KR102121482B1 - 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램 - Google Patents

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Abstract

기판 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 분포를 제어한다. (a) 기판에 대하여 원료를 공급해서 제1층을 형성하는 공정과, (b) 기판에 대하여 반응체를 공급해서 제1층을 개질시켜 제2층을 형성하는 공정을 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 기판 상에 막을 형성하는 공정을 갖고, (a)에서는, (a-1) 기판에 대하여, 제1 공급부로부터 제1 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 원료를 공급함과 함께, 제1 공급부에 인접해서 설치된 제2 공급부로부터 제2 유량으로 불활성 가스를 공급하는 공정과, (a-2) 기판에 대하여, 제1 공급부로부터 제1 유량 및 제2 유량 각각보다도 작은 제3 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 원료를 공급하거나, 제1 공급부로부터의 불활성 가스의 공급을 정지하면서 제1 공급부로부터 원료를 공급함과 함께, 제2 공급부로부터 제4 유량으로 불활성 가스를 공급하는 공정을 이 순서대로 행한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램{METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND PROGRAM}
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판 상에 막을 형성하는 처리가 행하여지는 경우가 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2010-118462호 공보
본 발명의 목적은, 기판 상에 형성되는 막의 기판 면내 막 두께 분포를 제어하는 것이 가능한 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 의하면,
(a) 기판에 대하여 원료를 공급해서 제1층을 형성하는 공정과,
(b) 상기 기판에 대하여 반응체를 공급해서 상기 제1층을 개질시켜 제2층을 형성하는 공정
을 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 막을 형성하는 공정을 갖고,
(a)에서는,
(a-1) 상기 기판에 대하여, 제1 공급부로부터 제1 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제1 공급부에 인접해서 설치된 제2 공급부로부터 제2 유량으로 불활성 가스를 공급하는 공정과,
(a-2) 상기 기판에 대하여, 상기 제1 공급부로부터 상기 제1 유량 및 상기 제2 유량 각각보다도 작은 제3 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급하거나, 상기 제1 공급부로부터의 불활성 가스의 공급을 정지하면서 상기 제1 공급부로부터 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제2 공급부로부터 제4 유량으로 불활성 가스를 공급하는 공정,
을 이 순서대로 행하는 기술이 제공된다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 형성되는 막의 기판 면내 막 두께 분포를 제어하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 종형 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종단면도로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 종형 처리로의 일부의 개략 구성도이며, 처리로의 일부를 도 1의 A-A선 단면도로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 성막 시퀀스를 도시하는 도면이다.
도 5는 기판 상에 대한 제1층의 형성 레이트의 변화를 예시하는 도면이다.
도 6의 (a), (b)는 각각, 종형 처리로의 변형예를 도시하는 횡단면도이며, 반응관, 버퍼실 및 노즐 등을 부분적으로 발출해서 도시하는 도면이다.
도 7의 (a)는 실시예에서의 기판 면내 막 두께 분포의 평가 결과를 도시하는 도면이며, (b)는 비교예에서의 기판 면내 막 두께 분포의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해서 도 1 내지 도 5를 참조하면서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
도 1에 도시한 바와 같이, 처리로(202)는 가열 기구(온도 조정부)로서의 히터(207)를 갖는다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보유 지지판에 지지됨으로써 수직으로 설치되어 있다. 히터(207)는, 가스를 열로 활성화(여기)시키는 활성화 기구(여기부)로서도 기능한다.
히터(207)의 내측에는, 히터(207)와 동심원상으로 반응관(203)이 배치되어 있다. 반응관(203)은, 예를 들어 석영(SiO2) 또는 탄화 실리콘(SiC) 등의 내열성 재료에 의해 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 반응관(203)의 하방에는, 반응관(203)과 동심원상으로, 매니폴드(209)가 배치되어 있다. 매니폴드(209)는, 예를 들어 스테인리스(SUS) 등의 금속 재료에 의해 구성되고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 매니폴드(209)의 상단부는, 반응관(203)의 하단부에 걸림 결합하고 있어, 반응관(203)을 지지하도록 구성되어 있다. 매니폴드(209)와 반응관(203)의 사이에는, 시일 부재로서의 O링(220a)이 설치되어 있다. 반응관(203)은 히터(207)와 마찬가지로 수직으로 설치되어 있다. 주로, 반응관(203)과 매니폴드(209)에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성된다. 처리 용기의 통 중공부에는 처리실(201)이 형성된다. 처리실(201)은, 기판으로서의 웨이퍼(200)를 수용 가능하게 구성되어 있다. 이 처리실(201) 내에서 웨이퍼(200)에 대한 처리가 행하여진다.
처리실(201) 내에는, 제1 공급부로서의 노즐(249a), 및 제2 공급부로서의 노즐(249b, 249c)이, 매니폴드(209)의 측벽을 관통하도록 설치되어 있다. 노즐(249a 내지 249c)에는, 가스 공급관(232a 내지 232c)이 각각 접속되어 있다. 제2 공급부는, 제1 공급부와는 상이한 공급부이며, 제1 공급부에 인접해서 설치되어 있다. 노즐(249a, 249b, 249c)은 각각 상이한 노즐이며, 노즐(249b, 249c) 각각은, 노즐(249a)에 인접해서 설치되어 있다.
가스 공급관(232a 내지 232c)에는, 가스류의 상류측부터 순서대로, 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(241a 내지 241c) 및 개폐 밸브인 밸브(243a 내지 243c)가 각각 설치되어 있다. 가스 공급관(232a, 232b)의 밸브(243a, 243b)보다도 하류측에는, 가스 공급관(232e, 232d)이 각각 접속되어 있다. 가스 공급관(232e, 232d)에는, 가스류의 상류측부터 순서대로 MFC(241e, 241d) 및 밸브(243e, 243d)가 각각 설치되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 노즐(249a 내지 249c)은, 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200)의 사이에서의 평면으로 보아 원환형의 공간에, 반응관(203)의 내벽의 하부로부터 상부를 따라, 웨이퍼(200)의 배열 방향 상방을 향해서 상승되도록 각각 설치되어 있다. 즉, 노즐(249a 내지 249c)은, 웨이퍼(200)가 배열되는 웨이퍼 배열 영역의 측방의, 웨이퍼 배열 영역을 수평으로 둘러싸는 영역에, 웨이퍼 배열 영역을 따르도록 각각 설치되어 있다. 노즐(249a)은, 평면으로 보아, 처리실(201) 내에 반입되는 웨이퍼(200)의 중심을 사이에 두고, 후술하는 배기구(231a)와 일직선 상으로 대향하도록 배치되어 있다. 노즐(249b, 249c)은, 노즐(249a)을 사이에 두고 그 양측에, 즉, 반응관(203)의 내벽(웨이퍼(200)의 외주부)을 따라 노즐(249a)을 양측 사이에 끼워 넣도록 배치되어 있다. 노즐(249a 내지 249c)의 측면에는, 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(250a 내지 250c)이 각각 형성되어 있다. 가스 공급 구멍(250a 내지 250c)은, 각각이, 평면으로 보아 배기구(231a)와 대향하도록 개구되어 있어, 웨이퍼(200)를 향해서 가스를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 가스 공급 구멍(250a 내지 250c)은, 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐 복수 형성되어 있다.
가스 공급관(232a)으로부터는, 원료(원료 가스)로서, 예를 들어 막을 구성하는 소정 원소(주 원소)로서의 Si 및 할로겐 원소를 포함하는 할로실란계 가스가, MFC(241a), 밸브(243a), 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 원료 가스란, 기체 상태의 원료, 예를 들어 상온 상압 하에서 액체 상태인 원료를 기화함으로써 얻어지는 가스나, 상온 상압 하에서 기체 상태인 원료 등이다. 할로실란이란, 할로겐기를 갖는 실란이다. 할로겐기에는, 클로로기, 플루오로기, 브로모기, 요오드기 등이 포함된다. 즉, 할로겐기에는, 염소(Cl), 불소(F), 브롬(Br), 요오드(I) 등의 할로겐 원소가 포함된다. 할로실란계 가스로서는, 예를 들어 Si 및 Cl을 포함하는 원료 가스, 즉, 클로로실란계 가스를 사용할 수 있다. 클로로실란계 가스는, Si 소스로서 작용한다. 클로로실란계 가스로서는, 예를 들어 헥사클로로디실란(Si2Cl6, 약칭: HCDS) 가스를 사용할 수 있다.
가스 공급관(232b)으로부터는, 원료와는 화학 구조(분자 구조)가 상이한 반응체(리액턴트)로서, 예를 들어 질소(N) 함유 가스로서의 질화 가스인 질화수소계 가스가, MFC(241b), 밸브(243b), 노즐(249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 질화수소계 가스는, N 소스로서 작용한다. 질화수소계 가스로서는, 예를 들어 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다.
가스 공급관(232c 내지 232e)으로부터는, 불활성 가스로서, 예를 들어 질소(N2) 가스가, 각각 MFC(241c 내지 241e), 밸브(243c 내지 243e), 가스 공급관(232c 내지 232a), 노즐(249c 내지 249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. N2 가스는, 퍼지 가스, 캐리어 가스, 희석 가스 등으로서 작용하고, 또한 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 분포를 제어하는 막 두께 분포 제어 가스로서 작용한다.
주로, 가스 공급관(232a), MFC(241a), 밸브(243a)에 의해, 원료 공급계가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232b), MFC(241b), 밸브(243b)에 의해, 반응체 공급계가 구성된다. 주로, 가스 공급관(232c 내지 232e), MFC(241c 내지 241e), 밸브(243c 내지 243e)에 의해, 불활성 가스 공급계가 구성된다.
