KR20030013303A

KR20030013303A - 기판 처리 장치

Info

Publication number: KR20030013303A
Application number: KR1020020045557A
Authority: KR
Inventors: 오쿠다카주유키; 카가야토루; 사카이마사노리; 모리타신야; 모로하시아키라
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2003-02-14
Also published as: JP2003045864A; KR100539890B1; US20030024477A1

Abstract

본 발명은 가스 노즐의 형상을 개선하여 반응관내에 공급한 가스를 효율적으로 사용할 수 있도록 한 기판 처리 장치에 관한 것으로, 상기 기판 처리 장치는 원통형 반응관(12)을 수직설치하고, 로구 플랜지(13)의 통로를 씰 캡(14)로 밀봉하며, 반응관(12)내에 기판인 웨이퍼(W)를 다단으로 재치하는 보트(15)를 삽입한다. 원통형 반응관(12)내의 복수의 웨이퍼(W)에 노즐(21)로부터 가스를 공급하여 웨이퍼(W)에 박막을 퇴적시킨다. 노즐(21)은 원통 반응관(12)의 관축방향으로 관내벽(22)을 따라 연장되도록 설치된다. 또한, 노즐(21)은 관내주방향으로 45°이상 180°이하로 확대된 노즐 공간(23)을 내부에 갖는다. 노즐(21)의 가스 분출구(24)는 각 웨이퍼(W)에 대응하도록 복수개 설치되며, 각 웨이퍼(W)상에 가스를 흘린다.

Description

기판 처리 장치{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 반도체 디바이스의 제조 공정의 한 공정으로 이용되는 반응관내에서 복수의 기판을 처리하는 기판 처리 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 기판에 가스를 공급하는 노즐 구조를 개선한 기판 처리 장치에 관한 것이다.

종래의 종형 감압 CVD 장치가 도 7에 도시되어 있다. 히터(1)의 내측에 외부 반응관(2)이 설치되며, 외부 반응관(2)의 내부에는 내부 반응관(3)이 동심상에 배설된다. 외부 반응관(2)과 내부 반응관(3)은 로구 플랜지(4)상에 입설된다. 로구 플랜지(4)의 하단은 씰 캡(5)에 의해 기밀 폐색되며, 씰 캡(5)에 보트(6)가 입설되어 내부 반응관(3)내에 삽입된다. 보트(6)에는 배치처리되는 웨이퍼(W)가 수평 상태에서 관축방향으로 다단으로 다수매 적재된다.

로구 플랜지(4)의 내부 반응관(3) 하부에 가스 도입 노즐(7)이 연통되고, 외부 반응관(2)과 내부 반응관(3) 사이에 형성되는 원통형 공간(8)의 하단에 연통하도록 배기관(9)이 로구 플랜지(4)에 접속된다.

보트 엘리베이터(10)로 씰 캡(5)을 개입시켜 보트(6)를 하강시키고, 보트(6)에 웨이퍼(W)를 적재하여 보트 엘리베이터(10)로부터 보트(6)를 내부 반응관(3)내에 삽입한다. 씰 캡(5)이 로구 플랜지(4) 하단을 완전하게 밀폐한 후, 외부 반응관(2) 내부를 배기한다.

가스 도입 노즐(7)로부터 반응성 가스를 반응실내에 공급하면서, 가스 배기관(9)으로 배출한다. 내부 반응관(3) 내부를 소정 온도에 가열하고, 웨이퍼(W) 표면에 성막한다. 성막 완료 후 상기 가스 도입 노즐(7)로부터 불활성 가스를 도입하며, 반응관(2)(3) 내부를 불활성 가스로 치환하여 상압으로 복귀시키고, 보트(6)를 하강시켜 보트(6)로부터 성막 완료된 웨이퍼(W)를 퇴출시킨다.

그러나, 전술한 종래 기술에서는 반응관의 하부에 노즐이 구비되어 있기 때문에, 반응관 하부로부터 반응관 상부로 향하여 기판상을 흐르는 가스의 양이 적게 되어 가스를 효율적으로 사용할 수 없는 문제점이 있다.

