KR102036462B1 - 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

기판에 형성되는 박막의 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정할 수 있는 기술을 제공하는 것이다. 웨이퍼(W)의 표면에 성막 가스를 폭 방향에서 유량을 균일화해서 일 방향 흐름으로서 공급하고 있다. 그리고 성막 가스의 흐름 방향으로 나란히 배치된 복수의 희석 가스 공급구(5)로부터 희석 가스를 공급하여, 성막 가스의 흐름 방향에서 성막 가스의 농도를 연속적으로 변화시키고, 당해 분위기 중에서, 웨이퍼(W)를 회전시키면서 웨이퍼(W)의 표면에 성막을 행하고 있다. 따라서, 웨이퍼(W) 상의 박막의 막 두께 분포는 동심원 형상으로 되고, 희석 가스 공급구(5)로부터 공급하는 희석 가스의 양을 조정하여, 성막 가스의 농도 분포를 조정함으로써, 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정할 수 있다. 또한, 성막 가스의 흐름의 방향에서 성막 가스의 농도를 연속적으로 변화시키고 있기 때문에, 기류의 혼란의 영향을 받기 어려워, 성막 가스의 농도 분포가 안정되기 때문에, 성막되는 박막에 대해서 예정하고 있는 막 두께 분포를 안정적으로 얻을 수 있다.

Description

성막 장치{FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은, 기판의 표면에 성막 가스를 공급해서 성막하는 기술에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 패턴 미세화의 요구에 수반하여, 성막, 에칭 등의 프로세스에 대하여 다양하고 엄격한 요구가 이루어지고 있다. 패턴의 미세화의 하나로서 알려져 있는 더블 패터닝을 예로 들면, 이 프로세스는 우선 실리콘 산화막의 패턴 상에 박막을 형성하고, 실리콘 산화막의 패턴을 구성하는 볼록부의 양 측벽에 사이드 월이라고 불리는 막을 에칭에 의해 형성한다. 계속해서 레지스트를 제거하고 남은 사이드 월을 마스크 패턴으로 해서 바탕막을 에칭하여 하드 마스크를 형성하고 있다.
사이드 월에 의해 생성되는 패턴을 양호한 것으로 하기 위해서는, 박막의 막 두께의 면내 균일성과 에칭 장치의 에칭 특성이 매칭될 필요가 있다. 에칭 특성인 에칭 레이트의 분포는, 예를 들어 기판의 중앙부의 에칭 레이트가 빠르고, 주연부의 에칭 레이트가 느리거나 하여, 동심원 형상으로 형성되므로, 성막 처리에 있어서도 동심원 형상의 막 두께 분포가 요구된다.
성막 장치로서는 기판의 위로부터 샤워 헤드를 사용해서 성막 가스를 공급하는 방법이 잘 알려져 있는데, 샤워 헤드의 구멍의 바로 아래에서 커버리지나 막질이 상이한 특이점이 나타나는 경우가 있다. 예를 들어, 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)를 회전시켜서 동심원 형상의 박막을 성막하려고 했을 때, 특이점에 의해, 웨이퍼에 원형의 불량 부분이 형성되어버리는 문제가 있었다.
또한 종래 동심원 형상의 막 두께 분포를 얻기 위해서, 성막 장치의 처리 용기 구조를 바꾸는 등의 장치 구성을 변경함으로써 행하여지고 있다. 그러나, 성막 후에 적절한 동심원 형상의 막 두께 분포는 기판 처리의 막질이나 공정에 따라 상이하다. 그 때문에 장치 구성의 변경에 의해 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정하는 경우에, 막질이나 공정마다 하드웨어를 최적화할 필요가 있으며, 최적화에 필요로 하는 시간이나 비용이 커진다.
특허문헌 1에는, 성막 가스의 공급 방향에 대하여 폭 방향으로 복수의 가스 토출부를 배치하고, 성막 가스의 공급 방향에 대하여 폭 방향의 기류의 속도를 바꾸어, 웨이퍼를 회전시킴으로써 웨이퍼의 막 두께를 평탄화하는 기술이 기재되어 있다. 그러나, 측방으로부터 성막 가스를 공급해서 성막하는 경우에, 하류측의 기류가 안정되지 않아, 막 두께가 안정되지 않는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 웨이퍼를 회전시키지 않을 때의 막 두께 분포의 구배가 웨이퍼의 직경 방향이 되도록 조정하여, 웨이퍼를 회전시켜서 동심원 형상의 막 두께 분포를 얻는 기술이 기재되어 있지만, 본 발명의 과제를 해결하는 것은 아니다.
일본 특허 공개 제2007-324286호 공보 일본 특허 공개 제2006-173482호 공보
본 발명은, 기판에 형성되는 박막의 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명의 성막 장치는, 진공 분위기를 형성하는 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에 설치되고, 기판을 적재하는 적재부와,
상기 적재부에 적재된 기판을, 당해 적재부의 적재면에서 볼 때 기판과는 반대측으로부터 가열하는 가열부와,
상기 적재부에 적재된 기판의 후방측에 설치되고, 기판의 표면을 따라 상기 표면 전체에 걸쳐서 상기 기판의 전방측을 향해 흐름과 함께 기류의 폭 방향의 가스 유량이 균일해지도록 성막 가스를 공급하는 가스 공급부와,
상기 성막 가스를 기판에 공급하고 있을 때 상기 기판과 직교하는 축을 중심으로 상기 적재부를 회전시키기 위한 회전 기구와,
상기 적재부가 정지하고 있는 상태에서 보았을 때, 상기 성막 가스의 흐름 방향에 있어서의 기판 상의 막의 막 두께 분포를 조정할 수 있는 막 두께 조정부와,
상기 기판의 전방측에 형성된 배기구를 포함한다.
본 발명은, 기판에 성막 가스를 공급해서 성막함에 있어서, 기판을 회전시키면서 성막 가스를 기판을 따라 가로 방향으로 흐르는 일 방향 흐름으로서 공급함과 함께, 성막 가스의 흐름 방향에 있어서, 기판에 성막되는 박막의 막 두께 분포를 조정하고 있다. 따라서, 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 성막 장치의 평면도이다.
