KR20100087248A

KR20100087248A - 고유전체막을 형성하기 위한 종형 열처리 장치와 그 구성 부품 및, 보온통

Info

Publication number: KR20100087248A
Application number: KR1020100003508A
Authority: KR
Inventors: 카츠토시 이시이; 요시히로 이시다; 카츠시게 하라다; 하루히코 후루야
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2010-08-04
Also published as: US20100186667A1; CN101800162A; TW201041065A; JP2010171343A; KR101264786B1; JP5088331B2

Abstract

금속 산화물로 이루어지는 고(高)유전체막을 퇴적에 의해 형성하기 위한 종형(vertical) 열처리 장치는, 복수의 피처리 기판을 상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 수납하도록 구성된 반응 용기와, 반응 용기 내에서 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 반응 용기 내의 피처리 기판을 가열하는 히터와, 반응 용기 내를 배기하는 배기계와, 반응 용기 내로 금속 소스 가스 및 산화 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하고, 가스 공급계는, 반응 용기 내에 설치된 가스 노즐을 포함하고, 가스 노즐은, 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어진다.

Description

고유전체막을 형성하기 위한 종형 열처리 장치와 그 구성 부품 및, 보온통{VERTICAL HEAT PROCESSING APPARATUS, COMPONENT FOR SAME, AND HEAT-INSULATING CYLINDER FOR SAME, FOR FORMING HIGH DIELECTRIC CONSTANT FILM}

본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피(被)처리 기판상에 고(高)유전체막을 퇴적에 의해 형성하기 위한 종형(vertical) 열처리 장치 및 그 구성 부품에 관한 것으로, 특히 반도체 처리 기술에 관한 것이다. 여기에서, 반도체 처리란, 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용의 유리 기판 등의 피처리 기판상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 당해 피처리 기판상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 여러 가지의 처리를 의미한다.

반도체 웨이퍼(이하, 단순히 웨이퍼라고 하는 경우도 있음) 등의 피처리 기판 표면에 열처리를 행하는 반도체 디바이스 제조 장치로서, 소위 배치 로(batch furnace)인 핫월(hot wall) 타입의 종형 열처리 장치가 있다. 종형 열처리 장치는, 그 주위에 히터가 배치된 예를 들면 석영제의 종형의 반응관으로 이루어지는 반응 용기를 포함한다. 다수매의 웨이퍼를 선반 형상으로 지지한 지지구(holder)인 웨이퍼 보트를 반응관 내로 반입한다. 당해 반응관 내로 처리 가스를 공급함과 함께, 히터에 의해 반응관을 가열함으로써, 웨이퍼에 대하여 일괄하여 열처리를 행한다.

종형 열처리 장치에 의해 행해지는 열처리로서 CVD(Chemical Vapor Deposition), 예를 들면 감압 CVD, ALD(Atomic Layer Depositon), MLD(Molecular Layer Deposition)에 의한 성막 처리가 있다. ALD나 MLD 방식은, 소스 가스와 반응 가스를 번갈아 공급하면서, 원자 혹은 분자 레벨의 두께의 층을, 1층 혹은 수층씩 반복하여 성막 적층함으로써, 소정의 두께를 갖는 막을 형성하는 방법이다.

종형 열처리 장치의 반응관의 내부에는, 열처리용의 각종의 구성 부품(이하, 단순히 「구성 부품」이라고 하는 경우도 있음)이 배치되어 있다. 구성 부품의 예는, 소스 가스나 반응 가스 등의 처리 가스를 공급하기 위한 가스 인젝터(가스 노즐이라고도 함), 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 보트, 반응관 내의 온도를 계측하는 열전대(thermocouple) 등의 온도 검출 부재를 수납한 보호관이다. 종래, 이들 구성 부품은, 예를 들면 석영제로 이루어지고, 이것은, 프리커서(precursor) 즉 소스 가스나 산화 가스 등의 반응 가스에 의한 부식이나 성막되는 막으로의 불순물의 혼입을 방지하기 위한 것이다.

그러나, 후술하는 바와 같이, 본 발명자들에 의하면, 종래의 이 종류의 종형 열처리 장치에서는, 장치의 수명이나 파티클 발생에 관한 장치의 특성의 점에서 개선의 여지가 있다는 것이 발견되고 있다.

본 발명은, 장치의 수명이나 파티클 발생에 관한 장치의 특성을 향상시키는 것이 가능한 고유전체막을 형성하기 위한 종형 열처리 장치 및 그 구성 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 실시 형태는, 금속 산화물로 이루어지는 고유전체막을 퇴적에 의해 형성하기 위한 종형 열처리 장치로서, 복수의 피처리 기판을 상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 수납하도록 구성된 반응 용기와, 상기 반응 용기 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 상기 반응 용기 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와, 상기 반응 용기 내를 배기하는 배기계와, 상기 반응 용기 내로 금속 소스 가스 및 산화 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하고, 상기 가스 공급계는, 상기 반응 용기 내에 설치된 가스 노즐을 포함하고, 상기 가스 노즐은, 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어진다.

본 발명의 제2 실시 형태는, 복수의 피처리 기판을 상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 수납하는 반응 용기를 히터에 의해 가열함과 함께, 상기 반응 용기 내로 금속 소스 가스 및 산화 가스를 공급하여, 상기 피처리 기판상에 금속 산화물로 이루어지는 고유전체막을 퇴적 형성하기 위한 종형 열처리 장치에 이용되는 구성 부품으로서, 상기 구성 부품은 상기 반응 용기 내에 설치되도록 구성되고 그리고 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어진다.

