KR101998463B1 - 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치, 기록 매체 및 프로그램 - Google Patents

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치, 기록 매체 및 프로그램 Download PDF

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Abstract

균일한 기판 처리를 가능하게 하는 기술을 제공한다. 기판을 처리하는 처리실을 내부에 형성하는 반응관과, 반응관의 외부에 설치되고, 처리실을 가열하는 가열 장치와, 반응관 내에 설치되고, 기판을 처리하는 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 반응관의 외벽의 전체 둘레를 둘러싸도록, 고주파 전원에 접속된 제1 전극부와, 접지된 제2 전극부가 교대로 설치된 전극을 구비한 플라즈마 생성부를 갖고, 플라즈마 생성부는, 적어도 고주파 전원의 주파수와 전극에 인가되는 전압에 의해 인접하는 제1 전극부와 제2 전극부의 전극간 거리를 결정하는 기술을 제공한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치, 기록 매체 및 프로그램{SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS, RECORDING MEDIUM AND PROGRAM}
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치, 기록 매체 및 프로그램에 관한 것이다.
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판 처리 장치의 처리실 내에 기판을 반입하고, 처리실 내에 원료 가스와 반응 가스를 공급해서 기판 상에 절연막이나 반도체 막, 도체막 등의 각종 막을 형성하거나, 각종 막을 제거하는 기판 처리가 행하여지는 경우가 있다.
미세 패턴이 형성되는 양산 디바이스에 있어서는, 불순물의 확산을 억제하거나, 유기 재료 등 내열성이 낮은 재료를 사용할 수 있도록 하기 위해서 저온화가 요구된다.
일본 특허 공개 제2007-59527호 공보
이러한 문제를 해결하기 위해서, 플라즈마를 사용해서 기판 처리를 행하는 것이 일반적으로 행하여지고 있는데, 플라즈마에 의해 생성되는 이온이나 라디칼 등의 활성종은 종류에 따라 양이나 수명에 변동이 있기 때문에, 균일하게 막을 처리하는 것이 곤란하였다.
본 발명의 목적은, 균일한 기판 처리를 가능하게 하는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 의하면,
기판을 처리하는 처리실을 내부에 형성하는 반응관과,
상기 반응관의 외부에 설치되고, 상기 처리실을 가열하는 가열 장치와,
상기 반응관 내에 설치되고, 상기 기판을 처리하는 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
상기 반응관의 외벽의 전체 둘레를 둘러싸도록, 고주파 전원에 접속된 제1 전극부와, 접지된 제2 전극부가 교대로 설치된 전극을 구비한 플라즈마 생성부를 포함하고,
상기 플라즈마 생성부는, 적어도 상기 고주파 전원의 주파수와 상기 전극에 인가되는 전압에 의해 인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 전극간 거리를 결정하는 기술이 제공된다.
본 발명에 따르면 균일한 기판 처리를 가능하게 하는 기술을 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 종형 처리 로의 개략 구성도이며, 처리 로 부분을 종단면으로 도시하는 도면이다.
도 2는, 도 1에 도시하는 기판 처리 장치에서의 A-A선에 따른 일부 확대 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 기판 처리 장치에 있어서의 플라즈마 생성부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치에 있어서의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치를 사용한 기판 처리 프로세스의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명에서의 실시 형태의 변형예 1을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에서의 실시 형태의 변형예 2를 도시하는 도면이며, (a)는 제1 변형예 2, (b)는 제2 변형예 2, (c)는 제3 변형예 2, (d)는 제4 변형예 2, (e)는 제5 변형예 2를 도시하는 도면이다.
<발명의 실시 형태>
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도 1 내지 도 5를 참조하면서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
(가열 장치)
도 1에 도시한 바와 같이, 처리 로(202)는, 가열 장치(가열 기구)로서의 히터(207)를 갖는다. 히터(207)는 원통 형상이며, 유지판으로서의 히터 베이스(도시하지 않음)에 지지됨으로써 수직으로 설치되어 있다. 히터(207)는, 후술하는 바와 같이 가스를 열로 활성화(여기)시키는 활성화 기구(여기부)로서도 기능한다.
(처리실)
히터(207)의 내측에는, 후술하는 플라즈마 생성부의 전극(300)이 배치되어 있다. 또한, 전극(300)의 내측에는, 히터(207)와 동심원 형상으로 반응관(203)이 배치되어 있다. 반응관(203)은, 예를 들어 석영(SiO2)이나 탄화 실리콘(SiC)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 내열성 재료로 이루어지고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 반응관(203)의 하방에는, 반응관(203)과 동심원 형상으로, 매니폴드(209)가 배치되어 있다. 매니폴드(209)는, 예를 들어 스테인리스(SUS) 등의 금속으로 이루어지고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 매니폴드(209)의 상단부는, 반응관(203)의 하단부에 걸리어 결합되어 있어, 반응관(203)을 지지하도록 구성되어 있다. 매니폴드(209)와 반응관(203)과의 사이에는, 시일 부재로서의 O링(220a)이 설치되어 있다. 매니폴드(209)가 히터 베이스에 지지됨으로써, 반응관(203)은 수직으로 설치된 상태가 된다. 주로, 반응관(203)과 매니폴드(209)에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성되어 있다. 처리 용기의 통 중공부에는 처리실(201)이 형성되어 있다. 처리실(201)은, 복수매의 기판으로서의 웨이퍼(200)를 수용 가능하게 구성되어 있다. 또한, 처리 용기는 상기한 구성에 한하지 않고, 반응관(203)만을 처리 용기라 칭하는 경우도 있다.
(가스 공급부)
처리실(201) 내에는, 노즐(249a, 249b)이, 매니폴드(209)의 측벽을 관통하도록 설치되어 있다. 노즐(249a, 249b)에는, 가스 공급관(232a, 232b)이 각각 접속되어 있다. 이와 같이, 처리 용기에는 2개의 노즐(249a, 249b)과, 2개의 가스 공급관(232a, 232b)이 설치되어 있어, 처리실(201) 내에 복수 종류의 가스를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 반응관(203)만을 처리 용기로 한 경우, 노즐(249a, 249b)은 반응관(203)의 측벽을 관통하도록 설치되어 있어도 된다.
가스 공급관(232a, 232b)에는, 상류 방향으로부터 순서대로, 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(241a, 241b) 및 개폐 밸브인 밸브(243a, 243b)가 각각 설치되어 있다. 가스 공급관(232a, 232b)의 밸브(243a, 243b)보다도 하류측에는, 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(232c, 232d)이 각각 접속되어 있다. 가스 공급관(232c, 232d)에는, 상류 방향으로부터 순서대로, MFC(241c, 241d) 및 밸브(243c, 243d)가 각각 설치되어 있다.
노즐(249a, 249b)은, 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200)와의 사이에서의 평면에서 볼 때 원환 형상의 공간에, 반응관(203)의 내벽의 하부로부터 상부를 따라, 웨이퍼(200)의 적재 방향 상방을 향해서 상승되도록 각각 설치되어 있다. 즉, 노즐(249a, 249b)은, 처리실(201) 내에 반입된 각 웨이퍼(200)의 단부(주연부)의 측방에 웨이퍼(200)의 표면(평탄면)과 수직으로 각각 설치되어 있다. 노즐(249a, 249b)의 측면에는, 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(250a, 250b)이 각각 형성되어 있다. 가스 공급 구멍(250a, 250b)은, 반응관(203)의 중심을 향하도록 개구되어 있어, 웨이퍼(200)를 향해서 가스를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 가스 공급 구멍(250a, 250b)은 각각, 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐 복수 형성되어 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에서는, 반응관(203)의 측벽의 내벽과, 반응관(203) 내에 배열된 복수매의 웨이퍼(200)의 단부(주연부)로 정의되는 평면에서 볼 때 원환 형상의 세로로 긴 공간 내, 즉, 원통 형상의 공간 내에 배치한 노즐(249a, 249b)을 경유해서 가스를 반송하고 있다. 그리고, 노즐(249a, 249b)에 각각 개구된 가스 공급 구멍(250a, 250b)으로부터, 웨이퍼(200)의 근방에서 비로소 반응관(203) 내에 가스를 분출시키고 있다. 그리고, 반응관(203) 내에서의 가스의 주된 흐름을, 웨이퍼(200)의 표면과 평행한 방향, 즉, 수평 방향으로 하고 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 각 웨이퍼(200)에 균일하게 가스를 공급할 수 있어, 각 웨이퍼(200)에 형성되는 막의 막 두께 균일성을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 웨이퍼(200)의 표면 상을 흐른 가스, 즉, 반응 후의 잔류 가스는, 배기구, 즉, 후술하는 배기관(231)의 방향을 향해서 흐른다. 단, 이 잔류 가스의 흐름의 방향은, 배기구의 위치에 따라 적절히 특정되며, 수직 방향에 한정되는 것이 아니다.