상술한 각종 공급계 중 어느 것, 또는 모든 공급계는, 밸브(243a 내지 243e)나 MFC(241a 내지 241e) 등이 집적되어 이루어지는 집적형 공급 시스템(248)으로서 구성되어 있어도 된다. 집적형 공급 시스템(248)은, 가스 공급관(232a 내지 232e) 각각에 대하여 접속되어, 가스 공급관(232a 내지 232e) 내에 대한 각종 가스의 공급 동작, 즉, 밸브(243a 내지 243e)의 개폐 동작이나 MFC(241a 내지 241e)에 의한 유량 조정 동작 등이, 후술하는 컨트롤러(121)에 의해 제어되도록 구성되어 있다. 집적형 공급 시스템(248)은, 일체형, 또는 분할형의 집적 유닛으로서 구성되어 있고, 가스 공급관(232a 내지 232e) 등에 대하여 집적 유닛 단위로 착탈을 행할 수 있어, 집적형 공급 시스템(248)의 메인터넌스, 교환, 증설 등을, 집적 유닛 단위로 행하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
반응관(203)의 측벽 하방에는, 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기구(231a)가 설치되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 배기구(231a)는, 평면으로 보아, 웨이퍼(200)를 사이에 두고 노즐(249a 내지 249c)(가스 공급 구멍(250a 내지 250c))과 대향(대면)하는 위치에 설치되어 있다. 배기구(231a)는, 반응관(203)의 측벽의 하부로부터 상부를 따라, 즉, 웨이퍼 배열 영역을 따라서 설치되어 있어도 된다. 배기구(231a)에는 배기관(231)이 접속되어 있다. 배기관(231)에는, 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245) 및 압력 조정기(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(244)를 거쳐서, 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 있다. 주로, 배기관(231), APC 밸브(244), 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함해서 생각해도 된다.
매니폴드(209)의 하방에는, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 시일 캡(219)이 설치되어 있다. 시일 캡(219)은, 예를 들어 SUS 등의 금속 재료에 의해 구성되고, 원반형으로 형성되어 있다. 시일 캡(219)의 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 맞닿는 시일 부재로서의 O링(220b)이 설치되어 있다. 시일 캡(219)의 하방에는, 후술하는 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 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 시일 캡(219)을 승강시킴으로써, 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출(반송)하는 반송 장치(반송 기구)로서 구성되어 있다. 매니폴드(209)의 하방에는, 시일 캡(219)을 강하시켜 보트(217)를 처리실(201) 내로부터 반출한 상태에서, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 셔터(219s)가 설치되어 있다. 셔터(219s)는, 예를 들어 SUS 등의 금속 재료에 의해 구성되고, 원반형으로 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.
기판 지지구로서의 보트(217)는, 복수매, 예를 들어 25 내지 200매의 웨이퍼(200)를, 수평 자세이면서 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 수직 방향으로 정렬시켜 다단으로 지지하도록, 즉, 간격을 두고 배열시키도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료에 의해 구성된다. 보트(217)의 하부에는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료에 의해 구성되는 단열판(218)이 다단으로 지지되어 있다.
반응관(203) 내에는, 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되어 있다. 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)에 대한 통전 상태를 조정함으로써, 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포로 된다. 온도 센서(263)는, 반응관(203)의 내벽을 따라 설치되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(제어 수단)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 가능하게 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 기판 처리의 수순이나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이, 판독 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 기판 처리에서의 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 에어리어)으로서 구성되어 있다.
I/O 포트(121d)는, 상술한 MFC(241a 내지 241e), 밸브(243a 내지 243e), 압력 센서(245), APC 밸브(244), 진공 펌프(246), 온도 센서(263), 히터(207), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115), 셔터 개폐 기구(115s) 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, MFC(241a 내지 241e)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(243a 내지 243e)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 회전 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 등을 제어하도록 구성되어 있다.
컨트롤러(121)는, 외부 기억 장치(123)에 저장된 상술한 프로그램을, 컴퓨터에 인스톨함으로써 구성할 수 있다. 외부 기억 장치(123)는, 예를 들어 HDD 등의 자기 디스크, CD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리 등의 반도체 메모리 등을 포함한다. 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. 또한, 컴퓨터에 대한 프로그램의 제공은, 외부 기억 장치(123)를 사용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 사용해서 행해도 된다.
(2) 기판 처리 공정
상술한 기판 처리 장치를 사용하여, 반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판으로서의 웨이퍼(200) 상에 막을 형성하는 기판 처리 시퀀스 예, 즉, 성막 시퀀스 예에 대해서, 도 4를 사용해서 설명한다. 이하의 설명에서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서는,
웨이퍼(200)에 대하여 원료로서 HCDS 가스를 공급하는 스텝 A(도면 중 A로 나타냄)와,
웨이퍼(200)에 대하여 반응체로서 NH3 가스를 공급하는 스텝 B(도면 중 B로 나타냄)
를 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 막으로서, Si 및 N을 포함하는 막인 실리콘 질화막(SiN막)을 형성한다.
도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서는, 스텝 A에서,
웨이퍼(200)에 대하여, 제1 공급부로서의 노즐(249a)로부터 제1 유량으로 불활성 가스로서 N2 가스를 공급하면서 HCDS 가스를 공급함과 함께, 노즐(249a)에 인접해서 설치된 제2 공급부로서의 노즐(249b, 249c)로부터 제2 유량으로 N2 가스를 공급하는 스텝 A1(도면 중 A1로 나타냄)과,
웨이퍼(200)에 대하여, 노즐(249a)로부터 제1 유량 및 제2 유량 각각보다도 작은 제3 유량으로 N2 가스를 공급하면서 HCDS 가스를 공급하거나, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 정지하면서 노즐(249a)로부터 HCDS 가스를 공급함과 함께, 노즐(249b, 249c)로부터 제4 유량으로 N2 가스를 공급하는 스텝 A2(도면 중 A2로 나타냄)
를 이 순서대로 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 웨이퍼 면내 막 두께 분포(이하, 간단히 면내 막 두께 분포라고도 함)를 제어한다.
여기에서는 일례로서, 웨이퍼(200)로서, 표면에 요철 구조가 형성되어 있지 않은 표면적이 작은 베어 웨이퍼를 사용하고, 상술한 성막 시퀀스 및 유량 제어에 의해, SiN막의 면내 막 두께 분포를, 웨이퍼(200)의 중앙부에서 가장 두껍고, 외주부(주연부)에 가까워짐에 따라서 서서히 얇아지는 분포(이하, 중앙 볼록 분포라고도 칭함)로 하는 경우에 대해서 설명한다. 베어 웨이퍼 상에 중앙 볼록 분포를 갖는 막을 형성할 수 있으면, 표면에 미세한 요철 구조가 형성된 표면적이 큰 패턴 웨이퍼(프로덕트 웨이퍼) 상에, 그 중앙부로부터 외주부에 걸쳐 막 두께 변화가 적은 평탄한 막 두께 분포(이하, 플랫 분포라고도 칭함)를 갖는 막을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 여기서는 일례로서, 스텝 A1에서의 제1 유량을 제2 유량보다도 큰 유량으로 하고, 스텝 A2에서 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 정지함(제3 유량을 제로로 함)과 함께, 제4 유량을 제2 유량과 동등한 유량으로 하는 경우에 대해서 설명한다.
본 명세서에서는, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스를, 편의상, 이하와 같이 나타내는 경우도 있다. 이하의 변형예 등의 설명에서도, 마찬가지의 표기를 사용한다.
(HCDS→NH3)×n⇒SiN
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우에는, 웨이퍼 그 자체를 의미하는 경우나, 웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막과의 적층체를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 말을 사용한 경우에는, 웨이퍼 그 자체의 표면을 의미하는 경우나, 웨이퍼 상에 형성된 소정의 층 등의 표면을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼 상에 소정의 층을 형성한다」라고 기재했을 경우에는, 웨이퍼 그 자체의 표면 상에 소정의 층을 직접 형성하는 것을 의미하는 경우나, 웨이퍼 상에 형성되어 있는 층 등의 위에 소정의 층을 형성하는 것을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」이라는 말을 사용한 경우도, 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우와 동의이다.
(웨이퍼 차지 및 보트 로드)
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 올려져서 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 조정 및 온도 조정)
처리실(201) 내, 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. 또한, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)가 원하는 성막 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)에 대한 통전 상태가 피드백 제어된다. 또한, 회전 기구(267)에 의한 웨이퍼(200)의 회전을 개시한다. 처리실(201) 내의 배기, 웨이퍼(200)의 가열 및 회전은, 모두 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안에는 계속해서 행하여진다.
(성막 스텝)
그 후, 다음의 스텝 A, B를 순차 실행한다.
[스텝 A]
이 스텝에서는, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스를 공급한다. 구체적으로는, 밸브(243a)를 개방하고, 가스 공급관(232a) 내에 HCDS 가스를 흘린다. HCDS 가스는, MFC(241a)에 의해 유량 조정되어, 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되고, 배기구(231a)로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스가 공급된다. 스텝 A에서는, 노즐(249a 내지 249c)을 통해서 처리실(201) 내에 N2 가스를 공급하는 스텝 A1, A2를 행하는데, 그 상세에 대해서는 후술한다.
