KR20170019419A - 가스 공급 장치 및 밸브 장치 - Google Patents

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Abstract

TiCl4 가스와 NH3 가스를 교대로 복수회 기판에 공급해서 성막을 행함에 있어서, 밸브 장치(1)의 냉각을 억제하면서 N2 가스의 유량을 크게 하는 것이 가능하고, 스루풋 향상에 기여할 수 있는 기술을 제공한다. TiCl4 가스와 NH3 가스를 교대로 복수회 웨이퍼(W)에 공급해서 성막을 행함에 있어서, 한쪽의 처리 가스의 공급과 다른 쪽의 처리 가스의 공급과의 사이에 처리 용기(10) 내에 공급되는 분위기 치환용의 N2 가스를 사전에 가열하고 있다. 이 때문에, 처리 용기(10)의 내벽이나 웨이퍼(W) 등의 가스 접촉 부위의 냉각을 억제하면서 N2 가스의 유량을 크게 할 수 있으므로, 분위기의 치환에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있고, 스루풋의 향상에 기여할 수 있음과 함께, 밸브 장치(1)의 냉각에 의한 반응 생성물의 부착 등의 문제의 발생이 억제된다.

Description

가스 공급 장치 및 밸브 장치{GAS SUPPLY DEVICE AND VALVE DEVICE}
본 발명은, 진공 분위기가 된 처리 용기 내에서 기판에 성막 처리를 행하기 위해 사용되는 가스 공급 장치 및 가스 공급 장치에 사용되는 밸브 장치에 관한 것이다.
기판인 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)에 성막을 행하는 방법으로서, 원료 가스 및 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 웨이퍼에 대하여 교대로 복수회 공급해서 웨이퍼의 표면에 반응 생성물의 분자층을 퇴적시켜 박막을 얻는 ALD(Atomic Layer Deposition)법이 알려져 있다.
ALD법에 있어서는, 원료 가스의 공급과 반응 가스의 공급의 사이에 처리 분위기를 치환하기 위한 치환 가스의 공급을 행할 필요가 있어, 높은 스루풋을 얻기 위해서는, 분위기의 치환을 신속히 행하는 것이 중요하다. 예를 들어 특허문헌 1에는, 처리 가스의 유로에 다른 처리 가스의 침입을 방지하기 위해서 불활성 가스를 항상 흘리고, 처리 가스를 정지했을 때 이 불활성 가스를 치환 가스로서 사용하여, 처리 용기의 처리 가스의 치환을 행하는 방법이 기재되어 있다. 이 경우에 처리 가스의 치환 효율을 올리기 위해서는, 불활성 가스의 유량을 증가시키는 방법을 들 수 있는데, 불활성 가스의 유량을 증가시킨 경우에, 처리 가스의 가스 분압의 저하에 의한 퇴적 속도의 저하 우려가 있다.
또한 처리 용기 내는, 처리 가스의 흡착이나 재 액화에 기초하는 파티클의 발생을 억제하기 위해서 가열 기구에 의해 가열되어 있다. 그러나, 치환 가스의 유량을 많게 하면, 치환 가스에 의해 냉각되기 쉬워져, 가스 접촉부에 있어서, 처리 가스가 흡착되어 잔류한 상태가 되거나, 재 액화, 재 고화하는 문제가 있었다.
일본 특허 공개 제2009-038408호 공보; 제0038 단락
본 발명은 이러한 배경 하에 이루어진 것이며, 그 목적은, 서로 다른 처리 가스를 교대로 복수회 기판에 공급해서 성막을 행함에 있어서, 가스 접촉 부위의 냉각을 억제하면서 치환 가스의 유량을 크게 하는 것이 가능하여, 스루풋 향상에 기여할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.
또한 다른 발명의 목적은, 상기 기술의 실시에 적합한 밸브 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 가스 공급 장치는, 기판이 놓여 있는 진공 분위기가 된 처리 용기 내에, 처리 가스인 제1 반응 가스, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스 및 처리 가스인 제2 반응 가스를 차례로 복수 사이클 공급하기 위한 가스 공급 장치에 있어서,
상기 처리 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 처리 가스 유로와,
상기 치환 가스를 상기 처리 용기에 공급하기 위한 치환 가스 유로와,
상기 치환 가스를 가열할 목적으로 상기 치환 가스 유로에 설치된 치환 가스 가열부를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 밸브 장치는, 제1 밸브실에서 유로를 개폐하는 제1 밸브체부와, 제2 밸브실에서 유로를 개폐하는 제2 밸브체부가 연속 설치된 밸브 장치에 있어서,
제1 가스 도입 포트, 제2 가스 도입 포트 및 가스 토출 포트와,
상기 제1 가스 도입 포트로부터 상기 제1 밸브실에 접속되고, 상기 제1 밸브체부에 의해 개폐되는 제1 가스 유로와,
상기 제1 밸브실로부터 상기 가스 토출 포트에 이르는 가스 토출 유로와,
상기 제2 가스 도입 포트로부터 오리피스를 통해서, 상기 제1 밸브체부 및 제2 밸브체부의 각각에 의해 개폐되지 않도록 상기 가스 토출 유로에 연통하는 제2 가스 유로와,
상기 제2 가스 도입 포트로부터 상기 제2 밸브실을 개재해서, 상기 제2 가스 유로에 있어서의 상기 오리피스의 하류측에 합류하도록 형성됨과 함께 상기 제2 밸브체부에 의해 개폐되는 바이패스 유로를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 서로 다른 처리 가스를 교대로 복수회 기판에 공급해서 성막을 행함에 있어서, 한쪽의 처리 가스의 공급과 다른 쪽의 처리 가스의 공급과의 사이에 처리 용기 내에 공급되는 분위기 치환용의 치환 가스를 미리 치환 가스 가열부에 의해 가열하고 있다. 이 때문에, 처리 용기의 내벽이나 기판 등의 가스 접촉 부위의 냉각을 억제하면서 치환 가스의 유량을 크게 할 수 있으므로, 분위기의 치환에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있고, 스루풋의 향상에 기여할 수 있음과 함께, 가스 접촉 부위의 냉각에 의한 반응 생성물의 부착 등의 문제의 발생이 억제된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 사용되는 가스 공급 장치를 구비한 ALD 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 밸브 장치를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에서의 가스 공급 시퀀스를 나타내는 타임차트이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 공급 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 5는 상기 밸브 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 공급 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 7은 상기 밸브 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 공급 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 9는 상기 밸브 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 공급 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 공급 장치에 의한 가스의 공급을 도시하는 설명도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 사용되는 밸브 장치의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 가스 공급 장치를, 기판에 대하여 성막을 행하는 성막 장치인 ALD 장치에 적용한 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 1은, ALD 장치의 전체 구성을 나타낸다. 이 ALD 장치는, 장치 본체 부분(200)과 가스 공급 장치(100)로 이루어지고, 기판인 웨이퍼(W)의 표면에 TiCl4 가스와 NH3 가스를 교대로 공급해서 ALD법에 의해 TiN막을 성막하는 장치로서 구성되어 있다.
