너지에 의해 NH3을 활성화시키는 시간과, 플라즈마에 의해 NH3을 활성화시키는 시간이 동일한 길이일 필요는 없다.
또한, 어닐 처리 및 플라즈마 처리 중 적어도 한쪽에 사용하는 가스는, 질소 함유 가스, 수소 함유 가스, 불활성 가스 등이면 되고, 질소 함유 가스로서는 예를 들어 N2, NH3 또는 모노메틸히드라진(CH6N2) 등을 사용할 수 있고, 수소 함유 가스로서는 예를 들어 H2 등을 사용할 수 있고, 불활성 가스로서는 예를 들어 아르곤(Ar)이나 헬륨(He) 등을 사용할 수 있다. N2, NH3을 사용하는 경우에는, 성막 공정에서 사용되는 가스종이므로, 새롭게 가스를 공급하기 위한 기구를 설치할 필요가 없기 때문에, 더욱 바람직하다.
이하에 본 발명의 기판 처리 장치의 처리 로에 대해서, 도 4, 도 5를 사용하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 4의 (a)는, 본 발명의 일 실시 형태에서의 이너 튜브, 아우터 튜브를 투과한 반응관을 도시하는 도면이다. 도 4의 (b)는, 도 4의 (a)에 노즐, 웨이퍼, 단열판을 설치한 경우의 반응관을 도시하는 도면이다. 도 5는, 이너 튜브(204)의 사시도이다. 본 발명에서의 프로세스 튜브(203)는, 이너 튜브(204)와, 아우터 튜브(205)로 주로 구성되어 있다. 이너 튜브(204)에는, 기판 배열된 영역의 높이 방향으로 제1 슬릿(301)과, 기판 배열 영역의 하방 영역(단열판(216)이 적재되어 있는 영역)에 제2 슬릿(302)이 개구되어 있다. 제1 슬릿(301)의 개구부는, 개구 중심 각도가 60도 내지 90도인 것이 바람직하다. 제2 슬릿(302)은, 제1 슬릿(301)보다 작은 개구 면적을 갖고 있다. 제2 슬릿(302)의 개구 형상은 직사각형으로 되어 있지만, 원형이어도 되고, 다각형이어도 된다.
도 6은, 처리실(201) 내에 공급된 각종 가스가 슬릿(301)을 지나, 배기관(231)으로부터 배출되는 모습을 나타낸 것이다. 노즐(230b, 230c) 등으로부터 공급된 각종 가스는, 적층된 복수의 웨이퍼(200) 사이를 통과하여, 슬릿(301)(개구 각도(θ)가 60도 내지 90도가 바람직함)으로부터 이너 튜브(204)밖으로 배출된다. 이너 튜브(204)로부터 배출된 처리 가스(303)는, 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(205)의 사이를 지나, 이너 튜브(204)의 외벽 및 아우터 튜브(205)의 내벽을 따라 돌아 들어가, 배기관(231)으로부터 처리 로로부터 배출된다. 그러나, 이때, 모든 처리 가스가 웨이퍼(200) 사이를 지나, 슬릿(301)으로부터 이너 튜브(204) 외부로 배출되는 것은 아니다. 원활하게 웨이퍼(200) 사이를 지나지 못하고, 특히 노즐측의 웨이퍼(200)와 이너 튜브(204)의 사이의 넓은 간극으로부터 이너 튜브(204)의 하부 방향으로 흘러 떨어져버리는 가스도 있다.
이 흘러 떨어져버리는 가스의 흘러 떨어지는 강도는, 상술한 웨이퍼(200)와 이너 튜브(204)의 사이의 갭이 좁은 것이 더 강해진다. 슬릿이 하나이고, 이너 튜브(204)의 상부로부터 하부까지 슬릿이 연결되어 있는 스트레이트 슬릿인 경우, 공급된 가스의 흘러 떨어지는 강도가 가장 강해진다. 이에 반해, 이 슬릿이 기판 배열 영역에만 형성되어 있는 경우, 또는, 제1 슬릿(301)이 기판 배열 영역에 형성되고, 제2 슬릿(302)이 하부 영역(단열 영역)에 형성되고, 또한 제2 슬릿(302)을 완전 폐쇄(풀 클로즈)한 경우에는, 이 흘러 떨어지는 강도가 약해지는 경향이 있다.