가스 공급관(232a)으로부터는, 소정 원소를 포함하는 원료로서, 예를 들어 소정 원소로서의 실리콘(Si)을 포함하는 실란 원료 가스가, MFC(241a), 밸브(243a), 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다.
실란 원료 가스란, 기체 상태의 실란 원료, 예를 들어 상온 상압 하에서 액체 상태인 실란 원료를 기화함으로써 얻어지는 가스나, 상온 상압 하에서 기체 상태인 실란 원료 등이다. 본 명세서에서 「원료」라는 말을 사용한 경우에는, 「액체 상태인 액체 원료」를 의미하는 경우, 「기체 상태인 원료 가스」를 의미하는 경우, 또는 그들 양쪽을 의미하는 경우가 있다.
실란 원료 가스로서는, 예를 들어 Si 및 아미노기(아민기)를 포함하는 원료 가스, 즉, 아미노실란 원료 가스를 사용할 수 있다. 아미노실란 원료란, 아미노기를 갖는 실란 원료이며, 또한 메틸기나 에틸기나 부틸기 등의 알킬기를 갖는 실란 원료이며, 적어도 Si, 질소(N) 및 탄소(C)를 포함하는 원료이다. 즉, 여기에서 말하는 아미노실란 원료는, 유기계의 원료라고도 할 수 있고, 유기 아미노실란 원료라고도 할 수 있다.
아미노실란 원료 가스로서는, 예를 들어 비스터셔리부틸아미노실란(SiH2[NH(C4H9)]2, 약칭: BTBAS) 가스를 사용할 수 있다. BTBAS는, 1분자 중에 1개의 Si를 포함하고, Si-N 결합, N-C 결합을 갖고, Si-C 결합을 갖지 않는 원료 가스라고도 할 수 있다. BTBAS 가스는, Si 소스로서 작용한다.
BTBAS와 같이 상온 상압 하에서 액체 상태인 액체 원료를 사용하는 경우에는, 액체 상태의 원료를 기화기나 버블러 등의 기화 시스템에 의해 기화하여, 실란 원료 가스(BTBAS 가스 등)로서 공급하게 된다.
가스 공급관(232b)으로부터는, 원료와는 화학 구조가 상이한 반응체(리액턴트)로서, 예를 들어 산소(O) 함유 가스가, MFC(241b), 밸브(243b), 노즐(249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다.
O 함유 가스는, 산화제(산화 가스), 즉, O 소스로서 작용한다. O 함유 가스로서는, 예를 들어 산소(O2) 가스나 수증기(H2O 가스) 등을 사용할 수 있다. 산화제로서 O2 가스를 사용하는 경우에는, 예를 들어 후술하는 플라즈마원을 사용해서 이 가스를 플라즈마 여기하여, 플라즈마 여기 가스(O2 * 가스)로서 공급하게 된다.
가스 공급관(232c, 232d)으로부터는, 불활성 가스로서, 예를 들어 질소(N2) 가스가, 각각 MFC(241c, 241d), 밸브(243c, 243d), 가스 공급관(232a, 232b), 노즐(249a, 249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다.
주로, 가스 공급관(232a), MFC(241a), 밸브(243a)에 의해, 제1 가스 공급계로서의 원료 공급계가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232b), MFC(241b), 밸브(243b)에 의해, 제2 가스 공급계로서의 반응체 공급계(리액턴트 공급계)가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232c, 232d), MFC(241c, 241d), 밸브(243c, 243d)에 의해, 불활성 가스 공급계가 구성된다. 원료 공급계, 반응체 공급계 및 불활성 가스 공급계를 간단히 가스 공급계(가스 공급부)라고도 칭한다.
(기판 지지구)
도 1에 도시한 바와 같이 기판 지지구로서의 보트(217)는, 복수매, 예를 들어 25 내지 200매의 웨이퍼(200)를, 수평 자세로 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 수직 방향으로 정렬시켜서 다단으로 지지하도록, 즉, 간격을 두고 배열시키도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어진다. 보트(217)의 하부에는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어지는 단열판(218)이 다단으로 지지되어 있다. 이 구성에 의해, 히터(207)로부터의 열이 시일 캡(219)측에 전해지기 어렵게 되어 있다. 단, 본 실시 형태는 이와 같은 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 보트(217)의 하부에 단열판(218)을 설치하지 않고, 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어지는 통 형상의 부재로서 구성된 단열 통을 설치해도 된다.
(플라즈마 생성부)
다음으로 플라즈마 생성부에 대해서, 도 1 내지 도 3을 사용해서 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 플라즈마는 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, 약칭: CCP)를 사용하고, 반응 가스 공급 시에 석영 등으로 제작된 진공 격벽인 반응관(203)의 내부에서 생성한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 전극(300)은, 반응관(203)과 히터(207)와의 사이에, 반응관(203)의 전체 둘레를 둘러싸도록 배치되어 있다. 전극(300)에는, 고주파 전원(310)으로부터 정합기(303)를 통해서, 예를 들어 주파수 13.56MHz의 고주파가 입력된다. 전극(300)은, 주로 고주파 전원(310)에 접속된 제1 전극부(301)와, 접지된 제2 전극부(302)로 구성된다. 인접하는 제1 전극부(301)와 제2 전극부(302)와의 사이에는, 전기장(304)이 발생하고, 이 전기장에 의해 반응관(203) 내에 플라즈마가 생성된다. 여기서, 도 2에 도시한 바와 같이 전기장(304)은, 후술하는 전극간 거리(D)에 의해 최소의 전기장(304-1)이 형성되고, 동일하게 후술하는 전극 피치(제1 전극(301)과 제2 전극(302)의 중심간 거리)에 의해, 최대의 전기장(304-2)이 형성되게 된다. 환언하면, 최소의 전기장(304-1)은, 전극간 거리(D)에 의해 영향받고, 최대의 전기장(304-2)은 전극 피치에 의해 영향받아 형성된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 전극부(301)와 제2 전극부(302)는, 가스 노즐(249a, 249b)의 연장 방향과 동일한 방향으로 서로 평행하게 교대로 연장시키고 있다. 이렇게 전극(300)을 구성하고, 배치함으로써, 반응관(203) 내의 전역에 균등하게 플라즈마를 생성하는 것이 가능하게 되고, 균등하게 생성된 플라즈마에 의해, 웨이퍼(200)의 전체 둘레로부터 기판 처리를 위한 활성종을 공급하는 것이 가능하게 된다. 주로, 전극(300)(제1 전극부(301), 제2 전극부(302)), 정합기(303), 고주파 전원(310)에 의해 플라즈마 생성부가 구성된다.
