KR20090050907A - 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치 Download PDF

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마사노리 사카이
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토시노리 시바타
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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
다이요 닛산 가부시키가이샤
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Abstract

열에만 의해 여기한 클리닝 가스를 이용해 처리실 내에 부착한 고유전율막을 포함한 퇴적물을 고속으로 제거한다.
처리실 내에 기판을 반입하는 공정과, 처리실 내에 처리 가스를 공급하여 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 공정과, 처리 후의 기판을 처리실 내로부터 반출하는 공정과, 처리실 내에 할로겐계 가스와 산소계 가스를 공급하여 처리실 내에 부착한 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 처리실 내를 클리닝 하는 공정을 포함하고, 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 할로겐계 가스 및 산소계 가스에 대한 산소계 가스의 농도를 7%미만으로 한다.
에칭 가스, 할로겐계 가스, 산소계 가스

Description

반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치{Manufacturing Method of Semiconductor Device and Substrate Treatment Apparatus}
본 발명은, 기판을 처리하는 공정을 가지는 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
고밀도화가 진행되는 DRAM등의 반도체 장치에서는, 박막화된 게이트 절연막에 있어서 게이트 리크 전류를 억제하기 위해, 또한, 캐패시터의 용량을 증대시키기 위해, 게이트 절연막이나 캐패시터 절연막으로서 고유전율막(고유전율 절연막)이 이용되게 되었다.
고유전율막을 형성할 때에는, 저온에서의 형성이 가능한 것, 형성되는 막의 표면이 평탄한 것, 하지(下地)의 요철부에 대한 피복성이나 충전성이 높은 것 등이 요구되는 것 외에, 막내에의 이물질의 혼입이 적은 것이 요구된다. 고유전율막은, 기판을 반입한 처리실 내에 처리 가스를 공급함으로써 형성되는데, 고유전율막을 형성할 때에, 처리실의 내벽이나 처리실 내의 기판 지지도구등의 부재에도 고유전율막을 포함한 퇴적물이 부착하고, 부착한 퇴적물이 처리실의 내벽 등으로부터 박리해 고유전율막중에 혼입해 버릴 가능성이 있다. 그 때문에, 이물질의 혼입을 억 제하려면, 퇴적물로 이루어진 막의 두께가 일정한 막후에 도달할 때마다 퇴적물을 에칭에 의해 제거함으로써 처리실 내부나 처리실 내의 부재를 클리닝 할 필요가 있었다.
퇴적물을 에칭 하는 방법으로서는, 처리실을 구성하는 반응관을 떼어내 세정액에 침지하는 웨트 에칭법이나, 처리실 내에 여기한 에칭 가스를 공급하는 드라이 에칭법이 알려져 있다. 최근, 반응관을 떼어낼 필요가 없는 드라이 에칭법이 이용되게 되었다. 드라이 에칭법으로서는, 불소(F) 계의 가스나 염소(Cl) 계의 가스를 플라즈마에 의해 여기해 에칭 가스로서 이용하는 방법이나, O2를 첨가한 BCl3 가스를 플라즈마에 의해 여기해 에칭 가스로서 이용할 방법이 개시되어 있다(예를 들면 비특허 문헌 1, 2, 특허 문헌 1 내지 3 참조). 이들 플라즈마를 이용하는 에칭 방법은, 플라즈마 밀도의 균일성이나 바이어스 전압에 의한 제어의 용이성때문에, 매엽식 장치에서 행해지는 것이 많다.
비특허 문헌 1:　T. Kitagawa, K. Nakamura, K. Osari, K. Takahashi, K. Ono, M. Oosawa, S. Hasaka, M. Inoue：Jpn. J. Appl. Phys. 45(10), L297－L(300)(2006)
비특허 문헌 2 :　키타가와 지양, 도끼고1, 오오사와 마사노리, 하자카지, 이노우에 마코토, 대양일산 기술보　NO.24(2005)
특허 문헌 1 : 일본특허공개번호 2006－179834호 공보
특허 문헌 2 : 일본특허공개번호 2006－339523호 공보
특허 문헌 3 : 일본특허공개번호 2004－146787호 공보
그런데, 플라즈마를 이용하는 상술의 드라이 에칭법(이후, 플라즈마 에칭이라고도 한다)에서는, 에칭 가스를 여기하기 위해서 플라즈마 발생원을 준비할 필요가 있었다. 예를 들면, 비특허 문헌 2나 특허 문헌 1~3에 있어서는, 에칭 가스를 여기하기 위해서, 2. 45 GHz의 마이크로파 플라즈마를 이용하고 있다. 그 때문에, 기판 처리 장치의 제조 코스트나 반도체 장치의 제조 코스트가 증가해 버리는 경우가 있었다.
한편, 플라즈마를 이용하지 않고 열에만 의해 에칭 가스를 여기해 에칭 하는 방법(이하, 서멀 에칭이라고도 한다)도 생각할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 높은 에칭 레이트(에칭 속도)를 얻기 어렵고, 에칭 시간, 즉 클리닝 시간이 장기화해, 기판 처리 장치의 생산성이 저하해 버리는 경우가 있었다.
본 발명은, 열에만 의해 여기한 에칭 가스를 이용해 처리실 내에 부착한 고유전율막을 포함한 퇴적물을 고속으로 제거하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 하나의 형태에 의하면, 처리실 내에 기판을 반입하는 공정과, 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하여 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 공정과, 처리 후의 기판을 상기 처리실 내로부터 반출하는 공정과, 상기 처리실 내에 할로겐계 가스와 산소계 가스를 공급하여 상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정을 가지고, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 7%미만으로 하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 처리실과, 상기 고유전율막을 형성하는 처리 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 처리 가스 공급계와, 상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 할로겐계 가스와 산소계 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 클리닝 가스 공급계와, 상기 처리실 내를 클리닝 할 때에, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도가 7%미만이 되도록 상기 클리닝 가스 공급계를 제어하는 콘트롤러를 가지는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치에 의하면, 열에만 의해 여기한 에칭 가스를 이용해 처리실 내에 부착한 고유전율막을 포함한 퇴적물을 고속으로 제거하는 것이 가능해진다.
상술한 대로, 서멀 에칭에서는 높은 에칭 레이트를 얻기 어려운 경우가 있었다. 발명자등은, 서멀 에칭에 대해 에칭 레이트를 증가시키는 방법에 대해 연구를 실시한 결과, 에칭 조건, 예를 들면 에칭 가스중의 산소계 가스 농도나, 처리실 내 부(피에칭면)의 온도나, 처리실 내의 진공도(압력)를 각각 소정의 범위내의 값으로 함으로써, 서멀 에칭에 있어서의 에칭 레이트를 증가시키는 것이 가능하다는 지식을 얻었다.
그리고, 이러한 지식에 근거해, 처리실 내에 기판을 반입하는 공정과, 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하여 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 공정과, 처리 후의 기판을 상기 처리실 내로부터 반출하는 공정과, 상기 처리실 내에 할로겐계 가스와 산소계 가스를 공급하여 상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정을 가지고, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 7%미만으로 하는 반도체 장치의 제조 방법을 발명하는데 이르렀다. 한편 할로겐계 가스란, 할로겐 원소를 포함한 가스를 의미하고, 산소계 가스는 산소 원자를 포함한 가스를 의미한다.
또한, 이러한 지식에 근거해, 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 처리실과, 상기 고유전율막을 형성하는 처리 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 처리 가스 공급계와, 상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 할로겐계 가스와 산소계 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 클리닝 가스 공급계와, 상기 처리실 내를 클리닝 할 때에, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도가 7%미만이 되도록 상기 클리닝 가스 공급계를 제어하는 콘트롤러를 가지는 기판 처리 장치를 발명하는데 이르렀다.
이하에, 발명자등이 얻은 지식에 대해 자세하게 설명한다.
도면 1(a)에, 발명자등이 서멀 에칭의 평가에 이용한 실험장치 (300)의 구성을 나타낸다. 또한, 도면 1(b)에, 발명자등이 실험장치 (300)를 이용해 수행한 서멀 에칭의 평가에 있어서의 에칭 플로우를 나타낸다. 도면 1(a)에 나타내는 대로, 실험장치 (300)는, 기밀하게 밀폐된 처리 용기 (302)를 갖추고 있다. 처리 용기 (302)내에는 서멀 에칭을 실시하는 반응실 (301)이 구성되어 있다.
처리 용기 (302)의 측면에는, 평가 대상인 시료(샘플) (308)를 반응실 (301) 내외에 반송하는 통로로서의 반송구 (303)가 설치되어 있다. 시료 (308)는, 예를 들면 ALD법에 의해 HfO2막이 표면에 형성된 15 mm×15 mm의 석영 유리 기판으로서 구성되어 있다. 시료 (308)는, 도면 1(a)에 나타내는 실험장치와는 다른 장치에 의해 별도로 작성된다. 또한, 반송구 (303)에는 게이트 밸브 (304)가 설치되어 있다. 게이트 밸브 (304)는 반송구 (303)를 개폐 가능하도록 구성되어 있다.
반응실 (301)내에는, 반송구 (303)로부터 반입된 시료 (308)를 보지하는 지지대 (305)가 설치되어 있다. 구체적으로는, 지지대 (305)의 상부에는 샘플 홀더 (307)가 설치되고 있고, 시료 (308)는 샘플 홀더 (307)상에 수평 자세로 보지되도록 구성되어 있다. 샘플 홀더 (307)의 하부의 지지대 (305)내부에는, 시료 (308)를 가열하는 히터 (306)가 내장되어 있다.
반송구 (303)가 설치되어 있는 측과는 반대측의 처리 용기 (302)의 측면에는, 반응실 (301)내에 연통하는 가스 공급 포트 (309)가 설치되어 있다. 가스 공급 포트 (309)에는, BCl3와 O2를 포함한 에칭 가스를 공급하는 가스 공급관 (310)이 접속되어 있다. 가스 공급관 (310)에는 밸브 (311)가 설치되고 있고, 밸브 (311)를 개폐함으로써 반응실 (301)내에의 에칭 가스의 공급을 개시 혹은 정지하는 것이 가능하도록 구성되어 있다. 한편 가스 공급관 (310)으로부터 공급되는 에칭 가스 중의 산소 농도, 즉, BCl3와 O2와의 총량에 대한 O2의 양의 비율은, 임의로 조정 가능하도록 구성되어 있다.
처리 용기 (302)의 상면(천정벽)에는, 반응실 (301)내에 연통하는 퍼지 가스 공급 포트 (312)가 설치되어 있다. 퍼지 가스 공급 포트 (312)에는, 퍼지 가스로서 예를 들면 Ar등의 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급관 (313)이 접속되어 있다. 퍼지 가스 공급관 (313)에는 밸브 (314)가 설치되고 있어 밸브 (314)를 개폐함으로써 반응실 (301)내에의 퍼지 가스의 공급을 개시 혹은 정지하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.
처리 용기 (302)의 저면에는, 반응실 (301)내에 연통하는 배기 포트 (315)가 설치되어 있다. 배기 포트 (315)에는 배기관 (316)이 접속되어 있다. 배기관 (316)에는, 상류측으로부터 순서대로, 배기 밸브 (318), 진공 펌프 (317)가 설치되어 있다. 또한, 처리 용기 (302)의 측면에는 반응실 (301)내의 압력을 검출하는 압력계(Pressure　Gauge) (320)가 설치되어 있다. 배기 밸브 (318) 및 압력계 (320)는 각각 APC(Auto　Pressure　Controller) (319)에 접속되어 있다. APC(319)는, 압력계 (320)에 의해 검출된 압력치에 근거해 배기 밸브 (318)의 개방도를 제어해, 반 응실 (301)내의 압력을 소망한 압력으로 조정하도록 구성되어 있다.
이어서, 상술의 실험장치 (300)를 이용한 서멀 에칭에 있어서의 에칭 레이트의 평가방법에 대해, 도면 1(b)을 참조하면서 설명한다.
우선, 밸브 (311), (314), 배기 밸브 (318)를 닫은 채로 게이트 밸브 (304)를 열어, 반응실 (301)내를 대기에 개방한다(e1). 그리고, 시료 (308)를, 반송구 (303)를 개재하여 반응실 (301)내에 반입해, 샘플 홀더 (307)상에 재치한다. 한편 시료 (308)상에 형성된 HfO2막의 막후(膜厚)(초기 막후)는 반입 전에 미리 측정해 둔다. 한편 막후의 측정은, 예를 들면 엘립소메트리(ellipsometry; 편광 해석법) 등의 수법에 의해 실시할 수 있다. 발명자등은, 이러한 측정에 파이브라보사 제품인 MARRY102(광원 파장 632. 8 nm)를 이용했다.
시료 (308)을 반응실 (301)내에 도입 후, 게이트 밸브 (304)를 닫고 진공 펌프 (317)를 작동시킴과 동시에 배기 밸브 (318)를 열어 반응실 (301)내를 진공 배기한다(e2). 그리고, 히터 (306)를 작동시켜, 시료 (308)의 표면이 설정 온도, 예를 들면 350~450℃이 되도록 가열한다(e3).