장치 본체 부분(200)은 진공 챔버인 처리 용기(10)를 구비하고, 처리 용기(10) 내에는, 웨이퍼(W)에 대하여 성막 처리를 행하는 처리 위치와, 웨이퍼(W)의 수수가 행하여지는 수수 위치와의 사이에서 승강 축(23)을 통해서 승강 기구(24)에 의해 승강되는 적재대(2)가 설치되고, 적재대(2) 내에는 히터(21)가 매설되어 있다. 수수 위치에 있어서는, 밀어올림 기구(28)에 의해 적재대(2)에 형성된 구멍부(22)를 통과해서 웨이퍼(W)를 밀어올리는, 예를 들어 3개의 밀어올림 핀(27)과 게이트 밸브(12)에 의해 개폐되는 반입출구(11)를 통해서 진입하는 외부의, 예를 들어 진공 반송실 내에 설치된 반송 기구(도시하지 않음)와의 사이에서 웨이퍼(W)의 수수가 행하여진다.
도 1은 적재대(2)가 처리 위치에 놓여 있는 상태를 나타내고, 적재대(2), 적재대(2)의 주위에 설치된 통 형상의 커버 부재(20) 및 처리 용기(10)측의 환상의 구획 부재(45)에 의해, 적재대(2)의 상방측 공간과 하방측 공간이 간극(33)을 두고 구획된다. 처리 용기(10)의 천장부(3)의 하면은 편평한 원추 형상의 공간을 형성하도록 중앙부로부터 하방측을 경사지게 향해서 넓어져 있고, 천장부(3)와 적재대(2)와의 사이는 처리 공간(30)이 된다. 천장부(3)의 중앙부에는 두께 방향으로 관통하는 2개의 가스 공급로(31, 32)가 형성되고, 가스 공급로(31, 32)의 하방에는, 가스 공급로(31, 32)로부터 토출되는 가스를 처리 공간(30) 내에 분산시키기 위한 분산판(36)이, 예를 들어 수평하게 설치되어 있다.
처리 공간(30)의 주위를 둘러싸도록 원환 형상으로 만곡시켜서 구성된 배기 덕트(4)가 설치되어 있다. 배기 덕트(4)의 내주면측은 둘레 방향에 걸쳐서 개구되어 있고, 처리 공간(30)으로부터 흘러나온 가스가 배기 덕트(4) 내에 배기된다. 배기 덕트의 외주면측에는, 처리 용기(10)를 관통하는 배기구(41)를 통해서, 배기관(42)이 접속되어 있다. 배기관(42)은, 배기구(41)측으로부터 압력 조정부(43), 개폐 밸브(44)가 개재 설치되고, 진공 배기 펌프(40)에 접속되어 있다.
또한, 처리 용기(10)의 측벽 내나 천장부(3)의 내부에는, 도시하지 않은 히터 등의 승온 기구가 설치되어 있고, 천장부(3) 및 처리 용기(10)의 내면의 온도가 예를 들어 150℃로 설정되어 있다. 이에 의해, 예를 들어 처리 용기(10)의 내부에 있어서 처리 가스의 흡착을 억제하고 있다.
가스 공급로(31, 32)에는, 원료 가스인 TiCl4 가스와, 반응 가스인 NH3 가스와, 역류 방지용 가스 또는 치환 가스인 불활성 가스, 예를 들어 N2 가스를 공급하는 가스 공급 장치(100)가 접속되어 있다. 원료 가스인 TiCl4 가스는 제1 반응 가스에 상당하고, 반응 가스인 NH3 가스는 제2 반응 가스에 상당한다.
가스 공급 장치(100)는, TiCl4 가스를 공급하기 위한 원료 가스 유로인 TiCl4 가스 유로(80)와, NH3 가스를 공급하기 위한 반응 가스 유로인 NH3 가스 유로(82)와, N2 가스를 공급하기 위한 2개의 N2 가스 유로(8, 81)를 구비하고 있다.
N2 가스 유로(8)에는, 상류측으로부터 N2 가스 공급원(83), 압력 조정부(85), 원 밸브(V3) 및 치환 가스 가열부(54)가 설치되고, 하류측이 밸브 장치(1)에 접속되어 있다. 또한 N2 가스 유로(81)에는, 마찬가지로 상류측으로부터 N2 가스 공급원(84), 압력 조정부(86), 원 밸브(V6), 치환 가스 가열부(64)가 설치되고, 하류측이 밸브 장치(1)에 접속되어 있다. 치환 가스 가열부(54, 64)는, 나선 형상으로 가스가 흐르도록 형성된 원통 형상의 용기와, 유로의 외부로부터 유로 내를 가열하는 히터를 구비하고 있고, N2 가스를 예를 들어 180℃ 내지 300℃로 가열한다.