도 3은 희석 가스 공급로의 상방측의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 성막 장치의 작용을 도시하는 모식도이다.
도 5는 성막 가스의 농도 분포를 도시하는 모식도이다.
도 6은 성막 가스의 농도 분포를 평면적으로 도시하는 모식도이다.
도 7은 성막 가스의 농도 분포를 도시하는 모식도이다.
도 8은 제2 실시 형태에 따른 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 9는 제2 실시 형태에 따른 성막 장치의 평면도이다.
도 10은 제3 실시 형태에 따른 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 11은 제4 실시 형태에 따른 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태의 다른 예를 나타내는 종단 측면도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태의 다른 예에 관한 고주파 안테나를 도시하는 평면도이다.
도 14는 실시예 1에서의 막 두께 분포의 설정값을 도시하는 설명도이다.
도 15는 실시예 1에서의 막의 막 두께 분포를 도시하는 특성도이다.
도 16은 실시예 2에서의 막 두께 분포의 설정값을 도시하는 설명도이다.
도 17은 실시예 2에서의 막의 막 두께 분포를 도시하는 특성도이다.
도 18은 실시예 3에서의 막 두께 분포의 설정값을 도시하는 설명도이다.
도 19는 실시예 3에서의 막의 막 두께 분포를 도시하는 특성도이다.
[제1 실시 형태]
제1 실시 형태에 따른 성막 장치로서, 원료 가스와 반응 가스를 교대로 기판에 공급해서 원자층 또는 분자층을 적층해서 성막을 행하는 소위 ALD(Atomic Layer Deposition)법을 실시하는 성막 장치에 대해서 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이 성막 장치는, 기판인 웨이퍼(W)에 성막 처리가 행하여지는 진공 용기인 처리 용기(1)를 구비하고 있다. 처리 용기(1)는, 상방으로 개구되는 원통 부위인 하방측 부분(11)과, 이 하방측 부분(11)의 상부를 둘러싸도록 하방측 부분에 연속하여 설치된 각통 형상의 상방측 부분(12)을 구비하고 있다. 하방측 부분(11)의 내측 공간과 상방측 부분의 내측 부분은 연통하고, 상방측 부분(12)의 내측 공간은, 성막 처리를 행하는 처리 공간을 구성하고 있다. 하방측 부분(11)에서의 측벽면에는, 웨이퍼(W)를 반출입하기 위한 반입출구(13)와, 이 반입출구(13)를 개폐하는 게이트 밸브(14)가 설치되어 있다.
처리 용기(1) 내에는, 웨이퍼(W)를 적재하는 기판 적재부인 적재대(2)가 배치된다. 적재대(2)는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 원판 형상으로 형성되고, 적재대(2)의 내부에는 웨이퍼(W)를 예를 들어 100℃ 내지 400℃의 성막 온도로 가열하기 위한 히터(21)가 매설되어 있다. 적재대(2)의 측면과 하방측 부분(11)의 측벽과의 간극은, 적재대(2)의 승강에 지장이 없을 정도의 약간의 간극으로 되어 있고, 이 적재대(2)에 의해, 처리 공간과, 하방측의 공간이 구획되도록 구성되어 있다.
적재대(2)의 하면측 중앙부에는, 처리 용기(1)의 저면에 형성된 개구부(15)를 관통해서 상하 방향으로 신장되는 축부(23)를 통해서, 승강판(24)이 접속되어 있다. 개구부(15)와 축부(23)와의 사이에는, 처리 용기(1)의 분위기를 외부와 기밀하게 구획하기 위해서 축부(23)가 승강, 회전할 수 있도록 구성된 베어링부(16)가 설치되어 있다. 승강판(24)의 상면에는 모터(25)가 설치되고, 모터(25)는 벨트(27)를 통해서 축부(23)에 접속되어 있다. 축부(23) 및 적재대(2)는, 모터(25)에 의해 벨트(27)를 회전시킴으로써 연직축을 중심으로 회전한다. 모터(25) 및 벨트(27)는 회전 기구(20)를 구성하고 있다.
또한, 승강판(24)의 하면측에는, 승강 기구(26)가 설치되고, 축부(23) 및 적재대(2)는, 승강판(24)과 일체로 되어, 승강 기구(26)에 의해 승강한다. 적재대(2)는, 웨이퍼(W)에 성막 가스를 공급해서 성막 처리를 행할 때는, 예를 들어 웨이퍼(W)의 표면이 상방측 부분(12)의 내부 저벽의 상면과 대략 동일한 높이 위치로 되는 도 1 중에 실선으로 나타낸 처리 위치로 이동한다. 그리고, 적재대(2)는, 외부의 반송 기구와의 사이에서 웨이퍼(W)의 수수를 행할 때는, 처리 위치로부터 도 1에 쇄선으로 나타내는 반출입 위치인 하강 위치까지 하강한다.
계속해서 상방측 부분(12)에 대해서, 도 2도 참조하면서 설명한다. 상방측 부분(12)의 내부에는, 길이 방향의 일단측에 있어서, 예를 들어 웨이퍼(W)에서 볼 때 좌측, 우측을 각각 전방측, 후방측으로 하면, 웨이퍼(W)의 전방측에 있어서, 폭 방향, 즉 좌우 방향으로 신장되는 횡단면이 각형인 배기구인 배기 홈(31)이 형성되어 있다. 배기 홈(31)은, 상면측이 상방측 부분(12)의 저면에 개구되어 있다. 배기 홈(31)의 개구 부분에는, 상부측 부분(12)의 폭 방향으로 각각 신장되어, 상부측 부분(12)의 길이 방향으로 배열하는 복수의 슬릿(33)이 형성된 덮개부(32)가 설치되어 있다. 배기 홈(31)의 저부 중앙에는, 배기관(34)이 접속되고, 배기관(34)에는, 배기 홈(31)측으로부터 압력 조정부(35), 배기 밸브(36)가 설치되어, 도시하지 않은 진공 배기 펌프에 접속되어 있다.