이어서, 배기 밸브 (318)를 닫고 밸브 (311)를 열어, 가스 공급관 (310)으로부터 반응실 (301)내에 BCl3와 O2를 포함한 에칭 가스를 공급한다(e4). 반응실 (301)내의 압력이 소정의 설정압력에 도달하면, 밸브 (311)를 닫아 반응실 (301)내에의 에칭 가스의 공급을 정지함과 함께 반응실 (301)내에 에칭 가스를 봉입한다(e5). 그리고, 반응실 (301)내에 BCl3와 O2를 포함한 에칭 가스를 봉입한 상태를 소정 시간 유지함으로써 시료 (308)의 표면에 형성된 HfO2막을 에칭 한다(e6). 에칭 가스를 봉입한 상태로 소정 시간이 경과하면, 배기 밸브 (318)를 열어, 반응실 (301)내를 진공 펌프 (317)에 의해 진공 배기한다(e7).
그리고, 상술한 공정 (e4)로부터 공정(e7)까지를 1 사이클로 하고, 이 사이클을 소정의 회수 반복한다(사이클 에칭). 그 후, 밸브 (314)를 열어 반응실 (301)내에 퍼지 가스를 도입해 반응실 (301)내를 퍼지 한 후, 반응실 (301)내에 퍼지 가스를 도입한 상태에서 배기 밸브 (318)를 닫아 반응실 (301)내를 대기압까지 승압시킨다. 그리고, 게이트 밸브 (304)를 열어, 에칭 후의 시료 (308)를 반응실 (301)내로부터 반송구 (303)를 개재하여 반응실 (301)외부로 반출해, 에칭 후의 HfO2막의 막후(최종 막후)를 측정한다. 한편 막후의 측정은 초기 막후의 측정과 동일하게 실시한다.
상기에 있어서, 공정(e4)으로부터 공정(e5)에 도달할 때까지의 시간[에칭 가스를 반응실 (301)내에 공급중인 시간]을 천이 시간으로 하고, 공정(e5)으로부터 공정(e6)이 완료할 때까지의 시간[반응실 (301)내에 에칭 가스를 봉입중인 시간]을 봉입 시간으로 한다. 즉, 천이 시간은, 시료 (308)의 표면 온도가 일정하고, 반응실 (301)내의 압력이 상승중인 시간을 말하고, 봉입 시간은, 시료 (308)의 표면 온도 및 반응실 (301)내의 압력이 각각 일정한 시간을 말한다.
사이클 에칭의 1 사이클에 착안하면, 에칭 레이트, 즉, 밸브 (311)를 열어 반응실 (301)내에의 에칭 가스의 공급을 개시하고 나서(e4), 배기 밸브 (318)를 열 어 반응실 (301)내를 진공 배기할 때까지(e7)의 평균의 에칭 레이트는, 이하의 수학식 (1)에 의해 구할 수 있다.
에칭 레이트=(초기 막후-최종 막후)/(천이 시간＋봉입 시간)
한편 에칭은 주로 봉입 시간에 있어 행해지는 것이므로, 에칭 레이트를 “(초기 막후-최종 막후)/봉입 시간”으로 하는 것도 생각할 수 있지만, 그 경우, 짧지만 천이 시간에 있어서도 에칭을 하고 있는 것을 무시하여 에칭 레이트를 산출하게 되어, 에칭 레이트를 과대 평가하게 된다. 발명자등은, 에칭 레이트를 증가시키는 최적 조건을 보다 정확하게 구하려면, 천이 시간이나 봉입 시간에 있어서 에칭 레이트를 정확하게 산출할 필요가 있다고 생각해 이러한 에칭 레이트를 이하와 같이 구하는 것으로 했다.
우선, 천이 시간에 있어서의 에칭 레이트, 즉, 밸브 (311)를 열어 반응실 (301)내에의 에칭 가스의 공급을 개시하고 나서(e4), 밸브 (311)를 닫아 에칭 가스의 공급을 정지할 때까지(e5)의 평균의 에칭 레이트는, 이하의 수학식 (2)에 의해 구하는 것으로 했다.
천이 시간에 있어서의 에칭 레이트=(초기 막후-가스 공급 정지 후의 막후)/천이 시간
또한, 봉입 시간에 있어서의 에칭 레이트, 즉, 밸브 (311)를 닫아 반응실 (301)내에 에칭 가스를 봉입하고 나서(e5), 배기 밸브 (318)를 열어 반응실 (301) 내를 진공 배기할 때까지(e7)의 평균의 에칭 레이트는, 상술의 수학식 (2)를 이용하면서, 이하의 수학식 (3)에 의해 구하는 것으로 했다.
봉입 시간에 있어서의 에칭 레이트=｛초기 막후-(천이 시간의 에칭 레이트×천이 시간)－최종 막후｝/봉입 시간
한편 상술의 수학식 (1)~(3)은, 모두 1 사이클에 착안했을 경우의 수학식이지만, 사이클 에칭 전체를 통한 합계 천이 시간(천이 시간×사이클수), 합계 봉입 시간(봉입 시간×사이클수)을 고려하면, 사이클 에칭 전체를 통한 평균 에칭 레이트를 구할 수도 있다.
이하에, 서멀 에칭에 있어서의 에칭 레이트의 평가 결과에 대해, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 플라즈마 에칭의 데이터와 대비하면서 설명한다.
(봉입 시간의 평가)
사이클 에칭에 있어서는, 1 사이클당() 에칭량이 확정되어 있으면, 사이클수에 근거해 총에칭량을 보다 정확하게 제어하는 것이 가능해진다. 이 때, 봉입 시간에 있어서의 에칭 레이트가 큰 것에 더해 1 사이클 마다의 에칭 레이트가 안정되어 있는(1 사이클 마다의 에칭량의 변동이 적음) 것이 필요하다. 또한, 에칭 레이트를 최적화시키는 조건(산소 농도, 온도, 진공도등)을 정확하게 구하기 위해서도, 에칭 레이트가 안정되어 있는 것이 필요하다. 여기서 발명자등은, 에칭 레이트와 봉입 시간과의 관계에 대해 주목해, 그 상관관계에 대해 평가를 실시했다.
그 결과를 도면 2에 나타낸다. 도면 2의 가로축은 봉입 시간을 나타내고, 세 로축은 봉입 시간에 있어서의 에칭 레이트를 나타내고 있다. 에칭 가스로서는 BCl3와 O2를 포함한 가스를 사용하고, BCl3와 O2와의 총량에 대한 O2의 양의 비율은 10%로 했다. 에칭 레이트는, 상술한 수학식 (3)에 근거해 산출했다. 또한, 봉입 시간에 있어서의 반응실 (301)내의 압력은 100 Torr로 하고, 시료 (308)의 표면 온도는 400℃으로 했다.
도면 2에 의하면, 봉입 시간을 1분으로 했을 때의 에칭 레이트는 평균 7 nm/min 정도로서 비교적 양호하지만, 봉입 시간을 2분으로 했을 때의 에칭 레이트와 비교해 편차가 심해지는 것을 알 수 있다. 또한, 봉입 시간을 5분으로 했을 때의 에칭 레이트는 평균 5 nm/min를 밑돌아, 봉입 시간을 2분으로 했을 때의 에칭 레이트(평균 8 nm/min 정도)와 비교하면 큰폭으로 저하해 버리는 것을 알 수 있다. 즉, 에칭 레이트와 봉입 시간과의 관계는 반응실 (301)의 용적등의 제반조건에 의해 변동할 가능성이 있지만, 상술한 실험장치 (300)에 있어서는 봉입 시간을 2분으로 함으로써 높은 에칭 레이트를 얻을 수 있는 것과 동시에, 1 사이클 근처의 에칭 레이트를 안정시키는 것이 가능하다는 것을 알았다. 여기서 발명자등은, 이하에 나타내는 평가에 대해 봉입 시간을 2분으로 하여 사이클 에칭을 실시했다. 한편 봉입 시간을 5분으로 했을 때의 에칭 레이트의 저하에 대해서는, 반응실 (301)내에 봉입된 에칭 가스가 에칭 처리의 진행에 수반해 소비되어 버려, 에칭 가스의 농도가 저하되는 것이 그 한 요인이라고 생각된다.
(산소 농도 의존성의 평가)
이어서, 에칭 레이트의 산소 농도 의존성의 평가 결과에 대해, 도면 3을 참조하면서 설명한다.
도면 3은, 에칭 레이트의 산소 농도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프이며, (a)는 서멀 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타내고, (b)는 플라즈마 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타낸다. 도면 3(a), 도면 3(b) 모두, 가로축은 BCl3와 O2와의 총량에 대한 O2의 양의 비율(산소 농도)을 나타내고, 세로축은 에칭 레이트를 나타내고 있다. 한편 도면 3(b)은 상술한 특허 문헌 1에서 발췌한 참고 데이터이다.
도면 3(a)에 나타내는 평가에서는, 에칭 가스로서는 BCl3와 O2를 포함한 가스를 이용하고, BCl3와 O2와의 총량에 대한 O2양의 비율(산소 농도)을 0%에서 10%까지 변화시켜, 각각의 산소 농도에 있어서의 에칭 레이트를 상술한 수학식 (1)에 근거해 산출했다. 또한, 봉입 시간에 있어서의 반응실 (301)내의 압력은 100 Torr로 하고, 시료 (308)의 표면 온도는 400℃으로 했다.
도면 3(a)에 의하면, 서멀 에칭의 경우, 산소 농도를 0%보다 크고 7%보다 작게 하면 BCl3 단독의 에칭 레이트(10. 7nm/min)를 웃돌고, O2농도를 7%보다 크게 하면 BCl3 단독의 에칭 레이트를 밑도는 것을 알 수 있다. 한편 산소 농도를 10%로 했을 경우, 에칭 레이트는 8 nm/min가 되어, BCl3 단독으로의 에칭 레이트를 크게 밑돌았다. 이상에 의해, 발명자등은, 산소 농도를 0%보다 크고 7%미만으로 하는 것이 바람직하고, 산소 농도를 이러한 범위내의 값으로 함으로써 BCl3 단독의 에칭 레이트를 웃도는 에칭 레이트에서 서멀 에칭을 하는 것이 가능해진다는 지식을 얻었다.
또한, 도면 3(a)에 의하면, 서멀 에칭의 경우, 산소 농도가 3. 3%이상, 5%이하의 범위에서 급격하게 에칭 레이트가 올라가고, 특히, 산소 농도가 4%의 경우에는 에칭 레이트가 최대인 13. 6nm/min에 이르는 것을 알 수 있다. 한편 산소 농도가 3. 3%, 5%의 경우의 에칭 레이트는 각각 11. 7nm/min, 12. 2nm/min였다. 이상에 의해, 발명자등은, 산소 농도를 3. 3%이상이며 5%이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 산소 농도를 이러한 범위내의 값으로 함으로써 보다 높은 에칭 레이트에서 서멀 에칭을 하는 것이 가능해진다는 지식을 얻었다.
또한, 산소 농도가 4%를 넘으면 에칭 레이트가 급격하게 내려가고, 7%에 이를 때까지의 범위에 있어서는 산소 농도를 4%이하로 하는 경우와 동등한 에칭 레이트가 된다. 이상에 의해, 발명자등은, 산소 농도는 4%이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 산소 농도를 이 범위내의 값으로 하면, 산소 첨가량을 필요 최소한으로 할 수 있으면서, 보다 높은 에칭 레이트에서 서멀 에칭을 실시하는 것이 가능하다는 지식을 얻었다.
한편 위에서 설명한 바와 같이 산소 농도가 4%를 넘으면 에칭 레이트는 급격하게 내려 가고, 산소 농도가 7%를 넘으면 BCl3 단독의 에칭 레이트를 밑돌고, 산소 농도가 10%의 경우, 에칭 레이트는 8 nm/min가 된다. 도시 하고 있지 않지만, O2농도를 15%로 했더니, 에칭 레이트는 O2농도를 10%로 했을 때의 에칭 레이트(8 nm/min)를 밑돌고, 또한 O2농도를 20%로 했더니, 에칭 레이트는 O2농도를 15%로 했을 때의 에칭 레이트를 한층 더 밑도는 것이 확인할 수 있었다. 즉, O2농도를 4%초과로 했을 경우, 적어도 20%에 이를 때까지의 범위에 대해서는, O2농도의 상승에 수반해 에칭 레이트가 저하하는 경향이 있는 것이 판명되었다.
한편 도면 3(b)에 의하면, 플라즈마 에칭의 경우, 산소 농도가 0%의 경우에는 에칭이 실시되지 않고, 퇴적물이 생기고, 산소 농도가 10%, 20%의 경우에는 퇴적물은 생기지 않고 에칭이 실시되는 것을 알 수 있다. 또한, 산소 농도를 10%이상의 범위로 하면 에칭 레이트는 약간 감소해 나가는 것을 알 수 있다.
도면 3(a)와 도면 3(b)을 비교하면, 플라즈마 에칭에 비해, 서멀 에칭에서는 O2농도 0%~10%의 범위에 있어서도 퇴적물은 생기지 않고, 에칭이 실시되며, 더욱이 위에서 설명한 바와 같이 서멀 에칭에는, O2농도가 4%의 경우에 특히 에칭 레이트가 커지는 등, 플라즈마 에칭에는 없는 특징이 있다. 즉, 플라즈마 에칭과 서멀 에칭에서는 산소 농도 의존성의 차이가 크다는 것을 알 수 있다. 이하의 서멀 에칭의 실험에서는, 가장 에칭 레이트가 증가한 산소 농도 4%의 조건을 BCl3와 O2와의 혼합 조건으로 했다.