TiCl4 가스 유로(80)에는, TiCl4 저류부(87)가 설치되고, 도시하지 않은 히터에 의해 80 내지 90℃로 가열되어 TiCl4가 액체의 상태로 저류되어 있다. 또한, TiCl4 저류부(87)에는 캐리어 가스 공급부(90)가 접속되고, 이 캐리어 가스 공급부(90)로부터 공급된 N2 가스 등(예를 들어, 유량 50sccm)에 의해 TiCl4 저류부(87) 내에 저류된 원료가 공급되도록 구성되어 있다. 또한, 캐리어 가스의 유량을 제어하는 유량 조정부(91)가 설치되고, TiCl4 가스는, 캐리어 가스의 유량에 의해, 기화량이 조정되어 유량이 조정된다. NH3 가스 유로(82)는, 상류측으로부터, NH3 가스 공급원(89), 유량 조정부(88)가 설치되어 있다. TiCl4 저류부(87)의 하류측, 및, NH3 가스 유로(82)에 있어서의 유량 조정부(88)의 하류측은, 밸브 장치(1)에 접속된다.
도 1에서 쇄선으로 둘러싼 부분은 밸브 장치(1) 내의 유로 등을 배관도로서 나타내고 있고, 도 2는 밸브 장치(1)의 구조를 나타내고 있다. 밸브 장치(1)는, 예를 들어 스테인리스 등으로 구성된 대략 직육면체 형상의 블록체(7) 내에 가스 유로를 이루는 구멍로가 형성됨과 함께, 구멍로에 연속하는, 제1 및 제2 밸브 시트(57a, 57b) 및 제1 및 제2 밸브체부(59a, 59b)로 이루어지는 유로 개폐부가 형성되어 구성되어 있어, 하나의 부품을 이루고 있다. 도 1에서는, 밸브 장치(1) 내의 제1 밸브 시트(57a) 및 제1 밸브체부(59a)로 이루어지는 유로 개폐부에 상당하는 부분을 밸브(V1), 제2 밸브 시트(57b) 및 제2 밸브체부(59b)로 이루어지는 유로 개폐부에 상당하는 부분을 밸브(V2)로서 표시하고 있다. 또한, NH3 공급계측에 있어서 밸브(V1)에 상당하는 부분을 밸브(V4), 밸브(V2)에 상당하는 부분을 밸브(V5)로서 표시하고 있다.
밸브 장치(1)는, TiCl4 가스 유로(80)에 합류하는, 말하자면 TiCl4 가스계 부위가, 도 2에 도시한 바와 같이 2연 밸브를 구비한 구조체로서 구성됨과 함께, NH3 가스 유로(82)에 합류하는, 말하자면 NH3 가스계 부위로 이루어지는 부위에 대해서도, 도 2에 도시하는 구조체와 마찬가지의 구조체로서 구성되어 있다. NH3 가스계 부위로 이루어지는 구조체는, 이 예에서는 도 2에 도시하는 TiCl4 가스계 부위를 이루는 구조체와 지면의 좌우 방향에 배열해서 일체화되어 있다. 따라서, 이 밸브 장치(1)는, 2연 밸브를 갖는 2개의 구조체로 이루어지는 4연 밸브를 구비한 구조체라고 할 수 있다. TiCl4 가스계 부위를 이루는 구조체는 제1 밸브부에 상당하고, NH3 가스계 부위를 이루는 구조체는 제2 밸브부에 상당한다. 이 때문에 밸브 장치(1)의 구조에 대해서는, TiCl4 가스계 부위를 이루는 구조체(제1 밸브)에 대해서만 도 2를 참조하면서 설명한다.
밸브 장치(1)는, 블록체(7)를 구비하고 있고, 블록체(7)의 측면에는, TiCl4 가스가 도입되는 제1 가스 도입 포트인 TiCl4 가스 도입구(74)와, N2 가스가 도입되는 제2 도입 포트인 N2 가스 도입구(75)가 좌우에 나란히 형성되어 있다.
블록체(7)에는, TiCl4 가스 도입구(74)가 측면에 개구되고, 상방을 향해서 신장되는 처리 가스 유로(5)가 형성되어 있다. 또한 블록체(7)의 내부에는, 제1 반응 가스 유로인 처리 가스 유로(5)가 그 저면에 개구되는 원통 형상의 제1 밸브실(58a)이 형성되어 있다. 제1 밸브실(58a)에는, 처리 가스 유로(5)의 개구의 주위를 둘러싸도록 환상의 제1 밸브 시트(57a)가 설치되어 있고, 제1 밸브 시트(57a)를 개폐하는 제1 밸브체부(59a)가 배치되어 있다. 제1 밸브체부(59a)는, 블록체(7)의 상면측에 배치된 구동부(72a)에 접속되어 있고, 구동부(72a)는, 제1 밸브체부(59a)를 제1 밸브실(58a) 내를 승강시킨다. 제1 밸브체부(59a)는, 원기둥의 선단에, 선단측이 곡면으로 되도록 배치된 반구 형상으로 형성된 버섯 형상의 부재이며, 선단이 하방을 향하도록 배치된다.
또한, 제1 밸브실(58a)의 저면에서의 주연부로부터 하방을 향해서 가스 토출 유로(55)가 신장되어 있고, 가스 토출 유로(55)는, 블록체(7)의 하면에 관통하여, 가스 토출 포트인 가스 토출구(76)에 접속되어 있다.
