KR102225930B1 - 성막 장치 - Google Patents

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가즈키 뎀포
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 막의 면내 균일성을 높이는 것이 가능한 성막 장치를 제공하는 것이다. 해결 수단으로서, 일 실시형태의 성막 장치는, 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대와 대향하고, 상기 탑재대와의 사이에 처리 공간을 형성하는 천장판과, 상기 기판에 대하여 수평 방향으로부터 상기 처리 공간에 원료 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하며, 상기 탑재대와 상기 천장판의 대향면의 간격이, 상기 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록, 상기 천장판측 또는 상기 탑재대측의 대향면이 경사져 있다.

Description

성막 장치{FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 성막 장치에 관한 것이다.
종래부터, 기판에 대하여 수평 방향으로부터 원료 가스를 도입하고, 기판의 표면에 대하여 평행한 원료 가스의 흐름을 형성하는 것에 의해, 기판의 표면에 소정의 막을 형성하는 사이드 플로우(side flow) 방식의 성막 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제 2004-91848 호 공보
그렇지만, 상기의 사이드 플로우 방식의 성막 장치에서는, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이에 압력차가 발생하여, 상류측과 하류측 사이에서 가스 밀도에 불균형이 발생하는 경우가 있다. 가스 밀도에 불균형이 발생하면, 기판의 표면에 형성되는 막의 특성(예를 들면, 막 두께, 막질)에 분포가 발생하여, 양호한 면내 균일성이 얻어지지 않는다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 막의 면내 균일성을 높이는 것이 가능한 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양에 따른 성막 장치는, 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대와 대향하고, 상기 탑재대와의 사이에 처리 공간을 형성하는 천장판과, 상기 기판에 대하여 수평 방향으로부터 상기 처리 공간에 원료 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하며, 상기 탑재대와 상기 천장판의 대향면의 간격이, 상기 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록, 상기 천장판측 또는 상기 탑재대측의 대향면이 경사져 있다.
개시된 성막 장치에 의하면, 막의 면내 균일성을 높일 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 1 구성예의 개략도,
도 2는 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 2 구성예의 개략도,
도 3은 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 3 구성예의 개략도,
도 4는 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 4 구성예의 개략도,
도 5는 배플판의 형상을 설명하기 위한 도면,
도 6은 배플판의 형상을 설명하기 위한 단면도,
도 7은 이론 해석에 의해 산출된 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 압력의 관계를 나타내는 도면,
도 8은 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 제 1 구성예의 개략도,
도 9는 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 제 2 구성예의 개략도,
도 10은 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 제 3 구성예의 개략도,
도 11은 제 3 실시형태에 따른 성막 장치의 일 예의 개략도,
도 12는 제 4 실시형태에 따른 성막 장치의 일 예의 개략도,
도 13은 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 압력의 관계를 나타내는 도면,
도 14는 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 각 특성의 관계를 나타내는 도면.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하는 것에 의해 중복된 설명을 생략한다.
본 발명의 실시형태에 따른 성막 장치는, 기판에 대하여 수평 방향으로부터 원료 가스를 도입하고, 기판의 표면에 대하여 평행한 원료 가스의 흐름을 형성하는 것에 의해 기판의 표면에 소정의 막을 형성하는 사이드 플로우 방식의 성막 장치이다. 성막 장치에서는, 원자층 퇴적(ALD : Atomic Layer Deposition)법이나 화학 기상 퇴적(CVD : Chemical Vapor Deposition)법에 의한 막을 형성할 수 있다.
성막 장치는, 기판을 탑재하는 탑재대와, 탑재대와 대향하고, 탑재대와의 사이에 처리 공간을 형성하는 천장판과, 기판에 대하여 수평 방향으로부터 처리 공간에 원료 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비한다. 그리고, 탑재대와 천장판의 대향면의 간격이, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록, 천장판측 또는 탑재대측의 대향면이 경사져 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 갖는 성막 장치에 의하면, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차를 작게 하여, 상류측과 하류측 사이에 있어서의 가스 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 기판의 표면에 형성되는 막의 특성(예를 들면, 막 두께, 막질)의 면내 균일성을 높일 수 있다.
이하에서는, 막의 면내 균일성을 높이는 것이 가능한 성막 장치의 구체적인 구성예에 대하여 설명한다.
[제 1 실시형태]
(성막 장치)
제 1 실시형태에 따른 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 1 구성예의 개략도이다. 도 2는 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 2 구성예의 개략도이다. 도 3은 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 3 구성예의 개략도이다. 도 4는 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 4 구성예의 개략도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 성막 장치는, 탑재대(110)와, 천장판(120)과, 제 1 가스 공급부(130)와, 제 2 가스 공급부(140)와, 가스 배기부(150)와, 배플판(160)과, 정류 날개(170)를 구비한다. 탑재대(110) 및 천장판(120)은 반도체 웨이퍼 등의 기판(W)에 대하여 성막 처리를 실시하는 처리 공간(S)을 형성하는 처리 용기를 구성한다. 또한, 처리 용기가 도시하지 않은 저판과 천장판(120)에 의해 구성되며, 처리 용기 내에 탑재대(110)가 마련되어 있어도 좋다.