여기서, 도 3에 도시한 바와 같이 제1 전극부(301)와 제2 전극부(302)와의 전극간 거리(D)는, 고주파 전원(310)에 의해 인가된 전자가 제1 전극부(301)나 제2 전극부(302)의 전극에 충돌하지 않고 왕복 운동할 수 있도록 결정할 필요가 있다. 이 때문에, 전극간 거리(D)는, 에너지 보존칙과 단진동의 식에 의해, 다음의 수학식 (1)로 결정할 수 있다. 전극간 거리(D)는, 수학식 (1)로 결정한 값 또는 그 주변 값(1/2배 이상, 2배 이하의 범위의 값)이 되도록 설정함으로써, 플라즈마의 생성 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 가령, 전극간 거리(D)를 수학식으로 결정한 값의 1/2배보다도 작게 한 경우, 전극측에서의 전자 소실이 현저해져, 플라즈마가 실활되기 쉬워진다. 또한, 전극간 거리(D)를 수학식으로 결정한 값의 2배보다도 크게 한 경우, 전자에의 전기적 작용이 현저하게 약해져, 플라즈마의 생성 효율이 나빠진다.
[수학식 1]
Figure 112017021752818-pat00001
상기의 수학식에 있어서, V는 전극간의 전압, f는 고주파 전원의 주파수, m은 전자의 질량, e/m은 전자의 비전하이다.
예를 들어, 고주파 전원의 주파수가 2MHz 이상, 60MHz 이하의 범위, 전극간의 전압이 25V 이상, 1000V 이하의 범위가 되도록 선택한 경우, 전극 간격(D)은 수학식 1에 의해 약 0.5mm 내지 94mm의 범위에서 결정할 수 있다.
전극(300)은, 알루미늄이나 구리, 스테인리스 등의 금속으로 구성할 수도 있지만, 니켈 등의 내산화 재료로 구성함으로써, 전극 표면의 전기 전도율의 열화를 억제하면서, 기판 처리가 가능하게 된다. 전극 표면의 전기 전도율의 열화를 억제함으로써, 플라즈마 생성 효율의 열화를 억제하는 것이 가능하게 된다.
종형 기판 처리 장치에 있어서, 반응실 온도를 500℃, 반응실 압력을 질소 가스 100Pa, 고주파 전원의 주파수를 13.56MHz로 하여 실시하고, 길이 1m, 전극 폭 15mm로 이루어지는 고주파 전극을 채용하여, 튜브 형상의 반응관의 외벽에 극성이 교대로 되도록, 전극 간격(D)=10mm로 복수개를 배치하여, CCP 모드의 플라즈마를 생성하였다. 또한, 반응관의 내벽과 웨이퍼와의 간극은, 동심원으로 50mm 설정하고 있다.
여기서, 기판 처리 시의 로내 압력은, 10Pa 이상, 300Pa 이하의 범위에서 제어되는 것이 바람직하다. 이것은, 로내의 압력이 10Pa보다 낮은 경우, 플라즈마의 디바이 길이보다도 가스 분자의 평균 자유 공정이 길어져, 로벽을 직접 두드리는 플라즈마가 현저화되기 때문에, 파티클의 발생을 억제하는 것이 곤란해지기 때문이다. 또한, 로내의 압력이 300Pa보다 높은 경우, 플라즈마의 생성 효율이 포화되기 때문에, 반응 가스를 공급해도 플라즈마의 생성량은 변화하지 않고, 반응 가스를 불필요하게 소비하게 되기 때문이다.
또한, 본 실시예에서의 전극 피치는, 반응관의 두께(t)의 2배 이상, 웨이퍼 주연부와 반응관 외벽과의 거리의 2배 이하가 되도록 설정되는 것이 바람직하고, 구체적으로는 10mm 이상, 110mm 이하의 범위에서 설정되어 전극을 구성하는 것이 바람직하다. 이것은, 도 2에 도시한 바와 같이 전극 피치를 반응관의 두께(t)의 2배보다도 작게 설정한 경우, 전극간에 고주파 전압을 인가해서 발생하는 모든 전기장(304)이, 반응관의 직경 방향에 있어서 반응관의 두께보다도 짧아지게 된다. 즉, 반응관의 내측에 전기장(304)이 형성되지 않게 되어, 발생하는 플라즈마가 반응관 표면에서 연면 방전하기 쉬워지기 때문에, 플라즈마의 생성 효율이 저하되기 때문이다. 또한, 전극 피치를 웨이퍼 주연부와 반응관 외벽과의 거리의 2배보다도 크게 설정한 경우, 상기 전기장(304)이 반응관의 직경 방향에 있어서 길어져, 전기장(304)이 웨이퍼 주연부에 도달해서 전극과 웨이퍼 주연부의 사이에서 플라즈마가 발생하기 쉬워진다. 전극과 웨이퍼 주연부의 사이에 플라즈마가 발생하면, 웨이퍼에 있어서 플라즈마 대미지가 발생하여, 막질이 저하되기 때문이다.
고주파 전원의 주파수는, 플라즈마 중을 왕복 운동하고 있는 전자가 제1 전극(301)과 제2 전극(302) 각각에 충돌하지 않고 진동할 수 있는 진동 진폭을 갖는 주파수로 설정할 필요가 있다. 에너지 보존칙과 단진동의 공식에 의해, 전자가 전극에 충돌하지 않고 진동할 수 있는 최소의 진동수(f0)는, 이하의 수학식 2로 나타낼 수 있다. 또한, 진동 진폭의 최댓값(X)은, 전극 중앙간을 연결한 고주파 전압(V)의 전기력선의 절반에 상당하고, e/m은, 수학식 1과 마찬가지로 전자의 비전하이다. 고주파 전원의 주파수가 최소의 진동수(f0)의 값 이상이면, 전극측에서의 소실되지 않는 전자를 확보할 수 있기 때문에, 플라즈마 생성 효율의 향상을 기대할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017021752818-pat00002
전극간의 전압에 의해 만들어지는 전기장은, 유전체나 플라즈마 차폐 등의 효과에 의해 약화될 수 있기 때문에, 유전체 및 플라즈마 차폐의 내측에서의 전압은 내려가게 된다. 따라서, 수학식 1, 수학식 2에서, 반응관의 비유전율(εr)이나 플라즈마의 디바이 차폐를 고려한 경우, 전극간의 전압(V)에 대하여 다음의 보정이 필요하게 된다.
[수학식 3]
Figure 112017021752818-pat00003
상기 수학식에 있어서, t는 반응관의 두께, exp(1)은 네이피어수(자연대수의 밑)이다. 후술하는 본 실시예에서, 최소 진동수(f0)는, 최대 전압(V)=1000V일 때 4.5MHz이며, 예를 들어 상술한 고주파 전원의 주파수 13.56MHz의 경우, 최소 진동수(f0) 이상이므로, 효율이 좋은 플라즈마 생성이 가능하게 된다.
이렇게 전극간 거리(D)를 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3에 의해 결정함으로써, 플라즈마의 생성 효율을 향상시키는 것이 가능하게 되고, 웨이퍼 처리의 균일성을 향상시키면서, 웨이퍼 처리의 속도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
(배기부)
반응관(203)에는, 도 1에 도시한 바와 같이 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 설치되어 있다. 배기관(231)에는, 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245) 및 배기 밸브(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(244)를 통해서, 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속되어 있다. APC 밸브(244)는, 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐함으로써, 처리실(201) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서, 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 밸브 개방도를 조절함으로써, 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있도록 구성되어 있는 밸브이다. 주로, 배기관(231), APC 밸브(244), 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함해서 생각해도 된다. 배기관(231)은, 반응관(203)에 설치하는 경우에 한하지 않고, 노즐(249a, 249b)과 마찬가지로 매니폴드(209)에 설치해도 된다.
