KR20130095226A - 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피처리 기판의 의도하지 않는 산화를 억제하는 것과 함께 피처리 기판의 일방의 면과 타방의 면에서의 가열의 불균일함을 억제할 수 있다.
기판 처리 장치(100)는 처리실(201); 웨이퍼(200)를 지지하는 서셉터(217); 웨이퍼(200)를 서셉터(217)의 위에서 지지하는 리프터 핀(266); 처리실(201)에 가스를 공급하는 가스 공급부; 웨이퍼(200)를 가열하는 가열부; 처리실(201) 내의 가스를 여기하는 여기부; 처리실(201) 내를 배기하는 배기부; 및 컨트롤러(121);를 포함하고, 컨트롤러(121)는 웨이퍼(200)가 리프터 핀(266)에 의하여 지지된 상태에서 처리실(201) 내로 환원성 가스를 공급시키고, 웨이퍼(200)가 서셉터(217)에 의하여 지지된 상태에서 가스 공급부에 처리실(201) 내로 산화성 가스 및 환원성 가스를 공급시킨다.

Description

기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
종래 반도체 디바이스의 제조 공정에서는 금속막 및 폴리실리콘막이 형성된 기판을 환원성 가스와 산화성 가스를 이용한 플라즈마에 의해 처리하는 공정이 수행되고 있다. 이 공정에 의해 금속막을 산화시키지 않고 폴리실리콘막을 산화하고 있다.
종래의 기술에서는 의도하지 않게 피처리 기판이 산화하는 경우가 있고, 일방의 면과 타방의 면에서 균일하게 가열이 이루어지지 않는다는 문제가 있었다. 본 발명에서는 피처리 기판의 의도하지 않는 산화를 억제하는 것과 함께 피처리 기판의 일방의 면과 타방의 면에서의 가열의 불균일함을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 기판 처리 장치는 금속 원소 함유막 및 실리콘 함유막이 노출된 피처리 기판을 처리하는 처리실; 상기 처리실에 설치되고 상기 피처리 기판을 지지하는 제1 기판 지지부; 상기 처리실에 설치되고 상기 피처리 기판을 상기 제1 기판 지지부의 위에서 지지하는 제2 기판 지지부; 상기 처리실에 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 피처리 기판을 가열하는 가열부; 상기 처리실 내의 상기 가스를 여기(勵起)하는 여기부; 상기 처리실 내를 배기하는 배기부; 및 상기 피처리 기판이 상기 제2 기판 지지부에 의하여 지지된 상태에서 상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 환원성 가스를 공급함과 동시에 상기 가열부가 상기 피처리 기판을 가열하고, 상기 피처리 기판이 상기 제1 기판 지지부에 의하여 지지된 상태에서 상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 공급함과 동시에 공급된 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 상기 여기부가 여기하도록 상기 가스 공급부, 상기 여기부 및 상기 배기부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
피처리 기판의 의도하지 않는 산화를 억제하는 것과 함께 피처리 기판의 일방의 면과 타방의 면에서의 가열의 불균일함을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치를 도시하는 단면도.
도 2는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치를 이용한 반도체 장치의 제조 공정을 도시하는 플로차트.
도 3은 도 2에 도시하는 반도체 장치의 제조 공정의 시퀀스를 도시하는 도면.
도 4는 도 2에 도시하는 반도체 장치의 제조 공정의 시퀀스의 변형예를 도시하는 도면.
도 5는 도 2에 도시하는 반도체 장치의 제조 공정의 시퀀스의 제2 변형예를 도시하는 도면.
다음으로 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법의 일 형태를 설명한다. 이하의 설명은 본 발명의 일 실시 형태를 설명하기 위한 것이며, 본원 발명의 범위를 제한하지 않는다. 따라서 당업자라면 이들의 각 요소 또는 전 요소를 이와 균등한 것으로 치환한 실시 형태를 채용하는 것이 가능하며, 이들의 실시 형태도 본원 발명의 범위에 포함된다. 예컨대 피처리 기판을 동시에 처리하는 매수, 피처리 기판을 보지하는 방향, 처리 온도, 처리실 등의 형상, 가스의 여기 방법 등은 이하에서 일 예로서 설명하는 형태에 제한되지 않는다.
이하의 설명에서는 플라즈마 처리로 중 하나이며, 전계와 자계에 의해 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있는 변형 마그네트론형 플라즈마원(Modified Magnetron Typed Plasma Source)을 이용하여 웨이퍼 등의 피처리 기판을 플라즈마 처리하는 기판 처리로(이하, MMT 장치라고 칭한다)를 포함하는 기판 처리 장치를 실시 형태의 일 예로서 도시하여 본 발명을 설명한다. 이하에서 설명하는 MMT 장치는 기밀성을 확보한 처리실에 기판을 설치하고, 샤워 헤드를 개재하여 반응 가스를 처리실에 도입하고, 처리실을 어느 일정한 압력으로 유지하고, 방전용 전극에 고주파 전력을 공급하여 전계를 형성하는 것과 함께 자계를 형성하여 마그네트론 방전을 일으킨다. 또한 이하에서 설명하는 MMT 장치는 방전용 전극으로부터 방출된 전자가 드리프트(drift)하면서 사이클로이드(cycloid) 운동을 계속해서 주회(周回)하는 것에 의해 장(長)수명이 되어 전리(電離) 생성율을 높이기 때문에 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한 반응 가스를 여기 분해시켜서 피처리 기판의 표면을 산화시키든지 질화시키든지 하여 확산 처리를 할 수 있다. 또한 피처리 기판 표면에 박막을 형성하거나 기판 표면을 에칭하는 등, 피처리 기판에 각종의 플라즈마 처리를 수행할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(100)가 도시된다. 기판 처리 장치(100)는 피처리 기판으로서 이용되는 웨이퍼(200)를 처리하는 장치이며, 전술과 같이 MMT 장치이며, 처리 용기(203)를 구비한 처리로(202)를 포함하고, 처리로(202)의 내측의 공간이 처리실(201)로서 이용된다. 처리실(201)에서는 예컨대 금속 원소 함유막과 실리콘 함유막이 노출된 웨이퍼(200)의 처리가 이루어진다. 웨이퍼(200)의 표면에 노출되는 금속 원소 함유막은 예컨대 텅스텐, 탄탈, 질화티타늄, 질화텅스텐, 루테늄 등 중에서 적어도 어느 하나를 함유한다. 또한 웨이퍼(200)의 표면에 노출하는 실리콘 함유막은 예컨대 Poly-Si막이나, 아모퍼스 실리콘막, 실리콘막, 실리콘 산화막 등 중에서 적어도 어느 하나를 함유한다.