탑재대(110)는 상면에 기판(W)을 탑재 가능하게 구성되어 있다. 탑재대(110)는, 예를 들어 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹 재료에 의해 형성되어 있다.
천장판(120)은 탑재대(110)와 대향하도록 탑재대(110)의 상방에 마련되고, 탑재대(110)와의 사이에 처리 공간(S)을 형성한다. 천장판(120)은, 예를 들어 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 천장판(120)은 수평부(121)와, 경사부(122)를 갖는다. 수평부(121)는 제 1 가스 공급부(130)측에 마련되고, 탑재대(110)의 상면에 대하여 평행하게 되도록 형성되어 있다. 경사부(122)는 수평부(121)보다 가스 배기부(150)측에 마련되고, 탑재대(110)의 상면에 대한 높이가 제 1 가스 공급부(130)측으로부터 가스 배기부(150)측을 향하여 높아지도록 평면 형상(플랫)으로 형성되어 있다. 이에 의해, 가스 배기부(150)측의 천장판(120)의 높이(H2)는 제 1 가스 공급부(130)측의 천장판(120)의 높이(H1)보다 높게 되어 있다. 즉, 탑재대(110)와 천장판(120)의 대향면의 간격이, 원료 가스의 흐름 방향(도면 중의 ＋X 방향)의 상류측보다 하류측쪽이 넓게 되어 있다. 원료 가스의 흐름 방향과 수직인 방향(도면 중의 Y 방향)에 있어서의 천장판(120)의 탑재대(110)에 대한 높이는 일정하여도 좋고, 변화되어도 좋다. 또한, 천장판(120)은, 상하 방향으로 이동 가능하여도 좋다. 예를 들면, 천장판(120)을 탑재대(110)로부터 이격시키는 방향으로 이동시키는 것에 의해, 탑재대(110)와 천장판(120)의 대향면의 간격이 넓어지므로, 탑재대(110)의 상면으로의 기판의 반입/반출이 용이해진다. 또한, 경사부(122)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 탑재대(110)의 상면에 대한 높이가 제 1 가스 공급부(130)측으로부터 가스 배기부(150)측을 향하여 높아지도록 곡면 형상으로 형성되어 있어도 좋다. 또한, 천장판(120)은 경사부(122)를 갖고 있으면 좋고, 수평부(121)를 갖고 있지 않아도 좋다.
제 1 가스 공급부(130)는 기판(W)에 대하여 수평 방향으로부터 처리 공간(S)에 원료 가스를 공급한다. 제 1 가스 공급부(130)는, 처리 용기의 측면에 접속된 배관(131)과, 배관(131)의 처리 용기측과 반대측에 접속된 원료 가스 공급원(132)을 갖는다. 이에 의해, 원료 가스 공급원(132)으로부터 원료 가스가 처리 공간(S)에 공급된다. 원료 가스의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 Si2Cl6, Si2H6, HCDS(헥사클로로디실란), TDMAS(트리디메틸아미노실란), BDEAS(비스디에틸아미노실란) 등의 실리콘 함유 가스라도 좋다. 또한, 원료 가스는, 예를 들어 TiCl4 등의 금속 함유 가스라도 좋다. 또한, 제 1 가스 공급부(130)는, 원료 가스와 함께, Ar, N2 등의 캐리어 가스가 공급 가능하게 구성되어 있어도 좋다.
제 2 가스 공급부(140)는 탑재대(110)의 하방으로부터 처리 공간(S)에 플라즈마화한 반응 가스를 공급한다. 제 2 가스 공급부(140)는 서로 평행하게 마련된 제 1 전극(141)과 제 2 전극(142)을 갖는다. 제 1 전극(141)은 정합기(143)를 거쳐서 고주파 전원(144)과 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 전극(142)은 접지되어 있다. 또한, 제 1 전극(141)과 제 2 전극(142) 사이에 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급원(145)이 마련되어 있다. 이에 의해, 반응 가스 공급원(145)으로부터 공급되는 반응 가스는 제 1 전극(141)과 제 2 전극(142) 사이의 공간에서 플라즈마화되어 처리 공간(S)에 공급된다. 반응 가스의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 산소(O2)나, 오존(O3) 등의 산화 가스, 암모니아(NH3) 등의 질화 가스, 수소(H2) 등의 환원 가스라도 좋다. 또한, 제 1 전극(141) 및 제 2 전극(142)의 처리 공간(S)측에는, 유전체 재료에 의해 형성된 스로틀부(146)가 형성되어 있다.
가스 배기부(150)는 처리 공간(S)의 가스를 배기한다. 가스 배기부(150)는, 처리 용기의 측면 중, 제 1 가스 공급부(130)가 접속되어 있는 면과 대향하는 면의 하방에 형성된 배기구(151)를 갖는다. 배기구(151)에는, 진공 펌프(152), 도시하지 않은 밸브 등이 개재되어, 처리 공간(S)을 진공으로 배기할 수 있도록 되어 있다.