이는 기상 반응과 표면 반응을 이용하는 CVD(화학증착) 장치와는 달리 표면 반응만을 이용하는 ALD(원자층증착) 장치에서는 특히 문제가 된다.

또한, ALD 장치에서는 플라스마에 의해 여기되는 활성종을 사용하는 것도 있지만, 플라스마에 의해 여기되는 활성종에는 수명이 있기 때문에, 어느 정도의 시간이 경과하거나 장애물과 충돌함으로써, 여기 상태가 아니게 되는 경우가 있다. 이에 따라, 반응관의 하부에 노즐을 마련한 구성에서는 여기가 필요한 가스종이 여기된 채로 기판 영역에 수송되지 않고 흡착이나 반응을 할 수 없는 문제점도 있다.

본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 문제점을 해소하고, 반응관내에 공급한 가스를 효율적으로 사용하는 것이 가능한 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 원통형 반응관내의 복수의 기판에 노즐로부터 가스를 공급하여 상기 복수의 기판을 처리하는 기판 처리 장치로서, 상기 노즐은 원통형 반응관의 관축방향으로 관벽을 따라 설치되고, 일측 관주방향으로 45°이상 180°이하로 확대된 노즐 공간을 내부에 가진 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치이다. 원통형 반응관은 원통 반응관이 바람직하지만, 대략 원통형상이면 족하다. 또한, 노즐은 관내벽을 따라 설치되는 것이 바람직하지만, 관외벽을 따라 설치되어도 무방하다.

본 발명에 의하면, 노즐이 원통형 반응관의 관축방향으로 설치되고 있으므로 반응관의 관축방향 어느 위치에도 가스를 균등하게 공급할 수 있다. 또한, 노즐이 관벽을 따라 설치되어 있으므로, 관벽으로부터 이격되어 설치된 경우와 비교할 때,반응관을 대형화하지 않고 설치할 수 있다. 아울러, 장치의 소형화 관점에서, 관내벽을 따라 노즐을 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 노즐을 관내벽에 설치함으로써, 노즐이 없는 부분을 배기 영역으로서 기능할 수 있도록 하는 잇점도 있다. 또한, 관주방향으로 45°이상 180°이하로 확대된 노즐 공간을 내부에 갖기 때문에, 좁은 통 형상의 노즐에 비해 가스가 벽에 충돌하는 확률을 낮게 억제함과 아울러, 노즐내의 압력을 비교적 낮게 유지할 수 있다. 그 결과, 각 기판에 대한 가스의 흡착 및 반응량을 증대시킬 수 있어서 가스를 효율적으로 사용할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 복수매의 기판은 각각 지지판에 의해 지지되고, 상기 노즐의 가스 분출구는 각 지지판에 의해 지지된 기판에 대응하도록 복수로 설치된 것이 바람직하다. 복수매의 기판이 각각 지지판에 지지되기 때문에, 지지판이 존재하지 않는 경우와 비교할 때, 지지판 사이에 단락지어지는 영역에 노즐의 가스 분출구로부터 나온 가스가 널리 확산되기 쉽게 할 수 있다. 따라서, 기판상을 흐르는 가스의 양이 많아지도록 할 수 있으므로, 가스를 한층 더 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 노즐의 가스 분출구가 각 지지판에 의해 지지된 기판에 대응하도록 복수 설치되어 있기 때문에, 기판 표면과 평행한 흐름을 만들 수 있어서 기판상에 적극적으로 원료를 공급하여 표면 흡착을 촉진할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 노즐을 개입시켜 상기 원통형 반응관내의 복수의 기판에 공급하는 가스는 플라스마에 의해 활성화된 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 플라스마에 의해 활성화된 가스(활성종)는 벽에 충돌하거나 압력이 높으면 수명이 짧아진다. 이에 따라, 본 발명은 노즐 내부에 비교적 넓은 노즐 공간을 갖기때문에, 활성종의 수명을 확보할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 처리는 상기 복수의 기판상에 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘림으로써 표면 반응에 의해 상기 복수의 기판상에 박막을 형성하는 처리인 것이 바람직하다. 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘림으로써 표면 반응에 의해 박막을 형성하는 처리에 적용하면, 기판상에 흐르는 가스의 양이 크기 때문에 표면 반응을 촉진할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 노즐은 관주방향으로 90°이상 180°이하로 확대된 것이 바람직하다.

