KR20110009624A - 반도체 처리용의 배치 ｃｖｄ 방법과 장치 및, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 - Google Patents

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Abstract

배치 CVD 방법은, 흡착 공정과 반응 공정을 잔류 가스를 제거하는 공정과 함께 갖는 사이클을 반복한다. 흡착 공정은, 원료 가스 밸브를 맨 처음의 제1 기간만 열림 상태로 한 후에 닫힘 상태로 함으로써 처리 용기 내로 원료 가스를 공급하는 것과, 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 처리 용기 내로 반응 가스를 공급하지 않는 것과, 배기 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 처리 용기 내를 배기하지 않는 것으로 행한다. 반응 공정은, 원료 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 처리 용기 내로 원료 가스를 공급하지 않는 것과, 반응 가스 밸브를 열림 상태로 하여 처리 용기 내로 반응 가스를 공급하는 것과, 배기 밸브를 소정의 열림 상태로부터 밸브 개도를 서서히 작게 함으로써 처리 용기 내를 배기하는 것으로 행한다.

Description

반도체 처리용의 배치 ＣＶＤ 방법과 장치 및, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체{BATCH CVD METHOD AND APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESS, AND COMPUTER READABLE STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 배치 CVD(batch chemical vapor deposition) 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 웨이퍼 등의 피(被)처리체 상에 제품막을 형성하는 반도체 처리 기술에 관한 것이다. 여기에서, 반도체 처리란, 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용의 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 집적 회로를 구성하는 반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 피처리체, 예를 들면 반도체 웨이퍼에, 성막, 에칭, 산화, 확산, 개질(reformation) 등의 각종의 처리가 행해진다. 이 종류의 성막 처리는, 예를 들면 일본공개특허공보 평09―077593호에 개시되어 있는 바와 같은 매엽식(single-substrate)의 성막 장치나, 예를 들면 일본공개특허공보 2004―006801호에 개시되어 있는 바와 같은 배치식의 성막 장치 내에서 행해진다.
도 5는, 종래의 배치 CVD 장치의 일 예를 나타내는 개략 구성도이다. 예를 들면 실리콘 산화막을 형성하는 경우에는, 종형(縱型)의 처리 용기(2) 내에, 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)를 웨이퍼 보트(4)에 다단으로 지지시킨 상태로 이것을 수용한다. 처리 용기(2)를 둘러싸도록 하여 형성한 히터(6)로 웨이퍼(W)를 소정의 온도, 예를 들면 600℃ 정도로 가열한다. 가스 공급계로부터, 실리콘 원료 가스와, 예를 들면 오존으로 이루어지는 반응 가스를 흘린다. 이들 가스를 처리 용기(2) 내를 상하 방향으로 연신(extend)하는 분산 노즐(8, 10)에 형성된 다수의 가스 분사공(8A, 10A)으로부터 처리 용기(2) 내로 토출시킨다. 또한, 처리 용기(2)의 하부에 형성한 배기구(12)로부터 진공 펌프(16)를 갖는 진공 배기계(14)로 처리 용기(2) 내를 진공 흡인한다. 이와 같이 하여, 처리 용기(2)를 소정의 압력으로 유지하여 실리콘 산화막의 성막 처리를 행한다.
최근, 반도체 집적 회로의 더욱 고(高)집적화 및 고미세화의 요구에 수반하여, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 열 이력(history)을 경감시키고, 디바이스의 특성을 향상시키는 것이 요망되고 있다. 종형의 처리 장치에 있어서도, 이러한 요구에 따른 반도체 처리 방법의 개량이 이루어지는 것이 요망되고 있다. 예를 들면, 성막 처리의 일종인 CVD에 있어서, 원료 가스 등을 간헐적으로 공급하면서, 원자 혹은 분자 레벨의 두께의 층을 1층 또는 수층씩 반복하여 성막하는 방법이 있다. 이러한 성막 방법은 일반적으로는 ALD(Atomic Layer Deposition) 혹은 MLD(Molecular Layer Deposition)라고 칭해지며, 이것에 의해, 웨이퍼를 그렇게 고온에 노출시키지 않아도 목적으로 하는 처리를 행하는 것이 가능해진다.
도 5에 나타내는 장치로 ALD 혹은 MLD에 의해 실리콘 산화막의 성막을 행하는 경우는 다음과 같은 조작을 행한다. 즉, 실리콘 원료 가스를 공급하는 전환 밸브(8B)와, 산화 가스인 오존을 공급하는 전환 밸브(10B)를 조작하여 양(兩) 가스를 번갈아 공급한다. 또한, 진공 배기계(14)의 배기 밸브(14B)의 밸브 개도(opening degree)를 조정하여, 처리 용기(2) 내의 압력을 조정한다.
도 6은, 도 5에 나타내는 장치로 ALD에 의해 실리콘 산화막의 성막을 행하는 경우의 각 밸브의 상태와 처리 용기 내의 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6(A)는 원료 가스의 전환 밸브(8B)의 상태를 나타내고, 도 6(B)는 반응 가스의 전환 밸브(10B)의 상태를 나타내고, 도 6(C)는 진공 배기계의 배기 밸브(14B)의 상태(밸브 개도)를 나타내며, 도 6(D)는 처리 용기 내의 압력을 나타낸다.
도 6에 나타내는 방법에서는, 흡착 공정(T11)과, 배기 공정(T12)과, 반응 공정(T13)과, 배기 공정(T14)을 이 순서로 포함하는 사이클을 복수회 반복한다. 흡착 공정(T11)에서는, 도 6(A)에 나타내는 바와 같이, 원료 가스의 전환 밸브(8B)를 열림 상태로 하여 실리콘 원료 가스를 공급해 이 가스를 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시킨다. 반응 공정(T13)에서는, 도 6(B)에 나타내는 바와 같이, 반응 가스의 전환 밸브(10B)를 열림 상태로 하여 반응 가스인 오존을 공급하여 웨이퍼 표면 상에 흡착하는 원료 가스와 반응시켜 얇은 SiO2막을 형성한다. 배기 공정(T12, T14)에서는, 배기 밸브(14B)를 열림 상태로 하여, 원료 가스 및 반응 가스를 공급하지 않고, 처리 용기(2) 내를 배기한다.
1사이클로 원자 레벨 혹은 분자 레벨의 두께의 박막이 1층 형성된다. 사이클의 각 회마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 제품막이 형성된다. 1사이클 중의 흡착 공정(T11) 및 반응 공정(T13)의 시간은 각각 60sec 정도, 배기 공정(T12, T14)의 시간은 10sec 정도이다. 이 배치 CVD 방법에 의해, 웨이퍼를 그렇게 고온에 노출시키지 않아도 목적으로 하는 처리를 행하는 것이 가능해진다. 그러나, 본 발명자들에 의하면, 후술하는 바와 같이, 이 종류의 배치 CVD 방법에는, 막질(膜質), 스루풋(throughput) 및, 원료 가스 소비량에 관한 특성의 점에서 개선의 여지가 있는 것이 발견되고 있다.
