KR20100095398A - 실리콘 성막 장치 및 그 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

실리콘 성막 장치의 사용 방법은, 반응관을 실리콘 코팅막으로 피복하는 프리 코팅 처리, 제품용 피(被)처리체 상의 자연 산화막을 에칭하는 에칭 처리, 제품용 피처리체 상에 실리콘 제품막을 성막하는 실리콘 성막 처리 및, 반응관 상의 실리콘막을 에칭하는 클리닝 처리를 이 순서로 행한다. 프리 코팅 처리에서는, 반응관을 상방으로 배기하면서, 처리 영역보다 하측의 제1 위치에 최하 개구부를 갖는 제1 공급구로부터 반응관 내에 실리콘 소스 가스를 공급한다. 에칭 처리에서는, 반응관을 상방으로 배기하면서, 처리 영역과 제1 위치의 사이에 최하 개구부를 갖는 제2 공급구로부터 반응관 내에 에칭 가스를 공급한다.

Description

실리콘 성막 장치 및 그 사용 방법{SILICON FILM FORMATION APPARATUS AND METHOD FOR USING SAME}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피(被)처리체 상에 실리콘막을 형성하는 반도체 처리용 성막 장치 및 그 사용 방법에 관한 것이다. 여기에서 반도체 처리란, 웨이퍼나, LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용 유리 기판 등의 피처리체 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 당해 피처리체 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 여러 가지 처리를 의미한다.
반도체 웨이퍼(이하, 단순히 웨이퍼라고 하는 경우도 있음) 등의 피처리체 표면에 열처리를 행하는 반도체 디바이스 제조 장치로서, 소위 배치로(batch furnace)인 핫 월(hot wall) 타입의 종(vertical)형 열처리 장치가 있다. 종형 열처리 장치는, 그 주위에 히터가 배치된, 예를 들면 석영제의 종형의 반응관으로 이루어지는 반응 기기를 포함한다. 다수매의 웨이퍼를 선반 형상으로 지지한 지지 기구인 웨이퍼 보트(wafer boat)를 반응관 내에 반입한다. 당해 반응관 내에 처리 가스를 공급함과 함께, 히터에 의해 반응관을 가열함으로써, 웨이퍼에 대하여 일괄하여 열처리를 행한다.
도 12는 종래의 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)의 종단 측면도이다. 이 장치는 히터(17)가 내면에 설치된 가열로(17a) 내에 종형의 반응관(1)이 설치된다. 웨이퍼 보트(21)가 덮개체(2)의 위에 배치되고, 반응관(1) 내와 그 하방 위치의 사이에서 덮개체(2)를 통하여 승강된다. 반응관(1)의 플랜지(flange)에는 가스 공급관이 삽입됨과 함께 반응관(1)의 상부에는 배기구(15)가 설치되고, 반응관(1) 내를 가스가 하방측으로부터 상방측으로 흐른다. 또한 도 12에서는, 여러 가지 가스 공급관의 일부로서, 모노 실란 가스용의 가스 공급관(12)과 불화 수소 가스용의 가스 공급관(14)이 편의상 나타난다. 반응관(1) 및 웨이퍼 보트(21)는 석영제로 이루어진다. 그 하나의 이유는, 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘의 에피택셜(epitaxial) 성장을 행하는 경우에, 반응관(1) 내에 Si(실리콘) 분위기를 형성할 필요가 있기 때문이다.
실리콘 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘의 에피택셜 성장을 행하는 경우, 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘이 노출되어 있을 필요가 있다. 그러나, 웨이퍼(W)는 대기 분위기에서 반송되기 때문에, 표면에 자연 산화막(실리콘 산화막)이 생성되어, 에피택셜 성장을 저해한다. 그래서 불화 수소(HF) 가스와 암모니아(NH3) 가스의 혼합 가스를 공급하여 웨이퍼(W)의 표면의 자연 산화막을 에칭 제거한다. 그리고, 자연 산화막을 제거한 웨이퍼(W) 상에 실리콘의 에피택셜 성장을 행한다.
또한, 불화 수소(HF) 가스만을 사용하여 자연 산화막을 에칭한 경우는 이하의 식 (1)에 의한 반응이 발생한다. 또한, 불화 수소(HF) 가스와 암모니아(NH3) 가스를 사용하여 자연 산화막을 에칭한 경우는 이하의 식 (2) 및 식 (3)에 의한 반응이 발생한다.
SiO2+4HF→SiF4+2H2O …(1)
SiO2+4HF+4NH3→SiF4+2H2O+4NH3 …(2)
SiF4+2HF+2NH3→SiF4+(NH4)2SiF6 …(3)
상기 식 (1)에서 필요한 반응 에너지는 1.04eV인 것에 대하여, 상기 식 (2) 및 식 (3)에서 필요한 반응 에너지는 각각 0.49eV 및 0eV이다. 또한, 식 (3)에 나타내는 (NH4)2SiF6(규불화 암모늄)은 200℃ 정도에서 승화하기 때문에, 배기와 함께 용이하게 제거된다. 즉, 불화 수소 가스는 자연 산화막을 에칭하는 가스로서 기능하는 한편, 암모니아 가스는 이 에칭에 있어서 필요한 반응 에너지를 저하시킴과 함께 생성물의 기화를 촉진시키는 가스로서 기능한다(에칭 속도를 향상시킴과 함께 자연 산화막의 제거의 선택성을 향상시킴). 따라서, 이하의 설명에서는, 필요에 따라, 불화 수소 가스를 에칭 가스라고 언급하고, 암모니아 가스를 기화 촉진 가스라고 언급한다.
그러나, 후술하는 바와 같이, 본 발명자들에 의하면, 종래의 이 종류의 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법에서는, 파티클(particle) 발생에 관한 장치의 특성의 관점에서 개선의 여지가 있다는 것이 발견되고 있다.
본 발명은, 파티클 발생에 관한 장치의 특성을 향상시키는 것이 가능한 실리콘 성막 장치 및 그 사용 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 시점은, 실리콘 성막 장치의 사용 방법으로서, 상기 장치는, 복수의 피(被)처리체를 수납하는 처리 영역을 갖는 종형의 석영제 반응관과, 상기 처리 영역 내에서 상기 피처리체를 상하로 간격을 두어 적층한 상태로 지지하는 석영제 지지 기구와, 상기 반응관을 둘러싸도록 설치된, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리체를 가열하는 히터와, 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계와, 상기 처리 영역의 상방으로 가스를 흡인함으로써 상기 반응관을 배기하는 배기계를 구비하고, 상기 방법은, 제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면을 실리콘 코팅막으로 피복하는 프리 코팅(pre-coating) 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 처리 영역보다 하측의 제1 위치에 최하 개구부를 갖는 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과, 다음으로, 복수의 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 형성된 자연 산화막을 에칭하는 에칭 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 처리 영역과 상기 제1 위치의 사이에 최하 개구부를 갖는 제2 공급구로부터 상기 반응관 내에 에칭 가스를 공급하는, 공정과, 다음으로, 상기 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 실리콘 제품막을 성막하는 실리콘 성막 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과, 다음으로, 제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면 상의 실리콘막을 에칭하는 클리닝 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 위치와 동일한 높이 또는 이보다 하측의 위치에 최하 개구부를 갖는 제3 공급구로부터 상기 반응관 내에 클리닝 가스를 공급하는, 공정을 구비한다.