처리 용기(203)는 제1 용기로서 이용되는 예컨대 돔 형상의 상측 용기(210)와 제2 용기로서 이용되는 예컨대 완형(碗型)의 하측 용기(211)로 상측 용기(210)가 하측 용기(211) 상에 피복되도록 형성된다. 상측 용기(210)는 산화알루미늄 또는 석영 등의 비금속 재료로 형성되고, 하측 용기(211)는 알루미늄으로 형성된다. 한편, 상측 용기(210)를 비금속 재료로 형성하고 하측 용기(211)를 알루미늄으로 형성하는 것과 함께, 후술하는 서셉터(217)를 질화알루미늄이나, 세라믹스, 또는 석영 등의 비금속 재료로 구성하는 것에 의해 처리 시에 피처리 기판의 막 중에 취입(取入)되는 금속 오염이 저감한다.
또한 기판 처리 장치(100)는 샤워 헤드(236)를 포함한다. 샤워 헤드(236)는 처리실(201)의 상부에 설치되고, 캡 형상의 개체(233, 蓋體)와 가스 도입구(234)와 버퍼실(237)과 개구(238, 開口)와 차폐(遮蔽) 플레이트(240)와 가스 취출구(239)(吹出口)를 구비한다. 버퍼실(237)은 가스 도입구(234)를 통하여 도입된 가스를 분산하기 위한 분산 공간으로서 이용된다. 가스 도입구(234)에는 가스를 공급하는 가스 공급관(232)이 접속되고, 가스 공급관(232)은 개폐 밸브인 밸브(243a)와, 유량 제어기로서 이용되고 유량 제어 수단으로서 이용되는 매스 플로우 컨트롤러(241)를 개재하여 반응 가스(230)를 수납하는 가스봄베(도시되지 않음)에 연결된다. 샤워 헤드(236)는 반응 가스(230)를 처리실(201)에 공급하기 위해서 이용된다.
또한 기판 처리 장치(100)에는 후술하는 서셉터(217)의 주위로부터 처리실(201)의 저방향(底方向)으로 기판 처리 후의 가스가 흐르도록 하측 용기(211)의 측벽에 가스를 배기하는 가스 배기구(235)가 형성되고, 가스 배기구(235)에는 가스를 배기하는 가스 배기관(231)이 접속된다. 가스 배기관(231)은 압력 조정기로서 이용되는 APC(242)와 개폐 밸브로서 이용되는 밸브(243b)를 개재하여, 배기 장치로서 이용되는 진공 펌프(246)에 접속된다.
또한 기판 처리 장치(100)는 공급되는 반응 가스(230)를 여기시키는 방전 기구로서 이용되고 방전 수단으로서 이용되는 통 형상[筒狀] 전극(215)을 포함한다. 통 형상 전극(215)은 처리 용기(203)의 외주에 설치되고, 처리실(201) 내에서의 플라즈마 생성 영역(224)을 둘러싸도록 배치된다. 통 형상 전극(215)에는 임피던스의 정합을 수행하는 정합기(272)를 개재하여 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원(273)이 접속된다.
또한 기판 처리 장치(100)는 통 형상 자석(216)을 포함한다. 통 형상 자석(216)은 통 형상으로 형성되고, 자계 형성 기구로서 이용되는 것과 함께, 자계 형성 수단으로서 이용되고, 예컨대 영구 자석으로 형성된다. 또한 통 형상 자석(216)은 통 형상 전극(215)의 외표면의 상하단(上下端) 근방에 각각 1개가 배치된다. 상하의 통 형상 자석(216, 216)은 처리실(201)의 반경 방향을 따른 양 단(兩端)(내주단과 외주단)에 각각 자극을 가지고, 상하의 통 형상 자석(216, 216)의 자극의 방향이 반대 방향으로 설정된다. 이로 인해 내주부의 자극끼리가 서로 다른 극이 되고 이에 의해 통 형상 전극(215)의 내주면을 따라 원통 축 방향으로 자력선을 형성하도록 이루어진다.
처리로(202)는 웨이퍼(200)를 마그네트론형 플라즈마원에서의 마그네트론 방전에 의해 처리하기 위해서 이용되고, 전술한 처리실(201), 처리 용기(203), 서셉터(217), 통 형상 전극(215), 통 형상 자석(216), 샤워 헤드(236) 및 배기구(235) 등으로 구성되고, 처리실(201)에서 웨이퍼(200)를 플라즈마 처리하는 것이 가능하다.
또한 기판 처리 장치(100)는 차폐 판(미도시)을 포함한다. 차폐 판(미도시)은 통 형상 전극(215) 및 통 형상 자석(216)의 주위에 배치되고, 통 형상 전극(215) 및 통 형상 자석(216)으로 형성되는 전계나 자계를 외부 환경이나 다른 처리로 등의 장치에 악영향을 미치지 않도록 전계나 자계를 차폐한다.