본 발명은, 막질, 스루풋 및, 원료 가스 소비량에 관한 향상된 특성을 갖는 배치 CVD 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 시점은, 배치 CVD(batch chemical vapor deposition) 장치에 의한 반도체 처리용의 배치 CVD 방법으로서, 상기 장치는, 복수의 피처리체를 수납하는 세로로 긴 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 상기 피처리체를 간격을 두고 겹쳐 쌓아 지지하는 보지구(保持具)와, 상기 처리 용기 내에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계로서, 상기 원료 가스의 공급을 조정하는 원료 가스 밸브를 포함하는, 원료 가스 공급계와, 상기 처리 용기 내에 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급계로서, 상기 반응 가스의 공급을 조정하는 반응 가스 밸브를 포함하는, 반응 가스 공급계와, 상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계로서, 배기량을 조정하는 배기 밸브를 포함하는, 배기계를 구비하고, 상기 방법은, 이하의 사이클을 복수회 반복하여 각 회마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 제품막을 상기 피처리체 상에 형성하도록 구성되고, 여기에서 상기 사이클은, 상기 원료 가스를 상기 피처리체 상에 흡착시키는 흡착 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 맨 처음의 제1 기간만 열림 상태로 한 후에 닫힘 상태로 함으로써 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하고, 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하지 않으며, 상기 배기 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내를 배기하지 않는, 흡착 공정과, 다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제1 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제1 개재 공정과, 다음으로, 상기 반응 가스를 상기 피처리체 상에 흡착하는 상기 원료 가스와 반응시키는 반응 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하지 않고, 상기 반응 가스 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하며, 상기 배기 밸브를 소정의 열림 상태로부터 밸브 개도를 서서히 작게 함으로써 상기 처리 용기 내를 배기하는, 반응 공정과, 다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제2 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 밸브 개도가 상기 반응 공정의 마지막보다도 큰 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제2 개재 공정을 구비한다.
본 발명의 제2 시점은, 프로세서상에서 실행하기 위한 프로그램 지령을 기억하는, 컴퓨터로 판독 가능한 기억 매체로서, 상기 프로그램 지령은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 배치 CVD 장치를 제어하여 제1 시점의 방법을 실행시킨다.
본 발명의 제3 시점은, 반도체 처리용의 배치 CVD(chemical vapor deposition) 장치로서, 복수의 피처리체를 수납하는 세로로 긴 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 상기 피처리체를 간격을 두고 겹쳐 쌓아 지지하는 보지구와, 상기 처리 용기 내에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계로서, 상기 원료 가스의 공급을 조정하는 원료 가스 밸브를 포함하는, 원료 가스 공급계와, 상기 처리 용기 내에 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급계로서, 상기 반응 가스의 공급을 조정하는 반응 가스 밸브를 포함하는, 반응 가스 공급계와, 상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계로서, 배기량을 조정하는 배기 밸브를 포함하는, 배기계와, 상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는 배치 CVD 방법을 행하도록 미리 설정되고, 상기 방법은, 이하의 사이클을 복수회 반복하여 각 회마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 제품막을 상기 피처리체 상에 형성하도록 구성되고, 여기에서, 상기 사이클은, 상기 원료 가스를 상기 피처리체 상에 흡착시키는 흡착 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 맨 처음의 제1 기간만 열림 상태로 한 후에 닫힘 상태로 함으로써 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하고, 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하지 않으며, 상기 배기 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내를 배기하지 않는, 흡착 공정과, 다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제1 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제1 개재 공정과, 다음으로, 상기 반응 가스를 상기 피처리체 상에 흡착하는 상기 원료 가스와 반응시키는 반응 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하지 않고, 상기 반응 가스 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하며, 상기 배기 밸브를 소정의 열림 상태로부터 밸브 개도를 서서히 작게 함으로써 상기 처리 용기 내를 배기하는, 반응 공정과, 다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제2 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 밸브 개도가 상기 반응 공정의 마지막보다도 큰 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제2 개재 공정을 구비한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 배치 CVD 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 장치로 ALD에 의해 실리콘 산화막의 성막을 행하는 경우의 각 밸브의 상태와 처리 용기 내의 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3a, 도 3b는, 진공 배기계의 배기 밸브의 밸브 개도의 변화에 관하여, 반응 공정의 2개의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 4는, 실시 형태에 따른 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 종래의 배치 CVD 장치의 일 예를 나타내는 개략 구성도이다.
도 6은, 도 5에 나타내는 장치로 ALD에 의해 실리콘 산화막의 성막을 행하는 경우의 각 밸브의 상태와 처리 용기 내의 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명자들은, 본 발명의 개발의 과정에서, 종래의 이 종류의 반도체 처리용의 배치 CVD 방법 및 장치에 있어서의 문제에 대해서 연구했다. 그 결과, 본 발명자들은, 이하에 기술하는 바와 같은 인식을 얻었다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 방법은, 흡착 공정(T11)에 있어서 실리콘 원료 가스를 공급할 때에는, 다량의 원료 가스를 웨이퍼 표면에 부착시키기 위해, 웨이퍼 표면 상에 원료 가스의 흐름을 형성하는 편이 바람직하다는 종래의 컨셉으로 구성된다. 이 때문에, 흡착 공정(T11)에서는, 도 6(C)에 나타내는 바와 같이, 진공 배기계(14)의 배기 밸브(14B)를 어느 정도 열어, 예를 들면 밸브 개도를 30％ 정도로 설정하여, 배기를 어느 정도 행하여 웨이퍼 표면 상에 있어서의 원료 가스의 흐름을 형성한다. 이 경우의 원료 가스의 공급량은 10∼500sccm(standard cubic centimeter per minute) 정도이기 때문에, 도 6(D)에 나타내는 바와 같이 처리 용기(2) 내의 압력은 조금씩 직선적으로 상승한다.
또한, 반응 공정(T13)에서는, 상기 흡착 공정(T11) 때보다는 배기 밸브(14B)의 밸브 개도를 조금 크게 하여, 예를 들면 밸브 개도를 60％ 정도로 설정하여 효율적으로 반응이 일어나도록 한다. 이 경우, 오존의 유량은 20slm(standard liter per minute) 정도이기 때문에 원료 가스의 유량과 비교하여 매우 많고, 그 때문에, 처리 용기(2) 내의 압력은, 맨 처음은 오존의 도입에 의해 압력은 단번에 상승하여 잠시 포화된 후에, 조금씩 저하된다. 또한, 배기 공정(T12, T14)에서는 처리 용기(2) 내의 잔류 가스를 빨리 배제할 필요 때문에 배기 밸브(14B)의 밸브 개도를 100％로 설정하여 강력하게 진공 흡인한다. 또한, 진공 펌프(16)는 전(全) 공정에 걸쳐 연속적으로 구동한다.
그러나, 전술한 종래의 방법에서는, 흡착 공정(T11)에 있어서 배기 밸브(14 B)를 어느 정도 열어 흡착 공정(T11) 동안은 연속적으로 실리콘 원료 가스를 흘리고 있다. 이 때문에, 원료 가스가 다량으로 소비되고, 특히 원료 가스가 고가인 경우에는 러닝 비용(running cost)이 큰 폭으로 증가한다.