(주변 장치)
매니폴드(209)의 하방에는, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 시일 캡(219)이 설치되어 있다. 시일 캡(219)은, 매니폴드(209)의 하단에 수직 방향 하측으로부터 맞닿아지도록 구성되어 있다. 시일 캡(219)은, 예를 들어 SUS 등의 금속으로 이루어지고, 원반 형상으로 형성되어 있다. 시일 캡(219)의 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 맞닿는 시일 부재로서의 O링(220b)이 설치되어 있다.
시일 캡(219)의 처리실(201)과 반대측에는, 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치되어 있다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은, 시일 캡(219)을 관통해서 보트(217)에 접속되어 있다. 회전 기구(267)는, 보트(217)를 회전시킴으로써 웨이퍼(200)를 회전시키도록 구성되어 있다. 시일 캡(219)은, 반응관(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 시일 캡(219)을 승강시킴으로써, 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.
보트 엘리베이터(115)는, 보트(217), 즉 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반송하는 반송 장치(반송 기구)로서 구성되어 있다. 또한, 매니폴드(209)의 하방에는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 시일 캡(219)을 강하시키고 있는 동안에, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 셔터(219s)가 설치되어 있다. 셔터(219s)는, 예를 들어 SUS 등의 금속에 의해 구성되고, 원반 형상으로 형성되어 있다. 셔터(219s)의 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 맞닿는 시일 부재로서의 O링(220c)이 설치되어 있다. 셔터(219s)의 개폐 동작(승강 동작이나 회동 동작 등)은, 셔터 개폐 기구(115s)에 의해 제어된다.
반응관(203)의 내부에는, 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되어 있다. 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)에의 통전 상태를 조정함으로써, 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포로 된다. 온도 센서(263)는, 노즐(249a, 249b)과 마찬가지로, 반응관(203)의 내벽을 따라 설치되어 있다.
(제어 장치)
다음으로 제어 장치에 대해서 도 4를 사용해서 설명한다. 도 4는, 도 1에 도시하는 기판 처리 장치에 있어서의 컨트롤러의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 제어부(제어 장치)인 컨트롤러(121)는, CPU(Central Processing Unit)(121a), RAM(Random Access Memory)(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성되어 있다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는, 내부 버스(121e)를 통해서, CPU(121a)와 데이터 교환 가능하도록 구성되어 있다. 컨트롤러(121)에는, 예를 들어 터치 패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속되어 있다.
기억 장치(121c)는, 예를 들어 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성되어 있다. 기억 장치(121c) 내에는, 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 후술하는 성막 처리의 수순이나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이, 판독 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 각종 처리(성막 처리)에 있어서의 각 수순을 컨트롤러(121)에 실행시켜, 소정의 결과를 얻을 수 있게 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 프로세스 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여, 간단히, 프로그램이라고도 한다. 또한, 프로세스 레시피를, 간단히, 레시피라고도 한다. 본 명세서에서 프로그램이라는 말을 사용한 경우에는, 레시피 단체만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 그들 양쪽을 포함하는 경우가 있다. RAM(121b)은, CPU(121a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 유지되는 메모리 영역(워크 에리어)으로서 구성되어 있다.
I/O 포트(121d)는, 상술한 MFC(241a 내지 241d), 밸브(243a 내지 243d), 압력 센서(245), APC 밸브(244), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115), 셔터 개폐 기구(115s), 고주파 전원(310) 등에 접속되어 있다.
CPU(121a)는, 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행함과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라서 기억 장치(121c)로부터 레시피를 판독하도록 구성되어 있다. CPU(121a)는, 판독한 레시피의 내용을 따르도록, 회전 기구(267)의 제어, MFC(241a 내지 241d)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(243a 내지 243d)의 개폐 동작, APC 밸브(244)의 개폐 동작 및 압력 센서(245)에 기초하는 APC 밸브(244)에 의한 압력 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 정역 회전, 회전 각도 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 셔터 개폐 기구(115s)에 의한 셔터(219s)의 개폐 동작, 고주파 전원(310)의 전력 공급 등을 제어하도록 구성되어 있다.
컨트롤러(121)는, 외부 기억 장치(예를 들어, 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리 등의 반도체 메모리)(123)에 저장된 상술한 프로그램을, 컴퓨터에 인스톨함으로써 구성할 수 있다. 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성되어 있다. 이하, 이들을 총칭하여, 간단히, 기록 매체라고도 한다. 본 명세서에서 기록 매체라는 말을 사용한 경우에는, 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그들 양쪽을 포함하는 경우가 있다.
(2) 기판 처리 공정
상술한 기판 처리 장치를 사용하여, 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판 상에 막을 형성하는 프로세스 예에 대해서, 도 5를 사용해서 설명한다. 이하의 설명에서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
본 명세서에서는, 도 5에 도시하는 성막 처리의 시퀀스를, 편의상, 이하와 같이 나타내는 경우도 있다. 이하의 변형예나 다른 실시 형태의 설명에서도, 마찬가지의 표기를 사용하는 것으로 한다.
(BTBAS→O2 *)×n ⇒ SiO
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체」를 의미하는 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등과의 적층체(집합체)」를 의미하는 경우, 즉, 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등을 포함해서 웨이퍼라 칭하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면(노출면)」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면, 즉, 적층체로서의 웨이퍼의 최표면」을 의미하는 경우가 있다.
따라서, 본 명세서에서 「웨이퍼에 대하여 소정의 가스를 공급한다」라고 기재한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면(노출면)에 대하여 소정의 가스를 직접 공급한다」는 것을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성되어 있는 층이나 막 등에 대하여, 즉, 적층체로서의 웨이퍼의 최표면에 대하여 소정의 가스를 공급한다」는 것을 의미하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에서 「웨이퍼 상에 소정의 층(또는 막)을 형성한다」라고 기재한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면(노출면) 상에 소정의 층(또는 막)을 직접 형성한다」는 것을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성되어 있는 층이나 막 등의 위, 즉, 적층체로서의 웨이퍼의 최표면 상에 소정의 층(또는 막)을 형성한다」는 것을 의미하는 경우가 있다.
또한, 본 명세서에서 「기판」이라는 말을 사용한 경우도, 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우와 동의이다.
(반입 스텝: S1)
복수매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 셔터 개폐 기구(115s)에 의해 셔터(219s)가 이동되어, 매니폴드(209)의 하단 개구가 개방된다(셔터 오픈). 그 후, 도 1에 도시한 바와 같이, 복수매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서, 시일 캡(219)은, O링(220b)을 통해서 매니폴드(209)의 하단을 시일한 상태가 된다.
(압력·온도 조정 스텝: S2)
처리실(201)의 내부, 즉, 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)으로 되도록, 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기(감압 배기)된다. 이때, 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(244)가 피드백 제어된다. 진공 펌프(246)는, 적어도 후술하는 성막 스텝이 종료될 때까지의 동안에는 항상 작동시킨 상태를 유지한다.
또한, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)가 원하는 온도로 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때, 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포로 되도록, 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)에의 통전 상태가 피드백 제어된다. 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은, 적어도 후술하는 성막 스텝이 종료될 때까지의 동안에는 계속해서 행하여진다. 단, 성막 스텝을 실온 이하의 온도 조건 하에서 행하는 경우에는, 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은 행하지 않아도 된다. 또한, 이러한 온도 조건 하에서의 처리만을 행하는 경우에는, 히터(207)는 불필요하게 되어, 히터(207)를 기판 처리 장치에 설치하지 않아도 된다. 이 경우, 기판 처리 장치의 구성을 간소화할 수 있다.
계속해서, 회전 기구(267)에 의한 보트(217) 및 웨이퍼(200)의 회전을 개시한다. 회전 기구(267)에 의한 보트(217) 및 웨이퍼(200)의 회전은, 적어도 후술하는 성막 스텝이 종료될 때까지의 동안에는 계속해서 행하여진다.
(성막 스텝: S3, S4, S5, S6)
그 후, 스텝 S3, S4, S5, S6을 순차적으로 실행함으로써 성막 스텝을 행한다.