본 발명의 제2 시점은, 실리콘 성막 장치로서, 복수의 피처리체를 수납하는 처리 영역을 갖는 종형의 석영제 반응관과, 상기 처리 영역 내에서 상기 피처리체를 상하로 간격을 두어 적층한 상태로 지지하는 석영제 지지 기구와, 상기 반응관을 둘러싸도록 설치된, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리체를 가열하는 히터와, 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계와, 상기 처리 영역의 상방으로 가스를 흡인함으로써 상기 반응관을 배기하는 배기계와, 상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 가스 공급계는, 상기 처리 영역보다 하측의 제1 위치에 최하 개구부를 갖는 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 실리콘 소스 가스를 공급하는 제1 공급계와, 상기 처리 영역과 상기 제1 위치의 사이에 최하 개구부를 갖는 제2 공급구로부터 상기 반응관 내에 에칭 가스를 공급하는 제2 공급계와, 상기 제1 위치와 동일한 높이 또는 이보다 하측의 위치에 최하 개구부를 갖는 제3 공급구로부터 상기 반응관 내에 클리닝 가스를 공급하는 제3 공급계를 구비하고, 상기 제어부는 상기 장치를 사용하는 방법을 실행하도록 미리 설정되고, 상기 방법은, 제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면을 실리콘 코팅막으로 피복하는 프리 코팅 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과, 다음으로, 복수의 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 형성된 자연 산화막을 에칭하는 에칭 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제2 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 에칭 가스를 공급하는, 공정과, 다음으로, 상기 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 실리콘 제품막을 성막하는 실리콘 성막 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과, 다음으로, 제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면 상의 실리콘막을 에칭하는 클리닝 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제3 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 클리닝 가스를 공급하는, 공정을 구비한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)를 나타내는 종단 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열처리 장치의 인젝터(injector)의 배치의 평면 레이아웃의 일 예를 나타내는 횡단 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 열처리 장치의 주요부의 종단면도이다.
도 4, 도 5, 도 6, 도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 장치의 사용 방법을 설명하는 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)를 나타내는 종단 측면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 열처리 장치의 인젝터의 배치의 평면 레이아웃의 일 예를 나타내는 횡단 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)를 나타내는 종단 측면도이다.
도 11은 파티클 발생에 관한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 종래의 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)의 종단 측면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명자들은, 본 발명의 개발 과정에서, 종래의 이 종류의 반도체 처리용 성막 장치의 사용 방법에 있어서의 문제에 대해서 연구했다. 그 결과, 본 발명자들은, 이하에 서술하는 바와 같은 인식을 얻었다.
전술한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 성막 처리를 행하는 경우, 성막 처리에 앞서 불화 수소 가스를 사용하여 웨이퍼(W)의 표면의 자연 산화막(실리콘 산화막)을 에칭한다. 그러나, 석영은 실리콘의 산화물이기 때문에, 도 12에 나타내는 반응관(1)이나 웨이퍼 보트(21) 등의 석영 부품도, 불화 수소 가스에 의해 에칭되어 버린다. 그래서 불화 수소 가스를 공급하기 전에, 프리 코팅 처리를 행하여 반응관(1)의 내부를 (폴리)실리콘 코팅막(3)으로 피복하여 석영을 보호한다. 웨이퍼(W) 상에 실리콘 제품막을 성막한 후, 실리콘 코팅막(3)을 포함하여, 반응관(1) 내의 모든 불필요한 실리콘막은 불소(F2) 가스에 의해 제거된다.
상기의 시퀀스(sequence)에 있어서, 실리콘 코팅막(3)은, CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성되기 때문에, 반응관(1) 중의 히터(17)에 의해 충분히 가열되지 않은 하부 영역에는 실리콘 코팅막(3)이 성막되지 않는다. 그 때문에 이 하부 영역의 석영 부분은, 불화 수소 가스에 의해 에칭되어, 파티클을 발생시키는 요인이 된다. 웨이퍼가 파티클 오염(contamination)이 되면, 반도체 디바이스의 수율이 저하된다.
한편, 일본공개특허공보 2008-28307호(단락번호 0023, 0024)에는, 반응관이나 웨이퍼 보트 등을 탄화 규소(SiC) 또는 실리콘에 의해 형성한 종형 열처리 장치가 기재된다. 탄화 규소나 실리콘은, 불화 수소 가스 및 암모니아 가스의 혼합 가스에 의해 에칭되지 않는다. 그러나 웨이퍼에 에피택셜 성장을 행하게 하는 경우, 웨이퍼 뿐만 아니라 반응관이나 웨이퍼 보트에도 부생성물로서 폴리 실리콘이 성막된다. 이러한 부생성물은, 그 후, 불소(F2) 가스를 사용하는 클리닝 처리에 의해 제거된다. 이때, 반응관 등의 탄화 규소나 실리콘은, 불소 가스에 의해 에칭되어 버린다. 따라서, 일본공개특허공보 2008-28307호의 종형 열처리 장치를 웨이퍼에 실리콘의 에피택셜 성장을 행하게 하는 장치로서 사용하기에는 부적합하다.
이하에, 이러한 인식에 기초하여 구성된 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여, 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
<제1 실시 형태>
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)를 나타내는 종단 측면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 열처리 장치의 인젝터의 배치의 평면 레이아웃의 일 예를 나타내는 횡단 평면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 열처리 장치의 주요부의 종단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 이 종형 열처리 장치(성막 장치)는, 석영에 의해 종형의 원통 형상으로 형성된 반응관(1)을 포함한다. 반응관(1)은, 복수의 반도체 웨이퍼(W)를 상하로 간격을 두고 지지하는 웨이퍼 보트(21)를 수납하는 처리 영역(열처리 존(zone); 1a)을 내부에 갖는다. 반응관(1)의 하단은, 로(furnace) 입구로서 개구되고, 그 로 입구(11)의 주연(periphery)부에는 플랜지(10)가 일체로 형성된다. 반응관(1)의 하방에는, 플랜지(10)의 하면에 맞닿아 로 입구(11)를 기밀하게 막는, 예를 들면 석영제의 커버로 덮여진 덮개체(2)가 설치된다. 덮개체(2)는, 보트 엘리베이터(도시하지 않음)에 의해 상하 방향으로 개폐 가능하게 설치된다. 덮개체(2)의 중앙부에는, 회전축(24)이 관통 구멍(20)을 관통하여 설치되고, 그 상단부에는, 기판 지지 기구인 석영제의 웨이퍼 보트(21)가 탑재된다.
웨이퍼 보트(21)는, 저판(bottom plate; 22a) 및 천판(top plate; 22b) 간에 연장되는 3개 이상의 지주(strut; 23)를 구비한다. 지주(23)에는, 복수매, 예를 들면 125매의 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 지지할 수 있도록 홈(슬롯)이 형성된다. 125매의 웨이퍼(W) 중, 상하 양단부에는 예를 들면 5매씩 더미(dummy) 웨이퍼(Wd)가 배치되고, 그 사이에 상하로 간격을 두어 적층한 상태로 제품 웨이퍼가 지지된다. 회전축(24)의 하부에는, 회전축(24)을 회전시키는 모터(25)가 설치되고, 따라서, 웨이퍼 보트(21)는 모터(25)에 의해 회전된다. 덮개체(2)의 위에는, 회전축(24)을 둘러싸도록 보온통(26)이 설치된다.
반응관(1)의 상방에는, 반응관(1) 내를 배기하기 위한 배기구(15)가 형성된다. 배기구(15)에는, 반응관(1) 내를 소망하는 진공도로 감압 배기 가능한, 진공 펌프(8) 및 압력 제어 기구(80)를 구비한 배기관(81)이 접속된다. 반응관(1)의 주위에는, 반응관(1) 내를 가열하기 위한 저항 가열체로 이루어지는 히터(17)를 구비한 가열로(17a)가 설치된다. 히터(17)는, 처리 영역(1a)의 상단부, 중단부, 하단부의 존에 대응하여 각각 설치된 3개의 가열 소자를 구비하여, 각 존을 독립하여 온도 제어할 수 있다.