또한 상방측 부분(12)의 내부의 후방측에는, 통 형상의 부재로 구성된 가스 공급부를 이루는 성막 가스 토출부(4)가 좌우로 신장되도록 설치되어 있다. 성막 가스 토출부(4)에는, 전방을 향해서 개구되도록 성막 가스 토출부(4)의 길이 방향으로 신장되는 성막 가스 토출구가 되는 슬릿(41)이 형성되어 있다. 이 슬릿(41)은, 평면에서 볼 때 웨이퍼(W)의 전체면을 커버하도록 웨이퍼(W)의 폭 치수보다 길고, 성막 가스가, 웨이퍼(W)의 표면 전체를 통과하도록 형성되어 있다.
성막 가스 토출부(4)의 길이 방향 중앙에는, 후방으로부터 가스 공급관(40)이 접속되고, 이 가스 공급관(40)에는, 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급관(42), 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급관(46) 및 치환 가스를 공급하는 치환 가스 공급관(60)이 합류되어 있다. 원료 가스 공급관(42)의 타단측은, 원료 가스인 TiCl4 공급원(43)에 접속되어 있다. 원료 가스 공급관(42)에는, TiCl4 공급원(43)측으로부터 유량 조정부(45)와 밸브(44)가 설치되어 있다. 반응 가스 공급관(46)의 타단측은, 반응 가스인 H2O 공급원(47)에 접속되고, 반응 가스 공급관(46)에는, H2O 공급원(47)측으로부터 유량 조정부(49)와 밸브(48)가 설치되어 있다. 이 예에서는, 원료 가스, 반응 가스는 「성막 가스」라는 용어를 사용하고 있다. 또한, 치환 가스 공급관(60)의 타단측에는, 질소(N2) 가스 공급원(61)에 접속되고, 치환 가스 공급관(60)에는, N2 가스 공급원(61)측으로부터 유량 조정부(62)와 밸브(63)가 설치되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이 적재대(2)와 대향하는 처리 용기(1)의 천장부에는, 성막 가스의 농도를 조정하는 농도 조정용의 가스, 예를 들어 희석 가스인 질소 가스를 공급하기 위한, 희석 가스 공급구(개구부 및 개구부에 연속하는 공급로의 일부를 포함하고 있음)(5)가 전후 방향, 즉 성막 가스의 흐름 방향을 따라 복수 개소, 예를 들어 등간격으로 5군데에 형성되어 있다. 각 희석 가스 공급구(5)는, 도 2에 도시한 바와 같이 좌우 방향(성막 가스의 가스 흐름의 폭 방향)으로 신장되어, 평면에서 볼 때 웨이퍼(W)의 전체면을 커버하도록 폭 방향으로 신장되는 슬릿 형상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 좌우 방향(성막 가스의 가스 흐름의 폭 방향)에 있어서의 희석 가스 공급구(5)의 길이 치수는, 성막 가스 토출부(4)에 형성된 슬릿(41)의 좌우 방향(성막 가스의 가스 흐름의 폭 방향)에 있어서의 길이 치수와 동일한 길이 치수로 설정하고 있다.
각 희석 가스 공급구(5)는, 도 1에 도시한 바와 같이 상부측 부분(12)의 천장 부분에 희석 가스가 전방을 향해서(배기 홈(31)측을 향해서) 비스듬히 토출되도록 경사지는 희석 가스 공급로(50)가 형성되어 있다.
희석 가스 공급로(50)는, 좌우 방향(성막 가스의 가스 흐름의 폭 방향)으로 신장되도록 형성되어 있고, 각 희석 가스 공급구(5)로부터 적재대(2)에 적재된 웨이퍼(W)의 상면을 향해서 희석 가스가 폭 방향(좌우 방향)에서 유량이 균일해진 상태로 공급되도록 구성되어 있다.
각 희석 가스 공급로(50)의 상측(상류측)에는, 도 1, 3에 도시하는 바와 같이 희석 가스의 흐름의 폭 방향(좌우 방향)으로 신장되는 각통 형상의 버퍼 실(5a)이 형성되어 있다. 버퍼 실(5a)의 상방측에는, 버퍼 실의 천장면의 중앙부를 관통하는 연통로(5b)가 설치되고, 각 연통로(5b)의 상단은, 처리 용기(1)의 상방에 개구되어 있다. 각 연통로(5b)의 상단에는, 각각 희석 가스 공급관(51)이 접속되고, 희석 가스 공급관(51)의 상류측 단부에는, 각각 희석 가스 공급원(52)이 설치되어 있다. 각 희석 가스 공급관(51)에는, 상류측으로부터 유량 조정부(53)와, 밸브(54)가 설치되어 있다. 유량 조정부(53) 및 밸브(54)는, 희석 가스 조정부(55)에 상당한다.
계속해서 본 발명의 실시 형태의 작용에 대해서 설명하는데, 먼저 피처리 기판인 웨이퍼(W)는, 예를 들어 도시하지 않은 외부의 반송 아암에 의해 적재대(2) 상에 적재되어, 히터(21)에 의해 가열된다. 그리고, 게이트 밸브(14)가 폐쇄되고, 처리 용기(1)가 밀폐로 된 후, 예를 들어 성막 가스 토출부(4)로부터 N2 가스의 공급을 개시하여, 배기 홈(31)으로부터 배기를 행하여 처리 용기(1) 내의 압력을 조정한다. 계속해서 적재대(2)가 처리 위치까지 상승한다.
