KR102051185B1 - 가스 공급 장치 및 가스 공급 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 성막에 필요한 원료 가스의 유량이 커지는 것을 방지함과 함께, 처리 용기(11) 내의 분위기를 치환하는 치환 가스의 유량을 크게 하는 것이다. 원료 가스, 반응 가스를 각각 처리 용기(11) 내에 공급하기 위한 원료 가스 유로(41), 반응 가스 유로(61)와, 원료 가스 유로(41) 및 반응 가스 유로(61)에 각각 접속되는 제1 캐리어 가스 유로(51) 및 제2 캐리어 가스 유로(71)와, 제1 캐리어 가스 유로(51) 및 제2 캐리어 가스 유로(71)에 설치된 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개의 공급 제어 기기를 통해서 치환 가스를 처리 용기(11) 내에 공급하는 치환 가스 유로(45, 65)와, 치환 가스 유로(45, 65)에 설치되어, 치환 가스를 저류하는 가스 저류부(46, 66)와, 치환 가스 유로(45, 65)에 있어서 가스 저류부(46, 66)의 하류측에 설치되는 밸브(V2, V6)와, 밸브(V2, V6)의 개폐를 제어하는 제어부(100)를 구비하도록 가스 공급 장치를 구성한다.

Description

가스 공급 장치 및 가스 공급 방법{GAS SUPPLY APPARATUS AND GAS SUPPLY METHOD}
본 발명은, 진공 분위기로 된 처리 용기 내에서 기판에 성막 처리를 행하기 위해 사용되는 가스 공급 장치 및 가스 공급 방법에 관한 것이다.
기판인 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)에 성막을 행하기 위해서, ALD(Atomic Layer Deposition)가 사용되는 경우가 있다. 이 ALD에서는 진공 분위기로 된 처리 용기 내에, 웨이퍼의 표면에 흡착하는 원료 가스와, 당해 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 교대로 복수회 공급하여, 웨이퍼의 표면에 반응 생성물의 원자층을 퇴적시켜 성막한다. 또한, 처리 용기 내에서 웨이퍼의 표면 이외의 영역에서 원료 가스와, 반응 가스가 기상 반응해서 파티클이 발생하게 되는 것을 방지하기 위해, 원료 가스와 반응 가스는 서로 간격을 두고 공급된다. 그리고, 원료 가스의 공급을 행하는 시간대와 반응 가스의 공급을 행하는 시간대와의 사이에는, 불활성 가스가 공급됨으로써 처리 용기 내의 분위기가 퍼지되어, 당해 불활성 가스 분위기로 치환된다. 특허문헌 1, 2에는, 이 ALD를 행하는 성막 장치에 대해서 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2016-23324호 공보 일본 특허 공개 제2014-198872호 공보
상기와 같이 퍼지를 행할 필요가 있으므로, 예를 들어 ALD를 행하는 동안에, 처리 용기 내에는 소정의 유량으로 불활성 가스의 공급이 연속해서 행하여지는 경우가 있다. 이 불활성 가스는, 원료 가스 또는 반응 가스가 공급되는 동안에는 이들 가스의 캐리어 가스로서 작용하고, 원료 가스 및 반응 가스의 공급이 행하여지지 않는 동안에는 퍼지 가스로서 작용한다.
그런데, 배선의 미세화가 진행됨으로써, ALD를 행하는 웨이퍼의 표면에는 비교적 애스펙트비가 큰 오목부가 형성되는 경향이 있고, 그러한 오목부가 형성되어 있는 경우에도 양호한 스텝 커버리지를 확보할 수 있도록 ALD를 행하는 것이 요구되고 있다. 이를 위해서는, 원료 가스의 유량을 증가시켜, 처리 용기 내에서의 원료 가스의 분압을 높게 하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 그와 같이 원료 가스의 유량이 증가하면, 상기 파티클의 발생을 방지하기 위해서 퍼지를 행하는 시간을 연장할 필요가 있으므로, 성막 처리에 요하는 시간이 길어져버린다. 또한, 상기와 같이 퍼지를 행하기 위해서 캐리어 가스는 비교적 큰 유량으로 처리 용기 내에 공급되기 때문에, 원료 가스의 분압을 충분히 높게 하기 위해서는, 처리 용기 내에 공급하는 원료 가스의 유량이 매우 커져버릴 우려가 있다. 그렇게 되면, 원료 가스를 처리 용기에 공급하기 위한 유로에 당해 원료 가스가 부착되어, 장치의 메인터넌스를 행하는 빈도가 높아져버릴 우려가 있다. 이러한 사정으로부터, 원료 가스의 유량이 비교적 작아도 기판에 대하여 양호한 피복성을 갖도록 성막을 행할 수 있고, 또한 처리 용기 내의 퍼지를 빠르게 행할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
특허문헌 1에는, 처리 가스(원료 가스 및 반응 가스)에 대한 캐리어 가스 및 퍼지 가스인 N2(질소) 가스의 공급원과 처리 용기를 접속하는 가스 유로에, 상류 단 및 하류 단이 접속된 바이패스 유로를 구비한 ALD를 행하는 성막 장치에 대해서 기재되어 있다. 이 성막 장치에서는, 처리 가스를 처리 용기 내에 공급할 때는 바이패스 유로에 개재하는 밸브가 폐쇄되고, 퍼지를 행할 때는 처리 용기 내에 공급되는 N2 가스의 유량이 비교적 많아지도록 당해 밸브가 열린다. 그러나, 바이패스 유로에서의 N2 가스의 유량은, 상기의 밸브의 개폐에 의해서만 제어된다. 따라서, 상기 가스 유로와 바이패스 유로에 각각 어느 정도 가스가 흐르는지 파악하는 것이 어려워, 처리 용기 내에 공급되는 N2 가스의 유량을 제어하는 것이 곤란해지는 것이 염려된다. 또한, 이 특허문헌 1보다도 퍼지의 시간을 더욱 단축화하는 기술이 요구되고 있다.
특허문헌 2에는, 원료 가스의 공급원과 처리 용기를 접속하는 원료 가스 유로와, 당해 원료 가스 유로로부터 분기된 제1 N2 가스 유로와, 원료 가스 유로 및 제1 N2 가스 유로와는 독립적으로 처리 용기에 퍼지 가스인 N2 가스를 공급하는 제2 N2 가스 유로를 구비한 ALD를 행하는 성막 장치에 대해서 기재되어 있다. 그러나, 제2 N2 가스 유로에는 밸브 및 매스 플로우 컨트롤러만이 개재하여 설치되어 있다. 그 때문에 단시간에 충분한 유량의 퍼지 가스를 처리 용기 내에 공급하는 것이 곤란하다.
본 발명은, 원료 가스와 반응 가스를 교대로 복수회 처리 용기 내의 기판에 공급해서 성막을 행함에 있어서, 성막에 필요한 원료 가스의 유량이 커지는 것을 방지함과 함께, 처리 용기 내의 분위기를 치환하는 치환 가스의 유량을 크게 해서 스루풋의 향상에 기여할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명의 가스 공급 장치는, 진공 분위기인 처리 용기 내의 기판에, 원료 가스, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스, 및 상기 원료 가스와 반응해서 상기 기판 상에 반응 생성물을 생성하기 위한 반응 가스를 차례로 복수 사이클 공급해서 성막하는 가스 공급 장치로서,
상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 원료 가스 유로와,
상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서 상기 원료 가스 유로와는 독립적으로 설치되는 반응 가스 유로와,
상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속되고, 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로와,
상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로에 설치된 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개의 공급 제어 기기를 통해서 상기 치환 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 치환 가스 유로와,
상기 치환 가스 유로에 설치되고, 상기 치환 가스를 저류하는 가스 저류부와,
상기 치환 가스 유로에 있어서 상기 가스 저류부의 하류측에 설치되는 밸브와,
상기 치환 가스가 저류되어 상기 가스 저류부 내가 승압된 후, 당해 가스 저류부로부터 상기 치환 가스가 상기 처리 용기 내에 공급되도록, 상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부,
를 포함한다.