반응관(1)의 하부의 플랜지(10)에는, 반응관(1) 내의 웨이퍼(W)에 처리 가스를 공급하기 위한 인젝터(12, 13, 14, 16 및, 18)가 실질적으로 동일한 높이에서 수평으로 관통하도록 설치된다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 이들 인젝터(12, 13, 14, 16 및, 18)는, 예를 들면 플랜지(10)의 둘레 방향을 따라서 등간격으로 횡으로 나란히 배치되고, 그리고 메인터넌스(maintenance)성을 좋게 하기 위해 반응관(1)의 둘레 방향에 있어서 한 곳에 몰려서 배치된다.
제1 인젝터(12)는, 플랜지(10)를 관통하여 반응관(1)의 중앙을 향하여 수평으로 연장(extend)되는 스트레이트(straight)형 인젝터로 이루어진다. 제1 인젝터(12)는, 유량 컨트롤러(M) 및, 그 상류 및 하류에 각각 설치된 2개의 밸브(V)를 포함하는 제1 가스 조정부(30)가 설치된 배관을 통하여, 제1 가스 공급원(31)에 접속된다. 제1 가스 공급원(31)은, 실리콘 코팅막을 형성하는 프리 코팅 처리를 행하고, 또한 웨이퍼(W)에 실리콘 에피택셜막을 기상(vapor phase) 성장시키는 처리를 행하기 위한 실리콘 소스 가스를 공급한다. 실리콘 소스 가스로서, 본 실시 형태에서는, 실란계의 가스, 예를 들면 모노 실란(SiH4) 가스가 이용된다.
제2 인젝터(13)는, 플랜지(10)를 관통하여 반응관(1)의 중앙을 향하여 수평으로 연장되는 스트레이트형 인젝터로 이루어진다. 제2 인젝터(13)는, 유량 컨트롤러(M) 및, 그 상류 및 하류에 각각 설치된 2개의 밸브(V)를 포함하는 제2 가스 조정부(40)가 설치된 배관을 통하여, 제2 가스 공급원(41)에 접속된다. 제2 가스 공급원(41)은, 반응관(1)의 내면 등을 피복하는 실리콘 코팅막(3)과, 후술하는 에피택셜 성장 처리시에 반응관(1)의 내부에 퇴적된 실리콘의 부생성물막을 제거하기 위한 클리닝 가스를 공급한다. 클리닝 가스로서, 본 실시 형태에서는, 불소(F2) 가스가 이용된다.
제3 인젝터(14)는, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 인젝터(12)와 동일한 높이에서 플랜지(10)를 관통하여 반응관(1)의 중앙을 향하여 수평 방향으로 연장되고, 다음으로 굴곡하여 연직 방향에서 상향으로 연장되는 L자형 인젝터로 이루어진다. 제3 인젝터(14)에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 그 내면을 피복하는 실리콘 코팅막(3a)이 미리 성막(프리 코팅)된다. 제3 인젝터(14)는, 유량 컨트롤러(M) 및, 그 상류 및 하류에 각각 설치된 2개의 밸브(V)를 포함하는 제3 가스 조정부(50)가 설치된 배관을 통하여, 제3 가스 공급원(51)에 접속된다. 제3 가스 공급원(51)은, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 자연 산화막을 에칭하여 제거하는 에칭 가스를 공급한다. 에칭 가스로서, 본 실시 형태에서는, 불화 수소(HF) 가스가 이용된다. 또한, 제3 인젝터(14)는, 제3 가스 조정부(50)의 유량 컨트롤러(M)와 하류 밸브(V)의 사이에서 분기함과 함께, 유량 컨트롤러(M) 및 밸브(V)를 포함하는 가스 조정부(50b)가 설치된 배관을 통하여 질소(N2) 가스의 공급원(55)에 접속된다.
제4 인젝터(16)는, 플랜지(10)를 관통하여 반응관(1)의 중앙을 향하여 수평으로 연장되는 스트레이트형 인젝터로 이루어진다. 제4 인젝터(16)는, 유량 컨트롤러(M) 및, 그 상류 및 하류에 각각 설치된 2개의 밸브(V)를 포함하는 제4 가스 조정부(70)가 설치된 배관을 통하여, 제4 가스 공급원(33)에 접속된다. 제4 가스 공급원(33)은, 자연 산화막을 에칭할 때 생성되는 생성물의 기화를 촉진시켜 자연 산화막의 제거를 보조하기 위한 보조 가스를 공급한다. 보조 가스로서, 본 실시 형태에서는, 암모니아(NH3) 가스가 이용된다. 또한, 제4 인젝터(16)는, 제4 가스 조정부(70)의 유량 컨트롤러(M)와 하류 밸브(V)의 사이에서 분기함과 함께, 유량 컨트롤러(M) 및 밸브(V)를 포함하는 가스 조정부(70b)가 설치된 배관을 통하여 질소(N2) 가스의 공급원(55)에 접속된다.
제5 인젝터(18)는, 플랜지(10)를 관통하여 반응관(1)의 중앙을 향하여 수평으로 연장되는 스트레이트형 인젝터로 이루어진다. 제5 인젝터(18)는, 유량 컨트롤러(M) 및, 그 상류 및 하류에 각각 설치된 2개의 밸브(V)를 포함하는 제5 가스 조정부(60)가 설치된 배관을 통하여, 제5 가스 공급원(61)에 접속된다. 제5 가스 공급원(61)은, 희석용, 퍼지용, 혹은 압력 제어용의 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스로서, 본 실시 형태에서는, 질소(N2) 가스가 이용된다.
또한, 각 인젝터(12, 13, 14, 16 및 18)의 배치 레이아웃은 도 2로 한정되는 것은 아니다.
또한, 이 종형 열처리 장치는, 히터(17), 압력 제어 기구(80), 가스 조정부(30, 40, 50, 50b, 60, 70, 70b), 가스 공급원(31, 33, 41, 51, 55, 61) 등의 동작을 제어하는 제어부(5)를 갖는다. 제어부(5)는, 예를 들면 CPU와 프로그램을 기억하는 기억부를 구비한 컴퓨터로 이루어진다. 프로그램에는 당해 종형 열처리 장치를 제어하여 웨이퍼(W)로의 성막이나 반응관(1) 내의 클리닝을 실행하는데 필요한 각종 동작을 지휘하기 위한 스텝(명령)군(group)이 편성되어 있다. 이 프로그램은, 예를 들면 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 마그넷 옵티컬(magneto-optical) 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되고, 그로부터 컴퓨터에 인스톨(install)된다.
다음으로, 제3 인젝터(14)의 가스 공급구가 되는 개구단(14a; opening end)의 높이 위치(자연 산화막 제거용 에칭 가스로서 사용되는 불화 수소(HF) 가스를 공급하는 공급구의 최하 개구부의 위치)에 대해서 서술한다. 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이 웨이퍼(W)에 대하여 실리콘의 에피택셜 성장을 행하기 전에, 반응관(1)의 내면 등을 실리콘 코팅막(3)으로 피복하는 프리 코팅 처리를 행한다. 실리콘 코팅막(3)에 의해, 제3 인젝터(14)로부터 공급되는 불화 수소 가스에 대하여 반응관(1) 및 웨이퍼 보트(21)의 재질인 석영을 보호한다. 실리콘 코팅막(3)은 불화 수소 가스에 의해서는 거의 에칭되지 않고, 실제로는 그 에칭 속도는 1nm/분 정도로 매우 작다.
