KR20030092093A - 기상성장장치 - Google Patents

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KR20030092093A
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Abstract

본 발명의 기상성장장치는, 내부에 기판이 배치되는 반응용기와, 상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 1 가스도입관을 가지며, 유기금속함유가스로 이루어진 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 1 가스도입부와, 상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 2 가스도입관을 가지며, 상기 유기금속함유가스와 반응하는 동시에 상기 유기금속함유가스보다도 밀도가 작은 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 2 가스도입부를 구비하고 있다. 제 1 가스도입관의 가스분출구와 제 2 가스도입관의 가스분출구는, 상기 반응용기내에 배치되는 기판의 바깥둘레를 따라 배치되어 있다.

Description

기상성장장치{GASEOUS PHASE GROWING DEVICE}
반도체장치의 제조에 있어서는, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등으로 이루어진 기판에 대하여, 여러가지 처리가 이루어진다. 예를 들어 CVD 등의 기상성장막 형성방법에 있어서는, 복수의 원료가스가 사용될 수 있다.
특히, 예를 들면 스트론튬(Sr) 및 티타늄(Ti)을 함유한 유기금속함유가스와 산소(O2)가스를 사용하는 CVD에 의하면, 실리콘 웨이퍼의 표면에 SrTiO3으로 이루어진 기상성장막을 형성할 수 있다. 이 기상성장막은, 그 특성 때문에, 예컨대 캐패시터용량 절연막 등으로서 유용하다.
일반적으로, 웨이퍼상에의 복수의 원료가스에 의한 기상성장막의 형성은, 통상 내부에 복수의 가스도입관이 설치된 반응용기를 사용하여, 이 반응용기내에 웨이퍼를 배치하고, 해당 가스도입관의 각각으로부터 원료가스를 분출시키면서 가열함으로써, 행하여지고 있다.
그리고, 종래의 기상성장장치에서는 가스도입관으로서, 통상 직관형상의 석영제 관체로서, 그 둘레벽에 원형관통구멍에 의한 가스분출구가 형성된 것이 널리 사용되고 있다. 또한, 관체의 둘레방향으로 신장하는 슬릿형상 관통구멍에 의한 가스분출구가 형성된 것도 알려져 있다.
종래의 기상성장장치에 있어서는, 원료가스로서 유기금속함유가스를 사용할 경우, 가스도입관에서의 가스분출구의 정면방향이, 원료가스가 웨이퍼의 표면을 따라 해당 웨이퍼의 중심을 향하는 방향으로 분출되도록, 해당 중심방향으로 설정되어 있다. 그럼에도 불구하고, 실제로는, 해당 웨이퍼의 표면에 형성되는 기상성장막은, 면내에서의 불균일성이 상당히 크다. 결국, 높은 균일성으로 소기의 특성의 기상성장막을 형성할 수 없다고 하는 문제점이 있다.
예를 들면 스트론튬(Sr)이나 티타늄(Ti)을 함유하는 유기금속함유가스와 산소가스를 사용할 경우에는, 기판의 면내에서 높은 균일성으로 소기의 결정성장을 생기게 할 수 없기 때문에, 목적으로 하는 기상성장막을 형성할 수 없다.
이상의 문제점에 대하여 연구를 거듭한 결과, 그 원인은, 웨이퍼의 면내에서의 유기금속함유가스의 분포에 있어서의 불균일성이 매우 크기 때문인 것이 판명되었다.
구체적으로는, 유기금속함유가스는 밀도가 높은 가스이다. 이 때문에, 가스도입관의 가스분출구가 원형구인 경우에는, 형성되는 기상성장막에 관해서, 해당 가스분출구의 정면방향(웨이퍼의 지름 R의 방향으로 한다)에서는, 좁은 영역에 어느 정도의 균일성을 얻을 수 있다. 그러나, 해당 정면방향과 직교하는 가로방향에서는, 상기 가스분출구로부터의 이격거리가 커짐에 따라서, 막두께가 대폭 감소한다. 즉, 불균일성이 큰 상태가 된다.
따라서, 가스분출구가 웨이퍼의 면방향으로 신장하는 슬릿형상 관통구멍에 의해 형성된 가스도입관을 사용하였다. 그 결과, 해당 가스분출구로부터의 거리가 작은 범위에서는, 가스가 가로방향으로 퍼진다. 이로써, 형성되는 기상성장막에 관하여, 가스분출구의 정면방향(웨이퍼의 지름 R의 방향으로 한다)에 직교하는 가로방향에서는 막두께의 균일성이 어느 정도 개선되었다. 그러나, 상기 정면방향에서는, 가스분출구로부터의 거리가 커짐에 따라서, 막두께가 대폭 감소하였다. 결국, 불균일성이 큰 상태가 되는 것이 판명되었다.
본 발명은, 예를 들면 반도체 웨이퍼 등의 평판형상 또는 면형상의 기판의 표면에, 복수의 원료가스를 사용하여 기상성장막을 형성하기 위한 기상성장장치 및 기상성장막 형성방법에 관한 것이다.
[발명의 요지]
본 발명은, 이상과 같은 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 웨이퍼 등의 평판형상의 기판의 표면에, 유기금속함유가스를 함유한 복수의 원료가스에 의한 기상성장막을 높은 균일성으로 형성할 수 있는 기상성장장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 평판형상의 기판의 표면에, 유기금속함유가스를 함유한 복수의 원료가스에 의한 기상성장막을 높은 균일성으로 형성할 수 있는 기상성장막 형성방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명은, 내부에 기판이 배치되는 반응용기와, 상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 1 가스도입관을 가지며, 유기금속함유가스로 이루어진 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 1 가스도입부와, 상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 2 가스도입관을 가지며, 상기 유기금속함유가스와 반응함과 동시에 상기 유기금속함유가스보다도 밀도가 작은 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 2 가스도입부를 구비하고, 제 1 가스도입관의 가스분출구와 제 2 가스도입관의 가스분출구는, 상기 반응용기내에 배치되는 기판의 바깥둘레를 따라 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치이다.