본 발명의 가스 공급 방법은, 진공 분위기인 처리 용기 내의 기판에, 원료 가스, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스, 및 상기 원료 가스와 반응해서 상기 기판 상에 반응 생성물을 생성하기 위한 반응 가스를 차례로 복수 사이클 공급해서 성막하는 가스 공급 방법으로서,
상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서, 원료 가스 유로에 공급하는 공정과,
상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서, 상기 원료 가스 유로와는 독립적으로 설치되는 반응 가스 유로에 공급하는 공정과,
상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속된 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로에 캐리어 가스를 공급하는 공정과,
상기 치환 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로에 설치된 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개의 공급 제어 기기가 설치된 치환 가스 유로에 공급하는 공정과,
상기 치환 가스 유로에 설치되는 가스 저류부에, 상기 치환 가스를 저류하는 공정과,
상기 치환 가스가 저류되어 상기 가스 저류부 내가 승압된 후, 당해 가스 저류부로부터 상기 치환 가스가 상기 처리 용기 내에 공급되도록, 상기 치환 가스 유로에 있어서 상기 가스 저류부의 하류측에 설치되는 밸브를 개폐하는 공정,
을 포함한다.
본 발명에 따르면, 원료 가스 유로, 반응 가스 유로에 각각 접속되는 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로에 설치된 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개의 공급 제어 기기를 통해서 치환 가스를 처리 용기 내에 공급하는 치환 가스 유로가 설치된다. 그리고, 이 치환 가스 유로에는 밸브의 개폐에 의해, 치환 가스가 저류되어 내부가 승압된 후, 당해 치환 가스를 처리 용기에 공급하는 가스 저류부가 설치된다. 따라서, 치환 가스를 비교적 큰 유량으로 처리 용기 내에 공급하여, 처리 용기 내의 분위기의 치환을 빠르게 행할 수 있으므로, 장치의 스루풋의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 치환 가스는 캐리어 가스와는 독립적으로 처리 용기 내에의 공급이 제어되므로, 캐리어 가스의 유량이 커지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 이 캐리어 가스에 의해 원료 가스가 희석되는 것이 억제된다. 결과적으로, 성막에 필요한 원료 가스의 유량의 증가를 억제하면서, 기판에 대한 피복성이 양호한 막을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 공급 장치를 구비한 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 2는 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 상기 성막 장치에 의한 처리에서 공급되는 가스의 양의 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 7은 평가 시험에 사용한 웨이퍼의 종단 측면도이다.
도 8은 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
도 9는 비교예의 성막 장치를 나타내는 개략적인 종단 측면도이다.
도 10은 상기 비교예의 성막 장치에 의한 처리에서 공급되는 가스의 양의 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 11은 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
도 12는 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
도 13은 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
도 14는 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
도 15는 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 가스 공급 장치가 적용된 성막 장치(1)에 대해서, 도 1의 종단 측면도를 참조하면서 설명한다. 이 성막 장치(1)는, 편평한 원형의 처리 용기(11)를 구비하고 있고, 당해 처리 용기(11) 내에는 진공 분위기가 형성됨과 함께, 기판인 웨이퍼(W)가 저장된다. 웨이퍼(W)의 표면에는, 배선을 형성하기 위해서 예를 들어 요철이 형성되어 있다. 성막 장치(1)는, 이 웨이퍼(W)에 대하여 원료 가스인 TiCl4(사염화티타늄) 가스와 반응 가스인 NH3(암모니아) 가스를 교대로 반복 공급해서 ALD를 행하여, TiN(질화티타늄)막을 성막한다. TiCl4 가스의 공급을 행하는 시간대와 NH3 가스의 공급을 행하는 시간대와의 사이에는, 처리 용기(11) 내의 분위기가 TiCl4 가스 분위기 또는 NH3 가스 분위기로부터 불활성 가스인 N2(질소) 가스 분위기로 치환되도록, 당해 N2 가스가 퍼지 가스로서 공급된다. 또한, ALD에 의한 성막 처리 중에는, TiCl4 가스 및 NH3 가스를 처리 용기(11) 내에 도입하기 위한 캐리어 가스로서, N2 가스가 연속해서 처리 용기(11) 내에 공급된다.
도면 중 12는, 처리 용기(11)의 측벽에 개구된 웨이퍼(W)의 반송구이며, 게이트 밸브(13)에 의해 개폐된다. 도면 중 21은, 웨이퍼(W)를 적재하기 위해서 처리 용기(11) 내에 설치된 수평한 적재대이다. 당해 적재대(21)에는, 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열하는 히터(22)가 매설되어 있다. 도면 중 23은, 적재대(21)를 둘러싸도록 설치된 통 형상의 커버 부재이다. 도면 중 24는, 적재대(21)의 하부를 지지하는 수직한 지주이며, 지주(24)의 하단은, 처리 용기(11)의 저부에 형성된 개구부(14)를 관통해서 처리 용기(11)의 외부로 신장되어, 승강 기구(25)에 접속되어 있다. 도면 중 26은 지주(24)에 설치된 플랜지이다. 도면 중 27은 벨로우즈이며, 플랜지(26)와 개구부(14)의 테두리부에 접속되어, 처리 용기(11) 내의 기밀성을 담보한다.
상기 승강 기구(25)는, 도면 중에 실선으로 나타내는 처리 용기(11) 내의 상방측에서의 처리 위치와, 도면 중에 쇄선으로 나타내는 처리 용기(11) 내의 하방측에서의 수수 위치와의 사이에서 적재대(21)를 승강시킨다. 수수 위치에서는, 밀어올림 기구(28)에 의해, 적재대(21)에 형성된 구멍부(29)를 통과해서 웨이퍼(W)를 밀어올리는, 예를 들어 3개(도면에서는 2개만 표시하고 있음)의 밀어올림 핀(20)과, 반송구(12)를 통해서 처리 용기(11) 내에 진입하는 반송 기구(도시하지 않음)와의 사이에서 웨이퍼(W)의 수수가 행하여진다.
처리 용기(11)의 천장면은, 중앙부로부터 주연부를 향함에 따라서 하강하도록 형성되어 있고, 적재대(21)가 상기 처리 위치에 위치할 때, 당해 적재대(21)의 표면, 커버 부재(23)의 표면 및 당해 처리 용기(11)의 천장면에 의해 둘러싸이는 편평한 원추 형상의 처리 공간(10)이 형성된다. 상기의 천장면을 형성하는 처리 용기(11)의 천장판(15)의 중앙부에는, 당해 천장판(15)을 두께 방향으로 관통하는 2개의 가스 공급로(31, 32)가 형성되어 있고, 당해 가스 공급로(31, 32)의 하방에는, 가스 공급로(31, 32)로부터 토출되는 가스를 처리 공간(10) 내에 분산시키기 위한 분산판(33)이, 예를 들어 수평으로 설치되어 있다.
도면 중 16은, 반송구(12)의 상방에서 처리 용기(11)의 내벽이 돌출되어 형성되는 환상 부재이며, 처리 위치에서의 적재대(21)의 커버 부재(23)의 외측에 근접해서 둘러싸도록 배치되어 있다. 도면 중 17은, 처리 용기(11)의 측벽을 형성하도록 원환 형상으로 만곡시켜서 구성된 배기 덕트이다. 이 배기 덕트(17)의 내주면측은, 환상 부재(16) 상에서 둘레 방향에 걸쳐서 개구되어 있고, 커버 부재(23)와 처리 용기(11)의 천장판(15)과의 사이에 형성된 간극(18)을 통해서, 처리 공간(10)의 분위기를 배기할 수 있다. 도면 중 34는, 배기 덕트(17)에 일단이 접속된 배기관이며, 배기관(34)의 타단은, 배기량을 조정해서 처리 공간(10)의 진공 압을 조정하기 위한 압력 조정부(35), 밸브(36)를 순서대로 개재하여, 진공 배기 펌프(37)에 접속되어 있다.