블록체(7)에는, N2 가스 도입구(75)가 측면에 개구되고, 상방으로 신장되는 도 1 중에 도시한 바이패스 유로(51)가 형성되어 있다. 블록체(7)의 내부에는, 바이패스 유로(51)가 그 저면에 개구되는 원통 형상의 제2 밸브실(58b)이 형성되어 있다. 제2 밸브실(58b)에는, 바이패스 유로(51)의 개구의 주위를 둘러싸도록 환상의 제2 밸브 시트(57b)가 설치되어 있고, 제2 밸브 시트(57b)를 개폐하는 제2 밸브체부(59b)가 배치되어 있다. 제2 밸브체부(59b)는, 블록체(7)의 상면측에 배치된 구동부(72b)에 접속되어 있고, 구동부(72b)는, 제2 밸브체부(59b)를 제2 밸브실(58b) 내를 승강시킨다.
또한, 제2 밸브실(58b)에 있어서의 바이패스 유로(51)의 개구부는, 원판 형상의 오리피스 형성 부재(53a)에 의해 막혀 있고, 오리피스 형성 부재(53a)에는, 구경 0.1 내지 1.0mm의 오리피스(53)를 이루는 구멍부가 형성되어 있다. 또한 오리피스 형성부(53a)는 제2 밸브 시트(57b)를 겸용해도 된다.
또한, 블록체(7)에는, N2 가스 도입구(75)로부터 비스듬하게 상방으로 신장되고, 제2 밸브실(58b)의 주연부에 접속된 N2 가스 도입로(50)가 형성되어 있다. 제2 밸브실(58b)에 있어서의 N2 가스 도입로(50)의 개구부는 원판 형상의 오리피스 형성 부재(52a)에 의해 막혀 있고, 오리피스 형성 부재(52a)에는, 구경 0.1 내지 1.0mm 오리피스(52)를 이루는 구멍부가 형성되어 있다. 또한 제2 밸브실(58b)의 저면에서의 주연부에는, 비스듬히 하방으로 신장되기 시작한 후, 그 방향을 비스듬하게 상방으로 바꾸어, 제1 밸브실(58a)의 저면에서의 주연부에 접속된 V자 유로(56)가 형성되어 있다.
밸브 장치(1)에 있어서, TiCl4 가스 도입구(74)→제1 밸브실(58a)→가스 토출 유로(55)→가스 토출구(76)의 유로는, 도 1에 도시한 TiCl4 가스 유로(80)에서의 TiCl4 가스 도입구(74)로부터 가스 토출구(76)까지의 부분에 상당한다. 또한 N2 가스 도입구(75)→N2 가스 도입로(50) 및 바이패스 유로(51)→제2 밸브실(58b)→V자 유로(56)→제1 밸브실(58a)→가스 토출 유로(55)→가스 토출구(76)의 유로는, 도 1 중에 도시한 N2 가스 유로(8)에서의 N2 가스 도입구(75)로부터 가스 토출구(76)까지의 부분에 상당한다.
또한 후술하는 작용의 설명에 있어서, 밸브(V1(V2))를 개방한다는 것은, 제1 밸브체부(59a)(제2 밸브체부(59b))가 제1 밸브 시트(57a)(제2 밸브 시트(57b))로부터 이격된 상태를 말한다. 또한 밸브(V1(V2))를 폐쇄한다는 것은, 제1 밸브체부(59a)(제2 밸브체부(59b))가 하강하여, 제1 밸브 시트(57a)(제2 밸브 시트(57b))에 착좌된 상태를 말한다.
NH3 가스 유로(82)와 N2 가스 유로(81)가 합류하는 부위에 설치되는 밸브 장치(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이 제1 가스 도입 포트가 NH3 가스 도입구(78)로 되어 있고, TiCl4 가스 대신에, NH3 가스가 공급되는 것을 제외하고, 밸브 장치(1)를 도 2 중의 I-I'선에 대하여 경면 대칭으로 한 구성으로 되어 있다. 또한, 도 1 중의 79는 가스 토출구, 77은 N2 가스 도입구, 60은 N2 가스 도입로, 63은 바이패스 유로(61)에 설치된 오리피스이다. 또한, 밸브 장치(1)는, 예를 들어 블록체(7)의 주위를 둘러싸도록 알루미늄 재킷과 맨틀 히터를 구비한 가열 기구(71)가 설치되어 있고, 밸브 장치(1)에 있어서의 가스의 유로의 벽면의 온도가 예를 들어 150℃로 가열되어 있다.
또한, ALD 장치는 제어부(9)를 구비하고 있다. 이 제어부(9)는, 예를 들어 컴퓨터로 이루어지고, 프로그램, 메모리, CPU를 구비하고 있다. 프로그램은, 후술하는 작용 설명에 있어서의 일련의 동작을 실시하도록 스텝 S군이 내장되어 있고, 프로그램에 따라서, 각 밸브(V1 내지 V6)의 개폐, 각 가스의 유량 조정, 처리 용기(10) 내의 압력의 조정 등을 행한다. 이 프로그램은, 컴퓨터 기억 매체, 예를 들어 플렉시블 디스크, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등에 저장되어 제어부(9)에 인스톨된다.
계속해서 본 발명의 실시 형태의 작용에 대해서 설명한다. 도 3은, ALD 성막 공정에서의 각 밸브(V1 내지 V6)의 개폐(가스의 공급·정지)의 타임차트를 나타낸다. 또한 도 4, 도 6, 도 8, 도 10 및 도 11은, 가스 공급 장치(100)로부터 처리 용기(10) 내의 가스의 공급 상태에 대해서 도시하는 설명도이며, 도 5, 도 7 및 도 9는, 가스 공급 시의 밸브 장치(1)의 동작을 나타낸다. 또한 도 4, 도 6, 도 8, 도 10 및 도 11에서는, 기재 내용의 이해를 용이하게 하기 위해서, 장치 본체부(200)는 편의상 간략화해서 기재되어 있다. 또한 오리피스(53)의 개구 직경에 대해서는, 과장해서 기재하고 있다. 또한, 도 4 이후의 가스 공급을 도시하는 설명도에 있어서, 폐쇄되어 있는 밸브에는 편의상 해칭을 기재하고 있다.