실리콘 코팅막(3)은, 제1 인젝터(12)로부터 공급되는 실란계의 가스, 예를 들면 모노 실란 가스의 열분해에 의해 반응관(1) 내에 성막된다. 히터(17)는 웨이퍼 보트(21) 상의 웨이퍼군에 대하여 열처리를 할 수 있도록 처리 영역(열처리 존; 1a)의 주위에 배치되고, 이 때문에 처리 영역(1a)으로부터 하방의 반응관(1) 내의 영역에서는 히터(17)에 의해 충분히 가열할 수 없다. 한편, 폴리 실리콘막의 성막 온도는 대체로 560℃ 부근이며, 그보다 낮은 온도에서는 아모퍼스(amorphous)의 상태에서 실리콘막이 형성된다. 따라서 엄밀히 말하면 반응관(1)의 내면 등을 피복하는 실리콘 코팅막(3)으로서, 폴리 실리콘막 뿐만 아니라, 그 하부측에는 아모퍼스 실리콘막이 형성된다. 따라서, 본 발명에 있어서, 실리콘 코팅막이라는 용어는, 폴리 실리콘막 및 아모퍼스 실리콘막의 양자를 포함한다.
전술한 바와 같이, 처리 영역(1a)으로부터 하방의 반응관(1) 내의 영역에서는, 히터(17)에 의해 충분히 가열할 수 없다. 이 때문에, 히터(17)로부터 어느 거리만큼 떨어진 위치에서는 실리콘 코팅막(3)이 성막되지 않고 반응관(1)의 재질인 석영이 노출되게 된다. 또한, 웨이퍼 보트(21)의 하측에 설치되는 보온통(26)(도 1 참조)이 석영제인 경우에는, 이 보온통(26)에 대해서도 동일한 것을 말할 수 있다. 불화 수소 가스가 반응관(1)의 내면 등의 석영에 접촉하면 당해 석영은 에칭된다. 이 때문에, 제3 인젝터(14)로부터의 불화 수소 가스가 이들 석영 노출 부분에 접촉하지 않도록, 제3 인젝터(14)의 개구단(14a)의 높이 위치를 설정한다.
구체적으로는, 개구단(14a)은, 프리 코팅시에 반응관(1)의 내벽 등에 성막되는 실리콘 코팅막(3)의 하단 위치와 동(同) 정도의 높이 위치보다 상방 위치일 필요가 있다. 「실리콘 코팅막의 하단 위치와 동 정도의 높이 위치」란, 실리콘 코팅막(3)의 하단 위치와 동일한 높이 위치 뿐만 아니라, 당해 하단 위치보다 근소하게(구체적으로는 3∼4밀리 정도) 하방으로서, 당해 개구단(14a)으로부터 확산된 가스가 실리콘 코팅막(3)의 하측의 석영의 노출 부분에 접촉하지 않은 위치도 포함된다.
그러나, 불화 수소 가스는 웨이퍼 보트(21) 상의 처리 대상인 웨이퍼(W)(제품 웨이퍼)의 표면의 자연 산화막을 에칭하기 위해 사용된다. 이 때문에, 제3 인젝터(14)의 개구단(14a)은 웨이퍼 보트(21) 상의 웨이퍼(W)군의 최하단의 웨이퍼(W)의 높이 위치보다 낮게 할 필요가 있다. 실용적으로는, 제3 인젝터(14)의 개구단(14a)은 웨이퍼 보트(21)의 저판(22a)(대체로 처리 영역(1a)의 하단 위치에 대응)보다 0∼400mm 아래에, 그리고 실리콘 소스 가스를 공급하는 제1 인젝터(12)보다 0∼400mm 위에 배치된다.
한편, 제2 인젝터(13)로부터 공급되는 불소 가스는, 반응관(1)의 내면 등을 피복하는 실리콘 코팅막(3)과 에피택셜 성장 처리시에 반응관(1)의 내부에 퇴적된 실리콘의 부생성물막을 제거하기 위해 사용된다. 이 때문에, 제2 인젝터(13)의 개구단(최하 개구부)은, 실리콘 소스 가스를 공급하는 제1 인젝터(12)의 개구단(최하 개구부)과 동일한 높이 또는 이보다 하측에 배치된다.
다음으로, 전술한 종형 열처리 장치를 사용하여, 실리콘 웨이퍼(W) 상에 실리콘을 에피택셜 성장시킬 때의 일련의 처리에 대해서 서술한다. 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 장치의 사용 방법을 설명하는 개략 단면도이다.
우선, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제품용 웨이퍼를 지지하지 않은 웨이퍼 보트(21)를 수납한 반응관(1) 내에서, 반응관(1)의 내면 및 웨이퍼 보트(21)의 표면 등을 실리콘 코팅막으로 피복하는 프리 코팅 처리를 행한다. 따라서, 이 처리에서는, 웨이퍼 보트(21)에 더미 웨이퍼(Wd)만을 지지하고, 제품 웨이퍼(W)를 지지하고 있지 않은 상태에서, 웨이퍼 보트(21)를 반응관(1) 내에 반입하여 덮개체(2)에 의해 로 입구(11)를 봉지한다.
다음으로, 배기관(81)을 통하여 진공 펌프(8)에 의해 반응관(1) 내를 진공 배기함과 함께 히터(17)에 의해 반응관(1)을 가열하면서, 반응관(1) 내에 제1 인젝터(12)로부터 모노 실란 가스를 공급한다. 이때의 처리 압력은 13.3∼1333Pa(0.1∼10Torr), 예를 들면 27Pa(0.2Torr), 처리 온도는 400∼700℃, 예를 들면 600℃이다. 이 프리 코팅 처리에 의해, 실리콘 코팅막(3)을 예를 들면 100nm의 두께가 되도록 성막한다. 도 4에서는 반응관(1)의 내면 상의 실리콘 코팅막(3)만을 나타내지만, 웨이퍼 보트(21)에도 동일하게 실리콘 코팅막(3)이 성막된다.
이 프리 코팅 처리에서는, 프리 코팅 가스, 이 예에서는 모노 실란 가스만을 흐르게 하고, 불활성 가스는 흐르게 하지 않는 편이 바람직하다. 그 이유는, 인젝터(12) 이외의 인젝터의 선단부 내면도 실리콘 코팅막(3)에 의해 피복되기 때문이다. 예를 들면, 인젝터(14)의 내면은 실리콘 코팅막(3a)에 의해 미리 피복되어 있지만, 그 선단부 등은 후술하는 클리닝 처리에 의해 실리콘 코팅막(3a)이 박리되어 있을 가능성이 있다. 또한, 이 프리 코팅 처리에 있어서, 웨이퍼 보트(21)는 더미 웨이퍼(Wd) 없이 반응관(1) 내에 반입해도 좋다.
본 실시 형태에서는, 반입되는 웨이퍼(W)의 위에 형성되는 자연 산화막의 최대 두께를 미리 알고 있다. 그 자연 산화막의 최대 두께로부터 후술하는 자연 산화막의 에칭 처리를 행하는 시간을 예를 들면 최대 60분으로 설정한다. 이에 대하여, 불화 수소 가스에 의해 에칭되는 실리콘 코팅막(3)의 양은 1nm/분 이하이다. 이들 수치를 고려하면, 자연 산화막의 에칭 처리에 있어서, 불화 수소 가스에 의해 반응관(1) 등의 에칭을 막기 위해 필요해지는 실리콘 코팅막(3)의 두께는 계산상 60nm 이상이 된다. 본 실시 형태에서는, 필요해지는 실리콘 코팅막(3)의 두께에 여유를 갖게 하여, 앞서 서술한 바와 같이 두께 100nm의 실리콘 코팅막(3)을 성막한다.