또한 반응 공정(T13)에 있어서는, 맨 처음에 오존의 도입에 의해 도 6(D)의 포인트(P1)에 나타내는 바와 같이 처리 용기(2) 내의 압력이 오존에 있어서 과도하게 상승하여, 오존이 활성을 잃고 실활(deactivate)되기 쉬워진다. 그 때문에, 웨이퍼의 주변부에서는 성막은 충분히 일어나지만, 웨이퍼의 중심부에는 오존이 충분히 닿지 않아 웨이퍼 중심부에서의 성막이 불충분해져, 그 결과, 막두께의 면 내 균일성이 저하된다. 특히, 웨이퍼 표면에 트렌치 구조(trench structure)를 갖는 경우에는, 오존의 소비가 심해져 웨이퍼 중심부에서는 막두께가 큰 폭으로 얇아지는 현상, 즉 로딩(loading) 효과가 현저히 발생한다. 이 경우, 반응 공정(T13)에 있어서의 처리 용기(2) 내의 압력을 더욱 낮게 하는 것도 생각할 수 있지만, 압력이 낮으면 성막 레이트가 큰 폭으로 작아져 스루풋이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
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, 동일 부호를 붙여, 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 배치 CVD 장치를 나타내는 개략 구성도이다. 이 장치는 원료 가스로서 Si 함유의 유기 원료인 3DMAS(트리스디메틸아미노실란)을 이용하고, 반응 가스로서 산화성 가스인 오존(실제적으로는 O3 및 O2의 혼합 가스)을 이용하며, 박막으로서 실리콘 산화막(SiO2)을 성막하도록 구성된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 이 성막 장치(20)는, 간격을 두고 겹쳐 쌓인 복수의 반도체 웨이퍼(피처리체)를 수납하여 처리하는 처리 영역(23)을 내부에 규정하는 처리 용기(22)를 갖는다. 처리 용기(22)는 세로로 긴 내통(內筒; 24)과 외통(外筒; 26)으로 이루어지는 이중관 구조를 갖는다. 내통(24)은 천정이 있고 그리고 하단부가 개구되는 원통체 형상으로 성형되고, 그 내부에 처리 영역(23)이 규정된다. 외통(26)은 내통(24)의 외측을 소정의 간격을 두고 덮도록 하여 형성된 천정이 있고 그리고 하단부가 개구되는 원통체 형상으로 성형된다. 내통(24)과 외통(26)은 함께 석영에 의해 형성된다.
처리 용기(22)의 직경은, 예를 들면 직경이 300mm인 웨이퍼(W)를 수용하는 경우에는, 400∼500mm 정도로 설정된다. 처리 용기(22)의 내부 용량은 수용할 수 있는 웨이퍼(W)의 매수에 의존하며, 예를 들면 최대 150매 정도의 웨이퍼(W)를 수용하는 경우에는, 200리터 정도로 설정된다.
외통(26)의 하단부는, 원통체 형상으로 성형된 예를 들면 스테인리스 스틸제의 매니폴드(manifold; 28)가 O링 등의 시일 부재(seal member; 30)를 통하여 기밀(airtight)하게 접속된다. 매니폴드(28)에 의해 외통(26)의 하단부가 지지되는 한편, 매니폴드(28)는 도시하지 않는 베이스 플레이트(base plate)에 의해 지지된다. 매니폴드(28)는 그 내벽으로부터 연장되는 링 형상의 지지대(32)를 포함하고, 지지대(32) 상에 내통(24)의 하단부가 올려놓여져 지지된다. 처리 용기(22)의 내통(24) 내에는, 보지 수단으로서의 석영제의 웨이퍼 보트(34)가 수용된다.
매니폴드(28)의 하단 개구를 통하여 웨이퍼 보트(34)가 승강되고, 이에 따라 처리 용기(22)의 처리 영역(23)에 대하여 웨이퍼 보트(34)가 로드(load)/언로드(unload)된다. 웨이퍼 보트(34)에는 피처리체로서 다수매의 반도체 웨이퍼(W)가 다단으로 올려놓여진다. 예를 들면, 본 실시 형태의 경우에 있어서, 웨이퍼 보트(34)에는, 예를 들면 50∼100매 정도의 직경이 300mm인 웨이퍼(W)가 대략 동일한 피치(pitch)로 다단으로 지지 가능해진다.
웨이퍼 보트(34)는 석영제의 보온통(40)을 통하여 테이블(42) 상에 올려놓여진다. 테이블(42)은, 매니폴드(28)의 하단 개구를 개폐하는, 예를 들면 석영이나 스테인리스 스틸제의 덮개체(36)를 관통하는 회전축(44) 상에 지지된다. 회전축(44)의 관통부에는 예를 들면 자성 유체 시일(46)이 설치되어, 회전축(44)을 기밀하게 시일하면서 회전 가능하게 지지한다. 덮개체(36)의 주변부와 매니폴드(28)의 하단부에는, 예를 들면 O링 등으로 이루어지는 시일 부재(38)가 설치되어, 용기 내의 시일성을 유지한다.
회전축(44)은, 예를 들면 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(48)에 지지된 아암(50)의 선단(distal end)에 부착된다. 승강 기구(48)에 의해, 웨이퍼 보트(34) 및 덮개체(36) 등이 일체적으로 승강된다. 또한, 아암(50) 내의 회전 기구에 의해 회전축(44)이 구동되면 웨이퍼 보트(34)가 회전되고, 이에 따라 웨이퍼 보트(34) 상의 웨이퍼가 그들의 중심을 통과하는 수직인 축을 중심으로 하여 회전된다. 또한, 테이블(42)을 덮개체(36)측으로 고정하여 형성하여, 웨이퍼 보트(34)를 회전시키는 일 없이 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 좋다.
처리 용기(22)를 포위하도록, 단열 케이싱(51)이 설치된다. 단열 케이싱(51)의 내면 상에는, 처리 용기(22) 내의 분위기 및 웨이퍼(W)를 가열하는 히터 (52)가 설치된다. 히터(52)로서는, 컨태미네이션(contamination)이 없고 승강·강온 특성이 우수한 카본 와이어(carbon wire) 등이 이용된다. 처리 용기(22)의 내통(24) 내에는, 히터(52)를 제어하기 위한 열전대(thermocouple; 도시하지 않음)가 설치된다.
매니폴드(28)의 측부에는, 처리 용기(22) 내의 처리 영역(23)에 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 가스 공급부가 접속된다. 가스 공급부는, 원료 가스 공급계 (54), 반응 가스 공급계(56) 및, 퍼지 가스 공급계(58)를 포함한다. 원료 가스 공급계(54)는 실리콘 원료 가스로서 3DMAS 가스를 공급한다. 반응 가스 공급계(56)는 반응 가스로서 산화 가스인 오존 가스(실제적으로는 O3 및 O2의 혼합 가스)를 공급한다. 퍼지 가스 공급계(58)는 퍼지 가스로서 불활성 가스, 예를 들면 N2 가스를 공급한다. 원료 가스 및 반응 가스에는 필요에 따라서 적당한 양의 캐리어 가스, 예를 들면 N2 가스가 혼합된다. 그러나, 이하에서는 설명을 용이하게 하기 위해, 캐리어 가스에 대해서는 필요한 경우만 언급한다. 또한, 이 퍼지 가스나 캐리어 가스로서는, N2 가스를 대신하여 Ar, He 등의 희가스(rare gas)를 이용할 수 있다.