먼저, 웨이퍼(W)가 외부의 도시하지 않은 진공 반송실 내의 반송 기구에 의해, 적재대(2)에 적재된 후, 게이트 밸브(12)가 폐쇄되고, 적재대(2)에 설치한 히터(21)에 의해 웨이퍼(W)가 예를 들어 350℃로 가열된다. 또한 처리 용기(10)에 설치된 도시하지 않은 히터에 의해, 처리 용기(10)의 벽면의 온도가 예를 들어 170℃로 설정된다.
그리고, 도 3에 도시하는 시각 t0에서, 도 4에 도시한 바와 같이 N2 가스 유로(8, 81)의 원 밸브(V3, V6)를 개방한다. 이때, 밸브(V2)는 폐쇄되어 있지만, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 밸브 장치(1) 내에 N2 가스 도입구(75)로부터 유입된 N2 가스는, N2 가스 도입로(50), 오리피스(52) 및 제2 밸브실(58b), V자 유로(56), 제1 밸브실(58a), 가스 토출 유로(55), 가스 토출구(76)를 통과한다. 따라서 N2 가스 공급원(83, 84)으로부터 N2 가스가 각각 N2 가스 유로(8, 81) 및 가스 공급로(31, 32)를 통해서 처리 용기(10) 내에 공급된다. N2 가스 도입로(50) 및 오리피스(52)는, 제1 불활성 가스 유로에 상당한다. N2 가스는 치환 가스 가열부(54, 64)에 의해, 예를 들어 300℃로 가열됨과 함께, 각 N2 가스 유로(8, 81)마다 예를 들어 3000sccm의 유량으로 설정된다.
계속해서 적재대(2)를 도 1 중 실선으로 나타낸 처리 위치까지 상승시켜 처리 공간(30)을 형성한 후, 스텝 S1로서, 시각 t1에서 도 6에 도시하는 바와 같이 밸브(V1)를 개방한다. 밸브 장치(1)는, 도 7에 도시하는 바와 같이 제1 밸브체부(59a)가 상승되어, 처리 가스 유로(5)로부터 제1 밸브실(58a)에 TiCl4 가스가 공급된다. 그리고, 제1 밸브실(58a)에 있어서, V자 유로(56)로부터 유입되고, 제1 밸브실(58a)을 통해서 가스 토출 유로(55)에 흐르는 N2 가스와 TiCl4 가스가 합류한다. 이에 의해 TiCl4 가스는, 불활성 가스인 N2 가스와 함께 가스 공급로(31)로부터 처리 용기(10) 내에 유입되어, 웨이퍼(W)에 공급된다. 이때, 가스 공급로(32)에는, N2 가스가 흐르고 있으므로, TiCl4 가스가 당해 가스 공급로(32)로 역류하는 것이 억제되고 있다. 따라서, 가스 공급로(32)에 흐르는 N2 가스가 역류 방지용 가스라고 할 수 있다. 또한, 가스 공급로(31)를 흐르는 N2 가스도, 처리 분위기로부터의 가스의 역류를 방지하기 위한 가스이다.
시각 t1로부터 0.05 내지 0.5초 경과한 시각 t2에서 스텝 S2로서, 밸브(V1)를 폐쇄하고, 밸브(V2)를 개방한다. 이에 의해 도 8에 도시하는 바와 같이 TiCl4 가스의 공급이 정지되고, 가열된 치환 가스인 N2 가스가 N2 가스 유로(8, 81), 밸브 장치(1) 및 가스 공급로(31, 32)를 통해서, 처리 용기(10) 내에 유입된다. N2 가스에 대해서 상세하게 설명하면, 도 9에 도시하는 바와 같이 밸브(V2)의 제2 밸브체부(59b)를 상승시킴으로써, N2 가스 도입구(75)로부터 유입된 N2 가스는, 바이패스 유로(51), 오리피스(53)를 통해서 제2 밸브실(58b)에 유입되어, 이미 설명한 오리피스(52)를 통해 온 N2 가스와 합류한다. 바이패스 유로(51) 및 오리피스(53)는, 제1 치환 가스 유로에 상당한다.
합류한 N2 가스는, TiCl4 가스 공급 시 또는 NH3 가스 공급 시에 역류 방지용으로서 작용하는 N2 가스의 유량보다도 대유량으로 되어, 예를 들어 10000sccm의 유량으로 밸브 장치(1)로부터 가스 공급로(31)를 통해서 처리 용기(10) 내에 유입된다. 이때, 가스 공급로(32)로부터도 N2 가스가 계속해서 토출하고 있다. 그 때문에 이들 N2 가스는, 처리 가스(TiCl4 가스, NH3 가스)의 간헐 공급에 있어서의 휴지 시에는, 처리 용기(10) 및 가스 공급로(31, 32) 등의 처리 가스의 공급로 내의 분위기를 치환하기 위한 치환 가스로서 기능하고 있다.
계속해서 스텝 S3으로서, 도 10에 도시하는 바와 같이 시각 t2로부터 0.1 내지 0.5초 경과한 시각 t3부터 밸브(V2)를 폐쇄하고, 밸브(V4)를 개방한다. 이때 NH3 가스계측의 밸브 장치(1) 내에서 도 7에 나타내는 TiCl4 가스와 마찬가지로 하여 NH3 가스가 흐르고, 불활성 가스인 N2 가스와 함께 가스 공급로(32)로부터 처리 용기(10) 내에 유입되어, 웨이퍼(W)에 공급된다. 이때 가스 공급로(31)에는 N2 가스가 흐르고 있으므로, NH3 가스가 당해 가스 공급로(31)에 유입되는 것이 억제되고 있다. 따라서, 가스 공급로(31)를 흐르는 가스는 역류 방지용 가스라고 할 수 있다. 또한, 가스 공급로(32)를 흐르는 N2 가스도 처리 분위기의 역류를 방지하는 가스이다.