그 후 성막 가스로서, 원료 가스인 TiCl4 및 반응 가스인 H2O를 사용한 ALD법에 의해 성막 처리가 행하여진다. 이들 성막 가스의 웨이퍼(W)에의 공급 방법에 대해서 설명한다. 도 4에 도시한 바와 같이 배기 홈(31)으로부터 배기를 행하고 있는 상태에서 적재대(2) 상의 웨이퍼(W)를 향해서, 성막 가스의 공급을 개시함과 함께 각 희석 가스 공급구(5)로부터 웨이퍼(W)를 향해서 희석 가스를 공급한다. 성막 가스는, 가스 공급관(40)으로부터 성막 가스 토출부(4)에 유입되면, 성막 가스 토출부(4) 내에서 균일하게 확산한다. 그 후 성막 가스 토출부(4)의 슬릿(41)으로부터, 웨이퍼(W)의 폭 방향(좌우 방향)에서 균일해진 유량으로 공급되어, 웨이퍼(W)의 표면을 따라 전체면에 걸쳐서 흐른다. 그 후 평행한 흐름을 유지한 채 배기 홈(31)에 유입되어, 배기관(34)으로부터 배기된다.
도 5는, 성막 가스의 농도를 도시하는 모식도이며, 도 5 중 A 내지 G는, 도 4 중의 지점(위치) A 내지 G에 대응한다. 성막 가스는, 성막 가스의 흐름의 상류측에 있어서의 웨이퍼(W)의 주연부(후단부)인 도면 중 지점 A에서는, 성막 가스 토출부(4)로부터 공급된 가스 중의 원료 가스 및 반응 가스의 농도와 거의 동일한 농도이다. 그리고, 성막 가스는 웨이퍼(W)에의 성막 처리에 의해 소비되기 때문에 웨이퍼(W)의 표면 부근에서는, 전방향(배기 홈(31)측)을 향함에 따라서, 즉 하류측에 위치할수록, 서서히 그 농도가 감소해 간다. 그리고 모식적으로 표현하면, 웨이퍼(W)의 표면을 흐르는 성막 가스와 희석 가스가 합류하는 가장 상류측의 지점 B에서, 성막 가스의 농도가 희석된다. 희석된 성막 가스는, 또한 전방측으로 흘러, 다음으로 희석 가스와 합류하는 지점 C에서 더 희석되고, 계속해서 지점 D, E, F의 순서대로 희석되면서 전방측으로 흘러 간다.
그 때문에 성막 가스는, 예를 들어 도 5에 도시하는 그래프에 나타내는 바와 같이 하류측에 위치할수록 농도(원료 가스 또는 반응 가스의 농도)가 옅어진다. 이때 성막 가스를 기류의 폭 방향에서 유량을 균일하게 하여 공급함과 함께, 성막 가스의 기류의 폭 방향으로 신장되는 슬릿 형상의 희석 가스 공급구(5)로부터 희석 가스를, 성막 가스의 기류의 폭 방향에서 유량을 균일하게 하여 공급하고 있다. 그리고, 성막 가스의 흐름의 방향에서 성막 가스의 농도를 변화시키고 있기 때문에, 도 6에 모식도로 나타내는 바와 같이, 성막 가스의 기류의 폭 방향에 있어서는, 성막 가스의 농도는 균일해진다. 도 6은 성막 가스의 흐름 방향의 농도 분포를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 6에서는, 해칭의 밀도가 높을수록 높은 농도의 성막 가스가 분포하는 영역을 나타내고 있다.
그리고, 회전 기구(20)를 구동하여, 웨이퍼(W)를 연직축을 중심으로 회전시킨다. 도 6과 같은 성막 가스의 농도가 폭 방향에서 균일해지고, 일방향을 향해서 연속적으로 변화하는 분위기 중에서 웨이퍼(W)를 회전시키면, 웨이퍼(W)는, 중심(회전 중심) 이외의 부위는, 성막 가스의 농도가 높은 영역과 낮은 영역과의 사이를 반복해서 이동한다. 즉, 웨이퍼(W)의 각 부위에서 보면, 분위기의 성막 가스의 농도가 서서히 낮아지고, 계속해서 서서히 높아지는 상태가 반복되게 된다. 웨이퍼(W)가 1회전했을 때, 중심으로부터의 거리가 동일한 부위에서는, 동일한 영역을 통과하고 있으므로 둘레 방향에서 막 두께는 균일해져 있고, 그 막 두께는 당해 부위가 1회전할 때의 시간 추이에 대한 농도 변화 패턴에 따라서 결정된다. 따라서, 웨이퍼(W)의 표면에 있어서 성막되는 박막은, 동심원 형상의 막 두께 분포를 갖게 되고, 그 막 두께 분포는, 웨이퍼(W)의 표면 근방에서의 성막 가스의 흐름 방향에 있어서의 농도 분포에 의해 결정된다. 상술한 바와 같이 성막 가스의 농도 분포는, 각 희석 가스 공급구(5)로부터 공급되는 희석 가스에 의한 희석의 정도에 의해 결정되므로, 희석 가스 조정부(55)에 의해 각 희석 가스 공급구(5)로부터 공급되는 희석 가스의 유량을 변화시킴으로써 성막 가스의 농도 분포를 조정할 수 있다.
각 희석 가스 공급구(5)로부터 공급되는 희석 가스를 조정하여, 예를 들어 도 5의 그래프 중 점선으로 나타내는 바와 같이 슬릿(41)으로부터의 거리에 대하여, 성막 가스의 농도가 직선적으로 감소하는 농도 분포를 형성한 경우에 대해서 설명한다. 이러한 농도 분포의 경우에는, 웨이퍼(W)의 중심부에 있어서의 성막 속도에 대하여, 웨이퍼(W)의 중심보다도 성막 가스의 흐름의 상류측을 통과할 때 성막 속도가 빠르고, 하류측을 통과할 때 성막 속도가 느려진다. 그리고, 그래프의 기울기가 직선이기 때문에, 상류측에 있어서의 성막 속도의 상승분과, 하류측에 있어서의 성막 속도의 하강분이 동등해진다. 따라서, 후술하는 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 웨이퍼(W)의 중심 부근의 영역이 1회전할 때 성막되는 막 두께와, 웨이퍼(W)의 외주 부근의 영역이 1회전할 때 성막되는 막 두께가 대략 동일한 막 두께로 되기 때문에, 웨이퍼(W)의 표면의 막 두께가 균일하게 성막된다.