본 발명에 의하면, 제 1 가스도입부에 의해서 반응용기내에 공급되는 제 1 가스의 흐름이, 제 2 가스도입부에 의해서 반응용기내에 공급되는 제 2 가스의 흐름의 영향을 받을 수 있기 때문에, 유기금속함유가스로 이루어진 제 1 가스는 기판상에 충분히 높은 균일성으로 공급될 수 있다. 따라서, 해당 기판의 표면에, 그 전체에 걸쳐 높은 균일성으로 원하는 기상성장막을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 제 1 가스도입관의 가스분출구로부터 상기 반응용기내에 도입되는 제 1 가스는, 제 2 가스도입관의 가스분출구로부터 상기 반응용기내에 도입되는 제 2 가스의 흐름의 영향을 받아, 상기 기판의 면을 따라 확산하도록 되어 있다.
또한, 바람직하게는 제 1 가스도입관의 가스분출구는, 상기 기판의 면에 평행한 방향에 개구하는 슬릿형상 관통구멍에 의해서 형성되어 있다. 이 경우, 상기 슬릿형상 관통구멍은 제 1 가스도입관에 대한 개방각이, 30도 내지 160도인 것이 바람직하다.
혹은, 바람직하게는 제 1 가스도입관의 가스분출구는, 상기 기판의 면에 평행한 방향으로 개구하는 복수의 슬릿형상부분에 의해서 형성되며, 인접한 슬릿형상부분의 사이에는, 중간벽부분이 존재하고 있다.
또한, 바람직하게는 제 2 가스도입관의 가스분출구는, 원형상 관통구멍에 의해서 형성되어 있다.
또한, 바람직하게는 제 1 가스도입관의 가스분출구의 정면방향과 제 2 가스도입관의 가스분출구의 정면방향은, 상기 반응용기내에 배치되는 기판의 중심을 향하고 있다. 이 경우, 제 1 가스도입관의 가스분출구 및 제 2 가스도입관의 가스분출구의 각 정면방향이 이루는 각도는 45도 이하인 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는, 상기 반응용기의 내부에는, 복수의 기판이 상하방향에 간격을 두고 배치되도록 되어 있고, 제 1 가스도입관의 가스분출구는 각 기판의 높이에 대응하여 복수가 설치되어 있으며, 제 2 가스도입관의 가스분출구도 각 기판의 높이에 대응하여 복수가 설치되어 있다.
또한, 바람직하게는, 제 1 가스 및 제 2 가스는,
(1) Sr〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스 및 O2가스
(2) Ti(OC3H7-i)2〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스 및 O2가스
(3) TiCl4가스 및 NH3가스
(4) Zr〔OC(CH3)3〕4가스 및 O2가스
(5) Ta(OC2H5)5가스 및 O2가스 중의 어느 하나이다.
또한, 본 발명은, 내부에 기판이 배치되는 반응용기와, 상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 1 가스도입관을 가지며, 유기금속함유가스로 이루어진 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 1 가스도입부와, 상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 2 가스도입관을 가지며, 상기 유기금속함유가스와 반응하는 동시에 상기 유기금속함유가스보다도 밀도가 작은 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 2 가스도입부를 구비하고, 제 1 가스도입관의 가스분출구와 제 2 가스도입관의 가스분출구는, 상기 반응용기내에 배치되는 기판의 바깥둘레를 따라 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치를 사용하여, 기판의 표면에 기상성장막을 형성하는 방법으로서, 제 1 가스도입관의 가스분출구로부터 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정과, 제 2 가스도입관의 가스분출구에서 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 방법이다.
바람직하게는, 제 1 가스도입관의 가스분출구로부터 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정과, 제 2 가스도입관의 가스분출구로부터 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정은 동시에 실시된다.
[도면의 간단한 설명]
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 기상성장장치를 나타내는 개략단면도이다.
도 2는, 도 1의 제 1 가스도입관을 웨이퍼의 중심에서 본 개략도이다.
도 3(a)는, 도 2의 제 1 가스도입관의 부분확대정면도, 도 3(b)는, 도 2의제 1 가스도입관의 가스분출구를 지나는 확대횡단면도이다.
도 4는, 웨이퍼에 대한, 제 1 가스도입관의 슬릿형상 가스분출구 및 제 2 가스도입관의 원형상 가스분출구의 위치관계를 도시한 도면이다.
도 5(a)는, 가스분출구의 변형예를 가진 제 1 가스도입관의 부분확대정면도, 도 5(b)는 도 5(a)의 제 1 가스도입관의 가스분출구를 지나는 확대횡단면도이다.
도 6은, 도 1의 제 2 가스도입관을 웨이퍼의 중심에서 본 개략도이다.
도 7(a)는, 도 6의 제 2 가스도입관의 부분확대정면도, 도 7(b)는, 도 6의 제 2 가스도입관의 가스분출구를 지나는 확대횡단면도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 기상성장장치를 나타내는 개략단면도이다.
도 9(a)는, 도 8의 기상성장장치에 있어서의 제 1 가스도입관의 정면도이고, 도 9(b)는, 도 8의 기상성장장치에 있어서의 제 2 가스도입관의 정면도이다.