(온도 의존성의 평가)
이어서, 에칭 레이트의 온도 의존성의 평가 결과에 대해, 도면 4를 참조하면서 설명한다.
도면 4는 에칭 레이트의 온도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이며, (a)는 BCl3에 O2를 첨가했을 경우의 서멀 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타내고, (b)는 BCl3를 단독으로 사용했을 경우의 서멀 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타낸다. 도면 4(a), 도면 4(b) 모두, 가로축은 시료 (308)의 표면 온도를 나타내고, 세로축에는 봉입 시간에 있어서의 에칭 레이트를 나타내고 있다.
도면 4(a), 도면 4(b)에 나타내는 평가에서는, 시료 (308)의 표면 온도를 350~450℃의 범위에서 변화시키고, 또한, 봉입 시간에 있어서의 반응실 (301)내의 압력을 10 Torr, 50 Torr, 100 Torr로 변화시켜, 각각의 표면 온도 및 각각의 압력에 있어서의 에칭 레이트를 측정했다. 에칭 레이트는 상술의 수학식 (3)에 나타내는 방법으로 산출했다. 도면 4(a)에 있어서, 10 Torr는▲표, 50 Torr는■표, 100 Torr는◆표로 각각 가리키고 있다. 도면 4(a)에 나타내는 평가에서는, 에칭 가스로서는 BCl3와 O2를 포함한 가스를 이용하고, BCl3와 O2와의 총량에 대한 O2의 양의 비율(산소 농도)을 4%로 했다.
또한, 도면 4(b)에 나타내는 평가에서는, 에칭 가스로서는 BCl3를 단독으로 이용했다(산소 농도 0%). 도면 4(b) 중에 있어, 10 Torr는△표, 50 Torr는□표, 100 Torr는◇표로 각각 가리키고 있다.
도면 4(a), 도면 4(b)에 의하면, 어느 경우에도 고압측 및 고온측에서 에칭 레이트가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도면 4(a)와 도면 4(b)를 비교했을 경우, 압력 10 Torr, 50 Torr에서는, 375℃, 400℃, 425℃, 450℃의 어느 온도에 있 어서도 O2첨가의 경우의 에칭 레이트와 O2불첨가의 경우의 에칭 레이트와의 사이에서 큰 차이를 볼 수 없다. 그러나, 압력 100Torr(13300 Pa)에서는, 400℃, 425℃, 450℃의 온도에 대해, O2첨가의 경우의 에칭 레이트와 O2불첨가의 경우의 에칭 레이트와의 사이에 큰 차이가 확인되었다. 즉, 100 Torr(13300 Pa), 400℃이상의 압력, 온도에 있어서는, O2첨가의 경우의 에칭 레이트가, O2불첨가의 경우의 에칭 레이트보다 큰 폭으로 커지는 것이 확인되었다. 구체적으로는, O2첨가의 경우에 있어서 100 Torr의 경우, 에칭 레이트는 400℃에서 13. 6nm/min, 425℃에서 20 nm/min, 450℃에서 30 nm/min가 되었다. 즉, O2첨가 효과는 10~50 Torr 정도의 압력으로는 어느 쪽의 온도에 대해도 그렇게 크지 않지만, 100 Torr(13300 Pa), 400℃이상의 압력, 온도에서 현저하게 볼 수 있는 것이 확인할 수 있었다. 후술 하는 도면 5(a)로부터도 명백하다고 말할 수 있다. 이것에 의해, 에칭 온도는 400℃이상, 에칭 압력은 100 Torr 이상으로 하는 것이 바람직하다.
한편 600℃을 넘는 온도에서는, 에칭 대상인 High－k막(HfO2막)의 결정화가 극도로 진행해, 에칭 레이트가 잡히지 않게 된다. 즉 600℃을 넘는 온도에서는, 에칭 대상인 High－k막의 결정성이 급격하게 변화해, 에칭 반응이 생기기 어려워져, 에칭 레이트가 급격하게 떨어지게 된다. 따라서, 에칭 온도는 600℃이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 압력이 높아지는 만큼 에칭 레이트는 오르지만, 에칭 레이트가 너무 오르면, 균일하게 에칭을 실시하는 것이 어려워진다. 따라서, 에칭 압력은 500 Torr(66500 Pa) 이하로 하는 것이 바람직하고, 200 Torr(26600 Pa) 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
시료 (308)의 표면 온도 및 반응실 (301)내의 압력을 이 범위내의 값으로 함으로써, BCl3 단독으로의 에칭 레이트를 웃도는 에칭 레이트에서 서멀 에칭을 실시하는 것이 가능해진다. 즉, 플라즈마를 이용하지 않는 서멀 에칭에 있어서도, 피에칭면의 온도를 소정 온도로 높힘으로써, 또한, 반응실 (301)내의 압력을 소정의 압력으로 높힘으로써, 플라즈마 에칭에 뒤떨어지지 않는 충분한 에칭 속도를 얻는 것이 가능해진다.
(진공도 의존성의 평가)
이어서, 에칭 레이트의 진공도(압력) 의존성의 평가 결과에 대해, 도면 5를 참조하면서 설명한다.
도면 5는, 서멀 에칭에 있어서의 에칭 레이트의 진공도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이며, (a)는 서멀 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타내고, (b)는 플라즈마 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타낸다. 도면 5(a), 도면 5(b) 모두, 가로축은 반응실 (301)내의 진공도(압력)를 나타내고, 세로축은 봉입 시간에 있어서의 에칭 레이트를 나타내고 있다. 한편 도면 5(b)는 상술한 특허 문헌 1로부터 발췌한 데이터이다.
도면 5(a)에 나타내는 평가에서는, 봉입 시간에 있어서의 반응실 (301)내의 압력을 10~100 Torr의 사이로 변화시키고, 또한, 시료 (308)의 표면 온도를 400℃, 450℃으로 변화시켜, 각각의 압력 및 각각의 표면 온도에 있어서의 에칭 레이트를 측정했다. 에칭 레이트는 상술한 수학식 (3)에 나타내는 방법으로 산출했다. 또한, 에칭 가스로서 BCl3와 O2를 포함한 가스를 이용하는 경우와 BCl3를 단독으로 이용하는 경우의 각각에 대하여, 상술의 에칭 레이트의 측정을 실시했다. 도면에 있어서, BCl3와 O2를 포함한 가스를 이용하는 경우를 ●표로, BCl3를 단독으로 이용하는 경우를 ■표로 각각 가리키고 있다.
도면 5(a)에 의하면, 서멀 에칭의 경우, 어느 온도에 있어서도 압력이 높아지는 만큼, 에칭 레이트가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 어느 온도에 있어서도, 에칭 가스로서 BCl3를 단독으로 이용했을 경우의 에칭 레이트보다, 에칭 가스로서 BCl3와 O2를 포함한 가스를 이용했을 경우의 에칭 레이트가 큰 것이 밝혀졌다. 특히, 100 Torr 이상의 고압 측에 있어서, 양자의 에칭 레이트의 차이가 커지는 것을 알 수 있다.
한편 도면 5(b)는 특허 문헌 1로부터 인용한 데이터인데, 플라즈마 에칭의 경우, 에칭 가스로서 BCl3를 단독으로 사용하면, 실선으로 가리키는 대로, 5 mTorr, 6 mTorr와 같이 낮은 압력에서는 퇴적이 발견되고, 8 mTorr 이상이 되면 에칭이 관찰되지만 점차 포화해, 10 mTorr 이상이 되면 에칭 레이트가 서서히 저하해 가는 경향이 발견된다. 또한, 에칭 가스로서 BCl3와 O2를 포함한 가스를 이용하면, 파선 으로 가리키는 대로, 압력이 낮아도 비교적 높은 에칭 레이트를 얻을 수 있고, 압력을 높여 가도 에칭 레이트는 변화하지 않고, 압력이 10 mTorr 이상이 되면 에칭 레이트가 서서히 저하해 가는 경향이 보여진다. 또한, 10 mTorr 이하의 압력에서는, 에칭 가스로서 BCl3를 단독으로 이용하는 경우보다 에칭 레이트가 큰 것도 알 수 있다. 이상로부터, 서멀 에칭과 플라즈마 에칭과는, 진공도 의존성이 크게 다르고, 서멀 에칭에는 플라즈마 에칭에 없는 특징이 있는 것을 알 수 있다.
(선택비의 온도 의존성의 평가)
이어서, 선택비의 온도 의존성 등의 평가 결과에 대해, 도면 6을 참조하면서 설명한다.
클리닝의 대상이 되는 기판 처리 장치의 처리실을 구성하는 반응관 내에는, 실제로는, HfO2를 포함한 퇴적물이 균일하게 부착하지 않는 경우가 있다. 예를 들면 퇴적물의 막후가 국소적으로 얇기도 하고, 국소적으로 두껍기도 한 경우가 있다. 또한, 반응관 내벽의 표면 온도가 불균일하거나 처리실 내의 클리닝 가스의 압력이 불균일해, 퇴적물의 에칭 레이트가 국소적으로 달라져 버리는 경우도 있다. 이러한 경우, 반응관 내에 부착한 퇴적물을 모두 에칭에 의해 제거하려고 하면, 석영 유리(SiO2) 등으로 구성되는 반응관의 내벽의 일부의 표면이 클리닝 가스에 장시간 노출되어 데미지를 받게 되는 경우가 있다. 이러한 데미지를 감소시키려면, 반응관을 구성하는 석영 유리와 HfO2막과의 선택비(즉 석영 유리의 에칭 레이트에 대한 HfO2막의 에칭 레이트의 비)를 높이는 것이 유효하다. 발명자등은, 피에칭면의 온도를 소정의 범위내로 함으로써 선택비를 높이는 것이 가능하다는 지식을 얻어, 온도와 선택비와의 상관관계에 대해 평가를 실시했다.
도면 6(a)은 서멀 에칭에 있어서의 선택비의 온도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이며, 도면 6(b)은 플라즈마 에칭에 있어서의 선택비의 진공도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이다. 한편 도면 6(a)에 대해서는, 가로축에 시료 (308)의 표면 온도를 나타내고, 좌측의 세로축에 에칭 레이트를 나타내고, 우측의 세로축에 선택비를 나타내고 있다. 또한, 도면 6(b)에 대해서는, 가로축에 진공도(압력)를 나타내고, 세로축에 에칭 레이트를 나타내고 있다. 한편 도면 6(b)은 상술한 특허 문헌 1로부터 발췌한 데이터이다.
도면 6(a)에 나타내는 평가에서는, 시료 (308)의 일부 표면에, 석영 유리의 대신으로서 TEOS－SiO2막을 형성했다. 즉, 시료 (308)의 표면에는 HfO2막과 TEOS－SiO2막이 각각 노출하고 있어, 이러한 막은 동일한 조건으로 에칭 가스에 노출해지게 된다. 한편 에칭 가스로서는 BCl3와 O2를 포함한 가스를 사용하고, BCl3와 O2와의 총량에 대한 O2의 양의 비율(산소 농도)을 4%로 했다. 또한, 봉입 시간에 있어서 반응실 (301)내의 압력을 100 Torr로 했다. 그리고, 시료 (308)의 표면 온도를 400℃, 425℃, 450℃으로 했을 경우의 각각에 대하여 HfO2막의 에칭 레이트, TEOS－SiO2막의 에칭 레이트를 측정하고, 선택비(HfO2막의 에칭 레이트/TEOS－SiO2막의 에칭 레이트)를 산출했다. 한편 에칭 레이트는 상술한 수학식 (3)에 나타내는 방법으 로 산출했다. 도면 6(a)에 있어서, 측정한 에칭 레이트를 막대 그래프로 나타내고, 에칭 레이트로부터 산출한 선택비를 ◆표로 나타내고 있다.
도면 6(a)에 의하면, 시료 (308)의 표면 온도를 높힘으로써 HfO2막의 에칭 레이트가 증가하는데 반해, TEOS－SiO2막의 에칭 레이트는 거의 변화하지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 시료 (308)의 온도를 높게 하는 만큼, 높은 선택비를 얻을 수 있는 것을 안다. 또한, 시료 (308)의 표면 온도가 450℃이 되면, 선택비는 16에 이르러, 높은 선택비를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
한편 실제로 석영 유리에 대한 에칭 평가를 실시했더니, 석영 유리의 데미지는 확인되지 않았다. 즉, 석영 유리 기판상에 HfO2막을 형성한 샘플을 준비해, 석영 유리 기판상의 HfO2막을 완전하게 에칭한 후, 같은 시간만큼 석영 유리 기판을 오버 에칭 했는데, 석영 유리 기판에 데미지는 확인되지 않았다. 한편 에칭 조건은, 도면 6(a)의 평가와 같은 조건으로 했다.
이상로부터, 발명자등은, 도면 6(a)의 평가에 있어서의 조건이면, HfO2막과 TEOS－SiO2막과의 선택비(HfO2/TEOS－SiO2)를 충분히 확보할 수가 있고, 또한, HfO2막의 완전 제거 이후에도 석영 유리 기판에 데미지를 주지 않게 할 수가 있어 반응관을 구성하는 석영 유리에의 데미지를 억제할 수 있다는 지식을 얻었다.