배플판(160)은 원료 가스의 흐름을 조절한다. 배플판(160)은, 천장판(120)의 하면에, 탑재대(110)의 상면에 대하여 평행하게 되도록 장착되어 있다. 도시의 예에서는, 배플판(160)은 천장판(120)의 하면 중 수평부(121)와 경사부(122)의 경계 부분으로부터 가스 배기부(150)측으로 연장되도록 장착되어 있다. 배플판(160)은 다공판이어도 좋고, 메시판이어도 좋다. 또한, 배플판(160)은 금속 재료에 의해 형성되어 있어도 좋고, 유전체 재료에 의해 형성되어 있어도 좋다. 배플판(160)을 마련하는 것에 의해, 기판(W)의 온도의 면내 균일성을 높일 수 있다.
또한, 배플판(160)은 복수 마련되어 있어도 좋다. 예를 들면, 도 3에 도시하는 바와 같이, 배플판(160)은, 천장판(120)의 하면에, 복수(예를 들면, 2개)의 배플판(160a, 160b)이 서로 평행하게 되도록 이격되어서 장착되어 있는 구성이어도 좋다. 이러한 구성에서는, 배플판(160a, 160b)은, 양쪽이 다공판 또는 메시판이어도 좋으며, 한쪽이 다공판, 다른쪽이 메시판이어도 좋다.
또한, 예를 들어 도 4에 도시하는 바와 같이, 천장판(120)의 하면에, 탑재대(110)의 상면에 대하여 평행하게 되도록 마련된 배플판(160a)과, 배플판(160a)에 대하여 수직하게 되도록 마련된 배플판(160c)이 장착되어 있는 구성이어도 좋다. 이러한 구성에서는, 배플판(160a, 160c)은, 양쪽이 다공판 또는 메시판이어도 좋고, 한쪽이 다공판, 다른쪽이 메시판이어도 좋다. 또한, 배플판(160c)은 배플판(160a)에 대하여 소정의 각도를 갖고서 장착되어 있어도 좋다.
도 5는 배플판(160)의 형상을 설명하기 위한 도면이며, 배플판(160)의 상면도이다. 배플판(160)은, 예를 들어 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 다수의 관통 구멍(161)을 갖는 다공판이어도 좋다. 또한, 배플판(160)은, 예를 들어 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 길이 방향이 원료 가스의 흐름 방향(도면 중의 ＋X 방향)에 평행한 슬릿(162)을 갖는 다공판이어도 좋다. 또한, 배플판(160)은, 예를 들어 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이, 길이 방향이 원료 가스의 흐름 방향에 수직인 슬릿(163)을 갖는 다공판이어도 좋다.
도 6은 배플판(160)의 형상을 설명하기 위한 배플판(160)의 단면도이며, 배플판(160)에 날개형의 슬릿이 복수 마련되어 있는 경우의 단면을 도시한다. 복수의 날개형 슬릿의 각각은, 예를 들어 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이, 원료 가스의 흐름 방향(도면 중의 ＋X 방향)에 대하여 소정의 각도(θ1)(θ1은 예각)를 갖고서 서로 평행하게 마련되어 있어도 좋다. 또한, 복수의 날개형 슬릿의 각각은, 예를 들어 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 원료 가스의 흐름 방향에 대하여 소정의 각도(θ2)(θ2는 둔각)를 갖고서 서로 평행하게 마련되어 있어도 좋다. 또한, 소정의 각도(θ1, θ2)는 가변이어도 좋다. 소정의 각도(θ1, θ2)를 가변으로 하는 것에 의해, 처리 조건에 따라서 원료 가스의 흐름을 조정할 수 있다.
또한, 배플판(160)은 필수는 아니지만, 기판(W)의 온도의 면내 균일성을 높일 수 있다는 관점에서 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 기판(W)의 반입 및 반출 시에, 배플판(160)을 퇴피할 수 있도록, 배플판(160)은 이동 가능하게 마련되어 있어도 좋다.
정류 날개(170)는 처리 공간(S)으로부터 배기구(151)를 향하는 원료 가스를 정류한다.
또한, 성막 장치에는, 탑재대(110), 천장판(120) 등의 각부를 가열하는 도시하지 않은 가열 수단이나, 탑재대(110), 천장판(120) 등의 각부의 온도를 검출하는 도시하지 않은 온도 센서가 마련되어 있어도 좋다. 이러한 경우, 온도 센서의 검출값에 근거하여, 가열 수단을 제어하는 것에 의해, 탑재대(110), 천장판(120) 등의 온도를 조정할 수 있다.
(이론 해석)
제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 작용· 효과를 확인하기 위해서, 원료 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치 x(m)와 압력 p(㎩)의 관계를 이론 해석에 의해 산출했다. 이하, 이론 해석의 조건을 나타낸다.
＜이론 해석의 조건 : 제 1 실시형태＞
원료 가스의 흐름 방향을 따른 탑재대(110)의 길이 : 500㎜
원료 가스의 흐름 방향에 수직인 방향을 따른 탑재대(110)의 길이 : 500㎜
탑재대(110)의 상면과 수평부(121)의 하면의 간격(H1) : 5㎜
탑재대(110)의 상면과 경사부(122)의 우단부의 하면의 간격(H2) : 50㎜
가스 온도 : 100℃
제 1 가스 공급부(130)로부터 공급되는 Ar 가스의 유량 : 2000sccm
처리 공간(S)과 가스 배기부(150)의 접속 부분에서의 압력 : 133㎩
배플판(160) : 없음
또한, 비교를 위해, 탑재대(110)의 상면과 천장판(120)의 하면의 거리가 일정한 성막 장치의 경우에 대해서도 마찬가지로, 원료 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치 x(m)와 압력 p(㎩)의 관계를 이론 해석에 의해 산출했다. 이하, 이론 해석의 조건을 나타낸다.