본 발명의 제3 실시 형태는, 상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 지지구(holder)에 지지된 복수의 피처리 기판을 수납하는 반응 용기를 히터에 의해 가열함과 함께, 상기 반응 용기 내로 금속 소스 가스 및 산화 가스를 공급하여, 상기 피처리 기판상에 금속 산화물로 이루어지는 고유전체막을 퇴적 형성하기 위한 종형 열처리 장치에 있어서, 상기 반응 용기의 하단(下端)에 형성된 로드 포트(load port)를 폐쇄하는 덮개체와 상기 지지구와의 사이에 배치되는 보온통(heat-insulating cylinder)으로서, 복수의 지주(pole brace)와, 상기 지주의 상단(上端)을 고정하는 천판(top plate)과, 상기 지주의 하단을 고정하는 저판(bottom plate)을 포함하고, 상기 지지구를 올려놓도록 구성된 대좌와, 상기 천판의 하측에서 상기 지주에 부착된 복수매의 핀(fin)과, 상기 핀은, 상기 반응 용기 내에 있어서의 상하 방향에 있어서의 열의 전달을 방지하기 위한 방해판(baffle plate)으로서 구성되는 것을 구비하고, 상기 지주 및 상기 천판은 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지고, 상기 핀은 불투명한 석영제로 이루어진다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치의 종단 측면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 종형 열처리 장치의 가스 공급계 및 배기계를 나타내는 설명도이다.
도 3a는 도 1에 나타내는 종형 열처리 장치에 설치된 가스 인젝터의 접속 상태를 나타내는 확대 종단면도이다.
도 3b는 도 1에 나타내는 종형 열처리 장치에 있어서의, 온도 센서를 피복하는 보호관과 반응관의 외관 및 내관과의 관계를 나타내는 확대 종단면도이다.
도 4는 석영 구성 부재상에 퇴적한 고유전체막에 막 벗겨짐이 발생한 모습을 찍은 사진의 확대 이미지를 나타내는 도면이다.
도 5는 석영 구성 부재상에 퇴적한 고유전체막의 막 벗겨짐에 수반하여 석영 구성 부재에 크랙이 발생한 모습을 찍은 사진의 확대 이미지를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관련하는 여러 가지 재료의 선열팽창 계수 (CLE)를 나타내는 도표이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명자들은, 본 발명의 개발의 과정에서, 종래의 종형 열처리 장치가 안고 있는 문제에 대해서 연구했다. 그 결과, 본 발명자들은, 이하에 기술하는 바와 같은 인식을 얻었다.

즉, 반도체 디바이스의 고집적화나 미세화에 대응하여, 반도체 디바이스에서 사용되는 절연막, 예를 들면 MOS―FET의 게이트 절연막은, 동(同)막을 통과하는 리크 전류를 저감하는 것이 요구되고 있다. 이러한 관점에서, 종래의 실리콘 산화막을 대신하여, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 등의, 실리콘 산화물보다도 유전율이 높은 금속 산화물로 이루어지는 막(고유전체막)을 사용하는 것이 연구되고 있다.

한편, 종형 열처리 장치로 성막을 행하면, 반응관의 내부에 설치된 구성 부품도 처리 가스와 접함과 함께 히터에 의해 가열되는 점에서, 웨이퍼뿐만 아니라, 이들 구성 부품상에도 막이 퇴적한다. 상기의 고유전체막은, 석영과의 밀착성이 높고, 또한 석영과 조성이 동일한 실리콘 산화막과는 달리, 예를 들면 석영의 15배∼20배 가까운 선열팽창 계수를 갖고 있다. 이러한 고유전체막이 석영 구성 부품상에 퇴적하여 서서히 막두께를 증가시키면, 예를 들면 웨이퍼 보트의 반입출시에 있어서의 반응관 내 및 웨이퍼 보트측의 급격한 온도 변화에 의해 고유전체막으로부터 석영 구성 부품에 큰 응력이 가해진다. 특히 도 4에 나타내는 바와 같이 고유전체막의 막 벗겨짐이 일어날 때에 석영 구성 부품에 과대한 응력이 가해진다. 그 결과, 도 5에 나타내는 바와 같이 석영 구성 부품에 크랙이 생겨, 기계적 강도가 현저하게 저하하여, 조기의 파손에 이른다.

일본공개특허공보 제2008―28307호에는, 가스 인젝터나 웨이퍼 보트 등의 구성 부품을 탄화 규소제 또는 실리콘제로 한 종형 열처리 장치가 기재된다. 그러나, 이들 구성 부품의 선열팽창 계수는, 앞서 설명한 고유전체막의 반 정도밖에 안 되어, 구성 부품상에 형성된 고유전체막으로부터 구성 부품이 받는 응력의 영향을 충분히 저감할 수 없다.