전술한 프리 코팅 처리의 종료 후, 모노 실란 가스의 공급을 정지함과 함께, 제5 인젝터(18)(도 2 참조)로부터 질소 가스를 공급하고, 반응관(1)의 내부를 질소 가스로 치환하여 대기압으로 복귀시킨다. 그 후, 반응관(1)으로부터 웨이퍼 보트(21)를 반출한다.
다음으로, 웨이퍼 보트(21)에 제품용 웨이퍼(W)를 지지하여, 제품용 웨이퍼(W)에 대한 처리를 개시한다. 앞서 서술한 바와 같이 제품용 웨이퍼(W)는, 대기 분위기에서 반송되어 오고 있는 점에서, 그들의 표면에는 산화에 의해 형성된, 예를 들면 1nm 정도의 자연 산화막이 존재한다. 이러한 자연 산화막은, 에피택셜 성장 처리 전에 제거할 필요가 있다. 그 이유는, 에피택셜 성장 처리는, 웨이퍼(W) 상의 단결정 실리콘의 원자 배열을 유지한 채 결정을 성장시키지만, 자연 산화막은 하지(underlayer)의 결정 정보를 차단한다.
즉, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제품용 웨이퍼(W)를 지지하는 웨이퍼 보트(21)를 수납한 반응관(1) 내에서, 제품용 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 자연 산화막을 에칭하는 에칭 처리를 행한다. 따라서, 이 처리에서는, 웨이퍼 보트(21)에 더미 웨이퍼(Wd) 및 제품 웨이퍼(W)(모니터 웨이퍼를 포함하는 경우도 있음)를 지지하여, 웨이퍼 보트(21)를 반응관(1) 내에 반입하여 덮개체(2)에 의해 로 입구(11)를 봉지한다.
다음으로, 배기관(81)을 통하여 진공 펌프(8)에 의해 반응관(1) 내를 진공 배기함과 함께 히터(17)에 의해 반응관(1)을 가열하면서, 반응관(1) 내에 제3 인젝터(14)로부터 불화 수소 가스를, 제4 인젝터(16)로부터 암모니아 가스를 공급한다. 이때의 처리 압력은 13.3∼53000Pa(0.1∼400Torr), 처리 온도는 실온(예를 들면 25℃)∼400℃, 예를 들면 200℃이다. 암모니아 가스는 상승하여 불화 수소 가스와 혼합된다. 이 혼합 가스는, 상부의 배기구(15)를 향하여 상승하면서 확산해 가고, 웨이퍼 보트(21)에 지지되는 웨이퍼(W)의 표면으로 공급되어, 웨이퍼(W)의 자연 산화막을 에칭 제거한다. 그리고 미리 설정한 시간, 예를 들면 앞서 서술한 60분간이 경과한 후, 불화 수소 가스 및 암모니아 가스의 공급을 정지함과 함께 반응관(1)으로부터 잔류 가스를 배기한다.
전술한 자연 산화막의 에칭 처리의 종료 후, 도 6에 나타내는 바와 같이, 제품용 웨이퍼(W)를 지지하는 웨이퍼 보트(21)를 가둔 채인 반응관(1) 내에서, 제품용 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘 제품막을 성막하는 실리콘 성막 처리를 행한다. 이 때문에, 배기관(81)을 통하여 진공 펌프(8)에 의해 반응관(1) 내를 진공 배기함과 함께 히터(17)에 의해 반응관(1)을 가열하면서, 반응관(1) 내에 제1 인젝터(12)로부터 모노 실란 가스를 공급한다. 이때의 처리 압력은 13.3Pa∼1333Pa(0.1∼10Torr), 예를 들면 27Pa(0.2Torr), 처리 온도는 400∼700℃, 예를 들면 600℃이다. 이 실리콘 성막 처리에 있어서, 웨이퍼(W)의 표면에는 자연 산화막의 제거에 의해 단결정 실리콘이 노출되기 때문에, 실리콘 에피택셜층이 형성된다. 또한, 이때, 반응관(1)의 내면 및 웨이퍼 보트(21)의 표면에는 폴리 실리콘의 부생성물막도 퇴적된다.
전술한 실리콘 성막 처리의 종료 후, 모노 실란 가스의 공급을 정지함과 함께, 제5 인젝터(18)(도 2 참조)로부터 질소 가스를 공급하고, 반응관(1)의 내부를 질소 가스로 치환하여 대기압으로 복귀시킨다. 그 후, 반응관(1)으로부터 웨이퍼 보트(21)를 반출함과 함께, 웨이퍼(W)를 웨이퍼 보트(21)로부터 취출한다.
다음으로, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제품용 웨이퍼를 지지하지 않은 웨이퍼 보트(21)를 수납한 반응관(1) 내에서, 반응관(1)의 내면 및 웨이퍼 보트(21)의 표면 상 등의 실리콘막을 에칭하는 클리닝 처리를 행한다. 따라서, 이 처리에서는, 웨이퍼 보트(21)에 더미 웨이퍼(Wd)만을 지지하고, 제품 웨이퍼(W)를 지지하고 있지 않은 상태에서, 웨이퍼 보트(21)를 반응관(1) 내에 반입하여 덮개체(2)에 의해 로 입구(11)를 봉지한다.
다음으로, 배기관(81)을 통하여 진공 펌프(8)에 의해 반응관(1) 내를 진공 배기함과 함께 히터(17)에 의해 반응관(1)을 가열하면서, 반응관(1) 내에 제2 인젝터(13)로부터 할로겐을 포함하는 실리콘 제거용 가스, 예를 들면 불소 가스를 공급한다. 이때의 처리 압력은 133Pa∼53000Pa(1∼400Torr), 처리 온도는 200∼400℃, 예를 들면 300℃이다. 이 불소 가스는, 상부의 배기구(15)를 향하여 상승하면서 확산해 가면서, 반응관(1)의 내면 및 웨이퍼 보트(21)의 표면 상 등의 실리콘막(실리콘 코팅막(3) 및 부생성물막)을 에칭 제거한다.
이때, 질소 공급원(55)으로부터 제4 인젝터(16)를 통하여 질소 가스를 반응관(1) 내에 공급하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 실리콘 코팅막(3)이 제거된 후에 반응관(1)이나 웨이퍼 보트(21)의 석영 부품이 에칭되는 것이 억제된다. 또한, 제3 인젝터(14)의 내면을 피복하는 실리콘 코팅막(3a)을 보호하기 위해, 제3 인젝터(14)로부터도 동일하게 질소 가스를 반응관(1) 내에 공급한다.