또한 기판 처리 장치(100)는 처리실(201)에 설치되고 웨이퍼(200)를 지지하는 제1 기판 지지부로서 이용되는 서셉터(217)를 포함한다. 서셉터(217)는 웨이퍼(200)를 가열하는 가열부로서도 이용된다. 또한 서셉터(217)의 내부에는 임피던스를 변화시키기 위한 전극인 전극(217c)이 장비되고, 이 전극이 임피던스 가변 기구(274)를 개재하여 접지된다. 임피던스 가변 기구(274)는 코일이나 가변 콘덴서로 구성되고, 코일의 턴(turn)수나 가변 콘덴서의 용량값을 제어하는 것에 의해 서셉터(217) 등을 개재하여 웨이퍼(200)의 전위를 제어할 수 있도록 이루어진다.
서셉터(217)는 처리실(201)의 저측(底側) 중앙에 배치된다. 서셉터(217)는 예컨대 질화알루미늄이나 세라믹스 또는 석영 등의 비금속 재료로 형성되고, 내부에 히터(217b)가 일체적으로 매립되어 웨이퍼(200)를 가열할 수 있도록 이루어진다. 보다 구체적으로는 서셉터(217)는 웨이퍼(200)를 예컨대 700℃ 정도로까지 가열할 수 있도록 구성된다. 이와 같이 서셉터(217)는 웨이퍼(200)를 가열하는 가열 기구로서 이용되고 가열 수단으로서 이용된다. 또한 서셉터(217)에는 관통공(217a)이 형성된다.
또한 서셉터(217)를 웨이퍼(200)의 가열 기구로서 이용하고 가열 수단으로서 이용하는 것과 함께, 예컨대 가열 램프(280) 등을 처리실(201)에 설치하든지 하여 처리실(201)에 웨이퍼(200)를 가열하는 가열 수단을 설치해도 좋다. 즉 기판 처리 장치(100)에서는 제1 기판 지지부로서 이용되는 서셉터(217) 및 처리실(201) 중 적어도 어느 일방에 웨이퍼(200)를 가열하는 가열부를 설치하면 된다.
서셉터(217)에 가열부를 설치한 경우, 웨이퍼(200)를 후술하는 리프터 핀(266)에 의하여 지지하여 가열할 때에 서셉터(217)와 웨이퍼(200) 사이에서 가스를 가열하고, 이 가열한 가스를 웨이퍼(200)의 표면에 공급할 수 있기 때문에 웨이퍼(200)를 균일하게 가열할 수 있다. 또한 온도가 상승하여 활성도가 상승한 가스가 웨이퍼(200)의 하향(下向)의 면에 공급되기 때문에 웨이퍼(200)의 하향의 면으로의 처리가 양호하게 이루어진다.
처리실(201)에 가열부를 설치한 경우에는 처리실(201) 내에 존재하는 예컨대 환원성 가스와 산화성 가스 등의 가스를 가열할 수 있어 가스의 활성도를 향상시킬 수 있다. 또한 서셉터(217)와 처리실(201)의 양방(兩方)에 가열부를 설치한 경우에는 웨이퍼(200)의 상향(上向)의 면과 하향의 면을 동시에 가열할 수 있어 웨이퍼(200)의 상향의 면과 하향의 면의 온도차를 저감할 수 있다.
또한 기판 처리 장치(100)는 서셉터 승강 기구(268)를 포함한다. 서셉터 승강 기구(268)는 서셉터(217)를 승강시키는 서셉터 승강 기구로서 이용된다.
또한 기판 처리 장치(100)는 예컨대 3개의 리프터 핀(266)을 포함한다. 리프터 핀(266)은 처리실(201)에 설치되고, 웨이퍼(200)를 서셉터(217)의 위에서 지지하는 제2 기판 지지부로서 이용된다. 리프터 핀(266)은 서셉터 승강 기구(268)에 의해 서셉터(217)가 하강하였을 때에 서셉터(217)와 비접촉 상태에서 관통공(217a)을 통과할 수 있는 위치 관계가 되도록 배치된다.
또한 기판 처리 장치(100)는 게이트 밸브(244)를 포함한다. 게이트 밸브(244)는 하측 용기(211)의 측벽에 설치되고 칸막이 밸브로서 이용된다. 게이트 밸브(244)가 열려 있을 때에는 반송 기구(도시되지 않음)에 의해 처리실(201) 내에 웨이퍼(200)를 반입할 수 있고 처리실(201) 내로부터 웨이퍼(200)를 반출할 수 있도록 이루어진다. 또한 게이트 밸브(244)는 처리실(201)을 기밀하게 닫을 수 있다.
또한 기판 처리 장치(100)는 컨트롤러(121)를 포함한다. 컨트롤러(121)는 신호선(A)를 통해서 APC(242), 밸브(243b), 진공 펌프(246)를 제어하고, 신호선(B)를 통해서 서셉터 승강 기구(268)를 제어하고, 신호선(C)를 통해서 게이트 밸브(244)를 제어하고, 신호선(D)를 통해서 정합기(272), 고주파 전원(273)을 제어하고, 신호선E를 통해서 매스 플로우 컨트롤러(241), 밸브(243a)를 제어하고, 또한 도시되지 않는 신호선을 통해서 서셉터에 매립된 히터(217b)나 임피던스 가변 기구(274) 등을 제어한다.
이상과 같이 구성된 기판 처리 장치(100)에서는 전술과 같이 서셉터(217)가 처리실(201)에 설치되고 웨이퍼(200)를 지지하는 제1 기판 지지부로서 이용되고, 리프터 핀(266)이 처리실(201)에 설치되고 웨이퍼(200)를 서셉터(217)의 위에서 지지하는 제2 기판 지지부로서 이용된다. 또한 기판 처리 장치(100)에서는 매스 플로우 컨트롤러(241), 밸브(243a), 밸브(243b), 샤워 헤드(236) 등이 가스 공급부로서 이용되고, 이 가스 공급부가 후술하는 바와 같이 처리실(201)에 산화성 가스, 질소 함유 가스, 환원성 가스 등의 가스를 공급한다. 여기서 산화성 가스란 산소(O2), 아산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 오존(O3), 과산화 수소(H2O2), 물(H2O) 등 중에서 적어도 어느 하나를 함유하는 가스다. 질소 함유 가스란 질소(N2), 암모니아(NH3) 등 중에서 적어도 어느 하나를 함유하는 가스다. 환원성 가스란 수소(H2), 암모니아(NH3), 일산화탄소(CO) 등 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 가스다. 산소 함유 가스는 바람직하게는 상온 상압 상태에서 기체상(氣體狀)인 산소 함유 가스다. 환원성 가스는 바람직하게는 수소 함유 가스다.