스텝 A에서의 처리 조건으로서는, 후술하는 스텝 A1, A2에서의 N2 가스의 공급 조건을 제외하고,
HCDS 가스 공급 유량: 0.001 내지 2slm, 바람직하게는 0.01 내지 1slm
HCDS 가스 공급 시간: 1 내지 120초, 바람직하게는 1 내지 60초
처리 온도: 250 내지 800℃, 바람직하게는 400 내지 700℃
처리 압력: 1 내지 2666Pa, 바람직하게는 67 내지 1333Pa
이 예시된다.
상술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(200)의 최표면 상에 제1층으로서, Cl을 포함하는 Si 함유층이 형성된다. Cl을 포함하는 Si 함유층은, 웨이퍼(200)의 최표면에, HCDS가 물리 흡착되거나, HCDS의 일부가 분해한 물질(이하, SixCly)이 화학 흡착되거나, HCDS가 열분해함으로써 Si가 퇴적되거나 하는 것 등에 의해 형성된다. Cl을 포함하는 Si 함유층은, HCDS나 SixCly의 흡착층(물리 흡착층이나 화학 흡착층)이어도 되고, Cl을 포함하는 Si층이어도 된다. 본 명세서에서는, Cl을 포함하는 Si 함유층을, 간단히 Si 함유층이라고도 칭한다.
또한, HCDS 가스를 공급하기 전의 웨이퍼(200)의 최표면 상에는, Si의 흡착 사이트가 풍부하게 존재하므로, 도 5에 도시한 바와 같이, HCDS 가스의 공급 초기에는 비교적 큰 형성 레이트로 제1층이 형성되고, 이 비교적 큰 형성 레이트가 소정 기간(기간 T1)에 걸쳐 유지되게 된다. 그 후, HCDS 가스의 공급을 계속함으로써 제1층의 형성은 더 진행되지만, 웨이퍼(200)의 최표면 상에 존재하는 흡착 사이트의 양이 감소하면, 제1층의 형성 레이트가 크게 저하되는 타이밍(변곡점)을 맞이한다. 변곡점을 맞이한 후, 웨이퍼(200)의 최표면 상에 대한 Si의 흡착이 완전히 포화될 때까지의 기간(기간 T2)은, 형성 레이트가 크게 저하된 상태가 유지되게 된다. 이하, 기간 T1에서의 제1층의 형성 레이트를, 제1 레이트라고도 칭한다. 또한, 기간 T2에서의 제1층의 형성 레이트를, 제2 레이트라고도 칭한다. 제2 레이트는, 제1 레이트보다도 작은 레이트가 된다(제1 레이트>제2 레이트).
발명자들의 예의 연구에 의하면, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 개시해서 상술한 변곡점을 맞이한 후, 웨이퍼(200)의 최표면 상에 대한 Si의 흡착을 완전히 포화시키기 위해서는, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 장시간 계속할 필요가 있다는 것을 알았다. 이 하나의 요인으로서, 웨이퍼(200)의 표면에 형성되어 있던 입체 장해가 성막 처리의 진행 중에 해소되어, 숨겨져 있던 흡착 사이트에 Si가 흡착되는 경우가 있는 것을 생각할 수 있다. 또한, 다른 요인으로서, 웨이퍼(200)의 표면에 존재하는 흡착 사이트에 부착되고, 이 흡착 사이트에 대한 Si의 흡착을 저해하도록 작용하고 있던 불순물이, 성막 처리의 진행 중에 탈리되어, 숨겨져 있던 흡착 사이트에 Si가 흡착되는 경우가 있는 것도 생각할 수 있다. 이러한 이유로, 웨이퍼(200) 상에 대한 Si의 흡착을 완전히 포화시키기 위해서는, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 장시간 계속할 필요가 있어, 기간 T2는, 기간 T1보다도 긴 기간이 된다(T1<T2).
본 명세서에서는, 상술한 기간 T1, 즉, 제1층의 형성 레이트가 제1 레이트이며, HCDS 가스에 포함되는 Si의 하지에 대한 흡착이 불포화인 상태를 의사 불포화 상태라고 칭하고, HCDS 가스에 포함되는 Si의 하지에 대한 흡착이 의사 불포화 상태인 기간을, 의사 불포화 기간이라고도 칭한다. 또한, 상술한 기간 T2, 즉, 제1층의 형성 레이트가 제2 레이트이며, HCDS 가스에 포함되는 Si의 하지에 대한 흡착이 불포화이기는 하지만 포화에 가까운 상태를 의사 포화 상태라고 칭하고, HCDS 가스에 포함되는 Si의 하지에 대한 흡착이 의사 포화 상태인 기간을, 의사 포화 기간이라고도 칭한다.
또한, 기간 T1에서, 노즐(249a)로부터 공급된 HCDS 가스는, 웨이퍼(200)의 외주부에서 활발하게 소비되어, 웨이퍼(200)의 중앙부에는 도달하기 어려운 경향이 있다. 그 때문에, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 개시한 후, 예를 들어 변곡점을 맞이하기 전의 시점에서 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 정지한 경우, 웨이퍼(200)의 면내에서의 제1층의 두께의 분포(이하, 제1층의 면내 두께 분포라고도 칭함)는, 웨이퍼(200)의 중앙부에서 가장 얇고, 외주부에 가까워짐에 따라서 서서히 두꺼워지는 분포(이하, 중앙 오목 분포라고도 칭함)가 된다.
한편, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 개시한 후, 예를 들어 변곡점을 맞이한 후에도 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 장시간 계속함으로써, 웨이퍼(200)의 외주부에서의 HCDS 가스의 소비는 결국 수렴되게 되고, 그것에 수반하여, 웨이퍼(200)의 중앙부에 도달하는 HCDS 가스의 양을 서서히 증가시키는 것이 가능해질 것으로 생각된다. 그 때문에, 제1층의 면내 두께 분포를 중앙 오목 분포로에서 플랫 분포로 근접시키는 하나의 방법으로서, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을, 변곡점을 맞이한 후에도 정지하지 않고 장시간 계속하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 이 방법에서는, 가스 비용의 증가를 초래하거나, 스텝 A의 소요 기간, 즉, 1 사이클당 처리 시간, 즉, 총 처리 시간이 증가해서 성막 처리의 생산성 저하를 초래하거나 하는 경우가 있다. 또한, 이 방법에서는, 제1층의 면내 두께 분포를 중앙 오목 분포에서 플랫 분포로 근접시키는 것이 가령 이론적으로는 가능하다고 해도, 그것을 중앙 볼록 분포로 하는 것은 곤란하다.
또한, 기간 T1이나 T2에서 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스를 공급할 때, 동시에, 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 N2 가스를 대유량으로 공급함으로써, 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200)의 사이의 평면으로 보아 원환형의 공간(이하, 간단히 「원환형 공간」이라고도 칭함)의 압력을, 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 N2 가스를 대유량으로 공급하지 않는 경우보다도 크게 하는 것이 가능하게 된다. 이 경우, 원환형 공간으로의 HCDS 가스의 유출을 억제할 수 있어, 웨이퍼(200)의 중앙부에 대한 HCDS 가스의 공급량을 증가시킬 수 있다고 생각된다. 또한, 이 경우, 원환형 공간에서의 HCDS 가스의 분압(농도)을 저하시켜, 웨이퍼(200)의 외주부에 대한 HCDS 가스의 공급량을 감소시킬 수 있다고도 생각된다. 그 때문에, 제1층의 면내 두께 분포를, 중앙 오목 분포에서 플랫 분포로 근접시키거나, 나아가, 중앙 볼록 분포에 근접시키거나 하는 하나의 방법으로서, 기간 T1이나 T2에서 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 N2 가스를 대유량으로, 예를 들어 HCDS 가스의 유량보다도 큰 유량으로 흘리는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 이 방법에서는, HCDS 가스의 과잉의 희석화에 의해 제1층의 형성 레이트가 저하되어, 성막 처리의 생산성 저하를 초래하는 경우가 있다.
또한, 발명자들의 예의 연구에 의하면, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 개시한 후, 변곡점을 맞이하기 전, 즉, 기간 T1에서의 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 가령 상술한 바와 같이 제어해도, 기간 T1에서, HCDS 가스가 웨이퍼(200)의 외주부에서 활발하게 소비되어, 웨이퍼(200)의 중앙부에는 도달하기 어렵다는 경향을 바꾸는 것은, 곤란한 경우가 있음을 알았다. 예를 들어, 원료 가스의 종류 등에 따라서는, 기간 T1에서의 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어해도, 기간 T1에서 형성되는 제1층의 면내 두께 분포가 중앙 오목 분포로 되는 경향에 변화는 없으며, 이 분포를 플랫 분포로 하거나, 중앙 볼록 분포로 하거나 하는 것은, 곤란한 경우가 있음을 알았다. 이와 같이, 이 방법만으로는, 제1층의 두께 분포를 충분히 제어할 수 없는 경우가 있다.
또한, 발명자들의 예의 연구에 의하면, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 개시해서 변곡점을 맞이한 후, 즉, 기간 T2에서의 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 가령 상술한 바와 같이 제어해도, 기간 T1에서 형성된 제1층의 면내 두께 분포를 변화시키는 것은 곤란한 경우가 있음을 알았다. 예를 들어, 원료 가스의 종류 등에 따라서는, 기간 T2에서의 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어해도, 기간 T1에서 형성된 제1층의 면내 두께 분포의 경향을 기간 T2에서 변화시키는 것은 어려워, 이 분포를 플랫 분포에 근접시키거나, 나아가, 중앙 볼록 분포에 근접시키거나 하는 것은, 곤란한 경우가 있다는 것도 알았다.