구체적으로는, 원료 가스 공급계(54), 반응 가스 공급계(56) 및, 퍼지 가스 공급계(58)는, 매니폴드(28)의 측벽을 안쪽으로 관통하여 내통(24) 내에서 상향으로 굴곡하여 연장하는 석영관으로 이루어지는 가스 분산 노즐(60, 64, 68)을 각각 갖는다(도 1 참조). 각 가스 분산 노즐(60, 64, 68)에는, 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 그리고 웨이퍼 보트(34) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 복수의 가스 분사공(60A, 64A, 68A)이 소정의 간격을 두고 형성된다. 가스 분사공(60A, 64A, 68A)은, 필요에 따라서, 대응의 가스를 각각 공급할 때, 수평 방향으로 대략 균일하게 가스를 토출하여, 웨이퍼 보트(34) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대하여 평행인 가스류를 형성한다.
가스 분산 노즐(60, 64, 68)은, 가스 공급 라인(가스 통로; 62, 66, 70)을 통하여, 3DMAS 가스, O3 가스 및, N2 가스의 가스원(54S, 56S, 58S)에 각각 접속된다. 가스 공급 라인(62, 66, 70)상에는, 매스플로우 컨트롤러(mass flow controller)와 같은 유량 제어기(62A, 66A, 70A)와 전환 밸브(62B, 66B, 70B)가 설치된다. 이것에 의해, 3DMAS 가스, O3 가스 및, N2 가스의 공급과 정지를 전환함과 함께 각각 유량 제어하면서 공급 가능해진다.
가스 분산 노즐(60, 64, 68)은, 내통(24) 내의 일측에 집합시켜 설치된다(도 1에서는 도면 스페이스의 관계로 인해 가스 분산 노즐(68)을 다른 가스 분산 노즐(60, 64)에 대하여 반대측에 나타내지만). 가스 분산 노즐(60, 64, 68)에 대하여 대향하는 내통(24)의 측벽에 직경이 큰 복수의 가스 유통공(72)이 상하 방향을 따라 배열 형성된다. 웨이퍼 사이를 통하여 수평 방향으로 흐른 각 가스는 가스 유통공(72)을 통하여 내통(24)과 외통(26)과의 사이의 간극(74)으로 유입된다.
매니폴드(28)의 상부측에는, 내통(24)과 외통(26)과의 사이의 간극(74)에 연통되는 배기구(76)가 형성되고, 배기구(76)에는 처리 용기(22) 내를 진공 흡인하는 진공 배기계(78)가 접속된다. 진공 배기계(78)는 배기구(76)에 접속되는 배기 라인(80)을 갖고, 이 배기 라인(80)에는 처리 용기(22) 내를 진공 배기하는 진공 펌프(82)와, 밸브 개도를 변화시킴으로써 처리 용기(22) 내의 압력을 조정하는 배기 밸브(80B)가 설치된다. 배기 밸브(80B)는 밸브 개도가 임의의 값으로 조정 가능하게 됨과 함께, 전개(全開) 및 전폐(全閉)도 행할 수 있어, 배기를 완전히 차단할 수 있다.
또한 성막 장치(20)는, 장치 전체의 동작을 제어하는 컴퓨터 등으로 이루어지는 주(主)제어부(84)를 구비한다. 주제어부(84)는, 이것에 부수되는 기억부(86)에 미리 기억된 처리 레시피에 따라서, 예를 들면, 형성되는 막의 막두께나 조성 등의 조건에 따라서 후술하는 배치 CVD 처리를 행한다. 이 기억부(86)에는 또한, 처리 가스 유량과 막의 막두께나 조성과의 관계가 미리 제어 데이터로서 기억된다. 따라서, 주제어부(84)는 이들의 기억된 처리 레시피나 제어 데이터에 기초하여, 승강 기구(48), 가스 공급계(54, 56, 58), 진공 배기계(78), 히터(52) 등을 제어할 수 있다. 또한, 기억 매체는, 예를 들면, 자기 디스크(플렉시블 디스크, 하드 디스크(일 예는 기억부(86)에 포함되는 하드 디스크) 등), 광디스크(CD, DVD 등), 마그네토 옵티컬 디스크(MO 등), 반도체 메모리 등이다.
다음으로, 도 1에 나타내는 장치를 이용하여 행해지는 배치 CVD 방법(이른바 ALD 혹은 MLD 성막)에 대해서 설명한다. 이 배치 CVD에서는, ALD 혹은 MLD에 의해 반도체 웨이퍼(W) 상에 실리콘 산화막을 형성한다. 이를 위해, 웨이퍼(W)를 수납한 처리 영역(23) 내에 실리콘 원료 가스인 3DMAS 가스와, 산화 반응 가스인 오존(O3) 가스를 선택적으로 공급한다. 이에 따라, 3DMAS 가스를 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시키는 흡착 공정과, 오존 가스를 웨이퍼(W)의 표면에 흡착되어 있는 3DMAS 가스와 반응시켜 실리콘 산화물의 박막을 형성하는 반응 공정을 번갈아 복수회 반복하여 행한다. 구체적으로는, 이하의 조작에 의해 성막 처리를 진행한다.
즉, 성막 장치(20)가, 반도체 웨이퍼(W)가 로드되어 있지 않은 대기 상태일 때에는, 처리 영역(23)은 프로세스 온도보다 낮은 온도로 유지된다. 처리시에는, 우선, 다수매, 예를 들면 50매의 웨이퍼(W)를 보지한 상온의 웨이퍼 보트(34)를, 소정의 온도로 설정된 처리 영역(23)(처리 용기(22)는 핫월(hot wall) 상태) 내에 하방으로부터 로드한다. 또한, 덮개체(36)로 처리 용기(22)의 하단 개구부를 닫음으로써 처리 용기(22) 내를 밀폐한다.
그리고, 처리 영역(23)을 진공 흡인하여 소정의 프로세스 압력으로 설정한다. 이것과 함께 히터(52)로의 공급 전력을 증대시킴으로써, 처리 영역(23)을 성막 처리용의 프로세스 온도까지 가열한다. 처리 영역(23)이 프로세스 압력 및 프로세스 온도로 안정된 후, 성막을 행하는 데에 필요한 소정의 처리 가스를 처리 영역(23)으로 공급한다. 즉 여기에서는 3DMAS 가스와 오존 가스를 유량 제어하면서 각 가스 공급계(54, 56)의 가스 분산 노즐(60, 64)로부터 각각 처리 영역(23)으로 공급한다. 또한, 진공 배기계(78)의 배기 밸브(80B)의 밸브 개도를 조정하여 처리 용기(22) 내의 압력을 컨트롤한다.
3DMAS 가스는 가스 분산 노즐(60)의 가스 분사공(60A)으로부터, 웨이퍼 보트(34) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대하여 평행한 가스류를 형성하도록 공급된다. 이 사이에, 3DMAS 가스는 처리 영역(23)의 가열 온도에 의해 활성화되어, 3DMAS 가스의 분자 혹은, 그들의 분해에 의해 발생한 분해 생성물의 분자 혹은 원자가 웨이퍼 상에 흡착된다.
한편, 오존 가스는 가스 분산 노즐(64)의 가스 분사공(64A)으로부터, 웨이퍼 보트(34) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대하여 평행인 가스류를 형성하도록 공급된다. 오존 가스는 처리 영역(23)의 가열 온도에 의해 활성화되고, 오존 가스의 분자 혹은, 그들의 분해에 의해 발생한 분해 생성물의 분자 혹은 원자가, 웨이퍼(W)에 부착되어 있는 3DMAS 가스에서 유래하는 분해 생성물 등과 반응한다. 이에 따라 웨이퍼(W) 상에 실리콘 산화물의 박막이 형성된다. 또한, 이것과는 반대로, 오존 가스에서 유래하는 분해 생성물 등이 웨이퍼(W)에 부착되어 있는 장소에 3DMAS 가스에서 유래하는 분해 생성물 등이 흘러온 경우에도, 동일한 반응이 일어나, 웨이퍼(W) 상에 실리콘 산화물의 박막이 형성된다.