상기 발명에 있어서, 상기 처리는 SiH₂Cl₂와 NH₃를 이용하여 Si₃N₄막을 형성하는 처리이며, 상기 플라스마에 의해 활성화된 가스는 NH₃인 것이 바람직하다.

상기 발명에 있어서, 상기 처리는 상기 복수의 기판상에 플라스마에 의해 활성화된 가스를 포함하는 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘림으로써 표면 반응에 의해 상기 복수의 기판상에 박막을 형성하는 처리인 것이 바람직하다.

상기 발명에 있어서, 상기 다종의 가스는 SiH₂Cl₂와 NH₃를 포함하고, 플라스마에 의해 활성화된 가스는 NH₃이며, 형성되는 박막은 Si₃N₄막인 것이 바람직하다.

상기 발명에 있어서, 상기 처리를 실시할 때의 처리 온도는 300 내지 600℃인 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 종형(縱型) 감압 ALD 장치의 개략 단면도이고,

도 2는 도 1의 반응관의 A－A선을 따라 취한 단면도이며,

도 3은 도 2의 가스 노즐을 B방향에서 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보트 구조를 구체적으로 설명한 종형 감압 ALD 장치의 개략 단면도이며,

도 5는 도 4의 평면도이고,

도 6은 본 발명의 변형예를 나타낸 링 형상의 플레이트를 도시한 평면도이며,

도 7은 종래의 종형 감압 CVD 장치의 개략 단면도이다.

이하, 반도체 디바이스의 제조 공정의 한 공정으로 이용되는 본 발명의 기판처리 장치의 실시예를 도면을 이용하여 설명한다.

여기에서는 기판 처리 장치를 종형 감압 ALD 장치에 적용했을 경우에 대하여 설명한다.

먼저, ALD와 CVD의 차이에 대해 설명한다. ALD는 소정의 성막 조건(온도, 시간 등)하에서 성막에 이용되는 2종류(또는 그 이상)의 원료 가스를 1종류씩 교대로 기판상에 공급하고, 1원자층 단위로 흡착시켜 표면 반응(기상 반응은 이용하지 않음)만을 이용하여 성막을 실시하는 방법이다.

즉, 이용하는 화학반응은, ALD는 표면 반응이고 성막 온도가 300 내지 600℃(DCS＋NH₃→SiN의 경우)로 비교적 저온인데 반해, CVD는 표면 반응＋기상 반응이고 성막 온도가 600 내지 800℃로 비교적 고온이다. 또한, 가스 공급은, ALD은 다종의 가스를 1종류씩 교대로 공급하는(동시에 공급하지 않음)데 반해, CVD는 다종의 가스를 동시에 공급한다. 그리고, 막두께 제어는, ALD은 사이클수로 제어(예를 들면, 1 Å/사이클로 하면, 20Å의 막을 형성하는 경우 처리를 20사이클 실시한다)하는 데 반해, CVD는 시간으로 제어하는 점이 상이하다.

즉, ALD 성막은 비교적 저온으로 기판상에 처리 가스를 1종류씩 공급함으로써, 기상 반응은 이용하지 않고 표면 반응만을 이용하여 1원자층씩 막을 형성하는 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 실시예에 따른 종형 감압 ALD 장치를 설명한다. 도 1은 개략 단면도이고, 도 2는 도 1의 반응관의 A－A선을 따라 취한 단면도이며,도 3은 도 2의 가스 노즐을 B방향에서 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 ALD 장치는 히터(11)의 내측에 석영제의 원통 반응관(12)을 갖는다. 원통 반응관(12)의 하단은 씰 캡(14)에 의해 기밀 폐색되며, 씰 캡(14)에 보트(15)가 입설되어 원통 반응관(12)내에 삽입된다.