또한 기판 처리 장치(100)에서는 전술과 같이 서셉터(217)가 웨이퍼(200)를 가열하는 가열부로서 이용되고, 통 형상 전극(215), 통 형상 자석(216), 고주파 전원(273) 등이 처리실(201) 내의 가스를 여기하는 여기부로서 이용된다. 또한 기판 처리 장치(100)에서는 가스 배기관(231), 진공 펌프(246) 등이 처리실(201) 내를 배기하는 배기부로서 이용된다. 또한 컨트롤러(121)는 적어도 서셉터 승강 기구(268)와 매스 플로우 컨트롤러(241) 등으로 이루어지는 가스 공급부와, 예컨대 서셉터(217)로 이루어지는 가열부와, 고주파 전원(273) 등을 포함하는 여기부와, 진공 펌프(246) 등을 포함하는 배기부를 제어하는 제어부로서 이용된다.
이상과 같이 구성된 기판 처리 장치(100)에서는 반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, 웨이퍼(200)의 표면에 대하여, 또는 웨이퍼(200)의 표면에 형성된 하지막의 표면에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 수행할 수 있다. 이 플라즈마 처리는 컨트롤러(121)가 기판 처리 장치(100)의 각부(各部)를 제어하는 것에 의해 이루어지고, 보다 구체적으로는 이하와 같이 이루어진다.
즉, 처리실(201)의 외부로부터 웨이퍼(200)를 반송하는 반송 기구(도시되지 않음)에 의해 웨이퍼(200)가 처리실(201) 내에 반입되고 서셉터(217) 상에 반송된다. 이 때 서셉터(217)는 웨이퍼가 반송되는 반송 위치까지 하강하여 리프터 핀(266)의 선단(先端)이 서셉터(217)의 관통공(217a)을 통과하고, 이에 의해 서셉터(217) 표면보다도 소정의 높이만큼만 리프터 핀(266)이 돌출한 상태가 된다. 다음으로, 하측 용기(211)에 설치된 게이트 밸브(244)가 열리고, 반송 기구(도시되지 않음)에 의해 웨이퍼(200)가 리프터 핀(266)의 선단에 재치된다. 그리고 반송 기구가 처리실(201) 외로 퇴피한 후, 게이트 밸브(244)가 닫힌다. 그리고 서셉터(217)가 서셉터 승강 기구(268)에 의해 상승하고, 이에 의해 서셉터(217) 상면에 웨이퍼(200)가 재치된 상태가 되고, 서셉터(217)는 웨이퍼(200)를 처리하는 위치까지 더 상승한다.
이 때 서셉터(217)에 매립된 히터는 미리 가열되고, 반입된 웨이퍼(200)를 실온으로부터 예컨대 700℃의 범위 내에서의 미리 정해진 소정의 온도가 되도록 가열한다. 처리실(201) 내의 압력은 진공 펌프(246) 및 APC(242)을 이용하여 예컨대 0.1∼1,000Pa의 범위 내의 미리 정해진 압력으로 유지된다.
웨이퍼(200)의 온도가 미리 정해진 처리 온도에 도달하여 안정화된 후, 가스 도입구(234)로부터 차폐 플레이트(240)에 형성된 가스 취출구(239)를 개재하여 예컨대 산소 가스, 질소 가스, 희(希)가스 등의 처리 가스가 처리실(201)에 배치되는 웨이퍼(200)의 플라즈마 처리가 이루어지는 처리면인 상향의 면을 향해서 도입된다. 이 때 도입된 처리 가스의 유량은 1∼10,000sccm의 범위 내에서의 미리 정해진 유량이다. 처리 가스의 도입과 예컨대 동시에 정합기(272)를 개재하여 고주파 전원(273)으로부터 통 형상 전극(215)에 예컨대 10∼3,000W의 범위 내의 미리 정해진 전력의 고주파 전력이 인가된다. 고주파 전력이 인가되는 회로의 임피던스는 임피던스 가변 기구(274)에 의해 원하는 임피던스 값이 되도록 제어된다.
통 형상 전극(215)에 전압이 인가되면 통 형상 자석(216, 216)의 자계의 영향을 받아서 마그네트론 방전이 발생하고, 웨이퍼(200)의 상방(上方) 공간에 전하를 트랩(trap)하여 플라즈마 생성 영역(224)에 고밀도 플라즈마가 생성된다. 그리고 생성된 고밀도 플라즈마에 의해 서셉터(217) 상의 웨이퍼(200)의 표면에 플라즈마 처리가 수행된다. 플라즈마 처리가 끝난 웨이퍼(200)는 반송 기구(도시되지 않음)를 이용하여 기판 반입과 반대의 순서로 처리실(201) 외로 반송된다.
도 2에는 기판 처리 장치(100)를 이용한 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법의 공정이 도시된다. 도 2에 도시되는 바와 같이 첫 번째 공정의 스텝(S100)은 반입 공정이며, 컨트롤러(121)는 반송 기구(도시되지 않음)를 제어하여 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내에 반입시킨다.