＜이론 해석의 조건 : 비교예＞
원료 가스의 흐름 방향을 따른 탑재대(110)의 길이 : 500㎜
원료 가스의 흐름 방향에 수직인 방향을 따른 탑재대(110)의 길이 : 500㎜
탑재대(110)의 상면과 천장판(120)의 하면의 간격 : 5㎜(일정)
가스 온도 : 100℃
제 1 가스 공급부(130)로부터 공급되는 Ar 가스의 유량 : 2000sccm
처리 공간(S)과 가스 배기부(150)의 접속 부분에서의 압력 : 133㎩
배플판(160) : 없음
하기의 수학식 1은, 점성류 영역에 있어서의 기체의 평행 평판의 컨덕턴스의 식에 근거하여 도출되는 식이며, 위치 x에 있어서의 미소 거리 dx 사이에서의 압력 저하 -dp를 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112018044063268-pat00001
P : 압력
μ : 점성 계수
G : 질량 유량
T : 가스 온도
W : 원료 가스의 흐름 방향에 수직인 방향을 따른 탑재대의 길이
h : 탑재대의 상면과 천장판의 하면의 간격
R : 단위 질량 당의 기체 정수
R=k/mg(k : 볼츠만 정수, mg : 분자 1개의 질량)로 산출되는 값
도 7은, 이론 해석에 의해 산출된 원료 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 압력의 관계를 나타내는 도면이며, 수학식 1을 이용하여 산출된 것이다. 도 7 중, 가로축은 처리 용기의 제 1 가스 공급부(130)와의 접속 위치로부터의 거리 x(m)를 나타내며, 세로축은 압력 p(㎩)를 나타낸다. 또한, 도 7에 있어서, 실선은 전술한 제 1 실시형태에 따른 성막 장치에서의 결과이며, 파선은 탑재대(110)의 상면과 천장판(120)의 하면의 거리가 일정한 비교예의 성막 장치에서의 결과이다. 도 7 중에서는, 사이즈 φ300㎜의 기판의 탑재 위치는 x=0.1m 내지 0.4m이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 원료 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치에 상관없이 압력이 대략 균일하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예의 성막 장치에서는, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이에, 상류측의 압력이 높고, 하류측의 압력이 낮아지는 압력차를 발생시키고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 그 압력차에 기인하여, 처리 공간(S)의 압력을 설정하기 위해서 기판의 상류측, 혹은 하류측에 마련된 압력계에서는, 기판 상에 있어서의 정확한 압력의 제어가 곤란해진다.
그런데, 압력과 가스 밀도의 사이에는, 하기의 수학식 2에 나타나는 이상 기체의 상태 방정식이 성립한다.
[수학식 2]
p=nkT
P : 압력
n : 가스 밀도
k : 볼츠만 정수
T : 가스 온도
또한, 가스 밀도와 기판의 표면에의 원료 가스의 흡착 사이에는, 하기의 수학식 3에 나타나는 관계가 성립한다.
[수학식 3]
Figure 112018044063268-pat00002
Γ : 기판의 표면에의 원료 가스의 플럭스
n : 가스 밀도
Figure 112018044063268-pat00003
: 원료 가스 분자의 평균 열 속도
따라서, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이에 압력차가 발생하면, 상기의 수학식 2에 나타나는 바와 같이, 가스 밀도 n은 압력(p)와 비례 관계에 있으므로, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이에서 가스 밀도에 불균형이 발생한다. 또한, 가스 밀도에 불균형이 발생하면, 상기의 수학식 3에 나타나는 바와 같이, 기판의 표면에의 원료 가스의 플럭스 Γ는 가스 밀도 n과 비례 관계에 있으므로, 기판 표면에의 원료 가스의 플럭스에 불균형이 발생한다. 그 결과, 기판의 표면에 형성되는 막의 특성(예를 들면, 막 두께, 막질)에 분포가 발생하여, 양호한 면내 균일성이 얻어지지 않는다.
이에 대하여, 제 1 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차가 작기 때문에, 상기의 수학식 2에 나타나는 관계에서, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이에서 가스 밀도에 불균형이 거의 발생하지 않는다. 또한, 가스 밀도에 불균형이 거의 발생하지 않으므로, 상기의 수학식 3에 나타나는 관계에서, 기판의 표면에의 원료 가스의 플럭스에 불균형이 거의 발생하지 않는다. 그 결과, 기판의 표면에 형성되는 막의 특성(예를 들면, 막 두께, 막질)의 면내 균일성을 높일 수 있다.
이상의 이론 해석의 결과로부터, 원료 가스의 점성 계수 μ, 가스 온도 T, 질량 유량 G, 및 압력 p에 근거하여, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측의 압력이 동일해지도록, 천장판(120)의 하면을 경사지게 하는 것이 바람직하다.
이상에 설명한 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 탑재대(110)와 천장판(120)의 대향면의 간격이, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록, 천장판(120)측의 대향면이 경사져 있다. 이에 의해, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차를 작게 하여, 상류측과 하류측 사이에 있어서의 가스 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 막의 면내 균일성을 높일 수 있다.