상기 가스 공급로(31, 32)에는, 가스 유로(41, 61)의 하류 단이 각각 접속되어 있다. 가스 유로(41)에 대해서 설명하면, 가스 유로(41)의 상류 단은, 밸브(V1), 가스 저류 탱크(42), 유량 조정부(43)를 이 순서대로 개재하여, 처리 가스인 TiCl4 가스의 공급원(44)에 접속되어 있다. 유량 조정부(43)는, 매스 플로우 컨트롤러에 의해 구성되고, 가스 공급원(44)으로부터 공급되는 TiCl4 가스에 대해서 하류측에 공급되는 유량을 조정한다. 또한, 후술하는 다른 각 유량 조정부(47, 52, 63, 67, 72)에 대해서도, 이 유량 조정부(43)와 마찬가지로 구성되어 있고, 유로의 하류측에 공급되는 가스의 유량을 조정한다.
또한, TiCl4 가스 공급원(44)은, 액체의 상태로 TiCl4를 저류하는 탱크로 구성되고, 당해 탱크를 히팅(가열)해서 탱크 내의 TiCl4를 기화시켜, TiCl4 가스 공급원(44)으로부터 가스 유로(41)에는, 이렇게 기화한 TiCl4가 공급된다. 또한, 각 유량 조정부는, 유량을 조정하는 가스의 온도에 따라서 적절한 것이 사용된다. 상기 유량 조정부(43)에 대해서는, 이렇게 가열됨으로써 비교적 고온인 TiCl4 가스의 유량을 조정할 수 있도록 설계된 것이 사용된다.
가스 저류 탱크(42)는, 가스 공급원(44)으로부터 공급된 TiCl4 가스를 처리 용기(11) 내에 공급하기 전에 일단 저류한다. 그렇게 TiCl4 가스를 저류시켜, 가스 저류 탱크(42) 내가 소정의 압력으로 승압된 후에, 가스 저류 탱크(42)로부터 처리 용기(11)에 TiCl4 가스를 공급한다. 이 가스 저류 탱크(42)로부터 처리 용기(11)에의 TiCl4 가스의 급단이, 상기의 밸브(V1)의 개폐에 의해 행하여진다. 이렇게 가스 저류 탱크(42)에 TiCl4 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 높은 유량으로 안정적으로 당해 TiCl4 가스를 처리 용기(11)에 공급할 수 있다.
또한, 후술하는 각 가스 저류 탱크(46, 62, 66)에 대해서도, 가스 저류 탱크(42)와 마찬가지로, 가스 유로의 상류측의 가스 공급원으로부터 공급되는 각 가스를 일단 저류함으로써, 처리 용기(11)에 공급되는 각 가스의 유량을 안정화시키는 역할을 갖는 가스 저류부이다. 그리고, 각 가스 저류 탱크(46, 62, 66)의 하류측에 설치되는 밸브(V2, V4 및 V5, V6)의 개폐에 의해, 각 가스 저류 탱크(46, 62, 66)로부터 처리 용기(11)에의 가스의 급단이 각각 행하여진다.
가스 유로(41)의 설명으로 돌아가면, 이 가스 유로(41)에 있어서 밸브(V1)의 하류측에는, 가스 유로(45)의 하류 단이 접속되어 있다. 가스 유로(45)의 상류 단은, 밸브(V2), 가스 저류 탱크(46), 유량 조정부(47)를 이 순서대로 개재해서 N2 가스의 공급원(48)에 접속되어 있다. 또한, 가스 유로(45)에 있어서 밸브(V2)의 하류측에는, 가스 유로(51)의 하류 단이 접속되어 있다. 가스 유로(51)의 상류 단은, 밸브(V3), 유량 조정부(52)를 이 순서대로 개재해서, N2 가스의 공급원(53)에 접속되어 있다. 이 가스 유로(51)에서의 밸브(V3)의 하류측에는, 오리피스(54)가 형성되어 있다. 즉, 가스 유로(51)에서의 밸브(V3)의 하류측의 직경은, 가스 유로(51)에서의 밸브(V3)의 상류측 및 가스 유로(41, 45)의 직경보다도 작다. 가스 저류 탱크(42, 46)에 의해, 가스 유로(41, 45)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되는데, 오리피스(54)에 의해 이들 가스 유로(41, 45)에 공급된 가스가, 가스 유로(51)를 역류하는 것이 억제된다.
그런데, N2 가스 공급원(48)으로부터 가스 유로(45)에 공급되는 N2 가스는, 이미 설명한 퍼지를 행하기 위해서 처리 용기(11) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(53)으로부터 가스 유로(51)에 공급되는 N2 가스는, TiCl4 가스에 대한 캐리어 가스이다. 이 캐리어 가스는, 상기와 같이 웨이퍼(W)의 처리 중에는 연속해서 처리 용기(11) 내에 공급되므로, 퍼지를 행할 때도 처리 용기(11) 내에 공급된다. 따라서, 당해 캐리어 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되는 시간대는, 퍼지를 행하기 위해서 가스 공급원(48)으로부터의 N2 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되는 시간대와 겹쳐서, 캐리어 가스는 퍼지에도 사용되게 되는데, 설명의 편의상, N2 가스 공급원(48)으로부터 가스 유로(45)에 공급되는 가스를 퍼지 가스로서 기재하고, N2 가스 공급원(53)으로부터 가스 유로(51)에 공급되는 가스는 캐리어 가스로서 기재한다. 또한, 이 캐리어 가스는, TiCl4 가스가 가스 유로(51)를 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용 가스이기도 하다.
계속해서, 처리 용기(11)의 가스 공급로(32)에 접속되는 가스 유로(61)에 대해서 설명한다. 이 가스 유로(61)의 상류측은 2개로 분기된 후에 서로 합류하고, 합류한 가스 유로(61)의 상류 단은, 가스 저류 탱크(62), 유량 조정부(63)를 이 순서대로 개재해서, 처리 가스인 NH3 가스의 공급원(64)에 접속되어 있다. 이 가스 유로(61)는 반응 가스 유로이며, 원료 가스 유로인 가스 유로(41)에 대하여 독립적으로 형성되어 있다. 또한, 가스 유로(61)에 있어서, 상기와 같이 2개로 분기된 부위에는 밸브(V4, V5)가 각각 개재하여 설치되어 있다. 이렇게 가스 저류 탱크(62)의 하류측에서 분기된 유로를 형성하고 있는 것은, 비교적 많은 NH3 가스를 처리 용기(11)에 공급할 수 있도록, 컨덕턴스를 크게 하기 위해서이다.
가스 유로(61)가 분기된 부위에서, 밸브(V5)의 하류측에는 가스 유로(65)의 하류 단이 접속되어 있다. 가스 유로(65)의 상류 단은, 밸브(V6), 가스 저류 탱크(66), 유량 조정부(67)를 이 순서대로 개재해서, N2 가스의 공급원(68)에 접속되어 있다. 또한, 가스 유로(65)에 있어서 밸브(V6)의 하류측에는, 가스 유로(71)의 하류 단이 접속되어 있다. 가스 유로(71)의 상류 단은, 밸브(V7), 유량 조정부(72)를 이 순서대로 개재해서, N2 가스의 공급원(73)에 접속되어 있다. 이 가스 유로(71)에서의 밸브(V7)의 하류측에는, 오리피스(74)가 형성되어 있다. 즉, 가스 유로(71)에서의 밸브(V7)의 하류측의 직경은, 가스 유로(71)에서의 밸브(V7)의 상류측 및 가스 유로(61, 65)의 직경보다도 작다. 이 오리피스(74)는, 오리피스(54)와 마찬가지로, 가스 유로(61, 65)에 비교적 큰 유량으로 공급된 가스가, 가스 유로(71)를 역류하는 것을 억제하기 위해서 형성되어 있다.
상기 N2 가스 공급원(68)으로부터 가스 유로(65)에 공급되는 N2 가스는, 이미 설명한 퍼지를 행하기 위해서 처리 용기(11) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(73)으로부터 가스 유로(71)에 공급되는 N2 가스는, NH3 가스에 대한 캐리어 가스이며, 상기 TiCl4 가스에 대한 캐리어 가스와 마찬가지로 퍼지에도 사용되게 되는데, 설명의 편의상, N2 가스 공급원(68)으로부터 가스 유로(65)에 공급되는 가스를 퍼지 가스로서 기재하고, N2 가스 공급원(73)으로부터 가스 유로(71)에 공급되는 가스는 캐리어 가스로서 기재한다. 또한, 당해 캐리어 가스는, NH3 가스가 가스 유로(71)를 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용 가스이기도 하다.