다음 공정의 스텝(S200)은 가열 공정이며, 컨트롤러(121)는 기판 처리 장치(100)의 각 부를 제어하여 웨이퍼(200)를 가열시킨다. 이 가열 공정은 웨이퍼(200)가 리프터 핀(266)에 재치된 상태가 되도록 반송 기구(도시되지 않음) 등을 제어하는 스텝과, 처리실(201) 내를 배기하도록 진공 펌프(246) 등을 제어하는 스텝과, 처리실(201) 내에 환원성 가스를 공급하도록 밸브(243a) 등을 제어하는 스텝과, 서셉터(217) 등이 웨이퍼(200)를 가열하도록 하는 스텝을 포함한다. 환원성의 가스로서는 예컨대 수소 가스가 이용된다. 처리실(201) 내로의 환원성 가스의 공급과 웨이퍼(200)의 가열은 공정의 일부 또는 전부가 동시에 이루어진다.
이 가열 공정에서는 환원성 가스를 공급시키면서 웨이퍼(200)를 가열한다. 이로 인해 웨이퍼(200)가 산화되기 어려워서, 웨이퍼(200)에 형성된 금속 원소 함유막의 의도하지 않는 산화가 억제된다. 또한 이 가열 공정에서는 리프터 핀(266)에 의하여 지지된 상태에서 웨이퍼(200)가 가열된다. 이로 인해, 히터를 포함하는 서셉터(217)에 의하여 지지된 상태에서 웨이퍼(200)가 가열되는 경우와 비교해서 웨이퍼(200)는 상측의 면과 하측의 면이 균일하게 가열된다. 또한 리프터 핀(266)에 의하여 지지되기 때문에 웨이퍼(200)의 하측의 면의 하방(下方)에 공간이 형성되고, 이 공간에도 환원성 가스가 공급된다. 이와 같이 웨이퍼(200) 이면(裏面)에 환원성 가스를 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200)의 하측의 면에 부착된 산소를 제거할 수 있다. 따라서 웨이퍼(200) 이면으로부터 방출되는 미량의 산소에 의한 웨이퍼(200)의 표면에 형성된 금속 원소 함유막의 의도하지 않는 산화를 방지할 수 있다.
또한 서셉터(217)에 설치된 히터 외에 처리실에 별도의 가열 수단으로서의 가열 램프(도시되지 않음)를 설치하는 것에 의해, 웨이퍼(200)의 상측의 면과 하측의 면을 보다 균일하게 가열할 수 있다. 처리실(201) 내의 공간에 열에너지를 방사하는 것에 의해 처리실(201) 내에 존재하는 환원성 가스를 직접 가열할 수 있다. 또한 처리실(201) 내의 부재나 내벽의 표면을 가열할 수 있어 처리실(201) 내의 부재나 내벽 표면에 부착된 산소 원소와 환원성 가스의 반응 효율을 향상시킬 수 있고 산소 원소의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
다음 공정의 스텝(S300)은 처리 공정이며, 컨트롤러(121)는 기판 처리 장치(100)의 각 부를 제어하여 웨이퍼(200)의 처리를 수행시킨다. 이 처리 공정은 웨이퍼(200)가 서셉터(217)에 재치된 상태가 되도록 서셉터 승강 기구(268) 등을 제어하는 스텝과, 웨이퍼(200)를 가열하도록 서셉터(217) 등을 제어하는 스텝과, 처리실(201) 내에 산화성 가스와 환원성 가스를 공급하도록 밸브(243a) 등을 제어하는 스텝과, 처리실(201) 내에 공급된 산화성 가스와 환원성 가스가 여기되도록 고주파 전원(273) 등을 제어하는 스텝을 포함한다. 여기서 산화성 가스는 산소 함유 가스이며, 환원성 가스는 수소 함유 가스다. 즉 스텝(S300)에서 처리실(201) 내에 산소 가스와 수소 가스를 공급해도 좋다.
다음 스텝의 스텝(S400)은 정지 공정이며, 컨트롤러(121)는 가스의 공급을 정지시킨다. 이 정지 공정은 산화성 가스 공급을 정지시키는 스텝과, 산화성 가스의 공급을 정지시킨 후에 환원성 가스의 공급을 정지시키는 스텝을 포함한다. 산화성 가스는 비여기 상태에서도 웨이퍼(200)를 산화시킬 가능성이 있다. 그렇기 때문에 이 정지 공정에서는 먼저 산소의 공급을 정지시켜 처리실(201) 내의 산화성 가스 농도를 내리는 것에 의해 웨이퍼(200)가 불필요하게 산화되는 것을 억제한다. 또한 여기 상태의 수소가 여기 상태의 산소나 비여기 상태의 산소 가스보다도 나중까지 처리실(201) 내에 잔류하기 때문에, 처리 중에 웨이퍼(200)의 금속 원소 함유막이 산화되었다고 하더라도 이 산화된 금속 원소 함유막이 환원된다.
도 3에는 도 2의 공정을 도시한 반도체 장치의 제조 방법의 시퀀스가 도시된다. 도 3에 도시하는 바와 같이 웨이퍼(200)가 처리실(201)에 반입된 후, 시간(t1)부터 처리실(201) 내의 배기가 시작되고, 시간(t2)까지의 사이는 처리실(201) 내가 배기된다. 그리고 시간(t2)에 처리실(201) 내로의 예컨대 수소 가스 등의 환원성 가스의 공급이 시작되고, 시간(t2)부터 시간(t3)까지의 사이는 처리실(201) 내에 환원성 가스가 공급된다. 배기와 환원성 가스의 공급이 이루어지는 시간(t1)부터 시간(t3)까지의 사이에 처리실(201) 내의 분위기가 환원되고 치환된다. 배기하는 것에 의해 처리실(201) 내에 혼입한 산소 원소를 포함하는 가스를 배출할 수 있고, 또한 진공도를 높인 상태에서 환원성의 가스를 공급하는 것에 의해, 환원성의 가스를 가열된 서셉터(217)나 처리실(201) 내에 존재하는 가열된 부재에 효율 좋게 공급할 수 있고, 활성도가 높은 환원성 가스를 많이 형성할 수 있다. 따라서 처리실(201) 내에 존재하는 산화성 가스나 기판에 부착된 산소 원소의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
시간(t3)부터 통 형상 전극(215)에 의한 방전의 준비가 시작되고, 시간(t4)에 통 형상 전극(215)의 방전이 시작되고, 시간(t5)에 통 형상 전극(215)의 방전이 정지된다. 시간(t4)부터 시간(t5)까지의 사이는 처리실(201) 내에 환원성 가스와 산화성 가스가 공급된다. 시간(t5)부터는 웨이퍼(200)를 배출하기 위한 준비가 이루어진다.