또한 희석 가스 공급구(5)로부터 공급하는 희석 가스의 공급량을 상류측에서부터 하류측에 걸쳐서 서서히 많게 함으로써, 도 5의 그래프 중에 실선으로 나타낸 바와 같이 상류측에서 성막 가스의 농도의 감소가 작고, 하류측에서 성막 가스의 농도의 감소가 커진다. 이러한 성막 가스의 농도 분포에 있어서는, 예를 들어 도 5 중 지점 C부터 지점 E까지의 범위에 나타낸 바와 같은 웨이퍼(W)의 중심 근방의 영역에서는, 도 5 중 점선에 비해 농도의 상승이 크고, 농도의 상승분만큼 두꺼운 막이 성막된다. 이에 반해, 지점 A부터 C 및 지점 E부터 F의 도 5 중 점선에 대한 농도의 상승분은, 지점 C부터 지점 E까지의 범위에 있어서의 도 5 중 점선에 비교한 농도의 상승분보다도 작다. 웨이퍼(W)의 주연측의 부위는, 지점 A부터 지점 G까지의 범위를 이동하면서 성막되는데, 지점 A부터 C 및 지점 E부터 F를 통과할 때는, 도 5 중 지점 C부터 지점 E까지의 범위에 비해 성막 속도가 내려간다. 그 때문에 웨이퍼(W)의 주연 근방의 위치는, 중심 근방의 위치보다도 성막되기 어려워져, 웨이퍼(W)에는, 중심부의 막 두께가 두껍고, 주연부의 막 두께가 얇은 동심원 형상의 막 두께 분포가 형성된다.
또한 상류측의 희석 가스 공급구(5), 예를 들어 도 4 중 지점 B, 지점 C를 향해서 희석 가스를 공급하는 희석 가스 공급구(5)일수록 가스 토출량을 많게 하고, 하류측의 희석 가스 공급구(5), 예를 들어 도 4 중 지점 E, 지점 F를 향해서 희석 가스를 공급하는 희석 가스 공급구(5)일수록 가스의 토출량을 적게 함으로써, 도 7의 그래프에 나타내는 바와 같이 상류측에서 성막 가스의 농도 저하가 크고, 하류측에서, 성막 가스의 농도 저하가 작은 농도 분포가 된다. 이러한 성막 가스의 농도 분포에 있어서는, 예를 들어 도 7 중 지점 C부터 지점 E까지의 범위에 나타낸 바와 같은 웨이퍼(W)의 중심 근방의 영역에서는, 도 7 중 점선에 비하여 농도가 낮고, 농도의 하강분만큼 박막이 얇아진다. 이에 반해, 주연측의 영역에서는 지점 A부터 C 및 지점 E부터 F의 도 7 중 점선에 대한 농도의 하강분은, 지점 C부터 지점 E까지의 범위에서의 도 7 중 점선에 비교한 농도의 하강분보다도 작다. 따라서 지점 A부터 C 및 지점 E부터 F를 통과할 때는, 도 7 중 지점 C부터 지점 E까지의 범위에 비해 성막 속도가 올라간다. 그 때문에 웨이퍼(W)의 주연 근방의 위치는, 중심 근방의 위치보다도 성막되기 쉬워져, 웨이퍼(W)에는, 중심부의 막 두께가 얇고, 주연부의 막 두께가 두꺼운 동심원 형상의 막 두께 분포가 형성된다.
따라서, 희석 가스 조정부(55)에 의해 희석 가스의 유량을 조정함으로써, 성막 가스의 농도 분포를 조정할 수 있어, 웨이퍼(W)에 성막되는 막의 막 두께를 조정할 수 있다. 따라서, 희석 가스 조정부(55)는 막 두께 조정부에 상당한다.
이렇게 성막 가스를 웨이퍼(W)의 표면에 유량을 폭 방향에서 균일하게 공급하고, 성막 가스가 흐르는 방향에서 성막 가스의 농도를 연속적으로 변화시키고 있다. 웨이퍼(W)의 표면에서의 성막 가스의 특히 하류측에서는 기류가 흐트러지기 쉽다. 그 때문에 성막 가스가 흐르는 방향에 대하여 폭 방향은, 성막 가스가 혼합되기 쉬워, 성막 가스의 흐름의 폭 방향으로 성막 가스의 농도 차를 두려고 해도 농도 차가 유지되기 어렵다. 이에 반해 성막 가스의 흐름 방향에 대해서는, 한쪽을 향하는 흐름이 형성되어 있어, 성막 가스 흐름 방향으로는, 성막 가스가 혼합되기 어렵다. 따라서 성막 가스가 흐르는 방향에서 성막 가스의 농도를 연속적으로 변화시킴으로써, 일방향을 향해서 성막 가스의 농도 차가 유지된 분위기가 안정적으로 형성된다.
성막 처리의 설명을 다시 하면, ALD법에 의한 성막 처리에서는, 먼저 원료 가스인 TiCl4 가스를 예를 들어 1초간 공급하고 밸브(44)를 폐쇄하고, 웨이퍼(W) 표면에 TiCl4를 흡착시킨다. 계속해서 치환 가스(N2 가스)를 처리 용기(1)에 공급하여, 처리 용기(1) 내를 치환한다. 계속해서 반응 가스(H2O 가스)를 처리 용기(1)에 공급하면, 가수분해 및 탈염화 반응에 의해 TiO2막의 분자 막이 웨이퍼(W)의 표면에 형성된다. 이 후, 치환 가스를 처리 용기(1)에 공급하여, 처리 용기(1)를 치환한다. 이렇게 해서 처리 용기(1) 내에, TiCl4를 포함하는 원료 가스→치환 가스→반응 가스→치환 가스를 공급하는 사이클을 복수회 반복함으로써, TiCl4의 분자층을 적층하여, 미리 설정된 소정의 두께의 TiO2막의 성막을 행한다.