그러나, 제2 슬릿(302)을 풀 클로즈한 경우, 도시하지 않은 가스 공급 노즐로부터 회전축(255)을 가스로부터 보호하기 위한 불활성 가스가 단열 영역에 공급되고 있기 때문에(회전축 퍼지), 이 불활성 가스는 제1 슬릿(301)의 하방 부분으로부터 배기되게 된다. 이 때문에, 회전축 퍼지를 목적으로 사용되는 불활성 가스와 기판 처리 시의 원료 가스가 혼합되게 되고, 그 결과, 기판 배열 영역의 하단 영역에 적재되어 있는 프로덕트 웨이퍼의 원료 가스 농도를 낮추어버린다는 단점이 발생하였다. 따라서, 가스의 흘러 떨어지는 강도를 억제하기 위해서는, 제2 슬릿(302)은 풀 클로즈로 하는 것이 더 좋지만, 풀 클로즈로 한 경우에는, 회전축 퍼지 가스의 영향이 생겨버린다. 따라서, 본 발명에서는, 제2 슬릿(302)을 약간 개방하기로 하였다.
흘러 떨어지는 가스의 유속과 제2 슬릿(302)(하부 개구)의 등가 직경(어떤 직경의 원의 면적에 상당하는 슬릿 개구 면적)의 관계를 도 7에 나타내었다. 도 7에 의하면, 갭(반도체 웨이퍼의 주연부와 반응관의 내벽과의 거리)이 13mm인 경우와 갭이 20mm인 경우에는, 갭이 좁은 갭 13mm가 가스 흘러 떨어짐 유속이 더 빠른 것을 알 수 있다. 또한, 갭 13mm인 경우나 갭 20mm인 경우도, 하부 개구(제2 슬릿(302))의 등가 직경이 약 50mm에 있어서, 가스 흘러 떨어짐 유속은 거의 상한으로 되어 있다. 이로부터, 갭의 크기에 관계없이, 하부 개구(제2 슬릿(302))의 등가 직경은 어느 정도의 크기에서 가스 흘러 떨어짐 유속은 상한이 된다는 것을 알 수 있다. 환언하면, 하부 개구는 어느 정도의 개구 면적에서, 가스 흘러 떨어짐 유속은 상한이 된다는 경향이 있음을 이해할 수 있다.
이와 같이, 이너 튜브(204)의 측면의 기판이 배열된 영역에 제1 슬릿(301)을 형성하고, 이 제1 슬릿(301)의 하방인, 단열판이 배열된, 하부 영역에 제1 슬릿(301)보다 개구 면적이 작은 제2 슬릿(302)을 형성하였다. 이러한 구조로 함으로써, 웨이퍼로의 원료 공급 효율을 개선함과 함께, 막 두께, 막질, 전기 특성 균일성을 향상시킨다. 또한, 하부 영역에서의 원료 가스의 고임이 해소되어, 회전축 퍼지에 사용된 불활성 가스도 효율적으로 처리 로 외부로 배출할 수 있다.
또한, 교대 공급법에 의한 질화티타늄막의 막 두께는, 사이클 수를 제어하여, 1 내지 5nm 정도로 조정하면 된다. 이때에 형성되는 질화티타늄막은, 표면이 매끄러운 모양(스무드)이며 또한 치밀한 연속막이 된다.
또한, 교대 공급법에 의해 질화티타늄막을 형성한 후, 이 질화티타늄막에 대해 불활성 가스인 아르곤(Ar)이나 헬륨(He) 등을 사용하여 어닐 또는 플라즈마 처리를 행해도 된다.