도 10은, 실험예 1에서 얻어진, 웨이퍼의 표면상에서의 Sr(DPM)2가스의 분포상황을 나타내는 등밀도곡선도이다.
도 11은, 실험예 1에서 얻어진, 웨이퍼의 표면상에서의 산소가스의 분포상황을 나타내는 등밀도곡선도이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하에 도면을 참조하여, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 기상성장장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
이 기상성장장치(10)는, 뱃치식(batch-type) 종형 기상성장장치로서, 상하방향으로 신장하는 원통형상의 반응용기(12)를 구비하고 있다. 반응용기(12)는 예를 들면 석영으로 되어 있다. 반응용기(12)의 상부는, 막혀 있다.
원통형상의 스텐레스강으로 이루어진 매니폴드(13)가, 반응용기(12)의 하단에 접속되어 있다. 이 매니폴드(13)의 아래쪽에는, 덮개(14)가 배치되어 있다.
이 덮개(14)는, 보트 엘리베이터(도시하지 않음)에 의해 상하방향으로 이동가능하도록 되어 있다.
그리고, 덮개(14)가 상승하면, 매니폴드(13)의 하단의 개구가 막히도록 되어 있다. 이에 따라, 반응용기(12)의 내부에 밀폐된 반응처리실이 형성된다.
덮개(14)상에는, 보온통(15)을 통해, 예를 들면 석영으로 이루어지는 웨이퍼 보트(WB)가 놓여진다. 기상성장막을 형성해야 할 기판은, 예를 들면 실리콘으로 이루어진 반도체 웨이퍼(W)이다. 복수매의 반도체 웨이퍼(W)(기판)가, 웨이퍼 보트(WB)에 상하방향으로 소정 간격을 두고 유지된다. 그리고, 보트 엘리베이터에 의해서 덮개(14)가 상승하면, 웨이퍼 보트(WB)가 반응용기(12)내에 삽입된다. 이에 따라 해당 웨이퍼 보트(WB)에 유지된 웨이퍼(W)가, 반응용기(12)내에서의 처리영역에 배치된다.
반응용기(12)는, 그 내부에 웨이퍼 보트(WB)가 삽입된 상태로, 반응용기(12)의 안쪽면과 웨이퍼 보트(WB) 또는 웨이퍼(W)의 바깥 둘레가장자리와의 사이에 원통형상 틈이 형성되는 크기로 되어 있다. 이 원통형상 틈내에, 가스도입관(후술한다)이 배치되어 있다.
반응용기(12)의 주위에는, 예를 들면 저항발열체로 이루어진 통형상 히터 (16)가 설치된다. 이 통형상 히터(16)에 의해, 반응용기(12)의 내부 및 웨이퍼 보트(WB) 상에 배치된 웨이퍼(W)가, 소정의 설정온도가 되도록 가열된다.
통형상 히터(16)의 바깥쪽에는, 단열재층(18)이 배치되어 있다. 그리고 바깥쪽 쉘(20)이, 단열재층(18)을 포위하도록 설치된다. 또한, 필요에 따라서, 반응용기(12)의 위쪽에도 히터가 배치될 수 있다.
반응용기(12)내에 원료가스를 공급하기 위해서, 복수의 가스공급관이 설치된다. 구체적으로는, 유기금속함유가스를 공급하기 위한 제 1 가스공급관(30)과, 산소가스를 공급하기 위한 제 2 가스공급관(40)이, 각각, 매니폴드(13)의 측벽을 서로 인접한 위치에서 관통하여 신장하도록 설치된다.
제 1 가스공급관(30)은 해당 기상성장장치(10)의 외부에 설치된, 유기금속함유가스로 이루어진 원료가스의 가스원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 매니폴드 (13)의 내부에 있어서의 제 1 가스공급관(30)의 선단부에는, 반응용기(12)의 안둘레면과 웨이퍼(W)의 바깥둘레가장자리와의 사이에 형성되는 원통형상 틈내에 위치하는, 예를 들면 석영관으로 이루어진 제 1 가스도입관(32)의 하단부가 연이어 통하여 접속되어 있다.
도 2는 제 1 가스도입관(32)을 웨이퍼의 중심에서 본 도면이고, 도 3(a)는 도 2의 제 1 가스도입관(32)의 부분확대정면도, 도 3(b)는 도 2의 제 1 가스도입관 (32)의 가스분출구(35)를 지나는 확대횡단면도이다.
또한, 도 4는 반응용기내에 배치된 웨이퍼에 대한, 제 1 가스도입관의 슬릿형상가스분출구 및 제 2 가스도입관의 원형상가스분출구의 위치관계를 도시한 도면이다.
도 2에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 가스도입관(32)은 반응용기(12)내의 원통형상 틈내를 위쪽으로 신장하는 도입관체 부분(32A)과, 이 도입관체 부분(32A)의 상단에서 U자 형상으로 만곡하여 아래쪽으로 신장하는 분출관체 부분(32B)을 가지고 있다. 도입관체 부분(32A)과 분출관체 부분(32B)은, 서로 병행하여 신장하고 있다. 분출관체 부분(32B)과 도입관체 부분(32A)은, 적절한 부분에서 보강용 브릿지부재(33)에 의해서 연결되어 있다.
분출관체 부분(32B)에서는, 각각 관체의 둘레방향{즉, 웨이퍼(W)의 면방향}으로 신장하는 슬릿형상 관통구멍에 의해서 형성된 가스분출구(이하, '슬릿형상분출구'라고 한다)(35)의 다수가, 해당 분출관체 부분(32B)의 길이 방향에서 적절한 간격으로 형성되어 있다.