전술한 흡착 공정과 반응 공정과의 사이 및 반응 공정과 흡착 공정과의 사이에서는, 3DMAS 가스 및 오존 가스를 공급하지 않고, 처리 용기(22) 내를 배기하는 배기 공정을 행한다. 또한, 배기 공정에서는, 필요에 따라서, 퍼지 가스로서 N2 가스가 유량 제어되면서 가스 공급계(58)의 노즐(68)로부터 공급된다. 또한, 처리 영역(23)을 통과한 가스 성분은, 가스 유통공(72)을 통하여 내통(24)과 외통(26)과의 사이의 간극(74)으로 흘러 들어간다. 그 후, 이들 가스 성분은 외통(26)의 하단에 형성된 배기구(76)로부터 진공 배기계(78)에 의해 배기된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 장치로 ALD에 의해 실리콘 산화막의 성막을 행하는 경우의 각 밸브의 상태와 처리 용기 내의 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2(A)는 원료 가스의 전환 밸브(62B)의 상태를 나타내고, 도 2(B)는 반응 가스의 전환 밸브(66B)의 상태를 나타내고, 도 2(C)는 진공 배기계의 배기 밸브(80B)의 상태(밸브 개도)를 나타내며, 도 2(D)는 처리 용기 내의 압력을 나타낸다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 이 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 흡착 공정(T1)과, 제1 배기 공정(T2)과, 반응 공정(T3)과, 제2 배기 공정(T4)을 이 순서로 포함하는 사이클을 복수회 반복한다. 흡착 공정(T1)에서는, 도 2(A)에 나타내는 바와 같이, 원료 가스의 전환 밸브(62B)를 열어 3DMAS 가스를 공급하고 이 가스에서 유래하는 분해 생성물 등을 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시킨다. 반응 공정(T3)에서는, 도 2(B)에 나타내는 바와 같이, 반응 가스의 전환 밸브(66B)를 열어 오존 가스를 공급하여 웨이퍼 표면 상에 흡착되는 분해 생성물 등과 반응시켜 얇은 SiO2막을 형성한다. 배기 공정(T2, T4)에서는, 3DMAS 가스 및 오존 가스를 공급하지 않고, 처리 용기(22) 내를 배기한다. 또한, 진공 펌프(82)는 전 공정(T1∼T4)에 걸쳐 연속적으로 구동한다.
전술한 1사이클에서 원자 레벨 혹은 분자 레벨의 두께의 박막이 1층 형성된다. 사이클의 각 회마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 제품막이 형성된다. 1사이클 중의 흡착 공정(T1) 및 반응 공정(T3)의 시간은 각각 2∼120sec, 예를 들면 60sec 정도, 배기 공정(T2, T4)의 시간은 2∼20sec, 예를 들면 10sec 정도이다. 또한, 배기 공정(T2, T4)은 성막 처리의 스루풋을 향상시키기 위해 생략해도 좋다.
보다 구체적으로는, 흡착 공정(T1)은, 도 2(A)에 나타내는 바와 같이 맨 처음의 소정의 기간(t1)에만 원료 가스의 전환 밸브(62B)를 열림 상태로 하고, 그 후는 즉시 닫힘 상태로 하여 소정의 기간(t1)만 일시적으로 원료 가스를 공급한다. 이때, 도 2(C)에 나타내는 바와 같이, 흡착 공정(T1)의 전체에 걸쳐 진공 배기계의 배기 밸브(80B)를 닫은 상태로 유지한다. 이 점은, 종래의 방법에 있어서 도 6(C)에 나타내는 바와 같이 배기 밸브(14B)를 소정의 밸브 개도로 열어 진공 배기하는 흡착 공정(T11)과는 상이하다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 흡착 공정(T1)에 있어서는, 원료 가스(3DMAS 가스)는 처리 용기(22) 내에 갇혀 외부로 흘러나오지 않는 상태에서, 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘 원료 가스가 흡착된다. 이 때문에, 원료 가스의 공급량이 적음에도 불구하고, 웨이퍼 표면에 대한 원료 가스의 흡착이 촉진되게 된다.
상기 소정의 기간(t1)의 길이는, 흡착 공정(T1)의 시간에 대하여 1∼50％의 범위 내이며, 바람직하게는 5∼30％의 범위 내이다(예를 들면, T1에 대한 이 범위에 있어서 t1＝2∼60sec). 상기 소정의 기간(t1)이 50％보다 커지면 원료 가스의 소비 절감 효과가 그렇게 커지지 않기 때문에 바람직하지 않으며, 또한 웨이퍼 표면으로의 원료 가스의 흡착량도 포화되기 때문에 원료 가스가 낭비된다. 또한, 이때의 원료 가스의 유량은 10∼500sccm 정도이다. 또한, 흡착 공정(T1)에 있어서의 처리 용기(22) 내의 압력은 맨 처음에 급격하게 상승한 후에, 원료 가스의 전환 밸브(62B)를 닫음과 동시에 일정하게 된다. 이때의 압력은 원료 가스의 공급량에도 따르지만 예를 들면 667Pa 정도이다.
다음으로, 흡착 공정(T1)이 종료되면, 제1 배기 공정(T2)으로 이행한다. 여기에서는, 전(全) 가스의 공급을 정지함과 함께 진공 배기계의 배기 밸브(80B)를 전개로 하여 처리 용기(22) 내의 잔류 분위기를 급속히 배기한다. 또한, 이 경우, 퍼지 가스인 N2 가스를 공급하여 잔류 가스의 배출을 촉진시키도록 해도 좋다. 제1 배기 공정(T2)에 의해, 처리 용기(22) 내의 압력은 급격하게 저하된다(도 2(D) 참조).
다음으로, 반응 공정(T3)으로 이행한다. 여기에서는, 도 2(B)에 나타내는 바와 같이 반응 가스의 전환 밸브(66B)를 열림 상태로 하여, 반응 공정(T3)의 전(全) 기간에 걸쳐 반응 가스인 오존을 공급한다. 이때, 도 2(C)에 나타내는 바와 같이 진공 배기계의 배기 밸브(80B)는 맨 처음부터 열림 상태로 하고, 반응 공정(T3)이 진행됨에 따라서 그 밸브 개도를 서서히 작게 한다. 이 점은, 종래의 방법에 있어서 도 6(C)에 나타내는 바와 같이 진공 배기계의 배기 밸브(14B)의 밸브 개도를 60％ 정도로 유지하는 반응 공정(T13)과는 상이하다.