이상과 같이 각 가스 유로가 형성되어 있음으로써, 제1 캐리어 가스 유로를 이루는 가스 유로(51)는, 캐리어 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V3) 및 유량 조정부(52)를 구비하고 있고, 제1 치환 가스 유로를 이루는 가스 유로(45)에는 이 밸브(V3) 및 유량 조정부(52)와는 별개로, 퍼지 가스의 공급 제어 기기로서, 밸브(V2) 및 유량 조정부(47)가 설치되어 있게 된다. 또한, 제2 캐리어 가스 유로를 이루는 가스 유로(71)는, 캐리어 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V7) 및 유량 조정부(72)를 구비하고 있고, 제2 치환 가스 유로를 이루는 가스 유로(65)에는 이 밸브(V7) 및 유량 조정부(72)와는 별개로, 퍼지 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V6) 및 유량 조정부(67)가 설치되어 있게 된다.
그런데, 상기와 같이 퍼지 가스는, 가스 유로(45, 65)의 양쪽으로부터 처리 용기(11)에 공급되도록 구성되어 있다. 이것은, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 TiCl4 가스 및 NH3 가스뿐만 아니라, 가스 유로(41)에 있어서 밸브(V1)의 하류측에 잔류하는 TiCl4 가스 및 가스 유로(61)에 있어서 밸브(V4 및 V5)의 하류측에 잔류하는 NH3 가스에 대해서도 퍼지하기 위해서이다. 즉, 보다 확실하게 이들 TiCl4 가스 및 NH3 가스를 퍼지하기 위해서, 퍼지 가스의 유로가 2개 형성되어 있다.
또한 성막 장치(1)는 제어부(100)를 구비하고 있다. 이 제어부(100)는 컴퓨터에 의해 구성되어 있고, 프로그램, 메모리, CPU를 구비하고 있다. 프로그램에는, 성막 장치(1)에서의 후술하는 일련의 동작을 실시할 수 있도록 스텝 군이 내장되어 있어, 당해 프로그램에 의해 제어부(100)는, 성막 장치(1)의 각 부에 제어 신호를 출력하여, 당해 각 부의 동작이 제어된다. 구체적으로는, 각 밸브(V1 내지 V7)의 개폐, 유량 조정부(43, 47, 52, 63, 67, 72)에 의한 가스의 유량의 조정, 압력 조정부(35)에 의한 처리 용기(11) 내의 압력의 조정, 히터(22)에 의한 웨이퍼(W)의 온도의 조정 등의 각 동작이, 제어 신호에 의해 제어된다. 상기 프로그램은, 예를 들어 플렉시블 디스크, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등의 기억 매체에 저장되어, 제어부(100)에 인스톨된다. 이 제어부(100)와, 상기 가스 유로(41, 45, 51, 61, 65, 71)와, 가스 공급원(44, 48, 53, 64, 68, 73)과, 밸브(V1 내지 V7)와, 유량 조정부(43, 47, 52, 63, 67, 72)와, 가스 저류 탱크(42, 46, 62, 66)에 의해, 본 발명에 따른 가스 공급 장치가 구성되어 있다.
계속해서 성막 장치(1)에서의 성막 처리에 대해, 각 밸브의 개폐 상태 및 각 가스 유로에서의 가스의 유통 상태에 대해서 도시하는 도 2 내지 도 5를 사용해서 설명한다. 이들 도 2 내지 도 5에서는, 폐쇄되어 있는 밸브(V)에는 해칭을 부여함으로써, 개방되어 있는 밸브(V)와 구별해서 표시하고 있다. 또한, 각 가스 유로에 대해서 가스가 하류측에 유통하고 있는 부위는, 유통하고 있지 않은 부위에 비해서 굵게 나타내고 있다. 또한, 도 2 내지 도 5에서는, 도 1에 비하여 처리 용기(11) 및 처리 용기(11) 내의 각 부를 간략화해서 표시하고 있다. 또한, 이하의 성막 처리의 설명에서는, 도 6의 타이밍 차트도 적절히 참조한다. 이 타이밍 차트에서는, TiCl4 가스, NH3 가스, 캐리어 가스, 퍼지 가스가 각각 흐르는 시간대를, 서로 농도가 상이한 그레이 스케일을 부여한 사각형 영역으로 나타내고 있다. 각 사각형 영역의 높이는, 처리 용기(11) 내에 공급되는 가스의 양에 대응하고 있으며, 당해 사각형 영역의 높이가 클수록 공급되는 가스의 양이 많다.
우선, 밸브(V1 내지 V7)가 폐쇄된 상태에서, 반송 기구에 의해 웨이퍼(W)가 처리 용기(11) 내에 반송되어, 수수 위치에서의 적재대(21)에 적재된다. 반송 기구가 처리 용기(11) 내로부터 퇴피된 후, 게이트 밸브(13)가 폐쇄된다. 적재대(21)의 히터(22)에 의해 웨이퍼(W)가 예를 들어 460℃로 가열됨과 함께 적재대(21)가 처리 위치까지 상승하여, 처리 공간(10)이 형성된다. 배기관(34)에 개재하여 설치되는 압력 조정부(35)에 의해, 처리 용기(11) 내가 소정의 진공 압력으로 되도록 조정된다. 그리고 밸브(V3, V7)가 열리고, N2 가스 공급원(53, 73)으로부터 각각 가스 유로(51, 71)에, 예를 들어 500sccm의 캐리어 가스(N2 가스)가 공급된다. 즉, 합계 1000sccm의 캐리어 가스가, 처리 용기(11) 내에 공급된다. 한편, 가스 공급원(44), 가스 공급원(64)으로부터 TiCl4 가스, NH3 가스가 각각 가스 유로(41, 61)에 공급된다. 밸브(V1, V4, V5)가 폐쇄되어 있음으로써, 이들 TiCl4 가스, NH3 가스는, 가스 저류 탱크(42, 62)에 각각 저류되어, 가스 저류 탱크(42, 62) 내가 승압된다.
그러한 후, 밸브(V1)가 열리고(차트 중, 시각 t1), 가스 저류 탱크(42)에 저류된 TiCl4 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되어, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된다. 이 처리 용기(11) 내에의 TiCl4 가스의 공급에 병행하여, 가스 공급원(48, 68)으로부터 가스 유로(45, 65)에 각각 퍼지 가스(N2 가스)가 공급된다. 밸브(V2, V6)가 폐쇄되어 있음으로써, 퍼지 가스는 가스 저류 탱크(46, 66)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(46, 66) 내가 승압된다(도 2, 스텝 S1).
시각 t1로부터 예를 들어 0.05초 경과한 후, 밸브(V1)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V2, V6)가 열리어(시각 t2), 처리 용기(11) 내에의 TiCl4 가스의 공급이 정지됨과 함께, 가스 저류 탱크(46, 66)에 각각 저류된 퍼지 가스가 처리 용기(11) 내에 공급된다. 상기와 같이 압력이 상승한 상태의 가스 저류 탱크(46, 66)로부터 공급됨으로써, 처리 용기(11) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들어 캐리어 가스의 유량보다도 큰 1,500sccm 내지 5,000sccm으로 퍼지 가스가 공급되어, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 TiCl4 가스가 빠르게 배기관(34)에 퍼지되어, 당해 처리 용기(11) 내가 TiCl4 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다. 이렇게 퍼지가 행하여지는 한편, 밸브(V1)가 폐쇄됨으로써, 가스 공급원(44)으로부터 가스 유로(41)에 공급된 TiCl4 가스가 가스 저류 탱크(42)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(42) 내가 승압된다(도 3, 스텝 S2).