특히, 수학식 1에 의하면, 원료 가스의 흐름 방향에 수직인 방향을 따른 탑재대(110)의 길이(W)보다 탑재대(110)의 상면과 천장판(120)의 하면의 간격 h를 변화시키면, h3으로 압력의 변화량을 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는, 상류측보다 하류측의 탑재대(110)의 상면과 천장판(120)의 하면의 간격 h를 크게 하는 것에 의해, 상류측과 하류측의 압력차를 작게 하고 있다.
[제 2 실시형태]
제 2 실시형태에 따른 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 8은 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 제 1 구성예의 개략도이다. 도 9는 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 제 2 구성예의 개략도이다. 도 10은 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 제 3 구성예의 개략도이다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 제 2 실시형태에 따른 성막 장치는, 탑재대(210)가 하부 전극으로서 기능하고, 배플판(260)이 상부 전극으로서 기능하며, 탑재대(210)와 배플판(260) 사이의 공간에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 용량 결합형 플라즈마 처리 장치이다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 성막 장치는, 탑재대(210)와, 천장판(220)과, 가스 공급부(230)와, 가스 배기부(250)와, 배플판(260)과, 정류 날개(270)를 구비한다. 탑재대(210) 및 천장판(220)은 기판(W)에 대하여 성막 처리를 실시하는 처리 공간(S)을 형성하는 처리 용기를 구성한다. 또한, 처리 용기가 도시하지 않은 저판과 천장판(220)에 의해 구성되며, 처리 용기 내에 탑재대(210)가 마련되어 있어도 좋다.
탑재대(210)는 상면에 기판(W)을 탑재 가능하게 구성되어 있다. 탑재대(210)는, 예를 들어 AlN 등의 세라믹 재료에 의해 형성되어 있다. 탑재대(210)에는, 메시 전극 등의 하부 전극(211)이 마련되어 있다. 하부 전극(211)은 정합기(212)를 거쳐서 고주파 전원(213)과 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의해, 고주파 전원(213)에서 생성된 고주파 전력이 정합기(212)를 거쳐서 하부 전극(211)에 공급된다.
천장판(220)은 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 천장판(120)과 동일한 구성으로 할 수 있다. 즉, 천장판(220)은 수평부(221)와, 경사부(222)를 갖는다.
가스 공급부(230)는 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 제 1 가스 공급부(130)와 동일한 구성으로 할 수 있다. 즉, 가스 공급부(230)는 처리 용기의 측면에 접속된 배관(231)과, 배관(231)의 처리 용기측과 반대측에 접속된 원료 가스 공급원(232)을 갖는다. 또한, 가스 공급부(230)는 원료 가스 및 캐리어 가스에 부가하여 반응 가스를 공급 가능하게 구성되어 있어도 좋다.
가스 배기부(250)는 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 가스 배기부(150)와 동일한 구성으로 할 수 있다. 즉, 가스 배기부(250)는 배기구(251)와, 진공 펌프(252)를 갖는다.
배플판(260)은, 천장판(220)의 하면에, 탑재대(210)의 상면과 평행하게 되도록 장착되어 있으며, 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 그 때문에, 배플판(260)은 원료 가스의 흐름을 조절하는 동시에 하부 전극(211)과 대향하는 전극, 즉 상부 전극으로서 기능한다. 배플판(260)은 천장판(220)을 거쳐서 접지되어 있다. 배플판(260)은 다공판이어도 좋고, 메시판이어도 좋다. 배플판(260)을 마련하는 것에 의해, 기판(W)의 온도의 면내 균일성을 높일 수 있다. 또한, 배플판(260)을 마련하는 것에 의해, 탑재대(210)와 배플판(260) 사이에 플라즈마를 폐입(閉入)할 수 있으므로, 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 배플판(260)은 복수 마련되어 있어도 좋다. 구체적으로는, 예를 들어 도 9에 도시하는 바와 같이, 천장판(220)의 하면에, 복수(예를 들면 2개)의 배플판(260a, 260b)이 서로 평행하게 되도록 소정의 간격을 갖고서 장착되어 있어도 좋다. 이러한 구성에서는, 배플판(260a, 260b)은, 양쪽이 다공판 또는 메시판이어도 좋으며, 한쪽이 다공판, 다른쪽이 메시판이어도 좋다.
또한, 예를 들어 도 10에 도시하는 바와 같이, 천장판(220)의 하면에, 탑재대(210)의 상면에 대하여 평행하게 되도록 마련된 배플판(260a)과, 배플판(260a)에 대하여 수직하게 되도록 마련된 배플판(260c)이 장착되어 있어도 좋다. 이러한 구성에서는, 배플판(260a, 260c)은, 양쪽이 다공판 또는 메시판이어도 좋으며, 한쪽이 다공판, 다른쪽이 메시판이어도 좋다. 또한, 배플판(260c)은 배플판(260a)에 대하여 소정의 각도를 갖고서 장착되어 있어도 좋다. 이와 같이 복수의 배플판(260)을 마련하는 것에 의해, 처리 공간(S) 내에의 플라즈마가 폐입 효과를 높일 수 있다.