이에 따라, 이 반응 가스인 오존 가스와 웨이퍼 표면에 흡착하는 원료 가스인 실리콘 원료 가스를 반응시켜 박막으로서 실리콘 산화막을 형성한다. 상기 오존 가스는 일반적으로는 산소 가스로부터 오조나이저(ozonizer)로 발생시키지만, 이 경우, O3 가스가 O2 가스 중에 10체적％ 정도의 농도로 포함되며, 이러한 혼합 가스가 오존 함유 가스로서 실제로 이용된다. 여기에서의 반응 공정(T3)에서는, 진공 배기계의 배기 밸브(80B)는 제1 배기 공정(T2)에 있어서의 전개 상태를 맨 처음의 소정의 기간(t3)만 유지하고, 그 후에 배기 밸브(80B)의 밸브 개도를 소정의 레벨, 예를 들면 50％까지 단번에 저하시키고, 그 후, 밸브 개도를 소정의 레벨, 예를 들면 20％까지 직선적으로 서서히 저하시킨다. 이 경우, 반응 가스인 오존의 공급량은 20slm 정도로서, 상기 원료 가스의 유량보다도 훨씬 다량의 반응 가스가 흘려진다.
종래의 방법에서는, 도 6(D)에 나타내는 포인트(P1)에 나타내는 바와 같이, 급격한 압력 상승이 일어나 로딩 효과가 현저히 나타난다. 한편, 본 실시 형태의 방법의 반응 공정(T3)에서는, 맨 처음의 소정의 기간(t3)만 진공 배기계의 배기 밸브(80B)를 전개 상태로 유지하며, 그 후 밸브 개도를 단번에 50％ 정도로 저하시킨 후에 밸브 개도를 서서히 추가로 저하시킨다. 이에 따라, 처리 용기(22) 내의 급격한 압력 상승은 없어지고, 도 2(D)에 나타내는 바와 같이 대략 직선적으로 서서히 상승해 가게 된다. 이 반응 공정에 있어서의 최대 압력은 예를 들면 133Pa(1Torr) 정도이다.
전술한 바와 같이, 반응 공정(T3)에 있어서, 진공 배기계의 배기 밸브(80B)를 맨 처음에 전개하고, 그 후, 밸브 개도를 서서히 작게 한다. 이 경우, 현저한 로딩 효과가 일어나지 않는 정도로 압력을 상승시킬 수 있고, 즉, 그러한 로딩 효과가 현저히 나타나는, 포인트(P1)에 나타내는 바와 같은 급격한 압력 상승을 없앨 수 있다. 이 때문에, 반응 가스인 오존과 웨이퍼 표면에 흡착하는 실리콘 원료 가스와의 반응을 촉진시킬 수 있다. 바꿔 말하면, 압력이 높은 상태가 없어지기 때문에, 오존의 실활이 억제되어 수명이 연장되게 된다. 이 결과, 로딩 효과를 억제함과 함께 성막 레이트를 높게 유지할 수 있다. 또한, 웨이퍼 표면에 있어서의 막두께의 면 내 균일성을 높게 유지함과 함께, 스루풋도 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 소정의 기간(t3)의 길이는 반응 공정(T3)의 시간에 대하여 1∼50％의 범위 내이며, 바람직하게는 5∼30％의 범위 내이다(예를 들면, T3에 대한 이 범위에 있어서 t3＝2∼60sec). 상기 소정의 기간(t3)이 50％보다 커지면, 처리 용기(22) 내의 압력 상승이 지나치게 억제되어 버려 오존의 반응이 저해되어, 성막 레이트가 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 진공 배기계의 배기 밸브(80B)의 도중의 밸브 개도 50％ 및 20％(도 2(C) 참조)는 단지 일 예를 나타낸 것에 지나지 않으며, 오존과 실리콘 원료 가스와의 반응 속도를 감안하면서 최적치를 구하도록 한다. 단, 반응 공정(T3)에 있어서, 배기 밸브(80B)의 밸브 개도의 최대치는 제1 배기 공정(T2)에서 사용된 배기 밸브(80B)의 밸브 개도와 동일(예를 들면 100％)하며, 최소치는 2％ 이상인 것이 바람직하다.
이와 같이, 반응 공정(T3)이 종료되었다면, 제2 배기 공정(T4)으로 이행한다. 즉, 전 가스의 공급을 정지함과 함께 진공 배기계의 배기 밸브(80B)를 전개로 하여 처리 용기(22) 내의 잔류 분위기를 급속히 배기한다. 또한, 이 경우, 퍼지 가스인 N2 가스를 공급하여 잔류 가스의 배출을 촉진시키도록 해도 좋다. 이에 따라, 처리 용기(22) 내의 압력은 급격히 저하된다(도 2(D) 참조). 이상에 의해, 성막의 1사이클이 종료된다. 상기 사이클을 복수회 반복하여 행하여 필요로 하는 막두께의 박막, 즉 실리콘 산화막을 얻는다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 배기 밸브(80B)의 밸브 개도는, 전개(밸브 개도＝100％) 혹은 전폐(밸브 개도＝0％)로 한 상태를 포함한다. 그러나, 실제의 배기 밸브(80B)에서는, 밸브 개도가 90％ 이상에서 처리 용기(22) 내에 대한 배기 컨덕턴스(conductance)가 전개시와 대략 동일하며 별로 변동하지 않는다. 또한 밸브 개도가 2％ 이하에서 처리 용기(22) 내에 대한 배기 컨덕턴스가 전폐시와 대략 동일하며 별로 변동하지 않는다. 따라서, 전술한 실시 형태에 있어서, 배기 밸브(80B)가 「전개」라는 표현은, 「밸브 개도 90∼100％」라는 표현으로 바꿔 말할 수 있다. 또한 배기 밸브(80B)가 「전폐」라는 표현은 「밸브 개도 0∼2％」라는 표현으로 바꿔 말할 수 있다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 도 2(C)에 나타내는 바와 같이 반응 공정(T3)에서는 소정의 기간(t3)만 배기 밸브(80B)를 전개 상태로 설정했다. 도 3A, 도 3B는, 진공 배기계의 배기 밸브의 밸브 개도의 변화에 관하여, 반응 공정의 2개의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 3A의 변형예에서는, 소정의 기간(t3)에 있어서 밸브 개도를 100％에서 50％까지 직선적으로 변화시킨다. 도 3B의 변형예에서는, 반응 공정의 전 기간에 걸쳐 밸브 개도를 100％에서 20％까지 직선적으로 변화시킨다. 단, 이들의 밸브 개도의 변화도 단지 일 예를 나타냄에 지나지 않는다.
또한, 밸브 개도의 변화는 직선적이 아니라, 곡선적 혹은 계단과 같이 복수 단계로 스텝 형상으로 저하되도록 변화시켜도 좋다. 중요한 점의 하나는, 반응 공정(T3)의 개시 당초에 있어서 배기 밸브(80B)의 밸브 개도를 크게 설정해 두어, 이 초기에 있어서의 처리 용기(22) 내의 압력 상승을 억제하여 로딩 효과의 발생을 억제하는 것이다. 반응 공정(T3)에 있어서 필요한 경우에는, N2 가스나 희가스 등의 불활성 가스를 반응 가스와 동시에 캐리어 가스로서 공급하도록 해도 좋다.