보트(15)에는 처리되는 웨이퍼(W)가 수평 자세로 다단으로 다수매 적재된다. 보트(15)는 보트 엘리베이터(16)에 의해 승강 자재로 지지되어 원통 반응관(12)에 대해 출납할 수 있도록 구성된다.

원통 반응관(12)의 하부 일측에는 원위 플라스마 유닛(17)에 접속된 가스 도입구(18)가 설치되고, 타측에는 배기 펌프(미도시)와 통하는 배기관(19)에 접속된 배기구(20)가 설치된다. 가스 도입구(18)를 통하여 원통 반응관(12)내의 복수의 웨이퍼(W)로 공급되는 가스에는 2종류, 즉 플라스마에 의해 활성화되어 공급되는 가스와 플라스마에 의해 활성화되지 않고 공급되는 가스가 있다.

가스 도입구(18)는 원통 반응관(12)내에서 예를 들면 석영제의 가스 노즐(21)과 연통된다. 가스 노즐(21)은 원통 반응관(12)의 관축방향으로 관내벽(22)을 따라 설치되며, 반응관(12)의 하부에서 정상 부근까지 관내벽(22)을 따라 연장되도록 설치된다. 가스 노즐(21)은 관경이 작은 통상의 노즐 배관과 비교할 때 비교적 넓은 노즐 공간(23)을 갖고, 가스 도입구(18)로부터 도입되는 가스를 직접 반응관(12)내에 분출하지 못하고, 일단 노즐 공간(23)에 모아 둔다. 모여진 가스가 다수매의 웨이퍼(W)에 대응하도록 노즐(21)에 마련된 다수의 가스 분출구(24)로부터 화살표로 나타낸 바와 같이 분출하도록 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가스 노즐(21)은 원통 반응관(12)의 내벽(22)을 따라 호형 단면의 편평한 형상이다. 가스 노즐(21)은 원통 반응관(12)의 내벽(22)의 일부를 둘러쌈으로써, 전술한 바와 같이 반응관 내벽(22)을 따라 연장설치되어 내벽(22)과의 사이에 호형 단면의 노즐 공간(23)을 갖는다. 노즐 공간(23)은 관내주방향으로 θ= 약 45°이상 180°이하, 바람직하게는 약 90°이상 180°이하로 확대되며, 지름 방향 내측의 폭(a)은 원통 반응관(12)의 내경을 약 300mm로 했을 경우, 약 10 내지 40mm정도, 바람직하게는 15 내지 30mm로 비교적 넓은 공간이다.

이와 같이 노즐(21) 내부에 비교적 넓은 노즐 공간(23)을 갖게 한 것은 원위 플라스마 유닛(17)에 의해 가스를 여기했을 때 발생하는 활성종이 가능한 한 벽에 충돌하지 않도록 하고, 플라스마 발생 영역 부근의 압력이 낮아지도록 하기 위한 것이며, 이에 따라 발생된 활성종의 수명을 확보하여 활성종이 여기된 채로 기판 영역에 수송하기 위한 것이다.

노즐(21)은 장치 소형화의 관점에서 관내벽(22)을 따라 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 노즐(21)을 관내벽(22)에 설치함으로써, 노즐(21)이 없는 부분을 배기 영역으로 기능하도록 할 수 있다는 잇점도 있다.

아울러, 노즐 공간(23)의 확대는 45°이하라면 활성종의 수명을 확보하는 것이 어렵고, 가스의 흡착 및 반응량을 유효하게 증대할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 180°이상이라면 배기 영역이 압박되기 때문에 바람직하지 않다. 이에 반해, 45°이상 180°이하라면, 활성종의 수명을 확보할 수 있어서, 가스의 흡착 및 반응량을 유효하게 증대할 수 있고, 배기 영역도 압박하지 않기 때문에 바람직하다. 또한, 90°이상 180°이하라면, 활성종의 수명을 보다 더 확보할 수 있어서, 가스의 흡착 및 반응량을 보다 유효하게 증대할 수 있으므로 보다 더 바람직하다.