상술한 실시 형태에 의하면, 웨이퍼(W)의 표면에 성막 가스를 공급해서 성막하는 성막 장치에 있어서, 웨이퍼(W)의 표면에 성막 가스를 폭 방향에서 유량을 균일하게 하여 일방향 흐름으로서 공급하고 있다. 그리고, 성막 가스의 흐름의 방향으로 나란히 배치된 복수의 희석 가스 공급구(5)로부터 희석 가스를 공급하여, 성막 가스의 흐름의 방향에서 성막 가스의 농도를 연속적으로 변화시켜, 당해 분위기 중에서, 웨이퍼(W)를 회전시키면서 웨이퍼(W)의 표면에 성막을 행하고 있다.
따라서, 웨이퍼(W) 상의 박막의 막 두께 분포는 동심원 형상으로 되어, 희석 가스 공급구(5)로부터 공급하는 희석 가스의 양을 조정하여, 성막 가스의 흐름의 방향에서의 농도 분포를 조정함으로써, 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정할 수 있다. 또한 성막 가스의 흐름의 방향에서 성막 가스의 농도를 연속적으로 변화시키고 있기 때문에, 기류의 혼란의 영향을 받기 어려워, 성막 가스의 농도 분포가 안정되기 때문에, 성막되는 박막에 대해서 예정하고 있는 막 두께 분포를 안정적으로 얻을 수 있다. 그리고, 에칭 장치의 면 내 경향에 대응한 막 두께 분포를 얻음으로써, 에칭 처리 후의 면내 균일성이 양호해진다.
또한, 웨이퍼(W)의 표면에서의 성막 가스의 흐름에 공급하는 농도 분포 조정용의 가스는, 불활성 가스 등의 희석 가스에 한하지 않고, 예를 들어 프리커서를 포함한 원료 가스를 불활성 가스로 희석한 가스를 공급하여, 성막 가스의 농도를 조정하도록 해도 된다. 또한, 도 1 중의 희석 가스 공급구(5)로부터 희석 가스 대신에 성막 가스를 공급하여, 성막 가스의 농도를 조정하도록 해도 된다. 성막 가스 토출부(4)로부터 토출되는 성막 가스가 성막 가스의 흐름의 폭 방향에 있어서, 최대 유량과 최소 유량의 차가 ±10％의 범위, 예를 들어 성막 가스의 평균 유속을 1000밀리리터/분으로 하면 ±100밀리리터/분의 범위에 있는 경우에는 충분히 효과를 얻을 수 있어, 성막 가스의 유량이 성막 가스의 흐름의 폭 방향으로 균일하게 되어 있다고 간주할 수 있다.
[제2 실시 형태]
웨이퍼(W)가 정지되어 있다고 하고, 성막 가스의 흐름 방향에서 본 막 두께 분포를 조정하는 방법으로서, 흐름 방향에 있어서의 성막 가스의 농도 분포를 조정하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 웨이퍼(W)의 가열 온도의 분포를 변화시켜서 성막 가스의 흐름의 방향에서의 성막 속도를 변화시키는 성막 장치이어도 된다. 제2 실시 형태는 이러한 방법이며, 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같은 성막 장치가 사용된다. 이 성막 장치의 구성에 대해서 설명하면, 적재대(2)의 내부 공간에 원판 형상의 가열판(200)을 적재대(2)의 내면으로부터 이격시킨 상태에서 설치한다. 또한, 축부(23)의 내부에 중심축(201)을 축부의 내면으로부터 이격시킨 상태에서 설치한다. 그리고, 가열판(200)을 중심축(201)을 개재해서 승강판(24)에 고정한다. 가열판(200)의 내부에는, 도 9에 도시하는 바와 같이 성막 가스가 흐르는 방향에 대하여 직교하는 방향, 즉 폭 방향으로 신장되는 온도 조정부를 이루는 막대 형상의 히터(202)가 성막 가스가 흐르는 방향으로 나란히 매설되어 있다. 각 히터(202)는, 전력 공급부(205)에 의해 서로 독립적으로 온도를 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 도 8 중에서는, 전력 공급부(205)는 일부 생략해서 기재하였다.
제2 실시 형태에 따른 성막 장치의 작용에 대해서 설명한다. 적재대(2)에 웨이퍼(W)를 적재한 후, 각 히터(202)에 접속된 전력 공급부(205)에 의해, 예를 들어 성막 가스의 흐름에 대하여 가장 상류측의 히터(202)를 가장 높은 온도로 설정하고, 하류측으로 향할수록 히터(202)의 온도가 낮아지도록 설정해서 가열을 개시한다. 그 상태에서 웨이퍼(W)의 표면에 성막 가스를 흘리면, 성막 가스의 흐름에 대하여 상류측일수록, 성막에 적합한 온도이기 때문에, 웨이퍼(W)의 막 두께가 두껍게 성막되고 하류측을 향함에 따라 막 두께는 얇아진다. 그리고, 웨이퍼(W)를 회전시켰을 때, 히터(202)를 구비한 가열판(200)은 적재대(2)로부터 이격되어 설치되고, 중심축(201)에 고정되어 있기 때문에 회전하지 않는다. 이때 웨이퍼(W)는, 히터(202)에 의해 가열되면서 회전하는데, 웨이퍼(W)의 회전 속도를 느리게 해서, 웨이퍼(W)의 표면에 있어서, 성막 가스의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해서 온도가 낮아지는 온도 구배를 유지하도록 하면서 회전한다. 이에 의해 개략적으로 표현하면 성막 가스의 흐름의 상류측일수록 성막 속도가 빠르고, 하류측을 향함에 따라 성막 속도가 느린 상태를 유지한 채, 웨이퍼(W)가 회전한다. 그 때문에 웨이퍼(W)에 동심원 형상의 막 두께 분포의 막이 형성되게 된다. 따라서, 각 전력 공급부(205)에 의해 설정하는 각 히터(202)의 온도에 의해, 성막되는 막 두께를 조정할 수 있다.