이상에 기술한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 복수의 피처리체, 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 수용할 수 있는 처리 용기(22)를 갖는 성막 장치(20)를 이용하여, 흡착 공정과 반응 공정을, 개재 기간(배기 기간)을 개재하여 번갈아 반복하여 피처리체에 박막을 형성한다. 흡착 공정에서는, 진공 배기계(78)의 배기 밸브(80B)를 닫은 상태에서 원료 가스 공급계(54)의 전환 밸브(62B)를 맨 처음의 소정의 기간은 열림 상태로 한 후에 즉시 닫힘 상태로 하여 처리 용기(22) 내로 원료 가스, 예를 들면 실리콘 원료 가스인 3DMAS 가스를 일시적으로 공급하여 피처리체에 흡착시킨다. 반응 공정에서는, 반응 가스 공급계(56)의 전환 밸브(66B)를 열림 상태로 하여 반응 가스를 처리 용기(22) 내로 공급함과 함께, 진공 배기계(78)의 배기 밸브(80B)를 맨 처음은 열림 상태로 하고 그 후는 밸브 개도를 서서히 작게 하도록 하여 반응 가스, 예를 들면 오존을 원료 가스와 반응시킨다. 이에 따라, 막질을 높게 유지하고, 그리고 스루풋도 저하시키는 일 없이 원료 가스의 소비량을 큰 폭으로 억제할 수 있다.
<실험>
전술한 실시 형태에 따른 배치 CVD 방법을 평가하기 위해, 이하의 실험을 행했다. 실시예(PE)로서, 도 1 도시의 장치에 있어서, 도 2에 나타내는 방법에 따라서, 웨이퍼 상에 실리콘 산화막을 형성했다. 실시예(PE)에 있어서, 실리콘 원료 가스로서 3DMAS 가스를 사용하고, 반응 가스로서 오존 가스(산소 중에 10체적％로 오존이 포함되는 혼합 가스)를 사용했다. 프로세스 온도는 550℃, 프로세스 압력(최대치)은 1.2kPa로 설정했다. 흡착 공정(T1)의 시간은 변화시키고, 원료 가스의 전환 밸브(62B)의 열림 상태의 소정의 기간(t1)은 7sec로 고정했다. 한편, 반응 공정(T3)의 시간은 7sec로 고정하고, 진공 배기계의 배기 밸브(80B)의 전개 상태의 소정의 기간(t3)은 2sec로 고정했다. 흡착 공정(T1)의 시간을 파라미터로 하여, 흡착 공정(T1)에 있어서 원료 가스의 전환 밸브(62B)가 닫혀 있는 시간, 즉 홀드 시간(H)(＝T1－t1)을 변화시켰다.
또한, 비교예(CE)로서, 도 1 도시의 장치에 있어서, 도 6에 나타내는 방법에 따르고, 3DMAS 가스의 공급량 및 각 밸브의 동작 이외의 조건은 실시예(PE)와 동일한 조건으로 웨이퍼상에 실리콘 산화막을 형성했다. 구체적으로는, 비교예(CE)에서는, 3DMAS 가스의 공급량을 실시예(PE)의 4배로 하고, 흡착 공정의 시간을 30sec로 했다.
도 4는, 이 실험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4에 있어서, 횡축은 홀드 시간, 종축은 1사이클당의 성막 레이트를 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 3DMAS 가스를 X그램 공급한 비교예(CE)에서는, 성막 레이트는 0.13nm/cycle 정도였다. 한편, 3DMAS 가스를 감소시켜 X/4그램 공급한 실시예(PE)에서는, 홀드 시간을 길게 함으로써 성막 레이트가 대략 직선적으로 상승했다. 그리고, 홀드 시간이 대략 40sec인 때에, 성막 레이트는 비교예(CE)의 경우와 대략 동일하게 되었다. 즉, 홀드 시간을 40sec 이상으로 설정하면 원료 가스의 공급량을 1/4로 감소시켰음에도 불구하고 비교예(CE)의 경우와 대략 동등한, 혹은 그 이상의 성막 레이트가 얻어지는 것이 판명되었다. 바꿔 말하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 방법과 같이 각 밸브의 조작을 행함으로써, 비교예(CE)와 동등한 성막 레이트를 유지함과 함께, 원료 가스의 공급량을 큰 폭으로 삭감할 수 있다.
또한, 전술한 실시예(PE) 및 비교예(CE)에 대해서, 패턴 웨이퍼를 사용하여 그들의 로딩 효과도 평가했다. 패턴 웨이퍼란 웨이퍼(W)의 표면에 회로 패턴의 일부를 형성함으로써 요철을 부여한 것이다. 패턴 웨이퍼에서는, 평탄 웨이퍼에 비해 가스 소비가 많아지기 때문에, 로딩 효과가 현저히 나타나기 쉽다. 이 평가의 결과, 비교예(CE)의 패턴 웨이퍼 상에서의 막두께의 면내 균일성은, ±4.3％ 정도였다. 실시예(PE)의 패턴 웨이퍼 상에서의 막두께의 면내 균일성은 ±3.8％ 정도였다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 따른 방법에 의해, 패턴 웨이퍼 상에서의 막두께의 면내 균일성을 개선할 수 있는 것도 판명되었다.
<변경예>
상기 실시 형태에서는, 실리콘 원료 가스로서 3DMAS 가스를 이용한다. 대신에, 실리콘 원료 가스는 다른 아미노실란계 유기 가스, 예를 들면, BTBAS(비스터셔리부틸아미노실란), 4DMAS(테트라키스디메틸아미노실란), DIPAS(디이소프로필아미노실란)으로부터 선택할 수 있다.
상기 실시 형태에서는 반응 가스로서 산화성 가스인 오존 가스를 이용한다. 대신에, 반응 가스는 다른 산화성 가스, 예를 들면, O2, N2O, NO로부터 선택할 수 있다. 또한, 일본공개특허공보 2005－175441호에서 개시되는 바와 같이, 133Pa 이하의 저압력하에서 발생되는 산소 활성종과 수산기 활성종을 이용하도록 해도 좋다.
상기 실시 형태에서는, 배치 CVD 방법에 의해 실리콘 산화막이 성막된다. 대신에, 본 발명은 다른 막, 예를 들면 실리콘 질화막(SiN막)이나 실리콘 산질화막(SiON막)을 성막하는 배치 CVD 방법에도 적용할 수 있다. 실리콘 질화막을 성막하는 경우에는, 예를 들면 실리콘 원료 가스로서 DCS(디클로로실란), HCD(헥사클로로디실란), TCS(테트라클로로실란)을 이용할 수 있고, 반응 가스로서 NH3 등을 이용할 수 있다. 또한, 실리콘 산질화막을 성막하는 경우에는, 예를 들면 실리콘 원료 가스로서 아미노실란계 유기 가스를 이용할 수 있고, 반응 가스로서 O3, O2, N2O, NO, NH3 등을 이용할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 배치 CVD 방법은 처리 용기(22)가 이중관 구조인 배치 처리 장치에서 행해진다. 대신에, 본 발명은, 예를 들면, 처리 용기가 단관 구조인 배치 처리 장치에 적용 가능하다.
피처리체로서는 반도체 웨이퍼가 예시되지만, 이 반도체 웨이퍼에는 실리콘 기판이나 GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체 기판이 포함된다. 또한, 피처리체로서, 액정 표시 장치에 이용하는 유리 기판이나 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.