또한, 노즐 지름 방향 내측의 폭(a)은 10 mm이하라면 활성종의 수명을 확보하는 것이 어렵고, 가스의 흡착 및 반응량을 유효하게 증대할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 40 mm이상이라면, 기판 영역이 압박되기 때문에 바람직하지 않다. 이에 반해, 10mm 내지 40 mm 범위라면, 활성종의 수명을 확보할 수 있어서 가스의 흡착 및 반응량을 유효하게 증대할 수 있고, 기판 영역도 압박하지 않기 때문에 바람직하다. 또한, 15mm 내지 30 mm라면, 활성종의 수명을 보다 더 확보할 수 있어서, 가스의 흡착 및 반응량을 보다 유효하게 증대할 수 있으므로 보다 더 바람직하다.

상기 가스 노즐(21)의 제작은 원통 반응관(12)의 내벽(22)의 일부를 둘러싸는 노즐부재를 관축방향을 따르는 호형 세그먼트(25)로 구성한다. 세그먼트(25)는 예를 들면 석영제 원통의 일부를 축방향으로 평행한 면에서 잘라낸 호형 판으로부터 얻는다. 그 호형 판의 상하 좌우단에는 각각 원통 반응관(12)의 내벽(22)과 세그먼트 단부간의 틈새를 차단하는 상단색판(26), 하단색판(27)(도 1 참조), 좌단색판(28), 우단색판(29)이 용착 등에 의해 내벽(22)에 장착된다. 노즐 공간(23)은 웨이퍼(W)가 재치되는 기판 영역(30)으로부터 단절된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 가스 분출구(24)는 호형 세그먼트(25)에 홀 또는 슬릿(31)으로서 관축방향을 따라 다수개 설치된다. 홀 또는 슬릿(31)은 다단으로 수평 자세로 적재된 웨이퍼 1매마다 대응하여 수평으로 설치된다. 이 경우, 수평으로 설치되는 홀은 장홀 또는 일렬로 나열된 복수의 홀로 구성된다. 웨이퍼 1매마다 1개 또는 2개 이상의 홀 또는 슬릿(31)을 갖는 것이 바람직하다. 이는 웨이퍼 표면에 웨이퍼와 평행한 가스 흐름을 만들어 웨이퍼(W)상에 적극적으로 원료를 공급하여 표면 흡착을 촉진시키기 때문이다.

또한, 노즐(21)의 하부로부터 상부로 갈수록 홀 또는 슬릿(31)의 크기를 크게 하는 것이 바람직하다. 이는 노즐 공간(23)의 가스 상류측보다 가스 하류측이 도중의 홀 또는 슬릿(31)으로부터의 가스 분출에 의해 노즐 공간(23)의 내부 압력이 낮아지기 때문에, 홀 또는 슬릿(31)의 크기를 하류측에서 크게 하여 상류측에서 흐르기 쉽게 하고, 상하간에서의 유량을 정돈하기 때문이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)를 적재하는 보트로서 링 보트(36)를 이용한다. 종형 장치로 이용되는 통상의 라다 보트(보트 지주에 계지도랑을 마련한 보트)를 이용해도 좋지만, 링 보트(36)가 바람직하다. 링 보트(36)는 주방향으로 적정 간격을 개방하며 입설된 3 내지 4개의 보트 지주(32)와, 보트 지주(32)에 수평으로 다단 장착되고 웨이퍼(W)의 외주를 이면으로부터 지지하는 지지판으로서의 링형 홀더(35)로 구성된다. 링형 홀더(35)는 외경이 웨이퍼(W)의 지름보다 크고, 내경이 웨이퍼(W)의 지름보다 작다, 상기 보트 지주(32)에 장착되는 링형 플레이트(34)와, 링형 플레이트(34)상에 주방향으로 적정 간격으로 복수개 설치되어 웨이퍼(W)의 외주 이면을 점상으로 유지하는 웨이퍼 보관 유지편(33)으로 구성된다.