또한, 성막 가스의 흐름에 대하여 가장 상류측의 히터(202)를 가장 높은 온도로 설정하고, 하류측을 향할수록 히터(202)의 온도가 낮아지도록 설정하여, 웨이퍼(W)를 회전시켜서 성막함에 있어서, 웨이퍼(W)를 간헐적으로 회전시키도록 해도 된다. 예를 들어 웨이퍼(W)를 0.5초 정지하는 공정과, 웨이퍼(W)를 연직축을 중심으로 50° 회전시키는 공정을 교대로 반복하여, 성막 처리를 행한다. 이렇게 구성함으로써 웨이퍼(W)의 표면에 성막 가스의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해서 온도가 낮아지는 온도 구배를 형성한 상태에서 웨이퍼(W)를 회전시켜서 성막할 수 있기 때문에 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 성막 가스는 웨이퍼(W)의 표면을 흐름에 따라 소비되므로, 하류측을 향함에 따라서 농도가 낮아진다. 그 때문에, 가령 성막 가스의 흐름의 방향과 상이한 방향, 예를 들어 직교하는 방향으로 온도 분포를 형성하면, 동일한 온도가 되는 영역이라도 성막되는 막 두께에 차가 생겨버린다. 그 때문에 제2 실시 형태와 같이 성막 가스의 흐름의 방향으로 웨이퍼(W)의 온도 분포를 형성하는 방법은 유효하다.
[제3 실시 형태]
계속해서 제3 실시 형태에 따른 성막 장치에 대해서 설명한다. 이 성막 장치는, 도 10에 도시하는 바와 같이 적재대(2)의 상방에 대향 면부를 이루는 천장판부(8)를 설치한다. 그리고 천장판부(8)를 웨이퍼(W)의 중심부의 상방에 좌우 방향(성막 가스의 흐름의 폭 방향)으로 신장되는 중심축(80)을 중심으로 회전하여, 경사를 변경할 수 있도록 구성한다. 웨이퍼(W)의 표면을 흐르는 성막 가스의 유속은, 웨이퍼(W)의 표면과, 천장판부와의 높이 치수가 길면 느려지고, 높이 치수가 짧으면 빨라진다. 그리고, 성막 가스의 유속이 빠른 영역은, 성막 속도가 느려지고, 성막 가스의 유속이 늦은 영역은, 성막 속도가 빨라진다. 또한, 기류의 흐트러짐을 염려하는 경우에는, 천장판부(8)를 성막 가스 토출부(4)의 상방까지 신장시키면 된다. 따라서, 이 상태에서 웨이퍼(W)를 회전시킴으로써 웨이퍼(W)에 성막되는 동심원의 막 두께 분포를 조정할 수 있다.
[제4 실시 형태]
제4 실시 형태에 따른 성막 장치에 대해서 설명한다. 도 11에 도시하는 바와 같이 웨이퍼(W)의 상방에 막대 형상의 히터(9)를 성막 가스가 흐르는 방향에 대하여 폭 방향으로 신장하여, 성막 가스가 흐르는 방향으로 배열하도록 적재부(2)와 대향하는 대향 면부인 천장판부(90)에 매설한다. 그리고, 예를 들어 하류측의 히터(9)를 높은 온도로 설정하고, 상류측의 히터(9)일수록 낮은 온도로 설정한다.
이에 의해 각 히터(9)에 의해 가열을 하면서, 원료 가스를 공급하면, 원료 가스는, 히터(9)의 열에 의해 천장판부(90)에 흡착된다. 각 히터(9)는, 하류측의 히터(9)일수록 높은 온도로 되어 있기 때문에, 하류측일수록 원료 가스의 천장판부(90)에 대한 흡착량이 많아지고, 결과로서 천장판부(90)에 성막되는 속도가 빨라진다. 그 때문에 가스의 흐름 방향에 있어서의 천장판부(90)에의 원료 가스의 흡착량의 분포에 따라, 웨이퍼(W)의 표면에서는, 하류측일수록 원료 가스의 흡착량이 적어지고, 성막 속도가 느려진다. 따라서, 웨이퍼(W)를 회전시킴으로써, 웨이퍼(W)에 동심원 형상의 막 두께 분포를 갖는 막을 성막할 수 있다. 웨이퍼(W)의 표면에서의 성막 가스 상류측으로부터 하류측을 향하는 농도의 경사를 조정할 수 있어, 웨이퍼(W)에 성막되는 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정할 수 있다.
또한, 본 발명은, 원료 가스를 기상 중에서 분해 또는 반응 가스와 반응시키는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치에 사용해도 된다. 또한, 플라즈마를 사용해서 성막 처리를 행하는 성막 장치이어도 된다. 예를 들어 도 12에 도시한 바와 같이, 도 8에 나타낸 성막 장치에 있어서, 웨이퍼(W)의 상방에, 예를 들어 석영판 등으로 구성된 유전체 창(91)을 그 상방의 대기 분위기와 처리 용기(1) 내의 진공 분위기를 기밀하게 구획하도록, 적재대(2)에 대향해서 설치한다. 또한 유전체 창(91)의 상방에 예를 들어 4개의 선상의 고주파 안테나(92)를 성막 가스의 흐름의 방향에 직교하는 방향(폭 방향)으로 신장되도록 적재한다. 고주파 안테나(92)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 예를 들어 성막 가스의 흐름의 방향에 대하여 상류측의 2개의 양단을 서로 접속하고, 하류측의 2개의 양단도 마찬가지로 서로 접속한다. 상류측의 2개의 고주파 안테나(92)의 다발과, 하류측의 2개의 고주파 안테나(92)의 다발을, 길이 방향의 양단을 서로 접속한다. 그리고, 4개의 다발의 길이 방향 일단측에 단자(93)를 설치하여, 고주파 전원에 접속할 수 있도록 구성하고, 타방측의 단부를 접지하면 된다. 이러한 플라즈마를 사용한 성막 장치에 있어서는, 예를 들어 처리 용기(11)에 산소를 연속적으로 공급하면서, 원료 가스(TiCl4 가스)를 간헐적으로 공급한다. 그리고, 원료 가스의 공급을 정지하고 있을 때, 고주파 안테나(92)에 고주파 전류를 공급함으로써 웨이퍼(W)의 상방에 유도 전자계를 형성하고, 산소를 플라즈마화함으로써 성막 처리가 행하여진다.