(원료 가스 공급 스텝: S3, S4)
스텝 S3에서는, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)에 대하여 BTBAS 가스를 공급한다.
밸브(243a)를 개방하여, 가스 공급관(232a) 내에 BTBAS 가스를 흘린다. BTBAS 가스는, MFC(241a)에 의해 유량 조정되어, 노즐(249a)을 통해서 가스 공급 구멍(250a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 BTBAS 가스가 공급되게 된다. 이때 동시에 밸브(243c)를 개방하여, 가스 공급관(232c) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는, MFC(241c)에 의해 유량 조정되어, BTBAS 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다.
또한, 노즐(249b) 내에의 BTBAS 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(243d)를 개방하여, 가스 공급관(232d) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는, 가스 공급관(232b), 노즐(249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
MFC(241a)로 제어하는 BTBAS 가스의 공급 유량은, 예를 들어 1sccm 이상, 2000sccm 이하, 바람직하게는 10sccm 이상, 1000sccm 이하의 범위 내의 유량으로 한다. MFC (241c, 241d)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 100sccm 이상, 10000sccm 이하의 범위 내의 유량으로 한다. 처리실(201) 내의 압력은, 상술한 바와 같이, 예를 들어 1Pa 이상, 2666Pa 이하, 바람직하게는 67Pa 이상, 1333Pa 이하의 범위 내의 압력으로 한다. BTBAS 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 1초 이상, 100초 이하, 바람직하게는 1초 이상, 50초 이하의 범위 내의 시간으로 한다.
히터(207)의 온도는, 웨이퍼(200)의 온도가, 예를 들어 0℃ 이상 150℃ 이하, 바람직하게는 실온(25℃) 이상 100℃ 이하, 보다 바람직하게는 40℃ 이상 90℃ 이하의 범위 내의 온도가 되는 온도로 설정한다. BTBAS 가스는, 웨이퍼(200) 등에 흡착되기 쉬워 반응성이 높은 가스이다. 이 때문에, 예를 들어 실온 정도의 저온 하이어도, 웨이퍼(200) 상에 BTBAS 가스를 화학 흡착시킬 수 있어, 실용적인 성막 레이트를 얻을 수 있다. 본 실시 형태와 같이, 웨이퍼(200)의 온도를 150℃ 이하, 나아가 100℃ 이하, 나아가 90℃ 이하로 함으로써, 웨이퍼(200)에 가해지는 열량을 저감시킬 수 있어, 웨이퍼(200)가 받는 열 이력의 제어를 양호하게 행할 수 있다. 또한, 0℃ 이상의 온도라면, 웨이퍼(200) 상에 BTBAS를 충분히 흡착시킬 수 있어, 충분한 성막 레이트가 얻어지게 된다. 따라서, 웨이퍼(200)의 온도는 0℃ 이상 150℃ 이하, 바람직하게는 실온 이상 100℃ 이하, 보다 바람직하게는 40℃ 이상 90℃ 이하의 범위 내의 온도로 하는 것이 좋다.
상술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 BTBAS 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(200)(표면의 하지막) 상에 예를 들어 1 원자층(1 분자층) 미만 내지 수 원자층(수 분자층) 정도의 두께의 Si 함유층이 형성된다. Si 함유층은 Si층이어도 되고, BTBAS의 흡착층이어도 되고, 그들 양쪽을 포함하고 있어도 된다.
Si층이란, Si에 의해 구성되는 연속적인 층 외에, 불연속인 층이나, 이들이 겹쳐서 생긴 Si 박막도 포함하는 총칭이다. Si층을 구성하는 Si는, 아미노기와의 결합이 완전히 끊어져 있지 않은 것이나, H와의 결합이 완전히 끊어져 있지 않은 것도 포함한다.
BTBAS의 흡착층은, BTBAS 분자로 구성되는 연속적인 흡착층 외에, 불연속인 흡착층도 포함한다. BTBAS의 흡착층을 구성하는 BTBAS 분자는, Si와 아미노기와의 결합이 일부 끊어진 것이나, Si와 H와의 결합이 일부 끊어진 것이나, N과 C와의 결합이 일부 끊어진 것 등도 포함한다. 즉, BTBAS의 흡착층은, BTBAS의 물리 흡착층이어도 되고, BTBAS의 화학 흡착층이어도 되고, 그들 양쪽을 포함하고 있어도 된다.
여기서, 1 원자층(1 분자층) 미만의 두께의 층이란 불연속으로 형성되는 원자층(분자층)을 의미하고 있고, 1 원자층(1 분자층)의 두께의 층이란 연속적으로 형성되는 원자층(분자층)을 의미하고 있다. Si 함유층은, Si층과 BTBAS의 흡착층을 모두 포함할 수 있다. 단, 상술한 바와 같이, Si 함유층에 대해서는 「1 원자층」, 「수 원자층」 등의 표현을 사용하는 것으로 하고, 「원자층」을 「분자층」과 동의로 사용한다.
BTBAS가 자기분해(열분해)하는 조건 하, 즉, BTBAS의 열분해 반응이 발생하는 조건 하에서는, 웨이퍼(200) 상에 Si가 퇴적됨으로써 Si층이 형성된다. BTBAS가 자기분해(열분해)하지 않는 조건 하, 즉, BTBAS의 열분해 반응이 발생하지 않는 조건 하에서는, 웨이퍼(200) 상에 BTBAS가 흡착됨으로써 BTBAS의 흡착층이 형성된다. 단, 본 실시 형태에서는, 웨이퍼(200)의 온도를 예를 들어 150℃ 이하의 저온으로 하고 있으므로, BTBAS의 열분해는 발생하기 어렵다. 결과로서, 웨이퍼(200) 상에는, Si층이 아니라, BTBAS의 흡착층이 더 형성되기 쉬워진다.
웨이퍼(200) 상에 형성되는 Si 함유층의 두께가 수 원자층을 초과하면, 후술하는 개질 처리에서의 개질의 작용이 Si 함유층의 전체에 미치지 않게 된다. 또한, 웨이퍼(200) 상에 형성 가능한 Si 함유층의 두께의 최솟값은 1 원자층 미만이다. 따라서, Si 함유층의 두께는 1 원자층 미만 내지 수 원자층 정도로 하는 것이 바람직하다. Si 함유층의 두께를 1 원자층 이하, 즉, 1 원자층 또는 1 원자층 미만으로 함으로써, 후술하는 개질 처리에서의 개질의 작용을 상대적으로 높일 수 있어, 개질 처리의 개질 반응에 요하는 시간을 단축할 수 있다. 또한, 성막 처리의 Si 함유층의 형성에 요하는 시간을 단축할 수도 있다. 결과로서, 1 사이클당 처리 시간을 단축할 수 있어, 전체적인 처리 시간을 단축하는 것도 가능하게 된다. 즉, 성막 레이트를 높게 하는 것도 가능하게 된다. 또한, Si 함유층의 두께를 1 원자층 이하로 함으로써, 막 두께 균일성의 제어성을 높이는 것도 가능하게 된다.
Si 함유층이 형성된 후, 밸브(243a)를 폐쇄하여, 처리실(201) 내에의 BTBAS 가스의 공급을 정지한다. 이때, APC 밸브(244)를 개방한 채 그대로 두고, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응의 BTBAS 가스 또는 Si 함유층의 형성에 기여한 후의 BTBAS 가스나 반응 부생성물 등을 처리실(201) 내로부터 배제한다(S4). 또한, 밸브(243c, 243d)는 개방한 채 그대로 두고, 처리실(201) 내에의 N2 가스의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용한다. 또한, 이 스텝 S4를 생략하고, 원료 가스 공급 스텝으로 해도 된다.