그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(W)의 면을 따라 신장하는 각 슬릿형상분출구(35)는, 화살표 X로 나타낸 그 정면방향이, 웨이퍼(W)의 중심(C)을 향하고 있다. 한편, 도 4에서는 도입관체 부분(32A)은 생략되고, 분출관체 부분(32B)이 간략하게 나타나 있다.
제 1 가스도입관(32)의 치수는 특히 한정되는 것이 아니라, 여러가지 조건에 따라 적절히 설정할 수 있다. 일례를 나타내면, 제 1 가스도입관(32)의 분출관체 부분(32B)의 바깥지름은 16.8∼17.2mm, 안지름은 16.5∼16.6mm, 두께는 0.2∼0.7mm로 될 수 있다. 또한, 슬릿형상분출구(35)의 길이{분출관체 부분(32B)의 관체에서의 둘레방향의 길이}는, 그 개방각 α(도3(b)참조)의 크기가 예를 들어 30∼160도가 되는 길이로 될 수 있다. 또한, 개구폭{분출관체 부분(32B)의 관체의 길이 방향의 폭} d는 0.5∼2.0mm의 범위의 크기로 될 수 있다.
도 5(a) 및 도 5(b)는, 슬릿형상분출구(35)의 변형예를 나타낸다. 도 5(a) 및 도 5(b)는, 도 3(a) 및 도 3(b)와 같은 도면이다. 도 5로부터도 명백하듯이, 슬릿형상 분출구(35)의 각각은, 단일의 슬릿구멍만으로 구성될 필요는 없고, 관체의 둘레방향으로 분할되어 있는 복수(도 5의 예에서는 3개)의 슬릿구멍부분(S)으로 형성되더라도 좋다. 예를 들면 도 5의 경우, 인접한 슬릿구멍부분(S) 사이에 중간벽부분(M)이 잔존하고 있다. 이 경우에는, 중간벽부분(M)이 잔존하고 있는 것에 의해, 큰 기계적 강도를 얻을 수 있다.
제 2 가스공급관(40)은, 제 1 가스공급관(30)과 마찬가지로, 매니폴드(13)의 둘레벽을 관통하여 배치되어 있다. 그리고, 제 2 가스공급관(40)은, 해당 기상성장장치(10)의 외부에 설치된 산소가스원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 매니폴드(13)의 내부에서의 제 2 가스공급관(40)의 선단부에는, 반응용기(12)의 안둘레면과 웨이퍼(W)의 바깥둘레가장자리와의 사이에 형성되는 원통형상 틈새내에 위치한, 예를 들어 석영관으로 이루어진 제 2 가스도입관(도 1에서는 나타나 있지 않다)의 하단부가 연이어 통하며 접속되어 있다.
도 6은 제 2 가스도입관(42)을 웨이퍼의 중심에서 본 도면이고, 도 7(a)는 제 2 가스도입관(42)의 가스분출구(45)부분을 나타내는 확대정면도, 도 7(b)는 제2 가스도입관(42)의 가스분출구(45)를 지나는 확대횡단면도이다.
도 6에 나타나 있는 바와 같이, 제 2 가스도입관(42)은, 반응용기(12)내의 원통형상 틈새내를 위쪽으로 신장하는 도입관체 부분(42A)과, 이 도입관체 부분 (42A)의 상단에서 U자 형상으로 만곡하여 아래쪽으로 신장하는 분출관체 부분(42B)을 가지고 있다. 도입관체 부분(42A)과 분출관체 부분(42B)은, 서로 병행하여 신장하고 있다. 분출관체 부분(42B)과 도입관체 부분(42A)은, 적절한 부분에서 보강용 브릿지부재(43)에 의해서 연결되어 있다.
분출관체 부분(42B)에서는, 원형상 관통구멍에 의해서 형성된 가스분출구(이하, '원형분출구'라고 한다)(45)의 다수가, 해당 분출관체 부분(42B)의 길이 방향에 적절한 간격으로 형성되어 있다.
그리고, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 분출관체 부분(42B)에서의 각 원형분출구(45)는, 화살표 Y로 나타낸 그 정면방향이, 웨이퍼(W)의 중심 C를 향하고 있다. 한편, 도 4에 있어서는, 도입관체 부분(42A)은 생략되고, 분출관체 부분(42B)이 간략하게 표시되어 있다.
여기서, 제 2 가스도입관(42)의 관체로서는, 기술한 제 1 가스도입관(32)과 같은 것이 사용될 수 있다. 원형분출구(45)의 크기는, 여러가지 조건에 따라 적절히 설정할 수 있지만, 예를 들면 지름이 0.5∼5.0mm이 된다. 원형분출구(45)는, 예를 들면 관체의 둘레방향으로 나란한 복수의 원형관통구멍에 의해서 형성할 수 있다.
이상으로, 제 1 가스도입관(32)의 분출관체 부분(32B)과, 제 2 가스도입관(42)의 분출관체 부분(42B)은, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 웨이퍼 (W)의 바깥둘레의 방향을 따라서 접근한 위치에 나란히 배치되어 있다. 또한, 기술한 바와 같이, 그들 가스분출구 즉 슬릿형상분출구(35)와 원형분출구(45)는, 모두 그 정면방향이 웨이퍼(W)의 중심(C)을 향한 상태로 설정되어 있다.