이하에, 이와 같은 인식에 기초하여 구성된 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 붙여, 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치의 종단 측면도이다. 도 2는 도 1에 나타내는 종형 열처리 장치의 가스 공급계 및 배기계를 나타내는 설명도이다. 이 성막 장치는, ALD나 MLD 방식을 이용하여, 복수의 반도체 웨이퍼(W)상에 금속 산화물로 이루어지는 고유전체막을 퇴적에 의해 형성하는 배치(batch)식의 종형 열처리 장치로서 구성된다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 종형 열처리 장치(1)는, 웨이퍼(W)상으로의 성막을 행하기 위한 반응 용기인 반응관(2)을 구비한다. 반응관(2)을 포위하도록, 반응관(2) 내의 분위기 및 웨이퍼(W)를 가열하기 위해, 단열 커버(31) 및 히터(3)가 설치된다. 반응관(2)은 상단이 폐색(close)된 외관(21) 내에, 상하 양단이 개구한 내관(22)을 격납한 이중관 구조를 갖는다. 이들 외관(21) 및 내관(22)은 히터(3)로부터의 복사 에너지를 효율적으로 투과할 수 있도록 예를 들면 투명한 석영 혹은 탄화 규소에 의해 구성된다.

히터(3)는 전력 공급부(도시하지 않음)로부터 공급되는 전력을 후술의 제어부(7)에서 제어함으로써 반응관(2) 내의 온도를 컨트롤할 수 있다. 히터(3)는, 예를 들면 단열 커버(31)의 내벽을 따라 상하 방향으로 분할하여 설치된 복수의 히터 부분으로 이루어지고, 복수의 가열 존을 형성한다. 도 3b에 나타내는 바와 같이, 외관(21)과 내관(22)과의 사이에는, 상기 존마다 온도 측정하는 복수의 온도 센서(35)가 상하 방향으로 간격을 두고 설치된다. 온도 센서(35)는 열전대 등으로 이루어지고, 내관(22)의 외면을 따라 상하 방향으로 연재(extend)하는 공통의 보호관(36)에 의해 피복된다(온도 센서(35)의 배선류는 도시하지 않음). 보호관(36)은, 후술하는 가스 인젝터(42, 43)와 동일한 구조에 의해 반응관(2)의 외측에 도출된다. 각 온도 센서(35)의 검출치를 참조하여 히터(3)의 복수의 히터 부분의 설정 온도가 개별로 제어된다. 온도 센서(35) 및 보호관(36)은 내관(22)의 내측에 설치되는 경우도 있다.

외관(21) 및 내관(22)의 하단은 통 형상의 매니폴드(45)에 의해 지지된다. 단열 커버(31) 및 매니폴드(45)는 베이스 플레이트(32)에 고정된다. 매니폴드(45)의 하단 개구부(로드 포트)는, 덮개체(46)에 의해 막을 수 있다. 덮개체(46)는 보트 엘리베이터(51)에 부착되어, 이에 의해 승강됨으로써 매니폴드(45)의 개구부의 개폐가 행해진다. 보트 엘리베이터(51)에는, 승강시켰을 때의 충격을 흡수하기 위한 스프링(54)이 설치된다.

덮개체(46)의 중앙부에는 회전축(53)이 관통하며, 이 회전축(53)의 상단측에는 보온통(44)이 접속되고, 하단측은 보트 엘리베이터(51)에 설치된 회전 구동부(52)와 접속된다. 보온통(44)은 웨이퍼 보트(41)를 지지하여 이것을 반응관(2) 내의 소정의 영역에 위치시키는 역할과, 로드 포트를 통하여 반응관(2) 내로부터 방열되는 것을 방지하는 역할을 한다. 보온통(44)은, 웨이퍼 보트(41)를 올려놓는 대좌(pedestal; 442)와 이것에 부착된 중실 원판 형상의 복수매의 수평핀(horizontal fin; 441)을 구비한다. 핀(441)은 반응관(2) 내에 있어서 상하 방향에 있어서의 열의 전달을 방지하기 위한 방해판(baffle plate)으로서 구성되고, 각각 열전달성이 낮은 재료, 예를 들면 불투명한 석영으로 이루어진다. 대좌(442)의 프레임은, 예를 들면 4개의 지주(pole brace; 442a)와 지주(442a)의 상단, 하단을 고정하는 천판(442b) 및 저판(442c)으로 이루어진다. 대좌(442)의 저판(442c)은 기술한 회전축(53)에 접속된다. 핀(441)은 지주(442a)에 상하 방향으로 간격을 두고 고정된다.

보온통(44)의 대좌(442)의 천판상에는, 웨이퍼 지지구인 웨이퍼 보트(41)가 올려놓여진다. 웨이퍼 보트(41)는, 복수매 예를 들면 125매의 웨이퍼(W)를 상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 (선반 형상으로) 지지할 수 있도록, 다수의 홈(슬롯)이 형성된 예를 들면 4개의 지주(41a)를 구비한다. 지주(41a)의 상단 및 하단은, 웨이퍼 보트(41)의 천판(41b) 및 저판(41c)에 각각 접속된다. 회전축(53)을 회전시킴으로써, 웨이퍼 보트(41)를 이에 지지된 웨이퍼(W)와 함께 반응관(2) 내에서 수평으로 회전시킬 수 있다.