한편 도면 6(b)은 특허 문헌 1로부터 인용한 데이터인데, 이러한 데이터는 플라즈마 에칭에 있어서, HfO2막의 에칭 레이트와 Si, SiO2의 에칭 레이트를 처리실 내의 진공도를 바꾸어 측정한 것이다. 도면 6(b)에 나타내는 평가에 있어서, 피에칭면의 온도는 실온이다. 도면 6(b)에 의하면, 어느 압력에 있어서도, Si, SiO2의 에칭은 관찰되지 않고, HfO2막에 대해서는 에칭이 생기고 있어 선택비가 1을 넘는 높은 선택성을 가지고 에칭할 수 있는 것을 알 수 있다.
(3) 고찰
상술의 평가 결과로부터, 산소 농도를 소정의 범위 내로 함으로써, 또한, 시료 (308)의 표면(피에칭면)의 온도를 높이는 것으로써, 또한, 반응실 (301)내의 압력을 높이는 것으로써, 서멀 에칭에 있어서의 에칭 레이트를 증가시키는 것이 가능하다는 것을 알았다. 예를 들면, 도면 4(a)에 나타낸 바와 같이, BCl3와 O2와의 총량에 대한 O2의 양의 비율(산소 농도)을 4%로 하고, 시료 (308)의 표면 온도를 450℃으로 하고, 반응실 (301)내의 압력을 100 Torr로 함으로써, 30 nm/min의 에칭 레이트를 얻을 수 있는 것을 알았다. 이러한 에칭 레이트는, 도면 3(b)에서 나타낸 특허 문헌 1에서 개시되고 있는 플라즈마 에칭의 에칭 레이트 10 nm/min와 비교해도 크고, 실제의 기판 처리 장치의 처리실 내의 클리닝에 적용하기에 충분한 에칭 레이트이다. 한편, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 대로, 플라즈마 에칭에서는, BCl3와 O2를 포함한 에칭 가스를 사용해 산소 농도를 10%이상으로 하고, 피에칭면을 저온(실온)으로 하고, 처리실 내의 압력을 저압으로 함으로써 양호한 에칭 레이트를 얻고 있다.
발명자등은, 상술의 평가 결과를 바탕으로, 서멀 에칭과 플라즈마 에칭의 메카니즘의 차이에 대해 이하와 같은 고찰을 실시했다.
(산소 농도에 대해)
퇴적물로서의 HfO2를 에칭 하려면, Hf－O결합의 절단, Hf의 염화물이나 취화물과 같은 증기압이 높은 반응 생성물의 생성, 이러한 반응 생성물의 이탈이라고 하는 프로세스를 진행시킬 필요가 있다. 이러한 프로세스를 진행시키려면, 우선, Hf－O결합을 절단시키기 위해서, Hf－O결합보다 큰 결합 에너지(Bond　strength)를 가지는 새로운 결합을 생성시키는 것이 필요하다.
도면 11에, 각종 결합 에너지의 일람을 나타낸다(출전：Lide. D. R. ed. CRC　handbook　of　Chemistry　and　Physics, 79 thed. , Boca　Raton, FL, CRC　Press, 1998). 도면 11에 의하면, Hf－O의 결합 에너지는 8. 30 eV로서 큰 것으로부터, HfO2는 에칭에 의한 제거가 비교적 곤란한 재료라고 할 수 있다. 이것에 대해서, 클리닝 가스로서 BCl3를 포함한 가스를 이용했을 경우에는, B에 의한 O의 인발(引拔) 반응에 의해, B－O결합이 형성되는데, 이 B－O의 결합 에너지는 8. 38 eV로서 Hf－O의 결합 에너지보다 크고, Hf－O결합을 절단 시킬 수가 있어, 상술의 프로세스를 진행시키는 것이 가능해진다.
HfO2가 부착한 처리실 내에, 열 또는 플라즈마에 의해 여기한 BCl3를 포함한 클리닝 가스를 공급했을 경우, 이하의 화학식 (1)에 나타내듯이, BCl3로부터 Cl가 릴리스(release) 된다. 그리고, HfO2를 구성하는 Hf－O결합으로부터 O가 인발되어 B－O결합이 형성되는 것과 동시에, 반응 생성물로서 휘발성의 높은 HfCl4, BOCl, (BOCl)3 가 생성되고, 이러한 반응 생성물이 휘발(이탈)함으로써 에칭 반응이 진행하게 된다.
HfO2＋2BCl3　→　HfO2＋2BCl＋4Cl　→　HfCl4＋2(BOCl)
한편 상술의 에칭 반응의 진행중에 있어서, BxCly 보호막이 HfO2의 표면에 형성되어 에칭 반응의 진행을 억제해 버리는 경우가 있다. 이러한 경우, 서멀 에칭에 있어서는, 도면 3(a)에서 나타내듯이, HfO2에 공급하는 BCl3에 산소계 가스로서 예를 들면 O2를 소량 혼합함으로써, 에칭 반응의 진행을 가속시킬 수 있다. 이것은, 이하의 화학식 (2)에 나타내듯이, BCl3와 O2와의 반응에 의해, 휘발성의 높은 BOCl 나 (BOCl)3 이 생성되고, 표면 반응 억제종인 BClx의 밀도가 감소해, BxCly 보호막의 형성이 억제되는 것과 동시에, HfO2에 대한 BCl나 Cl의 효과가 커져, 에칭 레이트가 증가하는 것이라고 생각된다.
2BCl3＋O　→　BOCl＋BCl＋4Cl
단, BCl3에 O2를 과잉 혼합했을 경우에는, 도면 3(a)에서 나타내듯이, 에칭 반응의 진행이 억제되어 버린다. 이것은, O2를 과잉 혼합한 것에 의해 BCl나 Cl가 생성되지 않고, B2O3와 같은 고체(古體)종이 생성되어 BxCly 보호막이 HfO2의 표면에 형성되고 에칭 반응의 진행을 억제해 버리기 때문에 있다고 생각된다. 이러한 반응의 모습을 화학식 (3)에 나타낸다.
2BCl3＋3O　→　B2O3＋6Cl　
한편 플라즈마 에칭의 경우에는, 도면 3(b)에 나타내듯이, 산소 농도를 0%로 하면 피에칭면에 BxCly 보호막이 형성되어 에칭 반응의 진행이 저지되어 버리고 만다. 이것에 대해 서멀 에칭의 경우에는, 도면 3(a)에 나타내듯이, 산소 농도를 0%라고 해도 에칭 레이트가 극단적으로 저하하는 것은 없다. 이것은, 서멀 에칭의 경우에는, 산소 농도가 0%여도 이하의 화학식 (4)에 나타내는 것 같은 분해 반응이 완만하게 진행해, BxCly를 형성하는 데까지 이르지 않고, BCl나 Cl의 효과를 얻을 수 있기 때문이라고 생각된다.
BCl3　→　BCl＋2Cl
(피에칭면의 표면 온도에 관하여)
도면 4(a), 도면 4(b)에 나타내는 대로, 서멀 에칭의 경우에는, 시료 (308)의 표면 온도를 높이는 것으로 에칭 레이트가 증대하는 것을 알았다. 이것은, 시료 (308)의 표면 온도를 높이는 것으로, 상술의 화학식 (2) 및 화학식 (4) 의 반응이 진행되어, BCl나 Cl의 효과를 얻기 쉽게 되는 것이 한 요인 이라고 생각된다.
(처리실 내의 진공도에 관하여)
서멀 에칭의 경우에는, 도면 5(a)에 나타내는 대로, 반응실 (301)내의 압력이 높아지는 것에 따라 에칭 레이트가 증대하는 것을 알았다. 이것은, 서멀 에칭의 경우에는, BCl3로부터 해리한 BCl 래디칼의 퍼텐셜이, 플라즈마에 의해 발생한 BCl 래디칼의 퍼텐셜만큼은 크지 않은 것으로부터, BCl3로부터 해리한 BCl 래디칼이 BxCly 집합체를 형성하지 않고 상술의 화학식 (1)에 나타내는 에칭을 진행시켜, 반응실 (301)내의 압력을 높힘으로써 에칭 레이트를 증대시키고 있는 것이라고 생각된다.
한편, 플라즈마 에칭의 경우에는, 도면 5(b)에 나타내는 대로, 산소 농도가 0%이며, 처리실 내가 저압일 때는, 에칭 반응의 진행이 저지되어 버린다. 이것은, 붕소의 염소 화합물(Boron－Chlorinate　compounds)인 BxCly가 피에칭면에 퇴적 혹은 중합해 보호막을 형성하고 있기 때문에 있다고 생각된다. 그 때문에, 처리실 내의 압력을 높여도 에칭 레이트는 포화해 버리고, 더욱 압력을 높이면 에칭 레이트가 감소해 버리고 있는 것이라고 생각된다.
이상과 같이, 에칭 가스로서 BCl3와 O2를 포함한 가스를 이용하는 경우, 서멀 에칭과 플라즈마 에칭은 그 에칭 메카니즘이 크게 다르고, 그 때문에 에칭 특성도 크게 다르다. 따라서, 같은 에칭 가스를 이용하는 에칭이지만, 양자는 별개라고 할 수 있다.
이하에, 본 발명의 실시예를, 도면을 참조하면서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
우선, 도면 7, 도면 8을 이용해, 반도체 장치의 제조 공정에 있어서의 기판 처리 공정을 실시하는 기판 처리 장치 (101)의 구성예에 대해 설명한다. 도면 7은, 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치 (101)의 경사 투시도이며, 도면 8은, 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치 (101)의 측면 투시도이다.
도면 7 및 도면 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 기판 처리 장치(101)는 광체 (111)를 갖추고 있다. 광체 (111)의 정면벽 (111a)의 하부에는, 광체 (111)내를 메인트넌스 가능하도록 설치된 개구부로서의 정면 메인트넌스구(103)가 설치되어 있다. 정면 메인트넌스구(103)에는, 정면 메인트넌스구(103)를 개폐하는 정면 메인트넌스문(104)이 설치되어 있다. 실리콘 등으로 되는 웨이퍼(기판) (200)를 광체 (111) 내외에 반송하려면, 복수의 웨이퍼 (200)를 수납하는 웨이퍼 캐리어(기판 수납 용기)로서의 카세트 (110)가 사용된다. 정면 메인트넌스문(104)에는, 카세트 (110)를 광체 (111) 내외에 반송하는 통로인 카세트 반입 반출구(기판 수납 용기 반입 반출구) (112)가, 광체 (111) 내외를 연통하도록 설치되어 있다. 카세트 반입 반출구 (112)는, 프론트 셔터(기판 수납 용기 반입 반출구 개폐 기구) (113)에 의해 개폐되도록 구성되어 있다. 카세트 반입 반출구 (112)의 광체 (111) 안쪽에는, 카세트 스테이지(기판 수납 용기 수수대) (114)가 설치되어 있다. 카세트 (110)는, 도시하지 않는 공정내 반송 장치에 의해 카세트 스테이지 (114)상에 재치되고, 또한, 카세트 스테이지 (114)상으로부터 광체 (111)외부로 반출되도 록 구성되어 있다.
카세트 (110)는, 공정내 반송 장치에 의해, 카세트 (110)내의 웨이퍼 (200)가 수직 자세가 되고, 카세트 (110)의 웨이퍼 출납구가 윗방향을 향하도록, 카세트 스테이지 (114)상에 재치된다. 카세트 스테이지 (114)는, 카세트 (110)를 광체 (111)의 후방으로 향해 세로 방향으로 90도 회전시켜, 카세트 (110)내의 웨이퍼 (200)를 수평 자세로 시키고, 카세트 (110)의 웨이퍼 출납구를 광체 (111)내의 후방을 향하게 하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.
광체 (111)내의 전후방향의 실질적으로 중앙부에는, 카세트선반(기판 수납 용기 재치 선반) (105)이 설치되어 있다. 카세트선반 (105)은, 복수단, 복수열로 복수개의 카세트 (110)를 보관하도록 구성되어 있다. 카세트선반 (105)에는, 후술 하는 웨이퍼 이재 기구 (125)의 반송 대상이 되는 카세트 (110)가 수납되는 이재선반 (123)이 설치되어 있다. 또한, 카세트 스테이지 (114)의 윗쪽에는, 예비 카세트선반 (107)이 설치되어 예비적으로 카세트 (110)를 보관하도록 구성되어 있다.
카세트 스테이지 (114)와 카세트선반 (105) 사이에는, 카세트 반송 장치(기판 수납 용기 반송 장치) (118)가 설치되어 있다. 카세트 반송 장치 (118)는, 카세트 (110)를 보관 유지한 채로 승강 가능한 카세트 엘리베이터(기판 수납 용기 승강기구) (118 a)로 카세트 (110)를 보관 유지한 채로 수평 이동 가능한 반송 기구로서의 카세트 반송 기구(기판 수납 용기 반송 기구) (118 b)를 갖추고 있다. 이들 카세트 엘리베이터 (118a)와 카세트 반송 기구 (118b)와의 연속 동작에 의해, 카세트 스테이지 (114), 카세트선반 (105), 예비 카세트선반 (107), 이재선반 (123)의 사이로, 카세트 (110)를 반송하도록 구성되어 있다.