전술한 클리닝 처리의 종료 후, 불소 가스의 공급을 정지함과 함께, 제5 인젝터(18)(도 2 참조)로부터 질소 가스를 공급하고, 반응관(1)의 내부를 질소 가스로 치환하여 대기압으로 복귀시킨다. 그 후, 반응관(1)으로부터 웨이퍼 보트(21)를 반출한다. 그 후, 추가로 에피택셜 성장 처리를 행하는 경우에는, 전술한 일련의 처리를 반복한다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치에 의하면, 석영제의 반응관(1) 및 웨이퍼 보트(21)의 표면을 실리콘 코팅막(3)에 의해 피복한 후에, 제품 웨이퍼(W)에 대하여 에피택셜 성장 처리를 행한다. 이 에피택셜 성장 처리의 직전에, 웨이퍼(W)에 대한 자연 산화막 제거를 위해, 불화 수소 가스를 제3 인젝터(14)로부터 반응관(1) 내에 공급한다. 제3 인젝터(14)의 개구단(14a)(불화 수소 가스를 공급하는 공급구의 최하 개구부의 위치)은, 반응관(1) 내에 성막되는 실리콘 코팅막(3)의 하단 부위의 높이 레벨과, 웨이퍼 보트(21)에 지지되는 처리 대상인 웨이퍼(W)군(제품 웨이퍼나 모니터 웨이퍼)의 하한 부위의 높이 레벨의 사이에 배치된다. 이 때문에 불화 수소 가스가 반응관(1) 내의 실리콘 코팅막(3)이 형성되어 있지 않은 영역에는 공급되지 않아, 반응관(1)이 에칭되는 것을 방지할 수 있다. 또한 제3 인젝터(14)의 내면은, 미리 실리콘 코팅막(3a)에 의해 막이 입혀지기 때문에, 불화 수소 가스를 공급할 때 제3 인젝터(14)가 에칭되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 불화 수소 가스에 의해 반응관(1)이나 제3 인젝터(14)가 에칭되어 파티클이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 파티클 오염에 의한 디바이스의 수율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 실리콘 코팅막(3a)은 제3 인젝터(14)의 내면을 에칭으로부터 보호하지만, 실리콘 코팅막(3a) 자신이 불화 수소 가스의 공급에 의해 근소하게 에칭되어 간다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 제3 인젝터(14)의 실리콘 코팅막(3a)은, 예를 들면 막 균열하기 어려운 두께 등을 고려하여 3㎛로 매우 두껍게 성막되어 있어, 장기적인 사용에 견딜 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)를 나타내는 종단 측면도이다. 도 9는 도 8에 도시된 열처리 장치의 인젝터의 배치의 평면 레이아웃의 일 예를 나타내는 횡단 평면도이다. 제2 실시 형태에서는, 자연 산화막 제거용 처리 가스인 불화 수소 가스를 반응관(1) 내에 공급하기 위한 가스 공급로로서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 앞서 서술한 제3 인젝터(14)에 더하여 추가로, 예를 들면 2개의 인젝터(141, 142)를 이용한다.
인젝터(14)는 주(主) 가스 공급구를 제공하는 것이며, 제1 실시 형태와 동일하게 구성된다. 즉, 인젝터(14)의 개구단(14a)은, 반응관(1) 내에 프리 코팅되는 실리콘 코팅막(3)의 하단 부위의 높이 레벨과, 웨이퍼 보트(21)에 지지되는 처리 대상인 웨이퍼(W)군(제품 웨이퍼나 모니터 웨이퍼)의 하한 부위의 높이 레벨의 사이에 위치한다.
인젝터(141, 142)는, 각각 보조 가스 공급구를 제공하는 것이며, 웨이퍼 보트(21)의 상방 영역에 있어서 주 가스 공급관인 인젝터(14)로부터 공급되는 불화 수소 가스가 소비되는 것에 의한 부족분을 보상한다. 그 때문에, 이들 인젝터(141, 142)의 가스 공급구인 개구단(141a, 142a)의 높이 위치는, 처리 영역(1a)의 범위 내의 높이에 배치된다. 바꾸어 말하면, 개구단(141a, 142a)의 높이 위치는, 웨이퍼 보트(21)에 지지되는 처리 대상인 웨이퍼(W)의 하한 부위의 높이 레벨보다 상방에 위치한다. 인젝터(141)의 개구단(141a)은, 웨이퍼 보트(21)에 있어서의 처리 대상 웨이퍼(W)의 지지 영역의 상하 방향 중앙보다 수 웨이퍼분 하방에 위치한다. 인젝터(142)의 개구단(142a)은, 웨이퍼 보트(21)에 있어서의 처리 대상 웨이퍼(W)의 지지 영역의 상단부보다 수 웨이퍼분 하방에 위치한다.
이들 각 인젝터(14, 141 및 142)는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 각각 밸브(V) 및 유량 컨트롤러(M)를 포함하는 가스 조정부(50)가 설치된 배관을 통하여 앞서 서술한 제3 가스 공급원(51)에 접속된다. 따라서, 인젝터(14, 141 및 142)는, 각각의 개구단(14a, 141a, 142a)으로부터 토출되는 불화 수소 가스의 유량 및 공급여부가 독립하여 조정 가능하다. 또한, 도 8에서는 도시의 편의상, 3개의 인젝터(14, 141, 142)를 웨이퍼 보트(21)의 좌우로 나누어서 묘사한다. 그러나, 이들 인젝터(14, 141, 142)는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 플랜지(10)의 둘레 방향을 따라서 등간격으로 횡으로 나란히 배치된다. 이들 인젝터(141, 142)에 대해서도, 인젝터(14)와 동일하게, 그 내면에 실리콘 코팅막(3a)이 미리 프리 코팅된다.
자연 산화막의 에칭 처리에 있어서, 인젝터(14)로부터 토출된 불화 수소 가스는, 제4 인젝터(16)(도 9 참조)로부터 토출되는 암모니아 가스와 혼합된다. 이 혼합 가스는, 상부의 배기구(15)를 향하여 확산하면서, 웨이퍼 보트(21)에 지지된 웨이퍼(W)군에 대하여 하방측으로부터 순서대로 자연 산화막의 에칭을 행하여 간다. 이때, 인젝터(14)로부터 토출된 불화 수소 가스가 상방을 향함에 따라서, 불화 수소 가스가 자연 산화막의 에칭에 의해 점차 소비되어, 유효한 가스 부분이 부족할 가능성이 있다.
그러나, 제2 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치에서는, 당해 인젝터(14)보다 개구단(14a)이 상방에 위치하는 인젝터(141, 142)의 개구단(141a, 142a)에 의해 당해 부족분이 보상되도록 새로운 불화 수소 가스를 토출할 수 있다. 그 때문에, 웨이퍼 보트(21) 상의 웨이퍼(W) 상의 자연 산화막은, 웨이퍼(W)간에 있어서 높은 면간 균일성을 가지고 제거되고, 그리고 또한 각 웨이퍼(W)마다 높은 면내 균일성을 가지고 제거될 수 있다.
또한, 웨이퍼 보트(21)의 높이 등의 조건에 의해서는, 제1 실시 형태와 같이 1개의 불화 수소 가스용 인젝터(14)를 이용해도, 양호한 처리를 행할 수 있다. 따라서, 본 발명은 불화 수소 가스용 인젝터를 복수개 이용하는 것이 필요하다는 것은 아니다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 인젝터의 개수로서 2개 이상이면 좋고, 이들의 적어도 1개가 앞서 서술한 주 가스 공급구를 제공함과 함께, 적어도 다른 1개가 주 가스 공급구의 상방에서 보조 가스 공급구를 제공하도록 배치한다.
<제3 실시 형태>
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 종형 열처리 장치(실리콘 성막 장치)를 나타내는 종단 측면도이다. 제3 실시 형태에서는, 불화 수소 가스를 반응관(1) 내에 공급하기 위한 가스 공급로로서, 반응관(1) 내에 있어서 처리 영역(1a)을 따라서 상하 방향으로 연장되는 가스 분산 노즐(143)이 사용된다.