또한, 배플판(260)은 필수는 아니지만, 기판(W)의 온도의 면내 균일성을 높일 수 있는 관점에서 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 기판(W)의 반입 및 반출 시에, 배플판(260)을 퇴피할 수 있도록, 배플판(260)은 이동 가능하게 마련되어 있어도 좋다.
정류 날개(270)는 처리 공간(S)으로부터 배기구(251)를 향하는 원료 가스를 정류한다.
또한, 성막 장치에는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 탑재대(210), 천장판(220) 등의 각부를 가열하는 도시하지 않은 가열 수단이나, 탑재대(210), 천장판(220) 등의 각부의 온도를 검출하는 도시하지 않은 온도 센서가 마련되어 있어도 좋다. 이러한 경우, 온도 센서의 검출값에 근거하여, 가열 수단을 제어하는 것에 의해, 탑재대(210), 천장판(220) 등의 온도를 조정할 수 있다.
또한, 성막 장치의 하부 전극(211), 상부 전극 등의 전극에는, 도시하지 않은 임피던스 조정 기능이 부가되어 있어도 좋다.
이상에 설명한 바와 같이, 제 2 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 탑재대(210)와 천장판(220)의 대향면의 간격이, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록, 천장판(220)측의 대향면이 경사져 있다. 이에 의해, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차를 작게 하여, 상류측과 하류측 사이에 있어서의 가스 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 막의 면내 균일성을 높일 수 있다.
[제 3 실시형태]
제 3 실시형태에 따른 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 11은 제 3 실시형태에 따른 성막 장치의 일 예의 개략도이다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 제 3 실시형태에 따른 성막 장치는 탑재대(310)가 하방으로 오목한 오목부(310a)를 갖고 있으며, 오목부(310a)에 기판(W)이 탑재된다. 또한, 배플판(360)은, 탑재대(310)의 상면에, 오목부(310a)의 상면에 대하여 평행하게 소정의 간격을 갖고서 장착되어 있다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 성막 장치는, 탑재대(310)와, 천장판(320)과, 가스 공급부(330)와, 가스 배기부(350)와, 배플판(360)과, 정류 날개(370)를 구비한다. 탑재대(310) 및 천장판(320)은 기판(W)에 대하여 성막 처리를 실시하는 처리 공간(S)을 형성하는 처리 용기를 구성한다.
탑재대(310)는 상면에 기판(W)을 탑재 가능하게 구성되어 있다. 탑재대(310)는, 예를 들어 AlN 등의 세라믹 재료에 의해 형성되어 있다. 탑재대(310)는 하방으로 오목한 오목부(310a)를 갖고 있으며, 오목부(310a)의 상면에 기판(W)이 탑재된다. 탑재대(310)에는, 메시 전극 등의 하부 전극(311)이 마련되어 있다. 하부 전극(311)은 정합기(312)를 거쳐서 고주파 전원(313)과 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의해, 고주파 전원(313)에서 생성된 고주파 전력이 정합기(312)를 거쳐서 하부 전극(311)에 공급된다.
천장판(320)은 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 천장판(220)과 동일한 구성으로 할 수 있다. 즉, 천장판(320)은 수평부(321)와 경사부(322)를 갖는다.
가스 공급부(330)는 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 가스 공급부(230)와 동일한 구성으로 할 수 있다. 즉, 가스 공급부(330)는 처리 용기의 측면에 접속된 배관(331)과, 배관(331)의 처리 용기측과 반대측에 접속된 원료 가스 공급원(332)을 갖는다.
가스 배기부(350)는 제 2 실시형태에 따른 성막 장치의 가스 배기부(250)와 동일한 구성으로 할 수 있다. 즉, 가스 배기부(350)는 배기구(351)와, 진공 펌프(352)를 갖는다.
배플판(360)은 탑재대(310)의 상면에 장착되어 있다. 배플판(360)은 탑재대(310)의 오목부(310a)의 상면에 대하여 평행하게 소정의 간격을 갖고서 마련되어 있다. 배플판(360)은 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 그 때문에, 배플판(360)은 원료 가스의 흐름을 조절하는 동시에 상부 전극으로서 기능한다. 배플판(360)은 접지되어 있다. 배플판(360)은 다공판이어도 좋고, 메시판이어도 좋다. 배플판(360)을 마련하는 것에 의해, 기판(W)의 온도의 면내 균일성을 높일 수 있다. 또한, 탑재대(310)와 배플판(360) 사이에 플라즈마를 폐입할 수 있으므로, 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 배플판(360)은 필수는 아니지만, 기판(W)의 온도의 면내 균일성을 높일 수 있다는 관점에서 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 기판(W)의 반입 및 반출 시에, 배플판(360)을 퇴피할 수 있도록, 배플판(360)은 이동 가능하게 마련되어 있어도 좋다.
정류 날개(370)는 처리 공간(S)으로부터 배기구(351)를 향하는 원료 가스를 정류한다.
이상에 설명한 바와 같이, 제 3 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 탑재대(310)와 천장판(320)의 대향면의 간격이, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록, 탑재대(310)측 및 천장판(320)측의 대향면이 경사져 있다. 이에 의해, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차를 작게 하여, 상류측과 하류측 사이에 있어서의 가스 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 막의 면내 균일성을 높일 수 있다.