매니폴드(45)에는 배기 라인(630)이 접속된다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 이 배기 라인(630)에는 압력 조정부(632)를 통하여 진공 펌프(631)가 접속된다. 진공 펌프(631)는 외관(21)과 내관(22)과의 사이에 형성되는 원통 형상의 공간을 통하여 반응관(2) 내를 배기하여, 반응관(2) 내를 진공 분위기로 유지하는 역할을 한다. 압력 조정부(632)는, 예를 들면 압력 조절 밸브로 구성되고, 당해 조절 밸브의 개도를 조절함으로써 반응관(2) 내의 압력을 조절할 수 있다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 매니폴드(45)에는, 고유전체막의 금속 소스가 되는 가스 형상의 프리커서(precursor)를 공급하기 위한 프리커서 공급 라인(610)이 접속된다. 또한, 매니폴드(45)에는, 이 프리커서와 반응시키는 산화 가스를 공급하기 위한 산화 가스 공급 라인(620)이 접속된다. 프리커서 공급 라인(610)에는, 상류측으로부터 순서대로, 프리커서 공급부(61), 유량이나 공급압 등을 조절하기 위한 매스플로우 컨트롤러(MFC1) 및, 밸브(V1)가 설치된다. 프리커서 공급부(61)는, 프리커서의 저류부나 그 기화기 등으로 이루어진다. 프리커서 공급 라인(610)은, 매니폴드(45)의 몸체부(body)를 통하여 프리커서 인젝터(42)와 접속된다.

프리커서 공급부(61)로부터 공급되는 프리커서로서는, 이하의 것을 예시할 수 있다. 알루미늄 산화물을 포함하는 고유전체막을 성막하는 경우에는, TMA[트리 메틸알루미늄]을 사용할 수 있다. 지르코늄 산화물을 포함하는 고유전체막을 성막하는 경우에는, TEMAZ[테트라키스에틸메틸아미노지르코늄]을 사용할 수 있다. 하프늄 산화물을 포함하는 고유전체막을 성막하는 경우에는, TEMHF[테트라키스에틸메틸아미노하프늄]을 사용할 수 있다. 티탄 산화물을 포함하는 고유전체막을 성막하는 경우에는, TiCl4를 사용할 수 있다.

산화 가스 공급 라인(620)에는, 상류측으로부터 순서대로, 산화 가스 공급부(62), 매스플로우 컨트롤러(MFC2) 및, 밸브(V2)가 설치된다. 산화 가스 공급부(62)는, 산화 가스인 산소나 오존 등을 공급하기 위한 산소 봄베나 오존 발생 장치 등으로 이루어진다. 산화 가스 공급 라인(620)은, 매니폴드(45)의 몸체부를 통하여 산화 가스 인젝터(43)와 접속된다.

프리커서 인젝터(42) 및 산화 가스 인젝터(43)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 반응관(2) 내에 설치된다. 이들 인젝터(42, 43)는 거의 동일한 구성을 구비하기 때문에, 이하에 프리커서 인젝터(42)를 예를 들어 설명한다. 인젝터(42)는, 선단이 닫혀진 가늘고 긴 관에, 웨이퍼 보트(41)상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 간격을 두고 다수의 가스 분사공(gas delivery hole; 421)이 형성된, 소위 가스 분산 노즐로 이루어진다. 인젝터(42)는, 웨이퍼 보트(41)와 내관(22)과의 사이의 공간에, 거의 수직으로 신장하도록 설치된다.

인젝터(42)의 가스 분사공(421)은, 웨이퍼 보트(41)에 지지된 각 웨이퍼(W)에 대응하는 높이 위치에 있어서, 웨이퍼 보트(41)의 측주(peripheral side)와 대향하도록, 상하 방향으로 1열로 개구한다. 가스 분사공(421)으로부터의 가스는, 반응관(2)의 중심을 향하여 흘러나와, 웨이퍼(W)에 대하여 층류 상태(laminar flow state)로 공급된다. 「웨이퍼(W)에 대응하는 높이 위치」라는 표현은, 각 가스 분사공(421)의 높이 위치가 웨이퍼 보트(41)에 지지된 각 웨이퍼(W)의 높이 위치와 엄밀하게 일치하는 경우로 한정되지 않는다. 예를 들면 이들 높이 위치가 상하 방향으로 수 ㎜ 어긋나 있어도 좋고, 또한 예를 들면 웨이퍼(W) 매수마다 하나의 가스 분사공(421)을 형성하도록 구성해도 좋다.

도 3a에 나타내는 바와 같이, 인젝터(42)의 하단측은, 매니폴드(45)에 접속된 분기관 형상의 접속 포트(451) 내로 연재한다. 인젝터(42)는 이 접속 포트(451)의 높이 위치에서 L자 형상으로 절곡(bend)되어, 접속 포트(451) 내로 삽입된다. 접속 포트(451)로 삽입된 인젝터(42)의 단부는 당해 접속 포트(451)로부터 튀어나와, 조인트관(452)을 통하여 기술한 프리커서 공급 라인(610)의 배관과 접속된다.

구체적으로는, 조인트관(452)에는 내면에 나사부(screw portion)가 형성된다. 또한 접속 포트(451)의 외면에도 이에 대응한 나사부가 형성된다. 인젝터(42)의 단부가 튀어나온 상태의 접속 포트(451)로, 프리커서 공급 라인(610)의 배관의 단부가 내삽된 상태의 조인트관(452)이 나사결합된다. 이에 따라, 인젝터(42)의 단부와 프리커서 공급 라인(610)의 단부를 대향시킨 상태에서 양 부재가 접속된다. 인젝터(42)의 단부와 접속 포트(451)와의 기밀(airtight)을 유지하기 위해, O 링(453)이 설치된다.