그리고 시각 t3으로부터 0.05 내지 0.5초 경과한 시각 t4부터 스텝 S4로서 밸브(V4)를 폐쇄하고, 밸브(V5)를 개방한다. 이에 의해 도 11에 도시하는 바와 같이 NH3 가스의 공급이 정지되고, 가열된 치환 가스인 N2 가스가 N2 가스 유로(8, 81), 밸브 장치(1) 및 가스 공급로(31, 32)를 통해서, 처리 용기(10) 내에 유입된다. 이때 NH3 가스계 부위측의 밸브 장치(1) 내에서 도 9와 마찬가지로 하여 N2 가스가 흐르고, 처리 용기(10) 내에는, 예를 들어 10000sccm의 N2 가스가 치환 가스로서 유입되게 된다.
그리고, 스텝 S1부터 스텝 S4까지의 TiCl4 가스의 공급→N2 가스에 의한 치환→NH3 가스의 공급→N2 가스에 의한 처리 분위기의 치환으로 이루어지는 사이클을, 시각 t5 이후에 있어서, 미리 설정한 횟수, 예를 들어 20회 반복한다. 이 사이클을 반복함으로써, 웨이퍼(W) 상에 TiCl4 가스가 흡착되고, 다음으로 TiCl4 가스가 NH3 가스와 반응해서 TiN의 분자층이 생성되고, 순차 TiN의 분자층이 적층되어 TiN막이 성막된다.
공급 사이클이 설정 횟수만큼 반복된 후에는 N2 가스를 잠시 동안 처리 용기(10) 내에 공급하고, 그 후 적재대(2)를 반출입 위치로 하강시켜, 게이트 밸브(12)를 개방해서 웨이퍼(W)를 처리 용기(1)로부터 반출한다.
상술한 실시 형태는, ALD를 행함에 있어서 분위기 치환용의 치환 가스인 N2 가스를 밸브 장치(1)와는 독립된 치환 가스 가열부(54, 64)에 의해 전용으로 가열하고 있다. 밸브 장치(1)도 가스 접촉 부위의 가스의 이탈을 도모하기 위해 가열 기구(71)에 의해 가열되고 있지만, 시일재의 내열성을 고려하면, 가열 온도가 제한되어, 예를 들어 150℃ 정도까지밖에 승온되지 않는다. 이에 반해 전용의 치환 가스 가열부(54, 64)를 사용하면, 치환 효율을 높일 수 있는 정도의 대용량 N2 가스를 흘렸을 때 가스 접촉 부위의 냉각 작용을 억제하기에 충분한 온도로까지 N2 가스를 승온시킬 수 있다.
ALD는 처리 가스인 원료 가스(제1 반응 가스)와 반응 가스(제2 반응 가스), 예를 들어 TiCl4 가스와 NH3 가스와의 사이의 분위기의 치환에 필요로 하는 시간이 스루풋에 영향을 미치는데, 이 실시 형태에서는 대용량의 N2 가스를 흘릴 수 있으므로 분위기의 치환을 단시간에 행할 수 있어, 스루풋의 향상이 도모된다. 그리고, 가스 접촉 부위의 온도가 저하되면, 이미 설명한 바와 같이 처리 용기(10) 내의 경우에는, TiCl4 가스와 NH3 가스 중 한쪽이 내벽에 부착되어 잔류함으로써 다른 쪽의 가스와 반응해서 파티클의 발생의 요인이 된다. 발명자는 NH3 가스의 흡착 확률에 대해서, 150℃부터 400℃의 사이에는, 온도가 높을수록 흡착 확률은 낮아지고, 온도가 낮아질수록 높아지는 것을 파악하고 있다. 또한 가스 공급로(31, 32)에 각각 TiCl4 가스, NH3 가스가 부착되면, 가스 공급로(31)에 NH3 가스가 역류하고, 또는 가스 공급로(32)에 TiCl4 가스가 역류함으로써, 가스 공급로(31, 32) 내에서 반응이 일어날 우려가 있다. 나아가, 또한 TiCl4 가스가 처리 용기(10)의 내벽이나 가스 공급로(31) 내에서 재 액화할 우려도 있다. 상술한 실시 형태에 따르면, 대용량의 치환 가스를 흘리면서, 이러한 문제가 해소된다.
또한, 가스 공급로(31, 32) 내에 역류 방지용의 N2 가스를 흘리고 있는데, 역류 방지용의 N2 가스의 유량을 규제하는 오리피스(52, 62)를 바이패스하는 바이패스 유로(51, 61)를 설치하여, 치환 가스인 N2 가스를 역류 방지용의 N2 가스와는 별개로 공급, 정지할 수 있도록 하고 있다. 이 때문에, 처리 가스인 TiCl4 가스, NH3 가스의 공급 시에 이들 처리 가스의 분압이 저하되어 성막 속도가 저하되는 것을 피할 수 있다. 그리고, 처리 가스용의 밸브(V1, V4)와 N2 가스용의 밸브(V2, V5)를 연속 설치한 소위 다연 밸브인 밸브 장치(1)를 사용하고 있다. 그리고, 이 밸브 장치(1) 중에서 역류 방지용의 N2 가스 유로의 일부인 N2 가스 도입로(50, 60)에 대하여, 치환 가스인 N2 가스의 바이패스 유로(51, 61)를 바이패스시켜, 제2 밸브체(59b), 제2 밸브 시트(57b)를 이용해서 치환 가스의 공급, 정지를 행하고 있다. 또한 이들 N2 가스 도입로(50, 60), 바이패스 유로(51, 61)를 처리 가스의 가스 토출 유로(55)(도 2 참조)에 합류시키고 있다. 따라서, 가스 공급 장치의 소형화가 도모되는 이점이 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 이하에 설명하는 바와 같은 변형예로서 구성해도 된다.