링형 플레이트(34)가 존재하지 않는 경우에 비해, 링형 플레이트(34)가 있는것이, 노즐(21)의 홀 또는 슬릿(31)으로부터 웨이퍼마다 분리된 영역(이 경우, 링형 플레이트(34)간에 단락된 영역)까지의 거리(D)가 짧아지기 때문에, 노즐(21)로부터 분출된 가스(화살표로 표시)가 기판 영역(30)에 널리 확산되기 쉽다는 이점이 있다. 이에 따라 웨이퍼(W)상에 가스 공급량을 충분히 유지함으로써, 성막 속도의 저하 또는 균일성의 악화를 막을 수 있다.

가스 도입구(18)의 외측에 접속되는 유전체제의 방전관(37)의 외주에는 원위 플라스마 유닛(17)을 구성하는 유도 코일(38)이 장착되며, 상기 유도 코일(38)은 고주파 전력을 발생시키는 발진기(39)에 연결된다. 발진기(39)로부터 유도 코일(38)에 고주파 전력을 인가하여 방전관(37) 내부에 플라스마를 발생시키고, 플라스마가 발생된 방전관내에 가스를 공급하면, 가스는 플라스마(40)에 의해 활성화되어 활성종이 발생한다. 이 활성종이 전술한 노즐(21)에 유입된다.

가스는 웨이퍼 1매마다 설치된 홀 또는 슬릿(31)을 통해 공급된다. 가스는 홀 또는 슬릿(31)을 통해 웨이퍼(W) 사이로 공급되며, 웨이퍼 표면을 통과한 후 노즐(21)과는 반대측의 공간으로 나와 하강하여 반응관 하부의 배기구(20)로부터 배출된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 가스(K)는 가스 노즐(21)의 호형 주방향으로부터 웨이퍼 중심으로 향하여 분사되며, 링형 플레이트(34) 사이로 안내되어 각 웨이퍼(W)상에 공급된다. 아울러, 링형 플레이트(34)는 폐쇄된 원판상을 하고 있지만, 도 6에 도시된 바와 같이, 원판의 일부를 절개한 C자 형태도 무방하다. 원판의 일부를 절개함으로써, 그 절개 부분을 웨이퍼 반송에 이용할 수 있다. 그 경우, 웨이퍼 보관 유지편(33)이 필요없기 때문에, 원판상에 기판을 직접 재치할 수 있어서 공급된 가스나 활성종을 보다 유효하게 활용할 수 있다. 또한, 성막중, 보트를 회전시키지 않는 경우, 절개 부분을 배기 영역으로 향하도록 함으로써, 배기 영역을 넓힐 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 실시예에 따른 기판 처리 장치의 작용을 설명한다. 보트 엘리베이터(16)로 씰 캡(14)을 개입시켜 보트(15)를 하강시키고, 보트(15)에 다수매의 웨이퍼(W)를 적재하여, 보트 엘리베이터(16)로 보트(15)를 반응관(12)내에 삽입한다. 씰 캡(14)이 원통 반응관(12) 하단을 완전하게 밀폐한 후, 반응관(12) 내부를 진공화하여 배기한다. 가스 도입 노즐(21)로부터 반응성 가스를 반응실내에 공급하면서, 가스 배기구(20)에서 배출한다. 반응관(12) 내부를 소정 온도로 가열하여 온도 안정화를 도모하고, 웨이퍼(W) 표면에 성막 처리한다.

이러한 성막 처리를 2종의 원료 가스를 이용하여 실시하는 경우의 예에 있어서, 2종의 원료 가스중 1개는 가스 공급중에 기상 분해가 발생하므로, 소정 온도 이하로 할 필요가 있지만, 다른 원료는 그 온도에서는 분해되지 않거나 또는 반응에 기여하는 형태가 되지 않는 경우가 있다. 그 때, 후자를 원위 플라스마 유닛(17)으로 여기한 후 공급하는 방식을 취하면, 성막 할 수 있는 경우가 있다. 구체적인 가스명을 거론하면, DCS(지크로로시란, SiH₂Cl₂)와 NH₃의 조합으로, 질화막(Si₃N₄막)을 성막하는 경우에서는 DCS가 전자, NH₃가 후자(원위 플라스마 유닛에 의한 여기가 필요)에 해당한다.