한편, 산화 가스 인젝터(43)에 대해서도 전술한 프리커서 인젝터(42)와 거의 동일하게 구성된다. 산화 가스 인젝터(43)의 하단부는 도 3a에 나타내는 바와 같이 매니폴드(45)에 설치된 다른 접속 포트(451)로 내삽되어, 조인트관(452)을 통하여 산화 가스 공급 라인(620)을 구성하는 배관과 접속된다.

인젝터(42, 43)는, 티탄을 주성분으로 하는(50중량％를 넘는 것을 의미함) 금속(순 금속이나 합금)으로 이루어진다. 이것은, 반응관(2) 내에서의 성막에 수반하여 이들 인젝터(42, 43)의 표면에 퇴적하는 고유전체의 막의 신축에 기인하는 응력의 영향을 억제하기 위한 것이다. 도 6은 본 발명의 실시 형태에 관련하는 여러 가지 재료의 선열팽창 계수(CLE)를 나타내는 도표이다. 구체적으로는, 도 6은 알루미늄 산화물계, 지르코늄 산화물계, 하프늄 산화물계, 티탄 산화물계의 고유전체, 순 티탄, 티탄 합금(티탄 96중량％, 알루미늄 4중량％) 및, 석영(종래의 인젝터 재료)의 데이터를 나타낸다. 또한, 각 재료의 선열팽창 계수(CLE)에 온도 의존성이 있는 경우에는, 각 고유전체막의 성막시에 인젝터(42, 43)가 노출되는 온도 범위에 있어서의 평균치를 나타낸다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 석영은, 이들 고유전체와 비교하여 선열팽창 계수(CLE)가 20분의 1∼10분의 1 정도밖에 안 되고, 온도 변화에 대하여 거의 신축하지 않는다. 이 때문에, 석영상에 고유전체의 막이 퇴적하고, 이 막이 온도 변화에 의해 신축하면, 당해 막으로부터의 응력을 받은 석영에 크랙이 생길 우려가 있다.

이에 대하여 순 티탄이나 티탄 합금은, 전술한 각종 고유전체와의 선열팽창 계수의 차이가 크게 산술해도 ―10％∼＋25％ 정도의 범위이다. 즉, 순 티탄이나 티탄 합금은, 주위의 온도 변화에 따라 이들 고유전체와 거의 동일한 정도로 신축한다고 하는 특징을 갖고 있는 것이 도 6으로부터 이해된다. 이 때문에, 각 인젝터(42, 43)를 순 티탄이나 티탄 합금으로 구성하면, 인젝터(42, 43)상에 고유전체가 퇴적하고, 주위의 온도가 변화해도, 고유전체의 막과 거의 동일한 정도로 인젝터(42, 43)를 신축시킬 수 있다.

이와 같이, 티탄을 주성분으로 하는 인젝터(42, 43)는, 표면에 퇴적한 고유전체로부터의 응력을 거의 받는 일이 없거나, 응력을 받았다고 해도, 그 크기는 석영제의 인젝터가 받는 응력에 비하여 훨씬 작다. 또한, 인젝터(42, 43)에 크랙이 생길 가능성이 낮기 때문에, 기계적 강도의 저하나 조기의 파손과 같은 사태에 이를 우려도 적다.

이와 같은 이점에 더하여, 티탄이나 티탄 합금은 산소와의 친화력이 매우 강하기 때문에, 산화 분위기에서 가열 처리를 행하면 그 표층에 산화막으로 이루어지는 부동태막(passivation film)이 형성된다. 이 표면을 피복하는 부동태막에 의해 각 인젝터(42, 43)의 내부식성이나 내산화성을 높이고, 또한 고유전체막으로의 컨태미네이션의 발생도 피할 수 있다. 예를 들면, 부동태막은, 종형 열처리 장치(1)를 처음으로 성막에 사용하기 전에, 산화 가스 공급부(62)로부터 산소나 오존 등의 산화 가스를 공급하면서, 히터(3)에 의해 반응관(2)을 400℃∼700℃ 정도로 30분에서 120분 정도 가열하는 것 등에 의해 형성할 수 있다. 또한, 이 방법으로는, 프리커서 인젝터(42)의 내측은 산화 가스 인젝터(43)측으로부터 공급된 산화 가스가 도달하기 어렵다. 이 점에 감안하여, 예를 들면, 프리커서 인젝터(42)의 작성시에 미리 산화 분위기에서 열처리를 행하여, 부동태막이 형성된 상태에서 반응관(2) 내에 배치해도 좋다. 또한 부동태막은 예를 들면 양극 산화 처리에 의해 미리 형성해도 좋고, 다른 방법에 의해 형성해도 좋다. 프리커서 인젝터(42)에는, 외면뿐만 아니라, 예를 들면 프리커서의 열분해 등에 의해 내면측에도 고유전체가 퇴적한다.

도 6에는 알루미늄을 4중량％의 농도로 포함한 티탄 합금이 예시된다. 알루미늄을 포함하는 티탄 합금은, 프리커서에 의한 부식 등에 대한 안정성이 높은 것이 본 발명자들에 의해 확인되고 있다. 그러나, 상기 인젝터(42, 43)의 재료로서 채용 가능한 티탄 합금은 도 6에 나타낸 예에 한정되는 것은 아니며, 티탄을 주성분으로 하는 금속(순 금속이나 합금)이면 좋다. 여기에서 「티탄을 주성분으로 하는 금속」이란, 당해 금속의 선열팽창 계수가 종형 열처리 장치(1)로 성막되는 고유전체의 선열팽창 계수와 가까워질 정도로 티탄을 포함하고 있는 금속을 의미한다. 이에 따라, 이 금속으로 이루어지는 구성 부품과 그 표면에 형성된 고유전체의 막이 거의 동일한 정도로 팽창, 수축함으로써, 고유전체의 막으로부터 구성 부품에 작용하는 응력을 매우 작게 할 수 있다. 이러한 효과는, 티탄의 함유량이 70중량％ 이상인 금속(순 티탄인 경우를 포함함)이면 충분히 얻어질 것이다.