시각 t2로부터 예를 들어 0.2초 경과한 후, 밸브(V2, V6)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V4, V5)가 열리어(시각 t3), 처리 용기(11) 내에의 퍼지 가스의 공급이 정지됨과 함께, 가스 저류 탱크(62)에 저류된 NH3 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되어, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착된 TiCl4 가스와 반응하여, 반응 생성물인 TiN의 원자층이 형성된다. 한편, 밸브(V2, V6)가 폐쇄됨으로써, 가스 공급원(48, 68)으로부터 가스 유로(45, 65)에 각각 공급된 퍼지 가스가 가스 저류 탱크(46, 66)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(46, 66) 내가 승압된다(도 4, 스텝 S3).
시각 t3으로부터 예를 들어 0.3초 경과한 후, 밸브(V4, V5)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V2, V6)가 열리어(시각 t4), 처리 용기(11) 내에의 NH3 가스의 공급이 정지됨과 함께, 가스 저류 탱크(46, 66)에 각각 저류된 퍼지 가스가 처리 용기(11) 내에 공급된다. 상기와 같이 압력이 상승한 상태의 가스 저류 탱크(46, 66)로부터 공급됨으로써, 처리 용기(11) 내에는 예를 들어 1,500sccm 내지 5,000sccm으로 퍼지 가스가 공급되어, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 NH3 가스가, 빠르게 배기관(34)에 퍼지되어, 당해 처리 용기(11) 내가 NH3 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다. 이렇게 퍼지가 행하여지는 한편, 밸브(V4, V5)가 폐쇄됨으로써, 가스 공급원(64)으로부터 가스 유로(61)에 공급된 NH3 가스가 가스 저류 탱크(62)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(62) 내가 승압된다(도 5, 스텝 S4).
시각 t4로부터 예를 들어 0.3초 경과한 후, 밸브(V2, V6)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V1)가 열리어(시각 t5), 처리 용기(11) 내에의 퍼지 가스의 공급이 정지됨과 함께, 가스 저류 탱크(42)에 저류된 TiCl4 가스가 처리 용기(11) 내에 공급된다. 즉 상기 스텝 S1이 다시 행하여진다. 따라서, 상기 퍼지가 종료되는 시각 t5는, 상기 TiCl4 가스의 공급이 개시되는 시각 t1이기도 하다. 이 스텝 S1이 행하여진 후에는 상기 스텝 S2 내지 S4가 행하여지고, 그 후에는 스텝 S1 내지 S4가 더 행하여진다. 즉, 상기 스텝 S1 내지 S4를 하나의 사이클로 하면, 이 사이클이 반복해서 행하여져, TiN의 원자층이 웨이퍼(W)의 표면에 퇴적되어, TiN막이 성막된다. 그리고, 소정의 횟수의 사이클이 실행되면, 처리 용기(11) 내에의 반입 시와는 반대의 수순으로 웨이퍼(W)가 처리 용기(11)로부터 반출된다.
상기 성막 장치(1)에 의하면, TiCl4 가스 및 NH3 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 가스 유로(51, 71)에 개재하여 설치되는 유량 조정부(52, 72) 및 밸브(V3, V7)와는 상이한 유량 조정부(47, 67) 및 밸브(V2, V6)을 구비하도록 처리 용기(11) 내에 퍼지 가스를 공급하기 위한 가스 유로(45, 65)가 설치되어 있다. 그리고, 이들 퍼지 가스의 가스 유로(45, 65)에는 밸브(V2, V6)의 개폐에 의해, 퍼지 가스가 저류되어 내부가 승압된 후, 당해 퍼지 가스를 처리 용기(11)에 공급하는 가스 저류 탱크(46, 66)가 각각 설치된다. 따라서, 퍼지 가스를 비교적 큰 유량으로 처리 용기(11) 내에 공급하여, 처리 용기(11) 내의 분위기의 치환을 빠르게 행할 수 있다. 그 때문에, 스루풋의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 그와 같이 캐리어 가스와는 독립적으로 유량이 제어되는 퍼지 가스에 의해 처리 용기(11) 내의 분위기의 치환을 행하므로, 캐리어 가스의 유량이 커지는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 양호한 스텝 커버리지가 얻어지도록 성막을 행하기 위해 필요한 TiCl4 가스의 유량의 상승을 억제할 수 있으므로, 이 TiCl4 가스의 가스 유로(41)에의 부착을 억제하여, 메인터넌스의 빈도를 저하시킬 수 있다. 견해를 달리하면, 가스 유로(41)에의 TiCl4 가스의 부착을 충분히 억제할 수 있는 범위에서, TiCl4 가스를 처리 용기(11)에 공급하는 유량을 증가시켜, 처리 용기(11) 내에서의 TiCl4 가스의 분압을 높게 하여, 양호한 스텝 커버리지가 얻어지도록 TiN막을 형성할 수 있다.
상기 성막 처리에 있어서, 퍼지 가스에 대해서 비교적 큰 유량이 처리 용기(11) 내에 공급되는 것이라고 기재했지만, TiCl4 가스, NH3 가스에 대해서도 가스 저류 탱크(42, 62)에 각각 저류된 후에 처리 용기(11) 내에 공급되므로, 퍼지 가스와 마찬가지로 비교적 큰 유량으로 처리 용기(11) 내에 공급된다. 따라서, 이들 TiCl4 가스, NH3 가스가 각각 공급되는 시간대의 단축화를 도모할 수 있기 때문에, 보다 확실하게 스루풋의 향상을 도모할 수 있다.
그런데, 퍼지 가스의 가스 유로(51, 71)는, TiCl4 가스, NH3 가스를 각각 공급하는 가스 유로(41, 61)에 접속되는 것에 한정되지는 않고, 예를 들어 처리 용기(11)의 천장판(15)에 가스 공급로(31, 32)와는 독립적으로 처리 용기(11) 내에 가스를 공급하기 위한 가스 공급로를 설치하여, 당해 가스 공급로에 접속되도록 설치해도 된다. 또한, 그 경우, 가스 유로(51, 71) 2개를 설치하는 것에 한정되지 않고, 가스 유로(51, 71) 중 1개를 설치하면 된다. 단, 상기와 같이 가스 유로(41, 61)의 퍼지를 행하기 위해서, 퍼지 가스의 가스 유로(51, 71) 2개를 가스 유로(41, 61)에 각각 접속되도록 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 캐리어 가스의 유로와, 퍼지 가스의 유로는 별개의 공급 제어 기기를 통해서 하류측에 가스를 공급할 수 있으면 된다. 따라서, 예를 들어 퍼지 가스의 가스 유로(45)에서의 유량 조정부(47)의 상류측과, 캐리어 가스의 가스 유로(51)에서의 유량 조정부(52)의 상류측이 합류하여, 공통의 N2 가스 공급원에 접속되는 구성이어도 된다.
또한, 본 발명은 TiN막을 형성하는 경우에 한정되지 않고, 예를 들어 WN(질화텅스텐)막을 형성하는 경우에도 사용할 수 있다. 이 경우에는, 원료 가스로서는 예를 들어 염화텅스텐 가스가, 반응 가스로서는 예를 들어 NH3 가스가 각각 사용된다. 또한, 이렇게 TiN막이나, WN막을 성막함에 있어서, 원료 가스를 질화하기 위해서는 NH3 가스를 사용하는 것에 한정되지는 않고, 예를 들어 히드라진 등의 질소를 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 이렇게 본 발명은 앞서 설명한 실시 형태에 한정되지는 않고, 적당한 변경이 가능하다.
(평가 시험)
계속해서, 본 발명에 관련해서 행하여진 평가 시험에 대해서 설명한다.
·평가 시험 1
이 평가 시험 1에서는, 상기 성막 장치(1)를 사용해서 복수매의 웨이퍼(W)에 대하여 도 2 내지 도 6에서 설명한 바와 같이 TiN막을 성막하였다. 성막을 행하는 웨이퍼(W)로서는, 도 7에 그 종단 측면을 나타내는 테스트용 웨이퍼(W)가 사용되었다. 이 테스트용 웨이퍼(W)의 표면은 천공되어, 오목부(81)가 형성되어 있다. 오목부(81)의 직경은 20nm이며, 오목부(81)의 애스펙트비는 50이다.