카세트선반 (105)의 후방에는, 웨이퍼 이재 기구(기판 이재 기구) (125)가 설치되어 있다. 웨이퍼 이재 기구 (125)는, 웨이퍼 (200)를 수평 방향으로 회전 내지 직동 가능한 웨이퍼 이재 장치(기판 이재 장치) (125a)와 웨이퍼 이재 장치 (125a)를 승강시키는 웨이퍼 이재 장치 엘리베이터(기판 이재 장치 승강기구) (125b)를 갖추고 있다. 한편 웨이퍼 이재 장치 (125a)는, 웨이퍼 (200)를 수평 자세로 보관 유지하는 트위저(기판 보관 유지체) (125c)를 갖추고 있다. 이들 웨이퍼 이재 장치 (125a)와 웨이퍼 이재 장치 엘리베이터 (125b)와의 연속 동작에 의해, 웨이퍼 (200)를 이재선반 (123)상의 카세트 (110)내로부터 픽업 해 후술 하는 보트(기판 보관 유지도구) (217)에 장전(챠징) 하거나 웨이퍼 (200)를 보트 (217)로부터 탈장(디스챠징) 해 이재선반 (123)상의 카세트 (110)내에 수납하거나 하도록 구성되어 있다.
광체 (111)의 후방 윗쪽에는, 처리로 (202)가 설치되어 있다. 처리로 (202)의 하단부에는 개구가 설치되고, 이러한 개구는 노구 셔터(노구 개폐 기구) (147)에 의해 개폐되도록 구성되어 있다. 한편 처리로 (202)의 구성에 대해서는 후술 한다.
처리로 (202)의 하부에는, 보트 (217)를 승강시켜 처리로 (202) 내외에 반입 반출시키는 승강기구로서의 보트 엘리베이터(기판 보관 유지도구 승강기구) (115)가 설치되어 있다. 보트 엘리베이터 (115)의 승강대에는, 연결도구로서의 암 (128)이 설치되어 있다. 암 (128)상에는, 보트 (217)를 수직에 지지함과 함께, 보트 엘 리베이터 (115)에 의해 보트 (217)가 상승했을 때에 처리로 (202)의 하단부를 기밀 폐색 하는 덮개로서의 씰 캡(219)가 수평 자세로 설치되어 있다.
보트 (217)는 복수 라인의 보관 유지 부재를 갖추고 있고, 복수매(예를 들면, 50매~150매 정도)의 웨이퍼 (200)를, 수평 자세로 그 중심을 가지런히 한 상태로 수직 방향으로 정렬시켜 다단으로 유지하도록 구성되어 있다.
카세트선반 (105)의 윗쪽에는, 공급 팬과 방진 필터를 갖춘 클린 유니트 (134a)가 설치되어 있다. 클린 유니트 (134a)는, 청정화한 분위기인 클린 에어를 광체 (111)의 내부에 유통시키도록 구성되어 있다.
또한, 웨이퍼 이재 장치 엘리베이터 (125b) 및 보트 엘리베이터 (115)측과 반대측인 광체 (111)의 좌측 단부에는, 클린 에어를 공급하도록 공급 팬과 방진 필터를 갖춘 클린 유니트(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 도시하지 않는 상기 클린 유니트로부터 불기 시작해진 클린 에어는, 웨이퍼 이재 장치 (125a), 보트 (217)를 유통한 후에, 도시하지 않는 배기 장치에 빨려 들여가, 광체 (111)의 외부에 배기되도록 구성되어 있다.
(2) 기판 처리 장치의 동작
다음에, 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치 (101)의 동작에 대해 설명한다.
우선, 카세트 (110)가 카세트 스테이지 (114)상에 재치되기에 앞서, 카세트 반입 반출구 (112)가 프론트 셔터 (113)에 의해 개방된다. 그 후, 카세트 (110)가, 공정내 반송 장치에 의해 카세트 반입 반출구 (112)로부터 반입되고 웨이퍼 (200) 가 수직 자세가 되고, 카세트 (110)의 웨이퍼 출납구가 윗방향을 향하도록, 카세트 스테이지 (114)상에 재치된다. 그 후, 카세트 (110)는, 카세트 스테이지 (114)에 의해, 광체 (111)의 후방을 향해 세로 방향으로 90도 회전된다. 그 결과, 카세트 (110)내의 웨이퍼 (200)는 수평 자세가 되고, 카세트 (110)의 웨이퍼 출납구는 광체 (111)내의 후방을 향한다.
다음에, 카세트 (110)는, 카세트 반송 장치 (118)에 의해, 카세트선반 (105)내지 예비 카세트선반 (107)의 지정된 선반 위치에 자동적으로 반송되어 수수되고 일시적으로 보관된 후, 카세트선반 (105)내지 예비 카세트선반 (107)으로부터 이재선반 (123)에 이재되거나 또는 직접 이재선반 (123)에 반송된다.
카세트 (110)가 이재선반 (123)에 이재되면, 웨이퍼 (200)는, 웨이퍼 이재 장치 (125a)의 트위저 (125c)에 의해, 웨이퍼 출납구를 통해서 카세트 (110)로부터 픽업 되어 웨이퍼 이재 장치 (125a)와 웨이퍼 이재 장치 엘리베이터 (125b)와의 연속 동작에 의해 이재실 (124)의 후방에 있는 보트 (217)에 장전(챠징) 된다. 보트 (217)에 웨이퍼 (200)를 수수한 웨이퍼 이재 기구 (125)는, 카세트 (110)에 돌아와, 다음 차례의 웨이퍼 (200)를 보트 (217)에 장전 한다.
미리 지정된 매수의 웨이퍼 (200)가 보트 (217)에 장전 되면, 노구 셔터 (147)에 의해 닫혀져 있던 처리로 (202)의 하단부가, 노구 셔터 (147)에 의해 개방된다. 이어서, 씰 캡 (219)이 보트 엘리베이터 (115)에 의해 상승됨으로써, 웨이퍼 (200)군을 보관 유지한 보트 (217)가 처리로 (202)내에 반입(로딩)된다. 로딩 후는, 처리로 (202)에서 웨이퍼 (200)에 임의의 처리가 실시된다. 이러한 처리에 대 해서는 후술 한다. 처리 후는, 웨이퍼 (200) 및 카세트 (110)는, 상술의 순서와는 반대의 순서로 광체 (111)의 외부로 반출된다.
(3) 처리로의 구성
다음에, 도면 9, 도면 10을 이용해, 전술한 기판 처리 장치 (101)가 구비한 처리로 (202)의 구성에 대해 설명한다. 도면 9는, 본 실시예에 따른 기판 처리 장치 (101)가 구비한 처리로 (202)의 종단면도이다. 도면 10은, 도면 9에 나타내는 처리로 (202)의 A－A선 단면도이다.
도면 9에 나타내듯이, 처리로 (202)는 가열 수단(가열 기구)으로서의 히터 (207)를 가진다. 히터 (207)는 원통 형상이며, 보관 유지판으로서의 히터 베이스(도시하지 않음)에 지지되어 수직으로 설치되어 있다.
히터 (207)의 안쪽에는, 히터 (207)와 동심원상으로 반응관으로서의 프로세스 튜브 (203)가 배설되어 있다. 프로세스 튜브 (203)는, 예를 들면 석영(SiO2) 또는 탄화 실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로부터 되고, 상단이 폐색하고 하단이 개구한 원통 형상으로 형성되어 있다. 프로세스 튜브 (203)의 중공부에는, 기판으로서의 웨이퍼 (200)상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 처리실 (201)이 형성되어 있다. 처리실 (201)은, 웨이퍼 (200)를 보트 (217)에 의해 수평 자세로 수직 방향으로 다단 정렬한 상태로 수용 가능하게 구성되어 있다.
프로세스 튜브 (203)의 하부에는, 프로세스 튜브 (203)와 동심원상으로 매니폴드(노구 플랜지부)(209)가 배설되어 있다. 매니폴드 (209)는, 예를 들면 스텐레 스 등으로 되거, 상단 및 하단이 개구한 원통 형상으로 형성되어 있다. 매니폴드 (209)는, 프로세스 튜브 (203)에 계합하고 있어, 프로세스 튜브 (203)를 지지하도록 설치되어 있다. 한편 매니폴드 (209)와 프로세스 튜브 (203) 사이에는 씰 부재로서의 O링 (220 a)이 설치되어 있다. 매니폴드 (209)가 히터 베이스에 지지를 받음으로써, 프로세스 튜브 (203)는 수직으로 고정되는 상태가 되어 있다. 프로세스 튜브 (203)와 매니폴드 (209)에 의해 반응 용기가 형성된다.
매니폴드 (209)에는, 고유전율 재료로서의 고유전율막을 형성하기 위한 성막 가스(처리 가스)를 처리실 (201)내에 공급하는 성막 가스 공급계(처리 가스 공급계)와 처리실 (201)내에 부착한 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거하기 위한 클리닝 가스를 처리실 (201)내에 공급하는 클리닝 가스 공급계가 각각 접속되어 있다. 성막 가스 공급계는, 성막 가스로서 성막 원료 및 산화제를 처리실 (201)내에 공급하도록 구성되어 있다. 또한, 클리닝 가스 공급계는, 클리닝 가스로서 에칭 가스인 할로겐계 가스 및 첨가 가스를 처리실 (201)내에 공급하도록 구성되어 있다.
구체적으로는, 매니폴드 (209)에는, 제1 가스 도입부로서의 제1 노즐 (233a)과 제2 가스 도입부로서의 제2 노즐 (233b)이, 각각 처리실 (201)내에 연통하도록 접속되어 있다. 제1 노즐 (233a), 제2 노즐 (233b)에는, 각각 제1 가스 공급관 (232a), 제2 가스 공급관 (232b)이 접속되어 있다. 또한, 제1 가스 공급관 (232a), 제2 가스 공급관 (232b)에는, 각각 제3 가스 공급관 (232c), 제4 가스 공급관 (232d)이 접속되어 있다. 이와 같이, 처리실 (201)에는 복수 종류, 여기에서는 4 종류의 가스를 공급하는 가스 공급 경로로서 4개의 가스 공급관 (232a), (232b), (232c), (232d)과 2개의 노즐 (233a), (233b)이 설치되어 있다. 제1 가스 공급관 (232a)과 제2 가스 공급관 (232b)에 의해 성막 가스 공급계가 구성되어, 제3 가스 공급관 (232c)과 제4 가스 공급관 (232d)에 의해 클리닝 가스 공급계가 구성된다.
제1 가스 공급관 (232a)에는, 상류 방향부터 순서대로, 유량 제어기(유량 제어 수단)인 제1 매스 플로우 콘트롤러 (241a), 기화기 (250) 및 개폐변인 제1 밸브 (243a)가 설치되어 있다. 제1 매스 플로우 콘트롤러 (241a)는, 성막 원료로서의 상온에서 액체인 액체 원료의 액체 유량을 제어하는 액체 매스 플로우 콘트롤러로서 구성되어 있다. 또한, 제1 가스 공급관 (232a)의 제1 밸브 (243a)보다 하류 측에는, 불활성 가스를 공급하는 제1 불활성 가스 공급관 (234a)이 접속되어 있다. 이 제1 불활성 가스 공급관 (234a)에는, 상류 방향로부터 순서대로, 유량 제어기(유량 제어 수단)인 제3 매스 플로우 콘트롤러 (241c) 및 개폐변인 제3 밸브 (243c)가 설치되어 있다. 또한, 제1 가스 공급관 (232a)의 선단부(하류 단부)에는, 상술한 제1 노즐 (233a)이 접속되어 있다. 제1 노즐 (233a)은, 처리실 (201)을 구성하고 있는 프로세스 튜브 (203)의 내벽과 웨이퍼 (200) 사이에 있어서의 원호상의 공간에, 프로세스 튜브 (203)의 하부에서부터 상부의 내벽을 따라, 그리고, 웨이퍼 (200)의 적재 방향을 따라 설치되어 있다. 제1 노즐 (233a)의 측면에는, 가스를 공급하는 공급 구멍인 제1 가스 공급 구멍 (248a)이 설치되어 있다. 이 제1 가스 공급 구멍 (248a)은, 하부에서 상부에 걸쳐 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 동일한 개구 피치로 설치되어 있다.
제2 가스 공급관 (232b)에는, 상류 방향부터 순서대로, 유량 제어장치(유량 제어 수단)인 제2 매스 플로우 콘트롤러 (241b), 개폐변인 제2 밸브 (243b)가 설치되어 있다. 또한, 제2 가스 공급관 (232b)의 제2 밸브 (243b)보다 하류 측에는, 불활성 가스를 공급하는 제2 불활성 가스 공급관 (234b)이 접속되어 있다. 이 제2 불활성 가스 공급관 (234b)에는, 상류 방향으로부터 순서대로, 유량 제어장치(유량 제어 수단)인 제4 매스 플로우 콘트롤러 (241d) 및 개폐변인 제4 밸브 (243d)가 설치되어 있다. 또한, 제2 가스 공급관 (232b)의 선단부(하류 단부)에는, 상술한 제2 노즐 (233b)이 접속되어 있다. 제2 노즐 (233b)은, 처리실 (201)을 구성하고 있는 프로세스 튜브 (203)의 내벽과 웨이퍼 (200) 사이에 있어서의 원호상의 공간에, 프로세스 튜브 (203)의 하부부터 상부의 내벽을 따라, 웨이퍼 (200)의 적재 방향을 따라 설치되어 있다. 제2 노즐 (233b)의 측면에는, 가스를 공급하는 공급 구멍인 제2 가스 공급 구멍 (248b)이 설치되어 있다. 이 제2 가스 공급 구멍 (248b)은, 하부에서 상부에 걸쳐 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 동일한 개구 피치로 설치되어 있다.