종형 열처리 장치(1)는, 히터(3)의 온도 제어나 압력 조정부(632)의 압력 조정, 매스플로우 컨트롤러(MFC1, MFC2)의 유량 조정 및 보트 엘리베이터(51)의 승강 동작이나 회전 구동부(52)의 회전 구동 동작 등을 제어하는 제어부(7)를 구비한다. 제어부(7)는, 예를 들면 CPU와 프로그램을 기억하는 기억부를 구비한 컴퓨터로 이루어진다. 프로그램에는 당해 종형 열처리 장치(1)를 제어하여 웨이퍼(W)로의 성막을 행하는데 필요한 각종 동작을 지휘하기 위한 스텝(명령)군이 짜여져 있다. 이 프로그램은, 예를 들면 하드 디스크, 컴팩트 디스크, 마그넷 옵티컬 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 격납되고, 그곳으로부터 컴퓨터에 인스톨(install)된다.

이하에, 본 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치(1)에 있어서의 성막 처리에 대해서 설명한다. 우선, 반응관(2) 밖에서 소정 매수의 웨이퍼(W)를 웨이퍼 보트(41)에 선반 형상으로 지지한다. 다음으로, 보트 엘리베이터(51)를 상승시키고, 반응관(2) 내로 웨이퍼(W)를 반입(로드)한다. 이에 따라, 웨이퍼 보트(41)를 소정의 위치에 설정함과 함께 매니폴드(45)의 하단 개구부를 덮개체(46)에 의해 막는다. 다음으로, 메인 밸브(도시하지 않음)를 열고, 진공 펌프(631)에 의해 배기 라인(630)을 통하여 반응관(2) 내를 전부흡인 상태(full throttle)로 한다. 반응관(2) 내의 온도는 예를 들면 웨이퍼 보트(41)가 반입되기 전부터 소정 온도, 예를 들면 200℃∼400℃ 정도로 설정된다.

반응관(2) 내의 승온 및 배기에 의한 온도 및 압력이 안정되면, 소정 유량의 프리커서의 가스(소스 가스)를, 인젝터(42)로부터 예를 들면 수초∼수십 초간 공급한다. 이에 따라, 웨이퍼 보트(41)에 지지된 웨이퍼(W)상에 프리커서의 분자층을 흡착시킨다. 다음으로, 반응관(2)에 공급하는 가스를 전환하여, 소정 유량의 산화 가스를, 인젝터(43)로부터 예를 들면 수초∼수십 초간 공급한다. 이에 따라, 당해 산화 가스를 웨이퍼(W)상에 흡착하는 프리커서와 반응시켜 웨이퍼(W)에 고유전체의 분자층을 형성한다.

소스 가스(프리커서)를 공급하는 공정과, 산화 가스를 공급하는 공정을 1사이클로 하여, 당해 사이클을 예를 들면 수십 사이클∼수백 사이클 반복한다. 이에 따라, 웨이퍼(W)상에 고유전체의 분자층을 적층하여 소망하는 두께의 고유전체막을 성막한다. 이 사이클 중, 반응관(2) 내는 압력 조정부(632)에 의해 예를 들면 수백 Pa(수 Torr) 정도의 감압 분위기로 유지되고, 웨이퍼 보트(41)는 회전 구동부(52)에 의해 회전된다.

상기 공정에 의해 웨이퍼(W)상에 소망하는 두께의 고유전체막이 형성되면, 반응관(2) 내로 프리커서 및 산화 가스를 공급하는 사이클을 종료한다. 다음으로, 진공 펌프(631)에 의한 배기를 정지하는 한편, 반응관(2) 내로 예를 들면 공기나 질소 등의 가스를 공급하여, 반응관(2) 내의 압력을 상압으로 되돌린다. 다음으로, 반응관(2) 내의 온도를 예를 들면 200℃∼400℃ 정도까지 하강시킨다. 다음으로, 보트 엘리베이터(51)에 의해 웨이퍼 보트(41)를 하강시켜 반응관(2)으로부터 웨이퍼(W)를 반출(언로드)한다.

종형 열처리 장치(1)에 있어서는, 웨이퍼(W)의 반입에서 반출까지의 전술한 열처리가 반복하여 행해진다. 이 처리의 반복 과정에 있어서 반응관(2) 내의 2개의 인젝터(42, 43)에는 고유전체가 점차 퇴적하여 막이 형성된다. 이들 인젝터(42, 43)가 놓여져 있는 분위기의 온도는, 기간에 따라, 예를 들면 열처리와 웨이퍼(W) 반출시와의 사이에서 변화한다. 이 온도 변화에 수반하여 당해 인젝터(42, 43)와, 그 표면에 퇴적한 고유전체의 막이 신축을 반복한다. 또한, 종형 열처리 장치(1)를 운전할 때와, 이것을 정지했을 때에 있어서도 예를 들면 실온과 수백℃의 온도와의 사이에서 온도 변화가 발생한다.