[실시예]
본 발명의 실시 형태의 효과를 검증하기 위해서, 이하의 시험을 행하였다.
[실시예 1]
300mm 웨이퍼의 표면을 향해서 수평 방향으로부터 성막 가스를 공급하고, 웨이퍼(W)를 정지한 상태에서 성막 처리를 행했을 때 성막되는 막의 막 두께 분포가, 성막 가스의 흐름의 상류측에서부터 하류측을 향해서 직선적으로 감소하도록 설정한 경우에 있어서, 웨이퍼(W)를 회전시켜서 성막했을 때의 웨이퍼의 표면의 막의 막 두께 분포를 시뮬레이션에 의해 구하였다.
[실시예 2]
웨이퍼(W)를 정지한 상태에서 성막 처리를 행했을 때 성막되는 막의 막 두께 분포가, 성막 가스의 흐름의 상류측에서는 완만하게 감소하고, 하류측에서 크게 감소하도록 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 마찬가지로 처리를 행하였다.
[실시예 3]
웨이퍼(W)를 정지한 상태에서 성막 처리를 행했을 때 성막되는 막의 막 두께 분포가, 성막 가스의 흐름의 상류측에서는 크게 감소하고, 하류측에서 완만하게 감소하도록 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 마찬가지로 처리를 행하였다.
도 14는, 실시예 1에서 설정한 웨이퍼(W)를 정지한 상태에서 성막을 행한 경우에 있어서의 막 두께 분포를 나타내고, 도 15는, 실시예 1에서 성막되는 막에 관한 것으로, 횡축에 웨이퍼(W)의 직경에 있어서의 중심부로부터의 거리, 종축에 막 두께를 나타낸 특성도이다.
또한, 도 16은, 실시예 2에서 설정한 웨이퍼(W)를 회전시키지 않고 성막을 행한 경우에 있어서의 막 두께 분포를 나타내고, 도 17은, 실시예 2에서 성막되는 막에 관한 것으로, 횡축에 웨이퍼(W)의 직경에 있어서의 중심부로부터의 거리, 종축에 막 두께를 나타낸 특성도이다.
또한, 도 18은, 실시예 3에서 설정한 웨이퍼(W)를 회전시키지 않고 성막을 행한 경우에 있어서의 막 두께 분포를 나타내고, 도 19는, 실시예 3에서 성막되는 막에 관한 것으로, 횡축에 웨이퍼(W)의 직경에 있어서의 중심부로부터의 거리, 종축에 막 두께를 나타낸 특성도이다.
이 결과에 의하면, 도 14, 도 15에 도시하는 바와 같이 웨이퍼(W)를 정지한 상태에서 성막 처리를 행했을 때 성막되는 막의 막 두께 분포가, 성막 가스의 흐름의 상류측에서부터 하류측을 향해서 직선적으로 감소하는 경우에는, 웨이퍼(W)를 회전시켜서 성막함으로써, 막 두께의 면내 균일성이 높은 막이 얻어졌고, 실시예 1에서는 σ1의 값은 0.1％이었다.
또한, 도 16, 도 17에 도시하는 바와 같이 실시예 2에서는, 웨이퍼(W)의 중심 부근의 막 두께가 두껍고, 주연부의 막 두께가 얇은 볼록형의 막이 성막되어 있고, 도 18, 도 19에 도시하는 바와 같이 실시예 3에서는, 웨이퍼(W)의 중심 부근의 막 두께가 얇고 주연부의 막 두께가 두꺼운 오목형의 막이 성막되어 있는 것을 알 수 있다.
이 결과에 의하면, 본 발명에 있어서, 웨이퍼(W)를 회전시키지 않고 성막 처리를 행했을 때 성막되는 막의 막 두께 분포가 성막 가스의 흐름 방향으로 변화되도록 조정함으로써, 웨이퍼(W)를 회전시켜서 성막했을 때 형성되는 동심원 형상의 막 두께 분포를 조정할 수 있다고 할 수 있다.
1 : 처리 용기 2 : 적재대
21 : 가열부 4 : 성막 가스 토출부
5 : 희석 가스 공급구 20 : 회전 기구
25 : 모터 27 : 벨트
31 : 배기 홈 55 : 희석 가스 조정부

Claims (4)

  1. 진공 분위기를 형성하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 설치되고, 기판을 적재하는 적재부와,
    상기 적재부에 적재된 기판을, 상기 적재부의 적재면에서 볼 때 기판과는 반대측으로부터 가열하는 가열부와,
    상기 적재부에 적재된 기판의 후방측에 설치되고, 기판의 표면을 따라 상기 표면 전체에 걸쳐서 상기 기판의 전방측을 향해 흐름과 함께 기류의 폭 방향의 가스 유량이 균일해지도록 성막 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 성막 가스를 기판에 공급하고 있을 때 상기 기판과 직교하는 축을 중심으로 상기 적재부를 회전시키기 위한 회전 기구와,
    상기 적재부가 정지하고 있는 상태에서 보았을 때, 상기 성막 가스의 흐름 방향에 있어서의 기판 상의 막의 막 두께 분포를 조정할 수 있는 막 두께 조정부와,
    상기 기판의 전방측에 형성된 배기구를 포함하고,
    상기 막 두께 조정부는, 상기 적재부의 적재면에서 볼 때 기판과는 반대측에서 상기 적재부와는 별개로, 상기 적재부의 회전시에 정지 상태가 되도록 설치되고, 성막 가스의 흐름 방향에 있어서의 기판의 온도 분포를 조정하는 온도 조정부이고,
    상기 온도 조정부는, 상기 적재부의 내부 공간에 상기 적재부의 내면으로부터 이격시킨 상태로 설치되고, 상기 적재부의 회전축과 동일한 중심을 갖는 원판 형상의 가열판을 포함하고,
    상기 가열판의 내부에는 상기 기류의 폭 방향으로 신장되는 복수 개의 막대 형상의 히터가 매설되는, 성막 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 막대 형상의 히터는 서로 독립적으로 온도를 조정할 수 있도록 구성되는, 성막 장치.
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