제1 가스 공급관 (232a)의 제1 불활성 가스 공급관 (234a)과의 접속부보다 하류 측에는, 상술한 제3 가스 공급관 (232c)이 접속되어 있다. 이 제3 가스 공급관 (232c)에는, 상류 방향으로부터 순서대로, 유량 제어기(유량 제어 수단)인 제5 매스 플로우 콘트롤러 (241e) 및 개폐변인 제5 밸브 (243e)가 설치되어 있다.
제2 가스 공급관 (232b)의 제2 불활성 가스 공급관 (234b)과의 접속부보다 하류 측에는, 상술한 제4 가스 공급관 (232d)이 접속되어 있다. 이 제4 가스 공급관 (232d)에는, 상류 방향으로부터 순서대로, 유량 제어기(유량 제어 수단)인 제6 매스 플로우 콘트롤러 (241f) 및 개폐변인 제6 밸브 (243f)가 설치되어 있다.
제1 가스 공급관 (232a)으로부터는, 예를 들면, 고유전율 재료로 된 고유전율막을 형성하기 위한 성막 원료로서 하프늄 유기물 재료인 TEMAH{Hf［(C2H5)(CH3)N］4, 테트라키스 에틸 메틸 아미노 하프늄}를 기화한 하프늄 원료 가스가, 제1 매스 플로우 콘트롤러 (241a), 기화기 (250), 제1 밸브 (243a), 제1 노즐 (233a)을 개재하여 처리실 (201)내에 공급된다.
또한, 제2 가스 공급관 (232b)으로부터는, 예를 들면, 산화제로서의 오존 가스(O3)가, 제2 매스 플로우 콘트롤러 (241b), 제2 밸브 (243b), 제2 노즐 (233b)을 개재하여 처리실 (201)내에 공급된다.
또한, 제3 가스 공급관 (232c)으로부터는, 예를 들면, 클리닝 가스(에칭 가스)로서의 할로겐계 가스인 3염화 붕소 가스(BCl3)가, 제5 매스 플로우 콘트롤러 (241e), 제5 밸브 (243e), 제1 가스 공급관 (232a), 제1 노즐 (233a)을 개재하여 처리실 (201)내에 공급된다.
또한, 제4 가스 공급관 (232d)으로부터는, 예를 들면, 클리닝 가스(에칭 가스)로서의 할로겐계 가스의 첨가제로서의 산소 가스(O2)가, 제6 매스 플로우 콘트롤러 (241f), 제6 밸브 (243f), 제2 가스 공급관 (232b), 제2 노즐 (233b)을 개재하여 처리실 (201)내에 공급된다.
한편 이러한 가스를 처리실 (201)내에 공급할 때, 동시에, 제1 불활성 가스 공급관 (234a)으로부터, 제3 매스 플로우 콘트롤러 (241c), 제3 밸브 (243c)를 개재하여 제1 가스 공급관 (232a)내에 불활성 가스를 공급하도록 해도 괜찮고, 또한, 제2 불활성 가스 공급관 (234b)으로부터, 제4 매스 플로우 콘트롤러 (241d), 제4 밸브 (243d)를 개재하여 제2 가스 공급관 (232b)내에 불활성 가스를 공급하도록 해도 괜찮다. 불활성 가스의 공급에 의해, 상기 각 가스의 희석이나, 불사용 배관의 퍼지를 실시할 수 있다.
매니폴드 (209)에는, 처리실 (201)내의 분위기를 배기하는 배기관 (231)이 설치되어 있다. 배기관 (231)의 하류측, 즉 매니폴드 (209)와의 접속측의 반대 측에는, 압력 검출기로서의 압력 센서 (245) 및 압력 조정기로서의 APC(Auto　Pressure　Controller)밸브 (242)를 개재하여, 진공 배기 장치로서의 진공 펌프 (246)가 접속되어 있다. 그 때문에, 배기관 (231)은, 처리실 (201)내의 압력이 소정의 압력(진공도)이 되도록 진공 배기 할 수 있도록 구성되어 있다. 한편 APC 밸브 (242)는, 밸브를 개폐해 처리실 (201)의 진공 배기·진공 배기 정지가 가능하고, 또한 밸브 개방도를 조절함으로써 처리실 (201)내의 압력 조정이 가능하도록 구성된 개폐밸브이다.
상술한 것처럼, 매니폴드 (209)의 하부에는, 매니폴드 (209)의 하단 통로를 기밀 폐색 가능한 노구 개체로서의 씰 캡 (219)이 설치되어 있다. 씰 캡 (219)은, 매니폴드 (209)의 하단에 수직 방향 아래쪽으로부터 당접하게 되어 있다. 씰 캡 (219)은, 예를 들면 스텐레스등의 금속으로 되어 있고, 원반상에 형성되어 있다. 씰 캡 (219)의 표면에는, 매니폴드 (209)의 하단과 당접하는 씰 부재로서의 O링 (220b)이 설치되어 있다. 씰 캡 (219)의 처리실 (201)과의 반대 측에는, 보트 (217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치되어 있다. 회전 기구 (267)의 회전축 (255)은, 씰 캡 (219)을 관통해 보트 (217)에 접속되어 있다. 회전 기구 (267)를 작동(회전)시킴으로써, 보트 (217) 및 웨이퍼 (200)를 회전시키도록 구성되어 있다. 씰 캡 (219)은, 프로세스 튜브 (203)의 외부에 수직으로 설치된 승강기구로서의 보트 엘리베이터 (115)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터 (115)를 승강시킴으로써, 보트 (217)를 처리실 (201)에 대해 반입 반출하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.
기판 보지구로서의 보트 (217)는, 예를 들면 석영이나 탄화규소등의 내열성 재료로 되어 있고, 상술한 것처럼, 복수매의 웨이퍼 (200)를 수평 자세로 또한 서로 중심을 가지런히 한 상태로 정렬시켜 다단으로 유지하도록 구성되어 있다. 한편 보트 (217)의 하부에는, 예를 들면 석영이나 탄화규소등의 내열성 재료로 된 단열 부재 (218)가 설치되어 있어, 히터 (207)로부터의 열이 씰 캡 (219) 측에 전해지기 어렵도록 구성되어 있다. 한편 단열 부재 (218)는, 석영이나 탄화규소등의 내열성 재료로 된 복수매의 단열판과 이것들을 수평 자세로 다단으로 지지하는 단열판 홀더에 의해 구성되어 있어도 괜찮다.
도면 10에 나타낸 바와 같이, 프로세스 튜브 (203)내에는, 온도 검출기로서 온도 센서 (263)가 설치되어 있다. 이 온도 센서 (263)에 의해 검출된 온도 정보에 근거해, 히터 (207)에의 통전 상태를 조정하는 것으로 처리실 (201)내의 온도가 소정의 온도 분포가 되게 되어 있다.
또한, 본 실시예에 따른 처리로 (202)는, 제어부(제어 수단)인 콘트롤러 (280)를 갖추고 있다. 콘트롤러 (280)는, 제1~ 제6의 매스 플로우 콘트롤러 (241a), (241b), (241c), (241d), (241e), (241f), 제1~ 제6의 밸브 (243a), (243b), (243c), (243d), (243e), (243f), 기화기 (250), APC 밸브 (242), 히터 (207), 진공 펌프 (246), 회전 기구 (267), 보트 엘리베이터 (115)등에 접속되어 있다. 콘트롤러 (280)는, 제1~ 제6의 매스 플로우 콘트롤러 (241a), (241b), (241c), (241d), (241e), (241f)의 유량 조정, 제1~ 제6의 밸브 (243a), (243b), (243c), (243d), (243e), (243f)의 개폐 동작, 기화기 (250)의 기화 동작, APC 밸브 (242)의 개폐 및 압력 조정 동작, 히터 (207)의 온도 조정, 진공 펌프 (246)의 기동·정지, 회전 기구 (267)의 회전 속도 조절, 보트 엘리베이터 (115)의 승강 동작 등을 제어하도록 구성되어 있다.
(4) 고유전율막의 형성 방법 및 클리닝 방법
다음에, 상술의 기판 처리 장치 (101)의 처리로 (202)를 이용한 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 한 공정으로서, 처리실 (201)내에서 웨이퍼 (200)상에 고유전율 재료로 된 고유전율막을 형성하는 방법 및 처리실 (201)내를 클리닝 하는 방법에 대해 설명한다. 성막 방법으로서는, 성막 원료로서 하프늄 유기물 재료인 TEMAH를 이용하고, 산화제로서 오존 가스(O3)를 이용하고, ALD(Atomic　Layer　Deposition) 법에 의해, 웨이퍼 (200)상에 고유전율막으로서 산화 하프늄막(HfO2, 하프니아)을 성막 하는 예에 대해 설명한다. 또한, 클리닝 방법으로서는, 클리닝 가스로서 BCl3 가스와 O2가스를 사용하고, 열화학 반응에 의해 처리실 (201)내를 클리닝 하는 예에 대해 설명한다. 한편 이하의 설명에 있어서, 기판 처리 장치 (101)를 구성하는 각부의 동작은, 콘트롤러 (280)에 의해 제어된다.
우선, 처리실 (201)내에서 웨이퍼 (200)상에 고유전율 재료로 된 고유전율막을 성막 하는 방법에 대해 설명한다.
ALD(Atomic　Layer　Deposition)법은, 특정 성막 조건(온도, 시간등 )아래에서, 성막에 이용하는 적어도 2 종류의 원료가 되는 반응성 가스를 1 종류씩 교대로 기판상에 공급하여, 1 원자 단위로 기판상에 흡착시키고, 표면 반응을 이용해 성막을 실시하는 수법이다. 이 때, 막후(막두께)의 제어는, 반응성 가스를 공급하는 사이클수로 실시한다. 예를 들면, 성막 속도가 1Å／사이클로 하면, 20Å의 막을 형성하는 경우, 20 사이클 실시한다. 이하, 이것을 구체적으로 설명한다.
복수매의 웨이퍼 (200)가 보트 (217)에 장전(웨이퍼 챠징) 되면, 도면 9에 나타내는 바와 같이, 복수매의 웨이퍼 (200)를 보관 유지한 보트 (217)는, 보트 엘리베이터 (115)에 의해 들어 올려져 처리실 (201)에 반입(보트 로딩)된다. 이 상태에서, 씰 캡 (219)은, O링 (220b)을 개재하여 매니폴드 (209)의 하단을 씰 한 상태가 된다.
처리실 (201)내가 소망한 압력(진공도)이 되도록, 진공 펌프 (246)에 의해 진공 배기된다. 이 때, 처리실 (201)내의 압력은 압력 센서 (245)로 측정되고, 이 측정된 압력에 근거해 APC 밸브 (242)가 피드백 제어된다. 또한, 처리실 (201)내가 소망한 온도가 되도록 히터 (207)에 의해 가열된다. 이 때, 처리실 (201)내가 소망한 온도 분포가 되도록, 온도 센서 (263)가 검출한 온도 정보에 근거해 히터 (207)에의 통전 상태가 피드백 제어된다. 이어서, 회전 기구 (267)에 의해 보트 (217)가 회전됨으로써, 웨이퍼 (200)가 회전된다. 그 후, 후술 하는 4개의 스텝을 차례차례 실행한다. 한편 보트 (217), 즉 웨이퍼 (200)는 회전시키지 않아도 좋다.
(스텝 1)
제1 가스 공급관 (232a)의 제1 밸브 (243a), 제1 불활성 가스 공급관 (234a)의 제3 밸브 (243c)를 열고, 제1 가스 공급관 (232a)에 성막 원료로서의 TEMAH를, 제1 불활성 가스 공급관 (234a)에 캐리어 가스로서의 불활성 가스(N2)를 흘린다. 불활성 가스는, 제1 불활성 가스 공급관 (234a)으로부터 흐르고, 제3 매스 플로우 콘트롤러 (241c)에 의해 유량 조정된다. TEMAH는, 제1 가스 공급관 (232a)로부터 흐르고, 액체 매스 플로우 콘트롤러인 제1 매스 플로우 콘트롤러 (241a)에 의해 액체 상태로 유량 조정되고, 기화기 (250)로 기화된 후, 유량 조정된 불활성 가스와 혼합되어, 제1 노즐 (233a)의 제1 가스 공급 구멍 (248a)으로부터 처리실 (201)내에 공급되면서, 배기관 (231)으로 배기된다. 이 때, APC 밸브 (242)를 적정하게 조정해, 처리실 (201)내의 압력을 13. 3~1330 Pa의 범위이며, 예를 들면 300Pa로 유지한다. 액체 매스 플로우 콘트롤러인 제1 매스 플로우 콘트롤러 (241a)로 제어하는 TEMAH의 공급량은, 0. 01~0. 1g/min의 범위이며, 예를 들면 0. 05g/min로 한다. TEMAH에 웨이퍼 (200)를 노출시키는 시간은, 30~180초간의 범위이며, 예를 들면 60초로 한다. 이 때, 히터 (207)의 온도는, 웨이퍼 (200)의 온도가 180~250℃의 범위 이며, 예를 들면 250℃이 되도록 설정한다. TEMAH를 처리실 (201)내에 공급함으로써, TEMAH가 웨이퍼 (200)상의 하지막 등의 표면 부분과 표면 반응해, 화학 흡착한다.