한편, 전술한 시퀀스에서 시간(t1)부터 시간(t2)까지 이루어진 처리실(201) 내의 배기와, 시간(t2)부터 시간(t3)까지 이루어진 처리실(201) 내로의 환원성 가스의 공급 중 어느 일방을 생략해서 처리를 간편화해도 좋다.
도 4에는 도 3에 도시하는 시퀀스의 변형예가 도시된다. 도 3에 도시하는 시퀀스에서는 시간(t2)부터 시간(t3)까지의 사이에 처리실(201) 내에 환원성 가스를 공급할 때에 처리실(201) 내의 압력을 조정하지 않았다. 이에 대하여 이 도 4에 도시하는 시퀀스에서는 시간(t2)부터 시간(t3) 사이에 처리실(201) 내에 환원성 가스를 공급할 때에 처리실(201) 내의 압력을 조정하고, 이에 의해 환원성 가스로부터 웨이퍼(200)로의 열전도량을 제어하고 웨이퍼(200)의 가열량을 제어한다. 처리실(201) 내의 압력은 예컨대 웨이퍼(200)를 서셉터(217) 상에 이재(移載)할 때의 압력보다도 높은 압력으로 한다. 압력을 높게 하는 것에 의해 웨이퍼(200)의 상측의 면의 가열 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시하는 시퀀스에서 웨이퍼(200)는 시간(t1)에 처리실(201) 내에 반송되는 것과 동시에 처리실(201)의 열의 영향을 받기 시작한다. 이 때 웨이퍼(200)의 온도 변화는 히터를 포함하는 서셉터(217)에 대향하는 부분이 가장 크다고 생각된다. 또한 웨이퍼(200)를 가열할 때에 웨이퍼(200)의 승온 속도가 지나치게 빠르면 웨이퍼(200)에 과잉의 열응력이 발생할 우려가 있다. 한편, 웨이퍼(200)의 승온 속도를 늦게 하면, 처리 시간이 길어진다는 문제가 있다. 도 4에 도시하는 시퀀스에서는 리프터 핀(266)에 의하여 웨이퍼(200)를 지지하여 웨이퍼(200)와 서셉터(217)를 이간(離間)시킨 상태로 하고, 처리실(201) 내에 환원성 가스를 공급할 때에 처리실(201) 내의 압력을 조정하는 것에 의해 환원성 가스로부터 웨이퍼(200)로의 열전도량을 제어하고 웨이퍼(200)의 승온 속도를 제어한다.
또한 이 시퀀스에서는 가열 공정(S200)에서의 환원성 가스로서 수소를 이용한다. 여기서 수소는 다른 가스와 비교해서 열전도율이 높기 때문에 환원 가스가 웨이퍼(200)로의 열전도에 기여하는 비율이 다른 환원 가스를 이용한 경우보다도 크다. 그렇기 때문에, 처리실(201) 내의 압력을 조정하여 웨이퍼(200)로의 열전도량을 조정하는 것은, 수소 가스 이외의 환원 가스를 이용하는 경우와 비교하여 더 유용하다.
한편, 기판 승온 공정에서의 환원성 가스의 일 예로서 수소 가스를 이용하는 예에 대하여 설명하였지만 수소 가스 이외의 환원성 가스를 이용하는 경우이어도 좋다. 즉 분자량이 작은 가스라면 처리실(201) 내의 압력을 조정하는 것에 의해 웨이퍼(200)로의 열전도량을 바람직하게 제어할 수 있다.
도 5에는 도 3에 도시하는 시퀀스의 제2 변형예가 도시된다. 도 5에 도시하는 시퀀스에서는 시간(t2)부터 시간(t3)까지의 사이에 처리실(201) 내에 환원성 가스를 공급할 때에 처리실(201) 내의 압력을 조정하는 것에 더해서, 시간(t5)에 통 형상 전극(215)의 방전을 정지시키는 것에 앞서 산화성 가스의 공급을 정지시키고, 미리 정해진 소정의 시간동안 처리실(201) 내에 환원성 가스만을 공급시킨 후, 시간(t5)에 환원성 가스의 공급을 정지시키는 것과 함께 통 형상 전극(215)의 방전을 정지시킨다.
처리실(201) 내에 환원성 가스만을 공급시키는 시간은 처리실(201)의 체적, 처리실(201)로부터의 배기 속도, 처리실(201) 내에 환원성 가스가 공급되는 속도 등을 고려해서 정해지고, 예컨대 1∼30초 정도로 정해진다. 또한 환원성 가스가 처리실(201) 내에 공급되는 유량을 서서히 저감시켜서 시간(t5)에 정지시켜도 좋고, 통 형상 전극(215)으로부터의 방전을 서서히 저하시켜서 시간(t5)에 방전을 정지시켜도 좋다.