밸브 장치(1)에 있어서, 도 12에 도시하는 바와 같이 역류 방지용의 N2 가스의 가스 유로(50)를 V자 유로(56)에 오리피스(92)를 통해서 접속해도 되고, 도 12에 나타내는 구조 대신에, N2 가스 도입로(50)를 V자 유로(56)에 접속하지 않고 직접 가스 토출 유로(55)에 오리피스를 통해서 접속해도 된다. 또한 도 2에 도시하는 V자 유로(56)에 상당하는 유로, 즉 역류 방지용의 N2 가스 및 치환 가스인 N2 가스가 합류한 후의 유로의 출구가 제1 밸브실(58a)을 통하지 않고 가스 토출 유로(55)에 개구되어 있어도 된다.
또한, 역류 방지용의 N2 가스의 N2 가스 도입로(50)를 제2 밸브실(58b)에 접속하는 것 대신에, 제1 밸브체부(59a)에 의해 개폐되지 않도록 제1 밸브실(58a)에 직접 접속하는 한편, 제2 밸브실(58b)로부터 신장되는 이미 설명한 V자 유로(56)에 상당하는 유로를 제1 밸브실(58a)을 통하지 않고 가스 토출 유로(55)에 직접 접속하는 구성으로 해도 된다. 이 경우에는, N2 가스 도입로(50)에 설치되는 오리피스(52)는, 도 2에 도시한 것과 마찬가지의 구조를 제1 밸브실(58a)의 내벽부에 적용해서 구성할 수 있다. 그리고, N2 가스 도입로(50)와 바이패스 유로(51)는 가스 토출 유로(55)에서 합류되게 된다. 오리피스(52)를 밸브실(58a, 58b)의 내벽부에서 오리피스 형성 부재(52a)에 의해 구성하면, 가공 작업이 용이해지는 이점이 있다.
가스의 치환 가스 가열부(54, 64)는, 밸브 장치(1)의 상류측에 설치하는 것에 한하지 않고, 밸브 장치(1)의 하류측에 설치해도 된다.
상술한 실시 형태에서는, TiCl4 가스계측의 밸브 장치(제1 밸브부에 상당함)를 도 2에 도시하고 있지만, 실제로는 이미 설명한 바와 같이 NH3 가스계측의 밸브 장치(제2 밸브부에 상당함)도 도 2에 도시되어 있는 구조와 마찬가지이며, 도 1에 도시한 밸브 장치(1)는, 이들 밸브 장치가 2개 일체화된 구성으로 되어 있다. 그러나, 밸브 장치(1)는, TiCl4 가스계측의 밸브 장치와 NH3 가스계측의 밸브 장치가 분리되어 별체로 되어 있어도 된다.
성막 처리의 종별로서는, TiCl4 가스, NH3 가스에 한하지 않고, 원료 가스로서 유기계의 실리콘 소스를 사용하고, 반응 가스로서 오존 가스를 사용해서 실리콘 산화막을 성막하는 경우이어도 된다. 또는, 원료 가스로서 디클로로실란 가스 등의 실란계의 가스를 사용하고, 반응 가스로서 NH3 가스를 사용해서 소위 SiN막을 성막하는 경우 등이어도 된다.
또한, 본 발명은 ALD를 행하는 경우에 제한하지 않는다. 예를 들어 제1 CVD용의 처리 가스를 처리 용기 내에 공급해서 제1 CVD막을 성막하고, 계속해서 제1 CVD용의 처리 가스와는 상이한 제2 CVD용의 처리 가스를 사용해서 제2 CVD막을 성막한다. 이렇게 해서 양쪽 처리 가스를, 치환 가스에 의한 분위기의 치환을 통해서 복수회 교대로 처리 용기(10) 내에 공급해서 박막을 제막하는 방법에도 적용할 수 있다. 이 경우 제1 CVD용의 처리 가스가 제1 반응 가스에 상당하고, 제2 CVD용의 처리 가스가 제2 반응 가스에 상당한다.
치환 가스인 N2 가스의 유로는, 역류 방지용의 N2 가스 및 처리 가스가 흐르는 유로와는 별개인 전용의 유로를 설치해서 처리 용기(10) 내에 공급하도록 해도 된다.