이 평가 시험 1에서의 처리 조건을 나타내면, 성막 처리 중의 웨이퍼(W)의 온도는 530℃이다. 각 스텝 S의 시간에 대해서는, 이미 설명한 성막 처리의 각 스텝 S의 시간과 동일하고, 처리 용기(11) 내에 공급하는 캐리어 가스의 유량에 대해서도, 이미 설명한 성막 처리에서 처리 용기(11) 내에 공급하는 캐리어 가스의 유량과 동일한 1,000sccm으로 설정하였다. 그리고, 스텝 S1에서 처리 용기(11)에 공급되는 TiCl4 가스의 유량 및 스텝 S2, S4에서 각각 처리 용기(11)에 공급하는 퍼지 가스의 유량을, 웨이퍼(W)마다 변경하고 있다. 더 자세하게 설명하면, TiCl4 가스의 유량은 140sccm 또는 200sccm으로 설정해서 성막 처리를 행하고 있다. TiCl4 가스의 유량이 140sccm으로 설정된 것을 평가 시험 1-1, TiCl4 가스의 유량이 200sccm으로 설정된 것을 평가 시험 1-2로 한다. 상기 퍼지 가스의 유량에 대해서는, 3,000sccm, 6,000sccm 및 10,000sccm 중의 1개를 선택해서 설정하고 있다.
오목부(81)에의 TiN막(82)의 성막 후에는, 당해 TiN막(82)으로부터 하기의 식 1을 산출하였다. 이후, 당해 식 1에 의해 취득되는 값을 스텝 커버리지(단위: ％)로 한다. 따라서, 당해 스텝 커버리지의 값이 높을수록, TiN막(82)에 의한 웨이퍼(W) 표면의 피복성이 높은 것을 나타낸다.
[식 1]
스텝 커버리지 = 오목부(81)의 측벽의 하단부에 형성된 TiN막의 두께(t1)/오목부(81)의 측벽 상단부에 형성된 TiN막의 두께(t2)×100
도 8의 그래프는, 평가 시험 1의 결과를 나타내고 있다. 그래프의 횡축은 스텝 S2, S4에서 각각 처리 용기(11) 내에 공급된 퍼지 가스의 유량(단위: sccm)을 나타내고, 그래프의 종축은 상기 스텝 커버리지(단위: ％)를 나타내고 있다. 그래프에서는 평가 시험 1-1의 결과를 삼각의 플롯으로, 평가 시험 1-2의 결과를 원의 플롯으로 각각 나타내고 있다. 그래프에 나타낸 바와 같이, 퍼지 가스의 유량이 각각 3,000sccm, 6,000sccm, 10,000sccm인 경우 모두에 있어서, 평가 시험 1-2의 스텝 커버리지가, 평가 시험 1-1의 스텝 커버리지보다도 더 크다.
또한, 평가 시험 1-1에서는, 퍼지 가스의 유량이 6,000sccm, 10,000sccm일 때의 스텝 커버리지의 값은, 퍼지 가스의 유량이 3,000sccm일 때의 스텝 커버리지의 값보다도 높다. 평가 시험 1-2에서는, 퍼지 가스의 유량이 클수록, 스텝 커버리지의 값이 높다. 따라서, 처리 용기(11) 내에 공급하는 퍼지 가스의 유량이 비교적 크면, 양호한 스텝 커버리지를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그래프로부터, 퍼지 가스의 유량이 6,000sccm 이상인 경우에 스텝 커버리지는 대략 90％ 이상으로, 실용상 충분한 값으로 되어 있다. 따라서, 당해 퍼지 가스의 유량은, 예를 들어 6,000sccm으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 9에 나타내는 성막 장치(8)를 사용해서 TiN막을 성막하고, 스텝 커버리지를 측정하는 비교 시험 1을 행하였다. 성막 장치(8)는, 퍼지 가스를 공급하기 위한 가스 유로(45, 65)가 설치되지 않는 것을 제외하고, 성막 장치(1)와 마찬가지로 구성되어 있다. 따라서, 성막 장치(8)에 의해 실행되는 상기 스텝 S2, S4에서는, 가스 유로(45, 65)로부터의 퍼지 가스의 공급이 행하여지지 않고, 가스 유로(51, 71)에 공급된 캐리어 가스에 의해 퍼지가 행하여진다. 도 10은, 이 성막 장치(8)에서 처리 용기(11) 내에 공급되는 가스의 양을, 도 6과 마찬가지로 나타낸 타이밍 차트이다. 도 10의 차트와 도 6의 차트를 비교해서 명백해진 바와 같이, 성막 장치(8)의 쪽이 캐리어 가스의 공급량이 더 많아지도록 설정되어 있다. 이것은, 그와 같이 캐리어 가스에 의해 퍼지를 행하기 위해서이다. 또한, 성막 장치(8)의 처리 용기(11)는, 성막 장치(1)의 처리 용기(11)와 마찬가지로 구성되어 있는데, 도 9에서는 도 2와 마찬가지로 간략화해서 나타내고 있다. 이 성막 장치(8)를 사용한 비교 시험 1에서는, 스텝 S1 내지 S4에서 처리 용기(11) 내에 공급하는 캐리어 가스의 유량을 4,000sccm으로 설정하고, 스텝 S1에서 처리 용기(11) 내에 공급하는 TiCl4의 가스 유량을 140sccm으로 설정하였다. 그 이외의 처리 조건은, 평가 시험 1과 마찬가지이다.
비교 시험 1로부터 얻어진 스텝 커버리지는 78％이었다. 도 8의 그래프에 나타낸 바와 같이 평가 시험 1-1, 1-2로부터 얻어진 각 스텝 커버리지는 85％ 이상이기 때문에, 이 78％를 상회하고 있다. 따라서, 비교 시험 1에 비해 평가 시험 1이 TiN막에 의한 웨이퍼(W)의 피복성이 더 높아, 본 발명의 효과가 확인되었다.
·평가 시험 2
평가 시험 2로서, 평가 시험 1과 마찬가지로 도 7에 나타낸 웨이퍼(W)의 복수매에 각각 성막 처리를 행하여, 스텝 커버리지를 측정하였다. 단, 이 평가 시험 2에서는, 스텝 S1 내지 S4에서 처리 용기(11) 내에 공급하는 캐리어 가스의 유량과, 스텝 S1에서 처리 용기(11) 내에 공급하는 TiCl4 가스의 유량을 웨이퍼(W)마다 변경해서 행하고 있다. 캐리어 가스의 유량에 대해서는, 1,000sccm 또는 500sccm으로 설정하고 있고, 캐리어 가스의 유량이 1,000sccm인 것을 각각 평가 시험 2-1, 캐리어 가스의 유량이 500sccm인 것을 평가 시험 2-2로 한다. 평가 시험 2-1로서는, TiCl4 가스의 유량이 각각 50sccm, 100sccm, 140sccm, 200sccm으로 설정된 것이 각각 행하여졌다. 평가 시험 2-2로서는, TiCl4 가스의 유량이 각각 50sccm, 100sccm, 140sccm으로 설정된 것이 각각 행하여졌다. 또한, 이 평가 시험 2의 스텝 S2, S4의 각각에서 처리 용기(11) 내에 공급되는 퍼지 가스의 유량은 6,000sccm으로 설정하였다. 그 밖의 처리 조건은, 평가 시험 1의 처리 조건과 마찬가지로 설정하였다.