그래서 본 실시 형태에서는, 상술한 각종 과제를 회피하기 위해서, 스텝 A에서, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 개시하고 나서, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 정지할 때까지의 기간에, 스텝 A1, A2를 이 순서대로 행하도록 하고 있다. 구체적으로는, 스텝 A1을, 상술한 기간 T1, 즉, 제1층의 형성 레이트가 제1 레이트에서 제1 레이트보다도 작은 제2 레이트로 변화할 때까지(변곡점을 맞이할 때까지)의 기간을 포함하는 기간에 행하도록 하고 있다. 또한, 스텝 A2를, 상술한 기간 T2, 즉, 제1층의 형성 레이트가 제1 레이트에서 제2 레이트로 변화한 후(변곡점을 맞이한 후)의 기간에 행하도록 하고 있다. 웨이퍼(200) 상에 형성하는 SiN막의 면내 막 두께 분포의 제어성을 높이기 위해서는, 기간 T1에서, 스텝 A2를 실시하지 않는 것이 유효하다. 상술한 바와 같이, 기간 T1은 기간 T2보다도 짧으므로, 스텝 A1의 실시 시간은 스텝 A2의 실시 시간보다도 짧아진다.
이하, 스텝 A1, A2의 상세에 대해서 순서대로 설명한다.
스텝 A1에서는, 밸브(243e, 243a)를 개방하고, 웨이퍼(200)에 대하여 노즐(249a)로부터 제1 유량으로 N2 가스를 공급하면서 HCDS 가스를 공급함과 함께, 밸브(243d, 243c)를 개방하고, 노즐(249a)에 인접해서 설치된 노즐(249b, 249c)로부터 제2 유량으로 N2 가스를 공급한다. 여기에서 말하는 제2 유량이란, 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 공급하는 N2 가스의 유량의 합계 유량을 말한다. 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 서로 대략 균등한 유량으로 할 수 있다.
스텝 A1에서는, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어함으로써, 노즐(249a)로부터 공급되는 N2 가스를 캐리어 가스로서 작용시켜, 노즐(249a)로부터 공급되는 HCDS 가스를, 웨이퍼(200)의 외주부로부터 중앙부를 향해서 밀어내는 것이 가능하게 된다. 이 작용에 의해, 스텝 A1에서의 HCDS 가스의 웨이퍼(200)의 중앙부에의 도달량을, 후술하는 스텝 A2에서의 HCDS 가스의 웨이퍼(200)에의 중앙부에의 도달량보다도 많게 하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 스텝 A1에서의 웨이퍼(200)의 중앙부에서의 HCDS 가스의 농도를, 스텝 A2에서의 웨이퍼(200)의 중앙부에서의 HCDS 가스의 농도보다도 높게 하는 것이 가능하게 된다. 또한, 상술한 작용에 의해, 스텝 A1에서는, HCDS 가스의 웨이퍼(200)의 중앙부에의 도달량을, HCDS 가스의 웨이퍼(200)의 외주부에의 도달량보다도 많게 하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 스텝 A1에서는, 웨이퍼(200)의 중앙부에서의 HCDS 가스의 농도를, 웨이퍼(200)의 외주부에서의 HCDS 가스의 농도보다도 높게 하는 것이 가능하게 된다. 이러한 결과, 스텝 A1에서는, 웨이퍼(200)의 중앙부에서의 제1층의 형성 레이트를, 웨이퍼(200)의 외주부에서의 제1층의 형성 레이트보다도 크게 할 수 있다. 그리고, 기간 T1에서 웨이퍼(200) 상에 형성되는 제1층의 면내 두께 분포를, 중앙 오목 분포가 아니라, 플랫 분포로 하거나, 나아가 중앙 볼록 분포로 하거나 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 스텝 A1에서는, 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어함으로써, 상술한 원환형 공간의 압력을, 상술한 바와 같은 제어를 행하지 않는 경우보다도 크게 할 수 있어, 원환형 공간으로의 HCDS 가스의 유출을 억제하고, 웨이퍼(200)의 중앙부에 대한 HCDS 가스의 공급량을 증가시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어함으로써, 노즐(249b, 249c)로부터 배기구(231a)를 향해서 공급되는 N2 가스의 흐름을, 노즐(249a)로부터 공급되는 HCDS 가스 등을 웨이퍼(200)의 중앙부를 향해서 유도하는 가이드로서 작용시키는 것이 가능하게 된다. 이 작용에 의해서도, 웨이퍼(200)의 중앙부에 대한 HCDS 가스의 공급량을 증가시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 원환형 공간에서의 HCDS 가스의 분압을 저하시켜, 웨이퍼(200)의 외주부에 대한 HCDS 가스의 공급량을 감소시키는 것도 가능하게 된다. 이러한 결과, 스텝 A1에서는, 웨이퍼(200)의 중앙부에서의 제1층의 형성 레이트를, 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 실시하지 않는 경우에 있어서의 웨이퍼(200)의 중앙부에서의 제1층의 형성 레이트보다도 크게 할 수 있다. 그리고, 노즐(249a)로부터 공급되는 N2 가스에 의해 얻어지는 상술한 작용, 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 제1층의 면내 두께 분포를, 플랫 분포로 하거나, 나아가 중앙 볼록 분포로 하거나 하는 효과가, 보다 확실하게 얻어지게 된다.
또한, 스텝 A1에서는, 제1 유량 및 제2 유량 중 적어도 어느 것, 바람직하게는 이들 양쪽을, 스텝 A1에서의 HCDS 가스의 공급 유량보다도 크게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 제1층의 면내 두께 분포를, 플랫 분포로 하거나, 나아가 중앙 볼록 분포로 하거나 하는 상술한 효과가, 보다 확실하게 얻어지게 된다. 또한, 스텝 A1에서는, 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 공급되는 각각의 N2 가스의 유량 중 적어도 어느 것, 바람직하게는 이들 양쪽을, 스텝 A1에서의 HCDS 가스의 공급 유량보다도 크게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 제1층의 면내 두께 분포를, 플랫 분포로 하거나, 나아가 중앙 볼록 분포로 하거나 하는 상술한 효과가, 보다 확실하게 얻어지게 된다.
또한, 스텝 A1에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을, HCDS 가스의 공급보다도 선행해서 개시하는 것이 바람직하다. 즉, 노즐(249a)로부터 웨이퍼(200)의 중앙부를 향하는 N2 가스의 흐름을 미리 생성하고 나서, 웨이퍼(200)에 대한 HCDS 가스의 공급을 개시하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 노즐(249a)로부터 공급되는 N2 가스를 캐리어 가스로서 작용시키는 상술한 효과를, HCDS 가스의 공급 개시 직후부터 확실하게 얻을 수 있게 된다. 또한, HCDS 가스의 공급 개시 시에 HCDS 가스의 농도가 웨이퍼(200)의 면내에서 과도적으로 변동되어버리는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다. 결과로서, 기간 T1에서 웨이퍼(200) 상에 형성되는 제1층의 면내 두께 분포를, 안정적으로 재현성 좋게 제어할 수 있게 된다.
스텝 A1에서의 처리 조건으로서는,
제1 유량(노즐(249a)): 3 내지 20slm, 바람직하게는 5 내지 10slm
제2 유량(노즐(249b, 249c) 합계): 3 내지 20slm, 바람직하게는 5 내지 10slm
스텝 A1의 실시 시간: 스텝 A에서의 HCDS 가스 공급 시간의 1/10 내지 1/4
가 예시된다. 다른 처리 조건은, 상술한 스텝 A에서의 처리 조건과 마찬가지이다.
스텝 A2에서는, MFC(241e)를 조정하여, 웨이퍼(200)에 대하여 노즐(249a)로부터 제1 유량 및 제2 유량 각각보다도 작은 제3 유량으로 N2 가스를 공급하면서 HCDS 가스를 공급하거나, 밸브(243e)를 폐쇄하고, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 정지하면서 노즐(249a)로부터 HCDS 가스를 공급함과 함께, MFC(241d, 241c)를 조정하여, 노즐(249b, 249c)로부터 제4 유량으로 N2 가스를 공급한다. 여기에서 말하는 제3 유량이란, 제2 유량과 마찬가지로, 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 공급되는 N2 가스의 유량의 합계 유량을 말한다. 노즐(249b, 249c) 각각으로부터 공급되는 N2 가스의 유량은, 서로 대략 균등한 유량으로 할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 도 4는, 일례로서, 스텝 A2에서 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 정지하고(제3 유량을 제로로 하고), 또한 제4 유량을 제2 유량과 동등한 유량(제4 유량=제2 유량)으로 하는 경우를 도시하고 있다.
스텝 A2에서, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어함으로써, 노즐(249a)로부터 웨이퍼(200)에 대하여 공급되는 HCDS 가스의 과잉의 희석화를 억제하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 제1층의 형성 레이트의 저하가 억제되어, 성막 처리의 생산성 저하를 피하는 것이 가능하게 된다. 또한, 스텝 A2에서 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 행할 경우(제3 유량을 제로로 하지 않을 경우), 노즐(249a)로부터 공급되는 N2 가스를 캐리어 가스로서 작용시킴으로 인한 스텝 A1에서 설명한 효과가, 스텝 A2에서도 마찬가지로 얻어지게 된다. 단, 이 경우에 있어서도, 제3 유량을, 스텝 A2에서의 HCDS 가스의 공급 유량보다도 작은 유량으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1층의 형성 레이트의 저하를 억제하는 상술한 효과가, 확실하게 얻어지게 된다. 또한, 스텝 A2에서, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 실시하지 않을 경우(제3 유량을 제로로 할 경우), 제1층의 형성 레이트의 저하를 억제하는 상술한 효과가, 보다 확실하게 얻어지게 된다.