(스텝 2)
제1 가스 공급관 (232a)의 제1 밸브 (243a)를 닫아 TEMAH의 공급을 정지한다. 이 때, 배기관 (231)의 APC 밸브 (242)는 연 채로 두고, 진공 펌프 (246)에 의해 처리실 (201)내를 20 Pa이하가 될 때까지 배기하고, 잔류한 TEMAH 가스를 처리실 (201)내로부터 배제한다. 이 때 N2등의 불활성 가스를 처리실 (201)내에 공급하면, 잔류한 TEMAH 가스를 배제하는 효과가 더욱 높아진다.
(스텝 3)
제2 가스 공급관 (232b)의 제2 밸브 (243b), 제2 불활성 가스 공급관 (234b)의 제4 밸브 (243d)를 열어, 제2 가스 공급관 (232b)에 산화제로서의 O3를, 제2 불활성 가스 공급관 (234b)에 캐리어 가스로서의 불활성 가스(N2)를 흘린다. 불활성 가스는, 제2 불활성 가스 공급관 (234b)로부터 흐르고, 제4 매스 플로우 콘트롤러 (241d)에 의해 유량 조정된다. O3는 제2 가스 공급관 (232b)으로부터 흐르고, 제2 매스 플로우 콘트롤러 (241b)에 의해 유량 조정되고, 유량 조정된 불활성 가스와 혼합되어, 제2 노즐 (233b)의 제2 가스 공급 구멍 (248b)으로부터 처리실 (201)내에 공급되면서, 배기관 (231)으로 배기된다. 이 때, APC 밸브 (242)를 적정하게 조정해, 처리실 (201)내의 압력을 13. 3~1330 Pa의 범위이며, 예를 들면 70Pa에 유지 한다. 제2 매스 플로우 콘트롤러 (241b)로 제어하는 O3의 공급량은, 0. 1~10 slm의 범위이며, 예를 들면 0. 5 slm로 한다. 한편 O3에 웨이퍼 (200)를 노출시키는 시간은, 1~300초간의 범위이며, 예를 들면 40초로 한다. 이 때의 웨이퍼 (200)의 온도는, 스텝 1의 TEMAH 가스의 공급시와 같이 180~250℃의 범위이며, 예를 들면 250℃이 되도록 히터 (207)의 온도를 설정한다. O3의 공급에 의해, 웨이퍼 (200)의 표면에 화학 흡착한 TEMAH와 O3가 표면 반응해, 웨이퍼 (200)상에 HfO2막이 성막 된다.
(스텝 4)
성막 후, 제2 가스 공급관 (232b)의 제2 밸브 (243b)를 닫아 O3의 공급을 정지한다. 이 때, 배기관 (231)의 APC 밸브 (242)는 연 채로 두고, 진공 펌프 (246)에 의해 처리실 (201)내를 20 Pa이하가 될 때까지 배기해, 잔류한 O3를 처리실 (201)내로부터 배제한다. 이 때, N2등의 불활성 가스를 처리실 (201)내에 공급하면, 잔류한 O3를 배제하는 효과가 더욱 높아진다.
상술한 스텝 1~4를 1사이클로 하고, 이 사이클을 여러 차례 반복하는 것으로, 웨이퍼 (200)상에 소정 막후의 HfO2막을 성막 할 수 있다.
소정 막후의 HfO2막을 성막 한 후, 처리실 (201)내를 진공 배기 하고, 그 후, 처리실 (201)내에 N2등의 불활성 가스를 공급하면서 배기해, 처리실 (201)내를 퍼지 한다. 처리실 (201)내를 퍼지 한 후, 처리실 (201)내가 N2등의 불활성 가스에 치환됨과 동시에, 처리실 (201)내의 압력이 상압으로 복귀된다.
그 후, 보트 엘리베이터 (115)에 의해 씰 캡 (219)이 하강되어, 매니폴드 (209)의 하단이 개구함과 동시에, 처리 완료된 웨이퍼 (200)가 보트 (217)에 보관 유지된 상태로 매니폴드 (209)의 하단으로부터 프로세스 튜브 (203)의 외부에 반출(보트 언로딩)된다. 그 후, 처리 완료된 웨이퍼 (200)는 보트 (217)에서 꺼내진다(웨이퍼 디스챠징).
다음에, 처리실 (201)내를 클리닝 하는 방법에 대해 설명한다.
상기 성막을 반복하면, 프로세스 튜브 (203)의 내벽 등에 막이 부착하는데, 이 내벽 등에 부착한 막의 두께가 소정의 두께에 이른 시점에서, 프로세스 튜브 (203)내의 클리닝을 한다. 클리닝은 다음과 같이 행해진다.
우선, 빈 보트 (217), 즉 웨이퍼 (200)를 장전 하고 있지 않는 보트 (217)가, 보트 엘리베이터 (115)에 의해 들어 올려져 처리실 (201)에 반입(보트 로딩)된다. 이 상태에서, 씰 캡 (219)은, O링 (220b)를 개재하여 매니폴드 (209)의 하단을 씰 한 상태가 된다.
그 다음에, 처리실 (201)내가 소망한 압력(진공도)이 되도록, 진공 펌프 (246)에 의해 진공 배기된다. 이 때, 처리실 (201)내의 압력은 압력 센서 (245)로 측정되고, 이 측정된 압력에 근거해 APC 밸브 (242)가 피드백 제어된다. 또한, 처리실 (201)내가 소망한 온도가 되도록 히터 (207)에 의해 가열된다. 이 때, 처리실 (201)내가 소망한 온도 분포가 되도록, 온도 센서 (263)가 검출한 온도 정보에 근거해 히터 (207)에의 통전 상태가 피드백 제어된다. 이어서, 회전 기구 (254)에 의 해 보트 (217)가 회전된다. 한편 보트 (217)는 회전시키지 않아도 좋다.
그 다음에, 제3 가스 공급관 (232c)의 제5 밸브 (243e)를 열어, 제3 가스 공급관 (232c)에 클리닝 가스, 즉 에칭 가스로서의 할로겐계 가스인 BCl3를 흘린다. BCl3는, 제3 가스 공급관 (232c)로부터 흐르고, 제5 매스 플로우 콘트롤러 (241e)에 의해 유량 조정되어 제1 가스 공급관 (232a)을 통해, 제1 노즐 (233a)의 제1 가스 공급 구멍 (248a)으로부터 처리실 (201)내에 공급된다.
에칭 가스는, 100%에서 20%정도로 N2등의 불활성 가스로 희석한 농도로 이용해도 좋고, 에칭 가스를 희석해 사용하는 경우에는, 제1 불활성 가스 공급관 (234a)의 제3 밸브 (243c)도 열도록 한다. 불활성 가스는, 제1 불활성 가스 공급관 (234a)으로부터 흐르고, 제3 매스 플로우 콘트롤러 (241c)에 의해 유량 조정된다. BCl3는, 제3 가스 공급관 (232c)로부터 흐르고, 제5 매스 플로우 콘트롤러 (241e)에 의해 유량 조정되어, 유량 조정된 불활성 가스와 제1 가스 공급관 (232a)에 있어서 혼합되고, 제1 노즐 (233a)의 제1 가스 공급 구멍 (248a)로부터 처리실 (201)내에 공급된다.
또한, 에칭 가스로서의 할로겐계 가스인 BCl3의 첨가제로서 O2를 첨가하기 때문에, 제4 가스 공급관 (232d)의 제6 밸브 (243f)도 열도록 한다. O2는, 제4 가스 공급관 (232d)로부터 흐르고, 제6 매스 플로우 콘트롤러 (241f)에 의해 유량 조정되어, 제2 가스 공급관 (232b)을 통하여, 제2 노즐 (233b)의 제2 가스 공급 구멍 (248b)으로부터 처리실 (201)내에 공급된다. O2는, 처리실 (201)내에 있어서 BCl3나 불활성 가스와 혼합된다.
이 때, 처리실 (201)내에의 BCl3나 O2의 공급, 배기관 (231)으로부터의 배기를 간헐적으로 실시한다. 즉, 도면 1(b)에서 설명한 사이클 에칭에 의한 클리닝을 실시한다. 구체적으로는, 다음의 스텝 C1~C4를 1사이클로 하고 이 사이클을 소정 회수 반복하는 것으로 클리닝을 실시한다.
(스텝 C1)
APC 밸브 (242)를 연 상태에서 처리실 (201)내를 진공 배기한다. 처리실 (201)내의 압력이 제1 압력에 도달한 후, APC 밸브 (242)를 닫는다. 이것에 의해 배기계를 봉지(封止)한다.
(스텝 C2)
그 상태, 즉 APC 밸브 (242)가 닫혀지고 처리실 (201)내의 압력이 제1 압력이 된 상태에서, 제5 밸브 (243e), 제6 밸브 (243f)를 열어, 처리실 (201)내에 BCl3 및 O2를 일정시간 공급한다. 이 때, 제3 밸브 (243c)를 열어, 처리실 (201)내에 N2등의 불활성 가스를 공급하여 에칭 가스를 희석하도록 해도 괜찮다. 처리실 (201)내의 압력이 제2 압력이 된 순간 제5 밸브 (243e), 제6 밸브(243f)를 닫아 처리실 (201)내에의 BCl3및 O2의 공급을 정지한다. 이 때, N2등의 불활성 가스를 공급하고 있었을 경우는, 제3 밸브 (243c)도 닫아 처리실 (201)내에의 불활성 가스의 공급도 정지한다. 이것에 의해 공급계를 봉지한다. 이 때, 모든 밸브, 즉 제1~ 제6의 밸브 (243a), (243b), (243c), (243d), (243e), (243f) 및 APC 밸브 (242)가 닫혀진 상태가 된다. 즉, 가스 공급계 및 배기계가 모두 봉지된 상태가 된다. 이것에 의해, 처리실 (201)내가 봉지되고, 처리실 (201)내에 BCl3 및 O2를 봉입한 상태가 된다.
(스텝 C3)
그 상태, 즉, 가스 공급계 및 배기계를 봉지함으로써 처리실 (201)내를 봉지해, 처리실 (201)내에 BCl3나 O2를 봉입한 상태를 소정 시간 유지한다.
(스텝 C4)
소정 시간 경과 후, APC 밸브 (242)를 열고, 배기관 (231)을 통해 처리실 (201)내의 진공 배기를 실시한다. 그 후, 제3 밸브 (243c) 또는 제4 밸브 (243d)를 열어, 처리실 (201)내에 N2등의 불활성 가스를 공급하면서 배기관 (231)으로 배기해, 처리실 (201)내의 가스 퍼지를 실시한다.
이상의 스텝 C1~C4를 1사이클로 하고 이 사이클을 소정 회수 반복하는 것으로 사이클 에칭에 의한 클리닝을 실시한다. 이와 같이, 클리닝할 때, APC 밸브 (242)를 일정시간 닫는 스텝과 APC 밸브 (242)를 일정시간 여는 스텝을 소정 회수 반복하도록 한다. 즉, APC 밸브 (242)의 개폐를 간헐적으로 소정 회수 반복하도록 한다. 사이클 에칭에 의한 클리닝에 의하면, 1사이클 당() 에칭량을 확인해 둠으로써, 사이클 회수에 의해 에칭량을 제어할 수 있다. 또한, 연속적으로 에칭 가스를 흘려 클리닝 하는 방식에 비해, 가스의 소비량을 줄일 수 있다.
처리실 (201)내에 도입된 BCl3나 O2는, 처리실 (201)내 전체에 확산하고, 처리실 (201)내부, 즉 프로세스 튜브 (203)의 내벽이나 보트 (217)에 부착한 고유전율막을 포함한 퇴적물과 접촉한다. 이 때, 퇴적물과 BCl3나 O2와의 사이에 열적인 화학반응이 생겨 반응 생성물이 생성된다. 생성된 반응 생성물은, 배기관 (231)으로부터 처리실 (201)의 외부로 배기된다. 이와 같이 하여, 퇴적물이 제거(에칭)되고 처리실 (201)내의 클리닝이 수행된다.
미리 설정된 회수만큼만 상기 사이클이 수행되면, 처리실 (201)내를 진공 배기하고, 그 후, 처리실 (201)내에 N2등의 불활성 가스를 공급하면서 배기하고, 처리실 (201)내를 퍼지 한다. 처리실 (201)내를 퍼지 한 후, 처리실 (201)내부는 N2등의 불활성 가스로 치환된다.
한편 상기 사이클 에칭에 의한 클리닝의 처리 조건으로서는,
처리 온도：300~600℃, 바람직하게는 400~450℃,
제1 압력：1. 33~13300 Pa,
제2 압력：13. 3~66500 Pa, 바람직하게는 13300~26600 Pa,
BCl3 공급 유량：0. 1~10 slm,
O2공급 유량：0. 1~10 slm,
산소 농도[O2/(BCl3＋O2)]：7%미만, 바람직하게는 3%이상 5%이하, 보다 바람직하게는 4%이하,
가스 공급 시간(천이 시간)：0. 1~15 min,
가스 봉입 시간(봉입 시간)：0. 1~15 min,
배기 시간：0. 1~10 min,
사이클수：1~100회,
가 예시되고, 각각의 클리닝 조건을, 각각의 범위 내에 있는 값으로 일정하게 유지함으로써 클리닝이 이루어진다.