도 11의 그래프는 평가 시험 2의 결과를 나타내고 있다. 그래프의 횡축은 TiCl4 가스의 유량을 나타내고 있고, 그래프의 종축은 상기 스텝 커버리지를 나타내고 있다. 그래프에서는 평가 시험 2-1의 결과를 삼각의 플롯으로, 평가 시험 2-2의 결과를 원의 플롯으로 각각 나타내고 있다. 이 그래프로부터 명백해진 바와 같이, 평가 시험 2-1, 2-2의 사이에서 TiCl4 가스의 유량이 동일한 경우, 캐리어 가스의 유량이 작은 평가 시험 2-2의 쪽이, 스텝 커버리지가 더 높다. 또한, 이 그래프로부터, 평가 시험 2-1, 2-2의 각각에 대해서, TiCl4 가스의 유량이 클수록 스텝 커버리지가 높아져 있는 것을 알 수 있다. 이 평가 시험 2의 결과 및 상기 평가 시험 1의 결과는, 스텝 S1에서, 캐리어 가스의 유량에 대한 TiCl4 가스의 유량이 클수록, 양호한 스텝 커버리지가 얻어지는 것을 나타내고 있다. 또한, 이 평가 시험 2에서 측정된 각 스텝 커버리지의 값은, 상기 비교 시험 1의 스텝 커버리지의 값인 78％보다도 크다. 즉, 성막 장치(1)에 의해 성막을 행하는 경우, 처리 용기(11)에 공급되는 캐리어 가스의 유량이 1,000sccm 이하인 경우에는, 비교시험 1의 스텝 커버리지보다도 양호한 스텝 커버리지가 얻어지는 것으로 확인되었다.
·평가 시험 3
평가 시험 3으로서, 성막 장치(1)를 사용해서 성막 처리를 행하여, 복수의 웨이퍼(W)에 TiN막을 형성하고, 당해 TiN막의 막 두께(단위: Å) 및 비저항(μΩ·cm)을 측정하였다. 이 평가 시험 3에서는 처리 용기(11)에 공급하는 캐리어 가스의 유량을 1,000sccm으로 설정하고, 퍼지 가스의 유량을 500sccm 내지 10,000sccm의 범위에서 웨이퍼(W)마다 변경해서 처리를 행하였다. 또한, 성막 처리 중의 웨이퍼(W)의 온도는 460℃, 1 사이클에서의 처리 용기(11) 내에의 TiCl4 가스의 공급량을 1.05cc, 1 사이클에서의 처리 용기(11) 내에의 NH3 가스의 공급량을 38cc로 각각 설정하고, 스텝 S1, S2, S3, S4를 행하는 시간을 0.05초, 0.1초, 0.13초, 0.1초로 각각 설정하였다. 또한, 사이클을 행하는 횟수는 300회로 하였다.
비교 시험 3으로서, 비교 시험 1과 마찬가지로 성막 장치(8)를 사용해서 성막 처리를 행하여, 복수의 웨이퍼(W)에 TiN막을 형성하고, 평가 시험 3과 마찬가지로 막 두께 및 비저항을 측정하였다. 이 비교 시험 3에서, 캐리어 가스의 유량은 2,000sccm 내지 7,500sccm의 범위에서, 웨이퍼(W)마다 변경하였다. 웨이퍼(W)의 온도, 1 사이클에서의 처리 용기(11) 내에의 TiCl4 가스의 공급량, 1 사이클에서의 처리 용기(11) 내에의 NH3 가스의 공급량, 스텝 S1 내지 S4의 각각을 행하는 시간 및 사이클을 행하는 횟수에 대해서는, 평가 시험 3과 마찬가지로 설정하였다.
또한, 스텝 S1, S3에서 TiCl4 가스, NH3 가스가 각각 충분히 처리 용기(11) 내에 공급되어 있는 것으로 하고, 스텝 S2, S4에서 웨이퍼(W)의 주위의 분위기의 치환이 충분하지 않으면, ALD에 의한 성막 이외에 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의한 성막도 행하여지게 됨으로써, ALD에 의해서만 성막이 행하여지는 경우에 비해서 막 두께가 커진다. 그리고, 이렇게 CVD에 의한 성막이 이루어지면, 막질이 열화되어 TiN막의 비저항이 상승하게 된다. 따라서, 이 평가 시험 3 및 비교 시험 3에서는 TiN막의 막 두께 및 비저항은, 낮은 값으로 되는 것이 바람직하다.
도 12 및 도 13의 그래프는, 평가 시험 3 및 비교 시험 3의 결과에 대해서 나타내고 있다. 도 12, 도 13의 각 그래프의 횡축은, 평가 시험 3의 퍼지 가스의 유량(단위: sccm)과, 비교 시험 3의 캐리어 가스의 유량(단위: sccm)을 나타내고 있다. 그리고, 도 12의 그래프의 종축은 측정된 막 두께(단위: Å)를 나타내고 있고, 도 13의 그래프의 종축은 측정된 비저항(단위: μΩ·cm)을 나타내고 있다. 그래프에서는 비교 시험 3의 결과를 삼각의 플롯으로, 평가 시험 3의 결과를 원의 플롯으로 각각 나타내고 있다. 이들 각 그래프에 나타낸 바와 같이, 평가 시험 3에서는, TiN막의 막 두께는 대략 100Å 내지 대략 150Å이며, TiN막의 비저항은 대략 250μΩ·cm 내지 300μΩ·cm이었다.
퍼지 가스의 유량이 2,000sccm보다 낮은 범위에서는, 당해 퍼지 가스의 유량이 증가함에 따라서 막 두께 및 비저항이 저하되고, 퍼지 가스가 2,000sccm 내지 10,000sccm의 범위에서는, 막 두께가 대략 100Å, 비저항이 대략 260μΩ·cm로 각각 일정하게 되어 있다. 따라서, 이와 같이 퍼지 가스가 2,000sccm 내지 10,000sccm인 범위에서는, 상기 CVD에 의한 성막이 행하여지지 않았다고 생각된다. 한편, 도 12, 도 13의 각 그래프에 나타낸 바와 같이, 비교 시험 3에서는, TiN막의 막 두께는 대략 100Å 내지 대략 400Å이며, TiN막의 비저항은 대략 240μΩ·cm 내지 대략 390μΩ·cm로, 캐리어 가스의 유량이 커짐에 따라서 이들 막 두께 및 비저항이 저하되어 있다.
평가 시험 3에서 퍼지 가스의 유량이 500sccm인 경우와, 비교 시험 3에서 캐리어 가스의 유량이 4,000sccm인 경우에, 막 두께 및 비저항이 대략 동일하게 되어 있고, 평가 시험 3에서 퍼지 가스의 유량이 1,000sccm인 경우와, 비교 시험 3에서 캐리어 가스의 유량이 5,000sccm인 경우에, 막 두께 및 비저항이 대략 동일하게 되어 있다. 또한, 평가 시험 3에서 퍼지 가스의 유량이 3,000sccm인 경우와, 비교 시험 3에서 캐리어 가스의 유량이 7,500sccm인 경우에, 막 두께 및 비저항이 대략 동일하게 되어 있다. 상기와 같이 평가 시험 3에서는 캐리어 가스의 유량은 1,000sccm으로 설정하고 있으므로, 이 실험 결과로부터 성막 장치(1)에 의한 처리와, 성막 장치(8)에 의한 처리에서 동일한 TiN막의 막 두께 및 비저항을 얻기 위해서는, 성막 장치(1)에 의한 처리를 행하는 것이 캐리어 가스의 유량을 작게 억제할 수 있음이 확인되었다. 그리고, 평가 시험 1, 2에서 설명한 바와 같이, 캐리어 가스의 유량에 대한 TiCl4 가스의 유량을 크게 함으로써, 양호한 스텝 커버리지를 얻을 수 있으므로, 이 평가 시험 3으로부터는, 성막 장치(1)에 의한 처리를 행하는 것이 양호한 스텝 커버리지를 얻을 수 있음도 확인되었다.