또한, 스텝 A2에서는, 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어함으로써, 스텝 A1에서 설명한 이유와 마찬가지의 이유로, 웨이퍼(200)의 중앙부에 대한 HCDS 가스의 공급량을 증가시키고, 웨이퍼(200)의 외주부에 대한 HCDS 가스의 공급량을 감소시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 노즐(249b, 249c)로부터 배기구(231a)를 향해서 공급되는 N2 가스의 흐름을, 노즐(249a)로부터 공급되는 HCDS 가스를 웨이퍼(200)의 중앙부를 향해서 유도하는 가이드로서 작용시키는 것 등에 의한 스텝 A1에서 설명한 효과가, 스텝 A2에서도 마찬가지로 얻어지게 된다. 또한, 스텝 A2에서, 제4 유량을, 스텝 A2에서의 HCDS 가스의 공급 유량보다도 크게 할 경우, 노즐(249b, 249c)로부터 공급되는 N2 가스를 HCDS 가스의 가이드로서 작용시키는 것 등에 의한 스텝 A1에서 설명한 효과가, 보다 확실하게 얻어지게 된다.
스텝 A2에서의 처리 조건으로서는,
제3 유량(노즐(249a)): 0 내지 0.8slm, 바람직하게는 0 내지 0.2slm
제4 유량(노즐(249b, 249c) 합계): 3 내지 20slm, 바람직하게는 5 내지 10slm
스텝 A2의 실시 시간: 스텝 A에서의 HCDS 가스 공급 시간의 3/4 내지 9/10
이 예시된다. 다른 처리 조건은, 상술한 스텝 A에서의 처리 조건과 마찬가지이다.
웨이퍼(200) 상에 제1층을 형성한 후, 밸브(243a)를 폐쇄하고, 처리실(201) 내에 대한 HCDS 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스 등을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때, 밸브(243c 내지 243e)를 개방한 상태로 하여, 노즐(249c 내지 249a)을 통해서 처리실(201) 내에 N2 가스를 공급한다. 노즐(249c 내지 249a)로부터 공급되는 N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해, 처리실(201) 내가 퍼지된다(퍼지 스텝). 퍼지 스텝에서, 노즐(249c 내지 249a) 각각으로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 2slm의 범위 내의 유량으로 한다. 다른 처리 조건은, 상술한 스텝 A에서의 처리 조건과 마찬가지이다.
원료로서는, HCDS 가스 외에, 모노클로로실란(SiH3Cl, 약칭: MCS) 가스, 디클로로실란(SiH2Cl2, 약칭: DCS) 가스, 트리클로로실란(SiHCl3, 약칭: TCS) 가스, 테트라클로로실란(SiCl4, 약칭: STC) 가스, 옥타클로로트리실란(Si3Cl8, 약칭: OCTS) 가스 등의 클로로실란 원료 가스를 사용할 수 있다.
불활성 가스로서는, N2 가스 외에, Ar 가스, He 가스, Ne 가스, Xe 가스 등의 희가스를 사용할 수 있다. 이 점은, 후술하는 스텝 B에서도 마찬가지이다.
[스텝 B]
스텝 A가 종료된 후, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200), 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성된 제1층에 대하여 NH3 가스를 공급한다. 구체적으로는, 밸브(243b)를 개방하고, 가스 공급관(232b) 내에 NH3 가스를 흘린다. NH3 가스는, MFC(241b)에 의해 유량 조정되고, 노즐(249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되고, 배기구(231a)로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 NH3 가스가 공급된다. 또한, 이때, 밸브(243c 내지 243e) 중 적어도 어느 것을 개방하여, 노즐(249c 내지 249a) 중 적어도 어느 것을 통해서 처리실(201) 내에 N2 가스를 흘리도록 해도 된다. 도 4는, 노즐(249b)로부터의 N2 가스의 공급을 실시하지 않고, 노즐(249a, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 실시하는 경우를 도시하고 있다.
본 스텝에서의 처리 조건으로서는,
NH3 가스 공급 유량: 1 내지 10slm
NH3 가스 공급 시간: 1 내지 120초, 바람직하게는 1 내지 60초
N2 가스 공급 유량(가스 공급관마다): 0 내지 2slm
처리 압력: 1 내지 4000Pa, 바람직하게는 1 내지 3000Pa
이 예시된다. 다른 처리 조건은, 스텝 A에서의 처리 조건과 마찬가지의 처리 조건으로 한다.
상술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 NH3 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(200) 상에 형성된 제1층의 적어도 일부가 질화(개질)된다. 제1층이 개질됨으로써, 웨이퍼(200) 상에 Si 및 N을 포함하는 제2층, 즉, SiN층이 형성된다. 제2층을 형성할 때, 제1층에 포함되어 있던 Cl 등의 불순물은, NH3 가스에 의한 제1층의 개질 반응의 과정에서, 적어도 Cl을 포함하는 가스 상태 물질을 구성하여, 처리실(201) 내로부터 배출된다. 이에 의해, 제2층은, 제1층에 비해 Cl 등의 불순물이 적은 층이 된다.
제2층이 형성된 후, 밸브(243b)를 폐쇄하고, 처리실(201) 내에 대한 NH3 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 스텝 A의 퍼지 스텝과 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스 등을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
반응체로서는, NH3 가스 외에, 예를 들어 디아젠(N2H2) 가스, 히드라진(N2H4) 가스, N3H8 가스 등의 질화수소계 가스를 사용할 수 있다.
[소정 횟수 실시]
상술한 스텝 A, B를 비동시에, 즉, 동기시키지 않고 행하는 사이클을 소정 횟수(n회, n은 1 이상의 정수) 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 소정 조성 및 소정 막 두께의 SiN막을 형성할 수 있다. 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다. 즉, 상술한 사이클을 1회 행할 때 형성되는 제2층의 두께를 원하는 막 두께보다도 얇게 하여, 제2층을 적층함으로써 형성되는 SiN막의 막 두께가 원하는 막 두께로 될 때까지, 상술한 사이클을 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
성막 스텝이 종료된 후, 노즐(249a 내지 249c) 각각으로부터 퍼지 가스로서의 N2 가스를 처리실(201) 내에 공급하고, 배기구(231a)로부터 배기한다. 이에 의해, 처리실(201) 내가 퍼지되어, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 반응 부생성물이 처리실(201) 내로부터 제거된다(애프터 퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀).
(보트 언로드 및 웨이퍼 디스차지)
보트 엘리베이터(115)에 의해 시일 캡(219)이 하강되고, 매니폴드(209)의 하단이 개구된다. 그리고, 처리가 끝난 웨이퍼(200)가, 보트(217)에 지지된 상태에서 매니폴드(209)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부로 반출(보트 언로드)된다. 보트 언로드 후에는 셔터(219s)가 이동되어, 매니폴드(209)의 하단 개구가 O링(220c)을 통해 셔터(219s)에 의해 시일된다(셔터 클로즈). 처리가 끝난 웨이퍼(200)는, 반응관(203)의 외부로 반출된 후, 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
(3) 본 실시 형태에 의한 효과
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과가 얻어진다.
(a) 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스를 공급해서 제1층을 형성하는 스텝 A에서, 상술한 스텝 A1, A2를 행함으로써, 제1층의 면내 두께 분포를 제어하는 것이 가능하게 된다. 결과로서, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포의 제어성을 높이는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 베어 웨이퍼로서 구성된 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를, 중앙 볼록 분포로 하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 웨이퍼(200)로서 패턴 웨이퍼를 사용하는 경우에, 이 웨이퍼(200) 상에 플랫 분포를 갖는 SiN막을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 분포는 웨이퍼(200)의 표면적에 의존하는데, 이것은, 소위 로딩 효과에 의한 것으로 생각된다. 성막 대상의 웨이퍼(200)의 표면적이 커질수록, HCDS 가스 등의 원료가 웨이퍼(200)의 외주부에서 다량으로 소비되어, 그 중앙부에 도달하기 어려워진다. 그 결과, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 분포가, 중앙 오목 분포가 되는 경향이 있다. 본 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(200)로서 표면적이 큰 패턴 웨이퍼를 사용하는 경우에도, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 분포를 중앙 오목 분포에서 플랫 분포로 교정하거나, 나아가, 중앙 볼록 분포로 교정하거나 하는 등, 자유롭게 제어하는 것이 가능하게 된다.
(b) 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스를 공급해서 제1층을 형성하는 스텝 A에서, 상술한 스텝 A1, A2를 행함으로써, 웨이퍼(200) 면내에서의 SiN층의 조성의 분포, 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 웨이퍼 면내 조성 분포(이하, 면내 조성 분포라고도 함)를 제어하는 것이 가능하게 된다. 결과로서, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 웨이퍼 면내 막질 분포(이하, 면내 막질 분포라고도 함)의 제어성을 높이는 것이 가능하게 된다.
예를 들어, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를 중앙 볼록 분포로 할 경우, 웨이퍼(200)의 중앙부에서는 막의 조성을 Si 리치로 할 수 있고, 웨이퍼(200)의 외주부에서는 막의 조성을 N 리치로 할 수 있다. 또한 예를 들어, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를 중앙 오목 분포로 할 경우, 웨이퍼(200)의 중앙부에서는 막의 조성을 N 리치로 할 수 있고, 웨이퍼(200)의 외주부에서는 막의 조성을 Si 리치로 할 수 있다. 또한 예를 들어, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를 플랫 분포로 할 경우, 이 막의 조성을, 웨이퍼(200)의 면내 전역에 걸쳐 균일화시키는 것이 가능하게 된다.