가스 분산 노즐(143)에는, 처리 영역(1a)의 전체에 걸쳐서, 예를 들면 웨이퍼 보트(21) 내에 있어서의 웨이퍼(W)의 배치 간격에 대응하도록, 복수의 가스 토출공(144)이 형성된다. 이들 가스 토출공(144) 중의 가장 아래의 가스 토출공은, 반응관(1) 내에 형성되는 실리콘 코팅막(3)의 하단 부위의 높이 레벨과, 웨이퍼 보트(21)에 지지되는 처리 대상인 웨이퍼(W)군의 하한 부위의 높이 레벨의 사이에 위치한다. 실용적으로는, 가스 분산 노즐(143)의 가스 토출공(144) 중의 가장 아래의 가스 토출공은, 웨이퍼 보트(21)의 저판(22a)(대체로 처리 영역(1a)의 하단 위치에 대응)보다 0∼400mm 아래에, 그리고 실리콘 소스 가스를 공급하는 제1 인젝터(12)보다 0∼400mm 위에 배치된다.
또한, 도 10에서는 복수의 가스 토출공(144) 중의 일부를 간략화하여 묘사하고 있으며, 또한 이들 가스 토출공(144)의 간격에 대해서는 개략적으로 나타낸다. 또한, 제3 실시 형태에 있어서도, 암모니아 가스용의 제3 인젝터(16)는 제1 실시 형태와 동일하게 1개만 설치된다. 가스 분산 노즐(143)은, 가스 토출공(144)의 주위(가스 토출공(144)의 내면)에 있어서, 앞서 서술한 인젝터(14)와 동일하게 미리 실리콘 코팅막(3a)으로 피복된다.
제3 실시 형태에 있어서도, 복수의 가스 토출공(144) 중 하한의 가스 토출공(144)보다 상방측에 형성된 가스 토출공(144)에 의해 불화 수소 가스의 부족분이 보상된다. 이 때문에, 웨이퍼 보트(21)의 각 웨이퍼(W)간에 있어서 자연 산화막이 높은 면간 균일성을 가지고 제거된다. 또한, 다른 인젝터도 가스 분산 노즐로 할 수 있고, 이 경우, 당해 가스 분산 노즐을, 반응관(1)의 둘레 방향으로 간격을 두고 도 10과 같이 세워 설치하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 다른 인젝터를 가스 분산 노즐로 하여, 도 1에 나타낸 L자형의 제3 인젝터(14)와 조합할 수도 있다.
<실험>
도 1에 나타내는 종형 열처리 장치를 이용하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 실시예의 처리 시퀀스를 실행했다. 이 처리 시퀀스에서는, 우선 프리 코팅 처리를 행하여, 반응관(1)의 내면과 웨이퍼 보트(21)의 표면을 실리콘 코팅막으로 피복했다. 다음으로, 테스트 웨이퍼(Wa, Wb, Wc; 베어(bare) 웨이퍼임) 및 더미 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 보트(21)를 반응관(1) 내에 반입했다. 더미 웨이퍼는 웨이퍼 보트(21)의 상하 양단부에 수 매씩 배치했다. 테스트 웨이퍼(Wa)는 웨이퍼 보트(21)의 상부의 더미 웨이퍼의 하나 아래의 단에 배치했다. 테스트 웨이퍼(Wb)는 웨이퍼 보트의 중앙의 단에 배치했다. 테스트 웨이퍼(Wc)는 웨이퍼 보트(21)의 하부의 더미 웨이퍼의 하나 위의 단에 배치했다.
다음으로, 불화 수소 가스와 암모니아 가스를 반응관(1) 내에 공급하여 테스트 웨이퍼(Wa, Wb, Wc)의 자연 산화막을 제거하는 처리를 행했다. 자연 산화막을 제거하는 처리가 종료된 후, 웨이퍼 보트(21)를 반출하여, 테스트 웨이퍼(Wa, Wb, Wc)에 부착하는 0.08㎛ 이상의 크기의 파티클의 수를 웨이퍼 표면 검사 장치로 조사했다. 또한, 프리 코팅 처리 및 자연 산화막을 제거하는 처리는, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서 설명한 처리 조건 하에서 행했다.
또한, 도 12에 나타내는 종형 열처리 장치를 이용하여, 종래 기술에 따른 비교예의 처리 시퀀스를 실행했다. 이 처리 시퀀스에서는, 실시예의 처리 시퀀스와 동일한 처리 압력, 처리 온도, 처리 시간 및, 더미 웨이퍼 조건을 사용하여, 프리 코팅 처리 및 자연 산화막을 제거하는 처리를 행했다. 또한, 비교예에서는, 실시예의 테스트 웨이퍼(Wa, Wb, Wc)와 동일한 위치에, 테스트 웨이퍼(Wa', Wb', Wc'; 베어 웨이퍼임)를 배치했다.
도 11은 파티클 발생에 관한 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11에 있어서, 종축은 웨이퍼(W)에 부착되어 있던 파티클의 수, 횡축은 웨이퍼 보트(21) 상의 웨이퍼(W)의 위치(슬롯 위치)를 나타낸다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 실시예에 있어서는, 웨이퍼(Wa)에 106개, 웨이퍼(Wb)에 124개, 웨이퍼(Wc)에 162개의 파티클이 부착되어 있었다. 이에 대하여, 종래 기술에 따른 비교예에 있어서는, 웨이퍼(Wa')에 1512개, 웨이퍼(Wb')에 1542개, 웨이퍼(Wc')에 1325개의 파티클이 부착되어 있었다. 즉, 비교예의 각 웨이퍼(Wa', Wb', Wc')에 부착되어 있던 파티클의 양은, 실시예의 각 웨이퍼(Wa, Wb, Wc)와 비교하여 약 10배 정도 많았다. 이 결과로부터, 도 1에 나타내는 종형 열처리 장치를 이용한 처리 시퀀스에서는, 도 12에 나타내는 종형 열처리 장치를 이용한 처리 시퀀스와 비교하여, 대폭으로 파티클을 저감할 수 있다는 것이 확인되었다.
<다른 변경예>
제1 내지 제3 실시 형태에서는, 제1 가스 공급원(31)으로부터 실리콘 소스 가스로서, 모노 실란 가스를 공급한다. 그러나, 실리콘 소스 가스로서, 디실란(Si2H6), 디클로로실란(SiH2Cl2), 헥사클로로디실란(Si2Cl6), 시클로펜타실란(Si5H10) 등의 다른 실란계의 가스를 사용할 수 있다.
제1 내지 제3 실시 형태에서는, 자연 산화막을 제거하기 위해, 불화 수소(HF) 가스(에칭 가스)와 암모니아(NH3) 가스(기화 촉진 가스)를 공급한다. 그러나, 자연 산화막을 제거하기 위해, 불화 수소 가스만을 공급해도 좋다. 제1 내지 제3 실시 형태에서는, 클리닝 가스로서, 불소(F2) 가스를 공급한다. 그러나, 클리닝 가스로서 3불화 염소(ClF3) 가스를 사용할 수 있다. 또한, 실리콘 코팅막(3)의 프리 코팅 처리와 클리닝 가스에 의해 실리콘막을 제거하는 클리닝 처리는, 1 배치(batch)의 처리마다(매회) 행하지 않고, 2 배치 이상의 처리를 행할 때마다 행해도 좋다.
제1 내지 제3 실시 형태에서는, 반응관(1)은 단관(single tube)으로 형성된다. 그러나, 반응관은 상하 양단이 개방되는 내관과, 당해 내관을 둘러싸고 상부가 폐색단이 되는 외관을 구비한 이중관 구조라도 좋다. 이 경우, 내관의 하부로부터 공급된 처리 가스는 내관의 상부 개방단으로 상승하고, 그 후 내관과 외관의 사이를 지나면서 강하하여 외관의 하부에 형성된 배기구로부터 배기된다. 즉, 단관에 있어서도 이중관에 있어서도, 배기계는 처리 영역(1a)의 상방으로 가스를 흡인함으로써 반응관(1)을 배기하게 된다.