또한 발명자는 면밀하게 연구한 결과, 웨이퍼(200) 상에 금속 원소 함유막과 실리콘 함유막이 적층된 미세한 철(凸) 구조가 복수 형성되는 경우에는 웨이퍼(200)의 표면적이 커지고, 금속 원소 함유막이 산화되는 부위가 발생할 가능성이 있다는 것을 발견하였다. 또한 미세한 철(凸) 구조가 복수 형성되는 경우에는 열 스트레스가 가해지기 쉬워질 가능성이 있다는 것을 발견하였다. 이와 같은 웨이퍼(200)를 이용하는 경우에 전술한 바와 같이 환원성 가스를 공급하면서 웨이퍼(200)를 리프터 핀(266)에 의하여 지지한 상태에서 가열하는 것에 의해, 웨이퍼(200)의 열 스트레스에 의한 휘어짐을 저감시키면서 웨이퍼(200) 상에 형성된 금속 원소 함유막의 산화를 방지할 수 있다.
또한 전술한 시퀀스에 더하여, 여기 상태의 수소와 여기 상태의 산소로 웨이퍼(200)를 처리한 후에 산화성 가스의 공급을 멈춘 상태에서 웨이퍼(200)를 리프터 핀(266)에 의하여 위에 보지한 상태에서 여기 상태의 수소나 환원성 가스를 웨이퍼(200)의 하측에 공급해도 좋다. 처리 후에 웨이퍼(200)의 하측에 활성 수소를 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200)의 하측의 면이나 서셉터(217)의 표면에 부착한 산소 원소를 제거할 수 있고, 반출 공정에서 웨이퍼(200)의 하측의 면이나 서셉터(217)의 표면으로부터 탈리하는 산소에 의한 웨이퍼(200) 상측의 면에 형성된 막의 산화를 방지할 수 있다. 또한 서셉터(217)의 표면이나 웨이퍼(200)의 상측의 면이나 하측의 면, 처리실(201)의 내벽, 처리실(201) 내에 설치된 부재의 표면 등을 수소로 종단(終端) 처리하는 것에 의해, 이와 같은 표면에 산소가 부착하였다 하더라도 용이하게 산소를 제거하는 것이 가능해진다.
본 발명은 특허청구의 범위에 기재한 바와 같이 다음에 부기한 사항을 더 포함한다.
〔부기1〕
금속 원소 함유막 및 실리콘 함유막이 노출된 피처리 기판을 처리하는 처리실;
상기 처리실에 설치되고 상기 피처리 기판을 지지하는 제1 기판 지지부;
상기 처리실에 설치되고 상기 피처리 기판을 상기 제1 기판 지지부의 위에서 지지하는 제2 기판 지지부;
상기 처리실에 가스를 공급하는 가스 공급부;
상기 피처리 기판을 가열하는 가열부;
상기 처리실 내의 상기 가스를 여기(勵起)하는 여기부;
상기 처리실 내를 배기하는 배기부; 및
적어도 상기 가스 공급부, 상기 여기부 및 상기 배기부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 피처리 기판이 상기 제2 기판 지지부에 의하여 지지된 상태에서 상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 환원성 가스를 공급함과 동시에 상기 가열부가 상기 피처리 기판을 가열하고,
상기 피처리 기판이 상기 제1 기판 지지부에 의하여 지지된 상태에서 상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 공급함과 동시에 공급된 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 상기 여기부가 여기하도록 제어하는 기판 처리 장치.
〔부기2〕
상기 가열부는 상기 제1 기판 지지부 및 상기 처리실 중 적어도 어느 일방에 설치되는 부기1에 기재된 기판 처리 장치.
〔부기3〕
금속 원소 함유막 및 실리콘 함유막이 노출된 피처리 기판을 처리실에 반입하는 반입 공정;
상기 피처리 기판을 가열하는 가열 공정; 및
상기 피처리 기판을 처리하는 처리 공정;을 포함하고,
상기 처리 공정은,
상기 피처리 기판을 제1 기판 지지부에 재치하는 스텝;
가열부가 상기 피처리 기판을 가열하는 스텝;
가스 공급부가 상기 처리실 내에 산화성 가스 및 환원성 가스를 공급하는 스텝;
공급된 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 여기부가 여기하는 스텝; 및
배기부가 상기 처리실을 배기하는 스텝;을 포함하고,
상기 가열 공정은,
상기 피처리 기판을 상기 제1 기판 지지부의 위에서 지지하는 제2 기판 지지부에 상기 피처리 기판을 재치하는 스텝;
상기 배기부가 상기 처리실 내를 배기하는 스텝;
상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 상기 환원성 가스를 공급하는 스텝; 및
상기 가열부가 상기 피처리 기판을 가열하는 스텝;
을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
〔부기4〕
가스의 공급을 정지하는 가스 정지 공정을 더 포함하고,
상기 가스 정지 공정은,
상기 산화성 가스의 공급을 정지하는 스텝; 및
상기 산화성 가스의 공급을 정지한 후에 상기 환원성 가스의 공급을 정지하는 스텝;
을 포함하는 부기3에 기재된 반도체 장치의 제조 방법.
〔부기5〕
금속막 및 실리콘막이 표면에 노출되는 피처리 기판을 처리실에 반입하는 반입 공정;
상기 처리실 내의 분위기를 환원성 가스로 치환하는 치환 공정; 및
상기 처리실 내의 상기 분위기가 상기 환원성 가스로 치환된 후에 상기 처리실에 상기 환원성 가스와 산화성 가스를 도입하고, 플라즈마 방전하는 것에 의해 상기 피처리 기판을 처리하는 처리 공정;을 포함하고,
상기 치환 공정에서 상기 처리실 내의 압력을 조정하는 것에 의해 상기 환원성 가스로부터 상기 피처리 기판으로의 열전도량을 제어하는 기판 처리 방법.
〔부기6〕
상기 치환 공정에 앞서 상기 처리실 내의 분위기 가스를 배기하는 배기 공정을 더 포함하는 부기5에 기재된 기판 처리 방법.