이와 같이, 본 실시 형태에서는, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를 제어함으로써, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 조성 분포, 즉, 면내 막질 분포를 광역적으로 제어하는 것이 가능하게 되어, 예를 들어 그 면내 균일성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
(c) 스텝 A2에서는, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 상술한 바와 같이 제어함으로써, HCDS 가스의 희석 정도를 작게 하여, 제1층의 형성 레이트의 저하를 억제하는 것이 가능하게 된다. 결과로서, 제1층의 형성 처리의 효율 저하를 억제할 수 있어, 성막 처리의 생산성 저하를 피하는 것이 가능하게 된다.
또한, 스텝 A1의 실시 시간을 스텝 A2의 실시 시간보다도 짧게 함으로써, 제1층의 형성 레이트의 저하를 보다 확실하게 억제하는 것이 가능하게 된다. 즉, HCDS 가스의 희석 정도가 큰 스텝 A1의 실시 시간을, HCDS 가스의 희석 정도가 작은 스텝 A2의 실시 시간보다도 짧게 함으로써, 제1층의 형성 처리의 전체적인 효율 저하를 억제할 수 있어, 성막 처리의 생산성 저하를 피하는 것이 가능하게 된다.
(d) 상술한 처리 조건 하에서 스텝 A1, A2를 실시함으로써, 스텝 A1에서의 HCDS 가스의 처리실(201) 내에서의 분압을, 스텝 A2에서의 HCDS 가스의 처리실(201) 내에서의 분압보다도 작게 하는 것이 가능하게 된다. 스텝 A1에서의 HCDS 가스의 분압을 이렇게 저하시킴으로써, 스텝 A1에서 형성되는 제1층의 면내 두께 분포의 제어성을 높이는 것이 가능하게 된다. 상술한 바와 같이, 제1층의 형성 초기에서의 면내 두께 분포는, 최종적으로 얻어지는 제1층의 면내 두께 분포를 결정하는 큰 요인이 될 수 있다. 그 때문에, 상술한 효과는, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포의 제어성을 높이는 데 있어서 매우 중요하다.
또한, 스텝 A1에서의 HCDS 가스의 분압을 이렇게 저하시킴으로써, 스텝 A1에서 형성되는 제1층의 단차 피복성(스텝 커버리지 특성)을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 스텝 커버리지 특성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
(e) 스텝 A1에서, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을, HCDS 가스의 공급보다도 선행해서 개시함으로써, 노즐(249a)로부터 공급되는 N2 가스를 캐리어 가스로서 작용시키는 상술한 효과를, HCDS 가스의 공급 개시 직후부터 확실하게 얻을 수 있게 된다. 또한, HCDS 가스의 공급 개시 시에, HCDS 가스의 농도가 웨이퍼(200)의 면내에서 과도적으로 변동되어버리는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다. 결과로서, 스텝 A1에서 형성되는 제1층의 면내 두께 분포를, 안정적으로 재현성 좋게 제어할 수 있게 된다. 상술한 바와 같이, 제1층의 형성 초기에서의 면내 두께 분포는, 최종적으로 얻어지는 제1층의 면내 두께 분포를 결정하는 큰 요인이 될 수 있다. 그 때문에, 상술한 효과는, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를, 안정적으로 재현성 좋게 제어하는 데 있어서 매우 중요하다.
(f) 노즐(249b, 249c)을, 노즐(249a)을 사이에 두고 그 양측에 배치함으로써, 제1층의 면내 두께 분포의 제어성, 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포의 제어성을 높이는 것이 가능하게 된다.
(g) 노즐(249a 내지 249c)을, 배기구(231a)와 대향하도록 각각 배치함으로써, 제1층의 면내 두께 분포의 제어성, 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포의 제어성을 높이는 것이 가능하게 된다.
(h) 상술한 효과는, HCDS 가스 이외의 원료를 사용하는 경우나, NH3 가스 이외의 반응체를 사용하는 경우나, N2 가스 이외의 불활성 가스를 사용하는 경우에도, 마찬가지로 얻을 수 있다.
(4) 변형예
본 실시 형태에서의 성막 스텝은, 도 4에 도시하는 양태에 한정되지 않고, 이하에 나타내는 변형예와 같이 변경할 수 있다. 또한, 이들 변형예는 임의로 조합할 수 있다. 또한, 특별히 설명이 없는 한, 각 변형예의 각 스텝에서의 처리 수순, 처리 조건은, 상술한 기판 처리 시퀀스의 각 스텝에서의 처리 수순, 처리 조건과 마찬가지로 한다.
(변형예 1)
도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서는, 스텝 A1에서, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을, HCDS 가스의 공급보다도 선행해서 개시하는 예에 대해서 설명했지만, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을, HCDS 가스의 공급과 동시에 개시하도록 해도 된다. 이 경우, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스보다도, 1 사이클당 처리 시간을 단축시켜, 성막 처리의 생산성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
단, 이와 같이 한 경우, 웨이퍼(200)의 면내에서의 HCDS 가스의 농도가, HCDS 가스의 공급 개시 시에 과도적으로 변화하여, 제1층의 면내 두께 분포에 영향을 주는 경우가 있다. 그 때문에, 기간 T1에서 웨이퍼(200) 상에 형성되는 제1층의 면내 두께 분포를, 안정적으로 재현성 좋게 제어하기 위해서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 스텝 A1에서, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을, HCDS 가스의 공급보다도 선행해서 개시하는 것이 바람직하다.
(변형예 2)
도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서는, 스텝 A2에서, 제4 유량을 제2 유량과 동등하게 하는 예(제4 유량=제2 유량)에 대해서 설명했지만, 제4 유량을 제2 유량보다도 작게 해도 된다(제4 유량<제2 유량). 또한, 제4 유량을 제로로 하여, 노즐(249b, 249c)로부터의 N2 가스의 공급을 정지해도 된다. 또는, 제4 유량을 제2 유량보다도 크게 해도 된다(제4 유량>제2 유량).
스텝 A2에서, 제4 유량<제2 유량으로 하는 경우, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를, 예를 들어 중앙 볼록 분포의 정도를 약화시키는 방향으로 미세 조정하는 것이 가능하게 된다. 또한, 스텝 A2에서, 제4 유량을 제로로 할 경우, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를, 예를 들어 중앙 볼록 분포의 정도를 더 약화시키는 방향으로 미세 조정하는 것이 가능하게 된다. 또한, 스텝 A2에서, 제4 유량>제2 유량으로 할 경우, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를, 예를 들어 중앙 볼록 분포의 정도를 강화하는 방향으로 미세 조정하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이, 스텝 A2에서의 제4 유량의 크기를 조정함으로써, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를 미세 조정하는 것이 가능하게 된다.
(변형예 3)
도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서는, 스텝 A2에서, 노즐(249a)로부터의 N2 가스의 공급을 정지하는 예에 대해서 설명했지만, 상술한 바와 같이, 노즐(249a)로부터, 제1 유량 및 제2 유량 각각보다도 작고 제로보다 큰 제3 유량으로 N2 가스를 공급하면서, HCDS 가스를 공급하도록 해도 된다. 이렇게 함으로써, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포를, 예를 들어 중앙 볼록 분포의 정도를 강화하는 방향으로 미세 조정하는 것이 가능하게 된다.
(변형예 4)
원료로서, 예를 들어 1,1,2,2-테트라클로로-1,2-디메틸디실란((CH3)2Si2Cl4, 약칭: TCDMDS) 가스와 같은 알킬할로실란 원료 가스나, 트리스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]3H, 약칭: 3DMAS) 가스나 비스디에틸아미노실란(SiH2[N(C2H5)2]2, 약칭: BDEAS) 가스와 같은 아미노실란 원료 가스를 사용해도 된다.
또한, 반응체로서, 예를 들어 트리에틸아민((C2H5)3N, 약칭: TEA) 가스와 같은 아민계 가스나, 산소(O2) 가스, 수증기(H2O 가스), 오존(O3) 가스, 플라스마 여기된 O2 가스(O2 *), O2 가스+수소(H2) 가스와 같은 O 함유 가스(산화제)나, 프로필렌(C3H6) 가스와 같은 C 함유 가스나, 트리클로로보란(BCl3) 가스와 같은 B 함유 가스를 사용해도 된다.
그리고, 예를 들어 이하의 성막 시퀀스에 의해, 웨이퍼(200) 상에 실리콘 산질화막(SiON막), 실리콘 산탄질화막(SiOCN막), 실리콘 산탄화막(SiOC막), 실리콘 탄질화막(SiCN막), 실리콘 붕탄질화막(SiBCN막), 실리콘 붕질화막(SiBN막), 실리콘 산화막(SiO막)을 형성하도록 해도 된다.
(HCDS→NH3→O2)×n⇒SiON
(HCDS→TEA→O2)×n⇒SiOC(N)
(HCDS→C3H6→NH3)×n⇒SiCN
(HCDS→C3H6→NH3→O2)×n⇒SiOCN
(HCDS→C3H6→BCl3→NH3)×n⇒SiBCN
(HCDS→BCl3→NH3)×n⇒SiBN
(HCDS→O2+H2)×n⇒SiO
(3DMAS→O3)×n⇒SiO
(BDEAS→O2 *)×n⇒SiO
이들 성막 시퀀스에서도, 원료 공급 시에, 스텝 A1, A2를, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스나 상술한 변형예와 마찬가지로 행함으로써, 이것들과 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 원료나 반응체를 공급할 때의 처리 수순, 처리 조건은, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스나 상술한 각 변형예와 마찬가지로 할 수 있다.