[제 4 실시형태]
제 4 실시형태에 따른 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 12는 제 4 실시형태에 따른 성막 장치의 일 예의 개략도이다. 도 12의 (a)는 상면도이며, 도 12의 (b)는 도 12의 (a)에 있어서의 일점쇄선 A-A에 있어서 절단한 단면을 도시한다. 또한, 도 12의 (a)에서는, 설명의 편의상, 천장판(420)의 도시를 생략하고 있다.
도 12의 (a)에 도시하는 바와 같이, 제 4 실시형태에 따른 성막 장치는, 둘레 방향을 따라서 복수(예를 들면 6매)의 기판(W)을 탑재 가능한 탑재대(410)를 갖는 세미-배치식의 성막 장치이다. 제 4 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 탑재대(410)의 중심부에 마련된 가스 공급부(430)로부터 탑재대(410)의 외주부에 마련된 가스 배기부(450)(배기구(451), 진공 펌프(452))를 향하여 방사상으로 원료 가스, 캐리어 가스, 반응 가스 등의 가스가 공급 가능하게 되어 있다. 이 때, 원료 가스 등의 가스는, 처리 공간(S)으로부터 배기구(451)를 향하는 도중에서 정류 날개(470)에 의해 정류된다. 그리고, 각 기판(W)이 탑재되는 영역마다, 전술한 제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태와 동일한 구성으로 할 수 있다.
즉, 예를 들어 도 12의 (b)에 도시하는 바와 같이, 하나의 기판(W)이 탑재되는 영역에 있어서, 탑재대(410)와 천장판(420)의 대향면의 간격이, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록 구성되어 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 제 4 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 탑재대(410)와 천장판(420)의 대향면의 간격이, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 넓어지도록, 천장판(420)측의 대향면이 경사져 있다. 이에 의해, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차를 작게 하여, 상류측과 하류측 사이에 있어서의 가스 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 막의 면내 균일성을 높일 수 있다.
[실시예]
다음에, 본 발명의 실시형태에 따른 성막 장치에 의한 효과를 확인하기 위해서 실행한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 구성을 이용하여, 제 1 가스 공급부(130)로부터 처리 공간(S)에 가스(Ar/O2=2000sccm/500sccm)를 공급했을 때의, 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치 x(m)와 압력(㎩)의 관계를 산출했다. 이하, 실시예 1에 있어서의 시뮬레이션 조건을 나타낸다.
＜시뮬레이션 조건＞
가스의 흐름 방향을 따른 탑재대(110)의 길이 : 500㎜
가스의 흐름 방향에 수직인 방향을 따른 탑재대(110)의 길이 : 500㎜
탑재대(110)의 상면과 수평부(121)의 하면의 간격(H1) : 5㎜
탑재대(110)의 상면과 경사부(122)의 우단부의 하면의 간격(H2) : 43.4㎜
배플판(160) : 다공판(개구율 0.5, 투과율 10-7m2) 또는 금속 메시(개구율 0.9, 투과율 10-5m2)
가스의 흐름 방향을 따른 배플판(160)의 길이 : 425㎜
기판 사이즈 : φ300㎜
가스 온도 : 100℃
처리 공간(S)과 가스 배기부(150)의 접속 부분의 압력 : 133㎩
도 13은 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 압력의 관계를 나타내는 도면이다. 도 13 중, 가로축은 기판(W)의 중심으로부터의 위치 x(m)이며, 마이너스 값의 측이 가스의 흐름 방향의 상류측을 나타내고, 플러스 값의 측이 가스의 흐름 방향의 하류측을 나타낸다. 또한, 세로축은 압력 p(㎩)이다. 또한, 도 13 중, 실선은 배플판(160)이 다공판인 경우의 결과이며, 파선은 배플판(160)이 금속 메시인 경우의 결과이다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 배플판(160)이 다공판 및 금속 메시의 어느 경우에 있어서도, 기판 상의 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차는 2㎩ 미만이다. 이와 같이, 사이드 플로우 방식의 성막 장치라도, 샤워헤드 방식의 성막 장치와 동일한 정도의 극히 균일한 압력 분포를 실현할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 제 1 실시형태에 따른 성막 장치의 구성을 이용하여, 제 1 가스 공급부(130)로부터 처리 공간(S)에 캐리어 가스(Ar=1000sccm)를 공급하고 있는 상태에서, 원료 가스(TiCl4=100sccm)를 첨가했을 때의 이하의 특성을 산출했다. 또한, 성막 장치의 각부의 크기, 위치 등의 조건에 대해서는, 실시예 1과 동일하다.
＜특성＞
처리 공간(S)의 압력(㎩)
기판 상의 Ar 밀도(1/㎤)
기판 상의 TiCl4 밀도(1/㎤)
도 14는 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 각 특성의 관계를 나타내는 도면이며, TiCl4의 공급을 개시하고 나서 0.34초 후의 각 특성을 나타낸다. 도 14의 (a)는 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 압력의 관계를 나타내며, 도 14의 (b)는 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 Ar 밀도의 관계를 나타내며, 도 14의 (c)는 기판 상의 가스의 흐름 방향에 있어서의 위치와 TiCl4 밀도의 관계를 나타낸다.