원료 가스로서는, BTBAS 가스 이외에, 테트라키스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]4, 약칭: 4DMAS) 가스, 트리스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]3H, 약칭: 3DMAS) 가스, 비스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]2H2, 약칭: BDMAS) 가스, 비스디에틸아미노실란(Si[N(C2H5)2]2H2, 약칭: BDEAS) 가스 등을 적합하게 사용할 수 있다. 그 밖에, 원료 가스로서는, 디메틸아미노실란(DMAS) 가스, 디에틸아미노실란(DEAS) 가스, 디프로필아미노실란(DPAS) 가스, 디이소프로필아미노실란(DIPAS) 가스, 부틸아미노실란(BAS) 가스, 헥사메틸디실라잔(HMDS) 가스 등의 각종 아미노실란 원료 가스나, 모노클로로실란(SiH3Cl, 약칭: MCS) 가스, 디클로로실란(SiH2Cl2, 약칭: DCS) 가스, 트리클로로실란(SiHCl3, 약칭: TCS) 가스, 테트라클로로실란, 즉 실리콘테트라클로라이드(SiCl4, 약칭: STC) 가스, 헥사클로로디실란(Si2Cl6, 약칭: HCDS) 가스, 옥타클로로트리실란(Si3Cl8, 약칭: OCTS) 가스 등의 무기계 할로실란 원료 가스나, 모노실란(SiH4, 약칭: MS) 가스, 디실란(Si2H6, 약칭: DS) 가스, 트리실란(Si3H8, 약칭: TS) 가스 등의 할로겐기 비함유의 무기계 실란 원료 가스를 적합하게 사용할 수 있다.
불활성 가스로서는, N2 가스 외에, Ar 가스, He 가스, Ne 가스, Xe 가스 등의 희가스를 사용할 수 있다.
(반응 가스 공급 스텝: S5, S6)
성막 처리가 종료된 후, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)에 대하여 반응 가스로서의 플라즈마 여기시킨 O2 가스를 공급한다(S5).
이 스텝에서는, 밸브(243b 내지 243d)의 개폐 제어를, 스텝 S3에서의 밸브(243a, 243c, 243d)의 개폐 제어와 마찬가지의 수순으로 행한다. O2 가스는, MFC(241b)에 의해 유량 조정되어, 노즐(249b)을 통해서 가스 공급 구멍(250b)으로부터 처리실(201) 내에 공급된다. 이때, 고주파 전원(310)으로부터 전극(300)에 고주파 전력(본 실시 형태에서는 주파수 13.56MHz)을 공급(인가)한다. 처리실(201) 내에 공급된 O2 가스는 처리실(201)의 내부에서 플라즈마 상태로 여기되어, 활성종(O2 *)으로서 가스 공급 구멍(250c)을 통해서 웨이퍼(200)에 대하여 공급되고, 배기관(231)으로부터 배기된다. 또한, 플라즈마 상태로 여기된 O2 가스를, 산소 플라즈마라고도 칭한다.
MFC(241b)로 제어하는 O2 가스의 공급 유량은, 예를 들어 100sccm 이상, 10000sccm 이하의 범위 내의 유량으로 한다. 고주파 전원(310)으로부터 전극(300)에 인가하는 고주파 전력은, 예를 들어 50W 이상, 1000W 이하의 범위 내의 전력으로 한다. 처리실(201) 내의 압력은, 예를 들어 10Pa 이상, 300Pa 이하의 범위 내의 압력으로 한다. 플라즈마를 사용함으로써 처리실(201) 내의 압력을 이러한 비교적 낮은 압력대로 해도, O2 가스를 활성화시키는 것이 가능하게 된다. O2 가스를 플라즈마 여기함으로써 얻어진 활성종을 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 1초 이상, 100초 이하, 바람직하게는 1초 이상, 50초 이하의 범위 내의 시간으로 한다. 그 밖의 처리 조건은, 상술한 스텝 S3과 마찬가지의 처리 조건으로 한다.
산소 플라즈마 중에서 생성된 이온과 전기적으로 중성인 활성종은, 웨이퍼(200)의 표면에 형성된 Si 함유층에 대하여 후술하는 산화 처리를 행한다.
상술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 O2 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(200) 상에 형성된 Si 함유층이 플라즈마 산화된다. 이때, 플라즈마 여기된 O2 가스의 에너지에 의해, Si 함유층이 갖는 Si-N 결합, Si-H 결합이 절단된다. Si와의 결합을 분리된 N, H, 및 N에 결합하는 C는, Si 함유층으로부터 탈리하게 된다. 그리고, N 등이 탈리됨으로써 미결합손(댕글링 본드)을 갖게 된 Si 함유층 중의 Si가, O2 가스에 포함되는 O와 결합하여, Si-O 결합이 형성되게 된다. 이 반응이 진행됨으로써, Si 함유층은, Si 및 O를 포함하는 층, 즉, 실리콘 산화층(SiO층)으로 변화된다(개질된다).
또한, Si 함유층을 SiO층으로 개질시키기 위해서는, O2 가스를 플라즈마 여기시켜서 공급할 필요가 있다. O2 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 공급해도, 상술한 온도대에서는, Si 함유층을 산화시키는데 필요한 에너지가 부족하여, Si 함유층으로부터 N이나 C를 충분히 탈리시키거나, Si 함유층을 충분히 산화시켜서 Si-O 결합을 증가시키거나 하는 것은, 곤란하기 때문이다.
Si 함유층을 SiO층으로 변화시킨 후, 밸브(243b)를 폐쇄하여, O2 가스의 공급을 정지한다. 또한, 전극(300)에의 고주파 전력의 공급을 정지한다. 그리고, 스텝 S4와 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 O2 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다(S6). 또한, 이 스텝 S6을 생략하고 반응 가스 공급 스텝으로 해도 된다.
산화제, 즉, 플라즈마 여기시키는 O 함유 가스로서는, O2 가스 외에, 아산화질소(N2O) 가스, 일산화질소(NO) 가스, 이산화질소(NO2) 가스, 오존(O3) 가스, 과산화수소(H2O2) 가스, 수증기(H2O 가스), 일산화탄소(CO) 가스, 이산화탄소(CO2) 가스 등을 사용해도 된다.
불활성 가스로서는, N2 가스 외에, 예를 들어 스텝 S4에서 예시한 각종 희가스를 사용할 수 있다.
(소정 횟수 실시: S7)
상술한 S3, S4, S5, S6을 이 순서에 따라 비동시로, 즉, 동기시키지 않고 행하는 것을 1 사이클로 하고, 이 사이클을 소정 횟수(n회), 즉, 1회 이상 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 소정 조성 및 소정 막 두께의 SiO막을 형성할 수 있다. 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다. 즉, 1 사이클당 형성되는 SiO층의 두께를 원하는 막 두께보다도 작게 하고, SiO층을 적층함으로써 형성되는 SiO막의 막 두께가 원하는 막 두께로 될 때까지, 상술한 사이클을 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
(대기압 복귀 스텝: S8)
상술한 성막 처리가 완료되면, 가스 공급관(232c, 232d) 각각으로부터 불활성 가스로서의 N2 가스를 처리실(201) 내에 공급하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. 이에 의해, 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어, 처리실(201) 내에 잔류하는 O2 가스 등이 처리실(201) 내로부터 제거된다(불활성 가스 퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀: S8).
(반출 스텝: S9)
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 시일 캡(219)이 하강되어, 매니폴드(209)의 하단이 개구됨과 함께, 처리가 끝난 웨이퍼(200)가, 보트(217)에 지지된 상태에서 매니폴드(209)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부로 반출(보트 언로드)된다. 보트 언로드의 후에는 셔터(219s)가 이동되어, 매니폴드(209)의 하단 개구가 O링(220c)을 통해서 셔터(219s)에 의해 시일된다(셔터 클로즈). 처리가 끝난 웨이퍼(200)는, 반응관(203)의 외부로 반출된 후, 보트(217)로부터 취출되게 된다(웨이퍼 디스차지). 또한, 웨이퍼 디스차지의 후에는 처리실(201) 내에 빈 보트(217)를 반입하도록 해도 된다.