<다른 실시 형태>
이상, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명하였다. 단, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능하다.
상술한 실시 형태에서는, 제2 공급부가 노즐(249b, 249c)을 갖고, 이들 노즐이, 제1 공급부로서의 노즐(249a)을 사이에 두고 그 양측에 배치되는 예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 양태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 공급부가 노즐(249b)만을 갖고, 노즐(249b)을 노즐(249a)에 근접시키거나, 또는 이격시켜서 배치하도록 해도 된다. 이 경우에도, 원료 공급 시에, 스텝 A1, A2를, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스나 상술한 각 변형예와 마찬가지로 행함으로써, 이것들과 마찬가지의 효과가 얻어진다. 단, 상술한 실시 형태에서의 노즐 배치가, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 분포의 제어성을 더 높이는 것이 가능하게 된다는 점에서 바람직하다.
상술한 실시 형태에서는, 원료 공급 시에 스텝 A1, A2를 행하는 예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 양태에 한정되지 않는다. 예를 들어, HCDS 가스 공급 시가 아니라, 반응체 공급 시에 스텝 A1, A2를 행하도록 해도 된다. 이 경우, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의, 웨이퍼(200)의 면내에서의 N, C, O, B 등의 농도 분포를 제어하는 것이 가능하게 된다. 반응체 공급 시에 행하는 스텝 A1, A2는, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스나 상술한 각 변형예에서 나타낸 스텝 A1, A2와 마찬가지의 처리 조건, 처리 수순에 의해 행할 수 있다.
상술한 실시 형태에서는, NH3 가스 등의 반응체를, 노즐(249b)로부터 공급하는 예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 양태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 반응체를, 노즐(249b, 249c)의 양쪽으로부터 공급해도 된다. 또한, 처리실(201) 내에 노즐(249a 내지 249c)과는 상이한 노즐을 새롭게 설치하고, 이 새롭게 설치한 노즐을 사용해서 반응체를 공급하도록 해도 된다. 이러한 경우에도, 원료 공급 시에, 스텝 A1, A2를, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스나 상술한 각 변형예와 마찬가지로 행함으로써, 이것들과 마찬가지의 효과가 얻어진다.
상술한 실시 형태에서는, 기판 상에 주 원소로서 Si를 포함하는 막을 형성하는 예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 양태에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명은 Si 외에, 게르마늄(Ge), 보론(B) 등의 반금속 원소를 주 원소로서 포함하는 막을 기판 상에 형성하는 경우에도, 적합하게 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 이트륨(Y), 란탄(La), 스트론튬(Sr), 알루미늄(Al) 등의 금속 원소를 주 원소로서 포함하는 막을 기판 상에 형성하는 경우에도, 적합하게 적용할 수 있다.
예를 들어, 원료로서, 티타늄테트라클로라이드(TiCl4) 가스나 트리메틸알루미늄(Al(CH3)3, 약칭: TMA) 가스를 사용하여, 이하에 나타내는 성막 시퀀스에 의해, 기판 상에, 티타늄 질화막(TiN막), 티타늄산 질화막(TiON막), 티타늄 알루미늄 탄질화막(TiAlCN막), 티타늄 알루미늄 탄화막(TiAlC막), 티타늄 탄질화막(TiCN막), 티타늄 산화막(TiO막) 등을 형성하는 경우에도, 본 발명을 적합하게 적용할 수 있다.
(TiCl4→NH3)×n⇒TiN
(TiCl4→NH3→O2)×n⇒TiON
(TiCl4→TMA→NH3)×n⇒TiAlCN
(TiCl4→TMA)×n⇒TiAlC
(TiCl4→TEA)×n⇒TiCN
(TiCl4→H2O)×n⇒TiO
기판 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, 처리를 개시할 때, CPU(121a)가, 기억 장치(121c) 내에 저장된 복수의 레시피 중에서, 기판 처리의 내용에 따라, 적정한 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 1대의 기판 처리 장치에서 다양한 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 막을, 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한, 오퍼레이터의 부담을 저감할 수 있어, 조작 미스를 피하면서, 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.
상술한 실시 형태에서는, 제1, 제2 공급부가 반응관의 내벽을 따르도록 처리실 내에 설치되어 있는 예에 대해서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 6의 (a)에 종형 처리로의 단면 구조를 나타내는 바와 같이, 반응관의 측벽에 버퍼실을 설치하고, 이 버퍼실 내에, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 구성의 제1, 제2 공급부를, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 배치로 설치하도록 해도 된다. 도 6의 (a)에서는, 반응관의 측벽에 공급용 버퍼실과 배기용 버퍼실을 설치하고, 각각을, 웨이퍼를 사이에 두고 대향하는 위치에 배치한 예를 나타내고 있다. 또한, 공급용 버퍼실과 배기용 버퍼실 각각은, 반응관의 측벽의 하부로부터 상부를 따라, 즉, 웨이퍼 배열 영역을 따라 설치되어 있다. 또한, 도 6의 (a)에서는, 공급용 버퍼실을 복수(3개)의 공간으로 구획하고, 각각의 공간에 각 노즐을 배치한 예를 나타내고 있다. 버퍼실의 3개의 공간의 배치는, 제1, 제2 공급부의 배치와 마찬가지로 된다. 또한 예를 들어, 도 6의 (b)에 종형 처리로의 단면 구조를 나타내는 바와 같이, 도 6의 (a)와 마찬가지의 배치로 버퍼실을 설치하고, 버퍼실 내에 제1 공급부를 설치하고, 이 버퍼실의 처리실과의 연통부를 양측으로부터 사이에 둠과 함께 반응관의 내벽을 따르도록 제2 공급부를 설치하도록 해도 된다. 또한, 도 6의 (a), 도 6의 (b)에서 설명한 버퍼실이나 반응관 이외의 구성은, 도 1에 도시하는 처리로의 각 부의 구성과 마찬가지이다. 이들 처리로를 사용한 경우에도, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
상술한 실시 형태에서는, 한번에 복수매의 기판을 처리하는 뱃치식 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 예에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 예를 들어 한번에 1매 또는 수매의 기판을 처리하는 매엽식 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 경우에도, 적합하게 적용할 수 있다. 또한, 상술한 실시 형태에서는, 핫월형의 처리로를 갖는 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 예에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 콜드월형의 처리로를 갖는 기판 처리 장치를 사용해서 막을 형성하는 경우에도, 적합하게 적용할 수 있다.
이들 기판 처리 장치를 사용하는 경우에 있어서도, 상술한 실시 형태나 변형예와 마찬가지의 시퀀스, 처리 조건에서 성막을 행할 수 있고, 이것들과 마찬가지의 효과가 얻어진다.
또한, 상술한 실시 형태나 변형예 등은, 적절히 조합해서 사용할 수 있다. 이때의 처리 수순, 처리 조건은, 예를 들어 상술한 실시 형태의 처리 수순, 처리 조건과 마찬가지로 할 수 있다.
상술한 실시 형태나 변형예 등의 방법에 의해 형성되는 SiN막 등은, 절연막, 스페이서막, 마스크막, 전하 축적막, 스트레스 제어막 등으로서 널리 사용하는 것이 가능하다. 최근 몇년간, 반도체 디바이스의 미세화에 수반하여, 웨이퍼 상에 형성되는 막에 대하여 면내 막 두께 균일성의 요구가 엄격해지고 있다. 고밀도 패턴이 표면에 형성된 패턴 웨이퍼 상에 플랫 분포를 갖는 막을 형성하는 것이 가능한 본 발명은, 이 요구에 부응하는 기술로서 매우 유익하다고 생각된다.
[실시예]
이하, 상술한 실시 형태에서 얻어지는 효과를 뒷받침하는 실험 결과에 대해서 설명한다.
실시예 1 내지 3으로서, 도 1에 도시하는 기판 처리 장치를 사용하여, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스에 의해, 복수매의 웨이퍼 상에 SiN막을 각각 형성하였다. 실시예 1 내지 3에서는, 스텝 A1에서, 제1 공급부로서의 1개의 노즐로부터 공급하는 N2 가스의 유량(제1 유량)을 10slm으로 설정하고, 제2 공급부로서의 2개의 노즐로부터 공급하는 N2 가스의 합계 유량(제2 유량)을 순서대로, 1slm(0.5slm×2), 4slm(2slm×2), 10slm(5slm×2)으로 설정하였다. 또한, 스텝 A2에서는, 제1 공급부로서의 1개의 노즐로부터의 N2 가스의 공급을 정지하고, 제2 공급부로서의 2개의 노즐로부터 공급하는 N2 가스의 합계 유량(제4 유량)을 제2 유량과 동일 유량으로 설정하였다. 다른 처리 조건은, 상술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 소정의 조건으로 하였다.