또한, 질소 원자를 포함하는 가스로서, N2, NH3 또는 모노메틸히드라진(CH6N2) 등을 사용해서 질화티타늄막을 어닐 또는 플라즈마 처리해도 된다.
또한, 수소 원자를 포함하는 가스로서, H2 등을 사용하여 질화티타늄막을 어닐 또는 플라즈마 처리해도 된다.
본 발명에 따르면, 예를 들어 기판 온도 450℃에서, 표면이 매끄럽고 치밀한 저항률이 낮은 질화티타늄막을, 보다 고속으로 형성할 수 있다.
또한, 저온에서 고품질의 박막을 형성하는 것이 가능하게 되기 때문에, 서멀 버짓의 저감이 가능하게 된다.
또한, 교대 공급법으로 형성되는 막을, 예를 들어 질화티타늄막과 질화알루미늄막과 같이 조성이 상이한 라미네이트 상의 극박막 적층막과, 라미네이트막 중 적어도 1개의 구성막과 동일한 조성을 갖는 박막의, 양자로 이루어지는 적층막을 양질이면서 또한 높은 생산성으로 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 실시예로서 TiCl4 및 NH3을 사용한 질화티타늄막의 형성에 대하여 설명했지만, 이에 한정하지 않고, SiOx막을 비롯한 다른 막종이어도 적용 가능하다.
[본 발명의 바람직한 형태]
이하에, 본 발명의 바람직한 형태에 대하여 부기한다.
(부기 1)
본 발명의 일 형태에 의하면,
내부에서 소정의 원료 가스를 반응시켜서 복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하는 반응관으로서,
상기 반응관은, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고, 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와,
상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 상기 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 가지고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 영역에 위치하는, 이너 튜브
를 포함하는 반응 용기가 제공된다.
(부기 2)
본 발명의 다른 형태에 의하면,
복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하고, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 상기 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 가지고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 영역에 위치하는, 이너 튜브로 구성되는 반응관과,
상기 반응관 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
상기 처리 가스를 상기 반응관으로부터 배기하는 가스 배기부
를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.
(부기 3)
본 발명의 다른 형태에 의하면,
복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하고, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 상기 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 가지고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 영역에 위치하는, 이너 튜브로 구성되는 반응관에 복수의 기판을 반송하는 공정과,
상기 반응관 내에 소정의 처리 가스를 공급하여 상기 복수의 기판을 처리하는 공정과,
상기 소정의 처리 가스를 상기 이너 튜브에 설치된 상기 제1 및 제2 배기 슬릿을 통해 배기하는 공정
을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
(부기 4)
본 발명의 다른 형태에 의하면,
복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하고, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 상기 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 가지고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 영역에 위치하는, 이너 튜브로 구성되는 반응관에 복수의 기판을 반송하는 공정과,
상기 반응관 내에 소정의 처리 가스를 공급하여 상기 복수의 기판을 처리하는 공정과,
상기 소정의 처리 가스를 상기 이너 튜브에 설치된 상기 배기 슬릿을 통해 배기하는 공정
을 포함하는 기판 처리 방법이 제공된다.
(부기 5)
상기 제1 배기 슬릿 및 상기 제2 배기 슬릿은 각각 이격하여 형성되는, 부기 1 내지 4에 기재된 반응관, 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법이 제공된다.
(부기 6)
상기 제1 배기 슬릿은, 개구 중심각이 60도 내지 90도인, 부기 1 내지 5에 기재된 반응관, 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법이 제공된다.
(부기 7)
상기 제2 배기 슬릿은 상기 제1 배기 슬릿보다 개구 면적이 작아지도록 형성되는, 부기 1 내지 6에 기재된 반응관, 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 방법이 제공된다.