·평가 시험 4
평가 시험 4로서, 평가 시험 3과 마찬가지로 성막 장치(1)를 사용해서 복수의 웨이퍼(W)에 TiN막을 형성하고, 당해 TiN막의 막 두께(단위: Å) 및 비저항(μΩ·cm)을 측정하였다. 단, 각종 처리 조건에 대해서, 평가 시험 3의 처리 조건으로부터 변경하고 있다. 평가 시험 4에서는, TiCl4 가스의 유량은 300sccm, 1 사이클당 NH3 가스의 공급량은 38cc, 웨이퍼(W)의 온도는 460℃, 처리 용기(11) 내의 압력은 5Torr(6.67×102Pa), 가스 유로(51, 71)에 각각 공급하는 캐리어 가스의 유량은 1,000sccm, 가스 유로(45, 65)에 각각 공급하는 퍼지 가스의 유량은 10slm, 스텝 S1을 행하는 시간은 0.02초, 스텝 S3을 행하는 시간은 0.13초로 각각 설정하였다. 또한, 이 평가 시험 4에서는, 웨이퍼(W)마다 스텝 S2, S4를 행하는 시간, 즉 1회의 퍼지를 행하는 시간을 변경하고 있다. 또한 1매의 웨이퍼(W)에 대해서, 스텝 S2를 행하는 시간과 스텝 S4를 행하는 시간은 서로 동일한 길이이다.
비교 시험 4로서, 비교 시험 3과 마찬가지로 성막 장치(8)를 사용해서 복수의 웨이퍼(W)에 TiN막을 형성하고, 당해 TiN막의 막 두께 및 비저항을 측정하였다. 단, 캐리어 가스의 유량 이외의 각종 처리 조건은, 평가 시험 4와 마찬가지로 설정하고 있다. 이 캐리어 가스의 유량에 대해서는, 가스 유로(51, 71)에 각각 10slm 공급되도록 설정하였다. 이 비교 시험 4에서도, 평가 시험 4와 마찬가지로 스텝 S2, S4를 행하는 시간을 웨이퍼(W)마다 변경하고 있다. 즉, 캐리어 가스에 의해 1회의 퍼지를 행하는 시간을 웨이퍼(W)마다 변경하고 있다.
도 14 및 도 15의 그래프는, 평가 시험 4 및 비교 시험 4의 결과에 대해서 나타내고 있다. 도 14, 도 15의 각 그래프의 횡축은 1회의 퍼지를 행하는 시간(단위: 초)을 나타내고 있다. 도 14의 그래프의 종축은 측정된 TiN막의 막 두께(단위: Å)를 나타내고, 도 15의 그래프의 종축은 측정된 TiN막의 비저항(단위: μΩ·cm)을 나타내고 있다. 그래프에서는 비교 시험 4의 결과를 삼각의 플롯으로, 평가 시험 4의 결과를 원의 플롯으로 각각 나타내고 있다. 이들 그래프로부터, 평가 시험 4 및 비교 시험 4의 양쪽에서 1회의 퍼지 시간이 길어질수록, 막 두께 및 비저항이 작아져 있는 것을 알 수 있고, 1회의 퍼지 시간이 0.06초, 0.08초, 0.1초인 경우에는, 평가 시험 4와 비교 시험 4와의 사이에서 막 두께의 값 및 비저항의 값에 큰 차는 보이지 않는다. 그러나, 1회의 퍼지 시간이 0.04초인 경우, 비교 시험 4의 막 두께 및 비저항에 비하여 평가 시험 4의 막 두께 및 비저항은, 비교적 크게 저하된 값으로 되어 있다. 따라서, 평가 시험 4의 쪽이, 퍼지 시간을 짧게 해도 더 양호한 특성을 갖는 TiN막이 얻어졌다. 따라서, 이 평가 시험 4로부터 성막 장치(1)가 성막 장치(8)보다도 퍼지에 요하는 시간을 더 짧게 할 수 있어, 스루풋의 향상을 도모할 수 있음이 확인되었다.
1 : 성막 장치
11 : 처리 용기
21 : 적재대
41, 45, 51, 61, 65, 71 : 가스 공급로
42, 46, 62, 66 : 가스 저류 탱크
44, 48, 53, 64, 68, 73 : 가스 공급원
100 : 제어부

Claims (7)

  1. 진공 분위기인 처리 용기 내의 기판에, 원료 가스, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스, 및 상기 원료 가스와 반응해서 상기 기판 상에 반응 생성물을 생성하기 위한 반응 가스를 차례로 복수 사이클 공급해서 성막하는 가스 공급 장치에 있어서,
    상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 원료 가스 유로와,
    상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서 상기 원료 가스 유로와는 독립적으로 설치되는 반응 가스 유로와,
    상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속되고, 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로로서, 공급 제어 기기가 각각에 설치되고, 그 하류측에 밸브가 각각 설치되는 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로와,
    상기 원료 가스 유로, 상기 반응 가스 유로, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로에 각각 설치된 원료 가스의 공급 제어 기기, 반응 가스의 공급 제어 기기 및 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개의 공급 제어 기기를 통해서 상기 치환 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 치환 가스 유로와,
    상기 치환 가스 유로에 설치되고, 상기 치환 가스만을 저류하는 치환 가스 저류부와,
    상기 치환 가스 유로에 있어서 상기 치환 가스 저류부의 하류측에 설치되는 밸브와,
    상기 치환 가스가 저류되어 상기 치환 가스 저류부 내가 승압된 후, 상기 치환 가스 저류부로부터 상기 치환 가스가 상기 처리 용기 내에 공급되도록, 상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로의 밸브의 하류측의 직경은 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로의 밸브의 상류측의 직경 및 상기 치환 가스 유로의 직경보다 작고,
    상기 캐리어 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 시간대와, 상기 치환 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하는 시간대가 서로 겹치는, 가스 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 치환 가스 유로는, 상기 원료 가스 유로에 접속되는 제1 치환 가스 유로와, 상기 반응 가스 유로에 접속되는 제2 치환 가스 유로에 의해 구성되어 있는 가스 공급 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스의 상기 처리 용기 내에의 공급은, 상기 복수 사이클 동안에 연속해서 행하여지는 가스 공급 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 처리 용기 내에 공급되는 상기 캐리어 가스의 유량은, 1,000sccm 이하인 가스 공급 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원료 가스는 염화티타늄 또는 염화텅스텐이며, 상기 반응 가스는, 상기 원료 가스를 질화해서 상기 기판에 질화티타늄 또는 질화텅스텐을 형성하기 위한 질화 가스인, 가스 공급 장치.
  7. 진공 분위기인 처리 용기 내의 기판에, 원료 가스, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스, 및 상기 원료 가스와 반응해서 상기 기판 상에 반응 생성물을 생성하기 위한 반응 가스를 차례로 복수 사이클 공급해서 성막하는 가스 공급 방법에 있어서,
    상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서, 원료 가스 유로에 공급하는 공정과,
    상기 반응 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서, 상기 원료 가스 유로와는 독립적으로 설치되는 반응 가스 유로에 공급하는 공정과,
    상기 원료 가스 유로 및 상기 반응 가스 유로에 각각 접속된 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로로서, 공급 제어 기기가 각각에 설치되고, 그 하류측에 밸브가 각각 설치되며, 상기 밸브의 하류측의 직경이 상류측의 직경보다 작은 제1 캐리어 가스 유로 및 제2 캐리어 가스 유로에, 캐리어 가스를 공급하는 공정과,
    상기 치환 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위해서, 상기 원료 가스 유로, 상기 반응 가스 유로, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로에 각각 설치된 원료 가스의 공급 제어 기기, 반응 가스의 공급 제어 기기 및 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개의 공급 제어 기기가 설치되고, 상기 제1 캐리어 가스 유로 및 상기 제2 캐리어 가스 유로의 밸브의 하류측의 직경보다 큰 직경을 갖는 치환 가스 유로에 치환 가스를 공급하는 공정과,
    상기 치환 가스 유로에 설치되는 치환 가스 저류부에, 상기 치환 가스를 저류하는 공정과,
    상기 치환 가스가 저류되어 상기 치환 가스 저류부 내가 승압된 후, 당해 치환 가스 저류부로부터 상기 치환 가스가 상기 처리 용기 내에 공급되도록, 상기 치환 가스 유로에 있어서 상기 치환 가스 저류부의 하류측에 설치되는 밸브를 개폐하는 공정을 포함하고,
    상기 캐리어 가스를 공급하는 공정이 행해지는 시간대와, 상기 치환 가스를 공급하는 공정이 행해지는 시간대가 서로 겹치는, 가스 공급 방법.
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