인젝터(42, 43)는, 고유전체와 선열팽창 계수가 가까운 티탄 또는 티탄 합금에 의해 구성되기 때문에, 인젝터(42, 43)와 그 표면의 고유전체의 막은, 거의 동일한 정도로 신축한다. 이 때문에, 인젝터(42, 43)가 석영으로 구성되는 경우에 비하여 당해 고유전체의 막으로부터 받는 응력이 작다.

본 실시 형태에 의하면 이하의 효과가 얻어진다. 즉, 본 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치에 있어서는, 예를 들면 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 등의 고유전체막의 성막이 행해지는 반응관(2)을 구비한다. 반응관(2) 내에 놓여지는 구성 부품인 프리커서나 산화 가스의 인젝터(42, 43)는, 이들 고유전체와 선열팽창 계수가 가까운, 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어진다. 이 경우, 온도 변화에 수반하여 당해 인젝터(42, 43)와 그 표면에 형성된 고유전체의 막이 거의 동일한 정도로 팽창, 수축하기 때문에, 고유전체의 막으로부터 인젝터(42, 43)에 작용하는 응력을 매우 작게 할 수 있다. 이 결과, 인젝터(42, 43)가 기계적 강도의 저하나 조기의 파손과 같은 사태에 이를 우려가 작아진다.

또한, 반응관(2) 내에 배치되어 열처리 분위기에 노출되는, 인젝터(42, 43) 이외의 구성 부품도, 티탄이나 티탄 합금에 의해 구성함으로써, 그 표면에 형성되는 고유전체의 막으로부터 받는 응력의 영향을 저감 가능하다.

본 실시 형태의 제1 변경예에 있어서는, 웨이퍼(W)를 지지하는 웨이퍼 보트(41) 및 보온통(44)의 대좌(442)의 프레임도 전술한 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어진다. 즉, 이 제1 변경예에 있어서는, 웨이퍼 보트(41)의 프레임을 구성하는 지주(41a), 천판(41b) 및, 저판(41c)과, 대좌(442)의 프레임을 구성하는 지주(442a), 천판(442b) 및, 저판(442c)이 전술한 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어진다. 단, 대좌(442)의 지주(442a)에 부착된 수평핀(441)은, 열의 전달을 방지하기 위한 방해판이기 때문에, 열의 전달성이 낮은 재료, 예를 들면 불투명한 석영으로 이루어진다.

본 실시 형태의 제2 변경예에 있어서는, 반응관(2) 내에 설치된, 가열존마다 온도를 측정하기 위한 온도 센서(35)를 피복하는 보호관(36; 도 3b 참조)도 전술한 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어진다.

구성 부품이 도 1에 나타내는 매니폴드(45) 내의 높이 위치에 놓여져 있는 경우여도, 히터(3)에 의한 가열의 영향을 받아 그 표면에 고유전체의 막이 형성될 가능성이 있다. 이러한 경우에도, 당해 구성 부품은, 반응 용기의 열처리 분위기에 놓여져 있다고 할 수 있다.

또한, 전술한 실시 형태에 있어서는 ALD나 MLD 방식에 의해 단일한 고유전체로 이루어지는 고유전체막을 성막하는 프로세스의 예에 대해서 설명된다. 이 점에 관하여, 본 발명은, 예를 들면 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물로 이루어지는 고유전체군으로부터 선택한 복수의 고유전체의 분자층을 번갈아 적층하여 고유전체막을 성막하는 프로세스를 적용 가능하다. 본 발명은, 또한, 다른 종류의 고유전체나 실리콘 산화물을 더하여 고유전체막을 성막하는 프로세스에 적용 가능하다. 또한, 본 발명은, 프리커서와 산화 가스를 연속적으로 공급하거나, 연속 공급된 프리커서를 열분해하여 고유전체막을 성막하는 통상의 CVD 프로세스에 적용 가능하다.

또한, 알루미늄 산화물의 고유전체막을 성막하는 경우 등에는, 예를 들면, 사파이어나 SAPPHAL(등록 상표) 등의 알루미나계의 재료를, 티탄이나 티탄 합금을 대신하여 구성 부품의 재료로 하여도 좋다. 이들 알루미늄 산화물과 알루미나계 재료에 있어서도 쌍방의 선열팽창 계수가 가깝기 때문에, 구성 부품상에 퇴적한 고유전체의 막으로부터 받는 응력을 저감하는 것이 가능해진다. 따라서 일반적으로, 열처리에 의해 웨이퍼(W)상에 성막되는 고유전체막의 선열팽창 계수에 가까운 선열팽창 계수를 갖는 재료를 선정하고, 반응관(2) 등의 반응 용기의 열처리 분위기에 놓여지는 구성 부품을 구성함으로써, 그 표면에 퇴적하는 고유전체의 막으로부터의 응력을 경감하는 것이 가능해진다.

피처리 기판으로서는, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, LCD 기판, 유리 기판 등의 다른 기판이라도 좋다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 당업자라면, 특허청구의 범위에 기재된 사상의 범주 내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 생각이 이를 수 있음은 분명하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다. 본 발명은 이 예에 한하지 않고 여러 종류의 형태를 채용할 수 있는 것이다.