(3) 본 실시 형태에 의한 효과
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과가 얻어진다.
(a) 전극을 반응관의 전체 둘레에 배치함으로써, 웨이퍼 전체 둘레로부터 균일하게 활성종을 공급하는 것이 가능하게 되기 때문에, 웨이퍼에 도달하는 활성종의 양을 증대시키는 것이 가능하게 되어, 웨이퍼 처리의 균일성을 향상시키면서, 웨이퍼 처리의 처리 속도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
(b) 전극의 전극간 거리를 소정의 수학식에 의해 결정한 일정한 값으로 함으로써, 플라즈마의 생성 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 플라즈마의 생성 효율이 향상되기 때문에, 웨이퍼 처리의 균일성을 향상시키면서, 웨이퍼 처리의 처리 속도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
(c) 전극을 처리실의 외측에 설치함으로써, 반응관 내의 구조를 변경할 필요가 없어지기 때문에, 처리실의 파티클이나 금속 오염 등의 생성을 억제하는 것이 가능하게 된다.
(d) 전극을 내산화 재료로 구성함으로써 전극 표면의 산화를 경감할 수 있어, 전기 전도율의 열화를 억제 가능하게 된다.
(4) 변형예
본 실시 형태에서의 기판 처리 공정은, 상술한 형태에 한정되지 않고, 이하에 나타내는 변형예와 같이 변경할 수 있다.
(변형예 1)
도 6에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서의 변형예 1은, 가스 공급 구멍(250a, 250b)이 각각, 반응관(203)의 내벽을 향하도록, 즉, 웨이퍼(200)측이 아니라 전극(300)측을 향하도록 개구되어 있어, 웨이퍼(200)와는 반대측에 가스를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 그리고, 반응관(203) 내에서의 가스의 주된 흐름을, 웨이퍼(200)의 표면과 평행한 방향, 즉, 수평 방향이 되도록 가스 공급 유량과 가스 배기량을 제어한다. 이렇게 구성함으로써, 반응 가스를 전기장(304)을 향해서 공급하게 되어, 플라즈마를 효율적으로 생성하는 것이 가능하게 되어, 웨이퍼(200)에 활성종을 생성하기 쉬워진다.
(변형예 2)
또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서의 변형예 2는, 반응관(203) 내벽에 요철을 형성함으로써, 반응관(203) 내벽의 표면적을 확대하도록 구성하고 있다. 이렇게 구성함으로써, 운동 에너지가 높은 활성종의 밀도를 저감시키는 것이 가능하게 되어, 반응관(203) 내를 운동 에너지가 낮은 활성종의 공급량을 많게 하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 7의 (a)의 내벽에는 반구 형상의 오목부(203a)가 형성되어 있다. 도 7의 (b)의 내벽에는, 반구 형상의 볼록부(203b)가 형성되어 있다. 도 7의 (c)의 내벽에는, 사각형의 볼록부(203c)가 형성되어 있다. 도 7의 (d)의 내벽에는, 뿔체 형상의 볼록부(203d)가 형성되어 있다. 도 7의 (e)의 내벽에는, 원뿔대 형상의 볼록부(203e)가 형성되어 있다. 또한, 전극(300)의 표면도 마찬가지로, 요철을 형성해도 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능하다.
또한, 예를 들어 상술한 실시 형태에서는, 원료를 공급한 후에 반응체를 공급하는 예에 대해서 설명하였다. 본 발명은 이러한 형태에 한정되지 않고, 원료, 반응체의 공급 순서는 반대이어도 된다. 즉, 반응체를 공급한 후에 원료를 공급하도록 해도 된다. 공급 순서를 바꿈으로써, 형성되는 막의 막질이나 조성비를 변화시키는 것이 가능하게 된다.
상술한 실시 형태 등에서는, 웨이퍼(200) 상에 SiO막을 형성하는 예에 대해서 설명하였다. 본 발명은 이러한 형태에 한정되지 않고, 웨이퍼(200) 상에 실리콘 산탄화막(SiOC막), 실리콘 산탄질화막(SiOCN막), 실리콘 산질화막(SiON막) 등의 Si계 산화막을 형성하는 경우에도, 적합하게 적용 가능하다.
예를 들어, 상술한 가스 외에, 또는, 이들 가스에 더하여, 암모니아(NH3) 가스 등의 질소(N) 함유 가스, 프로필렌(C3H6) 가스 등의 탄소(C) 함유 가스, 삼염화붕소(BCl3) 가스 등의 붕소(B) 함유 가스 등을 사용해서, 예를 들어 SiN막, SiON막, SiOCN막, SiOC막, SiCN막, SiBN막, SiBCN막, BCN막 등을 형성할 수 있다. 또한, 각 가스를 흘리는 순서는 적절히 변경할 수 있다. 이들 성막을 행하는 경우에 있어서도, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 처리 조건에서 성막을 행할 수 있고, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 이들의 경우, 반응 가스로서의 산화제에는, 상술한 반응 가스를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 웨이퍼(200) 상에 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등의 금속 원소를 포함하는 금속계 산화막이나 금속계 질화막을 형성하는 경우에 있어서도, 적합하게 적용 가능하다. 즉, 본 발명은, 웨이퍼(200) 상에 TiO막, TiOC막, TiOCN막, TiON막, TiN막, TiBN막, TiBCN막, ZrO막, ZrOC막, ZrOCN막, ZrON막, ZrN막, ZrBN막, ZrBCN막, HfO막, HfOC막, HfOCN막, HfON막, HfN막, HfBN막, HfBCN막, TaO막, TaOC막, TaOCN막, TaON막, TaN막, TaBN막, TaBCN막, NbO막, NbOC막, NbOCN막, NbON막, NbN막, NbBN막, NbBCN막, AlO막, AlOC막, AlOCN막, AlON막, AlN막, AlBN막, AlBCN막, MoO막, MoOC막, MoOCN막, MoON막, MoN막, MoBN막, MoBCN막, WO막, WOC막, WOCN막, WON막, WN막, WBN막, WBCN막 등을 형성하는 경우에도, 적합하게 적용하는 것이 가능하게 된다.
이들의 경우, 예를 들어 원료 가스로서, 테트라키스(디메틸아미노)티타늄(Ti[N(CH3)2]4, 약칭: TDMAT) 가스, 테트라키스(에틸메틸아미노)하프늄(Hf[N(C2H5)(CH3)]4, 약칭: TEMAH) 가스, 테트라키스(에틸메틸아미노)지르코늄(Zr[N(C2H5)(CH3)]4, 약칭: TEMAZ) 가스, 트리메틸알루미늄(Al(CH3)3, 약칭: TMA) 가스, 티타늄테트라클로라이드(TiCl4) 가스, 하프늄테트라클로라이드(HfCl4) 가스 등을 사용할 수 있다.
즉, 본 발명은 반금속 원소를 포함하는 반금속계 막이나 금속 원소를 포함하는 금속계 막을 형성하는 경우에, 적합하게 적용할 수 있다. 이들 성막 처리의 처리 수순, 처리 조건은, 상술한 실시 형태나 변형예에 나타내는 성막 처리와 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건으로 할 수 있다. 이들 경우에 있어서도, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
성막 처리에 사용되는 레시피는, 처리 내용에 따라 개별로 준비하여, 전기 통신 회선이나 외부 기억 장치(123)를 통해서 기억 장치(121c) 내에 저장해 두는 것이 바람직하다. 그리고, 각종 처리를 개시할 때, CPU(121a)가, 기억 장치(121c) 내에 저장된 복수의 레시피 중에서 처리 내용에 따라 적정한 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 1대의 기판 처리 장치에서 다양한 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 박막을 범용적으로, 또한 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한, 오퍼레이터의 부담을 저감할 수 있어, 조작 미스를 회피하면서, 각종 처리를 신속하게 개시할 수 있게 된다.