그러나, 플라스마에 의해 여기되는 활성종에는 수명이 있어서, 어느 정도의 시간이 경과하거나 장애물과 충돌함으로써, 여기 상태가 아니게 되는 경우가 있다. 여기가 필요한 가스종은 여기된 채로 기판 영역에 수송하지 않으면 흡착이나 반응을 할 수 없다. 이에 따라, 본 실시예에서는 ALD 배치처리용 노즐의 노즐 형상에 특징을 갖게 함으로써 노즐(21)에 호형으로 확대되는 노즐 공간(23)을 형성하였다. 이에 따라, 가스를 여기한 채로 기판 영역에 공급할 수 있어서, 공급된 가스를 효율적으로 웨이퍼 표면상에 대량으로 흘릴 수 있다. 또한, 웨이퍼(W)를 링형 홀더(35)로 지지하기 때문에, 웨이퍼와 반응관 사이의 공간(D)을 좁게 하여, 웨이퍼 표면상에 가스가 많이 흐르게 되고, 공급된 가스를 효율적으로 사용할 수 있으며, 그 결과, 박막의 성막 속도를 증대시킬 수 있다. 아울러, 기상 반응을 이용한 CVD에서는 홀더로 적극적으로 가스를 소비시키려고 하는데 반해, 단지 표면 반응만을 이용한 ALD에서는 가스를 많이 흘리려고 하는 점에 있어서 크게 상이하다.

상기 ALD 성막 처리는 복수의 웨이퍼(W)상에 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘리고, 표면 반응에 의해 복수의 웨이퍼상에 박막을 형성하는 처리가 된다. 이하, DCS(지크로로시란：SiH₂Cl₂)와 NH₃를 사용한 예로서 성막 단계를 설명한다.

① DCS를 가스 노즐(21)을 통해 소정 시간 기판 영역에 공급한다. 이 때, 원위 플라스마 유닛(17)은 오프로 한다.

② DCS를 중단하고 N₂퍼지 또는 진공화하여 DCS 분위기를 제거한다.

③ NH₃를 가스 노즐(21)을 통해 소정 시간 기판 영역에 공급한다. 이 때, 원위 플라스마 유닛(17)은 온으로 하고, 방전관(37) 내부를 통과하는 가스를 플라스마로 여기한다.

④ NH3를 중단하고 N₂퍼지 또는 진공화하여 NH₃분위기를 제거한다.

다시 ①로 돌아와, ① 내지 ④의 단계를 원하는 횟수로 반복한다. 단계 ① 내지 ④를 1사이클로서 1사이클로 일정한 막두께가 성막되어 가므로, 막두께는 사이클수로 제어한다.

이와 같이 하여 성막을 완료한 후, 가스 도입 노즐(21)로부터 불활성 가스를 도입하며, 원통 반응관(12) 내부를 불활성 가스로 치환하여 상압으로 복귀시키고, 보트(15)를 하강시켜 보트(15)로부터 성막 완료 후의 웨이퍼(W)를 퇴출시킨다.

아울러, 상술한 실시예에서는 반응관이 1중관 구조인 것에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 2중관 구조에도 적용할 수 있다. 또한, ALD 장치에 한정되지 않고 CVD 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 가스 노즐을 구성하는 호형 판은 상하가 동일한 폭의 구형으로 했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면 위가 넓고 아래가 좁은 역삼각형상으로 해도 무방하다.

또한, 노즐이 관내벽을 따라 마련된 구성으로 하고 있으나, 관외벽을 따라 마련된 구성도 무방하다.

또한, 이상의 각 실시예로부터 파악되는 청구항 이외의 기술적 사상에 대해 그 효과와 함께 이하에 기재한다.

(1) 복수매의 기판을 처리하는 원통 반응관의 길이 방향을 따라, 일측 원주 방향의 45°이상 180°이하, 바람직하게는 90°이상 180°이하의 부분을 따라 형성된 가스 분출구가 각 기판에 대응하도록 복수 설치된 가스 노즐에 의해 기판상에 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘리고, 표면 반응에 의해 기판상에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.