Claims (20)

  1. 배치 CVD(batch chemical vapor deposition) 장치에 의한 반도체 처리용의 배치 CVD 방법으로써,
    상기 장치는,
    복수의 피처리체를 수납하는 세로로 긴 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에서 상기 피처리체를 간격을 두고 겹쳐 쌓아 지지하는 보지구(保持具)와,
    상기 처리 용기 내에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계로서, 상기 원료 가스의 공급을 조정하는 원료 가스 밸브를 포함하는, 원료 가스 공급계와,
    상기 처리 용기 내에 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급계로서, 상기 반응 가스의 공급을 조정하는 반응 가스 밸브를 포함하는, 반응 가스 공급계와,
    상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계로서, 배기량을 조정하는 배기 밸브를 포함하는, 배기계
    를 구비하고,
    상기 방법은, 이하의 사이클을 복수회 반복하여 각 회마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 제품막을 상기 피처리체 상에 형성하도록 구성되고,
    여기에서 상기 사이클은,
    상기 원료 가스를 상기 피처리체 상에 흡착시키는 흡착 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 맨 처음의 제1 기간만 열림 상태로 한 후에 닫힘 상태로 함으로써 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하고, 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하지 않으며, 상기 배기 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내를 배기하지 않는, 흡착 공정과,
    다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제1 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제1 개재 공정과,
    다음으로, 상기 반응 가스를 상기 피처리체 상에 흡착하는 상기 원료 가스와 반응시키는 반응 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하지 않고, 상기 반응 가스 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하며, 상기 배기 밸브를 소정의 열림 상태로부터 밸브 개도(opening degree)를 서서히 작게 함으로써 상기 처리 용기 내를 배기하는, 반응 공정과,
    다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제2 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 밸브 개도가 상기 반응 공정의 마지막보다도 큰 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제2 개재 공정
    을 구비하는 배치 CVD 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 공정에 있어서, 상기 배기 밸브를 닫힘 상태로 유지하는 것은, 상기 배기 밸브의 밸브 개도를 0∼2％로 함으로써 정의되는 배치 CVD 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 개재 공정은 상기 처리 용기 내로 불활성 가스를 공급하는 것을 포함하는 배치 CVD 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 개재 공정은 상기 처리 용기 내로 아무런 가스도 공급하지 않는 배치 CVD 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기간은 상기 흡착 공정의 길이의 1∼50％의 범위 내의 길이를 갖는 배치 CVD 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응 공정에 있어서, 상기 배기 밸브의 상기 소정의 열림 상태는 상기 배기 밸브를 맨 처음의 제2 기간만 상기 소정의 열림 상태로 유지함으로써 얻어지는 배치 CVD 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 기간은 상기 반응 공정의 길이의 1∼50％의 범위 내의 길이를 갖는 배치 CVD 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 기간에 있어서의 상기 배기 밸브의 상기 소정의 열림 상태는 상기 제1 개재 공정에서 사용된 것과 동일한 배치 CVD 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반응 공정에 있어서, 상기 배기 밸브를 닫힘 상태로 하지 않는 배치 CVD 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반응 공정에 있어서, 상기 배기 밸브의 밸브 개도의 최대치는 상기 제1 개재 공정과 동일하며, 최소치는 2％ 이상인 배치 CVD 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반응 공정에 있어서, 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 하지 않는 배치 CVD 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 공정의 시간은 2∼120sec이며,
    상기 반응 공정의 시간은 2∼120sec이며,
    상기 제1 및 제2 개재 공정의 각 시간은 2∼20sec인 배치 CVD 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 기간은, 상기 흡착 공정의 길이의 1∼50％의 범위 내의 길이를 갖고, 그 시간은 2∼60sec인 배치 CVD 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 반응 공정에 있어서, 상기 배기 밸브의 상기 소정의 열림 상태는, 상기배기 밸브를 맨 처음의 제2 기간만 상기 소정의 열림 상태로 유지함으로써 얻어지고,
    상기 제2 기간은, 상기 반응 공정의 길이의 1∼50％의 범위 내의 길이를 갖고, 그 시간은 2∼60sec인 배치 CVD 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제품막은, 실리콘 산화막, 실리콘 산질화막, 실리콘 질화막으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나인 배치 CVD 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 원료 가스는, 트리스디메틸아미노실란, 비스터셔리부틸아미노실란, 테트라키스디메틸아미노실란, 디이소프로필아미노실란, 디클로로실란, 헥사클로로디실란, 테트라클로로실란으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 실리콘 원료 가스를 포함하는 배치 CVD 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 반응 가스는, O3, O2, N2O, NO, NH3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 가스를 포함하는 배치 CVD 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제품막은 실리콘 산화막이며,
    상기 원료 가스는, 트리스디메틸아미노실란, 비스터셔리부틸아미노실란, 테트라키스디메틸아미노실란, 디이소프로필아미노실란으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 실리콘 원료 가스를 포함하고,
    상기 반응 가스는 O3 및 O2의 혼합 가스를 포함하는 배치 CVD 방법.
  19. 프로세서상에서 실행하기 위한 프로그램 지령을 기억하는, 컴퓨터로 판독 가능한 기억 매체로서, 상기 프로그램 지령은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 배치 CVD 장치를 제어하여 제1항에 기재된 방법을 실행시키는 컴퓨터로 판독 가능한 기억 매체.
  20. 반도체 처리용의 배치 CVD(chemical vapor deposition) 장치로써,
    복수의 피처리체를 수납하는 세로로 긴 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에서 상기 피처리체를 간격을 두고 겹쳐 쌓아 지지하는 보지구와,
    상기 처리 용기 내에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급계로서, 상기 원료 가스의 공급을 조정하는 원료 가스 밸브를 포함하는, 원료 가스 공급계와,
    상기 처리 용기 내에 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급계로서, 상기 반응 가스의 공급을 조정하는 반응 가스 밸브를 포함하는, 반응 가스 공급계와,
    상기 처리 용기 내를 배기하는 배기계로서, 배기량을 조정하는 배기 밸브를 포함하는, 배기계와,
    상기 장치의 동작을 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는 배치 CVD 방법을 행하도록 미리 설정되고,
    상기 방법은, 이하의 사이클을 복수회 반복하여 각 회마다 형성되는 박막을 적층함으로써 소정의 두께를 갖는 제품막을 상기 피처리체 상에 형성하도록 구성되고,
    여기에서, 상기 사이클은,
    상기 원료 가스를 상기 피처리체 상에 흡착시키는 흡착 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 맨 처음의 제1 기간만 열림 상태로 한 후에 닫힘 상태로 함으로써 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하고, 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하지 않으며, 상기 배기 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내를 배기하지 않는, 흡착 공정과,
    다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제1 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제1 개재 공정과,
    다음으로, 상기 반응 가스를 상기 피처리체 상에 흡착하는 상기 원료 가스와 반응시키는 반응 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스를 공급하지 않고, 상기 반응 가스 밸브를 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내로 상기 반응 가스를 공급하며, 상기 배기 밸브를 소정의 열림 상태로부터 밸브 개도를 서서히 작게 함으로써 상기 처리 용기 내를 배기하는, 반응 공정과,
    다음으로, 상기 처리 용기 내로부터 잔류 가스를 제거하는 제2 개재 공정으로서, 상기 원료 가스 밸브 및 상기 반응 가스 밸브를 닫힘 상태로 유지하여 상기 처리 용기 내로 상기 원료 가스 및 상기 반응 가스를 공급하지 않고, 상기 배기 밸브를 밸브 개도가 상기 반응 공정의 마지막보다도 큰 열림 상태로 하여 상기 처리 용기 내를 배기하는, 제2 개재 공정
    을 구비하는 배치 CVD 장치.
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