도 14의 (a)에 나타내는 바와 같이, TiCl4의 공급을 개시하고 나서 0.34초에서, 기판 상의 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측 사이의 압력차가 2㎩ 미만으로 되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 14의 (b) 및 도 14의 (c)에 나타내는 바와 같이, TiCl4의 공급을 개시하고 나서 0.34초에서, 기판 상의 가스의 흐름 방향의 어느 위치에 있어도, Ar과 TiCl4의 혼합 가스(Ar:TiCl4=10:1)로 치환되어 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 단시간에 가스의 치환이 가능하다. 그 때문에, 원료 가스의 공급과 반응 가스의 공급을 단시간에 반복하는 것이 요구되는 ALD법에 바람직하다.
또한, 도 14의 (c)에 도시하는 바와 같이, TiCl4의 공급을 개시하고 나서 0.34초에서, 기판 상의 가스의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측으로 TiCl4가 골고루 퍼져서, 기판 상의 면내에 있어서 균일한 TiCl4 밀도 분포가 얻어지고 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 기판 상의 면내에 있어서 균일한 TiCl4 밀도 분포가 얻어지고 있으므로, 전술의 수학식 3에 나타나는 관계식에 의해, 기판 상의 면내에 있어서 균일하게 TiCl4가 흡착된다. 그 결과, 기판(W)의 표면에 형성되는 막의 특성(예를 들면, 막 두께, 막질)의 면내 균일성을 높일 수 있는 것으로 고려된다.
이상, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 설명했지만, 상기 내용은, 발명의 내용을 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 변형 및 개량이 가능하다.
상기의 각 실시형태에서는, 플라즈마 발생원으로서, 용량 결합형 플라즈마를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 플라즈마 발생원은, 예를 들어 유도 결합형 플라즈마라도 좋고, 마이크로파 플라즈마라도 좋고, 유도체 배리어 방전이라도 좋다.
110, 210, 310, 410 : 탑재대
120, 220, 320, 420 : 천장판
130 : 제 1 가스 공급부
230, 330, 430 : 가스 공급부
140 : 제 2 가스 공급부
141 : 제 1 전극
142 : 제 2 전극
144 : 고주파 전원
160, 260, 360, 460 : 배플판
211, 311 : 하부 전극
213, 313 : 고주파 전원

Claims (17)

  1. 기판을 탑재하는 탑재대와,
    상기 탑재대와 대향하고, 상기 탑재대와의 사이에 처리 공간을 형성하는 천장판과,
    상기 기판에 대하여 수평 방향으로부터 상기 처리 공간에 원료 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하며,
    상기 탑재대와 상기 천장판의 대향면의 간격이, 상기 원료 가스의 흐름 방향의 상류측보다 하류측쪽이 좁아지는 일이 없이 넓어지도록, 상기 천장판측 또는 상기 탑재대측의 대향면이 경사져 있고,
    상기 원료 가스의 흐름 방향에 있어서 상기 가스 공급부의 하류이며 상기 탑재대와 상기 천장판 사이에 마련되고, 상기 기판의 온도의 면내 균일성을 높이는 배플판과,
    상기 탑재대를 가열하는 가열 수단을 더 갖는
    성막 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 천장판측의 대향면은 상기 원료 가스의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측을 향하여 높아지도록 경사져 있는
    성막 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 천장판측의 대향면은, 상기 원료 가스의 점성 계수, 온도, 유량, 및 압력에 근거하여, 상기 원료 가스의 흐름 방향의 상류측과 하류측의 압력이 동일해지도록 경사져 있는
    성막 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탑재대와 상기 천장판의 대향면의 간격은 가변인
    성막 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천장판측의 대향면은 곡면 형상을 갖는
    성막 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플판은 상기 탑재대측의 대향면에 대하여 평행하게 마련되어 있는
    성막 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플판은 상기 천장판측의 대향면에 장착되어 있는
    성막 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플판은 상기 탑재대측의 대향면에 장착되어 있는
    성막 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플판은 다공판 또는 메시판인
    성막 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천장판 및 상기 배플판은 금속 재료에 의해 형성되어 있으며,
    상기 탑재대는 유전체 재료에 의해 형성되어 있는
    성막 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플판은 복수 마련되어 있으며,
    복수의 상기 배플판은, 상기 탑재대측의 대향면에 대하여 평행하게 마련된 제 1 배플판과, 상기 제 1 배플판에 대하여 평행하게 소정의 간격을 갖고서 마련된 제 2 배플판을 포함하는
    성막 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플판은 복수 마련되어 있으며,
    복수의 상기 배플판은, 상기 탑재대측의 대향면에 대하여 평행하게 마련된 제 1 배플판과, 상기 제 1 배플판에 대하여 수직하게 마련된 제 2 배플판을 포함하는
    성막 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플판은 복수 마련되어 있으며,
    복수의 상기 배플판은, 상기 원료 가스의 흐름 방향에 대하여, 소정의 각도를 갖고서 평행하게 마련되어 있는
    성막 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 공간보다 상기 원료 가스의 흐름 방향의 상류측에 마련된 플라즈마 발생원을 갖는
    성막 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탑재대에 마련되고, 고주파 전원에서 생성되는 고주파 전력이 공급되는 전극을 갖는
    성막 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탑재대는 둘레 방향을 따라서 복수의 상기 기판을 탑재 가능한
    성막 장치.
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