그리고, 슬릿형상분출구(35)와 원형분출구(45)는, 각각의 정면방향이 이루는 각도, 즉, 도 4에 있어서의 화살표 X와 화살표 Y가 이루는 각도(이하 '분출구 사이각도'라고 한다. ) θ가 작은 상태로 나란히 배치되어 있는 것이 필요하다. 실제로, 이 분출구사이각도 θ의 크기는 45도 이하인 것이 중요하다. 특히 분출구 사이각도 θ가 10도 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에는, 균일성이 극히 높은 기상성장막을 형성할 수 있다.
또, 분출구 사이각도 θ의 크기의 하한은, 원리적으로는 존재하지 않지만, 분출관체 부분(32B)의 관지름 및 분출관체 부분(42B)의 관지름에 의해서 저절로 정해질 수 있다.
또한, 도 1을 참조하여, 매니폴드(13)에 있어서, 제 1 가스공급관(30) 및 제 2 가스공급관(40)이 관통하는 위치와는 반대쪽 위치에, 배기구(19)가 설치된다. 이 배기구(19)에는 조절 밸브가 끼워 넣어진 배기관을 통해 진공펌프(도시하지 않음)가 접속되어 있다.
그리고, 제 1 가스공급관(30)에 의한 가스의 공급, 제 2 가스공급관(40)에 의한 가스의 공급, 통형상 히터(16)의 동작, 및 배기구(19)에 접속된 조절밸브 및 진공펌프의 동작상태를 제어하기 위해서, 제어기구(도시하지 않음)가 설치된다.이 제어기구는, 구체적으로는, 마이크로 프로세서나 프로세스 컨트롤러 등에 의해 구성될 수 있으며, 예정된 프로그램에 기초하여 제어신호를 각 부에 공급하여 제어하는 기능을 가질 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 기상성장장치(10)를 사용하여, 아래와 같이 하여, 웨이퍼의 표면에 기상성장막을 형성할 수 있다.
우선, 기상성장막이 형성되어야 하는 기판인 웨이퍼(W)를 유지하는 웨이퍼 보트(WB)가, 하강위치에 있는 덮개(14)상에 재치 된다. 그 후, 도시되지 않은 보트 엘리베이터에 의해서, 덮개(14)가 상승된다. 이에 따라, 웨이퍼 보트(WB)가 반응용기(12)내에 삽입되어, 웨이퍼(W)가 반응용기(12)내에 배치된다. 이 때, 덮개 (14)는 매니폴드(13)의 하단의 개구를 막는다. 이에 따라, 반응용기(12)내가 밀폐된 상태가 된다.
한편, 반응용기(12)내는 배기구(19)를 통해, 설정된 감압상태가 된다. 또한, 반응용기(12)내는 통형상 히터(16)에 의해서 가열되어, 설정된 온도상태로 유지된다.
이 감압장태 및 온도상태는, 목적으로 하는 기상성장막의 종류나 사용되는 원료가스의 종류 및 그들 유량, 그 밖의 조건에 의해서 적절히 선정될 수 있다.
반응용기(12)내의 분위기에 대한 조건의 일례에서는, 압력이 예를 들면 67∼670Pa(0.5∼5.0Torr)이고, 온도는 300∼600℃이다.
그리고, 설정된 감압조건 및 온도조건이 유지되어 있는 상태에 있어서, 제 1 가스공급관(30) 및 제 2 가스공급관(40)을 통해 소요량의 원료가스가 공급되어, 기상성장막의 형성이 이루어진다.
제 1 가스공급관(30) 및 제 2 가스공급관(40)을 통해 공급되는 원료가스는, 목적으로 하는 기상성장막의 종류에 따라 달라질 수 있다. 본 실시형태에서는, 제 1 가스공급관(30)에 의한 제 1 가스로서 유기금속함유가스가 사용된다. 한편, 제 2 가스공급관(40)에 의한 제 2 가스로서는, 제 1 가스공급관(30)을 통해 공급되는 유기금속함유가스와 반응할 수 있으며, 또한, 해당 유기금속함유가스보다 밀도가 작은 반응용가스가 사용된다.
각 원료가스의 공급비율은, 목적으로 하는 상태의 기상성장막이 형성되는 조건에 따라서 설정할 수 있다.
기상성장막을 형성하기 위해서 사용되는 유기금속함유가스(제 1 가스) 및 이와 함께 사용되는 반응용가스(제 2 가스)의 구체적인 조합으로서는, 하기의 것을 들 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
(1) Sr〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스(이하「Sr(DPM)2가스」라고 한다)와 O2가스와의 조합
이 조합에 의하면, SrO으로 이루어진 기상성장막이 형성된다.
(2) Ti(OC3H7-i)2〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스와 O2가스와의 조합
이 조합에 의하면, TiO2으로 이루어진 기상성장막이 형성된다.
(3) TiCl4가스와 NH3가스와의 조합
이 조합에 의하면, TiN으로 이루어진 기상성장막이 형성된다.
(4) Zr〔OC(CH3)3〕4와의 조합
이 조합에 의하면, ZrO2으로 이루어진 기상성장막이 형성된다.
(5) Ta(OC2H5)5가스와 O2가스와의 조합
이 조합에 의하면, Ta2O5으로 이루어진 기상성장막이 형성된다.
이상의 조합의 각각은, 그것이 단독으로 사용되는 것은 필수가 아니다. 예를 들면, 상기 (1)과 (2)의 조합을 병용할 수 있다. 이 경우, Sr (DPM)2가스 및 Ti(OC3H7-i)2〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스의 혼합가스와, 산소가스를 사용함으로써, SrTiO3으로 이루어진 기상성장막을 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 (1)의 조합을 사용하여 기상성장막을 형성하는 경우에는, 제 1 가스공급관(30)에는, Sr(DPM)2가스가 예컨대 0.3∼1.0slm의 비율로 공급되고, 제 2 가스공급관(40)에는 산소가스가 예컨대 1.0∼10.0slm의 비율로 공급되며, 반응용기(12)내는, 67∼670Pa(0.5∼5.0Torr)의 감압상태 및 300∼600℃의 온도상태로 유지된다.