Claims (15)

  1. 기판이 놓여 있는 진공 분위기가 된 처리 용기 내에, 처리 가스인 제1 반응 가스, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스 및 처리 가스인 제2 반응 가스를 차례로 복수 사이클 공급하기 위한 가스 공급 장치에 있어서,
    상기 처리 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 처리 가스 유로와,
    상기 치환 가스를 상기 처리 용기에 공급하기 위한 치환 가스 유로와,
    상기 치환 가스를 가열할 목적으로 상기 치환 가스 유로에 설치된 치환 가스 가열부를 구비한 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 치환 가스 유로는, 상기 처리 가스 유로에 합류하는 가스 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 치환 가스 유로가 상기 처리 가스 유로와 합류하는 부위를 포함하는 밸브 장치와,
    상기 밸브 장치 내의 가스 접촉부의 가스의 이탈을 도모하기 위해서 설치된 가열 기구를 구비하고,
    상기 치환 가스 가열부는, 상기 치환 가스 유로에 있어서의 상기 밸브 장치의 상류측 및 하류측 중 적어도 한쪽에 설치된 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 처리 가스의 공급 시에 상기 처리 가스 유로에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 유로를 구비하고,
    상기 밸브 장치는, 치환 가스 유로와 처리 가스 유로와 상기 불활성 가스 유로가 합류하는 부위를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브 장치는,
    제1 밸브실에서 유로를 개폐하는 제1 밸브체부와, 제2 밸브실에서 유로를 개폐하는 제2 밸브체부가 연속 설치되어 구성되고,
    처리 가스를 도입하는 제1 가스 도입 포트, 치환 가스를 겸용하는 불활성 가스를 도입하는 제2 가스 도입 포트 및 가스 토출 포트와,
    상기 제1 가스 도입 포트로부터 상기 제1 밸브실에 개구되고, 상기 제1 밸브체부에 의해 개폐되는 처리 가스 유로인 제1 가스 유로와,
    상기 제1 밸브실로부터 상기 가스 토출 포트에 이르는 가스 토출 유로와,
    상기 제2 가스 도입 포트로부터 오리피스를 통해서, 상기 제1 밸브체부 및 제2 밸브체부의 각각에 의해 개폐되지 않도록 상기 가스 토출 유로에 연통하는 불활성 가스 유로인 제2 가스 유로와,
    상기 제2 가스 도입 포트로부터 상기 제2 밸브실을 통해서, 상기 제2 가스 유로에 있어서의 상기 오리피스의 하류측에 합류하도록 형성됨과 함께 상기 제2 밸브체부에 의해 개폐되는 치환 가스 유로의 일부인 바이패스 유로와,
    상기 제1 밸브실, 제2 밸브실, 제1 가스 유로, 가스 토출 유로, 제2 가스 유로 및 바이패스 유로를 가열하기 위한 가열 기구를 구비한 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응 가스의 공급 시에, 제1 반응 가스 유로에 불활성 가스를 공급하기 위한 제1 불활성 가스 유로와,
    상기 제2 반응 가스의 공급 시에, 제2 반응 가스 유로에 불활성 가스를 공급하기 위한 제2 불활성 가스 유로와,
    제1 치환 가스 유로와 상기 제1 반응 가스 유로와 상기 제1 불활성 가스 유로가 합류하는 부위를 포함하는 제1 밸브부와, 제2 치환 가스 유로와 상기 제2 반응 가스 유로와 상기 제2 불활성 가스 유로가 합류하는 부위를 포함하는 제2 밸브부를 연속 설치하고, 또한 일체화해서 구성된 밸브 장치를 구비하고,
    상기 제1 밸브부 및 제2 밸브부의 각각은,
    제1 밸브실에서 유로를 개폐하는 제1 밸브체부와, 제2 밸브실에서 유로를 개폐하는 제2 밸브체부가 연속 설치되어 구성되고,
    처리 가스를 도입하는 제1 가스 도입 포트, 치환 가스를 겸용하는 불활성 가스를 도입하는 제2 가스 도입 포트 및 가스 토출 포트와,
    상기 제1 가스 도입 포트로부터 상기 제1 밸브실에 개구되고, 상기 제1 밸브체부에 의해 개폐되는 처리 가스 유로인 제1 가스 유로와,
    상기 제1 밸브실로부터 상기 가스 토출 포트에 이르는 가스 토출 유로와,
    상기 제2 가스 도입 포트로부터 오리피스를 통해서, 상기 제1 밸브체부 및 제2 밸브체부의 각각에 의해 개폐되지 않도록 상기 가스 토출 유로에 연통하는 불활성 가스 유로인 제2 가스 유로와,
    상기 제2 가스 도입 포트로부터 상기 제2 밸브실을 통해서, 상기 제2 가스 유로에 있어서의 상기 오리피스의 하류측에 합류하도록 형성됨과 함께 상기 제2 밸브체부에 의해 개폐되는 치환 가스 유로의 일부인 바이패스 유로와,
    상기 제1 밸브실, 제2 밸브실, 제1 가스 유로, 가스 토출 유로, 제2 가스 유로 및 바이패스 유로를 가열하기 위한 가열 기구를 구비한 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 바이패스 유로에는 오리피스가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 밸브실의 벽부에 형성된 개구부에 오리피스 형성 부재를 씌우고, 상기 오리피스는, 상기 오리피스 형성 부재에 형성된 구멍부에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 유로와 상기 바이패스 유로는 합류해서 제1 밸브체부에 의해 개폐되지 않도록 제1 밸브실에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응 가스는, 기판에 성막되는 박막의 원료를 포함하는 원료 가스이며, 상기 제2 반응 가스는, 상기 원료 가스와 반응해서 기판 상에 반응 생성물을 생성하기 위한 반응 가스인 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응 가스 및 제2 반응 가스는, 각각 CVD에 의해 성막하기 위한 반응 가스인 것을 특징으로 하는, 가스 공급 장치.
  12. 제1 밸브실에서 유로를 개폐하는 제1 밸브체부와, 제2 밸브실에서 유로를 개폐하는 제2 밸브체부가 연속 설치된 밸브 장치에 있어서,
    제1 가스 도입 포트, 제2 가스 도입 포트 및 가스 토출 포트와,
    상기 제1 가스 도입 포트로부터 상기 제1 밸브실에 접속되고, 상기 제1 밸브체부에 의해 개폐되는 제1 가스 유로와,
    상기 제1 밸브실로부터 상기 가스 토출 포트에 이르는 가스 토출 유로와,
    상기 제2 가스 도입 포트로부터 오리피스를 통해서, 상기 제1 밸브체부 및 제2 밸브체부의 각각에 의해 개폐되지 않도록 상기 가스 토출 유로에 연통하는 제2 가스 유로와,
    상기 제2 가스 도입 포트로부터 상기 제2 밸브실을 통해서, 상기 제2 가스 유로에 있어서의 상기 오리피스의 하류측에 합류하도록 형성됨과 함께 상기 제2 밸브체부에 의해 개폐되는 바이패스 유로를 구비한 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 바이패스 유로에는 오리피스가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 밸브 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 밸브실의 벽부에 형성된 개구부에 오리피스 형성 부재를 씌우고, 상기 오리피스는, 상기 오리피스 형성 부재에 형성된 구멍부에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는, 밸브 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 유로와 상기 바이패스 유로는 합류해서 제1 밸브체부에 의해 개폐되지 않도록 제1 밸브실에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 밸브 장치.
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