〔부기7〕
상기 처리 공정 후에 가스 공급 및 플라즈마 방전을 정지시키는 플라즈마 정지 공정을 더 포함하고,
상기 플라즈마 정지 공정에서는 상기 산화성 가스의 도입을 정지시킨 후에 상기 환원성 가스의 도입과 상기 플라즈마 방전을 정지시키는 부기5 또는 부기6에 기재된 기판 처리 방법.
〔부기8〕
상기 환원성 가스로서 수소 가스를 이용하는 부기5 내지 부기7 중 어느 하나에 기재된 기판 처리 방법.
〔부기9〕
상기 치환 공정에서는 상기 처리실 내의 압력을 상기 반송 공정의 압력보다도 높게 하는 기판 처리 방법.
〔부기10〕
또한 상기 피처리 기판 상에는 금속 원소 함유막과 실리콘 함유막이 적층된 미세한 철(凸) 구조가 복수 형성된다.
〔부기11〕
또한 상기 가스 정지 공정과 상기 플라즈마 정지 공정 중 어느 일방 또는 양방의 공정에서는 상기 피처리 기판을 상기 제2 기판 지지부에 의하여 지지한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 기판 처리 장치와 반도체 장치의 제조 방법에 적용할 수 있다.
100: 기판 처리 장치 121: 컨트롤러
200: 웨이퍼 201: 처리실
215: 통 형상 전극 216: 통 형상 자석
217: 서셉터 231: 가스 배기관
232: 가스 공급관 236: 샤워 헤드
246: 진공 펌프 266: 리프터 핀
268: 서셉터 승강 기구 273: 고주파 전원

Claims (11)

  1. 금속 원소 함유막 및 실리콘 함유막이 노출된 피처리 기판을 처리하는 처리실;
    상기 처리실에 설치되고 상기 피처리 기판을 지지하는 제1 기판 지지부;
    상기 처리실에 설치되고 상기 피처리 기판을 상기 제1 기판 지지부의 위에서 지지하는 제2 기판 지지부;
    상기 처리실에 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 피처리 기판을 가열하는 가열부;
    상기 처리실 내의 상기 가스를 여기(勵起)하는 여기부;
    상기 처리실 내를 배기하는 배기부; 및
    상기 피처리 기판이 상기 제2 기판 지지부에 의하여 지지된 상태에서 상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 환원성 가스를 공급함과 동시에 상기 가열부가 상기 피처리 기판을 가열하고, 상기 피처리 기판이 상기 제1 기판 지지부에 의하여 지지된 상태에서 상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 공급함과 동시에 공급된 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 상기 여기부가 여기하도록 상기 가스 공급부, 상기 여기부 및 상기 배기부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열부는 상기 제1 기판 지지부 및 상기 처리실 중 적어도 어느 일방에 설치되는 기판 처리 장치.
  3. 금속 원소 함유막 및 실리콘 함유막이 노출된 피처리 기판을 처리실에 반입하는 반입 공정;
    상기 피처리 기판을 가열하는 가열 공정; 및
    상기 피처리 기판을 처리하는 처리 공정;을 포함하고,
    상기 처리 공정은,
    상기 피처리 기판을 제1 기판 지지부에 재치하는 스텝;
    가열부가 상기 피처리 기판을 가열하는 스텝;
    가스 공급부가 상기 처리실 내에 산화성 가스 및 환원성 가스를 공급하는 스텝;
    공급된 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 여기부가 여기하는 스텝; 및
    배기부가 상기 처리실을 배기하는 스텝;을 포함하고,
    상기 가열 공정은,
    상기 피처리 기판을 상기 제1 기판 지지부의 위에서 지지하는 제2 기판 지지부에 상기 피처리 기판을 재치하는 스텝;
    상기 배기부가 상기 처리실 내를 배기하는 스텝;
    상기 가스 공급부가 상기 처리실 내에 상기 환원성 가스를 공급하는 스텝; 및
    상기 가열부가 상기 피처리 기판을 가열하는 스텝;
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 가스의 공급을 정지하는 가스 정지 공정을 더 포함하고,
    상기 가스 정지 공정은,
    상기 산화성 가스의 공급을 정지하는 스텝; 및
    상기 산화성 가스의 공급을 정지한 후에 상기 환원성 가스의 공급을 정지하는 스텝;
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 금속막 및 실리콘막이 표면에 노출되는 피처리 기판을 처리실에 반입하는 반입 공정;
    상기 처리실 내의 분위기를 환원성 가스로 치환하는 치환 공정; 및
    상기 처리실 내의 상기 분위기가 상기 환원성 가스로 치환된 후에 상기 처리실에 상기 환원성 가스와 산화성 가스를 도입하고, 플라즈마 방전하는 것에 의해 상기 피처리 기판을 처리하는 처리 공정;을 포함하고,
    상기 치환 공정에서 상기 처리실 내의 압력을 조정하는 것에 의해 상기 환원성 가스로부터 상기 피처리 기판으로의 열전도량을 제어하는 기판 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 치환 공정에 앞서 상기 처리실 내의 분위기 가스를 배기하는 배기 공정을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 처리 공정 후에 가스 공급 및 플라즈마 방전을 정지시키는 플라즈마 정지 공정을 더 포함하고,
    상기 플라즈마 정지 공정에서는 상기 산화성 가스의 도입을 정지시킨 후에 상기 환원성 가스의 도입과 상기 플라즈마 방전을 정지시키는 기판 처리 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 환원성 가스로서 수소 가스를 이용하는 기판 처리 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 치환 공정에서는 상기 처리실 내의 압력을 상기 반송 공정의 압력보다도 높게 하는 기판 처리 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 피처리 기판 상에는 금속 원소 함유막과 실리콘 함유막이 적층된 미세한 철(凸) 구조가 복수 형성되는 기판 처리 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 산화성 가스의 도입의 정지 및 상기 플라즈마 방전의 정지 중 어느 일방 또는 양방(兩方)의 공정에서는 상기 피처리 기판을 제2 기판 지지부에 의하여 지지하는 기판 처리 방법.
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