101: 기판 처리 장치 200: 웨이퍼
201: 처리실 202: 처리 로
203: 프로세스 튜브 204: 이너 튜브
205: 아우터 튜브 206: 히터
217: 보트 231: 배기관
242: APC 밸브 246: 진공 펌프
254: 회전 기구 240: 컨트롤러
301: 제1 슬릿 302: 제2 슬릿

Claims (17)

  1. 내부에서 소정의 원료 가스를 반응시켜서 복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하는 반응관으로서,
    원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고, 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와,
    상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 상기 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 갖는 이너 튜브 - 상기 제1 배기 슬릿 및 상기 제2 배기 슬릿은 상기 이너 튜브의 측면에 형성되고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 단열 영역에 위치함 -
    를 포함하고,
    상기 제2 배기 슬릿은 적어도 상기 기판 배열 영역보다도 하방의 영역에 공급된 불활성 가스를 배기하도록 상기 제1 배기 슬릿보다 개구 면적이 작아지도록 형성되는, 반응관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배기 슬릿 및 상기 제2 배기 슬릿은 각각 이격하여 형성되는, 반응관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배기 슬릿은 개구 중심각이 60도 내지 90도인, 반응관.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배기 슬릿은 등가 직경이 50mm 이하가 되도록 구성되는, 반응관.
  6. 복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하고, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 갖는 이너 튜브로 구성되는 반응관과 - 상기 제1 배기 슬릿 및 상기 제2 배기 슬릿은 상기 이너 튜브의 측면에 형성되고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 단열 영역에 위치함 -,
    상기 반응관 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
    상기 처리 가스를 상기 반응관으로부터 배기하는 가스 배기부
    를 포함하고,
    상기 제2 배기 슬릿은 적어도 상기 기판 배열 영역보다도 하방의 영역에 공급된 불활성 가스를 배기하도록 상기 제1 배기 슬릿보다 개구 면적이 작아지도록 형성되는, 기판 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 배기 슬릿 및 상기 제2 배기 슬릿은 각각 이격하여 형성되는, 기판 처리 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 배기 슬릿은 개구 중심각이 60도 내지 90도인, 기판 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 배기 슬릿은 등가 직경이 50mm 이하가 되도록 구성되는, 기판 처리 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 기판을 보유 지지해서 배열시키는 기판 보유 지지구를 회전시키는 회전축에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급부를 더 포함하는, 기판 처리 장치.
  12. 복수의 기판을 처리하는 처리실을 형성하고, 원통 형상으로 형성되어서 상단이 폐색되고 하단이 개구되어 있는 아우터 튜브와, 상기 아우터 튜브의 내부에 설치되고, 소정의 원료 가스를 배기하는 제1 및 제2 배기 슬릿을 갖는 이너 튜브로 구성되는 반응관에 복수의 기판을 반송하는 공정과 - 상기 제1 배기 슬릿 및 상기 제2 배기 슬릿은 상기 이너 튜브의 측면에 형성되고, 상기 제1 배기 슬릿은 상기 복수의 기판이 배열된 기판 배열 영역에 위치하고, 상기 제2 배기 슬릿은 상기 기판 배열 영역보다 하방의 단열 영역에 위치함 -,
    상기 반응관 내에 소정의 처리 가스를 공급하여 상기 복수의 기판을 처리하는 공정과,
    상기 소정의 처리 가스를 상기 이너 튜브에 형성된 상기 제1 및 제2 배기 슬릿을 통해 배기하는 공정
    을 포함하고,
    상기 제2 배기 슬릿은 적어도 상기 기판 배열 영역보다도 하방의 영역에 공급된 불활성 가스를 배기하도록 상기 제1 배기 슬릿보다 개구 면적이 작아지도록 형성되는, 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 배기 슬릿 및 상기 제2 배기 슬릿은 각각 이격하여 형성되는, 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 배기 슬릿은 개구 중심각이 60도 내지 90도인, 반도체 장치의 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제2 배기 슬릿은 등가 직경이 50mm 이하가 되도록 구성되는, 반도체 장치의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 기판을 보유 지지해서 배열시키는 기판 보유 지지구를 회전시키는 회전축에 불활성 가스를 공급하는 공정을 더 포함하는, 반도체 장치의 제조 방법.
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