제1 내지 제3 실시 형태에서는, 실리콘의 성막 처리로서 실리콘의 에피택셜 성장이 예시된다. 그러나, 본 발명은, 하지의 자연 산화막에 의해 성막에 문제가 발생하기 때문에, 당해 자연 산화막을 제거하는 공정을 행하고 나서 실리콘막을 성막하는 다른 프로세스 시퀀스에 대하여 유효하다. 그 예로서는, 예를 들면, 어떤 장치에서 피처리체 상에 하지막이 성막되고, 다음으로 피처리체가 대기 반송되고, 다음으로 다른 장치에서 하지막 상에 실리콘막이 성막되는 프로세스 시퀀스이다. 이러한 프로세스 시퀀스는, n형 혹은 p형의 불순물을 도프하는 폴리 실리콘막을 도전부로 하여 사용하는 반도체 디바이스를 제조하는 경우에 구현된다.

Claims (20)

  1. 실리콘 성막 장치의 사용 방법으로서,
    상기 장치는,
    복수의 피(被)처리체를 수납하는 처리 영역을 갖는 종형의 석영제 반응관과,
    상기 처리 영역 내에서 상기 피처리체를 상하로 간격을 두어 적층한 상태로 지지하는 석영제 지지 기구와,
    상기 반응관을 둘러싸도록 설치된, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리체를 가열하는 히터와,
    상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계와,
    상기 처리 영역의 상방으로 가스를 흡인함으로써 상기 반응관을 배기하는 배기계를 구비하고,
    상기 방법은,
    제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면을 실리콘 코팅막으로 피복하는 프리 코팅 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 처리 영역보다 하측의 제1 위치에 최하 개구부를 갖는 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과,
    다음으로, 복수의 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 형성된 자연 산화막을 에칭하는 에칭 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 처리 영역과 상기 제1 위치의 사이에 최하 개구부를 갖는 제2 공급구로부터 상기 반응관 내에 에칭 가스를 공급하는, 공정과,
    다음으로, 상기 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 실리콘 제품막을 성막하는 실리콘 성막 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과,
    다음으로, 제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면 상의 실리콘막을 에칭하는 클리닝 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 위치와 동일한 높이 또는 이보다 하측의 위치에 최하 개구부를 갖는 제3 공급구로부터 상기 반응관 내에 클리닝 가스를 공급하는, 공정을 구비하는 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제품용 피처리체는 실리콘 웨이퍼이며,
    상기 실리콘 성막 처리는, 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 실리콘을 에피택셜(epitaxial) 성장시키는 처리인 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공급구는, 상기 처리 영역의 범위 내의 높이에 배치된 추가의 개구부를 추가로 구비하는 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부 및 상기 추가의 개구부는, 상기 반응관 내에 설치된 복수의 노즐의 각각에 형성되는 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부 및 상기 추가의 개구부는, 상기 반응관 내에 설치되고 그리고 상기 처리 영역을 따라서 상하 방향으로 연장되는 가스 분산 노즐에 형성된 복수의 가스 토출공을 구비하는 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부는, 상기 실리콘 코팅막의 하단으로부터 4밀리 아래의 위치보다 위에 있도록 배치되는 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 불화 수소 가스인 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에칭 처리는, 상기 에칭 처리에 의한 생성물의 기화를 촉진시키기 위해, 상기 불화 수소 가스와 함께, 상기 처리 영역보다 하측에 최하 개구부를 갖는 제4 공급구로부터 상기 반응관 내에 암모니아 가스를 공급하면서 행해지는 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제4 공급구는, 상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부보다 하측에 개구부를 갖는 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 클리닝 가스는, 불소 가스 또는 3불화 염소 가스인 실리콘 성막 장치의 사용 방법.
  11. 복수의 피처리체를 수납하는 처리 영역을 갖는 종형의 석영제 반응관과,
    상기 처리 영역 내에서 상기 피처리체를 상하로 간격을 두어 적층한 상태로 지지하는 석영제 지지 기구와,
    상기 반응관을 둘러싸도록 설치된, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리체를 가열하는 히터와,
    상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계와,
    상기 처리 영역의 상방으로 가스를 흡인함으로써 상기 반응관을 배기하는 배기계와,
    상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 가스 공급계는,
    상기 처리 영역보다 하측의 제1 위치에 최하 개구부를 갖는 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 실리콘 소스 가스를 공급하는 제1 공급계와,
    상기 처리 영역과 상기 제1 위치의 사이에 최하 개구부를 갖는 제2 공급구로부터 상기 반응관 내에 에칭 가스를 공급하는 제2 공급계와,
    상기 제1 위치와 동일한 높이 또는 이보다 하측의 위치에 최하 개구부를 갖는 제3 공급구로부터 상기 반응관 내에 클리닝 가스를 공급하는 제3 공급계를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 장치를 사용하는 방법을 실행하도록 미리 설정되고,
    상기 방법은,
    제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면을 실리콘 코팅막으로 피복하는 프리 코팅 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과,
    다음으로, 복수의 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 형성된 자연 산화막을 에칭하는 에칭 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제2 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 에칭 가스를 공급하는, 공정과,
    다음으로, 상기 제품용 피처리체를 지지하는 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 제품용 피처리체의 표면에 실리콘 제품막을 성막하는 실리콘 성막 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제1 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 실리콘 소스 가스를 공급하는, 공정과,
    다음으로, 제품용 피처리체를 지지하지 않은 상기 지지 기구를 수납한 상기 반응관 내에서, 상기 반응관의 내면 및 상기 지지 기구의 표면 상의 실리콘막을 에칭하는 클리닝 처리를 행하는 공정으로서, 상기 배기계에 의해 상기 반응관을 배기하면서, 상기 제3 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 클리닝 가스를 공급하는, 공정을 구비하는 실리콘 성막 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제품용 피처리체는 실리콘 웨이퍼이며,
    상기 실리콘 성막 처리는, 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 실리콘을 에피택셜 성장시키는 처리인 실리콘 성막 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 공급구는, 상기 처리 영역의 범위 내의 높이에 배치된 추가의 개구부를 추가로 구비하는 실리콘 성막 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부 및 상기 추가의 개구부는, 상기 반응관 내에 설치된 복수의 노즐의 각각에 형성되는 실리콘 성막 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부 및 상기 추가의 개구부는, 상기 반응관 내에 설치되고 그리고 상기 처리 영역을 따라서 상하 방향으로 신장되는 가스 분산 노즐에 형성된 복수의 가스 토출공을 구비하는 실리콘 성막 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부는, 상기 실리콘 코팅막의 하단으로부터 4밀리 아래의 위치보다 위에 있도록 배치되는 실리콘 성막 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 에칭 가스는, 불화 수소 가스인 실리콘 성막 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가스 공급계는, 상기 처리 영역보다 하측에 최하 개구부를 갖는 제4 공급구로부터 상기 반응관 내에 암모니아 가스를 공급하는 제4 공급계를 추가로 구비하고,
    상기 에칭 처리는, 상기 에칭 처리에 의한 생성물의 기화를 촉진시키기 위해, 상기 불화 수소 가스와 함께, 상기 제4 공급구로부터 상기 반응관 내에 상기 암모니아 가스를 공급하면서 행해지는 실리콘 성막 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제4 공급구는, 상기 제2 공급구의 상기 최하 개구부보다 하측에 개구부를 갖는 실리콘 성막 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 클리닝 가스는, 불소 가스 또는 3불화 염소 가스인 실리콘 성막 장치.
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