이 구성에 의하면, 각 기판 표면에 가스가 균등하게 더 많이 흐르고, 활성종의 수명을 확보할 수 있으므로, 공급된 가스를 효율적으로 각 기판에 사용할 수 있어서 각 기판의 표면 반응을 촉진할 수 있다.

(2) 복수매의 기판을 처리하는 원통 반응관의 길이 방향을 따라, 일측 원주 방향의 45°이상 180°이하, 바람직하게는 90°이상 180°이하의 부분을 따라 형성된 가스 분출구가 각 기판에 대응하도록 복수 설치된 가스 노즐에 의해 기판상에 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘리고, 표면 반응에 의해 기판상에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법.

이 구성에 의하면, 각 기판 표면에 가스가 균등하게 더 많이 흐르고, 활성종의 수명을 확보할 수 있으므로, 공급된 가스를 효율적으로 각 기판으로 사용할 수 있어서 각 기판의 표면 반응을 촉진할 수 있다. 따라서, 고품질의 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.

(3) 상기(2)에 있어서, 상기 다종의 가스중 적어도 1종류의 가스는 플라스마에 의해 활성화되어 흐르는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법.

이 구성에 의하면, 노즐을 개입시켜 상기 원통 반응관내의 복수의 기판에 공급되는 가스는 플라스마에 의해 활성화된 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 플라스마에 의해 활성화된 가스(활성종)는 벽에 충돌하거나 압력이 높으면 수명이 짧아진다. 이에 따라, 본 발명은 노즐 내부에 비교적 넓은 노즐 공간을 갖기 때문에, 활성종의 수명을 확보할 수 있다. 따라서, 고품질의 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.

(4) 상기(3)에 두어, 다종의 가스는 DCS와 NH₃를 포함하고, 플라스마에 의해 활성화된 가스는 NH₃이며, 형성되는 박막은 Si₃N₄막인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법.

플라스마에 의해 여기되는 활성종에는 수명이 있어서, 어느 정도의 시간이 경과하거나 장애물과 충돌함으로써, 여기 상태가 아니게 되는 경우가 있지만, 이 구성에 의하면, 여기가 필요한 가스종은 여기된 채로 기판 영역에 수송되므로 흡착이나 반응을 촉진할 수 있다. 따라서, 고품질의 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.

본 발명에 의하면, 웨이퍼 표면상에 가스가 많이 흐르게 되고, 활성종의 수명을 확보할 수가 있으며, 공급한 가스를 효율적으로 사용할 수 있다.

Claims

원통형 반응관내의 복수의 기판에 노즐로부터 가스를 공급하여 상기 복수의 기판을 처리하는 기판 처리 장치로서,

상기 노즐은 원통형 반응관의 관축방향으로 관벽을 따라 설치되고, 일측 관주방향으로 45°이상 180°이하로 확대된 노즐 공간을 내부에 가진 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 복수매의 기판은 각각 지지판에 의해 지지되고, 상기 노즐의 가스 분출구는 각 지지판에 의해 지지된 기판에 대응하도록 복수로 설치된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 노즐을 개입시켜 상기 원통형 반응관내의 복수의 기판에 공급하는 가스는 플라스마에 의해 활성화된 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 1 항에 있어시, 상기 처리는 상기 복수의 기판상에 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘림으로써 표면 반응에 의해 상기 복수의 기판상에 박막을 형성하는 처리인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 노즐은 관주방향으로 90°이상 180°이하로 확대된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 처리는 SiH₂Cl₂와 NH₃를 이용하여 Si₃N₄막을 형성하는 처리이며, 상기 플라스마에 의해 활성화된 가스는 NH₃인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 처리는 상기 복수의 기판상에 플라스마에 의해 활성화된 가스를 포함하는 다종의 가스를 1종류씩 순차적으로 반복하여 흘림으로써 표면 반응에 의해 상기 복수의 기판상에 박막을 형성하는 처리인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 다종의 가스는 SiH₂Cl₂와 NH₃를 포함하고, 플라스마에 의해 활성화된 가스는 NH₃이며, 형성되는 박막은 Si₃N₄막인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 처리를 실시할 때의 처리 온도는 300 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.