성막에 요하는 시간은, 목적으로 하는 막두께의 크기에 따라서도 다르지만, 예를 들면 10∼40분간이다. 이에 따라, 막두께가 예를 들어 5∼20nm의 기상성장막이 형성될 수 있다.
이상의 기상성장막의 형성에 있어서는, 제 1 가스공급관(30)으로부터 공급된 유기금속함유가스가, 반응용기(12)내의 제 1 가스도입관(32)의 분출관체 부분(32B)에 도달하고, 해당 분출관체 부분(32B)에 형성된 슬릿형상분출구(35)의 각각으로부터, 웨이퍼(W)의 면을 따라, 또한, 웨이퍼(W)의 중심(C)을 향하여 분출된다.
이와 동시에, 제 2 가스공급관(40)으로부터 공급된 산소가스가, 반응용기 (12)내의 제 2 가스도입관(42)의 분출관체 부분(42B)에 도달하고, 해당 분출관체 부분(42B)에 형성된 원형분출구(45)의 각각으로부터, 웨이퍼(W)의 면을 따라, 또한, 웨이퍼(W)의 중심(C)을 향하여 분출된다.
슬릿형상분출구(35)가 웨이퍼(W)의 면을 따라 수평방향으로 신장하는 슬릿형상관통구멍에 의해 형성되어 있기 때문에, 해당 슬릿형상관통구멍(35)으로부터 분출된 유기금속함유가스는, 웨이퍼(W)의 면을 따라, 화살표방향 X(정면방향)와 직교하는 방향(가로방향)으로도 크게 확산하게 된다.
그러나, 유기금속함유가스는, 그 조성에 있어서 금속원소를 함유하기 때문에, 밀도가 높고 무거운 것이다. 따라서, 유기금속함유가스는 해당 슬릿형상분출구(35)로부터 X방향에서 멀리까지 확산하는 것이 곤란하다. 그 때문에, 종래에는, X방향에서의 막두께의 불균일성을 억제하는 것이 거의 불가능하였다.
본 실시형태에 의하면, 분출관체 부분(32B)에서 유기금속함유가스가 분출될 때에, 제 2 가스도입관(42)의 원형분출구(45)로부터 산소가스가 분출된다. 산소가스는, 그 밀도가 낮고 가벼운 것이다. 이 때문에, 분출구의 형상에 의하지 않고서, 즉, 해당 분출구가 원형이더라도, 산소가스는 웨이퍼(W)의 표면을 따라 크게 퍼져 높은 균일성으로 확산한다.
한편, 산소가스의 분출구인 원형분출구(45)와 유기금속함유가스의 분출구인슬릿형상분출구(35)는, 웨이퍼(W)의 바깥둘레방향을 따라서 서로 접근하여 나란히 배치되어 있다. 이 때문에, 슬릿형상분출구(35)로부터 토출되는 유기금속함유가스는, 산소가스의 흐름의 작용을 받아, 즉, 산소가스의 확산작용에 의해 전개하여 확산하게 된다. 그 결과, X방향에서도, 큰 거리의 범위에 있어서 막두께가 높은 균일성을 얻을 수 있다.
이상의 결과, 웨이퍼(W)의 표면에서는, 유기금속함유가스 및 산소가스가 양쪽 모두 높은 균일성으로 확산하게 된다. 따라서, 그 막두께에 있어서도, 또한 막질에 있어서도, 높은 균일성의 기상성장막을 형성할 수가 있다.
이상의 기상성장장치(10)에 있어서는, 각 가스도입관{제 1 가스도입관(32) 및 제 2 가스도입관(42)}이, 모두 반응용기(12)내에서, 위쪽으로 신장하는 도입관체 부분(32A 및 42A)과, 이 도입관체 부분의 상단에서 U자형상으로 만곡하여 아래쪽으로 신장하는 분출관체 부분(32B 및 42B)에 의하여 구성되어 있다. 이것은, 이하의 이유 때문에 바람직하다. 즉, 본 실시형태에서는, 반응용기(12)가 소위 단일관구조로서, 해당 반응용기(12)내를 감압하기 위한 배기가 하부의 배기구(19)를 통해 행하여진다. 따라서, 아래쪽으로 신장하는 분출관체 부분(32B 및 42B)을 사용함으로써, 그 길이방향으로 적절한 간격으로 형성된 각 분출구의 레벨의 차에 의한 분출압력의 차를 작게 할 수 있는 것이다. 이에 따라, 전체적으로 보다 균일성이 높은 분출상태를 얻을 수 있다.
도 8은, 본 발명의 기상성장장치의 다른 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9는 도 8의 기상성장장치에 있어서의 제 1 가스도입관 및 제 2 가스도입관을 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 기상성장장치(50)는 기본적으로는, 도 1의 기상성장장치(10)와 같은 구성을 갖지만, 다음 점에서 다르다. 즉, 기상성장장치(50)에 있어서는, 반응용기 (12)의 안둘레벽을 따라, 상부가 개방된 내관(52)이 설치된다(2중관형). 이에 따라 해당 내관(52)과 반응용기(12)의 사이에 고리형상 공간(54)이 형성되어 있다. 이 고리형상 공간(54)의 하부에, 배기구(19)가 접속되어 있다.