비교예 1 내지 3으로서, 도 1에 도시하는 기판 처리 장치를 사용하여, 웨이퍼에 대하여 HCDS 가스를 공급하는 스텝과, 웨이퍼에 대하여 NH3 가스를 공급하는 스텝을 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 복수매의 웨이퍼 상에 SiN막을 형성하였다. 이들 비교예에서는, 스텝 A1, A2를 실시하지 않고, 제1 공급부 및 제2 공급부로부터의 N2 가스의 공급을 이하와 같이 제어하였다. 즉, 비교예 1, 2에서는, 웨이퍼에 대하여 HCDS 가스를 공급하는 스텝에서, 제1 공급부로서의 1개의 노즐로부터의 N2 가스의 공급을 정지하고, 제2 공급부로서의 2개의 노즐로부터 공급하는 N2 가스의 합계 유량을, 순서대로, 0.2slm(0.1slm×2), 10slm(5slm×2)으로 설정하였다. 비교예 3에서는, 웨이퍼에 대하여 HCDS 가스를 공급하는 스텝에서, 제1 공급부로서의 1개의 노즐로부터 공급하는 N2 가스의 유량을 10slm으로 설정하고, 제2 공급부로서의 2개의 노즐로부터 공급하는 N2 가스의 합계 유량을 0.2slm(0.1slm×2)으로 설정하였다. 다른 처리 조건은, 실시예에서의 처리 조건과 마찬가지로 하였다.
그리고, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서의 SiN막의 면내 막 두께 분포를 각각 측정하였다. 도 7의 (a), 도 7의 (b)에 그것들의 측정 결과를 나타낸다. 도 7의 (a), 도 7의 (b)의 종축은, 각각 웨이퍼 외주부에서의 SiN막의 막 두께에 대한 측정 위치에서의 SiN막의 막 두께 비율(측정 위치 막 두께/웨이퍼 외주부 막 두께)을 나타내고 있다. 도 7의 (a), 도 7의 (b)의 횡축은, 각각 측정 위치의 웨이퍼의 중심에서부터의 거리[mm]를 나타내고 있다. 도 7의 (a) 중의 ◆, ■, ▲ 표시는, 각각 실시예 1 내지 3의 측정 결과를 나타내고 있고, 도 7의 (b) 중의 ◆, ■, ▲ 표시는, 각각 비교예 1 내지 3의 측정 결과를 나타내고 있다.
도 7의 (a)에 의하면, 실시예 3에서의 SiN막의 면내 막 두께 분포는 강한 중앙 볼록 분포로 되는 것을 나타내고 있고, 실시예 2, 1의 순서대로 중앙 볼록 분포의 정도가 약해짐을 알 수 있다. 즉, 스텝 A1에서, 제1 유량을 비교적 대유량으로 한 상태에서 제2 유량을 비교적 대유량과 비교적 소유량의 사이에서 조정함으로써, 웨이퍼 상에 형성되는 SiN막의 면내 막 두께 분포의 중앙 볼록 분포의 정도를 강화하거나 약화시키거나 하는 등, 면내 막 두께 분포를 광범위하게 제어하는 것이 가능함을 알 수 있다.
도 7의 (b)에 의하면, 비교예 1 내지 3에서의 SiN막의 면내 막 두께 분포는, 모두 중앙 볼록 분포를 나타내고 있지 않으며, 모두 외주부에서 가장 두꺼워지는 경향을 나타내고 있고, 또한 일부 비교예에서는 중앙 오목 분포의 정도가 매우 강해져 있음을 알 수 있다. 비교예 1 내지 3에서 사용한 성막 방법에서는, 웨이퍼 상에 형성하는 SiN막의 면내 막 두께 분포를, 예를 들어 플랫 분포로 하거나, 중앙 볼록 분포로 하거나 하는 등의 제어가 곤란함을 알 수 있다.

Claims (20)

  1. (a) 기판에 대하여 원료를 공급해서 제1층을 형성하는 공정과,
    (b) 상기 기판에 대하여 반응체를 공급해서 상기 제1층을 개질시켜 제2층을 형성하는 공정
    을 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 막을 형성하는 공정을 갖고,
    (a)에서는,
    (a-1) 상기 기판에 대하여, 제1 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제1 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제1 공급부에 인접해서 설치된 제2 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제2 유량으로 불활성 가스를 공급하는 공정과,
    (a-2) 상기 기판에 대하여, 상기 제1 공급부로부터 상기 제1 유량 및 상기 제2 유량 각각보다도 작고, 부피를 기준으로 하는 제3 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급하거나, 상기 제1 공급부로부터의 불활성 가스의 공급을 정지하면서 상기 제1 공급부로부터 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제2 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제4 유량으로 불활성 가스를 공급하는 공정
    을 이 순서대로 행하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (a-1)의 실시 시간을, (a-2)의 실시 시간보다도 짧게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    (a-1)에서의 상기 원료의 분압을, (a-2)에서의 상기 원료의 분압보다도 작게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    (a-1)을, 상기 원료에 포함되는 상기 막을 구성하는 주 원소의 흡착 상태가 의사 불포화 상태인 기간에 행하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (a-2)를, 상기 원료에 포함되는 상기 막을 구성하는 주 원소의 흡착 상태가 의사 포화 상태인 기간에 행하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (a-1)을, 상기 제1층의 형성 레이트가 제1 레이트에서 상기 제1 레이트보다도 작은 제2 레이트로 변화할 때까지의 기간에 행하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    (a-2)를, 상기 제1층의 형성 레이트가 제1 레이트에서 상기 제1 레이트보다도 작은 제2 레이트로 변화한 후의 기간에 행하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    (a-1)에서의 상기 원료의 상기 기판의 중앙부에의 도달량을, (a-2)에서의 상기 원료의 상기 기판의 중앙부에의 도달량보다도 많게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    (a-1)에서는, 상기 원료의 상기 기판의 중앙부에의 도달량을, 상기 원료의 상기 기판의 외주부에의 도달량보다도 많게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    (a-1)에서의 상기 기판의 중앙부에서의 상기 원료의 농도를, (a-2)에서의 상기 기판의 중앙부에서의 상기 원료의 농도보다도 높게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    (a-1)에서는, 상기 기판의 중앙부에서의 상기 원료의 농도를, 상기 기판의 외주부에서의 상기 원료의 농도보다도 높게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제4 유량을 조정함으로써, 상기 기판 상에 형성되는 상기 막의 상기 기판의 면내에서의 막 두께 분포를 미세 조정하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    (a-1)에서는, 상기 제1 공급부로부터의 불활성 가스의 공급을, 상기 원료의 공급보다도 선행해서 개시하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공급부는 복수개의 공급부를 갖고, 그것들은, 상기 제1 공급부를 사이에 두고 그 양측에 배치되는, 반도체 장치의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유량 및 상기 제2 유량 각각을, (a-1)에서의 부피를 기준으로 하는 상기 원료의 공급 유량보다도 크게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제4 유량을, (a-2)에서의 부피를 기준으로 하는 상기 원료의 공급 유량보다도 크게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제3 유량을, (a-2)에서의 부피를 기준으로 하는 상기 원료의 공급 유량보다도 작게 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    (a-2)에서는, 상기 제1 공급부로부터의 불활성 가스의 공급을 정지하고, 상기 제3 유량을 제로로 하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  19. 기판이 처리되는 처리실과,
    상기 처리실 내의 기판에 대하여 원료를 공급하는 원료 공급계와,
    상기 처리실 내의 기판에 대하여 반응체를 공급하는 반응체 공급계와,
    상기 처리실 내의 기판에 대하여 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급계와,
    상기 처리실 내에서, (a) 기판에 대하여 상기 원료를 공급해서 제1층을 형성하는 처리와, (b) 상기 기판에 대하여 상기 반응체를 공급해서 상기 제1층을 개질시켜 제2층을 형성하는 처리를 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 막을 형성하는 처리를 행하게 하고, (a)에서는, (a-1) 상기 기판에 대하여, 제1 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제1 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제1 공급부에 인접해서 설치된 제2 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제2 유량으로 불활성 가스를 공급하는 처리와, (a-2) 상기 기판에 대하여, 상기 제1 공급부로부터 상기 제1 유량 및 상기 제2 유량 각각보다도 작고, 부피를 기준으로 하는 제3 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급하거나, 상기 제1 공급부로부터의 불활성 가스의 공급을 정지하면서 상기 제1 공급부로부터 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제2 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제4 유량으로 불활성 가스를 공급하는 처리를 이 순서대로 행하게 하도록, 상기 원료 공급계, 상기 반응체 공급계 및 상기 불활성 가스 공급계를 제어하도록 구성되는 제어부
    를 갖는 기판 처리 장치.
  20. 기판 처리 장치의 처리실 내에서,
    (a) 기판에 대하여 원료를 공급해서 제1층을 형성하는 수순과,
    (b) 상기 기판에 대하여 반응체를 공급해서 상기 제1층을 개질시켜 제2층을 형성하는 수순
    을 비동시에 행하는 사이클을 소정 횟수 행함으로써, 상기 기판 상에 막을 형성하는 수순과,
    (a)에서,
    (a-1) 상기 기판에 대하여, 제1 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제1 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제1 공급부에 인접해서 설치된 제2 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제2 유량으로 불활성 가스를 공급하는 수순과,
    (a-2) 상기 기판에 대하여, 상기 제1 공급부로부터 상기 제1 유량 및 상기 제2 유량 각각보다도 작고, 부피를 기준으로 하는 제3 유량으로 불활성 가스를 공급하면서 상기 원료를 공급하거나, 상기 제1 공급부로부터의 불활성 가스의 공급을 정지하면서 상기 제1 공급부로부터 상기 원료를 공급함과 함께, 상기 제2 공급부로부터 부피를 기준으로 하는 제4 유량으로 불활성 가스를 공급하는 수순
    을 이 순서대로 행하게 하는 수순
    을 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록된 프로그램.
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