처리실 (201)내의 클리닝이 완료하면, 다시 상술한 웨이퍼 (200)에 대한 고유전율막의 성막을 실시한다. 즉, 복수매의 웨이퍼 (200)가 장전된 보트 (217)를 처리실 (201)내에 반입하고, 스텝 1~4를 반복해 웨이퍼 (200)상에 고유전율막을 형성하고, 처리 후의 웨이퍼 (200)를 장전한 보트 (217)를 처리실 (201)외부로 반출한다. 한편 이러한 고유전율막의 성막을 반복하여, 프로세스 튜브 (203)의 내벽 등에 부착한 막의 두께가 소정의 두께에 이르면, 다시 상술한 클리닝을 실시한다.
(5) 본 실시예에 따른 효과
본 실시예에 의하면, 이하에 열거한 1개 또는 그 이상의 효과를 얻는다.
본 실시예에 따른 클리닝 방법에서는, 프로세스 튜브 (203)의 내벽 등에 부착한 막의 막후가 소정의 두께에 이른 시점에서, 프로세스 튜브 (203)내의 클리닝을 실시해, 처리실 (201)내에 부착한 HfO2막을 포함한 퇴적물을 제거하고 있다. 그 결과, HfO2막의 성막중에 처리실 (201)내에 부착한 퇴적물이 박리해서 HfO2막내에 혼입해 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 클리닝 방법에서는, 플라즈마를 이용하지 않고 열에만 의해 클리닝 가스를 여기하여 처리실 (201)내에 부착한 퇴적물을 에칭 하고 있다. 즉, 클리닝 가스를 여기하기 위한 플라즈마 발생원을 기판 처리 장치에 별도 준비할 필요가 없어, 기판 처리 장치의 제조 코스트 및 반도체 장치의 제조 코스트를 절감 할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 클리닝 방법에서는, 서멀 에칭에 의한 클리닝을 실시할 때에, 산소 농도나, 처리 온도나, 압력 등의 제반조건을 상술한 범위로 하고 있다. 그 결과, HfO2막에 대한 에칭 레이트를 높여 처리실 (201)내에 부착한 HfO2막을 포함한 퇴적물을 고속으로 제거하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 클리닝 방법에서는, 처리실 (201)내에 클리닝 가스를 봉입한 상태를 소정 시간 유지함으로써 에칭을 실시하고 있다. 즉, 처리실 (201)내에 클리닝 가스를 공급한 후, 가스 공급계 및 배기계를 봉지해, 클리닝 가스의 공급 및 배기를 일시적으로 정지하고 있다. 그 결과, 클리닝 가스의 사용량을 삭감하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에 따른 클리닝 방법에서는, 클리닝 가스의 간헐적 공급·배기에 의해 에칭 처리를 실시하고 있다. 즉, 상술의 스텝 C1~C4를 1사이클로 하고, 이 사이클을 소정 회수 반복하는 것으로 클리닝을 실시하고 있다. 그 때문에, 1사이클당 에칭량을 미리 확인해 둠으로써, 사이클수에 근거해 총에칭량을 정확하게 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에 따른 클리닝 방법에서는, 클리닝 가스의 봉입 시간을 상술의 범위로 하고 있다. 그 결과, 1 사이클 마다의 에칭 레이트를 안정시키는 것이 가능해져, 사이클수에 근거해 총에칭량을 보다 정확하게 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에 따른 클리닝 방법에서는, 처리 온도를 상술의 범위로 하고 있다. 상술한 것처럼, BCl3와 O2를 포함한 클리닝 가스를 이용한 서멀 에칭에서는, 처리 온도(비에칭면의 온도)를 높이는 것으로 에칭의 선택비(HfO2막의 에칭 레이트/석영 유리의 에칭 레이트)를 높이는 것이 가능해진다. 즉, 처리실 (201)을 구성하는 프로세스 튜브 (203)에의 데미지를 저감 시키는 것이 가능해진다.
＜본 발명의 다른 실시 형태＞
상기 실시예에서는, 고유전율막으로서 HfOy막(산화 하프늄막)을 성막 하는 예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면 이외에, ZrOy막(산화 지르코늄막), AlxOy막(산화 알루미늄막), HfSixOy막(하프늄 실리케이트막), HfAlxOy막(하프늄 알루미네이트막), ZrSixOy막(지르코늄 실리케이트막) 및 ZrAlxOy막(지르코늄 알루미네이트막)(x 및 y는 0보다 큰 정수 또는 소수)을 성막 하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, ALD법에 의해 고유전율막을 형성하는 예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, CVD(Chemical　 Vapor　Deposition) 법, 특히 MOCVD(Metal　Organic　Chemical　Vapor　Deposition) 법에 의해 고유전율막을 형성하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 클리닝 시에, 할로겐계 가스로서 BCl3를 이용하는 예에 대해 설명했지만, 할로겐계 가스로서는, 예를 들면 이외에, HCl, Cl2, SiCl4, HBr, BBr3, SiBr4 및 Br2등을 이용해도 괜찮다. 할로겐계 가스로서는, 고유전율 산화물을 휘발성이 높은 화합물로 전화(轉化)시키기 쉽다는 성질을 가지는 점으로부터, BCl3, HCl, Cl2, SiCl4, HBr, BBr3, SiBr4 및 Br2로부터 구성되는 군으로부터 선택되는 한 종류 이상의 가스인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 환원성 혹은 산소를 인발하는 성질을 가진다는 점에서, BCl3가 보다 바람직하다. 할로겐계 가스를 이용함으로써, 상기 고유전율 산화물로 된 퇴적물 또는 부착물을, 할로겐화합물(HfCl4, HfBr4, AlCl3, AlBr3, ZrCl4, ZrBr4, SiCl4, SiBr4등)로 전화시킬 수 있고, 이러한 할로겐화합물은 휘발성이 높기 때문에, chamber(처리실) 내로부터 이것들을 용이하게 제거할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 클리닝 시에, 첨가제로서 O2를 이용하는 예에 대해 설명했지만, 첨가제로서는, 예를 들면 이외에, O3, H2O, H2O2, COx, SOx, NxO, NOx (x는 1이상의 정수) 등의 산소계 가스를 이용해도 괜찮다. 또한, 산소계 가스로서 는, O2, O3, H2O, H2O2, COx, SOx, NxO, NOx (x는 1이상의 정수)로 구성되는 군으로부터 선택되는 한 종류 이상의 가스인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 산소 래디칼을 생성하기 쉽다는 점에서 O2가 보다 바람직하다.
＜본 발명의 바람직한 모양＞
이하에, 본 발명의 바람직한 모양에 대해 부기한다.
본 발명의 하나의 실시례에 따르면, 처리실 내에 기판을 반입하는 공정과 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하여 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 공정과, 처리 후의 기판을 상기 처리실 내로부터 반출하는 공정과, 상기 처리실 내에 할로겐계 가스와 산소계 가스를 공급하여 상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정을 포함하고, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 7%미만으로 하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 3%이상 5%이하로 한다. 한층 더 바람직하게는, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 4%이하로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 처리실 내에 상기 할로겐계 가스와 상기 산소계 가스를 공급하여 봉입하는 공정과, 상기 처리실 내를 진공 배기하는 공정을 1 사이클로 하고 이 사이클을 여러 차례 반복한다.
또한 바람직하게는, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 처리실 내를 진공 배기하여 상기 처리실 내의 압력을 제1 압력으로 하는 공정과, 상기 제 1 압력으로 된 상기 처리실 내에 상기 할로겐계 가스와 상기 산소계 가스를 공급하여 상기 처리실 내의 압력을 제2 압력으로 하고, 그 상태에서 상기 처리실 내를 봉지함으로써, 상기 할로겐계 가스와 상기 산소계 가스를 상기 처리실 내에 봉입하는 공정을 1 사이클로 하고, 이 사이클을 여러 차례 반복한다.
또한 바람직하게는, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 처리실 내의 온도를 400℃이상 600℃이하로 하고, 상기 처리실 내의 압력을 13300 Pa이상 66500 Pa이하로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 처리실 내의 온도를 400에서 450℃으로 하고, 상기 처리실 내의 압력을 13300~26600 Pa로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 할로겐계 가스는, 붕소(B)와 할로겐 원소를 포함한 가스이다. 한층 더 바람직하게는, 상기 할로겐계 가스는, 붕소(B)와 염소(Cl)를 포함한 가스이다. 한층 더 바람직하게는, 상기 할로겐계 가스는, BCl3, HCl, Cl2, SiCl4, HBr, BBr3, SiBr4 및 Br2로부터 구성되는 군으로부터 선택되는 한 종류 이상의 가스이다. 한층 더 바람직하게는, 상기 할로겐계 가스는 BCl3이다.
또한 바람직하게는, 상기 산소계 가스는 O2이다. 한층 더 바람직하게는, 상기 산소계 가스는, O2, O3, H2O, H2O2, COx, SOx, NxO, NOx (x는 1이상의 정수)로부터 구성되는 군으로부터 선택되는 한 종류 이상의 가스이다. 한층 더 바람직하게는, 상기 할로겐계 가스는 BCl3이며, 상기 산소계 가스는 O2이다.
또한 바람직하게는, 상기 고유전율막은, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 한 개의 원소를 포함한 막이다. 한층 더 바람직하게는, 상기 고유전율막은, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 한 개의 원소를 포함한 산화막이다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 처리실과, 상기 고유전율막을 형성하는 처리 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 처리 가스 공급계와, 상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 할로겐계 가스와 산소계 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 클리닝 가스 공급계와, 상기 처리실 내를 클리닝 할 때, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도가 7%미만이 되도록 상기 클리닝 가스 공급계를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.
도면 1에 있어서,　(a)는 서멀 에칭의 평가에 이용한 실험장치의 개략 구성도이며, (b)는 서멀 에칭의 평가방법을 나타내는 플로우도.
도면 2는　에칭 레이트의 봉입 시간 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도.
도면 3은　에칭 레이트의 산소 농도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이며, (a)는 서멀 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타내는 도면, (b)는 플라즈마 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타내는 도면.
도면 4는　서멀 에칭에 있어서의 에칭 레이트의 온도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이며, (a)는 BCl3에 O2를 첨가했을 경우의 평가 결과를 나타내는 도면, (b)는 BCl3를 단독으로 이용했을 경우의 평가 결과를 나타내는 도면.
도면 5는　에칭 레이트의 진공도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이며, (a)는 서멀 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타내는 도면, (b)는 플라즈마 에칭에 있어서의 평가 결과를 나타내는 도면.
도면 6에 있어서　(a)는 서멀 에칭에 있어서의 선택비의 온도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도이며, (b)는 플라즈마 에칭에 있어서의 선택비의 진공도 의존성에 관한 평가 결과를 나타내는 그래프도.
도면 7은　본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치의 경사 투시도.
도면 8은　본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치의 측면 투시도.
도면 9는　본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치의 처리로의 종단면도.
도면 10은　도면 9에 나타내는 처리로의 A－A선 단면도.
도면 11은　각종 결합 에너지의 일람을 나타내는 도면.
<부호의 설명>
101 : 기판 처리 장치
200 : 웨이퍼(기판)
201 : 처리실
232a : 제1 가스 공급관(처리 가스 공급계)
232b : 제2 가스 공급관(처리 가스 공급계)
232c : 제3 가스 공급관(클리닝 가스 공급계)
232d : 제4 가스 공급관(클리닝 가스 공급계)
280 : 콘트롤러

Claims (8)

  1. 처리실 내에 기판을 반입하는 공정과,
    상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하여 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 공정과,
    처리 후의 기판을 상기 처리실 내로부터 반출하는 공정과,
    상기 처리실 내에 할로겐계 가스와 산소계 가스를 공급하여 상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정
    을 포함하고,
    상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 7%미만으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 3%이상 5%이하로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도를 4%이하로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,　상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 처리실 내에 상기 할로겐계 가스와 상기 산소계 가스를 공급하여 봉입하는 공정과, 상기 처리실 내를 진공 배기하는 공정을 1 사이클로 하고, 이 사이클을 복수 회 반복하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,　상기 처리실 내를 클리닝 하는 공정에서는, 상기 처리실 내의 온도를 400℃이상 600℃이하로 하고, 상기 처리실 내의 압력을 13300Pa이상 66500Pa이하로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,　상기 할로겐계 가스는, BCl3, HCl, Cl2, SiCl4, HBr, BBr3, SiBr4, Br2로 구성되는 군으로부터 선택되는 한 종류 이상의 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,　상기 산소계 가스는, O2, O3, H2O, H2O2, COx, SOx, NxO, NOx(x는 1이상의 정수)로 구성되는 군으로부터 선택되는 한 종류 이상의 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 기판상에 고유전율막을 형성하는 처리를 실시하는 처리실과,
    상기 고유전율막을 형성하는 처리 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 처리 가스 공급계와,
    상기 처리실 내에 부착한 상기 고유전율막을 포함한 퇴적물을 제거해 상기 처리실 내를 클리닝 하는 할로겐계 가스와 산소계 가스를 상기 처리실 내에 공급하는 클리닝 가스 공급계와,
    상기 처리실 내를 클리닝 할 때에, 상기 할로겐계 가스 및 상기 산소계 가스에 대한 상기 산소계 가스의 농도가 7%미만이 되도록 상기 클리닝 가스 공급계를 제어하는 콘트롤러
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
KR1020070121299A 2007-11-16 2007-11-27 반도체 장치의 제조 방법 및 기판 처리 장치 KR101422651B1 (ko)

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