1: 종형 열처리 장치
2: 반응관
31: 단열 커버
3: 히터
21: 외관
22: 내관
35: 온도 센서
36: 보호관
42, 43: 가스 인젝터
45: 매니폴드
32: 베이스 플레이트
46: 덮개체
51: 보트 엘리베이터
53: 회전축
44: 보온통
52: 회전 구동부
41: 웨이퍼 보트
441: 수평핀
442: 대좌

Claims

금속 산화물로 이루어지는 고(高)유전체막을 퇴적에 의해 형성하기 위한 종형(vertical) 열처리 장치로서,
복수의 피(被)처리 기판을 상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 수납하도록 구성된 반응 용기와,
상기 반응 용기 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
상기 반응 용기 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
상기 반응 용기 내를 배기하는 배기계와,
상기 반응 용기 내로 금속 소스 가스 및 산화 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하고,
상기 가스 공급계는, 상기 반응 용기 내에 설치된 가스 노즐을 포함하고, 상기 가스 노즐은, 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지 부재는 지주(pole brace)를 포함하고, 상기 지주는 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 장치는, 상기 반응 용기 내에 설치되고 그리고 온도 검출 부재를 피복하는 보호관을 추가로 구비하고, 상기 보호관은 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 히터는 상기 반응 용기의 주위에 설치되고, 상기 반응 용기는 석영 혹은 탄화 규소로 이루어지고, 상기 히터로부터의 복사 에너지를 투과하는 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 티탄을 주성분으로 하는 금속은, 티탄의 함유량이 70중량％ 이상인 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제5항에 있어서,
상기 티탄을 주성분으로 하는 금속은, 상기 고유전체막의 상기 금속 산화물에 대하여, ―10％∼＋25％의 선열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제6항에 있어서,
상기 고유전체막의 상기 금속 산화물은, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및, 티탄 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제6항에 있어서,
상기 티탄을 주성분으로 하는 금속은, 알루미늄을 포함하는 티탄 금속인 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 노즐의 표면은, 그 표면을 산화함으로써 형성된 부동태막(passivation film)에 의해 피복되는 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 노즐은, 상기 지지 부재상의 상기 피처리 기판의 전체에 걸치도록 간격을 두고 형성된 복수의 가스 분사공(gas delivery hole)을 갖는 가스 분산 노즐인 것을 특징으로 하는 종형 열처리 장치.
복수의 피처리 기판을 상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 수납하는 반응 용기를 히터에 의해 가열함과 함께, 상기 반응 용기 내로 금속 소스 가스 및 산화 가스를 공급하여, 상기 피처리 기판상에 금속 산화물로 이루어지는 고유전체막을 퇴적 형성하기 위한 종형 열처리 장치에 이용되는 구성 부품으로써, 상기 구성 부품은 상기 반응 용기 내에 설치되도록 구성되고 그리고 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제11항에 있어서,
상기 티탄을 주성분으로 하는 금속은, 티탄의 함유량이 70중량％ 이상인 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제12항에 있어서,
상기 티탄을 주성분으로 하는 금속은, 상기 고유전체막의 상기 금속 산화물에 대하여, ―10％∼＋25％의 선열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제13항에 있어서,
상기 고유전체막의 상기 금속 산화물은, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및, 티탄 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제13항에 있어서,
상기 티탄을 주성분으로 하는 금속은, 알루미늄을 포함하는 티탄 합금인 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제11항에 있어서,
상기 히터는 상기 반응 용기의 주위에 설치되고, 상기 반응 용기는 석영 혹은 탄화 규소로 이루어지고, 상기 히터로부터의 복사 에너지를 투과하는 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제11항에 있어서,
상기 구성 부품의 표면은, 그 표면을 산화함으로써 형성된 부동태막에 의해 피복되는 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제11항에 있어서,
상기 구성 부품은, 가스 노즐, 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재의 지주, 온도 검출 부재를 피복하는 보호관으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 구성 부품.
제11항에 있어서,
상기 구성 부품은, 지지 부재상의 상기 피처리 기판의 전체에 걸치도록 간격을 두고 형성된 복수의 가스 분사공을 갖는 가스 분산 노즐인 것을 특징으로 하는 구성 부품.
상하로 간격을 형성하여 적층한 상태에서 지지구(holder)에 지지된 복수의 피처리 기판을 수납하는 반응 용기를 히터에 의해 가열함과 함께, 상기 반응 용기 내로 금속 소스 가스 및 산화 가스를 공급하여, 상기 피처리 기판상에 금속 산화물로 이루어지는 고유전체막을 퇴적 형성하기 위한 종형 열처리 장치에 있어서, 상기 반응 용기의 하단에 형성된 로드 포트(load port)를 폐쇄하는 덮개체와 상기 지지구와의 사이에 배치되는 보온통(heat-insulating cylinder)으로서,
복수의 지주와, 상기 지주의 상단을 고정하는 천판(top plate)과, 상기 지주의 하단을 고정하는 저판을 포함하고, 상기 지지구를 올려놓도록 구성된 대좌(pedestal)와,
상기 천판의 하측에서 상기 지주에 부착된 복수매의 핀(fin)과, 상기 핀은, 상기 반응 용기 내에 있어서의 상하 방향에 있어서의 열의 전달을 방지하기 위한 방해판(baffle plate)으로서 구성되는 것을 구비하고,
상기 지주 및 상기 천판은 티탄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지고, 상기 핀은 불투명한 석영제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보온통.