상술한 레시피는, 새롭게 작성하는 경우에 한하지 않고, 예를 들어 기판 처리 장치에 이미 인스톨되어 있던 기존의 레시피를 변경함으로써 준비해도 된다. 레시피를 변경하는 경우에는, 변경 후의 레시피를, 전기 통신 회선이나 당해 레시피를 기록한 기록 매체를 통해서, 기판 처리 장치에 인스톨해도 된다. 또한, 기존의 기판 처리 장치가 구비하는 입출력 장치(122)를 조작하여, 기판 처리 장치에 이미 인스톨되어 있던 기존의 레시피를 직접 변경하도록 해도 된다.
200 : 웨이퍼 201 : 처리실
203 : 반응관 207 : 히터(가열 장치)
217 : 보트
232a, 232b, 232c, 232d : 가스 공급관
249a, 249b : 노즐 250a, 250b, 250c : 가스 공급 구멍
300 : 전극 310 : 고주파 전원

Claims (11)

  1. 기판을 처리하는 처리실을 내부에 형성하는 반응관과,
    상기 반응관의 외부에 설치되고, 상기 처리실을 가열하는 가열 장치와,
    상기 반응관 내에 설치되고, 상기 기판을 처리하는 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 반응관의 외벽의 전체 둘레를 둘러싸도록, 고주파 전원에 접속된 제1 전극부와, 접지된 제2 전극부가 교대로 설치된 전극을 구비한 플라즈마 생성부
    를 포함하고,
    인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 전극간 거리 D는, 전극간의 전압이 25V 이상, 1000V 이하의 범위의 미리 설정된 전압, 고주파 전원의 주파수가 2MHz 이상, 60MHz 이하의 범위의 미리 설정된 주파수로서 수학식 1을 만족하는 값의 1/2배 이상, 2배 이하의 범위의 값이고,
    상기 가스 공급부는, 상기 반응관 내에 설치되고, 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내벽을 향해서 공급하는 가스 공급 구멍을 적어도 1개 구비한 가스 노즐을 포함하는 기판 처리 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112019060912338-pat00012

    상기의 [수학식 1]에 있어서, V는 전극간의 전압, f는 고주파 전원의 주파수, m은 전자의 질량, e/m은 전자의 비전하이다.
  2. 제1항에 있어서,
    인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 중심간 거리는, 상기 반응관의 벽면의 두께의 2배 이상이 되도록 배치되는, 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 중심간 거리는, 상기 기판의 주연부와 상기 반응관의 외벽과의 거리의 2배 이하가 되도록 배치되는, 기판 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 중심간 거리는, 10mm 이상, 110mm 이하가 되도록 설정되는, 기판 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 전극간 거리 D는 상기 수학식 1을 만족하는 값인, 기판 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 플라즈마 생성부를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 플라즈마 중의 전자의 진동 진폭이 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 중심을 연결한 고주파 전압의 전기력선의 절반에 상당하도록 상기 고주파 전원의 주파수를 제어하도록 구성된, 기판 처리 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응관은, 상기 반응관의 내벽에 요철을 갖는, 기판 처리 장치.
  9. 기판을 처리하는 처리실을 내부에 형성하는 반응관과, 상기 반응관의 외부에 설치되고, 상기 처리실을 가열하는 가열 장치와, 상기 반응관 내에 설치되고, 상기 기판을 처리하는 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 반응관의 외벽의 전체 둘레를 둘러싸도록, 고주파 전원에 접속된 제1 전극부와, 접지된 제2 전극부가 교대로 설치된 전극을 구비한 플라즈마 생성부를 포함하고, 인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 전극간 거리 D는, 전극간의 전압이 25V 이상, 1000V 이하의 범위의 미리 설정된 전압, 고주파 전원의 주파수가 2MHz 이상, 60MHz 이하의 범위의 미리 설정된 주파수로서 수학식 1을 만족하는 값의 1/2배 이상, 2배 이하의 범위의 값인 기판 처리 장치의 상기 처리실 내에 상기 기판을 반입하는 공정과,
    상기 처리실에 상기 처리 가스를 공급하여, 상기 기판을 처리하는 공정과,
    상기 처리실로부터 상기 기판을 반출하는 공정
    을 포함하고,
    상기 가스 공급부는, 상기 반응관 내에 설치되고, 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내벽을 향해서 공급하는 가스 공급 구멍을 적어도 1개 구비한 가스 노즐을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112019060912338-pat00013

    상기의 [수학식 1]에 있어서, V는 전극간의 전압, f는 고주파 전원의 주파수, m은 전자의 질량, e/m은 전자의 비전하이다.
  10. 기판을 처리하는 처리실을 내부에 형성하는 반응관과, 상기 반응관의 외부에 설치되고, 상기 처리실을 가열하는 가열 장치와, 상기 반응관 내에 설치되고, 상기 기판을 처리하는 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 반응관의 외벽의 전체 둘레를 둘러싸도록, 고주파 전원에 접속된 제1 전극부와, 접지된 제2 전극부가 교대로 설치된 전극을 구비한 플라즈마 생성부를 갖고, 인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 전극간 거리 D는, 전극간의 전압이 25V 이상, 1000V 이하의 범위의 미리 설정된 전압, 고주파 전원의 주파수가 2MHz 이상, 60MHz 이하의 범위의 미리 설정된 주파수로서 수학식 1을 만족하는 값의 1/2배 이상, 2배 이하의 범위의 값인 기판 처리 장치의 상기 처리실 내에 상기 기판을 반입하는 단계와 - 상기 가스 공급부는, 상기 반응관 내에 설치되고, 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내벽을 향해서 공급하는 가스 공급 구멍을 적어도 1개 구비한 가스 노즐을 포함함 -,
    상기 처리실에 상기 처리 가스를 공급하여, 상기 기판을 처리하는 단계와,
    상기 처리실로부터 상기 기판을 반출하는 단계
    를 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
    [수학식 1]
    Figure 112019060912338-pat00014

    상기의 [수학식 1]에 있어서, V는 전극간의 전압, f는 고주파 전원의 주파수, m은 전자의 질량, e/m은 전자의 비전하이다.
  11. 기판을 처리하는 처리실을 내부에 형성하는 반응관과, 상기 반응관의 외부에 설치되고, 상기 처리실을 가열하는 가열 장치와, 상기 반응관 내에 설치되고, 상기 기판을 처리하는 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 반응관의 외벽의 전체 둘레를 둘러싸도록, 고주파 전원에 접속된 제1 전극부와, 접지된 제2 전극부가 교대로 설치된 전극을 구비한 플라즈마 생성부를 갖고, 인접하는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 전극간 거리 D는, 전극간의 전압이 25V 이상, 1000V 이하의 범위의 미리 설정된 전압, 고주파 전원의 주파수가 2MHz 이상, 60MHz 이하의 범위의 미리 설정된 주파수로서 수학식 1을 만족하는 값의 1/2배 이상, 2배 이하의 범위의 값인 기판 처리 장치의 상기 처리실 내에 상기 기판을 반입하는 단계와 - 상기 가스 공급부는, 상기 반응관 내에 설치되고, 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내벽을 향해서 공급하는 가스 공급 구멍을 적어도 1개 구비한 가스 노즐을 포함함 -,
    상기 처리실에 상기 처리 가스를 공급하여, 상기 기판을 처리하는 단계와,
    상기 처리실로부터 상기 기판을 반출하는 단계
    를 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는 기록 매체에 기록된 프로그램.
    [수학식 1]
    Figure 112019060912338-pat00015

    상기의 [수학식 1]에 있어서, V는 전극간의 전압, f는 고주파 전원의 주파수, m은 전자의 질량, e/m은 전자의 비전하이다.
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