그리고, 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, 제 1 가스공급관(30)에 접속되는 제 1 가스도입관(56)은, 단순히 위쪽으로 신장하는 직관형상의 관체로 이루어진다. 제 1 가스도입관(56)에는, 슬릿형상분출구(35)가 형성되어 있다. 또한, 도 9(b)에 나타낸 바와 같이, 제 2 가스공급관(40)에 접속되는 제 2 가스도입관(58)도 마찬가지로, 단순히 위쪽으로 신장하는 직관형상의 관체로 이루어진다. 제 2 가스도입관 (58)에는, 원형상분출구(45)가 형성되어 있다.
이러한 2중관형의 구성에서는, 고리형상 공간(54)을 통해 반응용기(12)내의 위쪽부분으로부터 배기가 이루어진다. 이 때문에, 상기와 같은 직관형상의 가스도입관(56 및 58)을 사용함에 따라, 이미 설명한 도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 그 길이 방향에 적절한 간격으로 형성된 각 분출구의 레벨의 차에 의한 분출압력의 차를 작게 할 수 있다. 이에 따라, 전체적으로 보다 균일성이 높은 분출상태를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 기상성장장치 및 기상성장막 형성방법의 실시형태에 대하여 구체적으로 설명하였지만, 상기의 실시형태에는, 여러가지 변경을 가할 수 있다.
예를 들어, 상기의 기상성장장치는 뱃치식인 것이지만, 낱장식의 기상성장장치로서 구성할 수 있다.
유기금속함유가스를 도입하기 위한 제 1 가스도입관의 가스분출구에 대해서는, 해당 유기금속함유가스가 가로방향에서 충분히 크게 확산하도록 하는 형태인 것이 바람직하다. 즉, 제 1 가스도입관의 가스분출구는, 상기 한 바와 같이, 슬릿형상 관통구멍에 의해서 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명에 있어서, 제 1 가스도입관의 가스분출구로서는, 원형관통구멍에 의해서 형성된 것이라도 좋다.
한편, 유기금속함유가스가 아닌 원료가스를 도입하기 위한 제 2 가스도입관의 가스분출구에 관해서는, 그것이 원형관통구멍에 의해서 형성되더라도, 충분히 넓어지는 확산상태를 얻을 수 있다. 따라서, 제 2 가스도입관의 가스분출구멍은, 슬릿형상 관통구멍일 필요는 없지만, 그렇게 형성되더라도 좋다.
즉, 본 발명에서는, 제 1 가스도입관의 가스분출구가 슬릿형상이고, 제 2 가스도입관의 가스분출구가 원형분출구인 것이 바람직하지만, 다른 형상의 조합이 배제되는 것은 아니다.
실험예 1
도 1에 나타나 있는 구성을 가지는 기상성장장치를 사용하여, 하기의 표 1에 나타내는 조건에 따라서, 지름 8인치의 실리콘 웨이퍼의 표면에 기상성장막을 형성하는 실험을 하였다.
[표 1]
〔기상성장장치〕
(1)제 1 가스도입관(32)의 분출관체 부분(32B)의 바깥지름 : 17.0mm
안지름 : 14.0mm
슬릿형상분출구(35)의 개방각 α: 123도
개구폭 d : 0.24mm
(2)제 2 가스도입관(42)의 분출관체 부분(42B)의 바깥지름 : 17.0mm
안지름 : 14.0mm
원형분출구(45)의 지름 : 2.0mm
(3)분출구사이각도θ: 10도
〔기상성장막의 형성〕
(1)유기금속함유가스 (종류) Sr(DPM)2가스
(유량) 0.6slm
(2)산소가스 (유량)5.Oslm
(3)산소가스 : 기상성장의 조건
반응용기(12)내의 압력100Pa
온도 475℃
도 10은, 상기의 실험에서 측정된, 웨이퍼의 표면상에서의 Sr(DPM)2가스의 분포상황을 나타내는 등밀도곡선도이다. 도 10에 있어서, 원형이 웨이퍼의 바깥둘레윤곽이다. a∼d의 숫자는 해당 Sr(DPM)2가스의 분포의 정도를 단계적으로 나타내는 지표이다. 그 구체적인 값은, 이하와 같다.
a : 2.40∼2.00(kg/m2)
b : 2.00∼1.60(kg/m2)
c : 1.60∼1.20(kg/m2)
d : 1.20∼0.80(kg/m2)
즉, 도 10의 상태에서는, 최고밀도의 a단계와 최저밀도의 d단계의 사이의 차는, 최대로도 1.60(kg/m2) 이하인 것을 알 수 있다.
도 11과 마찬가지로, 산소가스의 분포상황을 나타내는 등밀도곡선도이다. 도 11에 있어서의 a∼e의 각 범위는, 이하와 같다.
a : 2.90∼2.85(kg/m2)
b : 2.85∼2.80(kg/m2)
c : 2.80∼2.75(kg/m2)
d : 2.75∼2.70(kg/m2)
e : 2.70∼2.65(kg/m2)
실험예 2
분출구 사이각도 θ를 40도로 변경하고, 그 이외에는 상기 실험예 1과 완전히 같은 조건으로, 기상성장막의 형성실험을 하였다. 그 결과, Sr (DPM)2가스의 등밀도곡선도에 있어서의 분포상황은, 이하의 6단계였다. 실험예 1의 경우보다도 균일성이 낮지만, 실용상 충분히 높은 균일성의 기상성장막이 형성되었다.
(1) 3.20∼2.80(kg/m2)
(2) 2.80∼2.40(kg/m2)
(3) 2.40∼2.00(kg/m2)
(4) 2.00∼1.60(kg/m2)
(5) 1.60∼1.20(kg/m2)
(6) 1.20∼0.80(kg/m2)
이 실험예 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 분출구 사이각도 θ의 크기가 40도이더라도, 소기의 비교적 균일한 기상성장막을 형성할 수가 있다.
또한, 실험예 1과 실험예 2의 대비로부터, 분출구 사이각도θ가 예컨대 10도 이하와 같이 작은 경우에, 보다 높은 균일성의 양호한 결과를 얻을 수 있는 것이 분명하다.
비교실험예
한편, 비교를 위해, 산소가스의 공급을 정지하여 Sr(DPM)2가스만을 공급하는실험이 행하여졌다. 그 이외에는 상기와 같은 조건으로, 실험이 이루어졌다. 그 결과, Sr(DPM)2가스의 등밀도곡선도에 있어서의 분포상황은, 최고밀도의 단계 4.00∼3.60(kg/m2)에서부터 최저밀도의 단계 0.40∼0.00(kg/m2)까지의 1O단계였다. 즉, 최고밀도의 단계와 최저밀도의 단계와의 사이의 차는 최대 3.60(kg/m2)으로 극히 광범위하고, 불규일성이 큰 것이었다.
[산업상 이용분야]
이상으로부터, 슬릿형상분출구와 함께 배치된 원형분출구로부터 산소가스가 분출되는 것에 의해, Sr(DPM)2가스가 웨이퍼(W)의 표면을 따라 크게 확산되고, 그 결과 충분히 높은 균일성으로 기상성장막이 형성되는 것이 명백하다.

Claims (13)

  1. 내부에 기판이 배치되는 반응용기와,
    상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 1 가스도입관을 가지며, 유기금속함유가스로 이루어진 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 1 가스도입부와,
    상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 2 가스도입관을 가지며, 상기 유기금속함유가스와 반응하는 동시에 상기 유기금속함유가스보다도 밀도가 작은 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 2 가스도입부를 구비하고,
    제 1 가스도입관의 가스분출구와 제 2 가스도입관의 가스분출구는, 상기 반응용기내에 배치되는 기판의 바깥둘레를 따라 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 가스도입관의 가스분출구로부터 상기 반응용기내에 도입되는 제 1 가스는, 제 2 가스도입관의 가스분출구로부터 상기 반응용기내에 도입되는 제 2 가스의 흐름의 영향을 받아, 상기 기판의 면을 따라 확산하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 가스도입관의 가스분출구는, 상기 기판의 면에 평행한 방향으로 개구하는 슬릿형상 관통구멍에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 슬릿형상관통구멍은, 제 1 가스도입관에 대한 개방각이 30도 내지 160도인 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 가스도입관의 가스분출구는, 상기 기판의 면에 평행한 방향으로 개구하는 복수의 슬릿형상부분에 의해서 형성되며, 인접한 슬릿형상부분의 사이에는, 중간벽부분이 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중의 어느 한 항에 있어서, 제 2 가스도입관의 가스분출구는, 원형상 관통구멍에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 있어서, 제 1 가스도입관의 가스분출구의 정면방향과 제 2 가스도입관의 가스분출구의 정면방향은, 상기 반응용기내에 배치되는 기판의 중심을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 1 가스도입관의 가스분출구 및 제 2 가스도입관의 가스분출구의 각 정면방향이 이루는 각도는 45도 이하인 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 반응용기의 내부에는, 복수의 기판이 상하방향에 간격을 두고 배치되도록 되어 있고,
    제 1 가스도입관의 가스분출구는 각 기판의 높이에 대응하여 복수개 형성되어 있으며,
    제 2 가스도입관의 가스분출구도 각 기판의 높이에 대응하여 복수가 설치된 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서, 제 1 가스 및 제 2 가스는,
    (1) Sr〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스 및 O2가스
    (2) Ti(OC3H7-i)2〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스 및 O2가스
    (3) TiCl4가스 및 NH3가스
    (4) Zr〔OC(CH3)3〕4가스 및 O2가스
    (5) Ta(OC2H5)5가스 및 O2가스중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기상성장장치.
  11. 내부에 기판이 배치되는 반응용기와,
    상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 1 가스도입관을 가지며, 유기금속함유가스로 이루어진 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 1 가스도입부와,
    상기 반응용기내에서 개구하는 가스분출구가 형성된 제 2 가스도입관을 가지며, 상기 유기금속함유가스와 반응하는 동시에 상기 유기금속함유가스보다도 밀도가 작은 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하기 위한 제 2 가스도입부를 구비하고,
    제 1 가스도입관의 가스분출구와 제 2 가스도입관의 가스분출구는, 상기 반응용기내에 배치되는 기판의 바깥둘레를 따라 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기상성장장치를 사용하여, 기판의 표면에 기상성장막을 형성하는 방법으로서,
    제 1 가스도입관의 가스분출구로부터 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정과,
    제 2 가스도입관의 가스분출구로부터 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 제 1 가스도입관의 가스분출구로부터 제 1 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정과, 제 2 가스도입관의 가스분출구로부터 제 2 가스를 상기 반응용기내에 공급하는 공정은 동시에 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 제 1 가스 및 제 2 가스는,
    (1) Sr〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스 및 O2가스
    (2) Ti(OC3H7-i)2〔[(CH3)3CCO]2CH〕2가스 및 O2가스
    (3) TiCl4가스 및 NH3가스
    (4) Zr〔OC(CH3)3〕4가스 및 O2가스
    (5) Ta(OC2H5)5가스 및 O2가스중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
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